Curso de tuberías para plantas de proceso - 0210 Recipientes Verticales

8/18/2019 Curso de tuberías para plantas de proceso - 0210 Recipientes Verticales

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Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294.

Fax 914-203-074; E-mail [email protected]

CURSO AVANZADO PARA EL

DISEÑO DE TUBERÍAS. EN PLANTAS QUÍMICAS, PETROQUÍMICAS,

FARMACEUTICAS, NUCLEARES, ALIMENTARIAS, ETC.

0210

LOS RECIPENTES VERTICALES


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CURSO AVANZADO PARA EL DISEÑO DE TUBERÍAS EN PLANTAS DE PROCESO PETROQUÍMICO, NUCLEAR, ETC.

LOS RECIPIENTES VERTICALES.

Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294, fax 914-203-074; E-mail [email protected].

Dirigido por Jesús Escobar García 639-155-420; [email protected]

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01 INTRODUCCIÓN.Como se ha reiterado en capítulos anteriores, con la denominación de recipientes a presión se

encuadra a los aparatos constituidos por una envolvente, normalmente metálica, capaz decontener un fluido, líquido o gaseoso, cuyascondiciones de temperatura y presión sondistintas a las del medio ambiente.

Los recipientes en general, son elementos muyimportantes como componentes básicos de lasinstalaciones de las plantas químicas, petroquímicas, farmacéuticas, alimentarias, onucleares; particularmente por los cambiostienen lugar dentro de estos equipos.

Los recipientes verticales llamados torres ocolumnas, son piezas clave en las plantasquímicas y petroquímicas.

Figura 01; Vista parcial de refinería con recipientes verticales.

La denominación de estos equipos suele ser acorde con la función que se realiza en el interiordel recipiente, y/o dentro de la planta; por lo que una torre que fracciona propano, el cualabandona la torre por la parte superior en fase vapor, suele ser llamada “depropanizador”; un“debutanizador“ es un recipiente en el que se fracciona butano, y así sucesivamente. Otro

ejemplo de ello es la reacción química que se produce en el interior de los reactores, o laseparación que tiene lugar dentro de una torre de fraccionamiento, es decir, en toda plantaindustrial existen recipientes a presión que desarrollan diversas funciones, tales como:? Reactores; en ellos se producen transformaciones químicas, normalmente sus condiciones de

presión y temperatura son severas.? Torres; en las que se producen transformaciones físicas, algunas de estas, son:

? Separación de componentes ligeros y pesados mediante destilación.

? Separación de fases, líquido-vapor, o líquidos no miscibles con diferentes densidades.? Absorción, Arrastre con vapor, etc.


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? Recipientes verticales que realizan la misión de acumulación de fluido, es decir sonsimplemente depósitos.

La forma más común de los recipientes a presión es la cilíndrica, por su más fácil construccióny requerir menores espesores que otrasformas geométricas para resistir unamisma presión, salvo la forma esférica,cuyo uso se reduce a grandes esferas dealmacenamiento, dada su mayorcomplejidad en la construcción.

Los recipientes verticales de formacilíndrica, bajo el punto de vistaconstructivo, incluyen los reactores, torresy recipientes propiamente dichos, tanto enlo que se refiere a sus componentesinteriores como a los exteriores.

Los diversos tipos de apoyos se diseñan enfunción de las características del recipientey del lugar donde debe situarse.

Figura 02; Recipiente vertical con 3 patas.

02 LA ENVOLVENTE.En los aparatos cilíndricos, que son los más usados y difundidos en la industria química, petroquímica, etc., la envolvente, como se ha indicado, es la envoltura metálica que forma elrecipiente, está formada, básicamente, por dos elementos:? El cuerpo o parte cilíndrica, también llamado carcasa.? Los fondos o tapas que cierran los extremos.


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En los recipientes verticales la envolvente puede estar constituida por uno, o mástramos de virolas realizadas mediantechapas de acero soldadas longitudinal-mente, con igual diámetro, o por varioscilindros de diversos diámetros, como lastorres de vacío, reactores, etc., cuya uniónse realiza mediante virolas troncocónicasque realizan la transición. Otra alternativa, particularmente empleada en reactores, esla obtención de la envolvente partiendo delingotes forjados (sólo para equipos congrandes espesores).

Figura 03; Alzado de torre de vacío y strippers.

Se describen a continuación, bajo el punto de vista constructivo, las partes que conforman laenvolvente de un recipiente cilíndrico vertical:? La carcasa.? Los fondos.? La transición troncocónica, que no existe en todos los casos.

Posteriormente se describirán losrestantes elementos que complementana la envolvente, como son:? Los apoyos mediante patas o faldón.? Las tubuladuras.? Los accesorios interiores.? Los clips para plataformas, escale-

ras y soportación de tuberías.

Figura 04; Soldadura de carcasa en taller.


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02.2 La carcasa.Como se ha indicado en el caso de los recipientes horizontales, la carcasa está formada

por una serie de virolas soldadas unas a otras, entendiéndose por virola un trozo detubería o una chapa (o más si el diámetro es muy grande) que convenientemente curvaday soldada forma un cilindro sin soldaduras circunferenciales.

En los recipientes verticales, particularmente si se utilizan como reactores, el espesor puede llegar a ser muy elevado, actualmente las maquinas de curvar por rodillos, puedenrealizar el curvado de chapas dehasta 150 mm de espesor, aunqueeste valor es función del diámetrodel cilindro.

Figura 05; Esquema del curvado de las chapas para la formación de virolas.

La unión de varias virolas forman la carcasa, de modo que la suma de las alturas de loscilindros obtenidos por las virolas sea la requerida para la carcasa.

Figura 06; Disposición de chapas para la formación de la carcasa.

Las soldaduras de una virola son axiales o longitudinales, ya que están realizadassiguiendo la generatriz del cilindro, y al contrario, las soldaduras que unen virolas, o losfondos con la carcasa, son circunferenciales o transversales, por estar realizadassiguiendo una circunferencia situada, obviamente, en un plano perpendicular al eje delcilindro.


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Cuando el diámetro de la carcasa es = 609 mm(24"), se utiliza, normalmente un tramo detubería, este tipo de solución NO suele serhabitual, por ello, consideraremos losdiámetros superiores, en los que se utilizan dechapa de acero.

Figura 07; Soldadura de unión entre virolas.

Las chapas para los recipientes, se clasifican por su espesor; los más habituales son:? La gama de 5 a 25 mm.? La gama de 26 a 40 mm.? La gama de 45 a 100 mm.

Las chapas más delgadas pueden llegar a tener hasta 20,0m. (800”) de largo y un ancho de 5,0 m (195”), si bien lomás habitual son chapas de 6,0 x 2,0 m. o de 12,0 x 2,0m., lo que suele condicionar el nº de juntas soldadas enlos recipientes.

A partir de espesores mayores se debe recurrir al forjado

del cilindro, esta solución también se aplica cuando elmaterial en el que se realiza el recipiente, no tolera lasoldadura.

Figura 08; Carcasa y fondo forjado en una sola pieza.

Los extremos de las virolas presentan dos tipos de acabados, o preparación para soldar,como se ha indicado en la descripción de los recipientes horizontales, sea cual sea, el tipode material:


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Figura 10; Ejemplo de recipientes con cabezal plano.

En todos los fondos se realiza la transición de una figura abombada (más o menosesférica) a una cilíndrica, que es la carcasa; esta línea de transición, denominada

justamente línea de tangencia, está sometida a grandes tensiones axiales que se traducenen fuertes tensiones locales, y éste es el punto más débil del recipiente; por esta razón noes aconsejable realizar la soldadura de unión fondo-carcasa a lo largo de esta línea.

Figura 11; Soldadura circun-ferencial de uniónentre la carcasa y

los fondos.

Para evitar esta coincidencia, los fondos bombeados (y algunos cónicos) se construyencon una parte cilíndrica, denominada pestaña o faldilla, cuya altura mínima «h» varíasegún la Norma o Código de Cálculo utilizado, pero en general deberá ser no menor queel mayor de los siguientes valores:

f e e Dh ×≥ 3,0 f eh ×≥ 3 100 = h = 25mm.


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El valor de h no excederá de 100 mm, ni será inferior a 25 mm, siendo: De = diámetro exterior de la carcasa en mm.

e f = espesor del fondo en mm.

La descripción de los tipos de fondos más usuales, se realiza a continuación:

? Fondo semiesférico ; formado por media esfera soldada a la carcasa, la línea desoldadura, se encuentra por encima de la línea de tangencia; otras características son:¦ Su radio medio es idéntico al de la carcasa.¦ El espesor requerido es ˜ 0,5 del espesor necesario en la carcasa.¦ Por su alto coste se utiliza únicamente en el caso de:

? Que se necesite un gran espesor con otros tipos de fondos.? Recipientes realizados con materiales especiales, tales como:

- Recipientes en acero al carbono con espesor de carcasa > 60 mm.- Recipientes en acero aleado con espesor de pared de carcasa > 50 mm.- Recipientes en acero inoxidable con espesor de carcasa > 40 mm.

Figura 12; Detalle de empalme a carcasa y casquete semiesférico.

? Fondo elíptico ; formados por una elipse de revolución, estos fondos, junto con los

policéntricos y los “pseudo elípticos”son los que con más frecuencia se usaen la industria petroquímica.

El de forma elíptica, con semiejes en larelación 2/1 es el más empleado, debidoa la facilidad de su estampación.

Figura 13; Casquete de forma elíptica 2/1.


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? Fondo “pseudo elíptico” y/o policéntrico; ambos son figuras de revolución; su perfiles la unión de 2 radios, con centros en puntos diferentes, los más utilizados son:¦ El pseudoelíptico o “Korbbogen”, que tiene el mismo campo de uso que los elípticos

cuyas dimensiones son:? Radio mayor; R = 0,8 DE? Radio menor; r = DE /6,5

¦ El policéntrico de relación 10:1, también llamado “Klopper”, usado en casos de baja presión debido a que requiere mayores espesores, sus dimensiones son:? Radio mayor; R = DE

? Radio menor; r = DE /10Siendo en ambos casos, DE el diámetro exterior de la carcasa cilíndrica.

Figura 14; Casquete policéntrico 10:1 “klopper” y “pseudo elíptico” 2:1.

Estos fondos se construyen mediante troquelado o embutición, se pueden construir defondos desde 3,0 m (12’) hasta 5,0 m. (20’) de diámetro. El más utilizado en petroquímica es el elíptico 2/1; en menor proporción se emplean policéntricos y “pseudoelípticos”; en la tabla adjunta se ven sus características:

TABLA 01; CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DE LOS FONDOS

TIPO DE FONDO R r h H

Semiesférico Variable --- variable RElíptico 2/1 --- --- 0,015 De + S 0,25DI

Policéntrico 1/10 DI DI/10 0,015 De + S 0,194DI“Pseudo elíptico” 0,8DI DI/6,5 0,015 De + S 0,25DI

En los fondos hay un cuello cilíndrico de alturah, para que la soldadura a la virolainferior (L.S.) no coincida con la línea de tangencia L.T. y evitar que la soldadura esté en

una zona fuertemente solicitada por cargas locales de tipo radial y axial simultáneamente.


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El cuello evita una discontinuidad y porlo tanto un punto débil en la estructuradel recipiente, además de la diferencia deespesores en esa zona.

Figura 15; Esquema de las fuerzas en lacarcasa o envolvente.

Las cotas de los recipientesverticales, en sentido axial, olongitudinal, son referidas alas líneas de tangencia(teóricas) y no a las desoldadura.

Figura 16; Situación de las líneas de tangencia y soldadura de unión del casquete con laenvolvente en un recipiente cilíndrico.

Los fondos cónicos están formados por un cono fabricado con chapa, y por su forma seexcluyen de los fondos denominados bombeados. Dependiendo de la unión con la carcasase presentan dos formas de fondo:? Con radio de acuerdo de cono a cilindro.? Unión directa entre cono-carcasa

Figura 17; Situación de las líneas de tangencia y soldadura de unión de los casquetes cónicoscon las envolventes en los recipientes cilíndricos.


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Las características delfondo cónico, con radio de acuerdo o transición de cono acilindro por medio de zona esférica tangente a ambos elementos; son:¦ El valor del radio de acuerdo debe ser > 3 tres veces el espesor del cono o carcasa.¦ Se prolonga el fondo con un borde cilíndrico de altura ˜25 mm, como en los fondos

abombados,¦ El valor del semiángulo puede ser cualquiera, pero no es recomendable utilizar

mayores de 45º.

Las características delfondo cónico de unión directa entre cono y carcasa, en el que la parte cónica esta soldada directamente a la parte cilíndrica, sin cuello recto o curvo, son:¦ Ofrece menor resistencia a la presión.¦ Su uso está limitado a fondos con valor del semiángulo inferior ß < 30º.¦ Pese a lo anterior, no es recomendable utilizarlo para valores de ß> 20º.¦ Conviene comprobar si es necesario reforzar la carcasa debido a la sobresolicitación a

la que se somete el entorno de la línea de soldadura, y a la poca resistencia que estazona ofrece a una posible ovalizaci6n.

Cuando el diámetro es pequeño, de 900 mm. o menor (3’) y/o la presión es reducida, loscabezales y/o fondos de los recipientes pueden ser planos y esta solución resulta muyeconómica.

Los cabezales o fondos planos se realizan mediante una chapa plana soldadadirectamente a la carcasa, pueden soldarse a los recipientes, o instalarse como bridasciegas, su uso se restringe a recipientes de muy baja presión y diámetro pequeño, como se

ha referido para los recipientes horizontales y en recipientes pequeños,

Figura 18; Tipos de soldadura de unión para recipientes con fondo plano.


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Por lo general, las necesidades del proceso indican el cabezal que debe usarse en cadacaso. Por ejemplo, en un depósito de decantación, el cabezal inferior debe ser cónico. Encaso de poder escoger el tipo de cabezal, se escogerá el más económico de entre elhemisférico, cónico estándar y elipsoide. Como el espesor necesario para resistir una presión dada, se incrementa en el orden de hemisférico, elipsoide y cónico, el costo de sufabricación disminuye en el mismo orden.

Aunque resulta difícil generalizar, puede afirmarse que el cabezal cónico estándar puedeusarse con intervalo de presiones desde un valor bajo hasta valor moderado. Para presiones por encima de 200 PSI (14 kg/cm2) probablemente resulte más económico usarel elipsoide (cóncavo elíptico) con una relación 2:1 de eje mayor a eje menor. Seconstruye una gran variedad de cabezales estándar de uso muy común. El uso de loscabezales no estándar implica la construcción de matrices adicionales para la formacióndel cabezal, con lo que se incrementa el costo de los mismos.

02.3 La transición troncocónica.Cuando la carcasa está compuesta de varios cilindros de diverso diámetro es precisoincluir una figura de transición que normalmente es troncocónica. Las formas de la uniónasí, como las recomendaciones, suelen ser semejantes a las indicadas para los fondoscónicos; siendo válidas para las dos uniones, esto es, al cilindro de diámetro mayor y alcilindro de diámetro menor.

El semiángulo de la zona troncocónica sueletener una inclinación de 15 a 45º (respecto a lavertical). En este caso, al igual que en losfondos, se recomienda utilizar las uniones conradio de acuerdo, aunque su coste es superior.

Figura 19; Recipiente con virola troncocónica deunión entre zonas cilíndricas de distintodiámetro.


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03 LOS APOYOS DEL RECIPIENTE. Como todo recipiente debe ser soportado, es decir, su carga debe ser transmitida, al suelo o

mediante alguna estructura que las transmita al suelo, esta misión la cumplen los apoyos; estoselementos sirven para transmitir el peso del equipo y las cargas que obran sobre el mismodurante la operación a la cimentación, también transmitirán los esfuerzos provocados por la prueba hidráulica y recibirán el peso de todos los accesorios y de los eventuales empujes, detuberías, válvulas etc., así como los derivados de los empujes del viento y de los terremotos.

Las cargas a las que está sometido el recipiente; es decir las acciones que gravitan sobre elrecipiente y como consecuencia sobre sus apoyos, para su transmisión a la cimentaciónmediante pernos de acero y tuercas, son:? Peso propio.? Peso del líquido en operación normal, o agua en la prueba hidráulica.? Peso de todos los accesorios internos y externos.? Cargas debidas al viento.? Cargas debidas al terremoto.

No todas las cargas están actuando a la vez en el recipiente, y en el apartado de cálculo seestudiará cada condición o combinación posible de cargas, de modo que:? El apoyo de la carcasa.? La cimentación o estructura sobre la que se apoye.? Los pernos y tuercas de anclaje.Resistan todas y cada una de las posibles condiciones de solicitación.

Para recipientes verticales hay diversas soluciones para su apoyo sobre la cimentación oestructura, como:? Patas.? Faldones cilíndricos o cónicos.? Ménsulas para apoyo sobre estructuras.

Las patas , en numero de 3 o 4 soldadas a la carcasa, suelen ser perfiles laminados PNL o PNU,a veces se utilizan IPN, IPE o HEB, también se emplean tubos estructurales redondos,

cuadrados o rectangulares.


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Estos elementos pueden ser unidos directamente a la carcasa,o mediante placa o placas de refuerzo; la primera solución seutiliza cuando se usan carcasas de acero al carbono enrecipientes ligeros, la segunda se emplea para carcasas deacero aleado, inoxidable, o con recipientes pesados, en estaultima solución el material de la placa es igual que el de lacarcasa para que las patas puedan ser de acero al carbono.

Figura 20; Recipiente vertical sobre patas de apoyo.

Habitualmente las patas se usan en recipientes verticales conaltura no superior a 5,0 m. y diámetro menor de 2,5 m.siempre que las fuerzas a transmitir a la cimentación no seanexcesivas para esta solución, estas patas también son el apoyo habitual de los recipientesesféricos, en este caso su numero y características suelen ser acordes su tamaño.

Los faldones cilíndricos o cónicos son las soluciones constructivas adoptadas habitualmente para el apoyo de las torres y columnas de fraccionamiento y de aquellos recipientes verticalesque deben transmitir elevados esfuerzos a las cimentaciones.

Este tipo de apoyo permite repartir la carga de un modo uniforme sobre el anillo de la base,evitando la concentración de esfuerzos sobre la envolvente y disminuyendo la presióntransmitida a la cimentación.

Los pernos de anclaje se colocan a lo largodel perímetro del contorno de apoyo. Ladistancia entre pernos se encuentra entre 400y 600 mm, de acuerdo con el número de pernos y su diámetro, dicho nº debe sermúltiplo de 4.

Figura 21; Recipiente vertical sobre faldón de

apoyo.


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Cuando la presión transmitida al terreno es grande o el nº de pernos no cabe en lacircunferencia del faldón vertical, se recurre a un faldón cónico que aumenta el tamaño de lacircunferencia. El diámetro medio del faldón suele coincidir con el diámetro medio de lacarcasa para evitar la aparición de momentosdebidos a una posible excentricidad.

El semiángulo del tronco de cono no debe sersuperior a 6º. El faldón debe disponer de una bocade hombre o un acceso de 24” o 600 mm dediámetro y unas ventilaciones para evitar laacumulación de gases en el interior.

Figura 22; Recipiente vertical sobre faldón inclinado.

Las ménsulas son utilizadas cuando el recipientevertical (u horizontal) va montado sobre unaestructura de hormigón (o metálica).

El nº de ménsulas utilizadas suelen ser 2, 4, 8 ydifícilmente se supera esa cantidad, pero si fuesenecesario, su número deberá ser múltiplo de 4.

Figura 23; Recipiente vertical sobre ménsulas de apoyo.

La zona de unión de la ménsula con la virola suele reforzarse con una o más chapas de acero;los motivos para la colocación de son similar a los que se tienen en cuenta para las patas, esdecir, pueden ser soldadas directamente a la carcasa o a una placa de refuerzo.

Cuando los refuerzos son insuficientes se recurre a un anillo, para que los esfuerzos setransmitan a la envolvente de un modo uniforme.


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04 LAS CONEXIONES, TUBULADURAS O TOBERAS. Los recipientes verticales, igual que los horizontales, utilizados en las plantas de proceso

disponen de conexiones con bridas (toberas o tubuladuras) o roscadas, las cuales tienenfunciones diferentes como por ejemplo:? Entrada y salida de productos.? Instrumentos como manómetros, termómetros indicadores, reguladores de nivel, etc.? Válvulas de seguridad.? Paso de hombre, (inspección) cerrada con brida ciega.? Drenaje, y/o venteo, cerradas con tapas o tapones.? Reserva, cerrada con brida ciega o tapón.

Estas conexiones o toberas, se realizan mediante tubería de acero (pipe), o por tubuladurasrealizadas en acero forjado. El material de la tubería o tubuladura debe ser adecuado ocompatible con el de la virola y que esté de acuerdo con los códigos. El extremo de la toberadonde se conectara la tubería suele estar acabado mediante una brida soldada, tipo weldingneck o slip-on; dentro de estasconexiones podemos considerar 2tipos, como se ha indicado:? Toberas, que se realizan con

tubería de acero (pipe).? Tubuladuras realizadas en

acero forjado.

Figura 24; Detalle de tobera con bridas W.N. y ciega.

Las conexiones destinadas a lainstrumentación pueden tener susextremos acabados mediante:? Brida welding neck o slip-on.? Rosca.? Socket-weld.

Figura 25; Detalle de tubuladura forjadas.


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Una tubuladura o conexión puede estar constituida por un carrete de tubería, o una piezaforjada, soldada en cualquiera de los dos casos a la virola de la envolvente, de longitudsuficiente para colocar su final más allá del aislamiento, provisto de una brida en el extremo.

Se suele compensar el debilitamiento provocado por el agujero realizado en la virola, con conuna placa de refuerzo, cuyo espesor suele ser igual al del schedule de la tubería, hasta 10” NPS,o igual al espesor de la virola para las tuberías de mayor diámetro. Cada Norma o Código,como DIN (alemana) BS (inglesa) MSS, API, ANSI, ASME (norteamericanas) impone unaslimitaciones en el diámetro del refuerzo. Como dimensión aproximada se puede tomar el dobledel diámetro de la tubuladura o tubería de conexión y como espesor el de la virola de lacarcasa.

Las tubuladuras de aceroforjado se usan en casosde singular importancia.

Figura 26; Esquema paradistribución de tubuladuras.

La tubuladura suele seridentificada en el planodel recipiente por:? El diámetro nominal.? El tipo de brida, la

serie y el tipo de lacara.

En el caso de conexiones para recipiente a baja presión y de pequeño diámetro el extremo de latobera también puede ser roscado, utilizándose accesorios tipo coupling, con rosca interior paraevitar daños en ella, ya que durante la construcción y el montaje las roscas externas estaríanconstantemente expuestas a daños. En este caso se indica diámetro nominal y el ratting.


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Normalmente las conexiones o tubuladuras en el recipiente suelen protegerse mediante bridasciegas o tapones en el caso de las conexiones roscadas, estas protecciones se retiran en elmomento de la conexión excepto en el caso de las bocas de hombre y las tubuladuras dereserva.

La orientación de las toberas de un recipiente influye enormemente sobre el trazado de tuberías. Para establecer la orientación óptima de las toberas de un recipiente, el diseñador de tuberíasdeberá poner a la contribución del éxito de ese trabajo, toda su experiencia y buen criterio.

05 LA CAPACIDAD DE LOS RECIPIENTES.Pese a que los recipientes verticales se construyen bajo demanda y con las características quedetermina el proceso en el que se van a utilizar, existen unas dimensiones normalizadas que nos permiten hacernos una idea de las dimensiones aproximadas de cada uno de los elementos yacitados, en función del volumen o capacidad expresada en metros cúbicos.

A continuación se incluye una tabla de dimensiones normalizadas para recipientes verticales ysu capacidad volumétrica, que nos permite realizar una estimación dimensional, de carácteraproximado.

El espesor “S” de la tabla, no tiene en cuenta el avance de corrosión; los valores de cálculo hansido:

¦ Acero al carbono A-42c:Temperatura de –10 a 120 ºC.Presión = 16,0 kg/cm2,Prueba hidráulica = 21,6 kg/cm2.

¦ Acero inoxidable AISI-304:Temperatura de 20 a 100 ºC.Presión = 14,1 a 11,8 kg/cm2.

Presión hidráulica = 19,2 kg/cm2

.


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06 LOS ESFUERZOS EN LOS RECIPIENTES.La teoría en lo referente al diseño de recipiente sometidos a presión interna, así como las reglas

para el diseño y fabricación de recipientes de presión, en zonas con peligro de incendio, ya sehan citado en el caso de los recipientes horizontales y como se ha indicado, han sidoestablecidas por los códigos ASME y API-ASME, que son los más utilizados por las industriasde procesos petroquímicos, dichos códigos están basados en el criterio de expertos, por ello enla practica todos los recipientes de proceso deben construirse de acuerdo con las reglas de unode estos códigos, más los criterios de las normas de cada país.

En España todos los recipientes a presión deben cumplir lo prescrito por el Reglamento deRecipientes a Presión (RAP) y las Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC) quedesarrollan dicho Reglamento. El cálculo mecánico de un recipiente consiste en sus aspectos básicos, en:

La determinación de los espesores de chapa o el perfil de los diferentes

componentes que lo forman.

Tomando como base de partida los siguientes datos (que deben ser conocidos o establecidos):¦ La forma y dimensiones.¦ El material a utilizar en cada componente.¦ Las condiciones de presión y temperatura.¦ Las cargas debidas; al peso propio del equipo, al peso del fluido que contendrá.¦ Las acciones del viento, nieve y terremoto.¦ La resistencia del terreno (si es poco resistente).

La definición de estas variables se puede realizar como se indica a continuación:

? Presión de proyecto (P); debe ser en todo caso superior a la máxima que se pueda produciren cualquier momento de operación. Su valor se puede fijar como el mayor de:

P' = 1,1 x Presión máxima de operación Kg/m2.P = Presión máxima de operación + 1 Kg/cm2.

? Temperatura de proyecto (T); debe ser superior a la máxima que se produzca durante laoperación, es habitual adoptar como temperatura de proyecto el valor de:

T = Máxima temperatura de operación + 20º C.


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? Velocidad o presión del viento ; Las cargas debidas al viento están en función de la presiónunitaria del viento, que a su vez está en función de la velocidad del viento adoptada, lasituación del equipo, altura, exposición, etc.En muchos países existe una reglamentación quefija las velocidades o presiones unitarias delviento en cada zona, altitud, etc. Cuando estareglamentación es inexistente, se puede adoptarcomo velocidad del viento en el proyecto, lamáxima velocidad habida en los últimos veinteaños. En España se utiliza la Norma NBE-EA-88,sobre Acciones en la Edificación.

Figura 27; Esquema para distribución de cargas por viento.

? Coeficiente sísmico ; La acción sísmica no es uniforme a lo largo y ancho de la superficie deun país, existiendo diversa probabilidad de que pueda producirse un movimiento sísmico enuna región u otra; es lo que se conoce como zonas sísmicas, en las cuales habrá una

diferente intensidad de movimiento en caso de producirse.

Por ello, en unas zonas no será necesario tener encuenta los posibles efectos de movimientos sísmicosa la hora de diseñar recipientes verticales, pero habrázonas en las que sí será necesario prever tal posibilidad, y para ello se procederá a determinar el

coeficiente sísmico siguiendo los métodos impuestos por la reglamentación del país, o asimilándolo al de puntos equivalentes sísmicamente de países conreglamentación sísmica vigente, para aquellos paísesque carezcan de este tipo de códigos.

Figura 28; Esquema para distribución de cargas sismicas.

En España se utiliza la Norma Sismoresistente P.D.S.-1, en su parte A, que se encuentraincluida en la norma NBE-EA-88, sobre Acciones en la Edificación.


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? Tipo de material ; los mismos materiales que se han citado para los recipientes horizontales,son utilizados en el caso de recipientes verticales.La elección del material a utilizar se realiza sobre la base de estos factores fundamentales:¦ La temperatura y presión de proyecto.¦ Las características corrosivas del fluido contenido en el recipiente.¦ La soldabilidad, tenacidad, etc¦ La necesidad o no, de tratamiento térmico de la envolvente del recipiente.

? Margen o sobreespesor de corrosión ; Como se ha citado en los recipientes horizontales, silos fluidos son poco corrosivos, para compensar la perdida por corrosión que sufren losrecipientes, estos equipos se diseñan con un sobreespesor en su envolvente conocido como,espesor de corrosión. Su valor es habitualmente igual al máximo espesor que se espera seacorroído en un plazo de diez años y suele oscilar entre 1 y 6 mm.

? Espesor mínimo de pared (emin); por obligación de Norma, o Código, o transporte,conviene fijar un valor mínimo para el espesor de la envolvente. Como se ha indicado en losrecipientes horizontales, se adoptara el espesor no sea inferior al mayor de:

¦ emin = [(2,5 + De ) / 1000] + c mm. ¦ Las normas son menos exigentes con los espesores mínimos, siendo este valor, para la

Norma ASME VIII, Div. 1, el siguiente;emin = 2,5 + c mm ¦ La norma alemana AD-Merkblatt, fijaba el valor: emin = 2 + c mm.

En esta última norma cuando c = 0: emin = 3 mm. ¦ Para los aceros inoxidables, se admite el valor de: emin = 2 mm.

? Eficiencia de la soldadura (E); como se ha referido en el caso de recipientes horizontales,la unión entre chapas se realiza soldadura, que supone una discontinuidad entre las chapas yque puede producir una intensificación local de las tensiones en el material, esto junto con la posibilidad de defectos en la realización de la soldadura y el calentamiento y enfriamiento alque está sometida la zona próxima a la soldadura, dan pie a considerar la zona de soldaduracomo debilitada; por ello, en el cálculo se introduce una reducción en la tensión máximaadmisible, al multiplicar ésta por un coeficiente denominado eficiencia de la soldadura (E),

cuyo valor varía según las normas o códigos, y de acuerdo a la soldadura y los controlesefectuados sobre ella.


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¦ El 67 % de la carga de rotura (f r ) por alargamiento, en 100 000 horas, a la temperatura de proyecto = 2? f r / 3

Para los diferentes materiales bajo al denominación ASTM-ASME, el código ASME VIII,Div. 1, contiene unas tablas que muestran las tensiones máximas admisibles para cada tipode material a las diferentes temperaturas de servicio.

07 LAS ECUACIONES PARA EL CÁLCULO DE LOS RECIPIENTES.Se han referido ya con anterioridad, cuando se vieron los recipientes horizontales, lasimplificación de conceptos respecto a las bases teóricas de las ecuaciones para el diseño derecipientes de pared delgada, para determinar el espesor mínimo de la envolvente y de loscabezales, así como las limitaciones y fundamentos de estas ecuaciones, para evitar un maldiseño por el uso indebido de las mismas y de los gráficos para diseño rápido de recipientes.

El código ASME define un recipiente de pared delgada, como aquel en el que suespesor, es menor que la mitad del valor del radio interior.

El código API-ASME especifica para el espesor Ø interior /10, en la mayoría de los recipientesusados en plantas de proceso, pero para procesos como el de reactores sintéticos de amoníaco,donde se requiere de presiones muy altas, del orden de 10.000 a 12.000 PSI (700 a 840 kg/cm2)los recipientes deben ser de paredes gruesas; en esos casos no debe aplicarse esta teoría.

En los recipientes de pared delgada losesfuerzos se suponen constantes a través delespesor de la pared. La presión que actúadentro del cilindro produce esfuerzos de tipolongitudinal y. circunferencial o tangencial,tal como se muestra en el dibujo.

Figura 29; Esquema de fuerzas en la envolvente


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08 LOS ACCESORIOS INTERIORES DEL RECIPIENTE. Los recipientes pueden tener en su interior una variada gama de accesorios, cuya geometría y

características dependerá del uso al que esté destinado el recipiente, dichos accesorios sonnecesarios para que puedan realizarse los procesos (cambios) físicos o químicos en losmateriales que pasan por su interior.

Figura 30; Sección de torre con elementos internos y tubuladuras.


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El numero de vertederos en cada plato o bandeja marca diferencias entre ellos, como puedeverse en los dibujos anteriores, hay diversas soluciones para variar la cantidad de losvertederos.

El interior del recipiente se diseña de tal modo que los platos puedan sacarse fácilmente de suinterior, se suelen usar placas ligeras de acero aleado y se diseñan de modo que puedan serdivididos en componentes, los cuales puedan ser extraídos a través de las bocas de hombre, quesuelen colocarse en los recipientes alineadas sobre la misma vertical, distanciadas en función deun determinado numero de platos, para facilitar el movimiento de los componentes de los platos durante el mantenimiento y la posible inspección interna. en el dibujo de la paginasiguiente puede verse una disposición típica moderno de una bandeja de burbujeo en la cual semuestran estructuras para soportarla y las uniones entre placas.

Figura 33; Descripción de las soluciones constructivas para los platos y el vertedero de una torre.


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Debido a que se utilizan rejillas y/o placas perforadas, el soporte de las mismas no representaningún problema por el poco peso de las bandejas. Los platos pueden ser autoportantes yentonces las diferentes secciones tienen una posición determinada para que constituyan sus propios armazones de sujeción y se apoyen en los soportes fijados interiormente a la envolventede la columna.

Las tolerancias de construcción y de montaje de las diferentes partes son muy estrechas paraasegurar que los platos estén a la altura deseada y el nivel del líquido sea el requerido por el proceso. Existen numerosos tipos de platos, generalmente patentados por casas especializadascon dispositivos para regular el nivel y el paso del líquido.

Los platos agujereados suelen tener losagujeros libres dispuestos con pasotriangular, con los bordes ligeramenteelevados.

Figura 34; Detalle de plato de columna,con agujeros perforados.

Los platos con válvulas tienen los agujeros cubiertos de estetipo de dispositivos, que pueden moverse verticalmenteconservando la misma posición y asiento.

Figura 35; Detalle de válvula para plato de torre.

Una variante de esta solución son los platos con campanas (o charolas) que consiste en que el plato esta provisto de una serie de “chimeneas” cada una delas cuales se encuentra cubierta por una campana atornilladaa la chimenea. Actualmente se usan menos que en el pasado.

Figura 36; Detalle de campana en plato de torre.


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Figura 37; Distintos tipos de “chimeneas” en platos de torre.

Otra alternativa a los platos son los llamados “ paquetes rejilla” que sirven para separar de losgases las pequeñas gotitas de líquido que son transportadas en suspensión están constituidas pormallas de hilos metálicos muy finos entrelazados entre sí, o por una tela metálica, situadas enambos casos entre platos oportunamente distanciados, fijados sobre anillos de soporte, enocasiones las rejillas sirven de soporte al catalizador (reactores).

En su dimensionado influyen el peso del material sostenido y la pérdida de carga del fluido.

Figura 38; Aspecto de una tela metálica y de un plato derejilla en una torre.


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Distribuidores; se suelen realizan mediante tuberías, con la finalidad de conducir el productoal que da entrada, hasta una determinada zona del recipiente.

Figura 39; Alzado y planta de ejemplos de distribuidor en una torre.

Los rompetorbellinos son pie-zas de chapa a las que se les dala forma conveniente para quela salida de los líquidos serealice sin torbellinos.

Figura 40; Ejemplo de rompetor-bellinos en torre de desti-lación (fraccionamiento).


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09 LOS ACCESORIOS EXTERIORES DEL RECIPIENTE. En los recipientes empleados en los procesos petroquímicos, puede encontrarse una amplia

gama de accesorios exteriores a los equipos, cuyas características dependerán del uso al queesté destinado el recipiente.

Figura 41; Esquema de colocación de elementos externos y tubuladuras en recipiente vertical.


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Otro tipo de Pescante o Davit, es el que se monta para poder manipular las bridas ciegas en la bocas de hombre; es un brazo fijado a la brida de la boca de hombre, que soporta la brida ciegacuando es necesario para el operario pasar dentro del equipo, o simplemente desea inspeccionarsu interior desde el exterior, sin que sea preciso dejar la brida en el suelo.

Figura 43; Disposición de davits en bocas de hombre de recipientes.

Otra solución para la manipulación de la boca de hombre, es la colocación de una bisagravertical, que permita la apertura de la brida ciega, hasta 135º, cuidando que su apertura noimpida la visión de los instrumentos.

Figura 44; Ejemplo de disposición de bisagra en boca de hombre de recipientes (alzado y planta).

Placa de características; es una placa fijada al equipo y sobre la cual son indicados los datosdel recipiente y los posibles marchamos (sellos) de los entes oficiales que han aprobado yverificado su construcción.

Ménsulas (clips) para plataformas y escaleras; cuando son necesarias escaleras y/o plataformas de servicio sobre la envolvente, se colocan en ella unas ménsulas o escuadras parasostenerlas, también denominadas “clips”.


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Figura 45; Ejemplo de disposición de clip para plataforma en (alzado).

Otro tipo de clips se emplean para el montaje de soporte de tuberías, ya que las tuberíasconectadas a un recipiente vertical suelen ser muy pesadas y las toberas no están diseñadas parasoportar tales pesos.

Debido a esa circunstancia se prevén unossoportes fijados a los clips soldados en laenvolvente del recipiente y tan cerca de las toberascomo sea posible, para soportar el peso muerto delas tuberías y de las válvulas cuando se instalanestas últimas.

Figura 46; Ejemplo de soporte de tubería en recipientevertical.

Debajo de cada soporte de una tubería verticalconectada a una torre, hay una serie de guías, aintervalos muy amplios, para evitar que lastuberías oscilen y se desvíen de la vertical creandomomentos en las toberas.


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Figura 47; Ejemplo de disposición de clip para soporte de tubería vertical (plantas y alzados).

Las ménsulas (clips) para soportes de tuberías son necesarias, ya que si bien es frecuente que enlas proximidades de los recipientes existan construcciones y estructuras desde las que puedenapoyarse las tuberías a través de soportes apropiados, una vez situadas las tuberías en la verticalde la torre o columna, estas tuberías deben ser apoyadas y guiadas a lo largo de dichos equiposdebiendo soldarse al recipiente las ménsulas, escuadras o placas de refuerzo que se necesiten para esa finalidad, como se refleja en los dibujos precedentes y siguientes.

Figura 48; Ejemplo de disposición de clip para soporte detubería vertical (planta y alzado).


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Figura 49; Ejemplo de disposición de clip para soporte de tubería vertical (alzados).

El definir los soportes de las tuberías conectados a una torre es responsabilidad del diseñadorde tuberías. Al mismo tiempo que realiza el trazado de tuberías de una torre deberá estudiar y

definir los soportes para estas. Para fijar estos soportes el diseñador deberá situar las tuberíasverticales en relación con el recipiente, que siempre dejara 1’-0" de espacio libre como mínimoentre la envolvente del recipiente y el diámetro exterior de la tubería.

El tipo soporte y de guía que se usará en cada caso, para las tuberías, deberá estar de acuerdocon la especificación de proyecto y el departamento de stress.

Soportes del aislamiento; cuando se ha previsto un aislamiento térmico, éste se fija a la paredexterior de la envolvente mediante anillos fijados a las virolas de chapa.

Figura 50; Sección esquemática de disposición del aislamiento.


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Figura 51; Ejemplo de disposición de anillos para soporte de aislamiento.


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Anclajes para la protección contra incendio; cuando un equipo es colocado en una zona dela planta donde exista peligro de incendio, las patas o el faldón deben ser adecuadamente protegidos del fuego, revistiéndoles con “gunita”, para lo que se deben colocar los anclajesoportunos, también puede ser empleada la pinturaintumescente.

Figura 52; Secciones esquemáticas de la protección contra incendio en patas y faldones.

Curso de tuberías para plantas de proceso - 0210 Recipientes Verticales

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