Ejemplo Tanque Evaluacion Ffs

7/25/2019 Ejemplo Tanque Evaluacion Ffs

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VII INGEPET 2011 (GAS-1-ER-03-N)

EVALUACION DE APTITUD PARA EL SERVICIO DE TANQUE DEALMACENAMIENTO DE HIDROCARBUROS

Esteban Rubertis (GIE S.A), Marcos San Martin (GIE S.A), Bernardo Elosegui (GIE S.A),Hernan Kunert (GIE S.A)

Palabras clave: , FFS, Tanque, FEM

Resumen

Se presenta una evaluacin de Aptitud para el Servicio, de acuerdo con ASME FFS1 - API STD579 (Ed. 2007) del tanque de almacenamiento de gasoil TK-3.

El tanque TK-3 tiene una capacidad de 25.000 m 3, y fue construido de acuerdo con API 650. Elmismo sufri deformaciones en tres sectores al momento de la prueba hidrulicapre-operacional; posteriormente el tanque fue reacondicionado quedando algunos sectores condeformaciones permanentes.

Se realiz una inspeccin visual y un relevamiento completo del tanque; los datos obtenidosdurante la inspeccin permiten reconstruir la envolvente del tanque y generar la superficie enformato adecuado para su posterior anlisis. La evaluacin consisti en la verificacin de fuerade verticalidad (columnas y envolvente), fuera de redondez, asentamiento de piso y columnas,verificacin del techo y ondulaciones en el piso as como un anlisis de aptitud para el servicioevaluando segn Nivel 3 los riesgos de fallas por colapso plstico, falla local, colapso porpandeo y falla por fatiga debida a cargas cclicas.

El tanque de almacenamiento de gasoil se encuentra apto para el servicio. Se recomendaronestrategias de mantenimiento preventivo y basado en condicin para asegurar la integridad deltanque hacia futuro. Este anlisis se complet en una fraccin del tiempo necesario para la

reparacin a un costo sensiblemente menor.


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VII INGEPET 2011 (GAS-1-ER-03-N) 2

Introduccin

El objetivo principal de este trabajo es la determinacin, de acuerdo a la norma ASME FFS1 - API STD 579 Fitness for Service (Ed. 2007), del estado del tanque para gasoil (TK-3) de 25.000m 3 de capacidad, el cual fue construido de acuerdo con API 650.

Antecedentes. En el momento de la prueba hidrulica, el tanque sufri deformaciones en tressectores de la envolvente. La Figura 1 muestra las zonas deformadas del tanque luego de laprueba hidrulica (virolas 1 a 4 respecto del techo). Relevamientos realizados por medio deestacin total , determinaron que las dimensiones mximas de las zonas deformadas eran de 3

3 m 2, con una profundidad de 20 cm aproximadamente.

Figura 1. Zonas deformadas del tanque luego de la prueba hidrulica.

Las deformaciones de la envolvente fueron corregidas en gran parte mediante tensores. Luego,se soltaron los tensores y se instal un perfil de refuerzo UPN280 de acuerdo a lasrecomendaciones de ingeniera. Con este procedimiento se logr prcticamente restaurar lageometra original y corregir las abolladuras (Figura 2). Aunque las virolas deformadas sufrierondeformaciones plsticas durante la prueba hidrulica, con el mtodo empleado se ha liberadogran parte de las tensiones.

Figura 2. Tanque de gasoil luego de las reparaciones e instalacin del refuerzo.

Con el fin de evaluar la integridad estructural del tanque de almacenamiento de gasoil serealiz un anlisis de Aptitud para el Servicio de acuerdo con la Parte 8 de ASME FFS 1 APISTD 579.


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Inspeccin y evaluacin de integridad. A continuacin se resumen las tareas realizadasdurante la inspeccin y evaluacin de integridad:

1. Inspeccin y relevamiento dimensional del tanque mediante el escaneo lser de altaresolucin.

2. Verificacin de planos, memorias de clculo, procedimientos de soldadura y ensayos.3. Verificacin de geometras:

a. fuera de verticalidad,b. fuera de redondez,c. asentamiento de piso y columnas,d. verificacin del techo,e. ondulaciones en el piso,

4. Evaluacin de Aptitud para el Servicio segn API 579, Parte 8.

A partir de las inspecciones visuales y relevamientos dimensionales se realiz un anlisis de Aptitud para el Servicio de acuerdo con la Parte 8 de ASME FFS 1 API STD 579. Esteanlisis tiene como objetivo evaluar las deformaciones existentes y hallar los sectores deconcentracin de tensiones y las cargas localizadas que pudieran afectar la integridad

estructural del tanque.

Segn API 579 Parte 8 se pueden realizar tres niveles de anlisis:

Nivel 1 : Verificacin de las deformaciones para evaluar si las mismas resultanaceptables con el cdigo de diseo del equipo.

Nivel 2 : Procedimiento computacional para evaluar deformaciones o distorsiones en laenvolvente y/o en soldaduras. El mtodo determina una tensin meridional y un radio deacuerdo equivalente que surge a partir de las deformaciones existentes. Luego secalcula un factor de tensiones remanentes, que es comparado con factores propios deadmisibilidad de API 579.

Nivel 3 : Modelado de elementos finitos. Se realiza un anlisis de tensiones verificando

que las mismas no superen las mximas admisibles especificadas en API 650.

Si no se satisfacen los requerimientos de un nivel de anlisis, se puede pasar al nivel siguientepara una evaluacin de mayor profundidad.


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1.- Inspeccin y relevamiento dimensional

Se realiz un relevamiento dimensional con Escner Lser 3D de alta precisin. Se trata de un dispositivo porttil; cuyoobjetivo principal es la adquisicin de millones de puntos desuperficies iluminadas por un plano lser. En la nube de

puntos adquirida, se detecta el plano del haz lser y sereconstruye el perfil tridimensional de la superficie utilizandoalgoritmos de procesamiento avanzados.

El escner emite un lser que es desviado en forma verticalmediante un lente rotativo y horizontalmente por medio de larotacin del cabezal. Con estos dos movimientos simultneosel escner provee resultados de alta resolucin con un barridohorizontal de 360 y un barrido vertical de 310.

Las ventajas de este dispositivo frente a otras tcnicas demedicin (por ejemplo, la estacin total) son su alta velocidad de medicin (500.000 puntos porsegundo), con una resolucin de 0,1 mm y un error medio lineal a 50 mm de 1 mm. La nube depuntos obtenida define la geometra de los objetos en el espacio, y de acuerdo a sureflectividad, es posible identificar y extraer cada objeto de la nube de puntos.

Se relev el tanque en forma completa tanto exterior como interiormente. El escaneo realizado,permiti identificar todas las discontinuidades y deformaciones del tanque, capturando lageometra de las deformaciones con precisin milimtrica. En la Figura 4 se detallan algunasimgenes de los escaneos realizados.

Figura 4. Visualizacin de escaneos lser del tanque de almacenamiento de gasoil.(a) Ubicacin de los escneres para el relevamiento geomtrico exterior, (b) relevamientoexterior del tanque, y (c) relevamiento interior.

(b)

(c)

(a) Ubicacin de escneres enel relevamiento exterior deltanque.

Figura 3. Escner Lser 3D


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Las nubes de puntos obtenidas de los diferentes escneres se almacenaron en formato .dxfpara su visualizacin y posterior edicin con herramientas de modelado. Luego, a partir deestos puntos, se construy la superficie de la envolvente del tanque para el modelado numricoy anlisis tensional.

2.- Verificacin de planos, memorias de clculo, procedimientos de soldadura y ensayos

De acuerdo con la revisin realizada en la memoria de clculo y planos se concluye que losmismos fueron realizados en forma correcta siguiendo los lineamientos de API 650 nodetectndose discrepancias que pudieran dar origen a los problemas de deformacionessurgidos durante la prueba hidrulica.

De la certificacin de los soldadores se observ que los mismos estaban calificados pararealizar las soldaduras especificadas en la construccin del Tanque. El procedimiento desoldadura cubre las necesidades de unin soldada.

3-. Verificacin de geometras

a.- Fuera de redondez. El criterio de aceptabilidad es funcin del Dimetro del Tanque. En elpresente caso, el dimetro del tanque es de 50 m, lo cual permite, segn la Norma API 650 y

API 579, variaciones de 25 mm en el Radio. Se realiz un proceso de mapeo de la nube depuntos relevada y se contrast con un cilindro ideal del mismo dimetro que el tanque. En laFigura 5 se observan las zonas (color azul), que quedan fuera del criterio de Nivel 1 de API 579Parte 8.

Figura 5. Fuera de redondez.

Se observa que las zonas indicadas en color azul coinciden con las zonas que sufrieron lasabolladuras durante la prueba hidrulica. Las mximas deformaciones encontradas son delorden de 11 cm. Las zonas indicadas con color azul en la Figura 5 no cumplen con el criterio deaceptacin de API 579 Nivel 1, por lo cual se procede a la evaluacin de anlisis de tensionesde acuerdo con el Nivel 3 de dicha normativa.

b.- Fuera de verticalidad. Se evalu la verticalidad del tanque en 16 generatrices y en todoslos casos la verticalidad se encuentra dentro de la tolerancia establecida por API 650, deH/200, siendo en para el tanque analizado H=15.15 m y resultando la mxima desviacinpermitida en 0.076 m.

Adems, se realiz la medicin de la verticalidad de las columnas, de acuerdo con el escaneorealizado (Figura 6):


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Figura 6.Verticalidad de las columnas.

Las columnas N 4 y N 8, se encuentran fuera del rango admisible. Sin embargo se observque las columnas desviadas no presentan curvatura por lo cual no se estima una disminucinen la capacidad portante.

Para la verificacin de las mismas se hizo una evaluacin de la carga crtica al pandeo segnmemoria de clculo original. Se obtuvo que la disminucin en la carga crtica de pandeo para lacolumna desviada es despreciable < 1%. Por lo cual las columnas se consideran aptas para el

servicio.c.- Asentamiento de piso y columnas. Se analiz informacin proporcionada respecto delcontrol de asentamiento del tanque medido sobre el anillo de hormign durante el llenado parala prueba hidrulica. A partir de esta informacin se realiz la evaluacin de asentamiento deacuerdo con el Apndice B de API 653. La cual se detalla a continuacin.

Evaluacin de Asentamiento API 653 Evaluacin de Asentamientos.

Figura 7. Evaluacin de Asentamiento API 653

Segn se puede observar en la Figura 7 las desviaciones medidas se encuentran dentro de loslmites establecidos por API 653.

Adems se realiz el control de las desviaciones de asentamientos diferenciales para el casode las bases de las columnas. Se realiz la evaluacin para el anillo exterior e interior decolumnas, siguiendo la misma metodologa que para el anillo de hormign. Los resultados

-10

-5

0

5

10

0 5 10 15

D e

f l e x

i o n

[ m m

]

Medicin

Curva del Coseno OptimaDiferencia Relativa

01020304050607080

0 5 10 15

D e s v

i a c i n

[ m m

]

Medicin

Desviacin MedidaDesviacin Maxima Permitida

C4

C1

C

2

C3

C5

C7

C6

C15

C14

C13

C12

C11

C10

C9

C8

C0


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indican que las variaciones en las mediciones se encuentran dentro de los lmites indicados por API 653.

d.- Verificacin del techo. Con el objetivo de verificar si existiesen deformaciones en las vigasy estructura del techo, se superpuso la geometra del techo del plano original sobre el escaneodel techo del tanque, tal como se observa en forma parcial en la siguiente figura. Se destacaque no se observaron deformaciones apreciables en la estructura del techo.

Figura 8. Verificacin de estructura del techo.

d.- Ondulaciones en el piso. Se realiz un anlisis de las ondulaciones existentes en el piso apartir de las geometras escaneadas. Para lo cual se superpuso la geometra del piso relevadacontra un cono ideal con la informacin de los planos, a partir de esta comparacin se pudieronobtener los sectores con ondulaciones hacia arriba o hacia abajo, las cuales fuerondimensionadas para su anlisis. En la Figura 9 se observa dicha comparacin.

Figura 9.Ondulaciones del piso y dimensiones definidas en API 653.

Se observa que todas las deformaciones son de carcter de ondulaciones, es decir concurvaturas suaves y de grandes dimensiones, en todos los casos mayores al metro. Sinembargo se realiz la evaluacin de acuerdo con B.3.3 de API 653 donde se especifica que lasdimensiones mximas de las deformaciones no deben superar el valor BB (0,37 R ).Todas las deformaciones relevadas cumplen con los lmites definidos en API 653.

BB = 0,37 R


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4.- Evaluacin de Aptitud para el Servicio segn API 579, Parte 8

Modelado numrico

Considerando que las deformaciones registradas no cumplen con el Nivel 1 de API 579, lacomplejidad de clculos que demanda el Nivel 2 y el deseo de verificar el tanque en sutotalidad se ejecut directamente un anlisis de tensiones de acuerdo con elNivel 3, donde se model la geometra real del tanque mediante un escaneo lser en tresdimensiones.

A partir de las geometras relevadas mediante el escaneo lser 3D, se gener la superficie dela envolvente para su anlisis tensional por elementos finitos. La totalidad del tanque(envolvente, piso, y refuerzo) fue mallado con 57.000 elementos cuadrilteros lineales tipocscara. Tambin se model la estructura interna, columnas y vigas, con elementos de viga yperfil normalizado. En la Figura 10 se observa la geometra real, obtenida del escaneo lser, yel mallado del tanque. La Figura 11 muestra la estructura del techo y el detalle del refuerzo.

Figura 10. Geometra real obtenida del escaneo lser y mallado del tanque.

Figura 11. Geometra real de estructura del techo y detalle del refuerzo.

En el modelado numrico se consider la variacin del espesor de las virolas. Con el fin deconstatar los espesores reales de las chapas contra los indicados en los planos conforme aobra se realizaron mediciones de espesor por ultrasonido. La variacin del espesor de lasvirolas con la altura del tanque se muestra en la Figura 12.

Detalle: aro de refuerzoEstructura del techo

Detalle: boca de limpieza


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Figura 12. Espesor de chapa de las virolas.

Se realiz un anlisis tensional esttico considerando la no linealidad geomtrica (grandesdeformaciones) y un comportamiento del material elasto-plstico ideal.

Las condiciones de borde y cargas aplicadas que fueron consideradas se representan en laFigura 13 y se describen a continuacin:

Tanque simplemente apoyado. (P S ) Presin hidrosttica debida a la columna de agua para una altura mxima de

llenado de 14,26 m. (DT ) Peso propio de la envolvente (9,81 m/s 2) y peso del techo sobre la envolvente

(101.850 kg). (W ) Carga de Viento (160 km/h, segn API 650).

(P ) Presin de Seteo de Vlvula de Alivio 44 mm de columna de agua. (D A) Peso propio de la escalera (4.107 kg), y sistema de refrigeracin de la envolvente

(14.213 kg).

Figura 13. Condiciones de contorno y cargas aplicadas que fueron consideradas.

Se estudiaron cuatro casos de carga (Tabla 1) con el fin de verificar sus estados tensionalespara diferentes condiciones y niveles de llenado. En todos los casos se tiene en cuenta el pesopropio de envolvente, techo, escalera y sistema de refrigeracin.

101.850 kg

160 km/h

1 4

, 2 6 m

9,81 m/s

44 mmH 2O

Aro de refuerzo

Boca de l impiezaEscalera

Sist. de refrigeracin

1 virolas 1 y 2

3/4 virola 3

5/8 virola 4

1/2 virola 5

3/8 virola 6

5/16 virolas 7, 8 y 9


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Casos de carga Nivel de llenado Espesorcorrodo Viento Peso propio

C1 14,26 m de gasoil(operacin) No Si Si

C2 Lleno de agua(prueba hidrulica) Si No Si

Tabla 1. Condiciones de carga analizadas.

El material considerado para la chapa de la envolvente es SA 36, sus propiedades se indicanen la Tabla 2:

Propiedades de la envolvente (acero SA 36)

Tensin de fluencia 36 ksi (248 MPa)Tensin de Rotura 58 ksi (400 MPa)Tensin admisible(API 650, Fluido de Trabajo - Gasoil) 23,3 ksi (160 MPa)

(API 650 Prueba Hidrulica con agua) 24,9 ksi (171 MPa)Densidad acero 7.800 kg/m 3 Mdulo elstico 210 GPaMdulo de Poisson 0,3

Tabla 2. Propiedades de la envolvente (acero SA 36).

Adems de los casos analizados (C1 y C2), y siguiendo los lineamientos de la Parte 8 de lanorma API STD 579 - ASME FFS-1 (Ed. 2007), se analizaron los distintos casos de cargapropuestos en el Nivel 3 de Aptitud para el Servicio:

Casos de Carga NIVEL 3 API 579 Apndice BLos requisitos del anlisis para los defectos volumtricos se basan en la proteccin contra lospotenciales modos de falla enumerados abajo:

Proteccin contra colapso plstico . (prrafo B1.2) El mtodo de anlisis utilizado es elmodelado Elstico-Plstico de tensiones, prrafo B1.2.4. Se plantearon las 5combinaciones de carga segn tabla B1.4:

Proteccin contra falla local . (prrafo B1.3) Aqu se debe analizar la concentracin detensin en el punto de mas solicitado. Se utiliza un Anlisis Elstico-Plstico, puntoB1.3.3.

Proteccin contra colapso por pandeo . (prrafo B1.4) El mtodo de anlisis utilizadoes el modelado Elstico-Plstico.

Proteccin contra falla por fatiga debido a cargas cclicas . (prrafo B1.5) Para este

anlisis se debe conocer la vida de diseo, frecuencia y amplitud de llenado/vaciado. Proteccin contra dao por termo fluencia o creep, y creep fatiga . (Parte 10) (1)

(1) No requiere verificacin de dao por termo fluencia o creep, y creep fatiga, ya que latemperatura de trabajo de la instalacin es muy inferior a la temperatura en la cual estosmecanismos se activan.

Se evalu la existencia de posibles tensiones residuales en las zonas de las deformaciones.Las tensiones residuales estimadas fueron sumadas a las tensiones existentes en los sectoresde las deformaciones verificando su aptitud para el servicio de acuerdo con el Apndice B de

API 579.

Resultados


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La condicin C1, 14,26 m de gasoil y considerando el espesor actual, no se hallaron sectoresque superen la tensin de fluencia del material SA 36 (248 MPa), lo que indica uncomportamiento lineal elstico del tanque.En la zona donde existen las desviaciones geomtricas (sectores abollados, Figura 14), seobserva que el nivel tensional es del orden de 90 MPa, considerablemente inferior a la tensinadmisible del material de 23,3 ksi (160 MPa, segn API 650). Por lo tanto, no se identificaronzonas comprometidas en los sitios que poseen deformaciones remanentes.

Figura 14. Tensiones mximas en zona deformadas y anillo de refuerzo.

En la Figura 15, se observan filtradas las zonas que superan las tensiones admisibles de

160 MPa, como se ve en la figura no existen zonas con tensiones mayores a las admisibles.

Figura 15. Tensiones superiores a la admisible (>160 MPa).

Se model la condicin local de la Boca de Limpieza y las Escaleras como se observa en lasFigura 16. En todos los casos las tensiones registradas son menores a las admisibles.

Filtro a 160 MPa

90 MPa


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Figura 16. Reacciones de los pesos de accesorios y detalle de boca de limpieza.

En la condicin C2, prueba hidrulica en condiciones de espesores corrodos, se observanmximas tensiones del orden de 160 MPa (menores a la tensin admisible del material), Figura17. Los picos de tensiones que se observan, se deben a las variaciones geomtricas en esossectores, siendo natural que en un modelado tan detallado se encuentren sectores deconcentracin de tensiones que se superen las tensiones admisibles.

Figura 17. Picos de tensiones en prueba hidrulica.

Proteccin contra colapso plstico. Se siguieron los pasos del punto B.1.2.4.4. Seanalizaron las 5 combinaciones de carga segn tabla B1.4, logrando convergencia en todos loscasos. Esta condicin es suficiente para verificar la estabilidad del componente bajo esascondiciones segn lo establecido en el paso 5 del punto B.1.2.4.4 que se traduce acontinuacin:

160 MPa


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Criterio Global

1) (P + P S + D) 2) 0,86 (P + P S + D + T) 3) 0,86 (P + P S + D) + 0,57 W 4) 0,86 (P + P S + D) + 1,10 W 5) 0,86 (P + P S + D)

Tabla 3. Combinaciones de carga para colapsoplstico global segn Tabla B1.4, API 579(con = 1,5).

Proteccin contra falla local. Se siguieron los pasos del punto B.1.3.3.1 para la combinacinde carga indicada en la Tabla 4:

Criterio Local

1,7 ( P + P S + D) RSF a Tabla 4. Combinacin de cargas para falla localsegn Tabla B1.4, API 579.

Para la combinacin de carga de la Tabla 4, se localizaron los puntos ms solicitados de laenvolvente, con mayor tendencia al colapso local. Las tensiones mximas se ubican en elelemento 24127 ubicado en la virola inferior del tanque (Figura 18). Este componente debercumplir con la siguiente condicin

donde es la deformacin plstica equivalente, es la deformacin de conformado y es

la deformacin lmite para la aceptacin del componente.

Figura 18: Elemento ms solicitado donde se analiza el mecanismo de falla local.

De los resultados obtenidos del modelo computacional se desprende que no se alcanza laplastificacin de ningn componente, por lo tanto la deformacin plstica equivalente es


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cero. La deformacin de conformado se calcul en base al radio del tanque y el espesor dela virola inferior. Esta deformacin de conformado resulta 0,0005104.

Por otro lado, se calcul la deformacin lmite en funcin de las tensiones principales y laequivalente de Von Mises en el mismo punto, segn la ecuacin 1:

( ) ([ ] ) Donde , y son las tensiones principales, es la tensin equivalente de Von Mises, y

es la deformacin lmite uniaxial, , son parmetros que dependen del material (TablaB1.6, de API 579).

De la ecuacin anterior resulta que = 0,2755. Por tanto, se verifica la condicin y elcomponente resulta apto ante este mecanismo de dao.

Proteccin contra colapso por pandeo. Se siguieron los pasos del punto B1.4.1.1. Se defineun factor de pandeo como 1 667 , donde es un factor de reduccin en la capacidad

de carga, y para este trabajo vale 0,207.Se realiz un modelado por elemento finitos, donde se efectu un primer anlisis esttico conlas cargas P S , P, W, D A, D T (sin considerar el peso del techo). En un segundo paso, se realizun anlisis de buckling aplicando la carga del techo sobre la envolvente.

La carga crtica de pandeo resulta de multiplicar el primer autovalor del anlisis de buckling (32,591) por el peso del techo distribuido uniformemente sobre la envolvente (5361 N/m). Deesta manera se obtiene una carga crtica de 174720 N/m.

La carga permisible de pandeo se obtiene de dividir la carga crtica de pandeo por el factor depandeo, resultando en 21696 N/m (>5361 N/m). Por lo tanto se verifica la norma.

Proteccin contra falla por fatiga debido a cargas cclicas. Se siguieron los pasos del puntoB1.5.2.3 para desarrollar un anlisis falla por fatiga segn Mtodo A (para materiales con unaresistencia a la traccin menores o iguales a 552 MPa).

Se calcularon en forma conservativa 360 ciclos de carga/descarga para una vida en servicio de30 aos y con una frecuencia de llenado/vaciado mensual. No hay ciclos adicionales de cargapor arranque y parada de la instalacin (dado que queda incluido en los anteriormentemencionados). Ciclos debidos a diferencias trmicas (excluyendo las ambientales) no sepresentan en esta instalacin. Similares consideraciones se pueden hacer respecto de ciclosdebidos a tensiones trmicas producto de uniones soldadas entre distintos materiales.

Por lo tanto, la suma total de ciclos de carga/descarga, prevista en forma conservativa, para lainstalacin result en 360 ciclos. Este nmero de ciclos previstos es menor al valor lmiteindicado en la tabla B1.8 de API 579 (< 400), por lo tanto este equipo no necesita ser verificadoy se lo considera apto ante este mecanismo de falla.


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