UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA...
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS HIDROSTÁTICAS PARA VÁLVULAS DE COMPUERTA BRIDADAS DE 2 1 /16 in Y 3 1/8 in a 5000 PSI BAJO NORMA API 6A EN LA EMPRESA VÁLVULAS DEL PACIFICO S.A. TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO MECATRÓNICO LUIS AGUSTÍN MORILLO MERCADO DIRECTOR: ING MARCELA PARRA PINTADO, MGT Quito, Abril del 2016
Transcript of UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA...
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA.
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS
HIDROSTÁTICAS PARA VÁLVULAS DE COMPUERTA
BRIDADAS DE 2 1 /16 in Y 3 1/8 in a 5000 PSI BAJO NORMA
API 6A EN LA EMPRESA VÁLVULAS DEL PACIFICO S.A.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO
MECATRÓNICO
LUIS AGUSTÍN MORILLO MERCADO
DIRECTOR: ING MARCELA PARRA PINTADO, MGT
Quito, Abril del 2016
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016 Reservados todos los derechos de reproducción.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e
implementación de un banco de pruebas hidrostáticas para válvulas de
compuerta bridadas de 2 1 /16 in y 3 1/8 in a 5000 psi bajo norma API 6A
en la empresa Válvulas del Pacifico S.A.”, que, para aspirar al título de
Ingeniero Mecatrónico fue desarrollado por Agustin Morillo, bajo mi
dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e
Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de
Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
DEDICATORIA A Dios Todopoderoso por iluminarme y guiarme por el buen sendero.
A mis padres, porque creyeron en mí y porque me sacaron adelante sin
importar el cómo, dándome ejemplos dignos de superación y entrega,
porque en gran parte gracias a ustedes hoy puedo ver alcanzada mi meta,
ya que siempre estuvieron impulsándome en los momentos más difíciles de
mi carrera, y porque el orgullo que sienten por mí, fue lo que me hizo ir hasta
el final. Gracias por haber fomentado en mí el deseo de superación y el
anhelo de triunfo en la vida. Mil palabras no bastarían para agradecerles su
apoyo, su comprensión y sus consejos en los momentos difíciles. A todos,
espero no defraudarlos y contar siempre con su valioso apoyo, sincero e
incondicional.
Va por ustedes.
AGRADECIMIENTO
A mis padres que con su apoyo incondicional.
A mis Hermanos, Primos, Tíos y familia en general por el apoyo brindado en
todo este tiempo.
A la Ing. Marcela Parra, mi directora de tesis, por ser el faro que me guiaba
hasta cumplir el objetivo.
A mis compañeros de trabajo que siempre estuvieron pendientes de mí y me
apoyaron con su conocimiento para poder culminar este proyecto.
GLOSARIO
Test port: Elemento utilizado para la conexión entre el banco de pruebas y
el elemento que se someterá al ensayo.
Ring Groove: Ranura mecanizada en las bridas en la cual se alojara el ring
gasket.
Completación: Representa todas las tareas que realizadas por separado
convergen en el objetivo de obtener hidrocarburos del subsuelo.
Tubing: Tubería utilizada en la completación por la cual circula el fluido
extraído hacia la superficie.
Casing: Tubería usada en la completación la cual es insertada en una
sección perforada del suelo, su función es evitar el colapso del pozo.
Taladrina: Aceite soluble que se mezcla con agua para realizar pruebas de
presión su función es evitar la corrosión de los elementos internos del equipo
sometido al ensayo.
NPT: Acrónimo del inglés National Pipe Thread, es la norma técnica
encargada para la estandarización del roscado de los elementos de
conexión en tuberías de instalaciones hidráulicas.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 0803059260
APELLIDO Y NOMBRES: Morillo Mercado Luis Agustín
DIRECCIÓN: Juan Larrea N-13-116 y arenas
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022568506
TELÉFONO MOVIL: 0999669624
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño e implementación de un banco
de pruebas hidrostáticas para
válvulas de compuerta bridadas de 2
1 /16 in y 3 1/8 in a 5000 psi bajo
norma api 6A en la empresa Válvulas
del Pacífico S.A.
AUTOR O AUTORES: Morillo Mercado Luis Agustín
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
02/05/2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing Marcela Parra Pintado
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero en Mecatrónica
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El banco de pruebas hidrostáticas para
válvulas de compuerta de 2-1/16 in y 3-1/8 in
a 5000 psi de presión de trabajo se realizó
bajo el estándar API 6A (ISO 10423)
encargado de la especificación en el diseño y
control de calidad para cabezales de
completación de pozo y árboles de navidad.
Este dispositivo ha sido desarrollado con la
finalidad de mejorar el proceso de pruebas y
evaluación de válvulas de. Utilizando la
X
metodología mecatrónica se llegó a la
selección de la alternativa que mejor se
adaptó para el diseño, se tuvo en cuenta
opiniones y características brindadas por el
personal de la empresa. A través de métodos
como la casa de la calidad y la selección de
alternativas mediante el método de criterios
ponderados, con lo que se obtuvo un diseño
simple, de bajo costo y viable. El equipo se
diseñó para poder montar hasta tres válvulas
en serie con una presión de prueba mínima
de 7500 psi, El sistema de control es capaz
de verificar si los ciclos de evaluación se han
cumplido de manera correcta o caso contrario
que estos se repitan hasta que sean exitosos.
Una vez puesto en marcha el dispositivo, se
logró obtener resultados satisfactorios
logrando realizar pruebas de presión en
ambos tipos de válvulas, además se cumple
los requerimientos de la normativa API 6A y
los requisitos de seguridad que se exigen
para este tipo de operaciones dentro de un
complejo industrial.
PALABRAS CLAVES: Banco de pruebas hidrostáticas, Despliegue
de la función de calidad
ABSTRACT: The hydrostatic testing bench was designed
for 2-1/16 and 3-1/8 5000 psi range gate
valves in the company Válvulas del Pacífico
S.A, this project has been realized under the
international standard API 6A (ISO 10423)
that handles the design specification and
quality controls for Wellheads and christmas
trees in the oil industry. This device has been
developed in order to improve the testing and
evaluation process of valves in the company.
The use of the mechatronics methodology led
to the selection of the alternative that is best
adapted for the design. It was taken into
account opinions and features provided by the
company personnel. Through methods like
quality function deployment and the method of
weighted criteria it was obtained a simple, low
cost and viable design. The equipment was
designed to test three valves in series with a
minimum test pressure of 7500 psi.
Calculation and selection of materials for
mechanical elements were validated by the
finite element method. Control elements were
selected according to the specifications
required for hydrostatic testing at the
maximum required pressure, which are able
to verify whether the test cycles are properly
fulfilled; otherwise, these are repeated until
the test is successful. Once the device is
operating, it is possible to obtain satisfactory
results during pressure tests on both types of
valves; furthermore, the requirements of the
standards API 6A and safety requirements
demanded for this type of operation were
fulfilled inside an industrial complex.
KEYWORDS hydrostatic testing bench, quality function
deployment
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio
Digital de la Institución.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ..................................................................................................... xi
ABSTRACT .................................................................................................. xii
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 1
2. MARCO TEÓRICO .................................................................................... 7
2.1 FUNDAMENTACIÓN LEGAL ............................................................... 8
2.1.1 NORMA API 6A ............................................................................. 8
2.1.1.1 Nivel de especificación del producto PSL ............................... 8
2.1.1.2 PR performance requirement (requerimiento de desempeño) .... 9
2.2 EQUIPOS DE COMPLETACIÓN DE POZO ...................................... 10
2.2.1 CARACTERÍSTICAS DE UN CABEZAL DE POZO ..................... 10
2.3 PARTES DE UN CABEZAL DE POZO............................................... 11
2.3.1 ÁRBOL DE NAVIDAD SECCIÓN C ............................................. 11
2.4. VÁLVULAS ........................................................................................ 12
2.4.1 CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS ........................................ 13
2.5 VÁLVULAS DE COMPUERTA ........................................................... 13
2.5.1 VÁLVULAS DE COMPUERTA SOLIDA (SLAB GATE VALVE) ... 14
2.5.2 VÁLVULAS DE COMPUERTA EXPANDIBLE ............................. 14
2.5.3 VÁLVULA DE COMPUERTA UTILIZADA EN ÁRBOL DE
NAVIDAD .............................................................................................. 15
2.5.4 CARACTERÍSTICAS DE LAS VÁLVULAS DE COMPUERTA .... 15
2.5.5 COMPONENTES INTERNOS DE UNA VÁLVULA DE
COMPUERTA ....................................................................................... 16
2.5.6 OPERACIÓN DE VÁLVULAS DE COMPUERTA ........................ 17
2.5.7 RING GASKET ............................................................................ 17
2.6 MECÁNICA DE FLUIDOS .................................................................. 18
2.6.1 FLUIDOS ..................................................................................... 18
2.6.2 DINÁMICA DE FLUIDOS O HIDRODINÁMICA ........................... 19
2.6.3 ESTÁTICA DE FLUIDOS O HIDROSTÁTICA ............................. 19
2.6.4 PRINCIPIO DE PASCAL ............................................................. 19
ii
2.7 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS ................................................... 20
2.7.1. PRESIÓN .................................................................................... 20
2.8 BANCO DE PRUEBAS DE PRESIÓN ............................................... 21
2.8.1 PARTES PRINCIPALES DE UN BANCO DE PRUEBAS
HIDROSTÁTICAS ................................................................................. 21
2.8.1.1 Compresor de aire ................................................................. 22
2.8.1.2 Unidad de mantenimiento de aire con lubricador .................. 22
2.8.1.3 Bomba multiplicadora de presión .......................................... 22
2.8.1.4 Válvula de desfogue o alivio .................................................. 23
2.8.1.5 Manómetro ............................................................................ 23
2.8.2 EQUIPOS EXISTENTES EN LA INDUSTRIA .............................. 23
2.9 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (END) - NONDESTRUCTIVE
TESTING (NDT) ....................................................................................... 26
2.9.1 PRUEBA HIDROSTÁTICA .......................................................... 26
2.9.2 ESTANDARIZACIÓN DE PRUEBAS HIDROSTÁTICAS EN
VÁLVULAS DE COMPUERTA ............................................................. 27
2.9.2.1 Pruebas hidrostáticas a una válvula de compuerta ............... 27
2.9.2.2 Prueba de cuerpo .................................................................. 29
2.9.2.3 Prueba de sellos y compuerta. .............................................. 29
2.9.3 CONSIDERACIONES A TOMAR ANTES DE REALIZAR UNA
PRUEBA HIDROSTÁTICA. .................................................................. 29
3. METODOLOGÍA .................................................................................. ..30
3.1 METODOLOGÍA MECATRÓNICA ..................................................... 31
3.1.1 METODOLOGÍA DE DISEÑO ..................................................... 32
3.2 DETERMINACIÓN DE LAS ESPECIFICACIONES DE LA MÁQUINA 32
3.2.1 CASA DE LA CALIDAD ............................................................... 32
3.2.1.1 Requerimientos del usuario ................................................... 32
3.2.1.2 Clasificación de la importancia de deseos y necesidades del
usuario .............................................................................................. 33
3.2.1.3 Restricciones y limitaciones .................................................. 34
3.2.1.4 Criterios de ingeniería ........................................................... 34
3.2.1.5 Resultados y conclusiones de la casa de la calidad.............. 35
iii
3.2.1.6 Especificación técnica del equipo.......................................... 36
3.3 DISEÑO CONCEPTUAL Y FUNCIONAL DEL EQUIPO .................... 36
3.3.1 SIMBOLOGÍA PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURA
FUNCIONAL ......................................................................................... 37
3.3.1.1 Desarrollo de estructura funcional ......................................... 38
3.3.1.2 Análisis de los diagramas funcionales ................................... 38
3.3.1.3 Determinación de módulos de funciones .............................. 39
3.4 ALTERNATIVA DE DISEÑO MÓDULO 1: MÓDULO DE
POSICIONAMIENTO DEL EQUIPO A EVALUAR .................................... 40
3.4.1 ALTERNATIVA 1 POSICIONAMIENTO MANUAL ....................... 40
3.4.1.1 Ventajas del posicionamiento manual ................................... 41
3.4.1.2 Desventajas del posicionamiento manual ............................. 41
3.4.2 ALTERNATIVA 2 POSICIONAMIENTO POR MEDIO DE TECLE
MANUAL ............................................................................................... 41
3.4.2.1 Ventajas del posicionamiento con tecle manual .................... 42
3.4.2.2 Desventajas del posicionamiento con tecle manual .............. 42
3.4.3 ALTERNATIVA 3 POSICIONAMIENTO CON MONTACARGAS . 42
3.4.3.1 Ventajas del posicionamiento con montacargas ................... 42
3.4.3.2 Desventajas del posicionamiento con montacargas.............. 43
3.4.4 EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA PARA EL
MODULO 1 ........................................................................................... 43
3.5 MODULO 2: MÓDULO DE CIERRE .................................................. 45
3.5.1 ALTERNATIVA 1 CIERRE CON ACCIONAMIENTO HIDRÁULICO
.............................................................................................................. 46
3.5.1.1 Ventajas de los sistemas con actuadores hidráulicos ........... 47
3.5.1.2 Desventajas de los sistemas con actuadores hidráulicos ..... 47
3.5.2 ALTERNATIVA 2 CIERRE CON ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO
.............................................................................................................. 47
3.5.2.1 Ventajas de los sistemas con actuadores neumáticos .......... 48
3.5.2.2 Desventajas de los sistemas con actuadores neumáticos .... 48
3.5.3 ALTERNATIVA 3 CIERRE CON ACCIONAMIENTO MECÁNICO
(TORNILLO DE POTENCIA) ................................................................ 49
3.5.3.1 Ventajas de los sistemas con tornillo de potencia ................. 49
3.5.3.1 Desventajas de los sistemas con tornillo de potencia ........... 49
iv
3.5.4 EVALUACION Y SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA PARA EL
MODULO 2 ........................................................................................... 50
3.6 MODULO 3: MÓDULO DE PRUEBA Y EVALUACIÓN ...................... 52
3.6.1 DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE
CONTROL ............................................................................................ 53
3.6.1.1 Selección del PLC ................................................................. 53
3.6.1.2 Evaluación de alternativas para selección del PLC ............... 54
3.6.1.3 Número de entradas y salidas ............................................... 55
3.6.1.4 Arquitectura del PLC Logo .................................................... 55
3.6.2 SELECCIÓN DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL ...................... 56
3.6.2.1 Válvula de control de paso de aire ........................................ 56
3.6.2.2 Válvula de control de alivio de presión .................................. 57
3.6.2.3 Selección de mangueras ....................................................... 58
3.6.3 SELECCIÓN DEL SENSOR DE PRESIÓN ................................. 58
3.6.4 ELEMENTOS CON LOS QUE CUENTA LA EMPRESA ............. 59
3.6.4.1 Manómetro digital .................................................................. 60
3.6.4.2 Bomba multiplicadora de presión .......................................... 60
3.6.4.3 Unidad de mantenimiento ..................................................... 61
3.7 MODULO 4: Módulo de soporte ......................................................... 62
3.7.1 POSICIÓN DE PRUEBA DE LAS VÁLVULAS ........................... 62
3.7.2 ALTERNATIVA 1 POSICIÓN VERTICAL .................................... 62
3.7.2.1 Ventajas posición vertical ...................................................... 63
3.7.2.2 Desventajas posición vertical ................................................ 63
3.7.3 ALTERNATIVA 2 POSICIÓN HORIZONTAL ............................... 63
3.7.3.1 Ventajas posición horizontal .................................................. 63
3.7.3.2 Desventajas posición horizontal ............................................ 64
3.7.4 ALTERNIVA 3 POSICIÓN MIXTA (HORIZONTAL-VERTICAL) .. 64
3.7.4.1 Ventajas posición (horizontal-vertical) ................................... 64
3.7.4.2 Desventajas posición (horizontal-vertical) ............................. 64
3.7.5 EVALUACIÓN Y SELECCION DE ALTERNATIVAS PARA EL
MÓDULO 4 ........................................................................................... 65
3.8 RESULTADOS Y CONCLUSIONES DEL DISEÑO CONCEPTUAL . 67
3.9 MÉTODO DE PRUEBAS .................................................................... 67
v
3.9.1 LIMPIEZA .................................................................................... 67
3.9.2 IDENTIFICACIÓN ........................................................................ 68
3.9.3 CHEQUEO DE EQUIPOS DE MEDICIÓN ................................... 68
3.9.4 SELLADO Y ENSAMBLE ............................................................ 68
3.9.5 CONEXIONES ............................................................................. 68
Antes de realizar la ........................................................................... 68
3.9.6 PRUEBA ...................................................................................... 68
3.9.7 REGISTRO DE DATOS DE LAS PRUEBAS HIDROSTÁTICAS. 69
4. DISEÑO ................................................................................................. 69
4.1 MÓDULO 1: MÓDULO DE POSICIONAMIENTO DEL EQUIPO A
EVALUAR................................................................................................. 70
4.2 MODULO 2: MÓDULO DE CIERRE .................................................. 70
4.2.1 CIRCUITO HIDRÁULICO ACCIONADO POR AIRE PARA
PRUEBAS HIDROSTÁTICAS. .............................................................. 71
4.2.2 PRESIÓN DE PRUEBA Y FUERZA DE CIERRE NECESARIA . 71
4.2.3 CÁLCULO DE LOS PASADORES .............................................. 72
4.2.4 CÁLCULO DE LAS BARRAS GUÍA LATERALES ....................... 74
4.2.4.1 Calculo en rosca 1-3/8 6TPI UNC en guía lateral.................. 76
4.2.5 TORNILLO DE POTENCIA .......................................................... 78
4.2.6 TUERCA PARA TORNILLO DE POTENCIA ............................... 80
4.2.7 DISEÑO DE PLACAS .................................................................. 82
4.2.7.1 Diseño de placa de soporte fija ............................................. 82
4.2.7.2 Diseño de placa de anclaje ................................................... 83
4.2.7.3 Diseño de placa ajustable ..................................................... 83
4.2.8 DISEÑO DE BRIDAS DE PRUEBA ............................................. 85
4.2.8.1 Bridas de unión entre válvulas .............................................. 85
4.2.8.2 Brida retenedora.................................................................... 87
4.2.9 SOPORTE DE VÁLVULAS .......................................................... 88
4.3 MÓDULO 3: MÓDULO DE PRUEBA Y EVALUACIÓN ...................... 90
4.3.1 PROGRAMACIÓN DEL PLC ....................................................... 90
4.3.1.1 Diagrama grafcet ................................................................... 90
4.3.1.2 Desarrollo del software .......................................................... 92
vi
4.4 FABRICACIÓN ................................................................................... 96
4.4.1 ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS .................................... 96
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................... 96
5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ................................................... 97
5.1.1 VALIDACIÓN DE PRUEBA HIDROSTÁTICA .............................. 97
5.1.1.1 Prueba hidrostática de cuerpo a válvulas 3-1/8 .................... 98
5.2.1.2 Prueba hidrostática de compuerta a válvulas 3-1/8 5000 psi 99
5.2.1.3 Prueba hidrostática cuerpo válvulas 2-1/16 ....................... 103
5.2.1.4 Prueba hidrostática de compuerta a válvulas 2-1/16........... 104
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................... 107
6.1 CONCLUSIONES ............................................................................. 108
6.2 RECOMENDACIONES ................................................................... 109
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 110
ANEXOS .................................................................................................... 114
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Área de pruebas hidrostáticas en Válvulas del Pacífico S.A .......... 3
Figura 2. Ensamble de bridas en válvulas .................................................... 5
Figura 3. Cabezal Multibowl Válvulas del Pacifico. ..................................... 10
Figura 4. Árbol de navidad Válvulas del Pacifico. ....................................... 12
Figura 5. Válvula de compuerta bridada 2-1/16 5000 psi marca Neway. .... 14
Figura 6. Sistema de compuerta expandible. .............................................. 15
Figura 7. Partes internas de una válvula de compuerta sólida. ................... 16
Figura 8. Ring Gasket de prueba. ............................................................... 18
Figura 9. Partes de bomba multiplicadora de presión. ................................ 21
Figura 10. Configuración interna de bomba multiplicadora de presión. ...... 23
Figura 11. Banco de pruebas hidrostáticas Calder Tester. ......................... 24
Figura 12. Banco de pruebas hidrostáticas LAM ingeniería. ....................... 25
Figura 13. Prueba Hidrostática a una válvula ............................................. 26
Figura 14. Esquema de la metodología mecatrónica para la máquina ....... 31
Figura 15. Estructura Funcional nivel 0 ....................................................... 38
Figura 16. Estructura Funcional nivel 1. ...................................................... 39
Figura 17. División modular del equipo. ...................................................... 40
Figura 18. Tecle Válvulas del Pacífico. ....................................................... 41
Figura 19. Montacargas Válvulas del Pacífico. .......................................... 42
Figura 20. Circuito hidráulico básico. .......................................................... 46
Figura 21. Circuito Neumático ..................................................................... 48
Figura 22. Tornillo de potencia. ................................................................... 50
Figura 23. Válvula 2/2 para control paso de aire. ........................................ 57
Figura 24. Sensor Ashcroft Modelo AS2-AF04-10. ..................................... 58
Figura 25. Manómetro digital Omega DPG4000. ........................................ 60
Figura 26. Especificaciones Bomba Modelos J Sprague Products. ............ 61
Figura 27. Posicionamiento Vertical. ........................................................... 62
Figura 28. Posicionamiento horizontal. ....................................................... 63
Figura 29. Posicionamiento mixto. .............................................................. 64
Figura 30. Circuito hidráulico para banco de pruebas. ................................ 70
Figura 31. Pasador ...................................................................................... 73
Figura 32. Detalle de rosca de guía lateral ................................................. 74
Figura 33.Análisis CAE de guía lateral ........................................................ 76
Figura 34. Tornillo de potencia .................................................................... 80
Figura 35. Tuerca para tornillo de potencia ................................................. 81
Figura 36. Ubicación de cargas y restricciones en placa de soporte .......... 82
Figura 37. Análisis CAE placa de soporte fija ............................................. 83
Figura 38. Placa ajustable ........................................................................... 84
Figura 39. Ubicación de cargas y restricciones en placa ajustable. ............ 84
viii
Figura 40. Análisis CAE placa ajustable ..................................................... 85
Figura 41. Brida de unión entre válvulas ..................................................... 86
Figura 42. Análisis CAE brida de unión entre válvulas ................................ 86
Figura 43. Brida retenedora ........................................................................ 87
Figura 44. Análisis CAE brida retenedora ................................................... 87
Figura 45. Soporte de Válvulas ................................................................... 88
Figura 46. Ensamble con tres válvulas de 2-1/16 ....................................... 88
Figura 47. Ensamble con tres válvulas de 3-1/8 ......................................... 89
Figura 48. Desglose de componentes del banco de pruebas ..................... 89
Figura 49. Pantalla de inicio ........................................................................ 92
Figura 50. Desarrollo de software ON/OFF ................................................. 93
Figura 51. Desarrollo de software selección de prueba .............................. 93
Figura 52. Desarrollo de software prueba a 5000 psi .................................. 94
Figura 53. Pantalla prueba exitosa 5000 psi ............................................... 94
Figura 54. Pantalla prueba exitosa 7500 psi ............................................... 95
Figura 55. Pantalla prueba exitosa 7500 psi. .............................................. 95
Figura 56. Ensamble del banco de pruebas hidrostáticas. .......................... 96
Figura 57. Prueba hidrostática 7500 PSI 3-1/8 ........................................... 98
Figura 58. Prueba hidrostática #1 5000 PSI 3-1/8 .................................... 100
Figura 59. Prueba hidrostática #2 5000 PSI 3-1/8 .................................... 101
Figura 60. Prueba hidrostática #3 5000 PSI 3-1/8 .................................... 102
Figura 61. Prueba hidrostática 7500 PSI 2-1/16 ....................................... 103
Figura 62. Prueba hidrostática #1 5000 PSI 2-1/16 .................................. 104
Figura 63. Prueba hidrostática #2 5000 PSI 2-1/16 .................................. 105
Figura 64. Prueba hidrostática #3 5000 PSI 2-1/16 .................................. 106
ix
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Tabla de rangos para presiones de prueba de cuerpos API 6A .... 28
Tabla 2. Clasificación de la importancia de los deseos del usuario. ............ 34
Tabla 3. Simbología en flujo de procesos. ................................................... 37
Tabla 4. Evaluación del peso específico de cada criterio Modulo 1. ........... 44
Tabla 5. Evaluación de las alternativas respecto al tiempo de puesta a punto
..................................................................................................................... 44
Tabla 6. Evaluación de las alternativas respecto al número de operarios. .. 44
Tabla 7. Evaluación de las alternativas respecto a la seguridad. ................ 44
Tabla 8.Evaluación de las alternativas respecto a la complejidad. .............. 45
Tabla 9. Tabla de conclusiones de selección para el módulo 1. ................. 45
Tabla 10. Evaluación del peso específico de cada criterio Modulo 2. ......... 50
Tabla 11. Evaluación de las alternativas respecto al precio. ....................... 51
Tabla 12. Evaluación de las alternativas respecto al mantenimiento. ......... 51
Tabla 13. Evaluación de las alternativas respecto a la seguridad ............... 51
Tabla 14. Evaluación de las alternativas respecto al control. ...................... 51
Tabla 15. Evaluación de las alternativas respecto a la rapidez. .................. 52
Tabla 16. Tabla de conclusiones de selección para el módulo 2................. 52
Tabla 17. Matriz de selección PLC .............................................................. 54
Tabla 18. Distribución de Entradas y salidas ............................................... 54
Tabla 19. Modo de funcionamiento PLC. .................................................... 55
Tabla 20. Presión de trabajo en válvulas de alivio y paso de aire. .............. 56
Tabla 21. Datos técnicos del sensor de presión. ......................................... 59
Tabla 22. Especificaciones unidad de mantenimiento de aire. .................... 61
Tabla 23. Evaluación del peso específico de cada criterio Modulo 4. ......... 65
Tabla 24. Evaluación de alternativas respecto a la facilidad de construcción
..................................................................................................................... 65
Tabla 25. Evaluación de las alternativas respecto al costo. ........................ 66
Tabla 26. Evaluación de las alternativas respecto a la seguridad. .............. 66
Tabla 27. Evaluación de las alternativas respecto al mantenimiento. ......... 66
Tabla 28. Tabla de conclusiones de selección para el módulo 4................. 66
x
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. .................................................................................................... 114
Casa de la calidad
Anexo 2. .................................................................................................... 115
Tabla B.51 API 6A
Anexo 3. .................................................................................................... 116
Tabla B.63 API 6A
Anexo 4. .................................................................................................... 117
Diagrama grafcet programación PLC
Anexo 5. .................................................................................................... 118
Formato de registro de prueba hidrostática
Anexo 6. .................................................................................................... 119
Guía selección de válvula Enerpac
Anexo 7. .................................................................................................... 120
Especificaciones Técnicas
Anexo 8.. ................................................................................................... 121
Cálculos para válvula de 2-1/16 5000 Psi
Anexo 9. .................................................................................................... 122
Cálculos para válvula de 3-1/8 5000 Psi
Anexo 10. .................................................................................................. 123
Propiedades de Acero AISI 4140
Anexo 11. .................................................................................................. 124
Propiedades de Acero ASTM A36
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RESUMEN
El banco de pruebas hidrostáticas para válvulas de compuerta de 2-1/16 in y
3-1/8 in a 5000 psi de presión de trabajo se realizó bajo el estándar API 6A
(ISO 10423) encargado de la especificación en el diseño y control de calidad
para cabezales de completación de pozo y árboles de navidad. Este
dispositivo ha sido desarrollado con la finalidad de mejorar el proceso de
pruebas y evaluación de válvulas de. Utilizando la metodología mecatrónica
se llegó a la selección de la alternativa que mejor se adaptó para el diseño,
se tuvo en cuenta opiniones y características brindadas por el personal de la
empresa. A través de métodos como la casa de la calidad y la selección de
alternativas mediante el método de criterios ponderados, con lo que se
obtuvo un diseño simple, de bajo costo y viable. El equipo se diseñó para
poder montar hasta tres válvulas en serie con una presión de prueba mínima
de 7500 psi, El sistema de control es capaz de verificar si los ciclos de
evaluación se han cumplido de manera correcta o caso contrario que estos
se repitan hasta que sean exitosos. Una vez puesto en marcha el dispositivo,
se logró obtener resultados satisfactorios logrando realizar pruebas de
presión en ambos tipos de válvulas, además se cumple los requerimientos
de la normativa API 6A y los requisitos de seguridad que se exigen para este
tipo de operaciones dentro de un complejo industrial.
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ABSTRACT
The hydrostatic testing bench was designed for 2-1/16 and 3-1/8 5000 psi
range gate valves in the company Válvulas del Pacífico S.A, this project has
been realized under the international standard API 6A (ISO 10423) that
handles the design specification and quality controls for Wellheads and
christmas trees in the oil industry. This device has been developed in order to
improve the testing and evaluation process of valves in the company. The
use of the mechatronics methodology led to the selection of the alternative
that is best adapted for the design. It was taken into account opinions and
features provided by the company personnel. Through methods like quality
function deployment and the method of weighted criteria it was obtained a
simple, low cost and viable design. The equipment was designed to test
three valves in series with a minimum test pressure of 7500 psi. Calculation
and selection of materials for mechanical elements were validated by the
finite element method. Control elements were selected according to the
specifications required for hydrostatic testing at the maximum required
pressure, which are able to verify whether the test cycles are properly
fulfilled; otherwise, these are repeated until the test is successful. Once the
device is operating, it is possible to obtain satisfactory results during pressure
tests on both types of valves; furthermore, the requirements of the standards
API 6A and safety requirements demanded for this type of operation were
fulfilled inside an industrial complex.
1. INTRODUCCIÓN
1
1. INTRODUCCIÓN
El Ecuador es un país en vías de desarrollo siendo el petróleo el recurso
más importante que posee, durante el año 2012 del total de las
exportaciones el 53,15% correspondieron al área petrolera y el 46,85% a la
no petrolera (Castillo, 2015).
A nivel mundial el sector dedicado al petróleo está en una constante
evolución tecnológica en todas sus ramas que comprenden la exploración,
perforación, extracción, almacenamiento, refinamiento y distribución de
todos los productos derivados del petróleo, impulsando métodos y
procedimientos amigables con el ambiente, siempre referenciados y
auditados por normas nacionales e internacionales en su mayor parte.
Esto llevó a crear Válvulas Del Pacífico S.A. una empresa metalmecánica
100% ecuatoriana ubicada en el sector norte Quito que está dedicada al
diseño y construcción de equipos para la industria petrolera iniciado sus
operaciones en el año 2010, y desde entonces ha visto un rápido
crecimiento logrando crear bases en la ciudad del Coca y Talara (Perú),
situándose en un importante lugar dentro de la industria.
Válvulas Del Pacífico S.A. ofrece a sus clientes equipos y herramientas
fabricadas con los más altos estándares de calidad ya que cuenta con el
aval de cinco normas que son la API 6A, ISO 9001, ISO 29001, ISO 14001 y
OHSAS 18001, además posee software de diseño CAD/ CAM /CAE y todos
los equipos necesarios para realizar los trabajos adecuados como son:
- Fresadora
- Tornos paralelos petroleros
- Torno CNC
- Taladro radial
- Sierra industrial
2
- Servicio de vulcanizado de elastómeros
Con el uso de estas herramientas, se garantiza la operatividad y
compatibilidad de los equipos diseñados, así como manufactura con niveles
de error y reproceso prácticamente nulos, a la vez que permite alcanzar
tolerancias dimensionales micrométricas.
El uso del método de análisis de elementos finitos (Finite Element Analysis)
permite la validación de los distintos diseños, lo cual brinda una seguridad
adicional al usuario final de contar con equipos cuyo diseño se probó en las
condiciones reales de trabajo a las que estarán sometidas en los pozos y
estaciones.
El desarrollo de equipos para diagnosticar válvulas antes de su operación en
el campo es fundamental, ya que por norma se exigen pruebas de presión
para evitar posibles problemas durante las operaciones de perforación.
Un área de vital importancia dentro es el departamento de control de calidad
el cual se encarga de hacer cumplir los requerimientos y especificaciones
tanto de clientes como de las normas con las que cuenta, es el encargado
de realizar las pruebas hidrostáticas a todas las válvulas de compuerta que
ingresan a la planta antes de ser ensambladas en los equipos finales parar
su posterior venta.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La empresa cuenta con una cabina adecuada para pruebas hidrostáticas
donde se inspeccionan todas las válvulas y equipos antes de su liberación,
ensamble y despacho final hacia el cliente.
La mala postura que muchas veces tienen que realizar los operarios para
poder ensamblar las bridas en ambos extremos de cada válvula y tener que
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moverlas manualmente hasta el sitio de pruebas como se indica en la Figura
1, genera malestar debido a las posiciones repetitivas que se realizan al
movilizar cada elemento, cada uno con un peso aproximado de 153 kg.
El aumento en la producción de cabezales de pozo y la iniciativa por parte
de la empresa en validar válvulas reparadas hace necesario optimizar el
tiempo que se emplea en las pruebas hidrostáticas y el número de técnicos
que esta requiere.
¿Cómo mejorar el proceso de pruebas hidrostáticas en las válvulas de
compuerta de 2 1/16 in y 3 1/8 in a 5000 psi para facilitar el trabajo a los
técnicos de ensamble en lo que al tema ergonómico se refiere y optimizar el
tiempo que se dedica a este procedimiento?
Mediante esta investigación se busca la solución más viable tanto
económica como técnica para la empresa Válvulas Del Pacífico S.A.
Figura 1. Área de pruebas hidrostáticas en Válvulas del Pacífico S.A
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DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA
DELIMITACIÓN TEMPORAL
La realización sobre el diseño del banco de pruebas hidrostáticas bridadas
de compuerta de 2 1/16 in y 3 1/8 a 5000 PSI se realiza entre Enero y
Diciembre del año 2015.
DELIMITACIÓN ESPACIAL
Este proyecto se lleva a cabo en la planta de Válvulas del Pacífico S.A
ubicada en el sector Norte de la ciudad de Quito, para lo cual la empresa
facilitará el uso de las máquinas, insumos y herramientas para la
construcción del banco de pruebas hidrostáticas.
Los ensayos de presión y toda la puesta a punto de la máquina también se
realizará en la planta de Quito.
La investigación teórica se complementará con la información obtenida en la
biblioteca de la Universidad Tecnológica Equinoccial, además de recabar
información en la documentación de Válvulas del Pacífico S.A.
JUSTIFICACIÓN
Válvulas del Pacífico S.A es una empresa que cuenta con certificaciones
internacionales, dedicada a la fabricación de equipos para la industria
petrolera la cual dentro de su sistema de gestión realiza un estricto control
de calidad, por lo que la optimización de sus mecanismos para la inspección
es esencial para garantizar la elaboración de dichos productos.
Este proyecto nace de la necesidad de mejorar la forma en la cual se
ensamblan y ajustan las válvulas de 2 1/16 in y 3 1/8 in a 5000 psi durante el
5
proceso de pruebas hidrostáticas, además servirá para verificar y certificar
los equipos que se prueben consiguiendo establecer de mejor manera los
requerimientos de la norma API 6A, se proporcionará una mejora en la forma
de trabajo de los operadores, eliminando las malas posturas y que se
sientan cómodos como se observa en la figura 2, se contribuirá
significativamente en la disminución en tiempos de entrega y por último pero
no menos importante colaborar con el medio ambiente reduciendo el
desecho de agua contaminada en los vertederos.
Figura 2. Ensamble de bridas en válvulas
OBJETIVO GENERAL
- Diseñar e implementar un banco de pruebas hidrostáticas para válvulas
de compuerta bridadas de 2 1 /16 in y 3 1/8 in a 5000 psi cumpliendo los
parámetros exigidos en la norma API 6A en la empresa Válvulas del
Pacifico S.A.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Estudiar los requerimientos que exige la norma API 6A para que sean
aplicados en la construcción del banco de pruebas hidrostáticas para las
válvulas bridadas de 2 1 /16 in Y 3 1/8 in a 5000 PSI.
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- Diseñar un sistema en el que se puedan probar tres válvulas de las
mismas características en sus bridas.
- Diseñar el sistema de control que sea capaz de cumplir la normativa que
se exige en cada ciclo necesario para validar las válvulas.
- Realizar pruebas de funcionamiento del equipo.
ALCANCE
Para realizar las pruebas hidrostáticas en los diferentes equipos y
ensambles, es necesario bombear un fluido por lo general agua mezclada
con aceite soluble, elevar la presión hasta determinado nivel según sea el
caso en rangos que van de 0 psi hasta los 7500 psi en válvulas de
compuerta de 2 1 /16 in y 3 1/8 in a 5000 psi, la bomba multiplicadora de
presión que posee Válvulas de Pacífico S.A está diseñada para brindar
hasta 10000 Psi. El banco de pruebas hidrostáticas debe estar diseñado
para soportar estas cargas y además acoplarse a los dos tipos de válvulas
que se requieren probar, tratando de minimizar el esfuerzo físico de los
operadores.
Para optimizar el tiempo que se emplea al realizar las pruebas hidrostáticas
este diseño debe permitir probar tres válvulas al mismo tiempo, siendo estas
de iguales características en sus bridas para realizar el acople. La planta
tiene asignada un área de 25 m² donde se realiza esta actividad. Se deben
cumplir dos ciclos de al menos tres minutos cada uno, dentro de la empresa
se ha decidido dar un tiempo de seis minutos a cada ciclo de prueba para
asegurar que todas las válvulas funcionen correctamente. El criterio de
aceptación para validar una prueba de manera exitosa durante el periodo de
prueba es: El equipo no debe presentar fugas visibles mientras se realiza la
prueba hidrostática. Se acepta pequeñas fugas en elementos roscados
(tapones) si son elementos que se vienen usando constantemente en
pruebas hidrostáticas.
7
Es de total responsabilidad del departamento de control de calidad el
asegurar el cumplimiento del procedimiento CC-P11-06 de Pruebas
Hidrostáticas y llenar el registro de cada prueba realizada con el formato
CC-R5-04 en la empresa Válvulas del Pacífico S.A.
2. MARCO TEÓRICO
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2.1 FUNDAMENTACIÓN LEGAL
2.1.1 NORMA API 6A
La norma API 6A (ISO 10423) es el estándar internacional para la industria
petrolera que se encarga de proveer un medio seguro en el diseño y
fabricación de cabezales de completación de pozo.
Esta especificación es el estándar creado para brindar configuraciones
dimensional y funcionalmente intercambiables dentro de la industria
petrolera, esta se aplica a los cabezales de completación de pozos
(Wellheads), árboles de navidad (Christmas Tree) y a sus componentes
como válvulas, loose connectors.
Contempla requerimientos detallados para la fabricación de equipos de
completación de pozo, suspensión de tubing y casing, válvulas y conectores
utilizados en las locaciones de pozos de petróleo y gas, los cuales contienen
controlan la presión y el flujo de los fluidos presentes durante la operación de
perforación.
(American Petroleum Institute, 2011)
2.1.1.1 Nivel de especificación del producto PSL
La Norma API 6A (ISO 10423) recomienda varios niveles de especificación
de productos PSL por siglas en inglés (Product Specification Level) los
cuales detallan diferentes requisitos de documentación o requerimientos
técnicos que se deben cumplir, estos son indispensables durante el diseño y
fabricación de todas las partes que conforman un equipo de completación de
pozo.
El nivel de especificación del producto se aplicará a los equipos primarios
que son:
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- Cabezas de tubería de revestimiento
- Colgadores de tubing
- Adaptadores de cabeza tubería
- Válvulas maestras
Este estándar Internacional establece cinco niveles de especificación de
producto.
- PSL 1
- PSL 2
- PSL 3
- PSL 3G
- PSL 4
Las empresas son certificadas por el American Petroleum Institute conforme
a la prestación de PSL que puedan ofrecer, esta es una ventaja competitiva
de suma importancia siendo Válvulas del Pacifico S.A una empresa pionera
en el mercado ecuatoriano obteniendo los niveles de PSL1, PSL2 y PSL3
para los productos que fabrica.
(American Petroleum Institute, 2011).
2.1.1.2 PR performance requirement (requerimiento de desempeño)
El PR (performance requirement) o requerimiento de desempeño define la
cantidad de pruebas (cargas, pruebas cíclicas, fatiga etc) a las que se
somete cada equipo.
Existen dos tipos:
- PR1: Desempeño estándar
- PR2: Desempeño extremo (común en aplicaciones subsea offshore y
ssvs)
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2.2 EQUIPOS DE COMPLETACIÓN DE POZO
Un pozo petrolero comprende cualquier perforación del suelo a diferentes
profundidades la cual tiene como finalidad extraer combustibles fósiles ya
sean liquidos o gaseosos.
La completación de un pozo comprende diversas etapas, estudios y
logística. Elegir el correcto diseño para completar pozos perforados
constituye una parte sumamente importante en el desarrollo operativo y
productivo de un campo petrolero, y para esto es necesario tener un cabezal
de pozo mostrado en la figura 3.
(Válvulas del Pacífico, 2012)
Figura 3. Cabezal Multibowl Válvulas del Pacifico.
(Válvulas del Pacífico, 2012)
2.2.1 CARACTERÍSTICAS DE UN CABEZAL DE POZO
Las características principales de un cabezal de pozo son:
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- Proveer un medio de conducción entre el pozo y las conexiones de
superficie.
- Colgar las tuberías de revestimiento y de producción
- Aislar anulares entre tuberías de revestimiento y de producción
2.3 PARTES DE UN CABEZAL DE POZO
Está divido en tres partes principales:
Sección A.
- Cabezas de tubería de revestimiento casing heads
Sección B
- Carretes de tubería de revestimiento casing spool
Sección C
- Carretes de tubería de producción tubing head
- Adaptadores de cabezales de tubería de producción
- Árbol de navidad
(Válvulas del Pacífico, 2012)
2.3.1 ÁRBOL DE NAVIDAD SECCIÓN C
Es un arreglo de válvulas situado en la parte final de un cabezal el cual está
diseñado para dirigir y controlar los diferentes fluidos provenientes del fondo
del pozo.
Este arreglo se lo puede realizar de diferentes maneras para cumplir una
determinada función dependiendo de muchos factores como el nivel de
12
corrosión o el sistema de extracción que se requiera en campo, en la figura 4
se muestra un árbol ensamblado en la empresa.
Entre sus principales funciones se tiene:
- Controlar el flujo de petróleo o gas durante la producción.
- Controlar la inyección de CO2, agua u otros fluidos para recuperación
secundaria.
- Conexión para intervención del pozo.
- Inyección de químicos.
- Liberar presión
(Válvulas del Pacífico, 2012)
Figura 4. Árbol de navidad Válvulas del Pacifico.
2.4. VÁLVULAS
Una válvula es un dispositivo mecánico que básicamente se compone de
dos partes que son la parte motriz o actuador y el cuerpo, estas permiten
controlar de diversas maneras el flujo de líquidos y gases.
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Dentro de la industria petrolera tienen una función vital debido a su
versatilidad de prestaciones, diseño y materiales utilizados en su fabricación.
Se utilizan cuando se trata de abrir, cerrar, aislar y regular desde agua hasta
sustancias tóxicas y corrosivas.
En el mercado se pueden conseguir de diferentes tamaños, formas,
temperaturas y presiones de trabajo dependiendo la aplicación requerida
(Vega, 2009).
2.4.1 CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS
Para satisfacer las diferentes aplicaciones que se dan en todo el sector
productivo y debido a que no existe una válvula universal la configuración
de estas ha tenido que modificarse para realizar de mejor manera la función
que le corresponde.
Las válvulas pueden clasificarse de la siguiente manera
- Válvulas de compuerta.
- Válvulas de bola.
- Válvulas de mariposa.
- Válvulas de globo.
- Válvulas de apriete.
- Válvulas de alivio.
- Válvula de retención
- Válvulas de diafragma.
(Vega, 2009)
2.5 VÁLVULAS DE COMPUERTA
Las válvulas de compuerta tienen un mecanismo de giro múltiple el cual
permite o no el paso del fluido mediante una placa plana que se desliza en
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unas guías a 90 grados, la figura 5 muestra una válvula de compuerta
bridada (Válvulas del Pacífico, 2012).
Este es el tipo de válvulas utilizado en un cabezal de completación de los
cuales se reconocen dos modelos que cumplen la misma función.
2.5.1 VÁLVULAS DE COMPUERTA SOLIDA (SLAB GATE VALVE)
La compuerta de este tipo de válvula está diseñada en un solo cuerpo solido
que se encarga de cerrar el paso del fluido. Son ampliamente utilizadas en
líneas de gas, aceites y productos provenientes de la destilación del petróleo
(Válvulas del Pacífico, 2012).
Figura 5. Válvula de compuerta bridada 2-1/16 5000 psi marca Neway.
2.5.2 VÁLVULAS DE COMPUERTA EXPANDIBLE
La compuerta está diseñada por dos partes, esta logra su capacidad de
sellado por la expansión de las partes de la compuerta contra el conjunto
asientos ubicados a ambos lados del cuerpo proporcionando un sello fuerte
y positivo contra pulsaciones y vibraciones creadas por las condiciones de
flujo, la figura 6 muestra la configuración de la compuerta expandible.
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La válvula debe quedar completamente abierta o completamente cerrada
para lograr un sello adecuado, ya que de no hacerlo el flujo proveniente
erosiona la compuerta desgastándola gradualmente con lo que la válvula
pierde su propiedad de sellado, este es un error común en las operaciones
que causa muchas pérdidas económicas en reparaciones y remediación
ambiental en campo.
(Válvulas del Pacífico, 2012)
2.5.3 VÁLVULA DE COMPUERTA UTILIZADA EN ÁRBOL DE NAVIDAD
Se conectan en los árboles de navidad su función va determinada por la
ubicación en la que se ensambla.
- Achique: Facilita la intervención del pozo
- Máster o maestra: Controlar el pozo
- Lateral de Producción: Controlar línea de producción
- Lateral de Inyección: Controlar línea de inyección.
Figura 6. Sistema de compuerta expandible.
(Valveworks, 2013)
2.5.4 CARACTERÍSTICAS DE LAS VÁLVULAS DE COMPUERTA
- Las pérdidas de carga son relativamente pequeñas debido a que al abrir
totalmente la válvula diámetro nominal de la tubería coincide con el área
de flujo.
16
- Son económicas y de fácil adquisición.
- No están diseñadas para regular o estrangular fluidos.
- Son la primera opción cuando se trata de manejar fluidos corrosivos
debido a la diversidad de materiales con los que se pueden construir.
- Su diseño sencillo permite una fácil manipulación por cualquier operador.
- Durante la perforación de pozos las válvulas de compuerta son
dispositivos de control utilizadas en la producción, recirculación e
inyección de fluidos.
(Válvulas del Pacífico, 2012)
2.5.5 COMPONENTES INTERNOS DE UNA VÁLVULA DE COMPUERTA
En la figura 7 se identifican las partes que conforman una válvula de
compuerta.
Figura 7. Partes internas de una válvula de compuerta sólida.
(Válvulas del Pacífico, 2012)
17
2.5.6 OPERACIÓN DE VÁLVULAS DE COMPUERTA
- Se debe abrir completamente la válvula antes de ser instalada ya que
área de sellado de la compuerta, en la posición completamente abierta,
está protegida por el cuerpo y es menos probable que se dañe.
- Durante el almacenamiento siempre dejar la válvula en la posición
completamente abierta o completamente cerrada para evitar daños en el
área de sellado tanto de la compuerta y los asientos.
- Al lubricar el cuerpo no exceda la presión de trabajo máxima marcada en
la placa de identificación.
- La válvula debe estar completamente cerrada o completamente abierta
durante la lubricación del cuerpo o de asientos, no debe superar la
presión máxima permisible.
- Las placas de identificación deben mantenerse siempre visibles ya que
esta posee información de suma importancia.
2.5.7 RING GASKET
Un ring gasket es un tipo de sello metal-metal utilizado principalmente en la
industria del petróleo y gas.
Son anillos sólidos fabricados en distintos tipos de metal y con diferentes
tipos de secciones ya sean estas ovaladas u octogonales, están diseñados
para trabajar bajo presiones extremadamente altas.
Estos se colocan en el ring groove que es un canal mecanizado en las bridas
de cada válvula, al aplicar torque a manera de sello en la brida, el ring
gasket se deforma realizando la función de sellado entre los elementos.
Existen diferentes tamaños nominales de ring gasket para los distintos tipos
de bridas y presiones con las que se trabaja en campo, para este proyecto
se requiere la numeración R24 para válvulas 2-1/16 5000 psi y R35 para
válvulas de 3-1/8 5000 psi
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Para nuestra aplicación se utilizan ring gasket de prueba, fabricados en
uretano ver figura 8, que es un polímero el cual se expande debido a su
diseño con la misma presión de prueba y realiza el sello entre bridas.
(Válvulas del Pacífico, 2012)
Figura 8. Ring Gasket de prueba.
2.6 MECÁNICA DE FLUIDOS
La mecánica de fluidos es la rama de la física que se dedica al estudio de las
leyes y el comportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento y su
interacción con los sólidos, así como de las aplicaciones y mecanismos
utilizados a base de estos en la ingeniería.
Está compuesta por dos partes principales que son: la hidrostática o estática
de fluidos que se ocupa de los fluidos en reposo y la dinámica de fluidos que
se encarga de los fluidos en movimiento.
(Mott, 2006)
2.6.1 FLUIDOS
Es un estado de la materia en el cual sus moléculas presentan gran
movilidad debido a la baja fuerza de cohesión que soportan como es el caso
19
de los líquidos y los gases, por lo cual no tienen forma definida y adoptan la
forma del recipiente que las contiene.
Se clasifican en incompresibles como lo son los líquidos ya que poseen un
volumen definido y los incompresibles que son los gases con un volumen
que depende del recipiente que los contiene (Mott, 2006).
2.6.2 DINÁMICA DE FLUIDOS O HIDRODINÁMICA
Esta rama de la mecánica de fluidos se encarga del estudio de los fluidos en
movimiento Aunque cada gota de fluido cumple con las leyes del movimiento
de Newton las ecuaciones que describen el movimiento del fluido pueden ser
extremadamente complejas. En muchos casos prácticos, sin embargo el
comportamiento del fluido se puede representar por modelos ideales
sencillos que permiten un análisis detallado. (Universidad de Granada, 2015)
2.6.3 ESTÁTICA DE FLUIDOS O HIDROSTÁTICA
La estática de fluidos o hidrostática se encarga del estudio de los fluidos en
equilibrio lo que quiere decir que no existen fuerzas que actúen sobre él y
modifiquen su estado de movimiento o reposo. (Mott, 2006)
2.6.4 PRINCIPIO DE PASCAL
El principio de Pascal es una ley enunciada por el físico y matemático
francés Blaise Pascal (1623-1662).
El principio de Pascal indica que la presión aplicada sobre un fluido no
compresible contenido en un recipiente se transmite con igual intensidad en
todas las direcciones y a todas partes del recipiente que lo contiene (Mott,
Mecánica de Fluidos, 2006).
20
2.7 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Son aquellas magnitudes físicas cuyos valores definen el estado en que se
encuentra determinado fluido (Mott, Mecánica de Fluidos, 2006).
- Tienen distinto valor para fluidos diferentes
- Pueden variar para un fluido determinado cuando varía el valor de alguna
otra propiedad
2.7.1. PRESIÓN
La presión es una magnitud física que se define como la relación de una
fuerza aplicada sobre un área, la unidad estándar de presión es el Pascal, el
cual es un Newton por metro cuadrado (Mott, 2006).
En el sistema ingles esta unidad está definida como libras por pulgada
cuadrada PSI (pound per square inch).
De aquí la fórmula:
A
FP [1 ]
Donde
P= Presión
F= Fuerza
A= Área
Usualmente es más conveniente usar la presión que la fuerza para describir
la influencia sobre un fluido.
21
2.8 BANCO DE PRUEBAS DE PRESIÓN
Es un equipo en el cual realiza múltiples ensayos, estos brindan una forma
de comprobación segura y repetible de los todos los elementos sometidos a
la evaluación.
Estas plataformas simulan un ambiente de trabajo real bajo condiciones
seguras en el cual serán probados los equipos para validar su funcionalidad
(Vega, 2009).
Figura 9. Partes de bomba multiplicadora de presión.
(Curtis Wright, 2015)
2.8.1 PARTES PRINCIPALES DE UN BANCO DE PRUEBAS
HIDROSTÁTICAS
El funcionamiento de un banco de pruebas de presión está basado en un
circuito hidrostático el cual consta de diferentes partes como se muestra en
la figura 9, que ayudan a bombear el fluido y aumentar la presión dentro del
componente sometido a prueba dependiendo la aplicación.
22
2.8.1.1 Compresor de aire
Un compresor es una máquina de fluidos compresibles como los gases y
vapores diseñada para transformar la energía eléctrica en energía cinética
mediante el bombeo de aire en una cámara para luego reducir el volumen de
la cámara y crear la compresión, esta energía es utilizada para dar
movimiento a un sin número de mecanismos que son empleados en la
mayoría de las industrias (Berger, 2015).
2.8.1.2 Unidad de mantenimiento de aire con lubricador
Este dispositivo está formado por tres partes, un filtro de aire un regulador y
un lubricador.
El filtro tiene la misión de filtrar las impurezas y el agua condensada que
contiene el aire proveniente del compresor, el regulador baja la presión a 80
psi, el lubricador envía al flujo de aire cierta cantidad de aceite hidráulico
para mantener en buen estado el funcionamiento interno de la bomba
multiplicadora de presión, esto es muy importante para evitar daños internos
del sistema (Curtis Wright, 2015).
2.8.1.3 Bomba multiplicadora de presión
La bomba multiplicadora de presión desarrolla alta presión de salida
mediante el principio de Pascal.
En la figura 10 se muestra la configuración interna de una bomba de presión
para banco de pruebas hidrostáticas, la bomba tiene un área mayor donde
un pistón comprime el aire que llega a baja presión, este aire es bombeado a
una segunda cámara de área más pequeña donde un pequeño pistón
inyecta el fluido al equipo que se prueba por medio de mangueras diseñadas
para este tipo de aplicaciones hasta llegar a la presión deseada (Curtis
Wright, 2015).
23
Figura 10. Configuración interna de bomba multiplicadora de presión.
(Curtis Wright, 2015)
2.8.1.4 Válvula de desfogue o alivio
Son válvulas diseñadas para liberar fluido cuando la presión del sistema
supera el límite permitido, su función principal es el de garantizar la
seguridad del banco de pruebas y así evitar explosiones (Vega, 2009).
2.8.1.5 Manómetro
El manómetro es un dispositivo de medición que se utiliza para medir la
presión de los fluidos que están contenidos en recipientes cerrados,
generalmente determinando la diferencia de la presión entre el fluido y la
presión local (Villa, 2015).
2.8.2 EQUIPOS EXISTENTES EN LA INDUSTRIA
La industria ecuatoriana dedicada a la elaboración de equipos para la
extracción de petróleo como lo son los cabezales de completación de pozo
requiere de un medio para la realización de pruebas hidrostáticas ya que es
un requisito normado que estas sean validadas y certificadas antes de su
puesta en operación.
24
Localmente no hay empresas dedicadas a la fabricación de estos bancos de
pruebas por lo que es necesario mirar en el exterior en busca de una
solución que satisfaga los requerimientos que son exigidos en los
lineamientos de la norma API 6A y de la empresa.
Figura 11. Banco de pruebas hidrostáticas Calder Tester.
(Calder Tester, 2013)
LAM ingeniería y Calder Tester son dos empresas extranjeras las cuales
desarrollado bancos de pruebas hidrostáticas basados en la API 6A las
cuales cumplen con las exigencias para poder validar diferentes tipos de
válvulas bridadas utilizadas en la construcción de cabezales de completación
de pozo. El modelo 1400 API mostrado en la figura 11 tiene como
características principales.
- Bomba operada por aire
- Tres formas de posicionamiento de las válvulas (horizontal, vertical y 45
grados)
- Apriete hidráulico hasta 400 toneladas
(Calder Tester, 2013)
Por su parte LAM ingeniería una empresa radicada en Argentina ofrece un
banco de pruebas hidrostáticas mostrado en la figura 12 con las siguientes
caracterizas para el usuario.
25
Figura 12. Banco de pruebas hidrostáticas LAM ingeniería.
(LAM ingeniería, 2014)
- Máxima presión de ensayo: 15000 psi
- Medidas de acoples 2-1/16″ a 4-1/16″ 10000 & 5000 PSI
- Ensayos automáticos según API-6A/6D (opcional otra normativa)
- Opción de ensayos automáticos según criterios definidos por el usuario
- Válvula de alivio ajustable en campo
- Corte de presurización por ajuste de setpoint de ensayo
- Máx. Presión de trabajo: 15000 psi
- Incluye bastidor soporte de válvulas con conexiones rápidas para evitar la
colocación de bridas de prueba.
(LAM ingeniería, 2014)
El costo total para adquirir cualquiera de estos equipos supera los 28000
dólares americanos lo cual es un monto demasiado alto, por lo que la
solución más viable es diseñar uno a la medida y fabricarlo con ingeniería y
mano de obra ecuatoriana, con esto aprovechar los requerimientos que solo
necesita la empresa por ejemplo una presión de trabajo máxima de 10000
PSI y que solo sea ajustable hasta bridas de 3-1/8 5000 PSI ya que mayores
diámetros no son muy comerciales dentro del país.
26
2.9 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (END) -
NONDESTRUCTIVE TESTING (NDT)
Son un grupo de pruebas que se practican a determinado material ya sea
en su fase de materia prima, producto en proceso o producto final los cuales
no modifican o alteran de manera permanente sus propiedades químicas,
físicas, mecánicas, este tipo de pruebas no implican daño alguno.
Existen diferentes métodos de ensayos no destructivos basados en aplicar
distintos fenómenos físicos entre ellos las pruebas hidrostáticas.
(American Society For Nondestructive Testing, 2015)
2.9.1 PRUEBA HIDROSTÁTICA
En ciertos casos una inspección visual por sí sola no puede asegurar el
correcto funcionamiento de determinado equipo en sus condiciones
normales de trabajo, en el caso de las válvulas es necesario verificar si estas
tienen una adecuada hermeticidad y que no presenten fugas o daños en sus
componentes internos (American Society for Nondestructive Testing, 2006).
Figura 13. Prueba Hidrostática a una válvula
27
La prueba de presión o hidrostática a válvulas consiste en llenar el equipo de
un fluido por lo general agua mezclada con algún componente anticorrosivo
(taladrina), presurizarlo según sea el caso y darle un tiempo de
comprobación.
La norma API 6A exige que todas las válvulas sean probadas por un técnico
calificado con el equipo y las instalaciones adecuadas.
2.9.2 ESTANDARIZACIÓN DE PRUEBAS HIDROSTÁTICAS EN
VÁLVULAS DE COMPUERTA
Cualquier prueba hidrostática realizada en Válvulas de Pacifico S.A esta
referenciada directamente a la norma API 6A capitulo 7, esta es la base para
el diseño y fabricación del equipo para validar válvulas de compuerta, la
figura 13 muestra una válvula en proceso de pruebas dentro de la cabina.
2.9.2.1 Pruebas hidrostáticas a una válvula de compuerta
Cada válvula de compuerta se debe ser probada hidrostáticamente para
poder validar la hermeticidad de esta y asegurar su correcto funcionamiento,
esto es un requerimiento obligatorio de la norma API 6A para todos los
PSL`s.
La especificación indica en la sección 7.4.9.3.3 que deben realizarse dos
ciclos de al menos tres minutos para poder certificar una válvula teniendo
como criterio de validación lo siguiente, en el cual equipo no debe presentar
liquieo visible durante la prueba hidrostática.
Las pruebas hidrostáticas que se realizan permiten:
- Detectar fugas a tiempo.
- Probar la hermeticidad de los componentes internos y externos de la
válvula.
28
De ser válvulas reparadas en la planta se verifica:
- Calidad en el servicio de reparación.
- Garantizar la seguridad del equipo.
- Comprobar el correcto funcionamiento de los elementos remplazados de
darse el caso.
De acuerdo al anexo informativo F Procedimiento de Diseño y Validación de
la norma API 6A en su enunciado F.1.6.3 Integridad de la presión indica que:
La presión observada en el dispositivo de medición durante el periodo de
prueba no debe bajar menos del 5% de la presión de prueba o 500 PSI lo
que ocurra primero. (American Petroleum Institute, 2011).
Tabla 1. Tabla de rangos para presiones de prueba de cuerpos API 6A
(American Petroleum Institute, 2011)
Se debe de tomar en cuenta al momento de validar una válvula, que se
pueden presentar picos que sobrepasen la presión mínima de prueba en
cualquiera de los dos casos, esto en gran parte debido a los componentes
internos de la válvula.
29
2.9.2.2 Prueba de cuerpo
Se realiza con la compuerta parcialmente abierta, el objetivo de esta prueba
es verificar el funcionamiento del cuerpo de la válvula ya sea de forja o
fundición y verificar que no existan fugas por fisuras, cracks o por algún otro
defecto que pueda tener el material.
Los requerimientos mínimos de presión para pruebas de acuerdo al tipo de
equipo se incluyen en la tabla 1.
2.9.2.3 Prueba de sellos y compuerta.
La sección 7.4.9.3.5 de API 6A es la encargada de esta parte y menciona
que:
Se debe verificar primero qué tipo de válvula es la que se va a probar, si es
unidireccional o bidireccional, si es bidireccional, se debe probar asientos por
ambos lados dejando el lado que no se prueba al descubierto, si es
unidireccional solo se probara presión en el asiento por la dirección en la que
se indique.
La presión de prueba en los asientos, será igual a la presión de trabajo de la
válvula (American Petroleum Institute, 2011).
2.9.3 CONSIDERACIONES A TOMAR ANTES DE REALIZAR UNA
PRUEBA HIDROSTÁTICA.
Para realizar una prueba hidrostática exitosa se deben tomar en cuenta una
serie de factores importantes que ayudaran a evitar daños en los equipos,
instalaciones y a las personas involucradas dentro del proceso.
- Identificar el tipo de prueba al que someterá el elemento seleccionado,
ver tabla 3.
30
- Poner el equipo en el lugar designado para las pruebas y asegurar
ausencia de personal ajeno a la actividad.
- Usar el equipo de protección personal (Casco, gafas, botas de seguridad,
guantes).
- La presión de prueba no debe exceder la máxima permitida por los
componentes del banco de pruebas hidrostáticas.
- Verificar ausencia de fugas en todo el sistema a ser presurizado.
- Revisar periódicamente los componentes del banco de pruebas
hidrostáticas
- No manipular mangueras, tapones o cualquier componente del banco de
pruebas hidrostáticas cuando el sistema se encuentre presurizado, la
energía que se puede liberar debido a la presión puede causar serios
daños a las instalaciones o personas alrededor.
- Toda válvula debe ser despresurizada después de realizar la prueba
hidrostática.
- Utilizar agua y aceite soluble para evitar que los componentes internos de
la válvula se corroan.
- El líquido residual de la actividad compuesto por agua y aceite soluble
debe ser recogido.
- Los desechos sólidos generados, como guantes y waipes contaminados
deben ser depositados en los recipientes dotados para el efecto.
- En caso de existir derrame de agua más aceite soluble se hará uso del kit
de derrames para retirar el vertido del suelo.
3. METODOLOGÍA
31
3.1 METODOLOGÍA MECATRÓNICA
El diseño en ingeniería es un proceso complejo en el cual intervienen
diferentes habilidades y disciplinas, la metodología mecatrónica es una
filosofía orientada a integrar sistemáticamente y en forma paralela el
desarrollo de distintos proyectos como se muestra en la figura 17, con esta
metodología se tiene una ventaja sobre el diseño tradicional ya que esta es
concurrente, es decir que implica que las etapas de los diferentes procesos
de producción se realicen en forma simultánea. (Orantes, 2009)
Esta metodología es la pauta a seguir en cada una de las etapas que se
pretenden fijar en el proceso de diseño con la finalidad de obtener los
requerimientos técnicos necesarios para poder plasmarlos en la vida real
materializando las ideas al momento de construir el prototipo.
Un sistema mecatrónico se lo puede representar de manera gráfica en forma
de bloques donde se muestran las relaciones existentes entre los
componentes y cada una de sus funciones enlazando una con otra todas las
variables mediante señales de entrada y salida.
Usando estos diagramas se puede determinar el comportamiento dinámico
del sistema mientras que la medición del mismo será la relación que existe
entre las señales de entrada y salida.
Figura 14. Esquema de la metodología mecatrónica para la máquina
32
3.1.1 METODOLOGÍA DE DISEÑO
- Análisis: Investigar todos los requisitos de diseño y la reducción de éstos
a un conjunto completo de especificaciones.
- Síntesis: Encontrar soluciones posibles para cada especificación y
desarrollar diseños completos a partir de estos.
- Evaluación de los diseños alternativos que satisfacen los requisitos para
un buen rendimiento en la operación, manufactura y ventas antes de
seleccionar el diseño final.
3.2 DETERMINACIÓN DE LAS ESPECIFICACIONES DE LA
MÁQUINA
El diseño a plantear en el presente proyecto, tiene como propósito principal
satisfacer los requerimientos de la empresa Válvulas del Pacífico S.A en una
de sus funciones de vital importancia como lo es la validación de válvulas de
compuerta.
3.2.1 CASA DE LA CALIDAD
La casa de la calidad es un método en el cual se utiliza una estructura
matricial para traducir las necesidades del cliente en requerimientos técnicos
de ingeniería, este modelo ha sido eficaz para encontrar las áreas
específicas que ayudarán a definir el producto a diseñar y la planificación de
la calidad durante todo su ciclo de vida, el desarrollo de este método se
encuentra en el anexo 1.
3.2.1.1 Requerimientos del usuario
Estos requerimientos fueron determinados luego de una reunión con
personal la empresa, que contó con la presencia del Gerente General, el
33
Jefe de Ingeniería y Desarrollo y el Jefe de Control de Calidad colaborando
con sus diferentes puntos de vista gracias a su larga experiencia en el tema
de fabricación de cabezales.
Como usuarios recomendaron los siguientes puntos para tomar en cuenta
para el desarrollo del proyecto.
- Se requiere que el equipo diseñado soporte la presión de prueba
requerida por las válvulas de compuerta como establece API 6A.
- Debe soportar las cargas cíclicas a la que será sometido.
- Se requiere que la puesta a punto no tome mucho tiempo, desde el
montaje de la válvula hasta el fin de la prueba.
- Que sea de fácil operación, lo más simple posible.
- Mínimo de operarios para realizar el proceso de pruebas.
- Se requiere que la maquina brinde seguridad y confiabilidad durante el
proceso que realiza ya que se manejan presiones elevadas.
- Que sea de fácil instalación.
- Se requiere que la maquina no sea demasiado pesada y voluminosa para
poder movilizarla cuando se necesite.
- No debe dañar los ring grooves en las bridas de las válvulas, ya que esto
generaría costos adicionales en reparaciones.
- Se requiere que sea de fácil mantenimiento.
- El diseño estético de la maquina debe ser impecable, no debe ser un
modelo rustico.
- El precio tiene que ser razonable para poder llevar a cabo el
financiamiento
3.2.1.2 Clasificación de la importancia de deseos y necesidades del
usuario
Se realiza una clasificación de la importancia de cada aspecto donde se
asigna un valor ascendente del 1 al 5 donde este último es el más
importante, como se observa en la tabla 2.
34
3.2.1.3 Restricciones y limitaciones
Se presentan limitaciones que se deben tomar en cuenta para realizar el
diseño y dimensionar correctamente la maquina así por ejemplo se toma en
cuenta el lugar donde se va a instalar el banco de pruebas.
- El equipo debe diseñarse para probar válvulas de compuerta API 6A de
2 1/16 y 3 1/8 in sin importar su marca ya que sus dimensiones están
normadas.
- El equipo debe diseñarse para soportar presiones de prueba de 7500 psi
- Debe ser de fácil manipulación para los operadores de Válvulas del
Pacífico S.A.
- La máquina debe caber en un área de 25 𝑚2.
- Se deben poder montar al menos tres válvulas simultáneamente en el
banco.
- No se deben utilizar espárragos para el apriete de las bridas para
minimizar el tiempo de operación.
Tabla 2. Clasificación de la importancia de los deseos del usuario.
3.2.1.4 Criterios de ingeniería
Luego de determinar los deseos del usuario se a transforman en
requerimientos técnicos dimensionables para poder establecer magnitudes y
llevar a cabo el diseño.
Caracteristica Importancia
Que soporte max presión de prueba 4
Que su puesta a punto sea rapida 4
Que sea de fácil operación 4
Que requiera el minimo de operarios posibles 3
Que brinde seguridad 5
Que sea de fácil mantenimiento 3
Que sea amigable con el medio ambiente 3
Que mantenga integros los ring grooves 5
Que no pese mucho 3
Que se pueda montar mas de 1 válvula 5
35
- Fuerza de cierre adecuada y segura según el elemento que se pruebe
(Lbf).
- Presión de prueba de acuerdo a la norma API 6A para el tipo de válvula
seleccionada (Psi).
- Velocidad adecuada de trabajo en la realización de pruebas esto incluye
todo el proceso desde la puesta a punto hasta la liberación de la última
prueba hidrostática que se realice a la válvula (min).
- Sistema de drenaje y recolección de agua (litros).
- Peso del equipo diseñado (Kg).
- Facilidad de operación (de acuerdo al grado de automatización).
- Costo del equipo diseñado (USD).
3.2.1.5 Resultados y conclusiones de la casa de la calidad
Con los datos obtenidos de la casa de la calidad se tiene una visión global
de las características técnicas que cumplen con las demandas del cliente,
así los requerimientos más importantes que han sido evaluados son:
- Que se pueda montar más de una válvula.- Esta característica brinda
una ventaja competitiva con relación a los equipos de pruebas
hidrostáticas fabricadas en el exterior, ya que los diseños conocidos solo
permiten montar una válvula.
- Que brinde seguridad.- Debido a las altas presiones con las cuales se va
trabajar es necesario que garantice la seguridad de los operarios y de
todas las personas que se mueven en su entorno además de las
instalaciones cercanas.
- Que mantenga íntegros los ring grooves.- La zona de sello entre las
bridas de las válvulas debe permanecer en perfectas condiciones para
no incurrir en costos adicionales de reparación.
- Que sea de fácil operación.- Es importante que la maquina no se muy
complicada en su manipulación y puesta a punto.
36
La calificación del diseñador al equipo es una estimación, debido a que aún
no se ha obtenido un prototipo construido que pueda comparar las
características que el usuario solicita
3.2.1.6 Especificación técnica del equipo
Todo equipo está definido por su especificación técnica, con este documento
se detallan las características y condiciones mínimas de operatividad por lo
cual es la base del diseño para llevar a cabo la construcción del equipo.
Este cuadro se ha desarrollado en base a los datos obtenidos de los deseos
y necesidades del usuario, los criterios de ingeniería y la casa de la calidad,
partiendo de distintos conceptos se establece quien es el que propone los
requerimientos ya sea el cliente, el ingeniero o ambos a la vez, este es el
primer paso para iniciar con el diseño del prototipo. Ver Anexo 7.
3.3 DISEÑO CONCEPTUAL Y FUNCIONAL DEL EQUIPO
El análisis funcional aplicado al diseño es una técnica propuesta por el
ingeniero Lawrence D. Miles la cual consiste en aislar la función principal del
resto del sistema para buscar nuevas soluciones a un mismo problema, con
esta técnica se logra obtener mejores productos a un menor costo (Miles,
1989).
Se debe identificar la función principal o primaria que en nuestro caso es
realizar pruebas hidrostáticas a válvulas de compuerta de compuerta
bridadas de 2 1/16 in Y 3 1/8 in a 5000 PSI y luego las funciones
secundarias que permiten que la función primaria se ejecute
satisfactoriamente y son las que se determinan mediante este análisis.
Una vez identificadas todas las funciones secundarias se procede a plantear
las posibles soluciones idóneas que puedan desempeñar estas funciones,
37
que luego serán evaluadas para seleccionar la que mejor se adapte a
nuestro proyecto.
Un grupo de funciones secundarias puede ser agrupado en módulos
capaces de funcionar a manera de sistema independiente obteniendo así un
diseño modular.
El despliegue funcional se lo puede realizar a manera de diagramas de flujo
en los que debe constar cada función encontrada con sus respectivas
entradas y salidas, estos diagramas de flujo se representan en diferentes
niveles comenzando con el nivel 0 o global y continuando hasta el nivel de
detalle que se requiera.
3.3.1 SIMBOLOGÍA PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURA
FUNCIONAL
Es necesario tener una simbología adecuada para poder representar las
funciones y sus flujos dentro de la estructura que se desea realizar, ver tabla
3, Carles Riba propone la siguiente simbología a utilizar para identificar flujos
de procesos (Riba Romeva, 2002).
Tabla 3. Simbología en flujo de procesos.
Función Rectángulo de línea
continua
Flujo de material y
dirección
Flecha doble de línea
continua
Flujo de energía y
dirección
Flecha de línea
continua
Flujo de señal y
dirección
Flecha de línea
discontinua
Sistema, subsistema y
módulos
Rectángulo de línea
discontinua
38
3.3.1.1 Desarrollo de estructura funcional
El nivel 0 se muestra en la figura 15 este representa la función global o
principal del proyecto la cual es realizar pruebas hidrostáticas a válvulas de
compuerta de compuerta bridadas de 2 1/16 in Y 3 1/8 in a 5000 psi.
3.3.1.2 Análisis de los diagramas funcionales
El nivel 1 comprende un desglose del nivel 0 en subfunciones las cuales
ayudaran en la obtención de la función principal.
Se limita hasta el nivel 1 debido a que un despliegue mayor en este proyecto
conllevaría a establecer implícitamente determinadas soluciones.
Figura 15. Estructura Funcional nivel 0
El diagrama que se muestra en la figura 16 toma en cuenta las
subfunciones desarrolladas partir del nivel 0 y el grado de automatización
deseado por el cliente por ello se describen flujos de energía manuales y
eléctricos, así como flujos de señal de control que realizarán los operarios
para cumplir alguna de las mismas.
39
Figura 16. Estructura Funcional nivel 1.
3.3.1.3 Determinación de módulos de funciones
La agrupación de varias subfunciones en bloques o módulos funcionales
ayuda en el diseño del producto en varios aspectos tales como la reducción
de costos, la facilidad y disponibilidad de mantenimiento y las posibles
soluciones que puedan tomar estos al momento de evaluarlos.
Es necesario realizar un estudio adecuado de los diagramas funcionales
parar determinar la división modular más adecuada tomando en cuenta los
parámetros de los flujos de señales, energía y materiales utilizados.
Para esta máquina a diseñar se han determinado cuatro módulos principales
que se muestran en la figura 17.
MÓDULO 1 Modulo de posicionamiento de la válvula a evaluar
MÓDULO 2 Modulo de cierre
MÓDULO 3 Modulo de prueba y evaluación
MÓDULO 4 Modulo de soporte del equipo de pruebas
Montaje de válvula en
equipo de pruebas
hidrostáticas
Apriete de válvula
Llenar el elemento con
líquido de prueba y
alcanzar la presión de
prueba requerida
Periodo de prueba,
evaluación e inspección
Desmontaje de válvula Aflojar válvulaLiberar presión y drenar
elemento
Válvula a probarVálvula posicionada Determinar
tipo prueba
Cumplir ciclosnormados
Elemento inspeccionado
Elemento listopara ser retirado
Válvula probada
Energíamecanica
Energía Mecanica EnergíaHidraulica/Neumatica
Presion de prueba alcanzada
Ciclo 1 de prueba cumplido
Señal iniciooperario
Señal Finalización prueba exitosa
Energíamecanica
Energía Mecanica
40
Figura 17. División modular del equipo.
Se designan cuatro módulos para ser desarrollados en la resolución de este
proyecto con lo cual se procede a la selección de alternativas de diseño.
3.4 ALTERNATIVA DE DISEÑO MÓDULO 1: MÓDULO DE
POSICIONAMIENTO DEL EQUIPO A EVALUAR
En este módulo se debe identificar la manera en la cual se van a montar las
válvulas. El montaje de las válvulas sobre el banco de pruebas es el primer
paso para lograr el objetivo de verificar su funcionalidad, las alternativas que
se plantean para esta función son:
3.4.1 ALTERNATIVA 1 POSICIONAMIENTO MANUAL
Este es el método más sencillo y rápido para transportar las válvulas y
posicionarlas correctamente, debido al peso de cada elemento hasta tres
operarios se encargan de levantar una válvula.
Montaje de válvula en
equipo de pruebas
hidrostáticas
Apriete de válvula
Llenar el elemento con
líquido de prueba y
alcanzar la presión de
prueba requerida
Aflojar válvula
Periodo de prueba,
evaluación e inspección
Liberar presión y drenar
elementoDesmontaje de válvula
Válvula a probarVálvula posicionada Determinar
tipo prueba
Cumplir ciclosnormados
Elemento inspeccionado
Elemento listopara ser retirado
Válvula probada
Energíamecanica
Energía Mecanica EnergíaHidraulica/Neumatica
Presion de prueba alcanzada
Ciclo 1 de prueba cumplido
Señal iniciooperario
Señal Finalización prueba exitosa
Energíamecanica
Energía Mecanica
MODULO 1 MODULO 2
MODULO 4
MODULO 3
41
3.4.1.1 Ventajas del posicionamiento manual
- Rapidez al momento de ubicar las válvulas
- Precisión al momento de fijar las válvulas
3.4.1.2 Desventajas del posicionamiento manual
- Inconformidad de los operarios debido al peso
- Posibles lesiones en los operarios
- Se necesita un mayor número de personas trabajando en esa área
3.4.2 ALTERNATIVA 2 POSICIONAMIENTO POR MEDIO DE TECLE
MANUAL
Con este método se debe utilizar un tecle manual para levantar la válvula y
llevarla a la posición de prueba, Válvulas del Pacifico S.A posee un tecle ver
figura 18 con capacidad de tres toneladas el cual no presentaría
inconvenientes al momento de trasladar las válvulas.
Figura 18. Tecle Válvulas del Pacífico.
42
3.4.2.1 Ventajas del posicionamiento con tecle manual
- Solo se requiere a un operario para realizar el trabajo
- Mayor seguridad al momento de transportar la válvula
3.4.2.2 Desventajas del posicionamiento con tecle manual
- El proceso de levantar una válvula con el tecle toma más tiempo
- Se necesita un tecle con la capacidad de carga adecuada
3.4.3 ALTERNATIVA 3 POSICIONAMIENTO CON MONTACARGAS
Se requiere utilizar al montacargas de la empresa para levantar y poner en la
posición adecuada las válvulas en el módulo ver figura 19.
Figura 19. Montacargas Válvulas del Pacífico.
3.4.3.1 Ventajas del posicionamiento con montacargas
- Mayor rapidez en el montaje
- Se evita que el personal pueda lesionarse cargando las válvulas
43
3.4.3.2 Desventajas del posicionamiento con montacargas
- Muchas veces el montacargas es ocupado para realizar otra actividad
- Se debe tener mucho cuidado al momento de maniobrar el montacargas
- Menor precisión el colocar la válvula
3.4.4 EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA PARA EL
MODULO 1
Para poder seleccionar la alternativa que mejor se adapte se utiliza el
método ordinal corregido de criterios ponderados propuesto por (Riba
Romeva, 2002) en su teoría de diseño concurrente.
Este es un método de selección de alternativas el cual se basa en ponderar
distintos aspectos del sistema en base a criterios que implican juicios de
valor, que permite obtener resultados globales suficientemente significativos.
Los criterios de valoración más importantes para este módulo son:
- Tiempo de puesta a punto, mientras menor sea es mucho mejor ya que
se requiere optimizar el tiempo de pruebas hidrostáticas.
- Se debe optimizar el número de operarios involucrados en la tarea para
aprovechar mejor su trabajo.
- Seguridad, es un aspecto muy importante a tomar en cuenta ya que el
peso mismo de las válvulas es un riesgo latente.
- Complejidad, va directamente relacionada con el número de operarios y
la forma que se requiere para montar la válvula en su lugar
La evaluación de los criterios y las alternativas para seleccionar la opción
que mejor se adapte a nuestras necesidades serán evaluadas en las tablas
4 a la 8
44
Tabla 4. Evaluación del peso específico de cada criterio Modulo 1.
Tabla 5. Evaluación de las alternativas respecto al tiempo de puesta a punto.
Tabla 6. Evaluación de las alternativas respecto al número de operarios.
Tabla 7. Evaluación de las alternativas respecto a la seguridad.
Tiempo de
puesta a punto
Número de
operarios Seguridad Complejidad ∑+ 1 Ponderación
SUMA 9.5 1
0.11
0.37
0.26
0.26
Seguridad > Tiempo de puesta a punto = Número de operarios > Complejidad
0 0
0.5
2.5
2.5
3.5
1
1
1 0 0.5
1 1
CRITERIO
Número de operarios
Tiempo de puesta a
punto
Seguridad
Complejidad
0.5 0
0
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 6 1
Alternativa 3 > Alternativa 1 > Alternativa 2
0.17
Alternativa 3 1 1 3 0.50
2 0.33
Alternativa 2 0 0 1
Tiempo de puesta a
punto
Alternativa 1 1 0
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 6 1
0 0 1 0.17
Alternativa 3 > Alternativa 2 > Alternativa 1
Alternativa 1
Alternativa 3 1 1 3 0.50
Alternativa 2 1 0 2
Número de operarios
0.33
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 7 1
Alternativa 2 1 0 2 0.29
Alternativa 1 1 0 2 0.29
Seguridad
Alternativa 3 > Alternativa 2 = Alternativa 1
Alternativa 3 1 1 3 0.43
45
Tabla 8.Evaluación de las alternativas respecto a la complejidad.
Tabla 9. Tabla de conclusiones de selección para el módulo 1.
De acuerdo a la tabla 9 la alternativa 3 el posicionamiento por montacargas
es la que más se ajusta a la necesidad del módulo que es posicionar la
válvula.
3.5 MODULO 2: MÓDULO DE CIERRE
El módulo de cierre debe ser diseñado para soportar la presión de prueba
sin que este ceda y se presenten fugas que hagan fallar la prueba
hidrostática.
Cumple dos funciones básicas antes y durante el proceso las cuales son:
- Mantener de una manera segura el cierre de los elementos a probar.
- Liberar los elementos una vez finalizada la prueba.
Se debe seleccionar una manera adecuada para realizar este accionamiento
utilizando el menor número de operadores posibles.
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 6 1
Alternativa 3 1 0.5 2.5 0.42
Alternativa 2 1 0.5 2.5 0.42
Alternativa 3 = Alternativa 2 > Alternativa 1
Complejidad
Alternativa 1 0 0 1 0.17
Tiempo de
puesta a punto
Número de
operarios Seguridad Complejidad ∑ Prioridad
2.00
Alternativa 3 0.50*0.26 0.50*0.26 0.42*0.37 0.42*.011 0.4616 1.00
029.*0.37 0.16*0.11 0.2549 3.00
Alternativa 2 0.17*0.26 0.33*0.26 0.29*0.37 0.42*.011 0.2835
CRITERIO
Alternativa 1 0.33*0.26 017.*0.26
46
Esto brinda una pauta al momento de seleccionar el tipo de accionamiento
de cierre para lo cual se analizan tres opciones.
- Sistema de accionamiento hidráulico.
- Sistema de accionamiento neumático.
- Sistema de accionamiento mecánico.
3.5.1 ALTERNATIVA 1 CIERRE CON ACCIONAMIENTO HIDRÁULICO
Los sistemas de accionamiento hidráulico utilizan un fluido en estado líquido
a presión para poder trasmitir una fuerza, esta alternativa consiste en
realizar el cierre de los extremos bridados de las válvulas mediante un
accionamiento hidráulico el cual consta de un pistón, válvulas de control, un
tanque para almacenar el fluido, una bomba para generar la presión de
trabajo y el sistema de control.
Figura 20. Circuito hidráulico básico.
(Rodriguez, 2015)
Con estos sistemas se puede alcanzar altas presiones de cierre en poco
tiempo, todos los elementos deben ser seleccionados para generar fuerza
47
necesaria con la cual las válvulas no se suelten durante el proceso de
pruebas a la presión máxima requerida, ver figura 20.
3.5.1.1 Ventajas de los sistemas con actuadores hidráulicos
- Se pueden alcanzar altas presiones de trabajo fácilmente
- La precisión y exactitud que brindan estos sistemas facilitan el control
- Desempeño silencioso
- Su tiempo de respuesta es óptimo al momento de realizar un cambio de
sentido
- Los elementos son de fácil cotización en el mercado local
3.5.1.2 Desventajas de los sistemas con actuadores hidráulicos
- El precio de los sistemas hidráulicos es alto
- Al trabajar con presiones altas el sistema es sensible a fugas lo que
puede ocasionar una pérdida de carga en el cierre.
- Si se presentan fugas de aceite hidráulico deben ser tratadas de una
manera adecuadas para evitar accidentes
- No se pueden fabricar los elementos para un sistema hidráulico en la
planta, estos deberían ser comprados externamente.
- Se debe tener en cuenta el recorrido del pistón
3.5.2 ALTERNATIVA 2 CIERRE CON ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO
Este tipo de sistemas son muy utilizados en la industria debido a su amplio
campo de aplicación y por su fácil automatización, es una alternativa similar
al sistema de accionamiento hidráulico, ver figura 21.
48
Figura 21. Circuito Neumático
(Área Tecnología , 2005)
3.5.2.1 Ventajas de los sistemas con actuadores neumáticos
- Se puede utilizar el sistema de distribución de aire comprimido con el que
cuenta la empresa, si es que lo tuviesen, prescindiendo de un compresor
adicional.
- Se posee una fuente de materia prima ilimitada, el aire.
- Los actuadores pueden trabajar a velocidades altas y fácilmente
regulables
- Energía limpia y de fácil almacenamiento
- Cambios instantáneos de sentido
- No es preciso centralita para generar presión
3.5.2.2 Desventajas de los sistemas con actuadores neumáticos
- En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas
considerables.
- Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar
grandes fuerzas
49
- Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar
grandes fuerzas
3.5.3 ALTERNATIVA 3 CIERRE CON ACCIONAMIENTO MECÁNICO
(TORNILLO DE POTENCIA)
Esta alternativa consiste en utilizar un tornillo de potencia accionado de
manera manual convirtiendo un movimiento angular o de giro en un
movimiento de traslación o lineal, este mecanismo es ampliamente usado
como elemento de avance de máquinas y herramientas, como mordazas o
gatos mecánicos, lo cual puede proveer la fuerza de cierre deseada.
3.5.3.1 Ventajas de los sistemas con tornillo de potencia
- Una buena parte del sistema puede fabricarse en planta con las
máquinas, herramientas, técnicos y herramientas proporcionados por la
empresa
- Puede llegar a ser la más económica de las alternativas debido a que no
todo lo necesario está disponible de manera inmediata.
- La sencillez de su diseño es ideal para el poco espacio que se dispone
para esta aplicación.
3.5.3.1 Desventajas de los sistemas con tornillo de potencia
- Se pueden generar costos adicionales de reparación o fabricación debido
al mantenimiento que el desgaste de los tornillos presentan debido a su
constante uso.
- La velocidad de accionamiento es muy inferior a las otras alternativas
mencionadas y se requiere de un operador para realizar el apriete
necesario.
- Los tornillos de potencia generalmente tienen una baja eficiencia, ver
figura 22.
50
Figura 22. Tornillo de potencia.
(Grabcad, 2015)
3.5.4 EVALUACION Y SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA PARA EL
MODULO 2
Los criterios que se seleccionaron para determinar la alternativa más
adecuada para el módulo 2 son:
- Precio
- Mantenimiento
- Seguridad
- Control
- Rapidez
La evaluación de los de los distintos criterios se encuentra en las tablas 10 a
la 15.
Tabla 10. Evaluación del peso específico de cada criterio Modulo 2.
Precio Mantenimiento Seguridad Control Rapidez ∑+ 1 Ponderación
1 1 0 0.5 3.5 0.21
Suma 16 1
Seguridad > Precio > Rapidez > Control = Mantenimiento
Rapidez
1
0
0.28
Control 0 1 0 2 0.13
Seguridad 0.5 1 1 4.5
0 2 0.13
CRITERIO
Precio 1 1 0.5 0.5
1
4 0.25
Mantenimiento 0 0
51
Tabla 11. Evaluación de las alternativas respecto al precio.
Tabla 12. Evaluación de las alternativas respecto al mantenimiento.
Tabla 13. Evaluación de las alternativas respecto a la seguridad
Tabla 14. Evaluación de las alternativas respecto al control.
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 6 1
Alternativa 3 > Alternativa 2 > Alternativa 1
Alternativa 3 1 1 3 0.50
Alternativa 2 1 0 2 0.33
Precio
Alternativa 1 0 0 1 0.17
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 6 1
Alternativa 3 > Alternativa 2 > Alternativa 1
Alternativa 3 1 1 3 0.50
Alternativa 2 1 0 2 0.33
Mantenimiento
Alternativa 1 0 0 1 0.17
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 6 1
Alternativa 1 > Alternativa 2 = Alternativa 3
Alternativa 3 0 0.5 1.5 0.25
Alternativa 2 0 0.5 1.5 0.25
Seguridad
Alternativa 1 1 1 3 0.50
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 6 1
Alternativa 3 > Alternativa 1 = Alternativa 2
Alternativa 3 1 1 3 0.50
Alternativa 2 0.5 0 1.5 0.25
Control
Alternativa 1 0.5 0 1.5 0.25
52
Tabla 15. Evaluación de las alternativas respecto a la rapidez.
Tabla 16. Tabla de conclusiones de selección para el módulo 2.
De acuerdo a la tabla 16 la alternativa 3, accionamiento mecánico por tornillo
de potencia es la que más se ajusta a la necesidad del módulo que es el
apriete de las válvulas para tener un sello hermético entre ellas.
3.6 MODULO 3: MÓDULO DE PRUEBA Y EVALUACIÓN
Este módulo es el encargado de realizar las siguientes funciones:
- Elevar y mantener la presión de prueba requerida durante los ciclos de
prueba.
- Controlar el tiempo y ciclos mínimos normados de prueba, para poder
validar la prueba hidrostática realizada.
- Liberar la presión entre ciclos de prueba y sirviendo a manera de
desfogue de emergencia.
- Indicar cuando la prueba haya finalizado exitosamente.
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 6 1
Alternativa 1 = Alternativa 2 > Alternativa 3
Alternativa 3 0 0 1 0.16
Alternativa 2 0.5 1 2.5 0.42
Rapidez
Alternativa 1 0.5 1 2.5 0.42
Precio Mantenimiento Seguridad Control Rapidez ∑ Prioridad
0.16x0.21 0.3586 1
0.25x0.13
0.25x0.13
0.50x0.13
0.42x0.21 0.3253 2
0.42x0.21 0.3161 3
CRITERIO
Alternativa 1 0.17x0.25 0.17x0.13 0.50.x0.28
Alternativa 3 0.50x0.25 0.50x0.13 0.25x0.28
Alternativa 2 0.33x0.25 0.33x0.13 0.25x0.28
53
Al seleccionar los elementos de diseño se debe tomar en cuenta que la
empresa cuenta con una unidad multiplicadora de presión que brinda un
máximo de 12500 PSI, la cual es más que suficiente para llegar a la máxima
presión de prueba requerida por API 6A que es de 7500 PSI para válvulas
que trabajan a 5000 PSI.
Con esto se brinda un ambiente que simula las condiciones de trabajo reales
a las cuales son sometidas las válvulas en el campo durante la operación de
extracción de crudo.
3.6.1 DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE
CONTROL
Para este módulo se deben seleccionar los elementos de control adecuados
y necesarios para la óptima operación del banco de pruebas hidrostáticas
cumpliendo todos los requerimientos exigidos tanto por la norma API 6A
como por el personal de la empresa Válvulas del Pacifico S.A,
3.6.1.1 Selección del PLC
Se debe tener en cuenta ciertas características importantes al momento de
seleccionar un PLC apropiado de las cuales se cita:
- La cantidad requerida de entradas y salidas ya sean estas digitales o
análogas.
- El ambiente de trabajo en el cual se desenvolverá el equipo.
- Disponibilidad en el mercado local
- Fácil manejo e implementación.
- Posibilidad de expansión para posibles mejoras
- Fácil programación
- Complejidad de brindar mantenimiento
54
3.6.1.2 Evaluación de alternativas para selección del PLC
Para seleccionar el PLC que mejor se adapte a los requerimientos
planteados se debe realizar una evaluación para determinar la marca y
modelo idóneos debido a las posibilidades que se ofrecen en el mercado
local.
Tabla 17. Matriz de selección PLC
Mediante un matriz de decisión como se muestra en la tabla 17 se otorga un
puntaje de 1 a 5 de acuerdo a las ventajas que ofrece cada marca en
relación a los requisitos planteados.
De acuerdo a nuestra matriz de selección se obtiene como resultado una
ventaja del PLC Logo de siemens sobre el PLC Zelio sobre todo en la
disponibilidad de sus componentes al momento de ubicarlos en el mercado
local y su facilidad de programación gracias a la experiencia que se tiene
con este sistema.
Tabla 18. Distribución de Entradas y salidas
CARACTERISTICA Logo 12/24 RCE Siemens Zelio Logic Modular
Comunicación 4 4
Adaptabilidad 5 5
Disponibilidad 5 3
Conexiones 5 5Posibilidad de
expansión5 5
Programación 5 4
Instalación 5 5
Compatibilidad 5 4
Mantenimiento 5 5
TOTAL 44 40
Función Módulo
Encendido/Apagado Logo 12 /24 RC
Selección 5000 Logo 12 /24 RC
Selección 7500 Logo 12 /24 RC
Paso de aire/inicio Logo 12 /24 RC
Paro emergencia Logo 12 /24 RC
Sensor de presion AM2
Paso de aire Logo 12 /24 RC
Desfogue Logo 12 /24 RC
Prueba exitosa V1 5000 Logo 12 /24 RC
Prueba exitosa V2 5000 Logo 12 /24 RC
Prueba exitosa V3 5000 DM8 12/24 R
Prueba existosa 7500 DM8 12/24 R
Alerta de inicio de prueba DM8 12/24 R
Entrada digital
Entrada digital
Salida
Caracteristica E/S
Salida
Entrada digital
Salida
Entrada digital
Entrada análoga
Salida
Entrada digital
Salida
Salida
Salida
55
Durante la prueba del prototipo es posible que se generen correcciones en
cuanto a la programación del PLC estos ajustes podrían continuar conforme
a la Norma API 6A sea actualizada y sus enunciados soliciten diferentes
requerimientos a nivel de pruebas hidrostáticas.
De esta manera se decide utilizar el PLC Logo! 12/24 RCE de Siemens con
sus módulos de expansión y accesorios necesarios para esta aplicación
cono lo son el módulo DM8 12/24 R, AM2 y el Logo Text display.
3.6.1.3 Número de entradas y salidas
Es primordial establecer el número de entradas/salidas tanto digitales como
analógicas además de disponer su distribución y la función que va a
desempeñar cada una, en la tabla 18 se realiza la asignación de dichos
puertos lo cual facilitará el trabajo de conexiones y programación.
3.6.1.4 Arquitectura del PLC Logo
El PLC de SIEMENS LOGO es en la actualidad uno de los autómatas más
utilizados para procesos no tan complejos debido a su fácil conexión con la
PC, bajo costo y su adaptabilidad utilizando módulos de expansión, debido a
esto el modelo LOGO! 12/24 RCE es el seleccionado para nuestra
aplicación, la tabla 19 muestra los sus modos de funcionamiento.
El LOGO! 12/24 RCE consta de los siguientes modos de funcionamiento:
Tabla 19. Modo de funcionamiento PLC.
Modo programación Para elaborar los programas de control
Modo RUN Para poner en marcha el Plc LOGO.
Modo parametrización Para modificar los parámetros de algunas de
las funciones, tiempo, computo, relojes.
Modos de funcionamiento PLC LOGO!
56
Cuenta con 8 entradas digitales y 4 salidas de relé llegando a manejar hasta
5A para corriente alterna y 24 Vcc, además posee una pantalla donde es
posible introducir los códigos de programación directamente.
3.6.2 SELECCIÓN DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL
Nuestro sistema de pruebas hidrostáticas requiere dos válvulas de control
para las aplicaciones que se muestran en la tabla 20.
Tabla 20. Presión de trabajo en válvulas de alivio y paso de aire.
3.6.2.1 Válvula de control de paso de aire
La válvula de paso de aire permitirá el paso de este a la bomba
multiplicadora de presión directamente de la línea de aire de la empresa,
esta válvula debe estar controlada por la señal del sensor cerrando el paso
cuando la cantidad medida sea la adecuada según el tipo de prueba
seleccionado o subiendo la presión si existe una baja.
Para esta aplicación se seleccionó una electroválvula 2/2 normalmente
cerrada de acción directa marca Danfoss modelo EV201A, ver figura 23.
Las características más importantes de esta válvula son:
- Aplicaciones de agua, vapor, aceite y aire comprimido.
- Presión diferencial de 0 – 30 Bar.
- Temperatura ambiente 50 C, Max.
- Grado de protección de la carcasa de la bobina: IP65, Max.
- Conexiones roscadas ½ NPT.
Descripción Presión de trabajo Max
Alivio de presión 10000 PSI
Paso de aire 140 PSI
57
Figura 23. Válvula 2/2 para control paso de aire.
(Danfoss, 2015)
3.6.2.2 Válvula de control de alivio de presión
Para controlar el alivio de presión del sistema se requiere una válvula que
soporte 10000 PSI, esta es la encargada de realizar el desfogue después de
haber culminado los ciclos de prueba exigidos o para efectuar un paro de
emergencia aliviando la presión en cualquier momento.
Por lo general las válvulas de alivio diseñadas para la presión requerida son
manuales de tipo aguja. La empresa Enerpac ofrece válvulas accionadas por
solenoide diseñadas a la medida para este propósito por lo cual de acuerdo
al de acuerdo al Anexo 9 se selecciona el modelo VEH-11000-A con las
siguientes características:
- Presión de operación máxima 10000 PSI
- Capacidad de flujo 4 gal/min
- VE válvula accionada por solenoide
- Válvula 2/2 Normalmente cerrada
- Voltaje de operación 24 Vcc
- Conexión 3/8 NPT
58
3.6.2.3 Selección de mangueras
Las especificaciones técnicas y características requeridas para la selección
de las mangueras se detallan a continuación.
- Manguera de caucho sintético reforzada con mallas de alambre de acero
- Presiones de trabajo de hasta 10000 Psi
- Transporte de fluidos a base de petróleo
- Resistente a aceites, fluidos y otros fluidos industriales
- Terminaciones de ½ NPT
- Temperatura de trabajo entre -45 °C y 125 °C
Adicional se requiere que el radio de curvatura de la manguera sea lo más
amplio posible y con esto evitar taponamientos en su interior.
3.6.3 SELECCIÓN DEL SENSOR DE PRESIÓN
Se debe seleccionar un sensor para controlar la presión de prueba
hidrostática ya que básicamente todo el sistema depende de esta para
funcionar adecuadamente, ver figura 24.
Figura 24. Sensor Ashcroft Modelo AS2-AF04-10.
(Aschroft, 2015)
La presión máxima de prueba es 7500 PSI se parte de este dato y de la
compatibilidad con el módulo de expansión analógico del PLC por lo cual se
59
decide a utilizar el sensor piezoeléctrico marca Ashcroft modelo A2S-A-F04-
10 utilizado en la medición de tanto de líquidos como de gases este sensor
se presenta como una solución económica para una extensa variedad de
aplicaciones en todos los sectores industriales.
La tabla 21 muestra las características técnicas del sensor seleccionado.
- Bajo costo de mantenimiento debido a su celda de medición cerámica sin
desgaste.
- Gran variedad de aplicaciones gracias a su resistencia de sobrecarga y al
vacío de la celda de medición cerámica.
- Cuerpo de acero inoxidable lo que garantiza su funcionalidad y vida útil.
- Costo asequible.
- Fácil instalación y compatibilidad con distintos controladores PLC.
Tabla 21. Datos técnicos del sensor de presión.
3.6.4 ELEMENTOS CON LOS QUE CUENTA LA EMPRESA
Válvulas del Pacifico S.A cuenta con elementos en su banco de pruebas
manual los cuales serán utilizados adaptándolos a nuestro proyecto para no
incurrir en gastos nuevos.
Rango de medición - Presión 1 10000 Psi
Temperatura de proceso -40 150 °C
Presión de proceso -1 1000 bar
Precisión 0,05%
Materiales, partes mojadas 316 Ti (1.4571)
Conexiones Roscadas ½ NPT
Material de sellado No media contact
IP67
IP65
IP68 (0,5bar)
Salida 0-10 Vdc
Temperatura ambiente -40 ... 80 °C
Datos Tecnicos
Tipo de protección
60
3.6.4.1 Manómetro digital
La empresa cuenta con un manómetro digital capaz de convertir las señales
mecánicas que provienen de la fuente de presión en un registro visual para
que este sea incluido en los informes de control de calidad de los elementos
sometidos a evaluación hidrostáticas en el cual se puede apreciar la relación
presión versus tiempo lo cual es una exigencia de los clientes la cual debe
ser cumplida.
Figura 25. Manómetro digital Omega DPG4000.
El dispositivo es marca OMEGA modelo DPG4000 con un rango de 0 PSI a
10000 PSI, en la figura 25 muestra al manómetro digital el proceso de
pruebas.
Es un requisito normado por API es la selección de un manómetro adecuado
capaz de registrar los datos de las pruebas realizadas a los equipos en su
enunciado 7.2.2.1.
3.6.4.2 Bomba multiplicadora de presión
Válvulas del Pacifico S.A cuenta con una bomba multiplicadora de presión
con la cual se realizan las pruebas hidrostáticas de una manera por decir
rudimentaria.
61
Así de esta manera se conecta directamente las válvulas a un test port y
este a la unidad multiplicadora que bombea el líquido de prueba al interior de
las válvulas.
Figura 26. Especificaciones Bomba Modelos J Sprague Products.
(Curtis Wrigth, 2015)
Esta bomba de presión Sprague Products modelo S-216-JB-101 con lo cual
mediante el catálogo de dicha marca se puede comprobar que las
características de la bomba son las adecuadas para poder trabajar con lo
que no es necesario adquirir una nueva siendo beneficioso para la empresa
ya que no se incurre en ese costo, ver figura 26.
Tabla 22. Especificaciones unidad de mantenimiento de aire.
(Omega, 2015)
3.6.4.3 Unidad de mantenimiento
La unidad de mantenimiento es la encargada de filtrar y lubricar el aire que
ingresa a la bomba multiplicadora de presión lo que ayuda a evitar daños
Caracteristicas de unidad de mantenimiento de aire
sprague products S-440-J-125
Presión de regulación 7 a 150 PSI
Max presión de entrada 150 PSI
Max presión de salida 82 PSI
Conexión 1/4 NPT
62
internos durante su operación es de marca sprague products modelo S-440-
J-125, ver tabla 22.
3.7 MODULO 4: Módulo de soporte
Básicamente este módulo es el bastidor, el cual va a apoyar las válvulas
durante todo el proceso de pruebas hidrostáticas. Este debe ser diseñado y
construido con materiales adecuados para garantizar la seguridad del
personal dentro de la empresa.
3.7.1 POSICIÓN DE PRUEBA DE LAS VÁLVULAS
En el ensamble final de los equipos las válvulas van ubicadas de dos
maneras tanto de forma vertical como horizontal, realizando un análisis se
debe determinar cuál posición es la más adecuada para el diseño del banco
de pruebas hidrostáticas.
La norma API 6A no exige ningún parámetro de posicionamiento de las
válvulas para la realización pruebas hidrostáticas.
3.7.2 ALTERNATIVA 1 POSICIÓN VERTICAL
El diseño deberá proponer un posicionamiento vertical de la válvula para
poder ser evaluada, ver figura 27.
Figura 27. Posicionamiento Vertical.
63
3.7.2.1 Ventajas posición vertical
- Se aprovecha la fuerza de gravedad para cerrar los extremos bridados
de las válvulas
- El espacio a utilizar por el montaje de la maquina se vería reducido
3.7.2.2 Desventajas posición vertical
- El número de válvulas a probar se limita a 1 debido a la dificultad de
conectarlas en serie de manera vertical
3.7.3 ALTERNATIVA 2 POSICIÓN HORIZONTAL
El diseño deberá proponer un posicionamiento horizontal de la válvula para
poder ser evaluada, ver figura 28.
Figura 28. Posicionamiento horizontal.
3.7.3.1 Ventajas posición horizontal
- De ser necesario se puede aprovechar y conectar válvulas en serie para
aprovechar el tiempo en las pruebas, la norma API no contiene ninguna
restricción en cuanto al ensamble en serie de válvulas.
- Se genera una mayor comodidad al momento de realizar el montaje de el
o los elementos para que estos sean evaluados
64
3.7.3.2 Desventajas posición horizontal
- Se necesita de más espacio para aplicar este diseño
- Es necesario diseñar elementos longitudinales que brinden estabilidad al
momento del cierre del banco de pruebas hidrostáticas
3.7.4 ALTERNIVA 3 POSICIÓN MIXTA (HORIZONTAL-VERTICAL)
Este diseño brinda la posibilidad de posicionar a la válvula de manera
vertical u horizontal para la realización de la prueba hidrostática, ver figura
29.
Figura 29. Posicionamiento mixto.
3.7.4.1 Ventajas posición (horizontal-vertical)
- Brinda la oportunidad de ajustar el posicionamiento tanto vertical como
horizontal de la válvula
3.7.4.2 Desventajas posición (horizontal-vertical)
- El diseño se limita a probar una válvula
- El diseño de este soporte se vuelve más complejo
- El costo de fabricación aumenta
65
3.7.5 EVALUACIÓN Y SELECCION DE ALTERNATIVAS PARA EL
MÓDULO 4
Los criterios que se seleccionaron para determinar la alternativa más
adecuada para el módulo 2 son:
- Facilidad de construcción
- Costo
- Seguridad
- Mantenimiento
La evaluación de los criterios se encuentran en las tablas 23 a 27.
Tabla 23. Evaluación del peso específico de cada criterio Modulo 4.
Tabla 24. Evaluación de las alternativas respecto a la facilidad de construcción
Facilidad de
construcción Costo Seguridad Mantenimiento ∑+ 1 Ponderación
SUMA 9.5 1
CRITERIO
Facilidad de
construccion0 0 0.5 1.5 0.16
Costo 1 0.5 1 3.5 0.37
Seguridad > Tiempo de puesta a punto = Número de operarios > Complejidad
0.37
Mantenimiento 0 0 0 1 0.11
Seguridad 1 0.5 1 3.5
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 6 1
Facilidad de
construcción
Alternativa 1 0 1 2 0.33
Alternativa 3 0 0 1 0.17
Alternativa 2 1 1 3 0.50
Alternativa 3 > Alternativa 1 > Alternativa 2
66
Tabla 25. Evaluación de las alternativas respecto al costo.
Tabla 26. Evaluación de las alternativas respecto a la seguridad.
Tabla 27. Evaluación de las alternativas respecto al mantenimiento.
Tabla 28. Tabla de conclusiones de selección para el módulo 4.
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 6.5 1
Alternativa 2 1 1 3 0.46
Costo
Alternativa 1 0.5 1 2.5 0.38
Alternativa 3 > Alternativa 2 > Alternativa 1
Alternativa 3 0 0 1 0.15
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 7 1
Seguridad
Alternativa 1 0.5 0.5 2 0.29
Alternativa 3 0.5 0.5 2 0.29
Alternativa 2 1 1 3 0.43
Alternativa 3 > Alternativa 2 = Alternativa 1
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 ∑+ 1 Ponderación
SUMA 7 1
Alternativa 2 1 1 3 0.43
Mantenimiento
Alternativa 1 1 1 3 0.43
Alternativa 3 = Alternativa 2 > Alternativa 1
Alternativa 3 0 0 1 0.14
Facilidad de
construcciónCosto Seguridad Mantenimiento ∑ PrioridadCRITERIO
Alternativa 1 0.33*0.26 017.*0.26 029.*0.37 0.16*0.11 0.2549
1.00Alternativa 3 0.50*0.26 0.50*0.26 0.42*0.37 0.42*.011 0.4616
3.00
Alternativa 2 0.17*0.26 0.33*0.26 0.29*0.37 0.42*.011 0.2835 2.00
67
3.8 RESULTADOS Y CONCLUSIONES DEL DISEÑO
CONCEPTUAL
Una vez concluido el proceso de selección de alternativas para cada módulo
es necesario enfocarse en una visión global del producto parar tener una
idea concreta de lo que se desea diseñar y construir para poder brindar un
conjunto de especificaciones con fundamento técnico las cuales darán forma
al equipo.
- El módulo 1 propone utilizar como medio para el montaje de las válvulas
el montacargas de la empresa.
- El módulo 2 propone que el método parar realizar el cierre de las válvulas
sea mediante un tornillo de potencia.
- El módulo 3 corresponde al sistema de pruebas para lo cual se
selecciona cada uno de sus componentes como lo son elementos de
control y la instrumentación adecuada, el desarrollo de esta parte se
realizara en el siguiente capítulo junto a los cálculos de validación de las
diferentes partes del equipo.
- Para el módulo 4 se ha seleccionado montar las válvulas de manera
horizontal al momento de realizar las pruebas hidrostáticas para lo cual el
diseño del soporte debe permitir colocar ambos tipos de válvulas de la
manera seleccionada.
3.9 MÉTODO DE PRUEBAS
Se detalla el proceso para realizar pruebas hidrostáticas a válvulas de
compuerta de acuerdo al procedimiento de la empresa.
3.9.1 LIMPIEZA
El o los elementos a probarse deben estar completamente limpios y
debidamente lubricados según se requiera, antes de iniciar con la prueba.
68
3.9.2 IDENTIFICACIÓN
Se debe identificar el número de parte y el número de serie del equipo para
comenzar a llenar el reporte de prueba hidrostática así como saber a qué
presión se va probar el equipo.
3.9.3 CHEQUEO DE EQUIPOS DE MEDICIÓN
El departamento de control de calidad deberá verificar que el equipo con el
que se realizará la prueba hidrostática este calibrado. Además de cumplir
con todo lo especificado en la norma API 6A en sus enunciados 7.2.2.1 y
7.2.2.2 (American Petroleum Institute, 2011).
3.9.4 SELLADO Y ENSAMBLE
Se debe asegurar que el o los equipos a probarse estén correctamente
sellados, queriendo decir con esto que las conexiones bridadas deber estar
correctamente apretadas, para esto se procede a colocar una brida ciega en
un extremo y una brida que tenga puerto de prueba en el otro, para poder
inyectar presión
3.9.5 CONEXIONES
Antes de realizar la prueba se debe verificar el estado de las conexiones,
buscando con esto cualquier tipo de desperfecto o deterioro, comenzando
desde los ingresos de agua y aire al sistema de inyección, pasando por el o
los manómetros, todas las líneas de alta y baja presión terminando en la
línea de drenaje.
3.9.6 PRUEBA
Un representante del departamento de control de calidad deberá presenciar
la prueba completa. El fluido que se utilizará será agua fría con un aditivo
69
anticorrosión, además todas las superficies externas del o los equipos deben
estar completamente secas y limpias, la temperatura del líquido de prueba
no debe exceder los 125 grados centígrados (Valveworks, 2013).
3.9.7 REGISTRO DE DATOS DE LAS PRUEBAS HIDROSTÁTICAS.
Para poder validar y certificar el trabajo realizado en las válvulas, se debe
emitir un documento en el cual se registran los valores obtenidos de las
pruebas que incluyen presiones de trabajo, tiempo de la duración de cada
ciclo de prueba, además los datos del elemento sometido a prueba con su
respectivo diagrama y los datos del cliente.
Todo esto es un requerimiento obligatorio en el procedimiento de la
normativa API 6A que se valida con la firma de un representante del
Departamento de Calidad Ver anexo 5.
80
4. DISEÑO
70
4.1 MÓDULO 1: MÓDULO DE POSICIONAMIENTO DEL
EQUIPO A EVALUAR
De acuerdo a la alternativa seleccionada en el capítulo anterior se determina
que no es necesario realizar ningún cálculo bajo ningún parámetro en
especial, ya que la función principal es la de posicionar las válvulas en el
lugar de pruebas, esto como ya se indicó se realiza mediante el
montacargas de la empresa.
Figura 30. Circuito hidráulico para banco de pruebas.
4.2 MODULO 2: MÓDULO DE CIERRE
Para el diseño mecánico de los diferentes componentes del módulo de cierre
se debe tomar en cuenta ciertas dimensiones normadas como lo son los
espesores de las bridas a utilizar, la distancia entre bridas de las válvulas y
su altura tanto de 3-1/8 5000 PSI como de 2-1/16 5000 PSI, todas estas
dimensiones se encuentran en la norma API 6A en distintas tablas las cuales
servirán de guía para el diseño mecánico del prototipo.
71
El acero utilizado para fabricar las diferentes partes corresponde a las
nomenclaturas AISI 4140 y ASTM A36, se utiliza la resistencia a la fluencia
de ambos materiales de acuerdo a los certificados brindados por el
proveedor para realizar los distintos cálculos a lo largo de este capítulo.
Resistencia a la fluencia AISI 4140 = 100 [Ksi] ver anexo 10.
Resistencia a la fluencia ASTM A36 = 36[Ksi] ver anexo 11.
4.2.1 CIRCUITO HIDRÁULICO ACCIONADO POR AIRE PARA PRUEBAS
HIDROSTÁTICAS.
Es necesario comprender como trabaja la parte hidráulica, en la figura 30 se
establece el accionamiento de la bomba de presión basados en el circuito
descrito, la misma que necesita el constante suministro de aire a 100 psi el
cual se obtiene de la red instalada en los talleres de la empresa y fluido de
prueba, agua y aceite soluble.
4.2.2 PRESIÓN DE PRUEBA Y FUERZA DE CIERRE NECESARIA
La presión máxima de prueba por norma para cualquiera de los dos tipos de
válvulas es de 7500 psi ver tabla 2, con este dato y el área sobre la cual
actúa esta presión en las bridas se puede determinar la fuerza de cierre
necesaria para mantener los elementos sellados.
Se tiene dos diámetros nominales de trabajo de acuerdo a las válvulas con
las que se va a trabajar:
Válvulas de 3-1/8 D1 3.125 [in]
Válvulas de 2-1/16 2D 2.0625 [in]
De acuerdo a la ecuación
72
4
DπPAPF
2
MaxMaxBrida [2]
Donde:
BridaF Fuerza que actúa sobre las bridas y placas de cierre.
maxP Presión de prueba 7500 [psi].
A Área efectiva de válvula [in].
D Diámetro nominal de válvula [in].
Resolviendo la ecuación [2] se obtiene que para 1D la fuerza necesaria es
57524,27 [lbf] y para 2D la fuerza es 25057.57 [Lbf], por lo tanto requiere
que los elementos críticos a diseñar del sistema de cierre soporten al menos
57524,27 [lbf] para mantener sellada la válvula durante el proceso de prueba
por lo que se establece una fuerza de 60000 [lbf].
4.2.3 CÁLCULO DE LOS PASADORES
Es necesario realizar el cálculo de los pasadores que servirán para sostener
las válvulas entre las bridas de prueba y las placas de sujeción a lo largo de
las perforaciones en las barras guías permitiendo realizar ajustes en
diferentes puntos según el tipo y la cantidad de válvulas a probar. Los
pasadores también serán fabricados en acero AISI 4140, este diseño se lo
realiza al cortante, adicional se utilizará un factor de seguridad de 2,5
recomendado por API 6A, ver figura 31 (American Petroleum Institute, 2011)
Se calcula el esfuerzo máximo permisible para el pasador.
FS
SsyPermisible τ [3]
73
Donde 0.5sySsy resistencia a la fluencia del material al cortante
2.5
Ksi 50Permisible τ
Ksi20Permisible τ
Figura 31. Pasador
Utilizando la fórmula del esfuerzo cortante para una sección circular se
calcula el diámetro de los pasadores.
3A
4Vτ
[4]
4
D 3
lbf 150004Ksi 20
2
π
2in 14
D
74
in 1.128D
De acuerdo a la ecuación [4] despejando el diámetro se requiere diseñar un
pasador cilíndrico de al menos 1.128 [in] y longitud de 3.175 [in].
4.2.4 CÁLCULO DE LAS BARRAS GUÍA LATERALES
El diseño propone cuatro barras laterales que servirán de guías para las
placas de soporte, además estas barras tendrán perforaciones en distintos
puntos por donde se ubicaran los pasadores parar brindar un anclaje
adecuado para la cantidad de válvulas, como medio de fijación la barra
contara con una rosca de apriete contra la placa de anclaje, ver figura 32.
Figura 32. Detalle de rosca de guía lateral
Estas barras estarán sometidas a la tracción producida por la fuerza de
prueba máxima equivalente a 15000 [lbf] para cada guía.
Cálculo para el diámetro mínimo de 1.22 [in] con el que consta la barra que
es el mecanizado para la salida de la rosca de 1-3/8, con la ecuación [5] se
determina el área.
75
4
DxA
2
[5]
4
1.22[in]xπA
2
in 1.17A 2
Cálculo del esfuerzo normal en la barra.
A
Fσ
]in [ 1.17
] Lbf [ 15000σ
2
Ksi 12.82σ
Factor de seguridad de la barra para determinar su factibilidad.
σ
Sy FS [6]
[Ksi] 12.82
[Ksi] 100 FS
7.81 FS
Resolviendo la ecuación [6] se obtiene un factor de seguridad de 7.8 por lo
que el elemento soportara sin ningún problema la tracción ejercida por la
presión de prueba máxima y se corrobora en el análisis CAE ver figura 36,
del elemento.
Debido al diámetro de los pasadores se elige una barra de acero de 1.5 [in]
de diámetro para que las perforaciones no comprometan la integridad de
esta.
76
Se realiza un análisis de elementos finitos para verificar los esfuerzos
producidos en las zonas perforadas de las guías.
Figura 33.Análisis CAE de guía lateral
Realizado el análisis se comprueba que el factor de seguridad en las
perforaciones para los pasadores es de 2.31 pulgadas con lo cual se puede
trabajar sin problema, ver figura 33.
4.2.4.1 Calculo en rosca 1-3/8 6TPI UNC en guía lateral
Se aplica la ecuación [7] parar determinar el área de la rosca sometida al
esfuerzo de tensión.
2
pr
2
DD
4
πA
[7]
Donde:
in 1.375D
77
6N Número de hilos por pulgada.
rD Diámetro menor mínimo de la rosca.
pD Diámetro mínimo de paso de la rosca.
Diámetro menor mínimo de la rosca.
0.649519 = constante para calcular el diámetro menor mínimo de rosca
(Norton, 1999).
in 1.266 N
0.649519-DDr [8]
Diámetro mínimo de paso de la rosca.
1.299038 = constante para calcular el diámetro mínimo de paso de la rosca
(Norton, 1999).
in 1.158 N
1.299038-DDp [9]
Con los datos obtenidos de [8] y [9] se aplica en [7].
2
2
in 1.158in 1.266
4
πA
in 1.154A 2
Con el área obtenida se calcula el esfuerzo generado y el factor de
seguridad.
78
A
Fσ
] in [ 1.154
] Lbf [ 15000σ
2
Ksi 13σ Esfuerzo normal generado en la rosca 1-3/8 6TPI UNC para las
guías laterales.
σ
Sy FS
[Ksi] 13
[Ksi] 100FS
7.69FS
Para la rosca UNC de las guías laterales se obtiene un factor de seguridad
de 7.69 lo cual brinda un margen lo suficientemente grande para poder
trabajar.
4.2.5 TORNILLO DE POTENCIA
El tornillo de potencia debe ser diseñado para ofrecer una resistencia a la
fuerza de empuje provocada por la presión de prueba máxima, este es el
elemento principal de apriete el cual ajustara las válvulas contra las bridas
de prueba y las placas de soporte, se propone la fabricación de una rosca
ACME 2-4TPI para la tracción como se muestra en la figura 34.
De la misma manera que la rosca UNC se aplica la ecuación [7] para
calcular el área sometida al esfuerzo.
Donde:
in 2 D
79
4N Número de hilos por pulgada.
rD Diámetro menor mínimo de la rosca.
pD Diámetro mínimo de paso de la rosca.
Diámetro menor mínimo de la rosca.
0.649519 = constante para calcular el diámetro menor mínimo de rosca
(Norton, 1999).
in 1.837 N
0.649519-DD r
Diámetro mínimo de paso de la rosca.
1.299038 = constante para calcular el diámetro mínimo de paso de la rosca
(Norton, 1999).
in 1.675 N
1.299038-DDp
Con los datos obtenidos de [8] y [9] se aplica en [7].
2in 2.42A
Con el área obtenida se calcula el esfuerzo generado y el factor de
seguridad.
Ksi 24.78 σ Esfuerzo normal generado en la rosca
4.037 FS
80
El valor del factor de seguridad calculado es de 4.03 por lo que el elemento
no tendrá problemas al momento de trabajar.
Figura 34. Tornillo de potencia
4.2.6 TUERCA PARA TORNILLO DE POTENCIA
A través de esta tuerca pasara el tornillo de potencia para brindar la
resistencia a la tracción que supone presurizar las válvulas, se calcula la
resistencia de la rosca ACME 2-4TPI que se barre en su diámetro mayor el
diagrama se muestra en la figura 35.
Área del cortante de una rosca de tornillo está dada en la ecuación [10].
pπdwA oS
[10]
Donde:
in 2d Diámetro de rosca
81
ow 0.63 factor para el área del cortante de barrido de rosca (Norton, 1999)
in 0.25p Paso de rosca
2
S in 0.99 A
Se aplica la ecuación [11] para calcular el esfuerzo generado en la rosca.
s
SA
F τ
[11]
2Sin 0.99
Lbf 60000 τ
Ksi 60.60 τS
Figura 35. Tuerca para tornillo de potencia
Factor de seguridad
σ
Sy FS
82
[Ksi] 60.63
[Ksi] 100FS
1.657 FS
4.2.7 DISEÑO DE PLACAS
Para validar la factibilidad del diseño de las placas que conforman el
prototipo se realizó un análisis CAE de elementos finitos, con esto se
garantiza la correcta funcionalidad de estos elementos simulando su trabajo
con la mayor carga posible aplicada. Las planchas utilizadas para la
fabricación de las placas son de acero ASTM- A36.
4.2.7.1 Diseño de placa de soporte fija
Las placas de soporte fija está situada en el extremo del banco de pruebas
hidrostáticas como su nombre lo indica esta es fija en la cual se apoyarán las
barras guía laterales ajustadas con una tuerca cada una, las bridas de unión
entre placas y la placa ajustable el diagrama de cargas se visualiza en la
figura 36, los apoyos se muestran en azul y la carga en amarillo.
Figura 36. Ubicación de cargas y restricciones en placa de soporte
83
El tornillo de potencia que brindará el apriete de sujeción pasara por una de
estas placas a través de una brida roscada.
Figura 37. Análisis CAE placa de soporte fija
El valor del factor de seguridad mínimo calculado en el análisis de elementos
finitos es de 5.01 por lo que el elemento no tendrá problemas al momento de
trabajar con las fuerzas que se requiere ver figura 37.
4.2.7.2 Diseño de placa de anclaje
Esta placa no soportara cargas por lo que no es necesario realizar ningún
cálculo sobre esta, solo servirá como apoyo, ver figura 41.
4.2.7.3 Diseño de placa ajustable
Esta placa será la encargada de movilizarse a través de las barra guía y su
ajuste se realizará de acuerdo al número de válvulas a probar mediante los
84
pasadores utilizados a manera de tranca la figura 38 indica la ubicación de la
carga y restricciones en esta placa.
Figura 38. Placa ajustable
Servirá para apretar las válvulas entre sí con las bridas de prueba y recibirá
su soporte del tornillo de potencia y una brida retenedora.
Figura 39. Ubicación de cargas y restricciones en placa ajustable.
85
La figura 40 muestra el análisis cae del valor del factor de seguridad mínimo
calculado en el análisis de elementos finitos es de 2.49 por lo que el
elemento no tendrá problemas al momento de trabajar con las fuerzas que
se requiere.
Figura 40. Análisis CAE placa ajustable
4.2.8 DISEÑO DE BRIDAS DE PRUEBA
Los parámetros para diseñar las bridas de prueba que se situaran entre las
válvulas y las placas de soporte se toman de la norma API 6A en su tabla
B.51 Ver anexo 2 y de la misma manera los ring grooves de la tabla B.63 Ver
anexo 3, el tipo de material para su fabricación corresponde al acero AISI
4140 (American Petroleum Institute, 2011).
4.2.8.1 Bridas de unión entre válvulas
Se propone un diseño de las bridas en el cual estén mecanizados ambos
ring grooves como se muestra en la figura 41, tanto el R24 para válvulas de
86
2-1/16 5000 psi y el R35 para las válvulas 3-1/8 5000 psi, con esto se
optimiza el uso de material para la fabricación de las mismas.
Al variar el diseño de la norma en cuanto al diámetro exterior y la fabricación
de dos ring grooves se procede a realizar el análisis de elementos finitos de
los elementos diseñados para asegurar su correcto funcionamiento. Se
deben fabricar dos bridas de este tipo.
Figura 41. Brida de unión entre válvulas
La figura 42 muestra en análisis CAE se obtiene un valor mínimo de 2,87 e
indica que el diseño es seguro para el tipo de carga que debe soportar.
Figura 42. Análisis CAE brida de unión entre válvulas
87
4.2.8.2 Brida retenedora
Se deben fabricar dos bridas de este tipo una será la encargada de
acoplarse a la placa ajustable y la otra al tornillo de potencia, estas son
ciegas lo que quiere decir que no tiene mecanizado un diámetro interno, de
la misma manera lleva los dos tipos de ring groove ver figura 43.
Figura 43. Brida retenedora
Figura 44. Análisis CAE brida retenedora
88
La figura 44 muestra en análisis CAE de la brida retenedora, se obtiene un
valor mínimo de 4.06 e indica que el diseño es seguro.
Figura 45. Soporte de Válvulas
4.2.9 SOPORTE DE VÁLVULAS
Se realiza un diseño cóncavo con el cual se puedan asentar las bridas de las
válvulas durante los ciclos de prueba, este elemento posee dos
perforaciones por las cuales pasaran dos barras que servirán para alinear
los equipos, ver figura 45.
Figura 46. Ensamble con tres válvulas de 2-1/16
89
Una vez dimensionados todos los elementos mecánicos del banco de
pruebas hidrostáticas se realiza el ensamble para los dos tipos de válvulas
como se muestra en las Figuras 46 y 47.
Figura 47. Ensamble con tres válvulas de 3-1/8
En la figura 48 se muestra el desglose de los componentes que conforman el
banco de pruebas de presión.
Figura 48. Desglose de componentes del banco de pruebas
90
4.3 MÓDULO 3: MÓDULO DE PRUEBA Y EVALUACIÓN
Con todos los elementos de control seleccionados los cuales serán utilizados
en las diferentes etapas de automatización de la máquina, se debe proceder
a desarrollar toda la secuencia lógica de programación del PLC el cual será
el encargado de controlar el proceso para el correcto funcionamiento del
proyecto.
4.3.1 PROGRAMACIÓN DEL PLC
Para la programación del PLC se utilizará el software de siemens Logo Soft
Comfort. Antes de iniciar con el desarrollo de la programación se debe hacer
un análisis del proceso y de las variables a utilizar, esto con la finalidad de
evitar errores para un correcto funcionamiento del sistema.
4.3.1.1 Diagrama grafcet
Para tener una idea global de este módulo en cuanto a que partes se deben
automatizar se realiza un diagrama Grafcet ver anexo 4, para esto se debe
tomar en cuenta el diseño mecánico y los requerimientos de control para así
establecer el comportamiento de la máquina.
Una vez determinado como se desea que el equipo trabaje se procede al
diseño del sistema de control del equipo.
De acuerdo a nuestro diagrama se determina que se debe controlar los
siguientes puntos:
- Se debe realizar el programa para pruebas PSL1.
- Válvula de paso de aire.- es la encargada de permitir el paso de aire
hacia la bomba multiplicadora de presión.
91
- Válvula de desfogue.- es la encargada de liberar la presión y permitir la
recirculación del líquido de prueba.
- Presión del sistema.- es la presión medida en el manómetro la cual es la
referencia y que no debe bajar del 5% de su valor nominal. Enunciado
F.1.10.
- Tiempo de cada prueba.- de acuerdo a la norma API 6A debe de ser de
al menos 3 minutos. Enunciado 7.4.9.3.3 literal a y 7.4.9.3.5.
- Numero de ciclos de prueba.- de acuerdo a la norma API 6A deben
cumplirse dos ciclos. Minutos. 7.4.9.3.3 literal a y 7.4.9.3.5.
Tomando como referencia el diagrama grafcet y la tabla 18 el proceso se
realizará de la siguiente manera.
1) Inicio del sistema.
2) Establecer selección automática.
3) Selección de tipo de prueba 5000 psi o 7500 psi.
4) Pulsador de paso de aire dará inicio a la prueba.
5) Sensar la presión hasta llegar al límite de prueba seleccionado.
6) Cerrar el paso de aire.
7) Contabilizar tres minutos, durante este lapso de tiempo se debe cumplir
el enunciado F.1.10 de la API 6A.
8) Abrir el paso de aire.
9) La presión debe bajar totalmente.
10) Reiniciar el ciclo de bombeo de presión automáticamente luego de 10
segundos.
11) Sensar la presión hasta llegar al límite de prueba seleccionado.
12) Cerrar el paso de aire.
13) Contabilizar tres minutos, durante este lapso de tiempo se debe cumplir
el enunciado F.1.10 de la API 6A.
14) Abrir el paso de aire.
Además se debe considerar los siguientes puntos.
92
- El indicador de inicio de prueba debe alertar al personal que se está
presurizando las válvulas.
- Si la prueba no es exitosa en cualquiera de sus ciclos, el programa debe
de hacer las repeticiones hasta que esta se complete de manera
correcta.
- La prueba de cuerpo a 7500 psi se realizara en serie a todas las válvulas.
- Cada luz indicara cual válvula ha pasado la prueba satisfactoriamente.
- El pulsador de emergencia debe activar el desfogue para despresurizar
completamente el sistema.
4.3.1.2 Desarrollo del software
Para dar inicio al sistema se programa la tecla F1 de la pantalla Logo TD
HMI como el ON/OFF figura 53 la cual al activarse encenderá la alerta de
inicio de prueba para el personal de planta, para desactivar el sistema se
conecta un interruptor de emergencia en la entrada I1 y F4 será el
encargado de dar el inicio del bombeo hacia las válvulas cada vez que se
requiera, ver figura 49.
Figura 49. Pantalla de inicio
93
Figura 50. Desarrollo de software ON/OFF
Se procede a desarrollar la parte de selección del tipo de prueba a realizar
para lo cual la tecla F2 se programa como prueba de 5000 psi y la tecla F3
para 7500 psi, ver figura 50.
Figura 51. Desarrollo de software selección de prueba
Se desarrolla la parte que controlará las pruebas de compuerta a 5000 psi
añadiendo una entrada analógica la cual servirá para setear al sensor de
presión, ver figura 51.
94
Figura 52. Desarrollo de software prueba a 5000 psi
Programando los dos ciclos de tres minutos cada uno y desplegando un
mensaje en la pantalla de logo TD una vez se haya cumplido exitosamente
para cada válvula, ver figura 53.
Figura 53. Pantalla prueba exitosa 5000 psi
De igual manera se desarrolla la parte que controlara las pruebas de cuerpo
a 7500 psi, ver figura 54.
95
Figura 54. Pantalla prueba exitosa 7500 psi
Se programa los dos ciclos de tres minutos cada uno y desplegando un
mensaje en la pantalla de logo TD una vez se haya cumplido exitosamente
la prueba. Ver figura 55.
Figura 55. Pantalla prueba exitosa 7500 psi.
96
4.4 FABRICACIÓN
El mecanizado de los diferentes componentes se llevó a cabo en la planta de
Válvulas del Pacifico S.A en la ciudad de Quito, se contó con la colaboración
de todo el personal del área de producción aplicando su conocimiento a la
hora de mecanizar los diferentes componentes en los tornos, taladros
radiales, fresadora, CNC y sierra semiautomática.
4.4.1 ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS
Antes de comenzar con el montaje de la maquina se realizó una verificación
dimensional de las piezas mecanizadas a manera de control de calidad para
validar la concordancia de medidas con los planos emitidos a los diferentes
técnicos y de esta manera evitar problemas en el ensamble.
Una vez realizado este control y aprobadas todas las piezas se procede a
armar el banco de pruebas hidrostáticas como se muestra en la figura 59.
Realizado el ensamble se procede a ubicar la maquina en el área designada
para pruebas hidrostáticas dentro de la planta la cual consta con un bunker
para protección de los operadores.
Figura 56. Ensamble del banco de pruebas hidrostáticas.
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
97
5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
El banco de pruebas hidrostáticas opera a través de un circuito hidráulico
que es controlado de manera automática por el PLC, este ha sido
programado para cumplir las especificaciones de validación de pruebas
hidrostáticas que exige la API 6A, las válvulas de paso de aire y desfogue
son los principales elementos de control estos deben trabajar cumpliendo los
ciclos establecidos al momento de aumentar y liberar la presión. El sistema
de control se diseñó para realizar dos tipos de prueba tanto a 5000 psi y a
7500 psi.
La máquina tiene una capacidad máxima para montar tres válvulas en serie
de iguales características al mismo tiempo ya sean estas de 2-1/16 5000 psi
o 3-1/8 5000 psi.
El funcionamiento adecuado del banco de pruebas hidrostáticas depende de
la hermeticidad con la cual las válvulas son evaluadas, un sistema con fugas
o con un mal sello en las juntas anulares no podrá realizar una evaluación y
validación adecuada, es necesario realizar algunas pruebas para verificar su
desempeño.
5.1.1 VALIDACIÓN DE PRUEBA HIDROSTÁTICA
Se debe verificar que el control aplicado a la presión de prueba y al tiempo
establecido se cumple de manera satisfactoria y así tener una evaluación
confiable de los elementos para que posteriormente estos puedan ser
validados y ensamblados en los distintos equipos para la entrega al cliente
final.
Para esto es necesario referirse a las gráficas obtenidas con el manómetro
digital de presión vs tiempo con lo cual se puede comprobar que la máquina
98
trabaja de manera adecuada o de ser necesario realizar algún ajuste en el
sistema de control.
5.1.1.1 Prueba hidrostática de cuerpo a válvulas 3-1/8
La prueba de cuerpo a 7500 psi se realizó a tres válvulas de válvulas 3-1/8
5000 psi ensambladas en serie con sus compuertas abiertas siguiendo
todas las instrucciones dadas por Válvulas del Pacifico S.A en sus
procedimientos.
Una vez concluido la prueba se obtuvieron las siguientes gráficas.
Figura 57. Prueba hidrostática 7500 PSI 3-1/8
La figura 57 muestra la prueba de presión de cuerpo realizada a válvulas de
3-1/8 esta requiere como mínimo 7500 psi, el periodo de bombeo inicia hasta
alcanzar los 7738 psi en el minuto 1:37 hasta el 4:37 en el cual se cumplen 3
minutos y la presión cae hasta los 7625 psi, como resultado la diferencia de
estos valores en este lapso de tiempo es de 113 psi.
0500
100015002000250030003500400045005000550060006500700075008000
0:0
0:0
1
0:0
0:2
1
0:0
0:4
1
0:0
1:0
1
0:0
1:2
1
0:0
1:4
1
0:0
2:0
1
0:0
2:2
1
0:0
2:4
1
0:0
3:0
1
0:0
3:2
1
0:0
3:4
1
0:0
4:0
1
0:0
4:2
1
0:0
4:4
1
0:0
5:0
1
0:0
5:2
1
0:0
5:4
1
0:0
6:0
1
0:0
6:2
1
0:0
6:4
1
0:0
7:0
1
0:0
7:2
1
0:0
7:4
1
0:0
8:0
1
0:0
8:2
1
0:0
8:4
1
0:0
9:0
1
Pre
sió
n [
psi
]
Tiempo [min]
Válvula 3-1/8 7500 psi
99
Luego la presión debe caer hasta 0 psi para iniciar un nuevo ciclo de
bombeo en el cual al minuto 6:02 la presión alcanza los 7720 psi hasta el
minuto 9:02 cuando la presión ha caído hasta los 7611 obteniendo una
diferencia de 109 psi, en ambos casos los ciclos han sido de 3 minutos con
una diferencia de caída de presión que es aceptada de acuerdo al
requerimiento de API 6A en su enunciado F.1.6.3.
Mediante una inspección visual no se encontraron fugas de líquido de
prueba en las válvulas con lo que se determina que la prueba de cuerpo es
exitosa.
- No se visualizan caídas abruptas de presión.
- La presión no cayó por debajo del nivel mínimo de prueba
- Antes de pasar al segundo ciclo, el sistema se despresurizó hasta 0 psi
cumpliendo con AP 6A enunciados 7.4.9.3.3 y 7.4.9.3.5
- Los picos de presión fueron de 7738 psi y 7720 psi
- Es normal que exista una ligera caída de presión, esto se debe a la
arquitectura interna de la válvula la cual contiene un ensamble interno
con diferentes componentes rodeados de grasa, esta a su vez acumula
bolsas de aire en su interior.
- La presión bombeada se debe mantener por encima del mínimo de
presión requerido, en este caso 7500 psi.
5.2.1.2 Prueba hidrostática de compuerta a válvulas 3-1/8 5000 psi
La prueba de compuerta a 5000 psi se realiza de manera individual por lo
que es necesario ir cerrando y abriendo las compuertas conforme avanza
cada válvula.
La figura 58 muestra la primera prueba hidrostática de compuerta individual
a una válvula de 3-1/8 5000 psi, el periodo de bombeo inicia hasta alcanzar
los 5084 psi en el minuto 1:28 hasta el 1:58 en el que la presión cae hasta
los 4994 psi, por lo cual bajo del límite mínimo y tienen que volver a abrirse
100
la válvula de paso de aire alcanzando los 5124 psi en el minuto 2:02 hasta
culminar el primer ciclo en 5029 psi en 5:02 la presión baja a 0 psi y se
comienza un nuevo ciclo de bombeo alcanzando los 5018 psi en 6:00
minutos hasta culminar la prueba a los 9:00 con 5007 psi para luego abrir el
desfogue y dejar despresurizada la válvula.
Figura 58. Prueba hidrostática #1 5000 PSI 3-1/8
En esta prueba se cierra la compuerta de la primera válvula y las siguientes
dos se mantienen abiertas.
- En el primer ciclo la presión cayó por debajo del nivel mínimo de prueba
hasta los 4994 psi, esto se debe a la configuración interna de la válvula la
cual contiene grasa y otras empaquetaduras que acumulan aire
- El sistema de control elevó nuevamente la presión para para recomenzar
la validación
- Antes de pasar al segundo ciclo, el sistema se despresurizó hasta 0 psi
cumpliendo con AP 6A enunciados 7.4.9.3.3 y 7.4.9.3.5
- Los picos de presión fueron de 5084 psi y 5124 psi
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
0:0
0:0
2
0:0
0:2
2
0:0
0:4
2
0:0
1:0
2
0:0
1:2
2
0:0
1:4
2
0:0
2:0
2
0:0
2:2
2
0:0
2:4
2
0:0
3:0
2
0:0
3:2
2
0:0
3:4
2
0:0
4:0
2
0:0
4:2
2
0:0
4:4
2
0:0
5:0
2
0:0
5:2
2
0:0
5:4
2
0:0
6:0
2
0:0
6:2
2
0:0
6:4
2
0:0
7:0
2
0:0
7:2
2
0:0
7:4
2
0:0
8:0
2
0:0
8:2
2
0:0
8:4
2
0:0
9:0
2
0:0
9:2
2
Pre
sió
n [
psi
]
Tiempo [min]
Válvula 3-1/8 5000 psi
101
La figura 59 muestra la segunda prueba hidrostática de compuerta individual
a una válvula de 3-1/8 5000 psi, el periodo de bombeo inicia hasta alcanzar
los 5243 psi en el minuto 00:54 hasta culminar el primer ciclo en 5100 psi en
3:54, la presión baja a 0 psi y se comienza el último ciclo de bombeo
alcanzando los 5147 psi en 4:48 minutos hasta culminar la prueba a los 7:8
con 5083 psi para luego abrir el desfogue y dejar despresurizada la válvula.
En esta prueba se cierra la compuerta de la válvula del medio y la primera y
la última se mantienen abiertas.
- No se visualizan caídas abruptas de presión.
- La presión nunca bajo por debajo del nivel mínimo
- Antes de pasar al segundo ciclo, el sistema se despresurizó hasta 0 psi
cumpliendo con AP 6A enunciados 7.4.9.3.3 y 7.4.9.3.5
- Los picos de presión fueron de 5243 psi y 5147 psi
Figura 59. Prueba hidrostática #2 5000 PSI 3-1/8
La figura 60 muestra la última prueba hidrostática de compuerta individual a
una válvula de 3-1/8 5000 psi, el periodo de bombeo inicia hasta alcanzar los
5176 psi en el minuto 1:10 hasta culminar el primer ciclo en 5063 psi en
0500
10001500200025003000350040004500500055006000
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2
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4:1
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0:0
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2
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7:5
0
Pre
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n [
psi
]
Tiempo [min]
Válvula 3-1/8 5000 psi
102
4:10, la presión baja a 0 psi y se comienza el último ciclo de bombeo
alcanzando los 5223 psi en 5:28 minutos hasta culminar la prueba a los 8:28
con 5121 psi para luego abrir el desfogue y dejar despresurizada la válvula.
Figura 60. Prueba hidrostática #3 5000 PSI 3-1/8
En esta prueba se cierra la compuerta de la última válvula y las anteriores
dos se mantienen abiertas.
- No se visualizan caídas abruptas de presión.
- Cuando la presión cayó por debajo del nivel mínimo de prueba, el
sistema de control la elevó nuevamente para recomenzar el ciclo.
- Antes de pasar al segundo ciclo, el sistema se despresurizó hasta 0 psi
cumpliendo con AP 6A enunciados 7.4.9.3.3 y 7.4.9.3.5
- Los picos de presión fueron de 5176 psi y 5223 psi
- Es común que exista una ligera caída de presión, esta se debe mantener
por encima del mínimo de presión requerido en este caso 5000 psi.
0
500
1000
1500
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2
Pre
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n [
psi
]
Tiempo [min]
Válvula 3-1/8 5000 psi
103
5.2.1.3 Prueba hidrostática cuerpo válvulas 2-1/16
La prueba de cuerpo a 7500 psi de las válvulas se lo realiza en serie
abriendo todas las compuertas, de igual manera que la realizada a las de 3-
1/8.
Figura 61. Prueba hidrostática 7500 PSI 2-1/16
La figura 61 muestra la prueba de presión de cuerpo realizada a válvulas de
2-1/16 esta requiere como mínimo 7500 psi, el periodo de bombeo inicia
hasta alcanzar los 7716 psi en el minuto 1:28 hasta el 4:28 en el cual se
cumplen 3 minutos y la presión cae hasta los 7587 psi, como resultado la
diferencia de estos valores en este lapso de tiempo es de 129 psi.
Luego la presión debe caer hasta 0 psi para iniciar un nuevo ciclo de
bombeo en el cual al minuto 5:38 la presión alcanza los 7710 psi hasta el
minuto 8:38 cuando la presión ha caído hasta los 7625 obteniendo una
diferencia de 85 psi, en ambos casos los ciclos han sido de 3 minutos con
una diferencia de caída de presión que es aceptada de acuerdo al
requerimiento de API 6A en su enunciado F.1.6.3, esta prueba es
considerada válida.
0500
100015002000250030003500400045005000550060006500700075008000
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Tiempo [min]
Válvula 2-1/16 7500 psi
104
- No se visualizan caídas abruptas de presión.
- Antes de pasar al segundo ciclo, el sistema se despresurizó hasta 0 psi
cumpliendo con AP 6A enunciados 7.4.9.3.3 y 7.4.9.3.5
- Los picos de presión fueron de 7716 psi y 7710 psi
- Es común que exista una ligera caída de presión, esta se debe mantener
por encima del mínimo de presión requerido en este caso 7500 psi.
5.2.1.4 Prueba hidrostática de compuerta a válvulas 2-1/16
La prueba de compuerta a 5000 psi se realiza de manera individual por lo
que es necesario ir cerrando y abriendo las compuertas conforme avanza
cada válvula.
Figura 62. Prueba hidrostática #1 5000 PSI 2-1/16
La figura 62 muestra la primera prueba hidrostática de compuerta individual
a una válvula de 2-1/16 5000 psi, el periodo de bombeo inicia hasta alcanzar
los 5347 psi en el minuto 00:38 hasta el 3:38 en el que la presión cae hasta
0500
10001500200025003000350040004500500055006000
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Tiempo [min]
Válvula 2-1/16 5000 psi
105
los 5269 psi, la presión baja a 0 psi y se comienza un nuevo ciclo de bombeo
alcanzando los 5373 psi en 4:26 minutos hasta culminar la prueba a los 7:26
con 5150 psi para luego abrir el desfogue y dejar despresurizada la válvula.
En esta prueba se cierra la compuerta de la primera válvula y las siguientes
dos se mantienen abiertas.
Figura 63. Prueba hidrostática #2 5000 PSI 2-1/16
La figura 63 muestra la segunda prueba hidrostática de compuerta individual
a una válvula de 2-1/16 5000 psi, el periodo de bombeo inicia hasta alcanzar
los 5267 psi en el minuto 00:16 hasta culminar el primer ciclo en 5020 psi en
3:16, la presión baja a 0 psi y se comienza el último ciclo de bombeo
alcanzando los 5148 psi en 3:54 minutos hasta culminar la prueba a los 6:54
con 5067 psi para luego abrir el desfogue y dejar despresurizada la válvula.
En esta prueba se cierra la compuerta de la válvula del medio y la primera y
la última se mantienen abiertas.
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10001500200025003000350040004500500055006000
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Válvula 2-1/16 5000 psi
106
Figura 64. Prueba hidrostática #3 5000 PSI 2-1/16
La figura 64 muestra la última prueba hidrostática de compuerta individual a
una válvula de 2-1/16 5000 psi, el periodo de bombeo inicia hasta alcanzar
los 5182 psi en el minuto 2:08 hasta culminar el primer ciclo en 5087 psi en
5:08, la presión baja a 0 psi y se comienza el último ciclo de bombeo
alcanzando los 5171 psi en 6:54 minutos hasta culminar la prueba a los 9:54
con 5108 psi para luego abrir el desfogue y dejar despresurizada la válvula.
En esta prueba se cierra la compuerta de la última válvula y las anteriores
dos se mantienen abiertas.
En las válvulas de 2-1/16 se observa:
- No se visualizan caídas abruptas de presión.
- La presión nunca cayó por el nivel mínimo requerido en ninguno de los
dos casos.
- Antes de pasar al segundo ciclo, el sistema se despresurizó hasta 0 psi
cumpliendo con API.
- En las pruebas de 5000 psi el pico más alto registrado es de 5373.
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0:0
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Tiempo [min]
Válvula 2-1/16 5000 psi
107
- Es común que exista una ligera caída de presión, esta se debe mantener
por encima del mínimo de presión requerido.
Los picos de presión en las gráficas se deben al caudal de bombeo de la
bomba multiplicadora de presión, estos no afectan la integridad de la
máquina gracias a los factores de seguridad calculados, adicional los
distintos fabricantes de válvulas de compuerta realizan sus diseños mediante
el método ASME BPVC:2004 enunciado 4.3.3.2 de la API 6A el cual se
utiliza para el cálculo y diseño de elementos que contienen presión.
En los anexos 8 y 9 se muestran los cálculos realizados en la empresa para
válvulas de 2-1/16 5000 psi y 3-1/8 5000 psi con lo cual se obtiene un
margen de presión de hasta 40000 psi para cada válvula, además se
verifican factores de seguridad de componentes internos críticos los cuales
no resultarán afectados.
Las válvulas de compuerta antes de ser presurizadas pueden tener cámaras
de aire entre la grasa inyectada y en el bonete, donde se puede acumular
líquido haciendo que está presente caídas como ocurrió en la figura 61.
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
108
6.1 CONCLUSIONES
- En el equipo diseñado se pueden realizar pruebas hidrostáticas de hasta
tres válvulas ya sean estas de estas de 3-1/8 in y de 2-1/16 in hasta una
presión nominal máxima de trabajo de 5000 psi con total seguridad
cumpliendo con lo establecido en la norma API 6A.
- El banco de pruebas hidrostáticas optimiza el proceso de pruebas que se
realiza a cada válvula, reduciendo el esfuerzo físico realizado por los
operadores.
- El sistema de control cumple la normativa API 6A requerida para el
proceso de pruebas hidrostáticas, brindando seguridad, confiabilidad
durante el proceso de pruebas hidrostáticas.
- Las pruebas de funcionamiento realizadas en válvulas de 3-1/8 in 5000
psi y de 2-1/16 in 5000 psi dieron resultados favorables cumpliendo lo
exigidos en la normativa API 6A los cuales se pueden verificar en las
gráficas mostradas en el capítulo de análisis de resultados.
- El uso de ring gaskets de caucho uretano ayudó en la toma de decisión
para seleccionar el tipo de módulo de cierre debido a la manera en la
cual se activan estos permiten aplicar una menor fuerza de cierre entre
las bridas.
- Se necesita únicamente un juego de bridas de prueba gracias al doble
ring groove diseñado.
- El banco de pruebas de presión desarrollado es un aporte importante al
momento de defender auditorias API las cuales son realizadas a la
empresa cada tres años para su recertificación.
109
6.2 RECOMENDACIONES
- Se debe tener precaución al momento de ubicar las válvulas en posición
utilizando el montacargas para prevenir posibles accidentes, es
importante que solo el personal capacitado realice esta actividad.
- Se recomienda regular la válvula de alivio de emergencia en 8000 Psi,
con esto se evita un posible accidente en el caso de que se llegue a
presentar un desperfecto o descuido.
- No se deben manipular las válvulas mientras se encuentran en proceso
de prueba debido a las altas presiones que se manejan ya que pueden
causar daños a los componentes internos y así mismo causar un
accidente.
- Se recomienda desechar el agua de manera adecuada luego de tres
ciclos de pruebas como máximo ya que se acumula la grasa interna de
las válvulas en esta, para evitar el cambio de filtro de manera constante.
- Para evitar posibles accidentes y daños causados por la operación de la
máquina, el personal a cargo debe ser capacitado completamente en los
procedimientos de prueba brindados por el departamento de calidad y el
funcionamiento del equipo.
110
BIBLIOGRAFÍA
American Petroleum Institute. (2011). Specification for Wellhead and
Christmas Tree Equipment. Washington DC: API.
American Society for Nondestructive Testing. (2006). Norma para la
clasificación y certificación del personal de ensayos no destructivos
ASNT-TC-1A. Columbus, OH: The American Society for
Nondestructive Testing Inc.
American Society For Nondestructive Testing. (2015). Nondestructive
Testing Handbook. Recuperado el 12 de 09 de 2015, de
www.asnt.org/MajorSiteSections/Publications/NDT_Handbooks.aspx
Área Tecnología . (12 de 05 de 2005). Recuperado el 12 de 05 de 2005, de
http://www.areatecnologia.com/NEUMATICA.htm
Aschroft. (2015). Catálogo transmisor modelo A2. Recuperado el 23 de 10
de 2015, de
http://ashcroftsudamericana.com/es/wpcontent/uploads/pdf/produtos/p
resion_relativa/transmisores-de-presion/modelo-a2/A2-E-TP-002c.pdf
Berger, M. (15 de 05 de 2015). Definicion de un compresor de aire.
Recuperado el 15 de 05 de 2015, de Ehow en español:
http://www.ehowenespanol.com/air-compressor-definition-
hechos_76908/
Bolton, W. (2010). Sistemas de control en ingeniería mecánica y eléctrica.
Mexico: AlfaOmega.
Calder Tester. (2013). Recuperado el 05 de 05 de 2015, de Catálogo Calder
Tester: http://mirotechllc.com/1400.php.htm
Carlón, J. (2009). Planeación, producción y uso de componentes para un
árbol de v{alvulas para extracción de petróleo o gas. (I. P. Nacional,
Ed.) Mexico DF, Azcapotzalco: Tesis de Pregrado.
Castillo, S. (26 de 04 de 2015). Ecuador Petrolero. Recuperado el 26 de 04
de 2015, de http://www.miradoreconomico.com/2012/02/ecuador-
petrolero.
111
Curtis Wright. (2015). Recuperado el 15 de 05 de 2015, de Catálogo J series
Air-Driven Liquid Pump: http://www.cw-
valvegroup.com/getattachment/d2794bde-8a66-4ce6-8604-
1b39dd311f84/J-Pump-Technical-Information
Curtis Wrigth. (2015). Recuperado el 15 de 05 de 2015, de Sprague
Operation and Maintenace Manual: http://www.cw-
valvegroup.com/getattachment/787139e3-aa71-46b6-852c-
2309b67db899/S-216-J-OP-Manual-10_14
Danfoss. (2015). Recuperado el 23 de 10 de 2015, de Caálogo de Válvulas
solenoides de acción directa:
http://www.danfoss.com/Latin_America_spanish/BusinessAreas/Indust
rialControls/Products/List/IA/Solenoid-valves/EV210A-Direct-operated-
22-way-compact-solenoid-valves/96b2aebf-3481-4ebb-903f-
ac2bc3456ac5.html
Deconceptos.com. (15 de 05 de 2015). Concepto de viscosidad. Recuperado
el 15 de 05 de 2015, de
http://deconceptos.com/ciencias%20naturales/viscosidad#ixzz3BFKO
swp9
Enerpac. (2015). Recuperado el 25 de 10 de 2015, de Válvulas modulares
accionadas por solenoide:
http://www.enerpac.com/sites/default/files/products/downloads/ve_vm
_e327_es.pdf
Garcia, J. (17 de 05 de 2015). Sistemas de control. Recuperado el 17 de 05
de 2015, de
http://www.academia.edu/7885227/Sistemas_de_control_-
_lazo_abierto_-lazo_cerrado
Ingeniería Electronica. (2016). Recuperado el 11 de 01 de 2016, de Qué es
un PLC definición y características:
http://ingenieriaelectronica.org/que-es-un-plc-definicion-y-
caracteristicas
Jimeno, J. (2012). Despliegue de la función de la calidad (QFD): Guía de uso
para qué sirve y cómo realizarlo. Recuperado el 10 de 07 de 2015, de
http://www.pdcahome.com/1932/qfd-despliegue-calidad/
112
LAM ingeniería. (2014). Recuperado el 13 de 05 de 2015, de Catálogo de
productos LAM Ingeniería proyectos y servicios:
http://www.lamingenieria.com/index.php/productos/bancos-de-prueba-
hidraulica/
Miles, L. (1989). Techniques of value Analysis and Engineering. Estados
Unidos: Miles Value Foundation.
Molina, P. (2012). Recuperado el 27 de 05 de 2015, de
http://www.profesormolina.com.ar/tecnologia/plc/introd.htm
Mora, Esteban. (2010). Equipos de completacion de pozos. Quito: Válvulas
del Pacífico S.A.
Mott, R. L. (2006). Diseño de Elementos da Máquinas. Mexico: Pearson
Educación .
Mott, R. L. (2006). Mecánica de Fluidos. Mexico: Pearson Educación.
Niebles Nuñez Enrique Esteban, Q. T. (2009). Metodología para el diseño y
construcción de una máquina para medición del desgaste abrasivo
basado en la norma ASTM G-65. Prospectiva Vol. 7, 53-58.
Norton, R. L. (1999). Diseño de Máquinas. Mexico: Prentice Hall.
Omega. (2015). Catálogo Omega DPG4000. Recuperado el 26 de 05 de
2015, de http://www.omega.com/pressure/pdf/dpg4000.pdf
Orantes, A. (2009). Ingeniería en Mecatrónica en la UTM. Vida Academica,
66-70.
Reyes, F. (2013). Mecatrónica. Recuperado el 02 de 06 de 2015, de
http://www.saberesyciencias.com.mx/sitio/component/content/article/1
0-portada/277-mecatronica
Riba Romeva, C. (2002). Diseño Concurrente. Barcelona: Ediciones UPC.
Riba, C. M. (2006). Ingeniería Concurrente: Una Metodología Integradora.
Rodriguez, H. (2015). Ingeniería Mecánica. Recuperado el 24 de 08 de 2015,
de http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn212.html
113
Testing, A. S. (06 de 05 de 2015). Recuperado el 06 de 05 de 2015, de
www.asnt.org/MajorSiteSections/Publications/NDT_Handbooks.aspx
Testing, A. S. (12 de 09 de 2015). Nondestructive Testing Handbook.
Obtenido de
www.asnt.org/MajorSiteSections/Publications/NDT_Handbooks.aspx
Universidad de Granada. (15 de 05 de 2015). Obtenido de Dinámica de
fluidos: http://www.ugr.es/~jtorres/t7.pdf
Valveworks. (2013). Expandig Gate model M. Recuperado el 13 de 05 de
2015, de http://www.valveworksusa.com/products/valves-
components/expanding-gate-m.cfm
Válvulas del Pacífico. (2012). Presentación de Cabezales de Completación.
Quito.
Vega, Á. (2009). Diseño y Construcción de un banco para pruebas en campo
de válvulas industriales. Bucaramanga, Colombia: Tesis de Pregrado
Universidad Pontifica Bolivariana.
Villa, J. (22 de 05 de 2015). El manómetro. Obtenido de
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/medidores/manometro/
manometro.html
ANEXOS
114
Anexo 1. Casa de la Calidad
Mate
riale
s
Uso
PL
C
Can
tid
ad
de V
álv
ula
s a
pro
bar
Pre
sio
n d
e t
rab
ajo
Pre
sio
n d
e c
ierr
e
Peso
Rap
idez e
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ealizar
pru
eb
as
Dre
naje
óp
tim
o
Reg
ula
cio
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ara
2 t
ipo
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Imp
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cia
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1 a
5)
Ban
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(1 a
5)
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1 a
5)
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5)
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(7)/
(3)
Arg
um
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to d
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ta (
1, 1'2
, 1
'5)
Po
nd
era
cio
n (
%)
ord
en
de im
po
rtan
cia
Que brinde seguridad 9 9 0 3 9 0 0 0 0 5 5 5 5 5 1 1.5 13.65 2
Que mantenga integros los ring grooves 9 1 3 9 9 0 0 0 0 5 5 5 4 5 1 1.5 13.65 3
Que se pueda montar más de una válvula 3 0 9 9 9 3 9 3 9 5 3 1 1 5 1.67 1.5 22.74 1
Que soporte max presión de prueba 9 0 9 9 9 0 0 0 0 4 5 5 5 4 0.8 1.5 8.73 6
Que su puesta a punto sea rapida 0 1 9 0 3 9 9 3 9 4 4 1 3 4 1 1.5 10.92 5
Que sea de fácil operación 0 9 9 0 0 9 1 0 9 4 3 3 1 4 1.33 1.2 11.64 4
Que requiera el minimo de operarios posibles 0 0 3 0 0 3 3 0 0 3 4 4 4 3 0.75 1.2 4.91 7
Que sea de fácil mantenimiento 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 4 4 4 3 0.75 1.2 4.91 8
Que sea amigable con el medio ambiente 0 0 0 0 0 0 0 9 0 3 5 1 1 3 0.6 1.2 3.93 10
Que no pese mucho 9 0 0 0 0 9 0 0 0 3 4 1 5 3 0.75 1.2 4.91 91 1 5 3 3 1 0.00 6
100
REQUERIMIENTOS
cARACTERISTICAS DE INGENIERÍA
115
Anexo 2. Tabla B.51 API 6A
116
Anexo 3.Tabla B.63 API 6A
117
Anexo 4. Diagrama grafcet programación PLC
118
Anexo 5. Formato de registro de prueba hidrostática
REGISTRO PRUEBA HIDROSTÁTICA
S/N: OIT:
Descripción del Equipo:
Código del Procedimiento Aplicado:
Manómetro(s) de Prueba
Serial Fecha de Calibración Fecha de vencimiento
Datos de la Prueba
Fluido de Prueba
Temp. Ambiente
Ciclo Presión
de Trabajo 1
Presión de Prueba 1
Tiempo de
Prueba 1
Presión de Trabajo 2
Presión de Prueba 2
Tiempo de Prueba 2
1
2
Resultado:
Esquema:
Observaciones:
Departamento de Control de Calidad Nombre: Fecha:
119
Anexo 6. Guía selección de válvula Enerpac
120
Anexo 7. Especificaciones Técnicas
EMPRESA
Válvulas del Pacífico S.A
Concepto C/I R/D Descripcion
C/I R Repuestos de facil adquisicion en el mercado local
C/I DDiseño desmontable para poder realizar mantenimineto
sin problemas
ENERGÍA I R Electrica (compresor de aire)
COSTOS C D Costo de fabricacion debe ser menor a los 8000 USD
MANTENIMIENTO
RC
AUTOMATIZACIÓN
El banco debe diseñarse para soportar los 7500 psi de
presion de prueba de cuerpo.RI
DIMENSIÓN
FUERZA
El área que debe ocupar la maquina no debe sobrepasar
los 12.25 metros cuadrados.
El equipo debe ser operado máximo por 2 operarios DC
Al completarse el tiempo de la prueba el equipo debe
alertar al operador si fue exitosa o noDC/I
Agustin Morillo
DISEÑADOR
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS HIDROSTÁTICAS PARA VÁLVULAS DE
COMPUERTA BRIDADAS DE 2 1 /16 in Y 3 1/8 in a 5000 PSI
FUNCIÓN
Equipo para realizar pruebas de presión a válvulas de
compuerta bridadas de 2-1/16 in y 3-1/8in de 5000 psi
Presión ajustable al tipo de prueba que se realice:
compuerta 5000 psi o cuerpo 7500 psi
Se debe permitir montar hasta 3 válvulas al mismo
tiempo.
Los ciclos de pruebas deben ser automaticos
DC
DI
C/I R
RI
121
Anexo 8. Cálculos para válvula de 2-1/16 5000 Psi.
Part Number: Fecha de Emisión:
Descripción: Gate Valve, Model MRC, 2-1/16" 3000/5000PSI, Flanged Ends, Slab Gate, Forged Body, Hand Wheel Operated, EE/PSL3/PR1
Material Varios
MÉTODO
Esquema y descripción Requerimientos de
diseño
Método de
diseño y
referencia
Detalle de la
variableFórmulas
Descripción de los
Resultados
P= 7500 [psi]
Presión
correspondiente a
la tabla 31, según
7.4.9.3.3, API 6A
Ed XX
t= 0.132 [in]
Espesor mínimo
sugerido por el método
ASME
Sy= 75 [ksi]
Resistencia
correspondiente al
material API 75K
S t = 62.25 [ksi]Esfuerzo máximo
permisible
R= 1 1/34 [in] Radio del orificio
K= 1Factor de
seguridad
P= 7500 [psi]
Presión
correspondiente a
la tabla 31, según
7.4.9.3.3, API 6A
Ed XX
t= 0.088 [in]
Espesor mínimo
sugerido por el método
ASME
Sy= 75 [ksi]
Resistencia
correspondiente al
material API 75K
S t = 62.25 [ksi]Esfuerzo máximo
permisible
R= 11/16 [in] Radio del orificio
K= 1Factor de
seguridad
P= 5000.00 [in]Presión de trabajo
de la válvulaN= 24233.07 [lbf]
Fuerza que actúa sobre
la compuerta √
D= 2 3/8 [in]
Diámetro sobre el
cual se aplica
presión diferencial
fr= 3634.96 [lbf]
Fuerza de rozamiento
entre asiento y
compuerta√
Sy= 75 [ksi]Resistencia a la
fluencia AISI 410As= 0.396 [in]
Área cortante de un hilo
de rosca en compuerta √
dr= 1 [in]
Diámetro de raíz
para la rosca
ACME en la
compuerta
τ= 2295.7 [psi]Esfuerzo cortante en
hilos de compuerta √
µ= 0.15
Coeficiente de
fricción estático
para contacto
metal-metal
FS= 16.335Factor de seguridad de
rosca √
p= 0.2 [in] Paso unitario √wo = 0.63
Factor de área
para rosca ACME √
#h= 4
Número de hilos
que soportan
carga√
P= 5000.00 [in]Presión de trabajo
de la válvulaN= 24233.07 [lbf]
Fuerza que actúa sobre
la compuerta √
D= 2 3/8 [in]
Diámetro sobre el
cual se aplica
presión diferencialAtr= 3.365 [in2] Área de tracción √
t= 0.450 [in]Espesor de pared
en compuertaτ= 7202.264 [psi]
Esfuerzo cortante sobre
compuerta √
Sy= 75 [ksi]Resistencia a la
fluencia AISI 410FS= 5.2067
Factor de seguridad en
compuerta por presión
diferencial√
Espesor mínmo del
cuerpo √0.97
√
Espesor de pared más crítico en el
cuerpo
Para el cálculo de
este espesor se
toma la presión
hidrostática como
7500(psi).
ASME method
según 4.3.3.2
API 6A, Ed. XX
[in]
26/06/2015
IDD-R2-02CÁLCULOS Y ESPECIFICACIONES
Datos de entrada Resultados
LISTA DE
CHEQUEO
REQUERIMIENTOS HIPÓTESIS CÁLCULOS
VP-GV01
√
√0.95 [in]Espesor mínmo del
bonete
Espesor de pared más crítico en el
bonete
Para el cálculo de
este espesor se
toma la presión
hidrostática como
7500(psi).
ASME method
según 4.3.3.2
API 6A, Ed. XX
Esfuerzo cortante sobre compuerta por
presencia de presión diferencial
El pasaje interno del
asiento de la válvula
genera un área
cilíndrica proyectada
en la compuerta lo
que generará un
esfuerzo cortante en
la misma
Método de
Diseño de
Elementos de
Máquinas de
Robert L. Norton
Esfuerzo cortante en
rosca de vástago por
rozamiento
producido entre
asiento y compuerta
Rosca en compuerta de sello
Método de
Diseño de
Elementos de
Máquinas de
Robert L. Norton
2
1000
#
4
2
SyFS
hAs
fr
pwdrA
Nfr
DPN
OS
yt
t
SS
PSK
PRt
83.0
5.0
P
P
2
1000
4
2
SyFS
tDAtr
DPN
yt
t
SS
PSK
PRt
83.0
5.0
122
Anexo 9. Cálculos para válvula de 3-1/8 5000 Psi
Part Number: Fecha de Emisión:
Descripción: Gate Valve, Model MRC, 3-1/8" 5000PSI, Flanged Ends, Slab Gate, Forged Body, Hand Wheel Operated, EE/PSL3/PR1
Material Varios
MÉTODO
Esquema y descripción Requerimientos de
diseño
Método de
diseño y
referencia
Detalle de la
variableFórmulas
Descripción de los
Resultados
P= 7500 [psi]
Presión
correspondiente a
la tabla 31, según
7.4.9.3.3, API 6A
Ed XX
t= 0.201 [in]
Espesor mínimo
sugerido por el método
ASME
Sy= 75 [ksi]
Resistencia
correspondiente al
material API 75K
S t = 62.25 [ksi]Esfuerzo máximo
permisible
R= 1 9/16 [in] Radio del orificio
K= 1Factor de
seguridad
P= 7500 [psi]
Presión
correspondiente a
la tabla 31, según
7.4.9.3.3, API 6A
Ed XX
t= 0.104 [in]
Espesor mínimo
sugerido por el método
ASME
Sy= 75 [ksi]
Resistencia
correspondiente al
material API 75K
S t = 62.25 [ksi]Esfuerzo máximo
permisible
R= 13/16 [in] Radio del orificio
K= 1Factor de
seguridad
P= 5000.00 [in]Presión de trabajo
de la válvulaN= 29637.73 [lbf]
Fuerza que actúa sobre
la compuerta √
D= 3 5/9 [in]
Diámetro sobre el
cual se aplica
presión diferencial
fr= 4445.66 [lbf]
Fuerza de rozamiento
entre asiento y
compuerta√
Sy= 75 [ksi]Resistencia a la
fluencia AISI 410As= 0.404 [in]
Área cortante de un hilo
de rosca en compuerta √
dr= 1 [in]
Diámetro de raíz
para la rosca
ACME en la
compuerta
τ= 2202.1 [psi]Esfuerzo cortante en
hilos de compuerta √
µ= 0.15
Coeficiente de
fricción estático
para contacto
metal-metal
FS= 17.029Factor de seguridad de
rosca √
p= 0.2 [in] Paso unitario √wo = 0.63
Factor de área
para rosca ACME √
#h= 5
Número de hilos
que soportan
carga√
P= 5000.00 [in]Presión de trabajo
de la válvulaN= 29637.73 [lbf]
Fuerza que actúa sobre
la compuerta √
D= 3 5/9 [in]
Diámetro sobre el
cual se aplica
presión diferencial
Atr= 6.822 [in2] Área de tracción √
t= 0.610 [in]Espesor de pared
en compuertaτ= 4344.254 [psi]
Esfuerzo cortante sobre
compuerta √
Sy= 75 [ksi]Resistencia a la
fluencia AISI 410FS= 8.6321
Factor de seguridad en
compuerta por presión
diferencial√
Espesor mínmo del
cuerpo √1.00
√
Espesor de pared más crítico en el
cuerpo
Para el cálculo de
este espesor se
toma la presión
hidrostática como
7500(psi).
ASME method
según 4.3.3.2
API 6A, Ed. XX
[in]
26/06/2015
IDD-R2-02CÁLCULOS Y ESPECIFICACIONES
Datos de entrada Resultados
LISTA DE
CHEQUEO
REQUERIMIENTOS HIPÓTESIS CÁLCULOS
VP-GV02
√
√1.44 [in]Espesor mínmo del
bonete
Espesor de pared más crítico en el
bonete
Para el cálculo de
este espesor se
toma la presión
hidrostática como
7500(psi).
ASME method
según 4.3.3.2
API 6A, Ed. XX
Esfuerzo cortante sobre compuerta por
presencia de presión diferencial
El pasaje interno del
asiento de la válvula
genera un área
cilíndrica proyectada
en la compuerta lo
que generará un
esfuerzo cortante en
la misma
Método de
Diseño de
Elementos de
Máquinas de
Robert L. Norton
Esfuerzo cortante en
rosca de vástago por
rozamiento
producido entre
asiento y compuerta
Rosca en compuerta de sello
Método de
Diseño de
Elementos de
Máquinas de
Robert L. Norton
2
1000
#
4
2
SyFS
hAs
fr
pwdrA
Nfr
DPN
OS
yt
t
SS
PSK
PRt
83.0
5.0
P
P
2
1000
4
2
SyFS
tDAtr
DPN
yt
t
SS
PSK
PRt
83.0
5.0
123
Anexo 10. Propiedades de Acero AISI 4140
124
Anexo 11. Propiedades de Acero ASTM A36
125
Anexo 12. Planos
126
127
128
129
130
131
132
133
