Analisis de Flexibilidad en Tuberias

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA PRACTICA PROFESIONAL

REDISEÑO DE LA LÍNEA 200-STL-38-749-K, PERTENECIENTE AL ÁREA 38 DE CVG BAUXILUM,

MEDIANTE UN ANÁLISIS DE ESFUERZOS.

AUTOR: CARREÑO, PEDRO

C.I. 16393736

CIUDAD GUAYANA, MARZO DEL 2009



UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

PRACTICA PROFESIONAL



AUTOR: CARREÑO, PEDRO

C.I. 16393736

_______________ ______________

Tutor Industrial Tutor Académico Ing. Carlos Arroyo Ing. Elías Malave

CIUDAD GUAYANA, MARZO DEL 2009

ÍNDICE

PAG.

DEDICATORIA………......…………………………………….….……………….... i

AGRADECIMIENTOS………………………………………..……………...……... ii

RESUMEN……………………………….…………………………………..….…...iii

INTRODUCCIÓN………………………….………………….…………………….. 1

CAPITULO I, EL PROBLEMA

1.1 Planteamiento del problema……………………………………………………….3

1.2 Objetivos…………...…………………….………………….…………………….5

1.3 Alcance.…………………………………………………………………………...6

1.4 Delimitaciones…………………………………………………………………….7

1.5 Limitaciones………………………………………………………………………7

1.6 Justificación……………………………………………………………………….7

CAPITULO II, MARCO TEÓRICO

2.1 Generalidades de CVG Bauxilum………...……………………….………………9

2.1.1. Reseña histórica……………………………….….…………………....9

2.1.2. Ubicación geográfica………………………………..…………….….10

2.1.3. CVG Bauxilum………………….……………………..……………..10

2.1.4. Objetivos……………………………………………….……...............11

2.1.5. Misión………………………...…………………………..…………...11

2.1.6. Visión……………………………………………………....................12

2.1.7. Política de la calidad, ambiente y seguridad……………………...…...12

2.1.8. Organigrama de Bauxilum…………………………………………….13

2.2. Gerencia de Proyecto e Ingeniería……………………………………………...14

2.2.1. Objetivos de la calidad……………………………………..................14

2.2.2. Indicadores de gestión………………………………………………...14

2.2.3. Organigrama estructural………………………………………………15

2.3. Extracción y Transporte de la bauxita...………………………………………...15

2.4. Proceso Bayer…………………………………………………...……………...16

2.4.1 Manejo de materiales………………………………………………….16

2.4.1. Lado rojo.……………………………………...……………………...17

2.4.2. Lado blanco.………………………...………………………………...18

2.5. Área 38…………………...……………………………………………………..20

2.6. Flexibilidad en tuberías ………............................................................................20

2.6.1. Sistema de Tuberías Simple…………………………………………...20

2.6.2. Esfuerzos por Presión (Hoop)…………………………………………21

2.6.3. Esfuerzos por cargas sostenidas (Gravedad)……………………….…22

2.6.4. Esfuerzos por cargas de expansión……………………………………26

2.7. Análisis de flexibilidad en tuberías …………………………………………....28

2.7.1. Consideraciones Generales……………………………………………28

2.7.2. Requerimientos de Flexibilidad en un Sistema de Tuberías………….29

2.7.3. Fundamentos relacionados con el análisis de flexibilidad……………30

2.7.4. Tubería Curva…………………………………………………………30

2.7.4.1. Factor de Flexibilidad, k…………………………………….31

2.7.4.2. Factor de Intensificación de Esfuerzos, i……………………31

2.7.5 Consideraciones en el diseño del sistema por flexibilidad…………….31

2.7.6. Proceso General de Evaluación del Problema de Flexibilidad en las

Tuberías...…………………………………………………………………….32

2.8. Caesar II ………………………………………………………………..............34

2.8.1. Capacidades de análisis estático..…………………………………….35

2.9.2. Capacidades de análisis dinámico..…………………………………...36

2.9.3. Capacidades de salida …………………………………………….......37

CAPITULO III, MARCO METODOLÓGICO

3.1. Tipo de investigación……………………………………………………………38

3.2. Diseño de investigación …………………………………………………...........38

3.3. Población y muestra ……………………………………………………………39

3.4. Técnicas de recolección de datos……………………………………………….39

3.4.1. Entrevista…......……………………………………………………….39

3.4.2. Revisión documental………………………………………………….40

3.4.3 Observación directa……………………………………………………40

3.5. Procedimiento.………...………………………………………………………..40

CAPITULO IV, RESULTADOS

4.1. Consideraciones tomadas en el análisis.………………......................................43

4.2. Planos utilizados……………………………………………...………………...45

4.3. Calculo analítico de los esfuerzos en tuberías………………………….............45

4.3.1. Esfuerzo por presión…………………………………………………..45

4.3.1.1. Esfuerzo circunferencial Debido a la presión interna……….46

4.3.1.2. Esfuerzos Longitudinales debido a la presión interna……….47

4.3.1.2.1. Tuberías Rectas……………………………………47

4.3.1.2.2. Codos y Curvas…………………………………....48

4.3.1.2.3. Conexiones de Ramal (Te)………………………...50

4.3.2. Esfuerzos por cargas sostenidas……………………………………….50

4.3.2.1. Codos………………………………………………………..54

4.3.2.2. Tes…………………………………………………………...55

4.3.3. Esfuerzos Longitudinales……………………………………………...57

4.4. Análisis de flexibilidad en tuberías con la aplicación del software CAESAR

II……………………………………………………………………………………..58

4.4.1. Análisis del arreglo planificado (en planos)…………………………..59

4.4.2. Análisis del arreglo fabricado (Existente)……………………………..63

4.4.3. Comparación entre ambos arreglos……………………………………68

4.5. Resultados de los análisis …………………………………………….…..........69

CONCLUSIONES ………….………………………………………………............71

RECOMENDACIONES……………………………………………………….……72

BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………….…73

ANEXOS…………………………………………………………………………….74

ÍNDICE DE FIGURAS

PAG.

Figura 1.1 Diagrama de flujo…………………………………………….…………...4

Figura 2.1. Organigrama de CVG Bauxilum…………………………………..…….13

Figura 2.2. Organigrama estructural gerencia de proyecto e ingeniería……………..15

Figura 2.3. Sistema de Tuberías Simple……………………………………………..20

Figura 2.4. Esfuerzos por presión……………………………………………………21

Figura 2.5. Esfuerzo por cargas sostenidas…………………………………………..23

Figura 2.6 Momentos en conexiones……………………………………………...…24

Figura 2.7. Esfuerzos por Expansión……………………..………………………….26

Figura 2.8. Ejemplo de análisis estático con CAESAR II………………….………..36

Figura 2.9. Ejemplo de análisis dinámico con CAESAR II….…………………..…..37

Figura 4.1. Diagrama de Codo………..…...…………………………………………48

Figura 4.2. Diagrama de momentos en tubería……………….……………………..51

Figura 4.3. Sección de tubería…………………………………………...……......…52

Figura 4.4. Medidas del codo..…..………………………………………………...…54

Figura 4.5.1. Sección 1…..…………………………………………………………..59

Figura 4.5.2. Sección 2………..…………………………………………………..…59

Figura 4.5.3. Sección 3……………………..………………………………………..60

Figura 4.5.4. Sección 4……..………………………………………………………..60

Figura 4.5.5. Sección 5…………..…………………………………………………..61

Figura 4.5.6. Sección 6…..…………………………………………………………..61

Figura 4.5.7. Sección 7……………….……………………………..……………….62

Figura 4.6 Desplazamientos………………………………………………………….62

Figura 4.7.1. Sección 1………………………………………………………………63

Figura 4.7.2. Sección 2………………………………………………………………64

Figura4.7.3. Sección 3……………………………………………………………….64

Figura 4.7.4. Sección 4………………………………………………………………65

Figura 4.7.5. Sección 5………………………………………………………………65

Figura 4.7.6. Sección 6…………………………………………….………………...66

Figura 4.8. Desplazamientos…………………………………………………………66

Figura 4.9. Líneas de deformación de la tubería…………………...……………...…67

Figura 4.10. Comparación de Desplazamientos……………………………………..68

ÍNDICE DE TABLAS

PAG.

Tabla 2.1. Factor Y para t < D/6…………………………………………………….22

Tabla 2.2. Factor f de Reducción por Cargas Cíclicas………………………………28

Tabla 4.1. Planos Isométricos………………………………………………………..45

Tabla 4.2. Diagramas……………………………………………………………...…45

Tabla 4.3. Momentos Productos de las Cargas de Gravedad………………….…….53

Tabla 4.4. Esfuerzos por Cargas Sostenidas en Codos…………………..….……….55

Tabla 4.5. Esfuerzos por Cargas Sostenidas en Tés…………………………………57

Tabla 4.6. Esfuerzos longitudinales en codos………………………………………..58

Tabla 4.7. Esfuerzos Longitudinales en Tés…………………………………………58

Tabla 4.8. Esfuerzos Calculados por el CAESAR II…………………………….…63

Tabla 4.9. Esfuerzos Calculados por el CAESAR II……………………………….67

Tabla 4.10. Comparación de los resultados obtenidos con el software y los obtenidos de forma analítica de la línea de tubería 200-STL-38-749-K…………………….…69

DEDICATORIA

Este trabajo lo dedico especialmente a las personas que siempre llevo en mi

corazón, entre las cuales puedo destacar a:

Mi Madre Iraida de Carreño, mi Padre Pedro Carreño quienes siempre me han

brindado apoyo y amor incondicional y me han impulsado a seguir adelante siempre y

lograr mis metas.

Mi Hermana Ioselin Carreño, quien siempre me ha brindado su cariño y amor

incondicional.

A mi Novia María Larrosa, quien me brinda su amor incondicional que me

sirve de apoyo para luchar por mis ideales y me hace ser una mejor persona para

poder construir un buen futuro en mi vida.

A mis Amigos, Rafael Zapata, Yeisy López y Luis Rodriguez quienes me

brindaron su apoyo y ayuda en momentos de difícil razonar y me motivan a nunca

rendirme ante las barreras que se me presentan en la vida.

i

AGRADECIMIENTO

Agradezco en primer lugar a Dios Todopoderoso por regalarme el derecho a

vivir, por reglarme esos maravillosos Padres que tengo, por darme la fuerza necesaria

para nunca dejarme abatir ante la vida, por darme la dicha de conocer los dos mas

grandes sentimientos que pueda tener el ser humano que son el Amor y la Amistad.

Agradezco a mis Padres por siempre estar ahí para mi y por su crianza que me

ha permitido formarme en el ser humano que soy hoy en día.

Agradezco a todos los profesores que en las aulas y fuera de ellas me han

brindado ese basto conocimiento que me ha permitido desarrollar este proyecto.

Al Bachiller John Salazar por brindarme información técnica valiosa para la

elaboración de este Proyecto.

A los Ingenieros Pedro Blanco, Frank Villasmil, Carlos Chettick por su

valiosa ayuda para la obtención de los datos necesarios para poder realizar este

Proyecto.

A mis tutores académico e industrial, Prof. Elías Malave y al Ing. Carlos

Arroyo, por su apoyo y disposición en todas las actividades necesarias para el

desarrollo de este proyecto.

ii

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

PRACTICA PROFESIONAL

“REDISEÑO DE LA LÍNEA 200-STL-38-749-K, PERTENECIENTE AL ÁREA 38 DE CVG BAUXILUM, MEDIANTE UN ANÁLISIS DE

ESFUERZOS”

Autor: Pedro Carreño Tutor Industrial: Carlos Arroyo Tutor Académico: Elías Malave

Fecha: Marzo de 2009

RESUMEN

La tubería 200-STL-38-749-K del área 38 de CVG Bauxilum en ocasiones presenta fugas de vapor vivo por las bridas pertenecientes a la línea que se haya cercana al intercambiador de calor E-38-1. Estas fugas originan una reducción en la capacidad térmica e hidráulica del área y por ende afectan la temperatura del licor madre, obteniéndose una baja productividad de licor lo que genera pérdidas de producción, debido a que no se puede lavar las incrustaciones de oxalato en los equipos pertenecientes al área 39, esto porque al presentar fuga de vapor en dicha línea se requiere de la parada del proceso. Para solventar el problema se realizó este trabajo el cual corresponde a una investigación de tipo descriptiva y aplicada, mientras que el diseño de investigación fue de campo. Para esta investigación se recurrió a la revisión de planos, reportes de operación, manuales y se realizaron entrevistas no estructuradas; así como también se analizaron y verificaron las condiciones de operación de las líneas de tubería, con el fin de realizar un análisis de forma analítica y compararlo con los resultados obtenidos en el software Caesar II. Con los análisis realizados de forma analítica y con la ayuda del software se determinó que los esfuerzos presentes en las tuberías están por debajo de los esfuerzos admisibles del código ASME B31.3. Igualmente el arreglo de tubería existente de la línea 200-STL-38-749-K es adecuado pues se encuentra en un 25,25% del esfuerzo permisible, dejando en prueba que las fugas originadas no son debidas a exceso o concentración de esfuerzos. Por esta razón no es necesario el rediseño de la línea, sin embargo se recomienda a la empresa verificar el apriete de los pernos de las bridas, inspeccionar las soldaduras de las zonas cercanas a donde se presenta las fugas y comprobar el buen estado de las empacaduras de las bridas.

Palabras Claves: Esfuerzos, flexibilidad, tubería.

iii

INTRODUCCIÓN

C.V.G. BAUXILUM, es una empresa que opera bajo la tutela de la

Corporación Venezolana de Guayana (C.V.G), tiene como misión Impulsar el

crecimiento sustentable de la industria nacional, satisfaciendo la demanda de bauxita

y alúmina en forma competitiva y rentable, promoviendo el desarrollo endógeno,

como fuerza de transformación social y económica.

En este trabajo se presentará la ingeniería básica del rediseño de la ruta de la

tubería 200-STL-38-749-K mediante un análisis de esfuerzos en esta. La línea 200-

STL-38-749-K alimenta al intercambiador de calor E-38-1 del área 38 de CVG

Bauxilum. El objetivo principal del área de enfriamiento por expansión instantánea es

enfriar el licor filtrado proveniente del área 38 hasta una temperatura en el licor

madre de aproximadamente 78 °C, la cual es considerada uno de los parámetros a

cumplir con el fin de mantener el licor en las condiciones de sobresaturación

adecuada, para así inducir una rata de precipitación óptima en el área 41 que permita

obtener la máxima productividad cumpliendo con los niveles de producción y

calidad.

El análisis de esfuerzos en la tubería de vapor vivo del área 38 surge por la

necesidad de verificar los esfuerzos más grandes y los puntos más críticos en esta,

para comprobar si estos están provocando fugas en las bridas y así rediseñar el

sistema de tubería de forma tal que se corrija esta falla.

Este estudio fue realizado aplicando un diseño de investigación de campo y

esta orientado a establecer y caracterizar los parámetros de operación de la línea de

vapor vivo del área 38 de CVG Bauxilum, con el fin de evaluarla y analizarla según

el código ASME B31.3 y examinar la posibilidad de un rediseño de la línea.

1

El procedimiento que permitirá lograr los objetivos de la presente

investigación implicará lo siguiente: Búsqueda, revisión y análisis de todo lo

referente a normas de diseño de redes de tubería, análisis de esfuerzos en tuberías,

especificaciones generales, particulares y de diseño que se utilizan en CVG

Bauxilum, así como también de planos de la línea, además de la elaboración de los

planos isométricos de la línea. Todo esto se realizará con el fin de extraer toda la

información y todos los datos necesarios que se utilizaran en el diseño de la línea de

tubería.

A través de este informe se presenta el resultado de la investigación realizada

de la siguiente manera: el en capitulo 1 se presenta el problema objeto de la

investigación. En el capitulo 2 se dan a conocer los aspectos referidos a la empresa y

las bases teóricas. En el capitulo 3 se indica el diseño metodológico que se siguió

para realizar el estudio. En el capitulo 4 se exponen y analizan los resultados y

finalmente se presentan las conclusiones, recomendaciones, apéndice y referencias

bibliográficas.

2

CAPITULO I

EL PROBLEMA

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

C.V.G Bauxilum, es una empresa del estado venezolano, que opera bajo la

tutela de la Corporación Venezolana de Guayana (C.V.G), su función primordial es

la de extraer la bauxita y su transformación posterior en oxido de aluminio (alúmina),

a través del proceso Bayer, para abastecer los requerimientos de sus principales

clientes como lo son las empresas C.V.G Venalum y C.V.G Alcasa.

El proceso Bayer consiste en la digestión de la bauxita previamente molida,

mezclándola con abundante hidróxido de sodio a valores de presión y temperatura

considerables, luego se realiza la separación física de otros componentes de la bauxita

y se hace cristalizar el hidróxido de aluminio, lo cual se hace posible mediante el

descenso de la temperatura y dilución de aluminato de sodio, se extrae la humedad y

se calcina para obtener como producto final alúmina de grado metalúrgico.

La empresa dentro de su gran cantidad de áreas para lograr el proceso

productivo ya mencionado posee un área de filtración de seguridad como lo es el área

38.

En CVG Bauxilum aunque la mayor parte del residuo sólido (lodo rojo) que

queda en suspensión después de la digestión se remueve en las operaciones de

3

desarenado y sedimentación del lodo rojo, una pequeña porción de sólidos queda sin

flocular en los espesadores y estos se rebosan con el licor madre (generalmente

alrededor de 150 miligramos por litro). Estos sólidos tienen que ser removidos del

licor madre antes que este sea pasado a precipitación de otra manera estos sólidos

contamina la semilla y el producto de hidrato. La remoción de estos sólidos es la

función del área 38 llamada Filtración de seguridad.

Dentro de los equipos, dispositivos y líneas necesarios para obtener el estado

óptimo del licor de limpieza se encuentra la línea 200-STL-38-749-K el vapor que

circula a través de esta tubería es utilizado para el calentamiento del licor de limpieza

que es enviado a las áreas 39 enfriamiento por expansión instantánea y 41

precipitación.

Figura 1.1. Diagrama de flujo

De acuerdo al diagrama de flujo se observa que el licor de limpieza será

succionado del tanque T-38-18 y bombeado por la bomba P-38-18 A/B y recircula

4

hacia el tanque T-38-18 pasando a través del intercambiador de calor E-38-1 el cual

elevará la temperatura del licor de limpieza hasta el valor prefijado en el rango de 70

ºC a 75 ºC. Esta temperatura será controlada con la adición de vapor al

intercambiador de calor a través de la tubería 200-STL-38-749-K.

Actualmente la tubería 200-STL-38-749-K del área 38 de CVG Bauxilum en

ocasiones presenta fugas de vapor vivo por las bridas pertenecientes a la línea que se

haya cercana al intercambiador de calor E-38-1.

Las fugas originan una reducción en la capacidad térmica e hidráulica del

área y por ende afectan el logro en la temperatura del licor madre, obteniéndose una

baja de productividad del licor que genera pérdidas de producción, debido a que no se

puede lavar las incrustaciones de oxalato en los equipos pertenecientes al área 39,

esto porque al presentar fuga de vapor en dicha línea se requiere de la parada del

proceso.

Para solventar el problema se plantea realizar un análisis de esfuerzos que

permita realizar un rediseño de esta línea, debido a que, se presume que la causa

primordial de esta falla es la concentración de esfuerzos en ciertas partes de la línea.

En caso de no ser cierto las causas de las fallas se plantearían recomendaciones que

mejoren el proceso hasta conseguir la causa real de falla.

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. Objetivo General

• Rediseño de la línea 200-STL-38-749-K, perteneciente al área 38 de

CVG Bauxilum, mediante un análisis de esfuerzos en la tubería.

5

1.2.2. Objetivos específicos

• Elaboración de la ingeniería conceptual para el rediseño de la línea

mediante un análisis de esfuerzos.

• Establecer los parámetros operacionales de la línea de tubería de vapor

vivo del área 38.

• Establecer y analizar los esfuerzos a los cuales estará sometida la línea

de forma analítica.

• Desarrollar el análisis de flexibilidad en tuberías con la aplicación del

software CAESAR II.

• Comparar los resultados que se obtuvieron del análisis de flexibilidad

de forma analítica con los resultados que se obtuvieron con la

aplicación del software.

• Desarrollar los planos de ingeniería básica.

1.3. ALCANCE

El desarrollo de este proyecto abarcará una primera parte, donde se

desarrollará la ingeniería conceptual y básica del rediseño de la línea mencionada

anteriormente, esto incluye ruteo de la línea, análisis de esfuerzos y planos de

ingeniería básica; para el logro de los objetivos planteados anteriormente. El estudio

que se realizará, se enfoca en los principios que rigen las siguientes disciplinas:

• Diseño de redes de tuberías.

• Esfuerzos provocados por elevadas temperatura.

• Flujo de fluidos.

6

1.4. DELIMITACIÓN

EL proyecto se llevará a cabo en la Gerencia de Proyecto e Ingeniería

perteneciente a la empresa CVG Bauxilum, Ubicada en la zona industrial Matanzas

de Puerto Ordaz. Teniendo como objetivo rediseño de la línea 200-STL-38-749-K

mediante un análisis de esfuerzos en la tubería. En caso de que se amerite el tiempo

del proyecto podría alargarse sin ningún inconveniente ya que actualmente soy

trabajador de la empresa en referencia, desempeñándome como dibujante en la sala

técnica. Con lo cual mi estadía en planta no estaría limitada a dieciséis (16) semanas

únicamente.

1.5. LIMITACIONES

El desarrollo de este trabajo dependerá principalmente de los parámetros de

operación de la línea, otra de las limitantes será la disponibilidad del tiempo del

personal de la empresa que este vinculado con el objeto de este proyecto, el cual

servirá como fuente para el suministro de información.

1.6. JUSTIFICACIÓN

Es de gran importancia para CVG Bauxilum corregir las fugas de vapor vivo

presuntamente producidas por concentraciones de esfuerzos debidos al efecto de la

temperatura, debido a que:

• Se evitan pérdidas de producción generadas por retardos en los lavados.

• Se mejora la capacidad térmica del área.

• Se mejora la capacidad hidráulica del área.

7

• Se ahorra tiempos de paradas en el proceso de obtención del licor de limpieza.

• Se mejoran los procesos de lavados en las líneas y equipos del área 39.

8

CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

2.1. GENERALIDADES DE CVG. BAUXILUM

2.1.1. Reseña histórica.

La corporación venezolana de Guayana, identificada por sus siglas CVG, fue

creada mediante la figura jurídica del instituto autónomo, por el decreto Nº 430, de

fecha 29 de diciembre de 1960.

A partir de los años 60, nació en Guayana la actividad industrial del aluminio.

Luego a finales del año de 1977 se constituyó Interamericana de Alúmina (CVG

Interalumina), con la participación mayoritaria de los entes estatales Corporación

Venezolana de Guayana con un 4.25%, y Fondos de Inversiones de Venezuela con un

92% asociados con Swiss Aluminium con un 3.75%.

En 1979 se crea la empresa Bauxita Venezolana, C.A (CVG Bauxiven), con la

misión de explotar el yacimiento de los Pijiguaos, siendo sus principales accionistas

la CVG y Ferrominera Orinoco, con una capacidad instalada anual de producción de

seis millones de toneladas métricas de Bauxita, esta capacidad permitía a CVG

Bauxiven satisfacer la demanda total de CVG Interalúmina.

Como parte de una estrategia desarrollada por la Corporación Venezolana de

Guayana para fortalecer el negocio del aluminio venezolano, afectado por factores

9

exógenos, este organismo estatal se vio en la necesidad de promover la fusión de las

empresas Bauxiven e Interalúmina en una sola compañía llamada CVG Bauxilum.

2.1.2. Ubicación Geográfica

CVG Bauxilum se encuentra ubicada al sur Oriente del país, en la zona

industrial Matanzas, parcela 523-01-02, Avenida Fuerzas Armadas, frente a la

empresa CVG Venalum, abarcando un área de 841.000 Km2. Puerto Ordaz, Estado

Bolívar, sobre el margen del Río Orinoco a 350 kilómetros de Océano Atlántico y a

17 kilómetros de su confluencia con el Río Caroní. Esto le permite a la empresa el

aprovechamiento de cuantiosos yacimientos de mineral de bauxita gracias a las

cercanías con las fuentes hidráulicas para la generación de energía eléctrica, la

disponibilidad de gas natural proveniente de los campos petroleros del oriente

Venezolano y por último la conexión por vía terrestre y fluvial con los mercados del

mundo.

2.1.3. CVG Bauxilum

CVG Bauxilum es una compañía integrada para la producción de alúmina, la

cual incluye la extracción de la bauxita y su transformación en alúmina a través del

proceso Bayer. En cuanto a acciones, la ocupa la inversión venezolana con un 99%, y

1% de capital extranjero, correspondiente al consorcio Alusuisse Lonza Holding. La

compañía esta dividida en la mina de bauxita (Operadora de Bauxita) y la planta

alúmina (Operadora de Alúmina), cuyas capacidades instaladas son de 6 millones por

año y 2 millones por año respectivamente.

CVG Bauxilum se encarga de la explotación de los yacimientos del mineral en

la zona de los Pijiguaos, correspondiente al municipio Cedeño del estado Bolívar;

tiene una capacidad instalada de 6 millones de TM al año.

10

2.1.4. Objetivos

2.1.4.1. Objetivo General

Garantizar la producción y abastecimiento de Bauxita y alúmina grado

metalúrgico, en términos de calidad, oportunidad y costos según los

requerimientos de consumo de las plantas reductoras nacionales e

internacionales.

2.1.4.2. Objetivos Específicos

Mejorar la producción y aumentar la eficiencia del proceso productivo de

acuerdo a las exigencias de los mercados internacionales.

Aumentar los ingresos de la empresa mediante la venta de alúmina

cumpliendo adecuadamente con los clientes.

Aumentar la adquisición de materias primas, equipos, insumos y servicios de

calidad y oportunidad requerida a costos competitivos.

Lograr el dominio tecnológico de los procesos productivos.

Disponer de un recurso humano competente identificado con la organización.

2.1.5. Misión

Impulsar el crecimiento sustentable de la industria nacional, satisfaciendo la

demanda de bauxita y alúmina en forma competitiva y rentable, promoviendo el

desarrollo endógeno, como fuerza de transformación social y económica.

11

2.1.6. Visión

Constituirnos en una empresa socialista, contribuyendo al desarrollo

sustentable de la industria nacional del aluminio, a los fines de alcanzar la soberanía

productiva, con un tejido industrial consolidado y desconcentrado, con nuevas redes

de asociación fundamentadas en la participación y la inclusión social rumbo al

Socialismo Bolivariano.

2.1.7. Política de la calidad, ambiente y seguridad

Fomentar el desarrollo, la participación del recurso humano y el mejoramiento

continuo, en los procesos de explotación de bauxita y producción de alúmina,

cumpliendo con las normas de calidad, ambiente, salud y seguridad laboral, para

satisfacer los requerimientos y expectativas de nuestros clientes, con altos niveles de

rentabilidad, competitividad y responsabilidad social.

12

2.1.8. Organigrama de CVG Bauxilum

Figura 2.1. Organigrama de CVG Bauxilum

13

2.2. GERENCIA DE PROYECTO E INGENIERÍA

2.2.1. Objetivos de la calidad

2.2.1.1.- Objetivo General

Desarrollar proyectos de ingeniería que garanticen la continuidad

operativa de la planta, las mejoras ambientales y la calidad de vida del

trabajador en términos de costo y oportunidad, así como la prestación de

servicios de apoyo técnico a la planta, custodia y actualización de toda la

documentación técnica de sus instalaciones y equipos, aplicar y velar por

el estricto cumplimiento de las normas de ingeniería internas, nacionales e

internacionales.

2.2.1.2.- Objetivos Específicos

Cumplir con la Ejecución Presupuestaria de los proyectos de inversión.

Cumplir con la Ejecución Presupuestaria de los proyectos de gasto.

Cumplir con la Ejecución física global de los proyectos de Ingeniería

Mantener el Sistema de Gestión de la Calidad.

2.2.2. Indicadores de gestión de la calidad

Monto en bsF. Colocado en solicitudes de pedido para la ejecución de los

proyectos.

Monto en bsF. Colocado en pedido para la ejecución de los proyectos.

Porcentaje de avance físico de los proyectos de ingeniería.

Cantidad de proyectos cerrados por mes.

Cantidad de horas de sobretiempo por mes.

14

Cantidad de horas hombre prestada en apoyo a la planta.

Cantidad de planos digitalizados.

Cantidad de documentos ingresados al sistema de documentos internos.

Cantidad de registros de planos y líneas de tuberías ingresados al sistema

de control de planos.

Auditorías internas de la calidad.

Monto ejecutado en dólares.

2.2.3. Organigrama estructural

Figura 2.2. Organigrama estructural gerencia de proyecto e ingeniería

2.3. EXTRACCIÓN Y TRANSPORTE DE LA BAUXITA

En los Pijiguaos, el mineral se extrae directamente desde los bloques del

yacimiento, con el fin de lograr la calidad necesaria del material, esto se logra con

palas hidráulicas que arrancan y cargan bauxita en camiones roqueros de 50

toneladas, para su transporte hasta la estación de trituración. En el sistema de

15

trituración se trabaja la bauxita en molinos hasta llevarla a una granulometría menor

de 100 milímetros para luego ser transportada hacia pie de cerro gracias a una tolva

de transferencia con tecnología tipo teleférico. Los patios de almacenamiento a donde

llegan, constan de unos sistemas recuperadores y correas transportadoras que llevan

la bauxita hacia los vagones de carga, que se dirigen al Puerto de el Jobal, en el cual

gabarras con capacidad de 1500 a 2000 toneladas, auxiliadas por remolcadores,

transportan el mineral a través del Río Orinoco hasta la operadora de alúmina en

Ciudad Guayana, en un recorrido de 650 Kilómetros.

2.4. PROCESO BAYER

En 1887 el científico Kart Joseph Bayer desarrollo en Austria el proceso

químico para la obtención de la alúmina concentrada en el mineral de bauxita. El

proceso que se aplica en Bauxilum que permite la refinación de las menas de bauxita

para la obtención de alúmina de grado metalúrgico, sigue el mismo principio del

proceso Bayer, pero con nuevas tecnologías, y se puede dividir en tres secciones:

Manejo de materiales, Lado rojo y Lado blanco.

2.4.1. Manejo de Materiales

El área correspondiente a manejo de materiales, consta de equipos que

permiten el manejo de la bauxita y soda cáustica y la exportación del producto final.

La planta de alúmina cuenta con unidades para el apilado y recuperación de la

bauxita. Actualmente posee una unidad con sistemas de cangilones que combina tanto

el apilado como la recuperación, con una capacidad promedio de 2400 t/h para el

apilado y de 900 t/h para la recuperación. Además esta área cuenta con silos de

almacenamiento de bauxita con una capacidad de 1.800.000 toneladas y un silo de

almacenamiento de alúmina con una capacidad de 150.000 toneladas.

16

2.4.2 Lado Rojo

El lado rojo permite la reducción del tamaño de las partículas del mineral, la

extracción de la alúmina contenida en la bauxita y la separación de las impurezas que

acompañan a la alúmina.

El primer paso involucrado en el proceso Bayer es la reducción del tamaño de

las porciones de bauxita (trituración y molienda), para así aumentar la superficie

expuesta a reacción. Inicialmente, la bauxita que entra al proceso es triturada por

medio de unos trituradores de rodillos, estos trituradores además de bauxita se

alimentan de cal y cierto volumen de licor fuerte (solución fuerte de Na2O),

precalentado para prevenir cualquier bloqueo y para evitar la formación de polvo

cuando se trabaja con bauxita seca. A esta mezcla se le da el nombre de suspensión de

bauxita molida. A la salida de los trituradores las partículas grandes de bauxita no

deben ser mayores de 15 mm. Después de los trituradores, la suspensión de bauxita

fluye por gravedad hasta los molinos de bolas, mezclándose previamente con licor

fuerte precalentado, cuya función es lograr una molienda fina.

Luego de la etapa de molienda, los sólidos, son introducidos a los digestores,

donde se les añade licor fuerte precalentado. La disolución de la bauxita con el licor

fuerte es una reacción endotérmica, por lo que es necesario inyectar vapor a una

temperatura de 225 grados centígrados. A una temperatura aproximada de 140

grados centígrados se lleva a cabo la digestión, produciéndose una solución acuosa.

La disolución de la alúmina se obtiene según la siguiente reacción:

AL (OH)3 + NaOH NaALO2 + 2H2O

Después del área de digestión y una vez que la solución acuosa de aluminato

de sodio ha sido enfriada por expansión instantánea, es diluida con el fin de propiciar

17

un proceso de asentamiento, este asentamiento trae consigo numerosas partículas

insolubles constituidas generalmente por cuarzo y óxidos de hierro. Este grupo de

partículas es removida en la sección de desarenado. El objetivo del área de

desarenado es entonces separar partículas mayores de 100 micrones. La separación se

realiza en unos equipos llamados hidrociclones, que se aprovechan de la acción de la

fuerza centrifuga para separar las partículas y desecharlas.

La solución que sale de los hidrociclones (solución con partículas finas), es

llamada lodo rojo y es enviada a unos tanques de rebosado de donde luego pasa a ser

almacenada en los tanques almacenadores de suspensión acuosa del aluminato de

sodio para la alimentación de los espesadores. En los tanques espesadores se adiciona

un floculante que facilita el proceso de sedimentación. La separación del lodo rojo se

efectúa por asentamiento por gravedad en un tanque espesador. El lodo rojo es

recuperado como una solución acuosa espesa y pasa hacia los tanques de lavado de

lodo rojo. El lavado de lodo rojo consiste en hacer pasar una solución acuosa de lodo

rojo en contracorriente con al agua de lavado a través de tanques de lavado, iguales a

los espesadores. Con este proceso se logra recuperar la soda cáustica y la alúmina

para ser retornadas al proceso, mientras que el lodo rojo queda listo para ser

desechado.

2.4.3. Lado Blanco

En el lado blanco, después de haberse filtrado la suspensión de aluminato de

sodio, esta pasa a una fase de enfriamiento por expansión que la acondiciona

(sobresatura) para la fase de precipitación donde se obtiene el hidrato de alúmina. La

precipitación del hidrato es promovida por la adición de semillas de hidrato, las

cuales van a actuar como nucleadores y fomentadores del crecimiento de las

partículas de trihidrato de aluminio. Las semillas de hidrato de alúmina pasan por un

proceso de lavado y filtrado antes de que sean retornadas a los precipitadores, lo que

se traduce en un incremento neto de la productividad en el orden 500 t/día. Los

18

cristales de alúmina que van precipitando a partir del licor preñado fluyen a la

temperatura de 60 a 75 grados centígrados a través de la primera serie de 9

precipitaciones, los cuales están provistos de agitación mecánica. El proceso de

precipitación es una reacción lenta que requiere de un tiempo de residencia de hasta

40 horas. Por cada etapa se tienen en el primer paso de precipitación doce

precipitadores de 1650 m3 y para el segundo paso quince precipitadores de 3000 m3,

un tercer paso de diez precipitadores de 4500 m3 es común para ambas etapas. La

preclasificación del hidrato se consigue en los últimos dos precipitadores de 4500 m3.

Del área de precipitación, los cristales del hidrato pasan al área de clasificación.

La clasificación es por rangos de tamaño, separándose las partículas en tres

fracciones, la más gruesa se envía a filtración y calcinación, mientras que la

intermedia y fina se reciclan para ser empleadas como semillas. Los cristales de

hidrato depositados en el fondo de los clasificadores primarios son enviados al área

de filtración del producto, donde el hidrato es lavado y separado del licor cáustico

agotado mediante filtración al vacio en filtros horizontales. El hidrato filtrado tiene

que alcanzar un bajo contenido de humedad libre, para así minimizar el calor

requerido para el secado térmico del mismo en los calcinadores. Con el lavado del

trihidrato se desea minimizar el contenido de sosa cáustica en el hidrato para reducir

aun mas las perdidas de dicha sustancia y evitar que el producto final este

contaminado con soda cáustica. El hidrato filtrado es descargado por medio de un

tornillo sin fin hacia la tolva de alimentación de los secadores de los calcinadores. El

hidrato es calcinado con el propósito de remover la humedad y el agua químicamente

ligada. Esto es hecho en un calcinador de lecho fluidizado (dos por etapa), a una

temperatura máxima de 1100 grados centígrados. El agua es removida por

intercambio de calor en los ciclones entre el hidrato y los gases de desecho. El

material luego entra en el horno de lecho fluidizado. Finalmente la alúmina calcinada

es enfriada en ciclones con intercambio de calor en contracorriente con el aire de

combustión. Un enfriador de lecho fluidizado provee el enfriamiento final. Para

separar los sólidos arrastrados en los ciclones con gases de desechos e incrementar la

19

eficiencia, se instalaron unos precipitadores electrostáticos. El ciclo de producción de

la alúmina es un circuito cerrado en lo que respecta al licor cáustico el cual es

manejado a diferentes niveles de concentración. Una planta de evaporación

instantánea esta instalada para restaurar la concentración original de la cáustica y

reducir el consumo especifico de vapor.

2.5. ÁREA 38

Esta es el área de filtración de seguridad, se encuentra ubicada al sur del área

de clarificación (área 93) y al oeste de área de lavado de lodo rojo (área 35). La

función de esta es la remoción de residuos sólidos (lodo rojo) que quedan en

suspensión en el licor madre saturado en alúmina después de las operaciones de

desarenado y sedimentación. Si estos sólidos no fueran removidos del licor madre

antes que este sea pasado a precipitación se contaminaría la semilla y el producto de

hidrato.

2.6. FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERÍA

2.6.1. Sistema de Tuberías Simple

Para explicar en qué consiste el análisis de flexibilidad de tuberías se tomará

como punto de partida un sistema sencillo como el mostrado en la figura 2.3.

Figura 2.3. Sistema de Tuberías Simple

20

Sea p la presión interna del fluido en una tubería y sea T la temperatura de

diseño. Se designará como Ta a la temperatura ambiente. Cuando el sistema entra en

operación, la presión se eleva hasta p y la temperatura cambia de Ta a T, generándose

esfuerzos en el sistema. La presión interna p genera esfuerzos tangenciales y

longitudinales, mientras que el cambio de temperatura ∆T = T – Ta, genera esfuerzos

longitudinales de origen térmico que tienen lugar debido a que la tubería no puede

expandirse (o contraerse) libremente a consecuencia de encontrarse restringida en su

desplazamiento a causa de los soportes y de su conexión a los equipos que conforman

el sistema.

Si adicionalmente se considera el efecto del peso de la tubería, así como el de

su contenido se tendrá también la presencia de esfuerzos longitudinales y de corte

análogos a los producidos por la expansión térmica.

Todos estos estados de cargas deben considerarse en el análisis de un sistema

de tubería. Como regla general, el esfuerzo más limitante y de mayor relevancia es el

de la expansión térmica.

2.6.2. Esfuerzos por Presión (Hoop)

La presión del fluido dentro de la tubería produce un esfuerzo tangencial o

circunferencial que ocasiona un aumento en el diámetro de la tubería, y un esfuerzo

longitudinal que produce un aumento en la longitud de la misma.

Figura 2.4. Esfuerzos por presión

21

Si el espesor t de la tubería es pequeño comparado con el diámetro exterior,

puede suponerse que estos esfuerzos se distribuyen uniformemente a lo largo del

espesor.

Para determinar el esfuerzo tangencial, se pasa un plano longitudinal

imaginario que divida a la tubería en dos partes iguales.

La fuerza resultante de los esfuerzos tangenciales debe estar en equilibrio con

la resultante de la presión interna p sobre la mitad de la superficie de la tubería.

El código ASME B31.3 establece que el esfuerzo por presión debe calcularse

como:

Donde Y es un factor reducción que depende de la temperatura de diseño y del

tipo de material.

Tabla N° 2.1. Factor Y para t < D/6

Temperatura (ºF) <900 <950 <1000 <1050 <1100 <1150

Aceros ferríticos 0.4 0.5 0.7 0.7 0.7 0.7

Aceros austeníticos 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.7

Otros materiales dúctiles 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4

Fuente: Álvarez (2003)

2.6.3. Esfuerzos por cargas sostenidas (Gravedad)

Los esfuerzos por cargas sostenidas son aquellos esfuerzos longitudinales

producidos por la presión, el peso de la tubería, su contenido, el aislante y otras

cargas de gravedad tales como el peso de las válvulas, bridas, filtros, etc.

22

Este esfuerzo puede expresarse como:

σl = σlp + σlg

Donde σlp es el esfuerzo longitudinal debido a la presión y σlg es el esfuerzo

longitudinal debido a las cargas de gravedad.

Para evaluar σlp se pasa un plano imaginario transversal y se hace un diagrama

de cuerpo libre.

Figura 2.5. Esfuerzo por cargas sostenidas

Escribiendo la ecuación de equilibrio de fuerzas en la dirección longitudinal se

tiene:

t. D . . 4D . p Lp

2

πσ=π

De donde:

4tD . p Lp =σ

El código establece que debe usarse como espesor t – tc. Luego

) t-(t 4D . p

cLp =σ

El peso de la tubería y de otras cargas concentradas genera en cada sección

transversal de la tubería momentos flectores Mi y Mo.

23

En general, cuando una viga está sometida a flexión pura por un momento

flector M, los esfuerzos se distribuyen de acuerdo con la ecuación

Iy . M =σ

Donde M es el momento flector, “y” es la distancia del eje centroidal al punto

donde se desea calcular el esfuerzo e I es el momento de inercia de la sección

transversal. El esfuerzo máximo ocurre en el punto más alejado del eje centroidal,

esto es, en y = D/2.

Figura 2.6 Momentos en conexiones

Entonces,

I 2D . M max =σ

O bien,

ZM max =σ

Donde:

2D

I Z =

Es el módulo de sección.

24

En este caso,

( ) ( )200

2ii M . i M . i M +=

( )

2D

d ´-D 64 Z

44π

=

Luego,

Z)M . (i )M . (i

2

002

iiLg

+=σ

El código ASME B31.3 establece que el esfuerzo longitudinal viene dado

por:

c

200

2ii

cL Z

)M . (i )M . (i

) t-(t 4D . P

++=σ

Donde:

Mi = Momento flector en el plano

M0 = Momento flector del plano

ii = Factor de intensificación de esfuerzos en el plano

i0 = Factor de intensificación de esfuerzos fuera del plano

Zc = Módulo de sección basado en t – tc, esto es:

[ ]4c

4c )2t -2t - (D - D

32D Z π

=

Para que la tubería no falle debido al efecto de las cargas sostenidas, debe

cumplirse que:

σL < Sh

Donde Sh es el esfuerzo admisible básico a la temperatura de diseño.

25

2.6.4. Esfuerzos por cargas de expansión

Cuando la temperatura del sistema se eleva desde la temperatura ambiente

hasta la temperatura de operación, la tubería se expande. Debido a que no puede

hacerlo libremente por las restricciones impuestas por los equipos y soportes, se dobla

y se tuerce generándose momentos flectores, así como un momento torsor en cada

sección transversal de la tubería.

Figura 2.7. Esfuerzos por Expansión

Los momentos flectores Mi y Mo, producen un esfuerzo máximo longitudinal,

Z)M . (i )M . (i

2

002

iin

+=σ

Mientras que el momento torsor Mt genera un esfuerzo máximo de corte

Z2M t

t =τ

Ambos esfuerzos se calculan utilizando el espesor nominal. Para analizar la

resistencia de la tubería sujeta a este estado combinado de cargas debe utilizarse una

teoría de fallas. El código ASME B31.3 utiliza la Teoría del Esfuerzo de Corte

Máximo (Teoría de Tresca), la cual establece que para que no se produzca una falla,

el esfuerzo de corte máximo real debe ser menor que el esfuerzo de corte máximo en

el ensayo de tracción para un nivel determinado de carga.

26

Para determinar el esfuerzo de corte máximo en la tubería se tienen que

evaluar primero los esfuerzos principales:

2t

2bb

2,1 2

2

τ+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ σ

±σ

=σ

Entonces,

2t

2b21

max 2

2 - τ+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ σσσ

=τ

Para que el material no falle,

24

2

21 2

t

2b A

ES

≤+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛= τσ

σ

O bien:

Ab

E S≤+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛= 4 2

2t

2

τσ

σ

Donde σE se denomina esfuerzo de expansión y SA es el esfuerzo admisible de

expansión, el cual viene dado por:

SA = f(1,25Sc + 0,25Sh)

Donde:

Sc = Esfuerzo admisible del material de la tubería en la condición fría

del apéndice del código ASME B31.3, Psi

Sh = Esfuerzo admisible del material de la tubería en la condición

caliente del apéndice del código ASME B31.3, Psi.

f = Factor de reducción del rango de esfuerzo admisible para el número

total de ciclos de temperatura durante la vida esperada.

27

El código establece que si el esfuerzo longitudinal por cargas sostenidas es

inferior al esfuerzo admisible, es decir, si σL < Sh, entonces la diferencia Sh – SL

puede agregarse al esfuerzo admisible SA. Luego

Tabla 2.2. Factor f de Reducción por Cargas Cíclicas

Número de ciclos N f

N < 7000 1.0

7000 < N < 14000 0.9

14000 < N < 22000 0.8

22000 < N < 45000 0.7

45000 < N < 100000 0.6

N > 100000 0.5

[ ]LhhcA - S 0,25S 1,25S f S σ++=

Esto es:

[ ]LhcA - )S (S 1,25 f S σ+=

2.7. ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERÍAS

2.7.1. Consideraciones Generales

Para determinar los efectos de expansión y esfuerzos en un sistema de

tuberías, es necesario conocer:

a. Cuál código se aplica al sistema

b. Las condiciones de presión y temperatura de diseño

c. Las especificaciones del material

d. El diámetro de tubería y el espesor de pared de cada componente del sistema

28

e. El esquema del sistema incluyendo dimensiones y movimientos térmicos en

cualquier punto

f. Limitaciones de reacciones finales en los puntos, tales como las establecidas

por los fabricantes de equipos

Teniendo determinadas las bases del problema, el código aplicable podría

establecer los requerimientos mínimos de seguridad para el material a las condiciones

de presión y temperatura de diseño.

El análisis de flexibilidad de tuberías consiste en determinar si una línea posee

la suficiente capacidad para absorber las cargas que inciden sobre ella tales como el

propio peso de la tubería, la expansión térmica, las fuerzas producidas por la presión

del fluido, vibraciones, terremotos y otras. Uno de los factores que pueden aumentar

o disminuir la flexibilidad de una tubería es su configuración geométrica.

Los sistemas de tuberías deben poseer la flexibilidad suficiente de manera que

la expansión o la contracción térmica, así como los movimientos de soportes y

equipos, no conduzcan a:

a. Falla de la tubería o de los soportes por esfuerzos excesivos o fatiga

b. Fugas en las juntas

c. Falla de las boquillas de los equipos conectados (recipientes a presión,

bombas, turbinas.), por reacciones excesivas.

2.7.2. Requerimientos de Flexibilidad en un Sistema de Tuberías

a. El rango de esfuerzos en cualquier punto debido a desplazamientos en el

sistema no debe exceder el rango de esfuerzos permisibles establecido en la

sección de esfuerzos admisibles.

29

b. Las fuerzas de reacción no deben perjudicar a los soportes o equipos

conectados

c. Los movimientos de la tubería deben estar dentro de los límites establecidos.

2.7.3. Fundamentos relacionados con el análisis de flexibilidad

Una estructura que esté sujeta a un cambio de temperatura cambiará sus

dimensiones físicas si está libre de expandirse. En caso contrario, se inducirán

esfuerzos provocándose fuerzas de reacción y momentos en los equipos de los

extremos.

El problema básico del análisis de flexibilidad es determinar la magnitud de

estos esfuerzos en la tubería y controlar que las reacciones en los puntos de

interconexión con equipos estén dentro de valores aceptables.

2.7.4. Tubería Curva

Cuando se utiliza una tubería doblada para cambiar la dirección en un sistema

de tuberías, su sección recta se deforma elípticamente cuando está sometida a flexión

y su flexibilidad aumenta. Además, el tubo doblado tiene un mayor esfuerzo que el

determinado por la teoría elemental de flexión. Esta característica de las tuberías

dobladas o codos, se toma en consideración en el análisis de flexibilidad

introduciendo los "factores de flexibilidad" y los "factores de intensificación de

esfuerzos", los cuales son simplemente las relaciones entre la flexibilidad y esfuerzos

reales y aquellos teóricos derivados de la teoría elemental de flexión.

Bajo las reglas del código ASME B31.3, el factor de flexibilidad y el factor de

intensificación de esfuerzos para un tubo doblado o codo están dados por las

siguientes fórmulas:

30

2.7.4.1. Factor de Flexibilidad, k

La tubería curva tendrá una característica de flexibilidad equivalente a

la de una tubería recta de longitud L.

2.7.4.2. Factor de Intensificación de Esfuerzos, i

El código hace distinción entre la flexión en el plano de curvatura y

fuera del plano de curvatura.

Donde:

h = características de flexibilidad

t = espesor de la pared del tubo

R = radio de curvatura del tubo curvo

r = valor medio entre el radio exterior e interior de la sección del tubo.

En el código ASME B31.3 se muestran los factores de flexibilidad y

de intensificación de esfuerzos para codos, codos fabricados, ramales y puntos

terminales.

2.7.5 Consideraciones en el diseño del sistema por flexibilidad

Los sistemas de tuberías deben ser lo suficientemente flexibles para evitar

esfuerzos mayores que los permisibles y cargas excesivas derivadas de la expansión

térmica.

31

Se deben evitar fallas por fatiga en tuberías y soportes debido a deformaciones

muy elevadas.

Para sistemas de tuberías en el área de la planta de proceso y fuera de ella

("onsite" y "offsite"):

SE < SA

Para sistemas de tuberías externos a las unidades de proceso cuando el diseño

es gobernado por condiciones anormales de temperatura: Esfuerzo de flexibilidad

(SE) menor o igual que el doble del rango de esfuerzos admisibles

SE < 2SA

Sin embargo, esto está limitado a las siguientes condiciones:

a. Cuando la temperatura anormal del fluido está por debajo de su punto de auto

ignición y de 500 ºF (260ºC)

b. Cuando estas condiciones no ocurren más de 5 veces al año.

SA se calcula para la condición normal y no se hace reducción en el cálculo

del rango admisible de esfuerzos (SA) por el esfuerzo longitudinal (SL) que soporta la

tubería cuando es menor que el esfuerzo admisible en caliente (Sh).

2.7.6. Proceso General de Evaluación del Problema de Flexibilidad en las

Tuberías

El objetivo del análisis de flexibilidad de las tuberías es asegurar el sistema

contra la falla del material o soportes por sobre esfuerzos, contra fugas en las juntas y

contra solicitación en los equipos acoplados. En el análisis de flexibilidad de

cualquier sistema, los siguientes pasos son típicos a fin de confirmar la aceptabilidad

de un diseño de tuberías:

32

Típicamente, el sistema a ser evaluado tiene especificado el tamaño de la

línea, el material y el número de ciclos de temperatura previstos, definidos por el

proceso, y las consideraciones de las presiones y temperaturas de diseño. Esta

información junto con el arreglo de la tubería y el mayor diferencial de temperatura,

considerando operación normal, puesta en marcha, disparo o paradas, limpieza con

vapor, condiciones anormales, etc., representan los datos necesarios para las

evaluaciones de la flexibilidad del sistema.

Con respecto al arreglo inicial, típicamente se selecciona de tal forma que sea

consistente con las limitaciones en las caídas de presión, el espacio disponible, acceso

a los equipos, estructuras existentes para soportes y reglas prácticas inherentes a la

flexibilidad de la tubería.

Las condiciones en los extremos tienen que ser supuestas. La práctica general

en este aspecto es tomar los puntos terminales como totalmente fijos, en la ausencia

de un análisis detallado de las rotaciones y deflexiones en los cuerpos de los

recipientes, bombas, carcasas de compresores o turbinas u otros anclajes de la tubería.

El diseñador deberá localizar, con razonable precisión, todos los puntos de

restricciones intermedios incluyendo soportes, guías, topes y todos los ramales que

afecten significativamente la flexibilidad de la tubería. Las mayores restricciones a

los movimientos libres de la línea debido a guías o soportes, usualmente se toman en

consideración en los cálculos o en otras formas de análisis.

Por supuesto, todas las ubicaciones de los soportes, incluyendo resortes o

contrapesos, deberán ser considerados para la evaluación de las cargas aplicadas y

esfuerzos atribuidos a cargas muertas.

33

Se debe seleccionar un método apropiado para el análisis del sistema de

acuerdo con su importancia.

Finalmente, deberá hacerse una comparación de los resultados obtenidos con

el rango de esfuerzo admisible, con los criterios de cargas límites seleccionados para

el sistema o los equipos conectados al mismo.

2.8. CAESAR II

CAESAR II es el único software de ingeniería que permite analizar

completamente sistemas de tuberías de cualquier tamaño y complejidad, con un

mínimo esfuerzo, tanto estática como dinámicamente, incorporando métodos de

cálculo y análisis no disponibles en ningún otro software. Su principal función es el

modelaje, análisis y diseño de sistemas de tuberías, objetivo que logra este programa

mediante el estudio de aspectos fundamentales del análisis de tuberías como:

a. Esfuerzos por carga sostenida, expansión térmica y operacional en la tubería.

b. Esfuerzos y reacciones en boquillas de equipos rotativos y recipientes a

presión, según las normas API.

c. Modelaje y selección de soportes.

d. Cálculo de desplazamientos y deflexiones en las tuberías

e. Análisis y resultados por medio de normas estándar de diseño.

El sistema de tuberías puede estar compuesto por cualquiera de los más

comunes elementos, tales como tramos rectos, codos, tés, etc. Estos componentes

pueden tener cualquier orientación en el espacio. Las cargas pueden resultar de la

expansión térmica, movimientos en los anclajes, peso uniforme de la tubería y su

contenido, restricciones externas que incluyen fuerzas o momentos aplicados,

deflexiones y rotaciones. Los problemas que incluyan apoyos con restricciones

parciales así como extremos libres, pueden ser resueltos.

34

Los datos de entrada consisten en una descripción geométrica del arreglo:

dimensiones, propiedades físicas, temperatura de operación, restricciones impuestas.

Esta información puede ser introducida en el sistema métrico SI o en sistema inglés.

Los elementos de entrada deberán ser descritos y numerados en una secuencia

definida, de manera de permitir la interpretación correcta de los resultados. Los

resultados que produce el programa de análisis de flexibilidad incluyen los esfuerzos,

deflexiones, rotaciones, momentos y fuerzas en cada punto de interés del sistema de

tuberías, así como las fuerzas y momentos en los anclajes y restricciones.

Ya sea un nuevo diseño o la verificación de una instalación existente,

CAESAR II produce resultados que describen totalmente el comportamiento de la

instalación basado en lineamientos y límites de diseño fijados por ASME B31, ASME

Section III & VIII, WRC, API, NEMA, EJMA y otras, asegurando que la solución

final está comprendida por las especificaciones de los códigos.

2.8.1. Capacidades de análisis estático

Este programa comienza el análisis estático recomendando los casos de carga

necesarios para cumplir con el código según las cargas y tuberías ingresadas. En la

mayoría de los casos, los estados de carga sugeridos por CAESAR II son necesarios y

suficientes pero queda a criterio del proyectista el agregado o eliminación de otros.

El análisis estático se usa para estudiar la respuesta a cargas cuyas magnitudes

permanecen constantes en un período de tiempo relativamente largo. Las opciones de

cargas estáticas en CAESAR II son gravedad (peso muerto), térmica, presión, viento

y terremoto. No obstante, el terremoto no es una carga estática, pero puede

considerarse como una carga estática equivalente por simplicidad.

35

Esta habilidad de realizar combinaciones algebraicas de desplazamientos,

fuerzas y stress le permite al proyectista construir sus propios casos de cargas para

casos específicos.

Figura 2.8. Ejemplo de análisis estático con CAESAR II.

2.8.2. Capacidades de análisis dinámico

Un análisis dinámico en CAESAR II comienza con la especificación de los

datos dinámicos de entrada tales como acumulación de masas, vibraciones

observadas, restricciones, etc.

En el análisis dinámico, CAESAR II se basa a través del proceso de

especificación y adquisición de los datos necesarios para el análisis dinámico. Las

capacidades de análisis dinámico incluyen:

• Análisis modal y cálculo de frecuencias naturales.

• Evaluación de excitaciones por fuerzas harmónicas y desplazamientos.

• Animación de la respuesta dinámica del sistema.

• Combinación de cargas dinámicas y estáticas.

• Análisis de cargas por impacto.

• Análisis de espectro para cargas de impacto, sismo y excitaciones por

movimientos independientes de los soportes.

36

• Cálculos de cargas por empuje y aumento de presiones por válvulas de

alivio.

• Interfase con programas de cálculos hidráulicos. (LIQT, PIPENET)

Figura 2.9. Ejemplo de análisis dinámico con CAESAR II.

2.8.3. Capacidades de salida

• Los módulos de salida de CAESAR II proveen una gran facilidad

interactiva.

• La selección de casos de carga, diseño de encabezados, y reportes

posibilitan visualizar lo que realmente interesa al destinatario del informe,

con los resultados.

• La salida gráfica muestra desplazamientos, fuerzas, momentos, stress y

animaciones dando un informe visual completo del comportamiento de la

tubería.

• El avanzado sistema interactivo de CAESAR II permite analizar,

modificar y chequear un sistema de tuberías antes de ser impreso

ahorrando tiempo y dinero.

37

CAPITULO III

MARCO METODOLÓGICO

3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN

La investigación a desarrollar es del tipo descriptiva debido a que fue

necesario detallar, establecer y analizar los esfuerzos a los que estará sometida la

línea 200-STL-38-749-K, igualmente establecer los parámetros operacionales de la

línea de la tubería antes mencionada. Al respecto Fidias Arias (1997), expresa que:

“consiste en la caracterización de un hecho, fenómeno, individuo o grupo, con el fin

de establecer su estructura o comportamiento”.

Igualmente se considera del tipo documental, puesto que se recopilará

información de manuales, planos y normas que ayuden a solucionar los objetivos

propuestos en esta investigación, además obtener y revisar los datos obtenidos del

programa CAESAR II. Arias (1997), define que “la investigación documental se basa

en obtención y análisis de datos provenientes de material impreso u otros tipos de

documentos”.

3.2. DISEÑO DE INVESTIGACIÓN

El diseño de esta investigación es de campo, ya que algunos datos necesarios

para el estudio fueron obtenidos en el área 38 de CVG Bauxilum. Al respecto Ander-

Egg (1998), indica que “la investigación de campo es aquella que se realiza en

38

contacto directo con la comunidades o grupo de personas que son motivos de

estudio”.

3.3. POBLACIÓN Y MUESTRA

Para la obtención de la información que permitió estudiar la línea de vapor

vivo, 200-STL-38-749-K del área 38 de CVG Bauxilum, se utilizó como población

esta misma para llevar a cabo la investigación.

La muestra igualmente está representada por la línea de vapor mencionada

anteriormente.

3.4. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS

Las técnicas de recolección de datos aplicadas en la presente investigación

permitirán la obtención de la información y de los datos necesarios para llevar a cabo

el presente estudio, entre ellas tenemos:

3.4.1. Entrevistas

Se realizaron entrevistas no estructuradas a los Ingenieros y personal

relacionados con el funcionamiento de la línea 200-STL-38-749-K, con el fin de

obtener información sobre las raíces del problema. Según Fidias Arias (1997) define

la entrevista como “más que un simple interrogatorio, es una técnica basada en un

dialogo o conversación “cara a cara”, entre el entrevistado y el entrevistador acerca

de un tema previamente determinado, de tal manera que el entrevistador pueda

obtener la información requerida” (p.73)

39

3.4.2. Revisión documental

La revisión de documentos, manuales y planos, para realizar la recolección de

datos e información relacionada con el trabajo en cuestión, como: diseño, ubicación,

parámetros de funcionamiento de las líneas de tuberías. Según la universidad Abierta

Nacional (1992) la define como “el estudio de documentos tomando en cuenta todos

aquellos documentos bajo una forma de relativa permanencia, puede servir para

suministrar o conservar una información. Entre estos documentos se encuentra la

bibliografía, gráficos y visuales” (p.54).

3.4.3. Observación directa:

La observación directa se realizo con un recorrido por el área 38, en donde se

reviso el recorrido de la línea, soportes y elementos de la línea. Además se procedió a

la toma de datos como las medidas del diámetro y longitud de la misma, datos

necesarios para la realización de los planos. Al respecto Fidias Arias (1997) define:

“la observación es una técnica que consiste en visualizar o captar mediante la vista,

en forma sistemática, cualquier hecho, fenómeno o situación que se produzca en la

naturaleza o en la sociedad, en función de unos objetivos de investigación

preestablecido”.

3.5. PROCEDIMIENTO

El análisis de esfuerzos en la tubería vapor vivo (Línea 200-STL-38-749-K)

del área 38, se llevo a cabo de la siguiente manera:

1. Estudio del Sistema de Gestión de Calidad de C.V.G. Bauxilum (Misión,

Visión, Política de Calidad, Objetivos de Calidad, Organigrama Estructural,

Normas y Procedimientos).

40

2. Estudio del Sistema de Gestión de Calidad de la Gerencia de Proyecto e

Ingeniería (Misión, Visión, Objetivos de Calidad, Organigrama Estructural,

Indicadores de Gestión, Procedimientos y Prácticas Administrativas).

3. Estudio del proceso de producción de alúmina (Bayer) de C.V.G. Bauxilum.

4. Estudio del proceso del área 38 de C.V.G. Bauxilum.

5. Visita a la planta para familiarizarse con el proceso.

6. Búsqueda de información relacionada con el trabajo en cuestión, (planos,

normas de C.V.G. Bauxilum, condiciones de trabajo de las tuberías y software

de flexibilidad en tuberías).

7. Realizar planos isométricos de la tubería de vapor vivo (Línea 200-STL-38-

749-K), que permitan identificar con exactitud las dimensiones de las tuberías,

así como también, los accesorios y conexiones que pertenecen al recorrido de

dicha línea de tubería.

8. Ingresar información al programa de análisis de esfuerzos en tuberías obtenida

de la tubería de vapor vivo (Línea 200-STL-38-749-K).

9. Correr programa de análisis de esfuerzos en la tubería de vapor vivo (Línea

200-STL-38-749-K) del área 38.

10. Realizar informe del Análisis de esfuerzos en la tubería de vapor vivo (Línea

200-STL-38-749-K), del área 38.

11. Realizar informe de pasantías.

41

12. Entrega del trabajo.

42

CAPITULO IV

RESULTADOS

4.1. CONSIDERACIONES TOMADAS EN EL ANÁLISIS.

1. Se realizó un análisis de forma analítica el cual se verificó con el software

Caesar II y posteriormente se realizaron los cálculos restantes del análisis de

flexibilidad de las líneas de tubería.

2. Se analizó la tubería 200-STL-38-749-K de vapor a baja presión del área 38

que entra al intercambiador de calor E-38-1.

3. Todo lo referente a la identificación de las líneas de tubería, designación y

clases de servicio se obtuvieron de las especificaciones de diseño DS-008.

Sistema de designación de servicios; DS-010. Sistema de numeración de

líneas de tuberías y DS-015. Clase de diseño de tuberías de CVG Bauxilum.

4. La tubería esta hecha de acero al carbono ASTM A-53 Gr. A ó B, son tubos

sin costura cuyo diámetro es de 200 mm con Schedule de tubería de 20.

5. El espesor de la tubería es de 6,35 mm, el cual se obtuvo de la especificación

de diseño DS-651. Tuberías. Dimensiones y pesos de tuberías de acero de

CVG Bauxilum con base en el código ASME B31.3, para Schedule de tubería

de 20.

43

6. El factor de corrosión es de 1,6 mm para tuberías con el servicio K, el cual se

obtuvo de la especificación general GS-615. Especificación de tuberías. Clase

de diseño “K” de CVG Bauxilum con base en el código ASME B31.3.

7. La línea de tubería de estudio esta sometida a una presión de 8 Bar (800 Kpa)

y a una temperatura promedio de 230 °C, estos datos se obtuvieron de las

especificaciones técnicas del proyecto.

8. Para el material de la tubería es A-53 Grado A, seleccionado del código

ASME B31.3 se tiene un esfuerzo permisible básico de 16 Kpsi (110,32 Mpa)

para un rango de temperaturas que va de 100 ºF (37,78 °C) a 500 ºF (260 °C).

9. El material del aislamiento de la tubería es fibra mineral de vidrio preformada

(Conchas) con un espesor de 50 mm y una densidad de 0,0001 kg/cm3; dichos

datos se ubicaron en las especificaciones de diseño DS-668. Espesores

generales para aislamiento de CVG Bauxilum con base en el código ASME

B31.3.

10. El fluido que recorre las tuberías es vapor a baja presión (vapor vivo), y tiene

una densidad de 3,7 Kg/m3 tomada de los reportes diarios de operación del

área.

11. En el programa CAESAR II se utilizó la opción de diseño “Análisis Estático”,

que comprende, análisis de cargas operativas, análisis de cargas térmicas y

análisis de carga sostenidas.

12. El recorrido y los accesorios de la línea de tubería se obtuvieron por medición,

visualización directa e información extraída de planos en CVG Bauxilum.

44

4.2. PLANOS UTILIZADOS

Tabla 4.1. Planos Isométricos.

Num. Plano Descripción del plano

9700/0.49:6/008

Preparación de Licor de Limpieza. Línea 200-STL-49-P007-K Desde: Línea LINEA 250-STL-39-121-K Hasta: Intercambiador E-49-1. Isométrico.

9700/0.49:6/021

Preparación de Licor de Limpieza. Línea 200-STL-49-P007-K Desde: Línea LINEA 250-STL-39-121-K Hasta: Intercambiador E-49-1. Isométrico.

Tabla 4.2. Diagramas

Num. Plano Descripción del plano

11000/0.38:0/200 Circuito de limpieza química. Desde el tanque T-38-1 hacia el área 39. Diagrama de flujo.

11600/0.38:6/200 Circuito de limpieza química. Desde el tanque T-38-1 hacia el área 39. P&I Diagrama.

4.3. CALCULO ANALÍTICO DE LOS ESFUERZOS EN TUBERÍAS

4.3.1. Esfuerzos por Presión

Variables a utilizar:

• P = Presión interna de diseño.

• S = Esfuerzo admisible básico de diseño.

• D = Diámetro externo de la tubería.

45

• R1= Radio de curvatura de codos o tuberías dobladas.

• t = Espesor de pared de la tubería.

• C= La suma de las factores de corrosión y erosión.

• E = Factor de calidad de fundición. Para accesorios y líneas de tuberías

según el párrafo 302.3.3 del código ASME B31.3 es de 0,8.

• Y = Coeficiente que depende del material y de la temperatura. De la

tabla 304.1.1 del código ASME B31.3 se tiene que es de 0,4.

4.3.1.1. Esfuerzo circunferencial Debido a la presión interna.

La presión del fluido dentro de la tubería produce un esfuerzo

circunferencial σp que ocasiona un aumento en el diámetro de la tubería.

Se tiene que 36,526

219,16D

== , lo cual permite afirmar que 6Dt < , por ello

de acuerdo al código ASME B31.3 sección 304.1.2, el espesor de diseño

mínimo para la presión interna no tiene que ser menor que ( )PYSE2PDt

+= ,

despejando y tomando pσS = , tenemos:

22p

2

p

p

inlb2436,63

cmKg168,52σ

0,4mm6,35*2

mm219,10,8

cmKg8σ

Y2tD

EPσ

==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

Para que la tubería no falle por presión, se debe cumplir que, Sσ p < , se

verifica entonces:

46

22

Lp

inlb16000

inlb2436,63

Sσ

<

<

4.3.1.2. Esfuerzos Longitudinales debido a la presión interna.

Según el código ASME B31.3 el espesor de tubería para los cálculos de

los esfuerzos longitudinales debe ser el espesor nominal T menos el factor de

corrosión y erosión permisibles C. Las cargas debido al peso deben estar

basadas en el espesor nominal de todos los componentes del sistema a menos

que se realice un análisis más riguroso que lo justifique.

4.3.1.2.1. Tuberías Rectas.

La presión del fluido dentro de la tubería produce un esfuerzo longitudinal

que produce un aumento en la longitud de la misma. Escribiendo la

ecuación de equilibrio de fuerzas en la dirección longitudinal se tiene:

Lpσ

πDtσ 4

πD P Lp

2

= ; despejando; 4tPD σLp =

El código ASME B31.3 establece que debe usarse como espesor t – tc, así

como también establece que tc es igual a 0,7t. Luego:

) t-(t 4PD σ

cLp = = ( )( )0,635*0,70,6354

21,91cm*Kg/cm8 2

−

2Lp cmKg230,03 σ =

47

4.3.1.2.2. Codos y Curvas.

Según el código ASME B31.3 Sección 304.2.1 el espesor mínimo

requerido tm de una curva, tiene que ser determinado de acuerdo a:

( )[ ]PYISE2PDCt m +

=−

( )( ) 2DR4

1DR4I1

1

−−

= ; Para Intrados (Ver Figura Nº 4.1)

( )( ) 2DR4

1DR4I1

1

++

= ; Para Extrados (Ver Figura Nº 4.1)

Figura 4.1. Diagrama de Codo

Despejando S y tomando en consideración que para , se debe tomar

S como , se obtiene:

tt m =

Lpσ

48

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−= PY

Ct2PD

EIσLp

• Para intrados:

( )( )( )( )2876,1I

2mm219,1mm30041mm219,1mm3004I

2DR41DR4I

1

1

=−−

=

−−

=

( )( )( ) ( )

2Lp

22

Lp

cmKg291,81σ

0,4cmKg8cm0,160,6352cm21,91cmKg8

0,81,2876σ

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−=

• Para extrados:

( )( )( )( )8663,0I

2mm219,1mm30041mm219,1mm3004I

2DR41DR4I

1

1

=++

=

++

=

( )( )( ) ( )

2Lp

22

Lp

cmKg32,961σ

0,4cmKg8cm0,160,6352cm21,91cmKg8

0,80,8663σ

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−=

49

Se concluye que el esfuerzo longitudinal debido a la presión interna en

codos es 2Lp cmKg291,81σ = .

4.3.1.2.3. Conexiones de Ramal (Te).

El código ASME B31.3, establece que el espesor mínimo requerido para

presión interna debe ser calculado de acuerdo a la ecuación ( )PYSE2PDt

+= ,

recordando de acuerdo a lo que el código establece para cálculos de esfuerzos

longitudinales se debe tomar como espesor el espesor nominal T menos el

factor de corrosión C, entonces sustituyendo, despejando y tomando LpσS = ,

obtenemos:

( )

( )

2Lp

2

Lp

Lp

cmKg

226,63σ

0,4cm0,160,6352

cm21,910,8

cmKg8σ

YCt2

DEPσ

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−=

4.3.2. Esfuerzos por cargas sostenidas.

Los esfuerzos por cargas sostenidas son aquellos esfuerzos longitudinales

producidos por la presión, el peso de la tubería, su contenido, el aislante y otras

cargas de gravedad tales como el peso de las válvulas, bridas, filtros, etc.

Variables a utilizar:

• ii = Factor de intensificación de esfuerzos (in-plane).

50

• io = Factor de intensificación de esfuerzos (out-plane).

• Mi = Momento Flector (in-plane).

• Mo= momento Flector (out-plane).

• Z = Modulo de la sección transversal de la tubería.

• D = Diámetro Exterior de la tubería.

• d = Diámetro Interior de la tubería.

• t = Espesor nominal de la tubería.

• h = Característica de flexibilidad.

• r2 = valor medio entre el radio exterior e interior de la sección del tubo.

• Zv = Módulo de sección efectivo para el ramal de te.

• rm = Radio medio de la sección transversal del ramal de te.

• ts = Valor menor entre ht y bo t*i

• th = Espesor de la tubería que se une al cabezal de la te.

• tb = Espesor de la tubería que se une al ramal de la te.

El peso de la tubería y de otras cargas concentradas genera en cada sección

transversal de la tubería momentos flectores Mi y Mo, un ejemplo se muestra en la

figura 4.2.

Figura 4.2. Diagrama de momentos en tubería.

51

Para el cálculo de los momentos se considera la tubería en la sección crítica de

estudio mostrada en la figura 4.3.

Figura 4.3. Sección de tubería

52

Se considera esta como sección critica de estudio debido a que es donde están

los accesorios que deben soportar el mayor peso muerto. En la tabla N° 4.3 se

presentan los momentos que se originan producto de las cargas por gravedad (Peso de

tubería, aislante, válvulas y accesorios).

Tabla 4.3. Momentos Productos de las Cargas de Gravedad

NODO Mx (Kg*cm) My (Kg*cm) Mz (Kg*cm) 20 562,88 -1374,58 -2051,67 28 -562,88 1374,58 -353,84 29 407,89 -1187,97 839,23 30 -163,15 735,22 -858,60 38 69,34 -398,71 765,81 39 -63,22 -54,04 -493,54 40 113,19 241,67 -94,83 50 -113,19 -241,67 -7801,85 60 -29,57 -67,30 6281,45 70 25,49 67,30 -5093,48 78 -23,45 -67,30 4473,50 79 22,43 67,30 296,74 80 -21,41 -65,26 -10990,50 90 21,41 62,20 -1793,68 100 -21,41 -61,18 5512,59 110 21,41 56,08 -12372,22 120 -21,41 -55,06 11942,92 130 -21,41 -50,99 9733,19 140 21,41 47,93 -2434,06 150 -21,41 -45,89 -4885,46 160 113,19 240,65 4304,22 170 79,54 193,75 693,41 180 79,54 178,45 -3806,60 190 -79,54 -174,37 -2096,54 200 -113,19 -240,65 2361,66 210 113,19 240,65 -2362,68 218 -115,23 -240,65 2379,00 219 -385,45 239,63 -2380,02 220 1413,33 -239,63 2380,02

El código ASME B31.3 Sección 319.4.4 (b) establece que los esfuerzos

producidos por los momentos flectores Mi y Mo, tienen que ser calculados por la

siguiente ecuación:

53

Z)M . (i )M . (i

σ2

002

iiLg

+=

4.3.2.1. Codos.

Del apéndice D del código antes mencionado para codos se tiene que los

factores de intensificación de esfuerzos viene dada por:

• Out-Plane: 32o h

0,75i =

• In-Plane: 32i h

0,9i =

• Característica de flexibilidad: 22

1

rR*t

h =

• 2tRRr int12 −−=

Figura 4.4. Medidas del codo

El modulo de sección es ( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−=

D2tDD

32πZ

44

Entonces:

( )( )

3

44

cm219,39Z

21,910,635*221,9121,91

32πZ

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−=

54

cm10,6375r2

0,63519,04530r

2

2

=

−−=

( )1684,0h

10,637530*0,635h

2

=

=

( )9519,2i1684,0

0,9i

i

32i

=

=

( )4594,2i1684,00,75i

o

32o

=

=

Se presentan los resultados para los codos estudiados en la tabla N°

4.4.

Tabla 4.4. Esfuerzos por Cargas Sostenidas en Codos.

NODO ii Mi (Kg*cm) io Mo (Kg*cm) Z (cm3) σLg (Kg/cm2) 28 -562,8833 -353,8415 8,5495 30 -858,6011 -163,1546 11,6964 38 765,8069 69,3407 10,3332 40 113,1885 -94,8336 1,8573 78 4473,4950 -23,4535 60,1916 80 -10990,5013 -21,4140 147,8778

218 -115,2279 2378,9979 26,7140 220

2,9519

1413,3267

2,4594

2380,0176

219,39

32,7638

4.3.2.2. Tes.

Del apéndice D del código antes mencionado para tés se tiene que los

factores de intensificación de esfuerzos viene dada por:

55

• Out-Plane: 32o h0,9i =

• In-Plane: 41i

43i oi +=

• Característica de flexibilidad: 2rt1,3h =

• 2

tDr2−

=

Calculando tenemos que, cm10,6375r2 = , 1851,0h = , 7715,2io = ,

3286,2i i =

Para el cabezal:

Z

)M . (i )M . (i σ

200

2ii

Lg+

=

( ) 344

cm219,39D

2tDD32πZ =⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−=

Para el ramal:

v

200

2ii

Lg Z)M . (i )M . (i

σ+

=

3s

2mv cm225,74tr πZ ==

cm10,63752

tDrm =−

=

cm 0,635t h =

cm 1,7599cm0,635*2,7715t*i bo ==

cm 0,635t s =

56

Se presentan los resultados para las tés estudiados en la tabla N° 4.5.

Tabla 4.5. Esfuerzos por Cargas Sostenidas en Tés.

NODO CONDICIÓN ii Mi

(Kg*cm) io Mo (Kg*cm)

Z (cm3)

Zv (cm3)

σLg (Kg/cm2)

50 CABEZAL -7801,85 -113,19 82,82 140 RAMAL -2434,06 47,93 25,12 150 CABEZAL -4885,46 -21,41 51,85 160 CABEZAL 4304,22 113,19 45,71 170 RAMAL 693,41 193,75 7,54 190 RAMAL

2,3286

-2096,54

2,7715

-174,37

219,39 225,74

21,73

4.3.3. Esfuerzos Longitudinales.

Según el código ASME B31.3 la suma de los esfuerzos longitudinales en

cualquier componente de un sistema de tuberías, debido a la presión, peso y cualquier

otra carga sostenida σL no tiene que exceder el esfuerzo permisible básico a la

máxima temperatura del metal esperada durante el ciclo de desplazamiento bajo

análisis Sh.

Para aceros al carbono fundidos, el esfuerzo permisible básico a la máxima

temperatura del metal esperada durante el ciclo de desplazamiento bajo análisis Sh se

obtiene multiplicando el esfuerzo básico permisible por el factor de calidad de

fundición E.

Los esfuerzos longitudinales vienen dados por la suma de los esfuerzos

longitudinales debido a la presión interna más los esfuerzos longitudinales

debido a cargas sostenidas .

Lσ

Lpσ

Lgσ

En la tabla N° 4.6 se presentan los resultados para los esfuerzos longitudinales

para codos.

57

Tabla 4.6. Esfuerzos Longitudinales en Codos.

NODO σLg (Kg/cm2) σLp (Kg/cm2) σL (Kg/cm2) 28 8,55 300,36 30 11,70 303,51 38 10,33 302,14 40 1,86 293,67 78 60,19 352,00 80 147,88 439,69

218 26,71 318,52 220 32,76

291,81

324,57

En la tabla Nº 4.7 se presentan los resultados para los esfuerzos longitudinales

para tés.

Tabla 4.7. Esfuerzos Longitudinales en Tés.

NODO σLg (Kg/cm2) σLp (Kg/cm2) σL (Kg/cm2) 50 82,82 309,45

140 25,12 251,75 150 51,85 278,48 160 45,71 272,34 170 7,54 234,17 190 21,73

226,63

248,36

4.4. ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN TUBERÍAS CON LA APLICACIÓN

DEL SOFTWARE CAESAR II.

El CAESAR II es un software de análisis de esfuerzos que en la sección de

análisis de esfuerzo de tuberías utiliza el código ASME B31.3 revisión del 31 de

Agosto del 2.001, mismo este que ha sido utilizado para los cálculos analíticas en este

proyecto. Este software permite verificar los cálculos debido a cargas de operación,

cargas terminas y cargas sostenidas.

58

4.4.1. Análisis del arreglo planificado (en planos).

En las figuras 4.5.1 a la 4.5.7 se presenta el ruteo de la tubería estudiada en

este caso, en secciones, mostrando los nodos.

Figura 4.5.1 Sección 1.

Figura 4.5.2. Sección 2.

59



60



61


En base a los resultados para el calculo de esfuerzo debido a cargas sostenidas

arrojados por el programa se obtienen los desplazamientos Dx, Dy, Dz, los cuales

servirán para calcular el desplazamiento total en cada nodo, esto se realiza de acuerdo

a la ecuación 2z

2y

2xt DDDD ++= y los resultados se muestran en la figura 4.6.

Figura 4.6. Desplazamientos

62

En la figura 4.6 vemos que el valor máximo de desplazamiento es 96,15 mm y

ocurre en el nodo 229 de este arreglo.

En la tabla Nº 4.8 se muestra el resumen de esfuerzos que cálculo el programa

CAESAR II con base en el código ASME B31.3.

Tabla 4.8. Esfuerzos Calculados por el CAESAR II.

CODE STRESS CHECK PASSED PIPING CODE: B31.3 -1999, August 31, 2001

Esfuerzos Máximos Kpa Kg/cm2 % Nodo Esfuerzos del Código -- -- 94,07 198 Esfuerzos de Flexión 95940,1 978,3 -- 198 Esfuerzo de Torsión 9487,1 96,7 -- 180

Esfuerzo Axial 10732,2 109,4 -- 38 Esfuerzos de Hoop 17648,3 180,0 -- 38

Máxima Intensidad 3D 103775,1 1058,2 -- 198

4.4.2. Análisis del arreglo fabricado (Existente).

En las figuras 4.7.1 a la 4.7.6 se presenta el ruteo de la tubería estudiada en

este caso, en secciones, mostrando los nodos.


63



64



65


En base a los resultados para el calculo de esfuerzo debido a cargas sostenidas

arrojados por el programa se obtienen los desplazamientos Dx, Dy, Dz, los cuales

servirán para calcular el desplazamiento total en cada nodo, esto se realiza de acuerdo

a la ecuación 2z

2y

2xt DDDD ++= y los resultados se muestran en la figura 4.8.

Figura 4.8. Desplazamientos

66

En la figura 4.8 vemos que el valor máximo de desplazamiento es 3,2722 mm

y ocurre en el nodo 269.

En la tabla Nº 4.9 se muestra el resumen de esfuerzos que cálculo el programa

CAESAR II con base en el código ASME B31.3.

Tabla 4.9. Esfuerzos Calculados por el CAESAR II.

CODE STRESS CHECK PASSED PIPING CODE: B31.3 -1999, August 31, 2001

Esfuerzos Máximos Kpa Kg/cm2 % Nodo Esfuerzos del Código -- -- 25,25 250 Esfuerzos de Flexión 19223,8 196,03 -- 250 Esfuerzo de Torsión 700,2 7,14 -- 230

Esfuerzo Axial 9637,1 98,27 -- 155 Esfuerzos de Hoop 17648,3 179,96 -- 28

Máxima Intensidad 3D 27887,7 284,38 -- 250

En la figura 4.9 se muestran las líneas de deformación debido a las cargas

sostenidas, esta imagen fue obtenida de una animación que permite visualizar el

efecto de las cargas sostenidas en el tiempo.

Figura 4.9. Líneas de deformación de la tubería.

67

4.4.3. Comparación entre ambos arreglos

En la figura 4.10 se muestra una gráfica comparativa del desplazamiento total

para el arreglo planificado (en planos) y para el arreglo elaborado (existente) en la

cual se puede observar que el diseño elaborado ofrece menores desplazamiento en un

gran rango de diferencia.

Figura 4.10. Comparación de Desplazamientos

En las tablas Nº 4.8. y Nº 4.9. se presenta el valor porcentual de esfuerzo del

código que no es mas que la relación entre el esfuerzo calculado para análisis de

flexibilidad de acuerdo al código ASME B31.3 y el esfuerzo permisible del material,

donde se muestra que para el arreglo planificado es de 94,07 %, mientras que para el

arreglo fabricado es de 25,25 %, lo cual indica que existen menores posibilidades de

falla en el arreglo fabricado que en el planificado.

68

4.5. RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS

Los resultados obtenidos de forma analítica demuestran y comprueban que

los esfuerzos generados por la presión y los generados por el peso de no

exceden el valor de esfuerzo permisible del código ASME B31.3 que es de

899,93 Kg/cm2.

Los resultados obtenidos de forma analítica concuerdan con los obtenidos

utilizando el software:

Tabla 4.10. Comparación de los resultados obtenidos con el software y los obtenidos de forma analítica de la línea de tubería 200-STL-38-749-K

Cálculos En Conformidad Con El

Código ASME B31.3 En No Conformidad Con El Código ASME B31.3

Forma Analítica

Software Caesar II

El desplazamiento y los esfuerzos en la línea de tubería del arreglo planificado

exceden los obtenidos en el arreglo fabricado.

Los esfuerzos máximos en el caso de operación de la línea de tubería con el

arreglo fabricado (existente) están por debajo del esfuerzo admisible del

código ASME B31.3. Entiéndase por esfuerzos de operación los esfuerzos que

se producen en la tubería cuando en ella actúan la presión, la temperatura y el

peso de la misma.

22 cmKg2714

cmKg95,578

permisible calculadoEsfuerzo Esfuerzo

<

69

Los esfuerzos máximos por cargas sostenidas de la línea de tubería con el

arreglo fabricado (existente) están por debajo del esfuerzo admisible del

código ASME B31.3. Entiéndase por caso sostenidas a los esfuerzos que se

producen cuando en la tubería actúa la presión, el peso de la tubería, el peso

del aislante, el peso del fluido y el peso de los accesorios y conexiones.

22 cmKg93,899

cmKg38,284


<

Los esfuerzos máximos por expansión térmica de la línea de tubería con el

arreglo fabricado (existente) están por debajo de los esfuerzos admisibles del

código ASME B31.3. Entiéndase por esfuerzos de expansión térmica a los

producidos por efecto de las contracciones y/o expansiones producto de los

diferenciales de temperatura.

22 cmKg2714

cmKg58,866


<

70

CONCLUSIONES

Los resultados de los cálculos analíticos se mantuvieron en concordancia con

los resultados obtenidos del software, lo que indica que existe una base lógica,

efectiva y confiable para la ejecución de un análisis de flexibilidad de tuberías

basándose en cualquiera de los software que hoy en día existen para

desempeñar esta labor.

Los resultados obtenidos, demuestran que en lo referente al análisis de

flexibilidad, todos los esfuerzos están por debajo del esfuerzo admisible del

Código ASME B31.3.

Los esfuerzos obtenidos en los cálculos del análisis de flexibilidad para el

arreglo de tuberías fabricado (existente), no superan un porcentaje de 30% del

esfuerzo permisible.

El arreglo de tubería planificado (en planos) de la línea 200-STL-38-749-K a

pesar de estar dentro de los límites de esfuerzo del código ASME B31.3 no es

un diseño óptimo pues los esfuerzos máximos están en un 94,07% del

esfuerzo permisible, es decir, solo a un 5,93% de fallar.

El arreglo de tubería elaborado (existente) de la línea 200-STL-38-749-K

ofrece un diseño adecuado pues se encuentra en un 25,25% del esfuerzo

permisible, dejando en prueba que las fugas originadas no son debida a exceso

o concentración de esfuerzos.

71

RECOMENDACIONES

Verificar el apriete de los pernos de las bridas, para garantizar que sea el

requerido para evitar las fugas que puedan ocurrir en estas.

Comprobar que las empacaduras de las bridas estén en buen estado y

cumpliendo con su función de sellado.

Realizar una inspección a las soldaduras por las zonas cercanas a donde se

presentan las fugas.

Inspeccionar que el aislante se halle en estado adecuado y este cumpliendo su

misión de mantener los rangos de temperaturas permisibles y no permitir la

interacción ambiente-tubería.

Mantener un registro de intervalo de tiempo entre fugas, en donde también se

especifique en la medida de lo posible las condiciones de temperatura del

medio ambiente, la presión interna en operación de la tubería, la temperatura

del fluido, la densidad, el lugar especifico de la fuga, entre otros parámetros

que permitan intentar dar explicación y solución a esta falla.

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BIBLIOGRAFÍA

Megyesy, Eugene F. (1998). Manual de Recipientes a Presión. Diseño y

Cálculo. México: Editorial Limusa.

Kannappan, Sam. Introduction to pipe stress analysis. Knoxville,

Tennessee: Tennessee Valley Authority.

Código ANSI / ASME B31.3. 2002 Edition

C.V.G. Bauxilum C.A. Operadora de alúmina (2004). Especificaciones de

diseño DS-008. Sistema de designación de servicios. Ciudad Guayana,

Venezuela.


diseño DS-015. Clases de diseño de tuberías. Ciudad Guayana, Venezuela.

C.V.G. Bauxilum C.A. Operadora de alúmina (1994). Especificaciones

generales GS-615. Especificación de tubería clase de diseño K. Ciudad

Guayana, Venezuela.


diseño DS-668. Aislamiento de tuberías. Ciudad Guayana, Venezuela.


diseño DS-651. Dimensiones de tubos de acero. Ciudad Guayana,

Venezuela.

Bauxilum (2005) (Pagina Web en línea). Disponible:

http://www.bauxilum.com

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http://www.bauxilum.com/

Anexos

Planos Arreglo Planificado

Planos Arreglo Elaborado

Documents

Analisis de Flexibilidad en Tuberias