Ciencia de Los Materiales-Cañerías

7/26/2019 Ciencia de Los Materiales-Cañerías

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CIENCIA DE LOS MATERIALES

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Caños (piping): se designan por el diámetro nominal.Esta dimensión no coincide con el diámetro interior nicon el exterior, mayores de 14” coincide con

ØexteriorEjemplo: caño de Øn =2” Ø exterior = 60,3 mm

Øn = 50,8 mmØinterior = 52,5 mm (Sch 40)Øinterior = 49,2 mm (Sch 80)Øinterior = 38,1 mm”(Sch160)



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El diámetro permaneció constante y el espesor es elque se incrementa a medida que aumenta elschedule.

Ejemplo: caño de Øn =14” Ø exterior = 355,6 mmØn = 355,6 mm

Øinterior = 330,2 mm (Sch 40)Øinterior = 292,4 mm (Sch 120)Las medidas se encuentran en las normas ASA o ANSI

y las composiciones de los materiales en las normasASTM.



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Ø exterior

Sch120

Sch80

Sch40



ScheduleEs un n° adimensional que representa en formaaproximada el espesor de un caño y cuya fórmulacálculo es:Sch= 1000 Pt

σadm(t)Donde:Pt: Presión de trabajo en Kg/cm 2

σadm(t): tensión admisible del material a la temperatura de trabajo.

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Tubos (tubes): se caracterizan por que sus diámetrosnominales COINCIDEN con los diámetros exteriores.Sus espesores se definen por un número de calibre o

gage BWG (Birmingham WireGage).Para identificar un caño, basta pedir, por ejemplo 2"Sch. 40 que significa un caño de 2,375" de diámetroexterior y 0,154" de espesor.Para identificar un tubo , basta pedir, por ejemplo 2"BWG 12 que significa un tubo de 2" de diámetroexterior y 0,109" de espesor.

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Los diámetros de fabricación de los caños sonmucho más amplias que la de los tubos que raravez pasan las 6", siendo su uso más difundido hasta

2".Por otra parte, los requerimientos de fabricación delos tubos son más exigentes que los de los caños,p.ej. tubos para intercambiadores (menor espesoruniforme)



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Aceros mas utilizados para la conducción defluidos por cañerías, composición química y usos

A-120: utilizado en instalaciones de pocaimportancia. Puede encontrarse en el mercadocomo negro o galvanizado. Generalmente se loemplea a temperatura ambiente. La norma solo fijalímites de impurezas.

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A-53:

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Grado C %max Mn%max P %max S %max Usos

A 0,25 0,95 0,05 0,06Agua blanda, industrial ypotable, condensado devapor, aire comprimido,gas industrial, etc.

B 0,35 1,20 0,05 0,06



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A-106

Si: incrementa la resistencia a la tracción y el límite de fluencia.Mn: aumenta la resistencia a la tracción

Grado C % Mn % Si % S %max P%max Usos

A 0,25 0,27-0,93

0,10 0,05 0,06 Fluidos que trabajan a altaspresiones y temperaturas

B 0,30 0,29-1,06

0,10 0,05 0,06

C 0,35 0,29-1,06

0,10 0,05 0,06



A-312

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Grado C%max Mn%max P%max S%max Si%max Ni%max Cr%max Otros

TP-304

TP-304HTP-304LTP-304N

0,08

0,04-0,10,0350,08

2

222

0,04

0,040,040,04

0,03

0,030,030,03

0,75

0,750,750,75

8-11

8-118-138-11

18-20

18-2018-2018-20 N 0,1-0,16

TP-309TP-310

0,150,15

22

0,040,04

0,030,03

0,750,75

12-1519-22

22-2424-26

TP-316

TP-316HTP-316LTP-316N

0,08

0,04-0,10,0350,08

2

222

0,04

0,040,040,04

0,03

0,030,030,03

0,75

0,750,750,75

11-14

11-1410-1511-14

16-18

16-1816-1816-18

Mo 2-3

Mo 2-3Mo 2-3Mo 2-3

N 01-016

TP-317TP-321TP-321H

0,080,08

0,04-0,1

222

0,040,040,04

0,030,030,03

0,750,750,75

11-149-139-13

18-2017-2017-20

Mo 3-4



Cálculo del espesor de caños o tubosConsiderar un caño de una longitud unitaria L,sometido a una presión interna p:

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p

di

L

F

F

t



Donde:Pi: presión interna del fluído en Kg/cm 2

Di: diámetro interior del caño en mmσ a(t): tensión admisible del material a la temperatura

de trabajot: espesor del caño en mmL: longitud del caño en mm

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Cálculo por el método analítico1) Fuerza generada por la presión interior:F = pi x di x L

2) Fuerza resistente del material en la zona de roturaF = σ a(t) x t x 2L3) En el equilibriopi x di x L = σ a(t) x t x 2L

4) Despejando el espesort = pi x di + C

2 x σ a(t)

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Considerando la eficiencia de soldadura:t = pi x di + C » pa = 2 x σ a(t) x E x (t – C)

2 x σ a(t) x E di

Donde:E = 1 para caño sin costura o 100 % radiografiadoE = 0,7 menor valor

C : espesor adicional para compensar materialremovido por roscado, corrosión o erosión.

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Cálculo por el método ASMEpa = 2 x σ a(t) x E x (tmin – C)

De – 2 x Y x (tmin – C)Donde Y: constante función de la temperatura y del material



Cálculo por tablas:función del material, presión, temperatura, fluído

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Problema: calcular con todos los métodos mencionadosel espesor de un caño de acuerdo a los siguientesdatos:

Fluido: vapor sobrecalentadoPresión de trabajo: 120 kg/cm2Diámetro del caño: 6”

Material: A 106 Gr BTemperatura de trabajo: 400 °CTipo de caño: sin costura

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Accesorios de cañeríasPara soldar: para altas solicitacionesRoscados: para bajas presiones y temperaturasBridados: para desmontar con facilidad

Se los identifica por el n° de serie que indica lapresión de trabajo que puede soportar especificadaa altas temperaturas, tal como se muestra acontinuación para bridas.

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Bridas: accesorios que se emplean para unir cañerías y suspartes con el objeto de montar y desmontar sin tener que cortar.Serie de las bridas:

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Tipos de bridas:a) Welding neck: tiene un cuerpo cónico largo lo cual

permite tener una suave transición entre el caño y

la brida.



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Son muy utilizadas en condiciones de flexiones cíclicascausadas fundamentalmente por variaciones detemperaturas.

Se las utiliza en condiciones de altas temperaturas ypresiones.b) Slip on (deslizante):

Tiene menor costo de adquisición y montaje que lawelding neck. Hay que considerar de poner la seriede brida correcta teniendo en cuenta que el diámetroexterior permanece constante para los distintos Sch.Su resistencia es menor que la anterior.



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c) Lap joint:Tienen una pieza especial (stub end) que impide el

contacto directo del fluido con la brida por lo queesta puede ser de un material de menor calidad.Tienen baja capacidad de resistir altas presiones y

baja resistencia a la fatiga.

http://www.google.com.ar/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Fspanish.alibaba.com%2Fproduct-gs%2Fcarbon-steel-lap-joint-flange-stub-end-bg-best-602728610.html&ei=BZpbVdSpB8uqggTbqoCADw&bvm=bv.93564037,d.eXY&psig=AFQjCNGnlz6FyEEYCADF3lZoKUeQhC9G_w&ust=1432152903846794



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d) RoscadasSu instalación es sencilla aunque no resisten altaspresiones y tensiones de flexión ya que se producen

fugas por las roscas.

http://valve-seller.es/products/8-6-1b.jpg



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e) CiegasSe las utiliza para el cierre de los extremos de líneas enaquellas que en el futuro vayan a ser continuadas. Son

las más tensionadas, en particular el esfuerzo de flexiónes máximo en el centro de la brida. Por esto cuando nose prevea continuar la línea es aconsejable colocarcasquetes.



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f) Ring JointEs un tipo de brida welding neck en la cual se haagregado una ranura circular concéntrica trapezoidal

en la que se aloja un anillo metálico de secciónovalada u octogonal.



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Este tipo de bridas se utiliza para altas presiones opara conducción de fluidos peligrosos.



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Juntas:

Es el elemento que se emplea para evitar el contactodirecto metal-metal entre las caras de bridas ya que

sería muy difícil lograr estanqueidad.

De acuerdo el material de relleno estas pueden ser:



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http://www.google.com.ar/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Fgaleria.vulka.es%2Ffoto%2Fjuntas-para-bridas_40558.html&ei=dAVlVYfeC4HCUr6XgKAK&bvm=bv.93990622,d.cWc&psig=AFQjCNG22xHi2ml-pmUFuiNqXfVBGY0jpw&ust=1432770288349459

http://www.google.com.ar/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.protansa.com%2Fjuntas_delectricas.htm&ei=ugNlVc7pO8GsUbHtgagP&bvm=bv.93990622,d.cWc&psig=AFQjCNFOnp3TuzWRTgsQcahiEQSimP3eag&ust=1432769799752329



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Un tipo de junta de uso generalizado creada haceunas décadas para soportar condiciones de presióny temperatura muy severas fue la junta

espirometálica. En las figuras que siguen se puedenapreciar la constitución básica del elemento desellado de la junta. En la figura de la izquierda seindican los requisitos de marcaje sobre el anillointerior y el exterior de centrado según API(American Petroleum Institute).



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En las figuras que siguen se muestran las seccionesde dos bridas con resalte con dos tipos de juntasespirometálicas diferentes, la de la izquierda con

anillo interior y la otra sin él. El anillo interior evitael contacto directo del fluido con el elemento desellado y el anillo exterior sirve para el centrado.El fleje metálico tiene como característica suflexibilidad y por tanto la recuperación,manteniendo la estanqueidad, después de unavariación de presión o temperatura del fluido encontacto directo con el conjunto brida-tubería.



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Las juntas indicadas en las figuras anteriores seusan también en bridas planas, todas estas juntastienen un espesor de 4.5 mm (0.175"). Para más

detalles constructivos y de usos específicos se deberecurrir a las normas correspondientes y a losfabricantes y distribuidores. Para la identificaciónde estas juntas, según los materiales empleados enel anillo de sellado (fleje y relleno), se suelenemplear códigos de colores sobre el anillo decentrado acordes con la API 601 y la división dejuntas metálicas del "Fluid Sealing Association“ .



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Identificación de juntas por códigos de colores en elanillo de centrado



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Cálculo de una juntaUna vez montada una junta está sometida a unacompresión entre las caras de las bridas, la cual se

consigue con el apriete de los espárragos. Lacompresión debe permanecer constante paraasegurar estanqueidad. En condiciones de servicioesta compresión se verá disminuída por la presiónaxial del fluido que tiende a separar las caras.Además, en servicio, la junta está sometida a unacarga lateral que tiende a expulsarla del

alojamiento.



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Para mantener la integridad del cierre la presión efectivade compresión sobre la junta (esto es presión de aprietemenos empuje hidrostático axial) debe ser menor que lapresión interna por algún factor que dependerá del tipode junta.Condición de cálculo:W > W m

W = carga ejecutada por los espárragosW m= carga sobre la junta



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Determinación de W m: se deben considerar doscondiciones:

a. Sin presión interna

W m1 = π . G .b . YG = diámetro donde actúa la fuerza de reacción de la

junta, d 0 -2bb = ancho efectivo de juntab0 = ancho teórico de juntaN = ancho geométrico de la juntaY = presión de asentamiento de la junta expresado en

lb/plg 2 (fc del material)





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Ancho teórico de la junta:

b0 = N/2N N

NN



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Ancho efectivo de la junta:

b” = b0” cuando b 0 < ¼”

b” = √ b0”/2 cuando b 0” ≥ ¼”

bmm = b 0mm cuando b 0 < 6,4mm

bmm = 5,04. √ b0mm/2 cuando b 0≥ 6,4mm



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b. Con presión interna:W m2 = H + HpH = presión hidrostática en la junta = 0,785.G 2.piHp = sobre presión de apriete para evitar fugas

= 2. π.b.G.m.pim = factor de junta adimensionalCalculados W m1 y W m2 se adopta el mayor como W m



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Determinación de W:Ab = sección del bulónW = 0,785.d 2.N°bul. σadmbul

d = diámetro del núcleo del bulónN° bul = número del bulones de la uniónσadmbul = tensión admisible del material del espárrago

a la temperatura de trabajo

Ancho mínimo de junta: Nmin= Ab. σadmbul

2.Y.π.G



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Problema: verificar una junta adoptada paraensamblar dos bridas de acuerdo a las siguientescondiciones operativas:

Material: metal ondulado (m=2,75;Y=3700 lb/plg2)

Pi : 7 kg/cm 2

Fluido: vapor saturado

Temperatura de trabajo: 170°CDiámetro de la cañería: 4”



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15Ø = 120 mm



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Para 7 kg/cm 2 se puede utilizar bridas S 150 slipon. Para este tipo de bridas de 4 ” corresponden 8espárragos de 5/8 ”.

Material de los bulones: ASTM A -193 Gr B7 »

σadm 25.000 psiØnucleobul=1,36 cm

Verificar también el ancho mínimo de junta.



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Dilatación de cañerías Cuando una barra de longitud lo se calienta a unadeterminada temperatura, se dilata a lt.

lt=lo + lo . α . Λt = lo . (1+ α . Λt)Por lo que: Λl = lo . α . ΛtSi la barra se encontrara empotrada en ambos

extremos, el esfuerzo generado en los mismos por ladilatación sería, según la Ley de Hooke:Λl = p . lo

S . E



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p = fuerza en kgS = sección de la barra en cm 2

E = módulo de elasticidad del material en kg/cm 2

El alargamiento específico sería: Λl/loSi se despeja e iguala de ambas expresiones:Λl = α . Λt = p = » p = S . E . α . Λtlo S . E



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Problema:Calcular el esfuerzo que se generará en unacañería en línea recta anclada en ambos extremos

que le impiden dilatar libremente. Por la cañeríafluye agua caliente a 85 °C y se considera que latemperatura ambiente es de 25°C. El material esde un caño ASTM A 53 Gr A y un diámetro de 4 ”.

E85°C = 2 . 10 6 kg/cm 2

α = 0.0108 mm/ °C . m



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Para subsanar el problema de los esfuerzosgenerados por la dilatación de cañerías, se recurre alo siguiente:

a) Instalando juntas elásticas de dilataciónb) Eligiendo configuraciones de cañerías que

absorban las dilataciones



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Configuraciones de cañerías:a) Configuraciones coplanaresb) Configuraciones tridimensionales



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Configuraciones coplanares

L Lira

UOmega



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Se realizará el análisis sobre las configuracionescoplanares.Tensión admisible de dilatación

La tensión de trabajo admisible de una líneasometida a una dilatación es la siguiente:Sa = (1,25 . Sc + 0,25 . Sh) . f

Sa: tensiòn admisible de trabajo en kg/cm 2

Sc: tensión de trabajo admisible en frío kg/cm 2 Sh: tensión de trabajo admisible en caliente kg/cm 2

f:factor de reducción de tensión por fatiga



Cañerìas

Nª de ciclos f

≤ 7000 1

7001 a 14000 0,9

14001 a 22000 0,8

22001 a 45000 0,7

45001 a 100000 0,6

100001 a 250000 0,5



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Tensión de trabajo en la líneaEn un sistema sujeto a tensiones de dilatación seoriginan momentos flectores y todo tipo de tensiones

Se = Mb . i 1 . i2

WDonde:

Se: tensión de dilatación en la línea en kg/cm 2

Mb: momento flector máximo en el codo en kg.mi1: factor de intensificación de tensiones



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Se obtiene en fc del módulo de elasticidad delmaterial en frío y en caliente.i1= Ec

EhDonde:

Ec: módulo de elasticidad del material en frío(kg/cm 2)

Eh: módulo de elasticidad del material en caliente(kg/cm 2)



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I2: factor de intensificación de tensiones en los codospor la intensificación de tensiones por la formade los mismos.

Si se varía la forma, espesor y diámetro del codo,la dilatación será distinta a la de la línea recta y aotros codos distintos, por lo que se lo encuentratabulado en fc de dichos parámetros.Para que la configuración cumpla con losrequerimientos de tensión, se tiene que cumplir que:

Se ≤ Sa

í



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í



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Para sistemas donde no se requiera un cálculoexacto, se puede un método aconsejado por elcódigo ASA, aplicable a sistemas de dos puntos

fijos anclados.D . Λxy ≤ 0,03U2 . (1- R)2

D: diámetro de la cañería en plgΛxy: resultante de las dilataciones parcialesU: distancia entre anclajes

C ñ í



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R: relación entre la longitud total de la cañería y ladistancia entre anclajes

R = L

UΛxy = √(Λx2 + Λy2)

C ñ í



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Método de cálculo “ Tube Turn” Es un método aproximado aplicable a configuracionesplanas con ángulos rectos.

Codos y curvas implican hacer actuar factores deintensificación de tensiones por la desigualdad dedistribución de tensiones.

Factores a tener en cuenta:Dr (diámetro efectivo de codo): surge del ASA Codefor pressure piping – B.31.1.

C ñ í



Lr (longitud efectiva de codo): su cálculo se basa en elfactor de flexibilidad que se obtiene del ASA Codefor pressure piping – B.31.1.

A mayor cantidad de tramos rectos respecto de loscurvos más preciso es el método.Tensiones en Liras, L, Z y U (empotradas en ambos):

SE= fs x feflSE: tensión de dilatación

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C ñ í



fe: factor de expansión que depende de latemperatura y del tipo de material= f eh – fec (lb/plg 2)

fl: relación longitud a diámetro= L /DrL= Lx + n.Lr

L: longitud de la líneaLx: longitud de los tramos rectosn: número de codos

fs: factor de forma

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C ñ í



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C ñ í



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C ñ í



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Juntas de expansiónSon elementos no rígidos que se intercalan en lascañerías con el objeto de absorber total o

parcialmente las dilataciones provenientes de lasvariaciones de temperatura o, como ya hemos visto, lapropagación de vibraciones.Las juntas de expansión no son de uso frecuente porsu alto costo y por construir un punto vulnerable en lacañería.

C ñ í



Es preferible siempre absorber los desplazamientosde la cañería por medio de un trazado conveniente ypor la propia capacidad de la cañería de soportar

las tensiones producidas, siempre que éstas seanacotadas dentro de un intervalo admisible.

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C ñ í



Los siguientes son los casos en que se justifica usar lasjuntas de expansión :1.- Cuando el espacio necesario es insuficiente para

lograr una cañería que absorba las dilatacionesproducidas.2.- En cañerías de diámetro muy grande, sobre 20" o

de material muy caro, donde existe un interéseconómico en hacer el trayecto lo más corto posible.

3.- Donde por exigencias de proceso, la trayectoriadebe ser recta para evitar pérdidas de carga

y producción de turbulencias.

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C ñ í



4.-En cañerías sujetas a vibraciones de gran amplitud.5.- En cañerías vinculadas a equipos delicados o de

alta sensibilidad, para evitar la transmisión de

esfuerzos de la cañería a los equipos.Desventajas de las configuraciones:

Pérdidas de carga y transmisión de calor del orden

del 30% por el incremento de longitud necesario.Costo de soportes adicionales y aislación, etc.

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C ñ í



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Desventajas de las juntas de expansión:Es más cara que la cañeríaConstituye un punto débil, sujeto a defectos, a

mayor desgaste, pudiendo dar origen a accidentescon necesidad de mantenimiento, inspecciónperiódica etc.

C ñ í



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Tipos de juntas de dilataciónJuntas de Dilatación de tipo AXIAL

Es la más simple de las Juntas de dilatación. Está

diseñada para absorber movimiento axial decompresión y se intercala en la cañería lo máscercano posible al punto fijo.

La cañería debe estar perfectamente guiada (veresquema de instalación) y los anclajes debencalcularse para soportar el esfuerzo axial debido ala presión y de resorte, datos suministrados por el

fabricante mediante memoria de calculo.

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Este tipo de junta resuelve la mayoría de los casosa un bajo costo, por lo que sin duda es la másutilizada.

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Juntas de Dilatación de tipo ANGULAR Son juntas de dilatación donde el fuelle de acero inoxidable trabajaen forma angular. Pueden estar provistos con sistemas de Bisagraso Cardanes.

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Junta de dilatación de tipo UNIVERSALEstas juntas se componen de dos fuelles unidos porun tubo intermedio y están diseñadas para

absorber cualquier combinación de los tresmovimientos básicos: movimiento axial, movimientolateral y/o rotación angular.De acuerdo a los requerimientos, se proveen convarillas de control que distribuyen uniformemente elmovimiento entre los dos fuelles y estabiliza el tubointermedio.

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Este tipo de juntas se utiliza en la conexión deequipos para eliminar las tensiones que se generandebido a la dilatación térmica. También es muy

utilizado en la conexión de tanques para absorberlas deformaciones que se producen durante elllenado.

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Juntas de dilatación de tipo AUTOCOMPENSADALas juntas autocompensadas, eliminan el efecto del empujeaxial debido a la presión, mediante una ingeniosa disposiciónde los fuelles.Consta de un cuerpo intermedio con codo de derivación yfuelles de acero inoxidable colocados a ambos lados yvinculados con varillas tensoras.Este tipo de Junta autocompensada, es muy útil para eliminarcasi completamente las tensiones en calderas, equipos, etc. yaque absorbe los movimientos de las cañerías conectadas ytambién absorbe por si misma las fuerzas de empujegeneradas por los fuelles.

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Estos tensores son los encargados de equilibrar losesfuerzos generados por los fuelles que se anulanmutuamente.

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