APUNTES DE FLEXIBILIDAD APUNTES DE FLEXIBILIDAD

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  • APUNTES DE FLEXIBILIDADAPUNTES DE FLEXIBILIDADAPUNTES DE FLEXIBILIDADAPUNTES DE FLEXIBILIDAD

    OCTUBRE 2008

    Por: Guillermo Daz Andrade

  • ELEMENTOS DE DISEO PARA EL CLCULO DE FLEXIBILIDAD EN TUBERAS Y APLICACIN DE COMPENSADORES DE DILATACIN

    ELEMENTOS DE DISEO PARA EL CLCULO DE FLEXIBILIDAD EN TUBERAS Y APLICACIN DE COMPENSADORES DE DILATACIN

    COPYRIGHT 2008 TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS.

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    INTRODUCCIN En todos los mbitos de la industria y en especial en la tecnologa mecnica, los ingenieros de proyecto y montaje se ven enfrentados a un problema comn: la dilatacin. Este fenmeno, especialmente apreciable en las tuberas y conductos sometidos a variaciones importantes de temperatura, ha causado y causa no pocos problemas debido principalmente a las graves alteraciones que provoca en el buen funcionamiento de la instalacin. El hecho de que las tuberas acusen particularmente este fenmeno es debido a su facilidad para variar de longitud en presencia de los saltos trmicos y a sus, generalmente, largos trazados. Por otra parte las condiciones de explotacin de las instalaciones de tuberas y conductos han experimentado un creciente incremento de temperatura conforme el rendimiento de las plantas lo ha exigido, y la mejor tecnologa de los materiales lo ha permitido. Todo ello junto con las fuerzas provocadas por la dilatacin, las vibraciones engendradas por compresores, turbinas, motores, bombas y otros elementos, convierten a las tuberas y conductos en elementos transmisores y perturbadores por excelencia dado que su rigidez y estructura, generalmente metlica, favorece la rpida y sostenida propagacin de molestos efectos a travs de las instalaciones. La adopcin de medidas con las cuales se anule o minimice la difusin de estos efectos es de suma importancia en el campo del diseo de ingeniera mecnica precisamente por ser todos ellos perjudiciales y contrarios a la voluntad del diseador, que es la de vehicular todo tipo de fluidos con eficacia, seguridad y sin efectos secundarios. Este trabajo no pretende sustituir a nada, ya que el campo es muy complejo y tcnicas similares pueden resultar tambin tiles. Ms bien trata de ofrecer un resumen eminentemente prctico, en el cual se aclaran los conceptos en que se basa el problema expuesto y en el que, al mismo tiempo, se ofrecen algunas opciones, acaso las ms idneas, para comprenderlo y solucionarlo.

  • ELEMENTOS DE DISEO PARA EL CLCULO DE FLEXIBILIDAD EN TUBERAS Y APLICACIN DE COMPENSADORES DE DILATACIN

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    CONCEPTOS BASICOS TEMPERATURA Entendemos que es la medida del estado de un cuerpo en relacin al calor el fro, generalmente la expresamos en grados centgrados (aqu hablaremos de los valores aplicables en Europa continental) y tiene una influencia decisiva sobre la elasticidad, plasticidad y comportamiento de los materiales. PRESION Es la razn de una fuerza normal ejercida sobre un punto y la superficie sobre la que se aplica. La expresaremos en Kg/cm2 y se relaciona con la resistencia de los materiales. FUERZA Es una magnitud que expresa la cantidad con que un cuerpo es solicitado en una direccin y un sentido. En tubera se trata, generalmente, con valores muy elevados, por ello deber prestarse especial atencin a los puntos en que se aplican estas fuerzas. FATIGA Es la razn proporcional entre una fuerza y su superficie de aplicacin. Nos marcar los lmites por encima de los cuales la nica seguridad es que se romper todo, as que atencin tambin a estos lmites. MODULO DE ELASTICIDAD (ley de hooke) Es la razn de una fatiga a la correspondiente deformacin unitaria. Siempre que no sobrepase el lmite de elasticidad encontraremos que esta razn es constante y caracterstica para cada material. La expresaremos en Kg/mm2. Podemos observar un ensayo de traccin realizado a una probeta de hierro, en el que apreciamos la grfica esfuerzo-alargamiento con las zonas muy bien definidas. La parte lineal corresponde a la zona elstica. FLEXIBILIDAD La definiremos como la capacidad que tiene un material o estructura para deformarse y volver a su posicin inicial un nmero de ciclos elevado sin ver prcticamente alterada su estructura ni sus propiedades.

  • ELEMENTOS DE DISEO PARA EL CLCULO DE FLEXIBILIDAD EN TUBERAS Y APLICACIN DE COMPENSADORES DE DILATACIN

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    DILATACION Definiremos as a la variacin de dimensiones que experimenta un cuerpo cuando se modifica la temperatura a que se encuentra expuesto. Este fenmeno es apreciable en todos los estados de la materia, se produce a nivel molecular y bsicamente consiste en que las rbitas de los elementos constitutivos de los tomos aumentan o disminuyen segn se incremente o disminuya la temperatura a que estn expuestos. Las fuerzas generadas son enormes y frecuentemente superan el lmite elstico de los materiales que las padecen. Normalmente su magnitud se expresa en mm/m y C aunque para mayor comodidad existen tablas referidas a escalas de temperatura, donde se expresan directamente en mm/mt obtenindola de una tabla. Debe observarse que aunque se hable en general de dilatacin, para los casos de temperaturas inferiores a 0C se trata de lo contrario, esto es retraccin o disminucin de longitud, en nuestro caso (tuberas) o volumen, en vez de incremento de sta. En tubera la dilatacin tiene una direccin y un sentido, debido a que la variacin de longitud se manifiesta sobre el extremo libre o ms elstico de la conduccin. Por otra parte el crecimiento radial en dimetro de la tubera, es inapreciable ya que las fuerzas necesarias para deformarlo en ese sentido tienen que ser inmensamente superiores a las precisas para provocar su alargamiento. En la siguiente figura se aprecia la influencia de la dilatacin sobre una barra de longitud constante en fro y sometida en todos los casos a idntica temperatura segn sea o no fijada por sus extremos. Como la dilatacin es una magnitud vectorial, tiene un origen y una direccin, por lo tanto, podremos calcular su valor.

    3 DIMENSIONES

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    Como puede apreciarse en el tercer caso, fijacin por ambos extremos, la dilatacin provoca un excesivo pandeo del tubo. En cualquier circunstancia, esta sera la disposicin ms desfavorable, puesto que provoca una considerable tensin sobre el material, lo cual se traduce en una destruccin prematura, por fatiga , de la conduccin en el supuesto de que no hayamos averiado antes algn equipo de importancia. La existencia de dilatacin incontrolada se aprecia tanto por sus destructivos efectos en caliente, como en las tensiones residuales que deja en fro; notables cuando al intentar desmontar un equipo se produce una brusca desalineacin de este con respecto de la tubera a que se encontraba unido, dicho que otra forma, el desmontaje resulta mucho ms dificil debido al agarrotamiento que producen las tensiones en los elementos. El orden de las cargas que se generan en una tubera, sujeta como el tercer caso anterior, y sometida a una temperatura T, se ve en el siguiente ejemplo : TUBO DIN2448 DN 200 Seccin int. S= 4.211,74 mm2 Ac. CARBONO < 3% Cr 3 DIMENSIONES T= 200 C

    mmm

    L T 16,2== mmL 10000=

    242 mmKg

    ROT =

    25,24 mmKg

    E =

    25,10 mmKg

    ADM =

    219390 mmKgE =

    Conocido el valor de la dilatacin trmica unitaria a la temperatura de trabajo, podemos saber la dilatacin que sufrir la tubera: mmmmmm 6,211016,2 == Para esta dilatacin tenemos que la tensin a la que est sometida la tubera es:

    22 88,4110000

    6,2119390

    mm

    Kg

    mm

    Kg

    mm

    mm

    LE ==

    =

    Valor de la tensin muy prximo al valor de la tensin de rotura rot. La fuerza asociada a esta tensin se calcula: TnKgmmSF

    mm

    Kg 38,1766,17638774,421188,41 22 ====

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    TUBERIAS Y ACCESORIOS Las tuberas y accesorios, como elementos conductores de fluidos de gran responsabilidad, han sido normalizados con objeto de garantizar unos valores exactos de resistencia as como de garantizar su conexin sin tener que reinventarlos cada da en cada proyecto. Bsicamente esta normalizacin se recoge en las normas DIN de general aplicacin en Europa continental y ASME ANSI ms aplicada en los Estados Unidos y su rea de influencia. No es necesario extenderse en este captulo por existir ms que abundante informacin al respecto por parte de los fabricantes y proveedores sobre los estndar disponibles. Slo decir que existen tuberas de muchos materiales, pero aqu nos referiremos principalmente a las metlicas soldadas y sin soldadura, las primeras soldadas longitudinales, recomendables slo para servicios sin temperatura y las soldadas helicoidales que pueden constituir, estudiando bien el caso una alternativa vlida para elevada temperatura siempre y cuando no las sometamos a mucha tensin, si lo hiciramos sobre las soldadas longitudinales probablemente se abrira