Tesis Analisis de Flexibilidad

UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI

ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

DEPARTAMENTO DE MECÁNICA

ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD PARA EL ARREGLO DE

TUBERÍAS QUE INTERCONECTA LOS REACTORES D-7623 Y

D-7624 EN EL PROCESO DE HIDROCONVERSIÓN

CATALÍTICA DE RESIDUOS (HDH)

Realizado por:

Fernández González Mayra José

Trabajo de Grado Presentado ante la Universidad de Oriente

Como Requisito Parcial Para Optar al Título de

INGENIERO MECÁNICO

Barcelona, Julio Del 2012









ASESORES

Profesor Gomes, Carlos

Asesor Académico

Ingeniero Bisutti, Walter

Asesor Industrial

Barcelona Julio Del 2012

APROBADO









JURADO

El jurado hace constar que asignó a esta tesis la calificación de:

Ing. Gomes, Carlos M.Sc., Ph. D.

Asesor académico

Ing. Payares, Felíx. Dr. Ing. Sterlacci, Gaetano M.Sc., Ph.D

(Jurado principal) (Jurado principal)

Barcelona, Julio 2012

iv

RESOLUCIÓN

ARTÍCULO 41

De acuerdo con el artículo 41 del reglamento de trabajo de grado:

“Los trabajos de grado son propiedad de la Universidad de Oriente y sólo

podrán ser utilizados para otros fines con el consentimiento del consejo de

núcleo respectivo, quien lo participará al consejo universitario”

v

DEDICATORIA

Hace mucho tiempo escuche una frase “los hijos escogen a sus padres

antes de nacer” quedo en mi memoria ya que fue en ese momento cuando

por fin pude entender como dios hizo para conectarme con la familia tan

maravillosa que tengo a mi lado, por lo que hoy por hoy cuando estoy a punto

de concluir una etapa de vida y empezar una que estoy segura será para

mejor, quiero darle gracias a:

Dios!!! Ante todo y todos, por permitirme escoger ser mujer y

venezolana, por guiarme por el camino del bien y más que nada por

conectarme con las personas que hoy conforman mi grupo familiar.

A mi orgullo, mi madre Osmelis González por ser tan paciente y

amorosa, por ser ejemplo de resistencia y persistencia, por enseñarme que

con una sonrisa e inteligencia se logra todo en esta vida. Te amo madre de

aquí al infinito y más allá.

A mi mejor cómplice, mi tía Dra. Carmen López sin tus cuidados al

enfermarme, tus chistes y tu presencia el camino vivido sería mucho más

difícil. No existen palabras de gratitud para expresar el enorme agrado que

siento por saber que te tengo a mi lado.

A mi hermana Olimar Fernández y mi sobrino Omar López, por

demostrarme que ser diferente a los demás está bien, y que no hay quien se

interponga en nuestros caminos cuando queremos lograr algo desde el

corazón.

vi

A mi abuelita Teodosa Quilarquez, por ser parte esencial de mi vida y

crecimiento, por ser pilar principal y sustento de todo una familia, por

enseñarme que un plato de tu comida cura hasta la herida mas grande.

A ustedes mis mujeres hermosas, por estar a mi lado apoyándome en

todo el camino, si alguna de ustedes me hubiera faltado este recorrido no

habría sido ni agradable ni entretenido….creo jamás encontrare el tiempo, las

palabras o acciones para retornarles lo que han hecho por mí, por lo que le

pido a dios nos dé tiempo para estar juntas y disfrutar de muchos otros

triunfos. Las amo por demás!!!!!!

vii

AGRADECIMIENTOS

A las personas que me encontré en el camino de mis estudios:

Antoniella Figuera y familia, por los 14 años (y contando) de amistad

incondicional a pesar de todo y todos, por estar ahí cuando más te he

necesitado.

Karlin Hurtado y familia, por adoptarme en su casa en los primeros años

de mi carrera…¡ya sabes en tu casa estudiamos matemática y en la mía

química!... nos graduamos amiga!

Luis Vásquez y familia, por ser algo más que un amigo, por

acompañarme al momento de lograr el cumplimiento de esta meta, y por

saber navegar en tiempos de calma y tempestad, por todo muchas gracias!

A mis compañeros de clases y pasillos: Cristivanesa Cova, José Ricardo

Marcano, Irmary diaz, Hendry Aguilera, entre muchos otros (lo siento, pero

nombrarlos a todos sería como escuchar el listado de clases una vez

más)…los banquitos del departamento de mecánica son testigos de muchos

momentos de celebración y de otros no tan placenteros, ya no deberíamos

llamarnos por ningún apodo… de ahora en adelante todos a nuestro tiempo

tendremos la oportunidad de decirnos “COLEGA”.

A mi asesor académico Profesor Carlos Gomes, por la paciencia durante

ese proceso, ¡disculpe los apuros profesor!. A mi asesor industrial Ing. Walter

Bisutti, por darme la oportunidad de completar este último requisito de mi

pensum bajo su tutela. ¡Gracias!

viii

Análisis de flexibilidad para el proceso HDHPLUS®

HDHPLUS®

RESUMEN

El presente trabajo de investigación se centró en el estudio de flexibilidad

realizado a las líneas de tuberías que interconectan los reactores de

Hidroconversión Catalítica de Residuos, que serán parte del tren de

destilación principal del nuevo proyecto de la refinería de puerto la cruz

“Conversión Profunda”. El problema presentado está en la conexión de estos

equipos, y radica en las altas condiciones de operación que posee el

sistema, donde se presentan temperaturas de hasta 900 °F y presiones de

3000 psi, lo que promueve la presencia de muchos problemas del tipo que

solo un equipo multidisciplinario podía solucionar, el rol del presente trabajo,

se encargó de proveer respuestas en cuanto a cuál sería el material

apropiado para la tubería, y de esta tubería cual sería el correspondiente

espesor, luego de solventados estas preguntas se necesito saber cuáles

serian los apoyos necesarios para la tubería en cuestión y a partir de estos

considerar y demostrar bajo el margen de las normas internacionales de

diseño, como las normas ASME/ANSI y aunado a las normas nacionales

PDVSA en su modulo de diseño, cuáles serían los rangos de operación

normal en cuanto a esfuerzos y reacciones que se presentan en el sistema

antes mencionado, también se determinaran las condiciones apropiadas para

la realización de la prueba hidrostática.

ix

INDICE GENERAL

RESOLUCIÓN ......................................................................................... iv DEDICATORIA ......................................................................................... v AGRADECIMIENTOS ............................................................................ vii RESUMEN ............................................................................................. viii INDICE GENERAL .................................................................................. ix INDICE DE TABLAS .............................................................................. xii INDICE DE FIGURAS ........................................................................... xiv CAPÍTULO I ........................................................................................... 16 EL PROBLEMA ..................................................................................... 16

1.1. RESEÑA HISTÓRICA ................................................................. 16

1.1.1. Descripción general de la Refinería de Puerto la Cruz.

(RPLC) 18

1.1.2. Ubicación de la RPLC. ......................................................... 19

1.1.3. Estructura organizativa de la RPLC. .................................... 20

1.1.4. Visión ................................................................................... 21

1.1.5. Misión ................................................................................... 22

1.1.6. Valores ................................................................................. 22

1.1.7. Objetivos corporativos .......................................................... 22

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................... 23

1.3. OBJETIVOS ................................................................................ 25

1.3.1. General ................................................................................ 25

1.3.2. Específicos ........................................................................... 25

CAPÍTULO II .......................................................................................... 27 MARCO TEÓRICO ................................................................................. 27

2.1. ANTECEDENTES ....................................................................... 27

2.2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ..................................................... 28

2.2.1. Descripción del proceso de Hidroconversión Catalítica de

Residuos HDHPLUS® [4]. ..................................................................... 28

2.2.2. Fases de desarrollo de un proyecto [5]. ............................... 30

2.2.3. Modo de Especificación de las tuberías. .............................. 37

x

2.2.4. Número de ciclos ................................................................. 40

2.2.5. Los aceros ........................................................................... 41

2.2.6. Cálculo del Espesor de Pared de tuberías. .......................... 44

2.2.7. REACTORES QUÍMICOS .................................................... 46

2.2.8. CARGAS DE DISEÑO PARA TUBERÍAS ............................ 47

2.2.9. Esfuerzos en tuberías .......................................................... 50

2.2.10. Esfuerzos primarios .......................................................... 50

2.2.11. Esfuerzos secundarios ..................................................... 51

2.2.12. Esfuerzos localizados ....................................................... 52

2.2.13. Esfuerzos admisibles ........................................................ 52

2.2.14. Consideraciones aplicables al arreglo de tuberías para

facilitar el apoyo y sujeción. ................................................................... 54

2.2.15. Soportes de tuberías ........................................................ 55

2.2.16. Ubicación de los soportes ................................................ 58

2.2.17. Restricciones .................................................................... 59

2.2.18. FLEXIBILIDAD ................................................................. 62

2.2.19. CAESAR II ........................................................................ 69

CAPÍTULO III ......................................................................................... 71 DESARROLLO DEL PROYECTO ......................................................... 71

3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN ........................................................... 71

3.2 POBLACIÓN ................................................................................. 72

3.3 TÉCNICAS UTILIZADAS .............................................................. 72

3.4. PROCEDIMIENTO METODOLÓGICO ........................................ 72

3.4.1. Inicio ...................................................................................... 73

3.4.2. Recopilación de la información .............................................. 73

3.4.3. Revisión de los códigos de diseño ........................................ 74

3.4.4. Selección del material de las tuberías ................................... 75

xi

3.4.5. Cálculo del mínimo espesor de pared para las tuberías en

estudio ................................................................................................... 85

3.8.6. Cálculo del espesor del aislante ............................................ 85

3.6.5. Modelado tridimensional en el software CAESAR II versión

5.10. ....................................................................................................... 88

CAPÍTULO IV ......................................................................................... 92 ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................... 92

4.1. Evaluación del sistema en estudio sin soportería ........................ 93

4.2. Determinación de los niveles de esfuerzo para la proposición,

posicionamiento y evaluación de la soporteria presentada para el sistema

.................................................................................................................. 99

4.3. Estimación de los desplazamientos ocasionados en los reactores

debido a la dilatación térmica .................................................................. 105

4.4. Proposición y evaluación de la soportería presentada para el

sistema completo..................................................................................... 110

4.5. Estudio de las bridas utilizadas como boquillas de conexión a los

equipos D-7623 y D-7624 ........................................................................ 113

CAPÍTULO V ........................................................................................ 116 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................... 116

5.1. Conclusiones ............................................................................. 116

5.2. Recomendaciones ..................................................................... 118

BIBLIOGRAFÍA CITADA ..................................................................... 119 BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL .............................................................. 121

xii

INDICE DE TABLAS

Tabla 1.1. Características de las unidades destiladoras del complejo de

destilación atmosférica de la RPLC. ............................................................. 19

Tabla 2.1. Esfuerzos Primarios.. ............................................................. 50

Tabla 2.3. Esfuerzo Básico Admisible. ................................................... 52

Tabla 2.4. Rango del esfuerzo admisible................................................ 53

Tabla 3.1 Condiciones de diseño y operación del sistema de reactores. 78

Tabla 3.2. Composición porcentual de las corrientes de servicio entre los

reactores D-7623 Y D-7624. ........................................................................ 80

Tabla 3.3. Aceros de uso común en la RPLC.]. ...................................... 82

Tabla 3.4. Especificación técnica del acero SS 347 seleccionado para el

proyecto ........................................................................................................ 83


proyecto.. ...................................................................................................... 84

Tabla 3.6. Materiales para aislamiento según temperatura. Fuente:

Norma PDVSA L-212 .................................................................................... 86

Tabla 3.7. Espesor del aislamiento en pulgadas para protección del

personal, material: Silicato de Calcio. ........................................................... 87

Tabla 4.2. Esfuerzos máximos presentados en el modelo 2, evaluando 4

casos (Prueba hidrostática, carga de operación, carga sostenida y expansión

térmica) sin elementos de soportería ............................................................ 97



térmica) sin elementos de soportería.. .......................................................... 98

Tabla 4.4. Resumen de cargas y desplazamientos para la selección de

soportes, modelo 1. Fuente: CAESAR II. .................................................... 101

Tabla 4.5. Esfuerzos máximos presentados en el modelo 1, evaluado con

los elementos de soportería. Fuente: CAESAR II. ...................................... 102

xiii


soportes, modelo 2. Fuente: CAESAR II. .................................................... 104


los elementos de soportería Fuente: CAESAR II. ....................................... 105

Tabla 4.8. Comparación de cargas y desplazamientos para el modelo 1

original y modelo 1 interacción equipos- tuberías. Fuente: CAESAR II ...... 112

Tabla 4.9. Resultados de la evaluación de Presión Equivalente sobre la

brida en la parte superior del reactor D-7623. Fuente: CAESAR II. ............ 114


brida en la parte inferior del reactor D-7624. Fuente: CAESAR II. .............. 115

xiv


HDHPLUS®

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Ubicación geográfica de la refinería de Puerto la Cruz ........ 20

Figura 1.2. Organización gerencial de la RPLC. ..................................... 21

Figura 2.1. Esquema del proceso de la Unidad de HDHPLUS® ............. 30

Figura 2.1. Colgador y soporte de resorte para carga constante ............ 56

Figura 2.2. Colgador (a) soporte (b) de resorte de carga variable .......... 57

Figura 2.3. Anclajes ................................................................................ 60

Figura 2.4. Amortiguadores .................................................................... 61

Figura 3.1. Procedimiento utilizado para el cumplimiento de los objetivos

planteados. ................................................................................................... 73

Figura 3.4. Interface del diseño para conexión entre equipos, Modelo 1.

...................................................................................................................... 90


...................................................................................................................... 91


...................................................................................................................... 91

Figura 4.1. Distribución nodal para el modelo 1. ................................... 94

Figura 4.3. Distribución nodal para el modelo 3. .................................... 98

Figura 4.4. (a) Distribución nodal para el modelo 1, (b) Nodos para la

colocación de elementos de soportes. ........................................................ 100


colocación de elementos de soportes. ........................................................ 103

Figura 4.6. Interface típica de los reactores de hidroconversión catalítica

de residuos, caso reactor D-7623 ............................................................... 106

Figura 4.7. Secciones del cuerpo del reactor D-7623. .......................... 107

Figura 4.8. Interface típica de los reactores HDHPLUS®, mostrando el

movimiento ocasionado, para los casos de prueba .................................... 108

xv


movimiento ocasionado para el caso de expansión térmica en las

temperaturas de diseño, operación y prueba hidrostátic............................. 109

Figura 4.8. Evaluación de la distribución de esfuerzos en la boquilla

superior del reactor D-7623, para prueba hidrostática, carga de operación,

carga sostenida y expansión térmica. Fuente: CAESAR II. ........................ 113


inferior del reactor D-7624, Para prueba hidrostática, carga de operación,

carga sostenida y expansión térmica. ......................................................... 114

Figura 4.10. Internase típica del modelo de estudio “Interacción tuberías-

equipos” ...................................................................................................... 111


HDHPLUS®

CAPÍTULO I

EL PROBLEMA

1.1. RESEÑA HISTÓRICA

Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) es la corporación estatal de la

República Bolivariana de Venezuela que se encarga de la exploración,

producción, manufactura, transporte y mercadeo de los hidrocarburos. Esta

corporación estatal fue creada por decreto presidencial Nº 1.123 en el año

1975 por la Ley Orgánica que reserva al Estado la industria y el comercio de

los hidrocarburos, para asumir las funciones de planificación, coordinación y

supervisión de la industria petrolera nacional al concluir el proceso de

restablecimiento de las concesiones de hidrocarburos a las compañías

extranjeras que operaban en territorio venezolano.

Por mandato de la Constitución de la República Bolivariana de

Venezuela, la totalidad de las acciones de Petróleos de Venezuela S.A.

pertenecen al Estado Venezolano, en razón de la estrategia nacional y la

soberanía económica y política, ejercida por el pueblo venezolano. En ese

sentido, PDVSA está subordinada al Estado Venezolano y por lo tanto actúa

bajo los lineamientos trazados en los Planes de Desarrollo Nacional y de

acuerdo a las políticas, directrices, planes y estrategias para el sector de los

hidrocarburos, dictadas por el Ministerio de Energía y Petróleo.

17


HDHPLUS®

Durante sus primeros años de operación, PDVSA inició sus acciones

con catorce (14) filiales. En 1977 se produjo la primera reorganización,

reduciendo las filiales operativas de catorce (14) a siete (7) al absorber las

más grandes a las pequeñas. Más tarde ese mismo año se redujeron las

filiales a cinco (5). En 1978, a cuatro (4) y en 1986, a tres (3): LAGOVEN,

MARAVEN y CORPOVEN que absorbieron las actividades de las

concesionarias que estaban en Venezuela. Dentro de esta fase, también

inicia acciones en 1976, el Instituto Tecnológico Venezolano del Petróleo

(INTEVEP), destinado a efectuar los estudios e investigaciones necesarias

para garantizar el alto nivel de los productos y procesos dentro de la industria

petrolera. Igualmente, dos años más tarde se crea Pequiven Petroquímica de

Venezuela S.A., dirigida a organizar el negocio de la producción

petroquímica.

En julio de 1997 se aprobó una nueva reestructuración que eliminó esas

filiales y creó cuatro grandes empresas funcionales de negocios que

integraran la corporación: PDVSA Petróleo y Gas; PDVSA Exploración y

Producción; PDVSA Manufactura y Mercadeo y PDVSA Servicios,

responsables de ejecutar la actividad operativa. Éstas entran en acción

desde el 1° de enero de 1998.

La principal empresa del país inicia una expansión tanto en el ámbito

nacional como mundial, con la compra y participación en diversas refinerías

ubicadas en Europa, Estados Unidos y el Caribe. PDVSA logra ser

considerada, gracias a su calidad y responsabilidad, como una empresa

confiable en el suministro de grandes volúmenes de petróleo a escala

18


HDHPLUS®

mundial, consolidándose así como una de las principales compañías

petroleras a nivel mundial.

1.1.1. Descripción general de la Refinería de Puerto la Cruz.

(RPLC)

En RPLC., se llevan a cabo procesos de refinación de crudos para garantizar

el suministro de gasolina, gas licuado de petróleo, diesel y kerosene al

mercado del Oriente del país, cumpliendo además con la demanda de otras

zonas y del mercado de exportación de productos tales como: residual,

destilados y nafta. El objetivo principal de la refinería es realizar procesos de

separación física y transformación química que conviertan el crudo en

derivados utilizables para numerosas aplicaciones. La RPLC., se encuentra

conformada actualmente por distintas unidades que pueden ser agrupadas

en las siguientes categorías:

Unidades de procesos (Unidades de destilación atmosférica DA-1,

DA-2, DA-3.)

Unidades de tratamiento (STG).

Servicios industriales.

Hidroprocesos.

El complejo de destilación atmosférica de la RPLC., está constituido

por tres unidades de destilación cuyas características más importantes se

muestran en la tabla 1.1.

19


HDHPLUS®

Tabla 1.1. Características de las unidades destiladoras del complejo de

destilación atmosférica de la RPLC. Fuente: PDVSA Refinación Oriente,

“Manual instructivo de la RPLC”

UNIDAD

CRUDO

°API

CAPACIDAD

DE DISEÑO

(MBPD*)

DA-1 Liviano/

Mediano

29-30 74

DA-2 Pesado 16-24 90

DA-3 Liviano 36-51 40

*MBPD: Miles de barriles de petróleo diarios

La RPLC., cuenta con una capacidad nominal para procesar 200 MBD

de crudo en sus tres unidades de destilación, de los cuales 45% corresponde

a crudo pesado.

1.1.2. Ubicación de la RPLC.

La RPLC., está ubicada en la costa nororiental del país al este de la

ciudad de Puerto La Cruz en el estado Anzoátegui; tiene facilidades de

acceso desde el Mar Caribe y está conectada por oleoductos con los campos

de producción de Oriente. La conforman las instalaciones de Puerto La Cruz,

El Chaure y San Roque (a 40 Km de Anaco, vecina a la población de Santa

Ana, Edo Anzoátegui), la figura 1.1 muestra la ubicación geográfica de esta

Refinería.

20


HDHPLUS®

Figura 1.1. Ubicación geográfica de la refinería de Puerto la Cruz.

Fuente: Google Earth,Versión 6.2 (2012)

1.1.3. Estructura organizativa de la RPLC.

La estructura organizativa de la RPLC., está conformada por cinco (5)

Gerencias cada una con sus diferentes superintendencias y divididas en

distintas secciones que sirven un condicional apoyo a la gerencia General de

esta instalación petrolera. En la figura 1.2, se muestra esquemáticamente la

organización de la RPLC, y sus operaciones gerenciales.

21


HDHPLUS®

Figura 1.2. Organización gerencial de la RPLC.

Fuente: PDVSA Refinación Oriente, “Manual instructivo de la RPLC”

1.1.4. Visión

Hoy en día la visión de Petróleos de Venezuela S. A. es avanzar hacia la

plena soberanía energética, impulsado además del negocio petrolero el

desarrollo endógeno nacional y la incorporación y adecuación de nuevas

22


HDHPLUS®

tecnologías que permitan optimizar los procesos, en sintonía con el medio

ambiente y en pro del beneficio de todos los venezolanos.

1.1.5. Misión

La misión principal de Petróleos de Venezuela S. A., es cumplir con todas las

actividades propias del negocio petrolero, constituyéndose en una

corporación verticalmente integrada, que abarca todos los procesos, desde la

explotación hasta la comercialización de los hidrocarburos gaseosos y no

gaseosos, y sus derivados.

1.1.6. Valores

Ética: Honestidad, Responsabilidad, Coherencia

Justicia: Equidad, Tolerancia, Respeto

Solidaridad: Cooperación, Compromiso social

Calidad y competitividad

Innovación y liderazgo.

1.1.7. Objetivos corporativos

En relación a los objetivos planteados de Petróleos de Venezuela S.A., se

visualiza que la misión y visión de la corporación están altamente vinculadas,

ya que todos los objetivos incluidos en el Plan Estratégicos "Plan Siembra

Petrolera" están orientados hacia el cumplimiento del mismo. En este sentido

es importante reconocer que la prioridad de la organización está enmarcada

23


HDHPLUS®

en seis grandes proyectos de desarrollo y consta de dos etapas: una a

ejecutarse entre el período 2005-2012 y otra entre el periodo 2012 y 2030. A

continuación se nombran:

Certificar las reservas petroleras venezolanas ante el mundo

Proyecto Orinoco: Comprende el eje del río Orinoco y abarca la

parte del río Apure. Consiste en la explotación y desarrollo de la

Faja.

Delta Caribe: Industrialización del gas, el gas será utilizado como

elemento de desarrollo endógeno para la industrialización del país.

Aumentar la capacidad de refinación: Construcción de nuevas

refinerías

Habilitar más llevaderos y poliductos

Suministro de Petróleo al Mar Caribe.

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) es una empresa del Estado

Venezolano, que dirige el desarrollo de la industria petrolera, petroquímica y

carbonífera de la nación, se destaca la Refinería Puerto La Cruz (RPLC),

uno de los distritos operacionales de PDVSA, localizada en la costa Nor-

Oriental del país y al este de la ciudad de Puerto la Cruz; es de especial

importancia industrial debido a que tiene facilidades de acceso a través del

Mar Caribe y está conectada por oleoductos con los campos de producción

del Sur-Oriente. La conforman las instalaciones de Puerto La Cruz, El Chaure

y San Roque.

24


HDHPLUS®

La RPLC., en la actualidad se encuentra desarrollando tecnología

venezolana, con la que se persigue maximizar, transformar y mejorar la

producción del crudo, de 8º API, procedente de la Faja Petrolífera del

Orinoco, en Merey de 16º API, y que se produzcan 50.000 Barriles de

Petróleo Diarios (BPD) a través del proceso de Hidroconversión catalítica de

Residuos de Vacío HDHPLUS®. Esta tecnología utiliza los reactores D-7623

y D-7624 como parte esencial del proceso, estos equipos se encuentran en

etapa de construcción e instalación, están fabricados con aleaciones

especiales de acero y cuentan con un espesor que alcanza los 300

milímetros (sin contar con los recubrimientos internos), y un peso de entre

550 y 1.700 toneladas, convirtiéndolos en dispositivos capaces de soportar

altas presiones y temperaturas.

Los reactores estarán conectados entre sí en un sistema en serie, a

través de los cuales se bombea la sustancia de trabajo denominada Slurry la

cual será considerado como una “lechada” (mezcla de coque, molibdeno,

cromo y efluentes del proceso de Destilación Atmosférica) proveniente del

horno B-7620, entra al primer reactor D-7623 ocurriendo en esta etapa el

65% de la conversión, y se conecta con el segundo reactor, para completar la

última fase de conversión completándose hasta un 92% la Hidroconversión

de residuos en productos de venta nacional y exportación.

El trabajo de grado, está enfocado en determinar si a nivel de

ingeniería de detalle la línea de tuberías que interconecta los reactores ya

mencionados posee la suficiente capacidad para absorber las cargas que

inciden sobre ella, tales como: El peso propio de la tubería, las fuerzas

producidas por la presión del fluido, los niveles de esfuerzos en los arreglos

25


HDHPLUS®

planteados y los producidos por la dilatación térmica que se dan en los

reactores y que ocasionan altas concentraciones de esfuerzos, para así

poder dar inicio a las etapas de puesta en marcha y de operación normal de

esta nueva etapa de la RPLC.

Lo anteriormente señalado resalta la necesidad de realizar un análisis

de flexibilidad, el cual se lleva a cabo elaborando un estudio computacional

que simule las condiciones de carga, para ello se empleará un software

especializado en el análisis de flexibilidad en tuberías llamado CAESAR II en

su versión 5.10 el cual incluye una herramienta computacional basada en el

método de los elementos finitos. La solución del problema en cuestión, traerá

como beneficios garantizar el funcionamiento adecuado en el sistema de

tuberías de la unidad, así como dar a conocer los avances a realizar sobre la

línea de estudio.

1.3. OBJETIVOS

1.3.1. General

Realizar un análisis de flexibilidad para el arreglo de tuberías que

interconecta los reactores del proceso de HDHPLUS® para el proyecto

conversión profunda en la refinería de Puerto la Cruz, mediante una

simulación tridimensional usando el software CAESAR II 5.10.

1.3.2. Específicos

1. Establecer las condiciones de diseño, operación y prueba

hidrostática del sistema.

26


HDHPLUS®

2. Seleccionar los materiales de las tuberías en base a las

condiciones de operación y resistencia del sistema.

3. Definir el espesor mínimo de pared para las condiciones de

diseño y operación del sistema.

4. Obtener una configuración aceptable de soportes para el

sistema de tuberías.

5. Crear un modelo computacional de la línea en estudio

6. Determinar los niveles de carga y esfuerzo en las tuberías,

cuando están sometidas a cargas estáticas y dinámicas.

7. Predecir el desplazamiento provocado por la expansión térmica

sobre los reactores y su efecto en los esfuerzos de la tubería,

así como también en las boquillas de conexión.

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

2.1. ANTECEDENTES

Buriel, Y. [1] Calculó los esfuerzos obtenidos de la prueba hidrostática,

cargas sostenidas y expansiones térmicas. Propuso además la

implementación de lazos de expansión tridimensionales y reubicación de

soportes críticos en la unidad destiladora DA-3 de la refinería de Puerto la

Cruz, para los cabezales destiladores de 180 Lbs. y 20 Lbs. Este

antecedente se utilizó ya que en ambos se realizan las pruebas hidrostáticas,

cargas sostenidas y expansiones térmicas, siguiendo los parámetros de las

normas nacionales e internacionales.

Bustamante, J. [2] Realizó un análisis de flexibilidad estático en las

líneas del sistema múltiple de carga en la RPLC, y en este tomó en cuenta

los esfuerzos producidos por las cargas sostenidas y expansiones térmicas

para tres casos de diferente funcionamiento del sistema, además comparó

estos esfuerzos con los permisibles según la norma ASME B31.3, se

obtuvieron las cargas sobre los pórticos que sostienen las tuberías que van

hacia los tanques de carga. Este trabajo de grado, guarda semejanza con

esta investigación por cuanto ambos utilizan la noma ASME B31.3 y realizan

un estudio de flexibilidad para varios casos de cargas. Como diferencia entre

ambas investigaciones, puede señalarse que en este trabajo se estudió las

cargas presentadas para poder seleccionar la soportería necesaria; además

de estudiarse la dilatación existente en los reactores debido a los gradientes

de temperatura del sistema.

28


HDHPLUS®

Rivas, S. [3] Evaluó los esfuerzos estáticos, en las líneas de transporte

de crudo en la RPLC., realizó propuestas para la implementación de lazos de

expansión bidimensionales para las líneas de recibo y succión del sistema.

Para las líneas de succión a tanque propuso lazos tridimensionales logrando

con ello la disminución de los esfuerzos y cargas en las boquillas, logrando el

cumplimiento de las normas.

2.2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.2.1. Descripción del proceso de Hidroconversión Catalítica de

Residuos HDHPLUS® [4].

HDHPLUS®/SHP, es la tecnología para el tratamiento, conversión y

valorización de los crudos pesados y extra pesados provenientes de la Faja

Petrolífera del Orinoco, la misma se basa en la hidroconversión de residuales

que puede procesar cargas refractarias de residuo de vacío

independientemente del contenido de azufre, metales y asfáltenos que estas

tengan. Esta tecnología de más de 20 años de desarrollo, que opera con

presiones superiores a los 2000 psi y temperaturas superiores a 400°C,

cuenta con un novedoso sistema catalítico que permite elevadas

conversiones con una muy baja tasa de inyección de metal, es desarrollada

en el país por un esfuerzo conjunto entre los equipos multidisciplinarios de

PDVSA refinación oriente e INTEVEP.

La unidad de Hidroconversión Catalítica de Residuos HDHPLUS®

consiste en las instalaciones necesarias para lograr que la mezcla del

residuo de vacío, en presencia de hidrógeno y un catalizador, se transforme

en fracciones livianas de mayor valor agregado. Como catalizador se utilizan

29


HDHPLUS®

metales convencionales como molibdeno y níquel, que están dispersos en el

residuo a través de emulsiones catalíticas y, como aditivo se utiliza un

material de diferente naturaleza preparado por molienda y tratamiento

térmico para el control de la fluido dinámica de los reactores. La unidad será

diseñada para el procesamiento de 500000 Barriles de Petróleo Diarios

(BPD), en la unidad de destilación al vacío, en dos trenes idénticos y cuenta

con niveles de conversión ubicados en el rango de 85 a 92%.

La unidad de Hidroconversión Catalítica de Residuos HDHPLUS® se

divide en dos secciones, una que va hacia un horno de gas y la otra hacia un

horno trifásico que proporciona la apropiada presión y temperatura para ser

enviada hacia el sistema de los reactores que consiste en dos reactores

idénticos para lodo (slurry) que operan en serie. En esta unidad una corriente

pde hidrógeno, es inyectada en la línea de transporte de residuo de vacio

craqueado junto con el catalizador y los aditivos.

La alimentación proveniente del horno trifásico entra en la parte inferior

del primer reactor HDHPLUS® (D-7623) y lo abandona por la parte superior,

lográndose aproximadamente la obtención de un 65% de la conversión, la

alimentación transformada se envía a la parte inferior del segundo reactor

HDHPLUS® (D-7624) para alcanzar la conversión final, y sale de la sección

de reacción por la parte superior del segundo reactor. Los productos

procedentes del segundo reactor se mezclan con una corriente de hidrogeno

para controlar la temperatura de entrada hacia el separador de alta presión y

alta temperatura (HPHT) donde los efluentes serán separados, una parte va

hacia una torre de vacío para obtener VGO Hidrocraqueado y Flakes (residuo

no convertido + coque) y otra hacia los reactores de Hidrotratamiento para

30


HDHPLUS®

continuar con el proceso de AQUACONVERSION® y obtener productos más

refinados como nafta, combustible jet, diesel y VGO Hidrotratado, para la

venta nacional y la exportación.

Figura 2.1. Esquema del proceso de la Unidad de HDHPLUS®. Fuente:

Documento técnico TM-JYDP-0752 [4].

2.2.2. Fases de desarrollo de un proyecto [5].

Para un mejor control, una mejor optimización de los recursos (humanos,

de tiempo, materiales y monetarios) y para lograr los objetivos propuestos, la

gerencia y el equipo de trabajo de todo proyecto contempla ciertas fases de

desarrollo las cuales se mencionan a continuación:

Fase Conceptual

31


HDHPLUS®

Fase de Ingeniería Básica

Fase de Ingeniería de Detalle

Fase de Procura

Fase de Construcción

Fase de Arranque y Puesta en Marcha.

El alcance de este trabajo se limita a las primeras tres fases de las

mencionadas anteriormente.

2.2.2.1. Fase Conceptual

La fase conceptual incluye la evaluación preliminar de una solución

técnica, con la que se busca satisfacer una necesidad, tomando en cuenta

los requerimientos específicos tecnológicos, los factores económicos y

ambientales. En ella se origina una información que generalmente, está

contenida en los registros del diseño conceptual y en las descripciones de las

condiciones ambientales del sitio donde se localizará el proyecto.

El registro de diseño conceptual, resume los documentos contentivos de

las decisiones previas a la ejecución de la ingeniería básica. Se justifica la

importancia y la actualidad del proyecto y se realiza un análisis de macro

factibilidad del mismo. La descripción de las condiciones del sitio cubre los

aspectos como mapas del sitio, fotografías, condiciones meteorológicas,

suelo, leyes ordenanzas locales. En resumen esta fase debe proporcionar los

siguientes resultados:

32


HDHPLUS®

Determinación de las necesidades existentes o limitaciones

potenciales para limitación.

Establecimiento de sistemas conceptuales para proporcionar

estrategias iniciales para el proyecto.

Determinación de la factibilidad y practicabilidad técnica,

económica y ambiental del proyecto.

Examen de los caminos alternos para la obtención de los objetivos

del proyecto.

Proveer la respuesta a las siguientes preguntas: ¿Cuál será el

costo del proyecto? ¿Cuándo estará disponible? ¿Cómo integrar

el proyecto a instalaciones existentes?

Identificar los recursos requeridos para realizar el proyecto.

Establecimiento de un cronograma de ejecución del proyecto.

El aspecto más importante de esta fase es el análisis preliminar del

riesgo y los requerimientos de tiempo y dinero. Esta fase constituye la

primera aproximación a la factibilidad de un proyecto.

2.2.2.2. Fase de Ingeniería Básica

La fase de ingeniería básica responde a la pregunta ¿Qué se quiere?. Así la

ingeniería básica, es un refinamiento de los elementos descritos en la

ingeniería conceptual y proporciona una firme identificación de los recursos

requeridos, conjuntamente con el establecimiento de tiempos, costos y

eficiencias realistas. Incluye la preparación de la documentación necesaria

para soportar el proyecto, proporcionando resultados en las siguientes áreas:

33


HDHPLUS®

Procesos, ingeniería mecánica, de instrumentación y control, ingeniería civil,

ingeniería eléctrica, entre otras.

En esta etapa se definen los siguientes puntos:

Diseño del proceso.

Balances de masa y energía.

Estudios de optimización y fenómenos de transporte.

Procedimientos operacionales.

Diagramas de flujo con las condiciones de operación y de diseño.

Evaluación de datos y análisis de laboratorios.

Estudios de simulación.

Requerimientos de servicios e insumos.

Especificaciones de equipos y datos de procesos.

Especificaciones de tuberías.

Especificaciones de instrumentación.

Presentación de los diagramas de tubería e instrumentación

(P&ID).

2.2.2.3. Fases de Ingeniería de Detalle

En la ingeniería de detalle se termina de definir y afinar el diagrama de

tuberías e instrumentación, siguiendo las especificaciones globales

generadas en la ingeniería básica. En esta etapa se definen los siguientes

puntos:

El diseño de los recipientes y de los equipos.

34


HDHPLUS®

Listas y especificación detallada de los equipos requeridos.

Listado de las líneas y válvulas.

Requerimientos de servicios.

Revisión general de toda la ingeniería.

La ingeniería de detalle debe contener información suficiente para

que se adquieran los materiales, con las especificaciones adecuadas y

adicionalmente, mostrar los procedimientos de fabricación de los equipos a

utilizar (si fuese necesario) y por último el procedimiento de instalación de los

equipos y materiales especificados anteriormente.

2.2.2.3.1. Normas más utilizadas para el análisis de sistemas de

tuberías en una ingeniería de detalle.

Las normas más utilizadas en el análisis de sistemas de tuberías son las

normas conjuntas del American Estándar Institute y la American Society of

Mechanical Engineers ANSI/ASME B31. Cada una de estas normas recoge

la experiencia de numerosas empresas especializadas, investigadores,

ingenieros de proyectos e ingenieros de campo en áreas de aplicación

específicas, a saber:

B31.1. Power Piping (tuberías de potencia) (1989).

B31.3. Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping (tuberías en

plantas químicas y refinerías de petróleo) (1990).

http://www.monografias.com/trabajos4/leyes/leyes.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/empre/empre.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/pmbok/pmbok.shtml

35


HDHPLUS®

B31.4. Liquid Transportation System for Hydrocarbons, Petroleum

Gas, Andhydroys Anmonia and Alcohols (sistemas de tuberías de

transporte para hidrocarburos liquidos y otros líquidos) (1989).

B31.5. Refrigeration Piping. (tuberías de refrigeración) (1987).

B31.8. Gas Transmisión and Distribution Piping System.( sistemas

de tuberías para transporte y distribución de gas)(1989).

B31.9. Building Services Piping. (tuberías de servicio en edificios)

(1988)-

B31.11. Slurry Transportation Piping System. (tuberías Para

transporte de lechada) (1986).

En lo que concierne todas las normas son muy parecidas,

existiendo algunas discrepancias con relación a las condiciones de

diseño, al cálculo de los esfuerzos y a los factores admisibles.

Para el desarrollo de esta investigación se hará especial mención

al código ASME B31.3.

2.2.2.3.2. Pasos para realizar un diseño mecánico en una ingeniería de

detalle.

La siguiente lista muestra los pasos que deben completarse en el diseño

mecánico de cualquier sistema de tuberías:

Establecimiento de las condiciones de diseño incluyendo presión,

temperaturas y otras condiciones, tales como la velocidad del

viento, movimientos sísmicos, choques de fluido, gradientes

térmicos y número de ciclos de varias cargas.

Determinación del diámetro de la tubería, el cual depende

fundamentalmente de las condiciones del proceso, es decir, del

caudal, la velocidad y la presión del fluido.

http://www.monografias.com/trabajos10/gase/gase.shtml

http://www.monografias.com/trabajos7/caes/caes.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/tebas/tebas.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml

http://www.monografias.com/trabajos13/cinemat/cinemat2.shtml#TEORICO

http://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml#PROCE

36


HDHPLUS®

Selección de los materiales de la tubería con base en corrosión,

fragilización y resistencia.

Selección de las clases de "rating" de bridas y válvulas.

Cálculo del espesor mínimo de pared (Schedule) para las

temperaturas y presiones de diseño, de manera que la tubería sea

capaz de soportar los esfuerzos tangenciales producidos por la

presión del fluido (ASME B31.3).

Establecimiento de una configuración aceptable de soportes para

el sistema de tuberías.

Análisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los

esfuerzos producidos en la tubería por los distintos tipos de carga

estén dentro de los valores admisibles, a objeto de comprobar que

las cargas sobre los equipos no sobrepasen los valores límites,

satisfaciendo así los criterios del código a emplear (ASME B31.3).

Si el sistema no posee suficiente flexibilidad y/o no es capaz de

resistir las cargas sometidas (efectos de la gravedad) o las cargas

ocasionales (sismos y vientos), se dispone de los siguientes

recursos:

Reubicación de soportes.

Modificación del tipo de soporte en puntos específicos.

Utilización de soportes flexibles.

Modificación parcial del recorrido de la línea en zonas específicas.

Utilización de lazos de expansión.

El análisis de flexibilidad tiene por objeto verificar que los esfuerzos en la

tubería, los esfuerzos en componentes locales del sistema y las fuerzas y

momentos en los puntos terminales, estén dentro de límites aceptables, en

http://www.monografias.com/trabajos14/propiedadmateriales/propiedadmateriales.shtml

http://www.monografias.com/trabajos3/corrosion/corrosion.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/restat/restat.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml

http://www.monografias.com/trabajos6/lide/lide.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/eticaplic/eticaplic.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/volcanes/volcanes.shtml

http://www.monografias.com/trabajos4/refrec/refrec.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/metods/metods.shtml#ANALIT

37


HDHPLUS®

todas las fases de operación normal y anormal, durante toda la vida

esperada de la planta.

Es de gran importancia aclarar la diferencia que existe entre los términos

“tubería” y “tubo”, pues comúnmente son confundidos. Las tuberías,

corresponden al conjunto conformado por el tubo, los accesorios, las

válvulas, entre otros, encargados de transportar los gases o líquidos que así

lo necesitan. Mientras que el tubo; es aquel producto tubular con

dimensiones ya definidas y de material de uso común. Las tuberías con

destinación industrial tienen una muy amplia aplicación, pues es por medio

de ellas que se transportan todos los fluidos (gases, mezclas, líquidos, etc.)

para optimizar y no limitar los procesos industriales. Existen tubos con

costura y sin costura, la diferencia entre ellos radica en el modo de

fabricación, los primeros basan su manufactura en la soldadura, mientras que

los segundos no.

2.2.3. Modo de Especificación de las tuberías.

Diámetro: Diámetro nominal de la tubería en pulgadas.

Costura: SMLS (Tubería sin costura), Welded (Tubería con

costura).

Sch: Schedule de la tubería.

Material: Material de la tubería. Ej. ASTM A 106 gr. B.

Longitud: Longitud por pieza. Ej. Piezas de 6m de largo.

Tolerancia: Tolerancia de longitud de la tubería. [6]

38


HDHPLUS®

Los parámetros fundamentales, que delimitan el diseño de un sistema

de tuberías, son principalmente la temperatura y la presión de diseño, tal

como lo señala Petróleos de Venezuela (2002), en el módulo de Diseño de

Tuberías de Proceso, donde define que:

2.2.3.1. La presión de diseño

Es considerada como la máxima diferencia de fuerza por unidad de área

existente entre el interior y el exterior de un tubo, componente de tubería o

entre cámaras adyacentes de una unidad. Esta presión de diseño no será

menor que la presión a la condición más severa de presión y temperatura

coincidentes que se espere en condición normal.

2.2.3.2. La temperatura de diseño

Es la temperatura del metal a la condición más severa de presión y

temperatura coincidentes, esperada durante operación normal. Los requisitos

para determinar la temperatura del metal de diseño para tuberías son:

Para tubería con aislamiento externo, la temperatura del metal

para diseño será la máxima temperatura de diseño del fluido

contenido.

Para tubería sin aislamiento externo y sin revestimiento interno,

con fluidos a temperatura de 0 ºC (32 ºF) y mayores, la

temperatura del metal para el diseño será la máxima temperatura

de diseño del fluido.

39


HDHPLUS®

Para temperaturas de fluidos menores de 32 ºF, la temperatura del

metal para el diseño, será la temperatura de diseño del fluido

contenido.

Para tuberías aisladas internamente la temperatura será calculada

usando la temperatura ambiental máxima sin viento (velocidad

cero)[7].

Es importante definir los conceptos de interés en la presentación de las

tuberías. Los tubos fabricados de acuerdo con los tamaños dados en las

normas y en los Standard del Instituto Americano del Petróleo (API) son

llamados tuberías. El diámetro externo de cualquier tamaño nominal es el

mismo para cualquier peso (espesor de pared), dentro de un mismo tamaño.

Esto es, el diámetro interno para un mismo tamaño nominal varía junto con

su espesor. El espesor de pared viene expresado en términos del Schedule,

de acuerdo con el Instituto Nacional Americano de Normalización (ANSI).

Anteriormente a la introducción de números de lista fueron utilizados los

términos Peso Standard (S), Extra Fuerte (XS) y Doble Extra Fuerte (XXS),

para indicar los espesores de pared.

2.2.3.3. Clase o Rating

Término para materiales específicos, que identifica la presión máxima

permisible para una temperatura establecida. Se expresa como clase, libras

o libras por pulgada cuadrada (psi). La clase de presión se han normalizado

en incrementos graduales, tales como 150, 300, 400, etc., cada una de

las cuales se relaciona con las dimensiones definidas en estándares

reconocidos, tales como la ASME B16.5 Y ASME B16.34; de esta manera,

40


HDHPLUS®

todas las válvulas y bridas de un tipo dado, manufacturado por diferentes

fabricantes, deberán tener dimensiones normalizadas que permitan su

intercambiabilidad total. El código ASME B31.1 permite que los Ratings de

presión y temperatura contenidos en los estándares de componentes, sean

utilizados para establecer las presiones y temperaturas de diseño.

2.2.4. Número de ciclos

Es el número de veces, que la línea está sometida a la combinación

de temperatura y movimientos en los extremos. El código ASME B31.3

señala que el rango de esfuerzo admisible, es una función del número de

fluctuaciones completas de temperatura, desde la mínima hasta la máxima

temperatura del metal, este esfuerzo es constante para los primeros 7000

ciclos de cambio en la temperatura y se reduce para una cantidad mayor de

ciclos. El número de ciclos también tiene influencias en el diseño de un

sistema por flexibilidad, por cuanto la base para la determinación del

esfuerzo de diseño por flexibilidad, está asociada a consideraciones de

deterioro por fatiga.

Si el número de ciclos esperados de cambio de temperatura durante

la vida de la planta excede de 7000 ciclos, el número de ciclos deberá ser

indicado en las especificaciones para todas las líneas involucradas, para

propósitos de diseño mecánico, se puede usar 20 años de vida de la planta

en el estimado del número ciclos, lo cual significa que un ciclo por día es

necesario para superar los 7000 ciclos. La ecuación para determinar el rango

del esfuerzo admisible (Ec. 2.1) de acuerdo al código ASME B31.3, se repite

41


HDHPLUS®

a continuación para explicar cómo la cantidad de ciclos es considerada por el

código:

(Ec. 2.1)

Donde:

SC= Esfuerzo admisible del material en la condición fría.

Sh = Esfuerzo admisible del material en la condición caliente

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

total de ciclos de temperatura durante la vida esperada [8].

Luego de establecidas las condiciones de operación es necesario

definir el material de la tubería, basados en los requerimientos que el fluido

de servicio propone, entre los materiales más comúnmente utilizados en

proyectos previos de la refinería de puerto la cruz se tienen:

2.2.5. Los aceros

Son aleaciones de hierro carbono, aptas para ser deformadas en frío y

en caliente, que se obtienen sometiendo el arrabio a un proceso de

descarburación y eliminación de impurezas llamado afino (oxidación del

elemento carbono). Generalmente el porcentaje de carbono no excede de

1,76% y atendiendo a dicho porcentaje, los aceros se clasifican en:

42


HDHPLUS®

Aceros hipoeutectoides, si su porcentaje de carbono es inferior al

0,89%.

Aceros hipereutectoides, si su porcentaje de carbono es superior

al porcentaje anterior.

Desde el punto de vista de su composición, los aceros se pueden

clasificar en dos grandes grupos:

Aceros al carbono: formados principalmente por hierro y carbono.

Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos

aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del

1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Es

resistente a altas temperaturas, posee buena resistencia al

choque, mecanizabilidad y tenacidad y sobre todo es saldable y

forjable

Aceros aleados: Contienen, además del carbono otros elementos

en cantidades suficientes como para alterar sus propiedades

(dureza, puntos críticos, tamaño del grano, templabilidad,

resistencia a la corrosión). Contienen una proporción determinada

de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades

mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono

normales.

Los aceros inoxidables: Contienen cromo, níquel y otros

elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes

a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o

de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy

43


HDHPLUS®

duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia

durante largos periodos a temperaturas extremas.

Aceros resistentes a la corrosión: En los aceros inoxidables, la

acción de los elementos aleados es sustancial, el cromo es el

elemento aleado que más influye en la resistencia a la oxidación y

a la corrosión de los aceros, El Níquel mejora la resistencia a la

corrosión de los aceros al cromo y el Molibdeno mejora la

resistencia a la oxidación altas temperaturas, al igual que el

wolframio.

Los accesorios presentes en un sistema de tuberías son elementos que

permiten el manejo y control de este, realizando cambios en la dirección, el

diámetro de la tubería, así como incorporando ramales al sistema de

tuberías; entre los elementos más comunes que conforman un sistema de

tuberías se encuentran:

Codos de 90º (radio corta o radio largo).

Codos de 45º (radio corto o radio largo).

Tees rectas o reductoras.

“Y” laterales.

Bridas.

Empacaduras.

Pernos.

Válvulas de todos los tipos [9].

44


HDHPLUS®

2.2.6. Cálculo del Espesor de Pared de tuberías.

De acuerdo al código ASME B31.3, en su sección 304.1 el espesor de

pared requerido por una tubería para soportar la presión interna, debe ser

calculado por medio de la ecuación 2.3.

(Ec. 2.3)

El espesor comercial T de la tubería seleccionada está dado por la

ecuación 2.4.

(Ec. 2.4)

Donde:

: Espesor nominal de tubería, (pulg)

tm: Mínimo espesor de la pared que satisface los requerimientos de

presión, espesor adicional por corrosión mecánica y erosión.

t: Espesor para la presión de diseño interna, (pulg)

=c1 +c0= la sumatoria de la tolerancia mecánica, más el factor de

corrosión y erosión (donde c1= suma de las tolerancias internas; y c0= la suma

de las tolerancias internas).

Siempre que D/t sea mayor que 6, t se calcula con la ecuación 2.5 o

la ecuación 2.6; los tubos con D/t menor o igual a 6 ó P/SE> 0,385 se

consideran tubos de pared gruesa y requieren consideraciones especiales,

pues hay que considerar factores de diseño y de materiales tales como las

teorías de falla, fatiga y esfuerzo térmico.

45


HDHPLUS®

(Ec. 2.5)

(Ec 2.6)

Donde:

: Espesor nominal de tubería, (pulg)

tm: Mínimo espesor de la pared que satisface los requerimientos de

presión, espesor adicional por corrosión mecánica y erosión.

t: Espesor para la presión de diseño interna, (pulg)

P: Presión interna de diseño, (Psig)

D: Diámetro exterior del tubo, (pulg)

S: Esfuerzo permisible del material del tubo a la temperatura de diseño,

(Psi)

Y: Coeficiente para materiales ferrosos ductales.

E: Factor de soldadura longitudinal de la junta

Otra consideración para el diseño de tuberías de alta presión (clase

2500), es que el espesor de pared no debe ser mayor que el calculado con

las ecuaciones 2.7 y 2.8.

(Ec 2.7)

46


HDHPLUS®

(Ec 2.8)

Donde:

C=c1 +c0= la sumatoria de la tolerancia mecánica, más el factor de

corrosión y erosión (donde c1= suma de las tolerancias internas; y c0= la suma

de las tolerancias internas)[8].

2.2.7. REACTORES QUÍMICOS

Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su

interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad está

constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y

salida para sustancias químicas, y está gobernado por un algoritmo de

control.

Los reactores químicos tienen como funciones principales:

Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el

interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los

materiales reactantes.

Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias

y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la

reacción.

Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de

modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad

47


HDHPLUS®

deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de

la reacción.

Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a

las necesidades de una situación en particular. Para la investigación

planteada el reactor de tipo burbujas ascendentes es de especial interés, por

cuanto estos permiten hacer burbujear un reactivo gaseoso a través de un

líquido con el que puede reaccionar, el líquido contiene un catalizador

disuelto, no volátil u otro reactivo y el producto se puede sacar del reactor en

la corriente gaseosa [10].

Una vez determinados los procesos del sistema a estudiar y sus equipos

seleccionados, además del diámetro y el material de la tubería, así como

establecidos el espesor requerido de la pared de los tubos, la clase (“rating”)

de las bridas; el diseñador de las tuberías debe elaborar una disposición

económica para el nuevo sistema de tuberías y para ello el debe tomar en

cuenta ciertas consideraciones, entre las cuales destaca, la soportería, los

tipos de componentes de soportes disponibles y su aplicación, los anclajes,

las guías o restricciones y el espacio disponible en tales estructuras para

producir un diseño óptimo.

2.2.8. CARGAS DE DISEÑO PARA TUBERÍAS

Un sistema de tuberías, constituye una estructura espacial irregular y

ciertos esfuerzos pueden ser introducidos durante la fase de construcción,

montaje y debido a circunstancias operacionales. A continuación se resumen

http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTRO

http://www.monografias.com/trabajos35/materiales-construccion/materiales-construccion.shtml

48


HDHPLUS®

las posibles cargas típicas que deben considerarse en el diseño de tuberías

[11].

2.2.8.1. Cargas por la presión de diseño

Es la carga debido a la presión en la condición más severa, interna o

externa a la temperatura coincidente con esa condición durante la operación

normal[11].

2.2.8.1.1. Cargas dinámicas

El código citado ASME B31.3., establece que se deben considerar los

efectos dinámicos para determinar la influencia sobre el sistema y entre los

cuales se tiene:

2.2.8.1.1.1. Cargas por impacto u ondas de presión

Son aquellas ejercidas por golpes de ariete, caídas bruscas de presión o

cambios de flujo de fluidos.

2.2.8.1.1.2. Cargas por efecto del viento

Son las ejercidas sobre el sistema de tuberías expuesto al viento.

2.2.8.1.1.3. Cargas sísmicas

Son las consideradas para aquellos sistemas ubicados en áreas con

probabilidad de movimientos sísmicos.

http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtml

49


HDHPLUS®

2.2.8.1.1.4. Vibraciones:

Son los excesivos y perjudiciales efectos de la vibración inducidos por:

pulsaciones de presión, variaciones en las características de los fluidos,

resonancia causada por excitaciones de maquinarias o acción del viento.

2.2.8.1.1.5. Reacciones de descarga

Son las producidas por la descarga de fluidos o caídas bruscas de

presión.

2.2.8.1.1.6. Cargas por peso

a) Peso muerto incluyendo tubería, accesorios, aislamiento, etc.

b) Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso.

c) Efectos locales debido a las reacciones en los soportes.

2.2.8.1.1.7. Efectos de la expansión y/o contracción térmica

a) Cargas térmicas y de fricción inducidas por la restricción al

movimiento de expansión térmica de la tubería.

b) Cargas inducidas por un gradiente térmico severo o diferencia en

las características de expansión (diferentes materiales).

2.2.8.1.1.8. Efectos de los Soportes, Anclajes y Movimiento en los

Terminales

Asentamiento de las fundaciones de los equipos y/o soportes de las

tuberías.

http://www.monografias.com/trabajos15/kinesiologia-biomecanica/kinesiologia-biomecanica.shtml

50


HDHPLUS®

2.2.9. Esfuerzos en tuberías

Las cargas anteriormente expuestas se discriminan, para propósitos de

diseño, en dos categorías:

1. Efectos externos: Los cuales si son excesivos, pueden causar

directamente la falla.

2. Efectos de la deformación inducidos por cambios de temperatura:

Cuando se consideran los criterios de diseño es apropiado

distinguir entre esfuerzos, primarios, secundarios y localizados.

Aunque no se conoce una definición aceptada para esfuerzos

primarios y secundarios en un sistema de tuberías.

2.2.10. Esfuerzos primarios

Son aquellos esfuerzos en las paredes, cortantes o a flexión, a

consecuencia de las cargas impuestas, los cuales son necesarios tomar en

cuenta para satisfacer las leyes de equilibrio de las fuerzas y momentos

internos y externos. Estos esfuerzos primarios son expuestos en la tabla 2.1.

Tabla 2.1. Esfuerzos Primarios. Fuente: Diseño de tuberías [13].

Tipo de esfuerzo primario Inducido por

Esfuerzo en la pared circunferencial Presión interna

Esfuerzo de la fibra longitudinal Presión, peso propio y muerto

Esfuerzo primario de flexión Peso propio y muerto, carga

debido al viento, cargas sísmicas.

51


HDHPLUS®

La característica básica de los esfuerzos primarios es que no son

auto limitante. Cuando estos esfuerzos primarios exceden el limite elástico

del material, el resultado será la falla de la tubería, o al menos una

deformación permanente de la misma.

2.2.11. Esfuerzos secundarios

Los esfuerzos secundarios, son esfuerzos auto equilibrados necesarios

para satisfacer las condiciones de estabilidad de la estructura. En contraste

con los esfuerzos inducidos por las cargas impuestas (esfuerzos primarios),

los esfuerzos secundarios no originan fallas directas en materiales dúctiles.

Si estos esfuerzos son mayores que el limite elástico del material,

únicamente tienen el efecto de inducir deformaciones locales con lo cual

resulta una redistribución de las cargas y una reducción de los esfuerzos en

las condiciones de operación. Si las cargas aplicadas son cíclicas, estos

esfuerzos son una fuente potencial de falla por fatiga. Para observar los

esfuerzos secundarios ver tabla 2.2.

Tabla 2.2. Esfuerzos secundarios. Fuente: Diseño de tuberías [13]

Tipo de esfuerzo secundario Inducido por

Torsión y flexión Deformación por cargas térmicas,

expansión y contracción

En la pared, Flexión y torsión Distribución no uniforme de la

temperatura dentro del cuerpo

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2.2.12. Esfuerzos localizados

Los esfuerzos localizados se caracterizan por que su valor disminuye

considerablemente a corta distancia del punto donde alcanzan su valor

máximo, este tipo de esfuerzo puede considerarse equivalente en significado

a los esfuerzos secundarios. Los esfuerzos localizados son comunes en

codos, codos segmentados, juntas, juntas tee.

2.2.13. Esfuerzos admisibles

La norma ANSI 31.3 estipula dos criterios para el esfuerzo admisible, uno

es llamado el “esfuerzo básico admisible” en función a la temperatura de

diseño, el cual se observa en la tabla 2.3, y el otro, el cual es menos

conocido y se le denomina “rango de esfuerzo admisible” el cual se deriva del

esfuerzo básico admisible y se emplea como base para el cálculo de la

expansión térmica y para el análisis de flexibilidad, y se calcula mediante la

ecuación 2.1

Tabla 2.3. Esfuerzo Básico Admisible. Fuente: Diseño de tuberías[13].

Para cargas aplicadas Esfuerzo admisible

Esfuerzos de pared

circunferenciales producidos por la

presión, no deben exceder

S.E

Esfuerzos longitudinales

combinados producidos por la presión,

peso y otras cargas, no deben exceder

S

Donde:

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S: Esfuerzo básico admisible a la temperatura de diseño, para el material

seleccionado.

E: Eficiencia de la soldadura longitudinal o factor de calidad de la

fundición, asociada con el diseño especifico y los requerimientos de

inspección.

Tabla 2.4. Rango del esfuerzo admisible. Fuente: Diseño de tuberías[13].

Para cargas térmicas Rango del esfuerzo admisible

Los esfuerzos por expansión no

deben exceder

SA

(Ec 2.1)

Donde:

SC: Esfuerzo básico admisible para el material a la mínima temperatura

esperada del metal durante el ciclo de desplazamiento.

Sh: Esfuerzo básico admisible para el material a la máxima temperatura

esperada del metal durante el ciclo de desplazamiento.

f: factor de reducción del rango del esfuerzo admisible para el número

total de ciclos de temperatura durante la vida esperada (f=1 para una vida

esperada de 7000 ciclos en refinería).

Cuando Sh es mayor que SL, (esfuerzos longitudinales combinados), la

diferencia entre ellos debe sumarse al termino (0,25 Sh ) por lo que la

ecuación 2.1 para SA queda como la ecuación 2.2 [11].

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(Ec. 2.2)

2.2.14. Consideraciones aplicables al arreglo de tuberías para

facilitar el apoyo y sujeción.

Ya definida la disposición, el arreglo general de las tuberías y las

condiciones globales del diseño, deben definirse los tipos de arreglos de

soportes. Las siguientes son consideraciones generales que deben tomarse

en cuenta el trazado de la tubería para una sustentación favorable:

El sistema de tuberías debe ser en lo posible auto soportante, con

el propósito de disminuir el uso de soportes y consistente con los

requerimientos de flexibilidad.

El exceso de flexibilidad puede requerir soportes o sujeciones

adicionales para evitar movimiento y vibraciones en una amplitud

tal que despierte desconfianza en el personal.

Las tuberías que están propensas a vibrar, tales como las líneas

de succión o descarga de bombas reciprocantes o compresores,

deberán ser diseñadas con sus soportes propios e independientes

de otras tuberías, de estructuras o edificios escasamente

apoyados. El diseño de tuberías debe permitir el uso de apoyos

fijos, soportes rígidos o similares, que ofrezcan resistencia al

movimiento y provean cierta capacidad de amortiguación en vez

de soportes colgantes.

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La tubería debe estar lo suficientemente cerca al punto de apoyo

de sujeción, de manera que el conjunto estructural pueda tener la

rigidez adecuada y los componentes de fijación sean simples y

económicos.

Los tubos de las conexiones superiores de recipiente verticales se

apoyan y fijan ventajosamente en el recipiente para minimizar

movimientos independientes del recipiente, soportes y tuberías,

por tanto tales tuberías deben ser trazadas los más cerca posible

del recipiente y soportadas muy cerca de la conexión.

Las tuberías sobre estructuras deben ser trazadas debajo de las

plataformas, cerca de los miembros estructurales principales, en

puntos donde sea favorable añadir cargas, a fin de evitar la

necesidad de reforzar esos miembros.

Debe asignarse suficiente espacio, de manera que puedan

colocarse los componentes propios de ensamblajes de los

soportes.

Debe proveerse espaciamiento para acceso fácil a las partes

sujetadoras de aquellos soportes que requieran mantenimiento o

servicio [9].

2.2.15. Soportes de tuberías

Los soportes de la tubería y la regulación de su movimiento son puntos

importantes en el diseño, para evitar que los esfuerzos y empujes

ocasionados por el movimiento expansivo y la carga o peso muerto puedan

exceder los valores de esfuerzos permisible de trabajo para el material de la

tubería, el equipo conectado o las estructuras de los edificios.

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2.2.15.1. Definición de colgadores o soportes

Los colgadores o soportes son estructuras mecánicas usadas para

soportar el peso de un sistema de tuberías, si se encuentran colgados por

encima de esta se denominan colgadores (figura 2.1a .2.2a), y si se

encuentran ubicados por debajo de estas se denominan soportes (figura 2.1b

.2.2b).

2.2.15.2. Tipos de colgadores o soportes

Entre los tipos de soportes más comúnmente empleados se encuentran:

2.2.15.2.1. Colgadores o soportes de carga constante

Son aquellos elementos mecánicos utilizados para soportar las cargas de

la tubería permitiendo a la vez grandes movimientos verticales (figura 2.1).

Los soportes de carga constante compensan los desplazamientos verticales

causados por la expansión térmica.

Figura 2.2. Colgador y soporte de resorte para carga constante

Fuente: LISEGA 2010[12].

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2.2.15.2.2. Colgadores o soportes de carga variable

Para evitar tensiones adicionales, la dilatación térmica de la tubería y sus

accesorios no debe ser dificultada. Con Este fin, la tubería debe ser

soportada elásticamente de manera apropiada. Los componentes elásticos

se emplean como soportes con el objetivo de compensar ligeros

desplazamientos verticales en las tuberías. (Fig. 2.2).

Figura 2.3. Colgador (a) soporte (b) colgador de resorte de carga

variable. Fuente: LISEGA 2010.[12]

2.2.15.2.3. Colgadores o soportes rígidos:

Son estructuras mecánicas utilizadas para soportar tuberías en puntos

libres de desplazamiento vertical (soportes H, durmientes, etc.) [12].

Soporte (b) Colgador

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2.2.16. Ubicación de los soportes

La ubicación apropiada de soportes colgantes o fijos involucra

consideraciones de la propia tubería, de la estructura a la cual se transmite la

carga y de las limitaciones de espacio, los puntos preferidos de fijación de la

tubería son:

Sobre la tubería propiamente y no sobre componentes tales como

válvulas, accesorios o juntas de expansión.

Sobre tramos rectos de tubería, en lugar de codos de radios

agudos, juntas o conexiones de ramales prefabricados.

Sobre tramos de tubería que no requieran remoción frecuente

para limpieza o mantenimiento

Tan cerca como sea posible de concentraciones grandes de

carga, tales como tramos verticales, ramales de tubería, válvulas

motorizadas o bien válvulas pesadas y recipientes menores tales

como separadores, filtros, etc.

2.2.16.1.1. Espaciamiento entre soportes

El espaciamiento de soportes en un tendido de tubería horizontal

depende principalmente de la resistencia del tubo. Sin embargo, dentro de

los límites de una unidad de proceso el espaciamiento entre soportes está

determinado por el espaciamiento de columnas convenientemente ubicadas

por la máxima deflexión que se desea obtener.

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2.2.16.1.2. Estimación de las cargas en los colgadores y soportes

Un sistema en suspensión bien balanceado dará como resultado valores

aproximadamente iguales de cargas en colgadores y soportes, siempre y

cuando toda la tubería sea del mismo tamaño, y no hayan cargas

concentradas dentro del sistema, las cargas en los soportes y colgadores

adyacentes, serán correspondientemente mayores. Las siguientes cargas

deben ser consideradas en los cálculos de diseño para soportes.

Peso de la tubería y el aislamiento, solo donde sea especificado.

Peso de los fluidos contenidos en la línea, basado en agua o fluido

contenido, el que sea más pesado.

En la determinación de cargas para colgadores de resorte, debe

usarse el peso del contenido de la línea durante la operación es

menor que el del agua y si la línea va a ser probada

hidrostáticamente o lavada con agua, deberá tomarse el cuidado

de proveer soporte adicional para la línea.

Las cargas ocasionadas por viento.

Las cargas laterales ocasionadas por el movimiento de la línea.

El cálculo de las cargas de diseño para soportes puede determinarse por

los métodos usuales de la estática. Obviamente esto requiere que primero se

seleccionen todas las ubicaciones de los soportes para la línea en

consideración [13].

2.2.17. Restricciones

Son estructuras o elementos mecánicos utilizados para impedir o

restringir el libre movimiento de sistemas de tuberías debido a expansiones

térmicas.

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2.2.17.1. Tipos de restricciones

2.2.17.1.1. Anclajes

Son elementos que fijan totalmente la tubería en los puntos donde son

aplicados, no permiten el desplazamiento rotacional ni de traslación de la

tubería en ningún sentido. En la figura 2.3. Se observan algunos anclajes

Figura 2.4. Anclajes. Fuente: LISEGA 2010 [12].

2.2.17.1.2. Topes

Son elementos que se emplean para obstaculizar el movimiento

longitudinal de la tubería, es decir permiten la rotación, pero impiden el

movimiento de traslación a lo largo de cualquier eje deseado, si el

movimiento es impedido en ambas direcciones a lo largo del mismo eje, se

llama “tope de doble acción”.

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2.2.17.1.3. Guías

Son dispositivos que operan permitiéndole a la tubería desplazarse en

una dirección específica.

2.2.17.1.4. Amortiguadores (Snubbers)

Sirven para limitar el movimiento de la tubería debido a fuerzas diferentes

al peso y a la expansión térmica. Son utilizados para proteger a los sistemas

de tuberías de efectos dinámicos (figura 2.4) [12].

Figura 2.5. Amortiguadores. Fuente: LISEGA 2010 [12]

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2.2.18. FLEXIBILIDAD

2.2.18.1. Fundamentos relacionados con el análisis de flexibilidad

Un aspecto importante, en el diseño de la configuración de las tuberías,

es asegurarse de que existe suficiente flexibilidad en el sistema, para que

pueda absorber las deformaciones térmicas inducidas por los cambios de

temperatura, sin alcanzar elevados esfuerzos. El sistema de tuberías deberá

ser diseñado de manera que no falle por esfuerzos térmicos, no sobrecargue

y cause fugas por las bridas y no se produzcan momentos y/ o fuerzas

excesivas en los equipos interconectados.

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 variaciones en los puntos de interconexión con equipos

estén dentro de los valores aceptables.

2.2.18.1.1. Factor de Flexibilidad e Intensificación de Esfuerzos

Cuando se utiliza una tubería doblada o accesorios como codos,

válvulas, tees, bridas, etc., para cambiar la dirección de un sistema de

tuberías, su sección recta se deforma elípticamente cuando están sometidos

a flexión por lo que su flexibilidad aumenta, lo que resulta beneficioso, al

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disminuir por tal efecto las cargas internas en la tubería y las reacciones en

los equipos y los soportes; pero estos elementos presentan una distribución

irregular de los esfuerzos, con valores mayores que los determinados por la

teoría elemental de la flexión. Esta característica de las tuberías dobladas o

de los accesorios, 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 relaciones entre la flexibilidad, los

esfuerzos reales y los teóricos derivados de la teoría elemental de la flexión.

Estos factores se encuentran estipulados en el código ASME B31.3.

2.2.18.1.1.1. Codos

El factor de flexibilidad “K” es el cociente entre la deflexión real que

se produce en el codo y la deflexión calculada con la teoría elemental de

vigas donde K está dada por la ecuación 2.9

(Ec 2.9)

Donde:

(Ec 2.10)

h: Flexibilidad característica

T: Espesor del codo.

r2: Radio medio del tubo

R1: Radio de curvatura del codo

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El código ASME B31.3, establece que para corregir el valor del factor

de flexibilidad K debe ser dividido por un factor CK (Ec 2.11) o por un factor Ci

(Ec 2.12).

( Ec 2.11)

( Ec 2.12)

2.2.18.1.1.2. Bridas.

Al igual que las tees, las bridas son consideradas rígidas con un valor de

K=1

2.2.18.2. Criterios para el diseño de flexibilidad

La flexibilidad de un sistema de tuberías depende en gran medida de la

soportería de este, a continuación se realiza una síntesis de los criterios

explicados anteriormente en la selección de la soportería, así como otras

consideraciones prácticas para lograr un diseño con una buena flexibilidad,

entre las que se encuentran:

Los arreglos de tuberías deben hacerse lo más cercano posible a

la estructura, de modo de simplificar el sistema.

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Utilizar soportes estandarizados, ya que los especiales aumentan

el costo del sistema.

Las tuberías conectadas a las boquillas de los recipientes deben

ser soportadas lo más cercano posible a la boquilla, para

minimizar las diferencias de expansiones térmicas entre la tubería

y el recipiente.

Las tuberías que presentan exceso de vibraciones deben ser

diseñadas de manera que permitan el uso de soportes

independientes.

Las juntas de expansión solo deben emplearse en casos

inevitables.

Evitar los bolsillos o sifones en las tuberías de succión de las

bombas.

Colocar guías o topes cerca de equipos sensibles, como turbinas

o bombas con el objeto de impedir que las cargas se transmitan

directamente de las boquillas a los equipos.

2.2.18.2.1. 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 sobre esfuerzos, contra fugas

en las juntas y contra sobre-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:

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Generalmente 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, representan los datos necesarios para las

evaluaciones de la flexibilidad del sistema.

El arreglo inicial, se selecciona de tal forma que sea consistente

con las limitaciones en las caídas de presión, el espacio

disponible, acceso a equipos, estructura existente para soportes y

reglas prácticas inherentes a la flexibilidad de la tubería.

Las condiciones en los extremos tienen que ser supuestas,

generalmente se toman los puntos terminales como totalmente

fijos, en 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. La

expansión térmica de los equipos debe ser considerada, ya que

ella puede causar un incremento en las fuerzas, momentos o

esfuerzos.

El diseñador deberá localizar, con razonable precisión, todos los

puntos de restricciones intermedios incluyendo soportes, guías,

topes y todos los ramales que afectan significativamente la

flexibilidad de la tubería. Las mayores restricciones a los

movimientos libres de la línea debido a guías, soportes o

arrastramientos, usualmente se toman en consideración en los

cálculos o en formas de análisis. Todas las ubicaciones de los

soportes, incluyendo resortes o contrapesos, deberán ser

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considerados para la evaluación de las cargas aplicadas y

esfuerzos atribuidos a cargas muertas.

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 esfuerzos admisible, con los criterios de

cargas limites seleccionados para el sistema o los equipos

conectados al mismo.

2.2.18.2.2. Análisis de flexibilidad por computadora

A diferencia de los métodos simplificados, los programas de computación

pueden ejecutar el análisis de esfuerzos y cargas aplicadas en la tubería en

una forma precisa, en menor tiempo e independientemente de la

configuración del sistema, siendo la única limitación el espacio de

almacenamiento disponible en el computador y la cantidad de nodos

establecida por el programa.

La formulación matemática del problema está basada en el teorema

de Castigliano, el cual relaciona la derivada parcial de la energía de

deformación, con respecto a las fuerzas y momentos en el sistema de

tuberías, con la deflexión o rotación en el punto donde actúan. El sistema en

su totalidad se supone como voladizo en un punto fijo, los momentos y las

fuerzas requeridas para producir los movimientos especificados en los

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soportes o restricciones, se obtienen mediante la solución de un sistema de

ecuaciones simultáneas.

Se supone la proporcionalidad entre los esfuerzos y deformaciones,

considerando las deflexiones pequeñas. El sistema de tuberías puede estar

compuesto por cualquiera de los más comunes elementos, tales como

tramos rectos, codos y tees. Estos componentes pueden tener cualquier

orientación en el espacio. Las cargas pueden resultar de la expansión

térmica, movimiento de los anclajes, peso uniforme de la tubería y su

contenido, restricciones externas que incluyen fuerzas o momentos

aplicados, deflexiones y rotaciones

Los datos de entrada consisten en una descripción de la geometría

del arreglo: dimensiones, propiedades físicas, temperatura de operación,

especificación de los movimientos los soportes y restricciones impuestas.

Esta información puede ser introducida en sistema métrico internacional 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.

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2.2.19. CAESAR II

Programas como el CAESAR II, están disponibles para ejecutar análisis

detallados de los esfuerzos en sistemas de tuberías con muchas

ramificaciones. Este programa es uno de los más reconocidos a nivel

internacional para realizar el análisis del esfuerzo de tuberías. Este basa sus

procedimientos de cálculos en la aplicación del método de Castigliano; así

como en la aplicación de diferentes normas y códigos internacionales. El

CAESAR II posee las siguientes características principales:

Modelado de tuberías para análisis estático con verificación de

cumplimiento de los principales códigos de diseño internacionales ASME,

BRITISH ESTÁNDAR (BS), y otros códigos europeos.

Modelado de boquillas para verificación de esfuerzos en recipientes que

producen las tuberías que se conectan a ellos. Este tipo de esfuerzo es

calculado con métodos muy particulares, el CAESAR II permite realizar estos

cálculos y definir criterios de aceptación que anteriormente no se podían

realizar sino solo de forma aproximada y por métodos obsoletos muy

conservadores. Además en los casos en los que se realiza análisis dinámico,

permite analizar esfuerzos por fatiga según el código ASME VII División II.

Modelado de recipientes y equipos, que permite analizar los recipientes y

equipos como elementos de flexibilidad, dilataciones térmicas y rigidez

aproximada a la realidad. En el pasado, solo se podía considerar a estos

equipos como cuerpos rígidos.

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Análisis dinámico de tuberías y equipos. Permite modelar los efectos de

vibraciones, golpe de ariete empujes por descargas atmosféricas y otros

efectos dinámicos que antes no se podían modelar. Así es posible la revisión

y optimización de diseños existentes o nuevos de tuberías que han

presentado sacudidas o vibraciones por condiciones de operación

particulares.

Análisis de esfuerzos en equipos con requerimientos especiales. Ciertos

requerimientos en cuanto a esfuerzos en recipientes a presión, bombas

centrifugas, compresores, intercambiadores de calor. Etc., pueden ser

revisados con el CAESAR II.

Diseño de bifurcaciones (yes, tees, etc.) muchas veces se ha requerido

realizar conexiones en tuberías existentes, esto implica cálculos muy

complicados que se pueden realizar rápidamente con el CAESAR II.

71

CAPÍTULO III

DESARROLLO DEL PROYECTO

En este capítulo, se describe la metodología empleada para la realización de

este trabajo, se muestran las diversas estrategias que hicieron posible el

cumplimiento de los objetivos planteados. El diseño metodológico utilizado en

esta investigación, permitió contrastar la visión teórica del problema y los

objetivos, con los datos obtenidos de la simulación computacional, así como

los lineamientos bajo los cuales se rigen los mismos. A continuación se

destacan aspectos como: El tipo de investigación, población y técnicas que

permitieron el desarrollo de esta investigación.

3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN

La presente investigación, es un proyecto factible, y está orientada a lograr

mejoras que solucionen las insuficiencias planteadas por Petróleos de

Venezuela S.A., pues la corporación tiene la necesidad de la publicación en

cuestión, y para ello cuenta con el apoyo de la Universidad de Oriente. El

proyecto factible, está compuesto de varias etapas generales: Diagnóstico,

planteamiento y fundamentos teóricos de la propuesta, procedimiento

metodológico de las actividades y recursos necesarios para su ejecución,

análisis y conclusiones sobre su viabilidad, y obviando la etapa de ejecución.

“El proyecto factible consiste en la elaboración de una propuesta, de

un modelo operativo viable o una solución posible a un problema de tipo

práctico, para satisfacer las necesidades de una institución o grupo social. La

propuesta debe tener apoyo, bien sea de una investigación de campo o una

de tipo documental, y puede referirse a la formulación de políticas,

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programas, tecnologías o procesos”. Universidad Pedagógica Experimental

Libertador, UPEL- 1998

3.2 POBLACIÓN

La población objeto de estudio está conformada por el sistema de tuberías

que relaciona los reactores D-7623 Y D-7624 de la nueva unidad para

destilación de la Refinería de Puerto la Cruz.

3.3 TÉCNICAS UTILIZADAS

Para la realización de este proyecto fue necesaria la aplicación de las

siguientes técnicas:

Revisión bibliográfica.

Entrevista a personas con experiencia en el área bajo estudio.

Cálculos previos para obtener los datos necesarios para el

software CAESAR II.

Modelado y evaluación del sistema de tuberías en estudio,

utilizando el software de simulación CAESAR II, versión 5.10

3.4. PROCEDIMIENTO METODOLÓGICO

El desarrollo del marco metodológico del problema se hizo bajo la

investigación científica basado en un estudio evaluativo, donde se llevo a

cabo el procedimiento que permitió la recolección de los datos necesarios

para generar el modelo computacional de las tuberías de interconexión entre

equipos de reacción de la nueva fase de la RPLC., a través del software

CAESAR II en su versión 5.10. (Fig. 3.1.)

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Figura 3.1. Procedimiento utilizado para el cumplimiento de los objetivos

planteados.

3.4.1. Inicio

Esta etapa constó con la inserción a la empresa, sus principios operacionales

y la descripción del proyecto de trabajo a desarrollar para el caso en estudio.

3.4.2. Recopilación de la información

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Basándose en el trabajo propuesto por la empresa, se procedió a la

recopilación de la información técnica relacionada con el proyecto conversión

profunda, más específicamente con el tren de reacción 1, para esto se

procedió a la revisión de los planos y documentos técnicos relacionados con

los equipos y sistemas más cercanos al proyecto, y se realizaron entrevistas

orales no estructuradas al personal de ingeniería encargados del desarrollo

del proyecto por parte de la empresa. Además, se realizó la revisión

bibliográfica pertinente en la biblioteca de tesis del departamento de

ingeniería mecánica, lo que permitió establecer las bases para la recolección

y recopilación de información, así como la comparación para comprobar la

originalidad del trabajo presentado.

3.4.3. Revisión de los códigos de diseño

Un análisis de flexibilidad requiere la revisión de Códigos de Diseño

contemplado en las Normas nacionales (PDVSA) y las internacionales

(ASME/ANSI), en este caso se utilizaron los siguientes, los mismos rigen en

su totalidad la existencia del sistema analizado:

American Society of Mechanical Engineers ASME B31.3

Norma PDVSA H-221. Materiales para tuberías.

Norma PDVSA N° MDP–01–DP–01 Temperatura y presión de

diseño.

Norma PDVSA N° L–212. Aislamiento térmico para tuberías y

equipos de servicios calientes.

Norma PDVSA N° HG-252. Criterios de diseño de esfuerzos en

tuberías.

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Norma PDVSA N° HG-251. Criterios de diseño de soportes para

tuberías.

Norma PDVSA N° 10606.1.203. Longitud máxima recomendada

para tuberías.

3.4.4. Selección del material de las tuberías

La selección apropiada de un material de construcción es una parte muy

importante del trabajo de un diseñador, ya que todo diseñador se enfrenta

con los requerimientos primarios concernientes al material de construcción

cuando se empieza el diseño (Fig. 3.2).

Hay muchos métodos para la selección de los materiales dentro de

los disponibles para el diseñador, pero antes, se debe realizar las siguientes

preguntas:

1. ¿Qué tan corrosivas son las condiciones del proceso?

2. ¿Qué tan susceptible es el material de construcción a un tipo

específico de corrosión?

3. ¿Cuán susceptible es la resistencia a la corrosión del material de

construcción a cambios en la composición química?

4. ¿Se requiere tratamiento térmico?, sea por estabilidad del equipo

o por resistencia a la corrosión.

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5. Sí es requerido el tratamiento térmico, ¿qué tan sensible es el

material a los tratamientos térmicos?

6. ¿Qué tan sensible es el material de construcción a operaciones de

maquinado cuando fue originalmente producido?

7. Sí el método de unión será la soldadura, ¿Qué tan importante es

el material de aporte para la resistencia a la corrosión?

Figura 3.2. Factores y requerimientos que influyen en la selección del

material de las tuberías. Fuente: “Material selection” [9].

Así, las propiedades mecánicas y químicas son el primer criterio aplicado

en el proceso de selección, esto es especialmente importante, para

aplicaciones a altas temperaturas que ubican al material en su rango de

77


HDHPLUS®

deslizamiento, en el cual la menor diferencia en la temperatura de operación

puede afectar significativamente la capacidad de absorber o disipar las

cargas estipuladas al material.

La norma PDVSA H-221 fija los criterios para la selección de

materiales, para su uso es necesario tener conocimiento de las condiciones

de operación y del servicio (fluido) utilizado, esta norma estima como

condición sine qua non, para que uno de los materiales listados pueda ser

utilizado este no deberá exceder los limites de presión y temperatura

tabulados y además el material seleccionado deberá cumplir con ambas

condiciones en su valor de diseño.

Luego de haber estudiado la norma, fue notable que los materiales

citados dentro de la norma PDVSA H-221 no están dentro del rango de

aplicación del proyecto, por tanto, se escogió el material de las tuberías

basándose en las normas que sirvieron como referencia bibliográfica para la

realización de la norma H-221, en especial se utilizó como referencia a la

norma ASME B31.3 por ser esta la que rige todos los cálculos del proyecto

en cuanto a esfuerzos y deformaciones.

La discusión sobre la selección del material pertinente para este trabajo,

comenzó con el estudio de las condiciones de proceso que pudieran afectar

la vida útil y la selección del material (tabla 3.1)

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Tabla 3.1 Condiciones de diseño y operación del sistema de reactores.

Fuente: Documento técnico, RPLC

Condiciones Valores

Presión de diseño 3635 psig = 255 kg/cm2

Temperatura de diseño 932 ºF = 500 ºC

Densidad de fluido 99,2 lb/ft3 = 0,001589 kg/cm3

Sobre espesor de Corrosión permitido 0,1181 in = 3mm

Condición de operación: 85% Temperatura Presión

860,07 ºF =460,068 ºC

2877 psig = 202,26 kg/cm2

Condición de operación: SOR 92% Temperatura Presión

860,03 ºF = 460, 01º C

2835 psig = 199, 313 kg/cm2

Condición de operación: EOR 92% Temperatura Presión

859,89 ºF = 459,93 ºC

2994,10 psig = 210,498 kg/cm2

Las temperaturas y presiones que se evaluaron para la selección de los

elementos de soportes fueron:

Por medidas de esta etapa del proyecto conversión profunda, la máxima

presión que se manejará será la proveniente del compresor existente en la

planta de hidrogeno que es de 2538 psig, a la cual se le añade por razones

de sobre diseño un 30% de la misma, dando como resultado:

(Ec. 3.1)

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Cumpliendo con el apartado 2.4.5 y 2.4.6 del capítulo II, donde se

expresa: La temperatura de diseño para tuberías con aislamiento externo,

será la máxima temperatura de diseño del fluido contenido. NORMA ASME

B31.3

La máxima temperatura será la proveniente del horno trifásico,

aumentado un 8%, es decir:

(Ec. 3.2)

Prueba hidrostática.

El fluido para la realización de la prueba hidrostática será agua a

temperatura ambiente, a menos que exista la posibilidad de congelamiento u

otros efectos adversos sobre las tuberías o el proceso.

La presión para la prueba hidrostática en cualquier punto de la

tubería metálica deberá cumplir:

No ser menor a 1,5 veces la presión de diseño.

(Ec. 3.3)

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Las corrientes de fluidos y su composición química que de hecho

intervienen en el sistema de tuberías seleccionado para estudio según los

Diagramas de procesos facilitados fueron (tabla 3.2):

Tabla 3.2. Composición porcentual de las corrientes de servicio entre los

reactores D-7623 Y D-7624.Fuente: Documento técnico, RPLC.

MASS BALANCE (85% CONVERSION)

Caso 1

MASS BALANCE (SOR 92% CONVERSION)

Caso 2

MASS BALANCE (EOR 92% CONVERSION)

Caso 3

Corrientes 36 37 39 36 37 39 36 37 39

PRESION (Psig) 2877 2877 2877 2877 2877 2877 2994,10 2994,10 2989

TEMPERATURA (ºF) 860,07 852,79 851,58 860,01 852,70 851,52 859,89 853,78 851,63

DENSIDAD (lb/ft3) 7,00 6,77 6,79 7,54 6,37 6,39 6,66 6,46 6,48

%HIDROGENO 3,88 4,10 4,09 4,23 4,46 4,44 4,53 4,56 4,54

%METANO 3,64 3,63 3,63 3,31 3,31 3,30 3,43 3,43 3,42

%ETANO 1,61 1,61 1,60 1,67 1,67 1,67 1,77 1,77 1,76

%PROPANO 1,45 1,45 1,44 1,51 1,50 1,50 1,58 1,58 1,57

%I-BUTANO 0,41 0,41 0,41 0,45 0,44 0,44 0,46 0,46 0,45

%N-BUTANO 0,70 0,70 0,70 0,89 0,88 0,88 0,81 0,80 0,91

%N- PENTANO 0 0 0 0 0 0 0 0 0

%NITROGENO 0,06 0,063 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06

%H2S 2,77 2,76 2,75 2,93 2,92 2,92 2,86 2,86 2,85

%AMONIACO 0,27 0,27 0,27 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28

%H20 0,94 0,94 0,93 0,94 0,94 0,93 0,94 0,93 0,93

%NAFTA LIGERA 1,75 1,74 1,74 1,50 1,50 1,50 1,51 1,51 1,51

%NAFTA PESADA 2,51 2,50 2,50 2,98 2,98 2,97 2,97 2,97 2.96

%KEROSENE 5.16 5,15 5,13 6,34 6,33 6,31 6,31 6,30 6,29

%DIESEL 10,35 10,33 10,34 11,17 11,14 11,51 11,12 11,09 11,10

%VGO 26,025 25,96 26,12 26,38 26,32 26,47 26,26 26,20 26,35

% RESIDUOS DE ASPIRADO

36,89 36,81 36,72 33,73 33,65 33,58 33,58 33,50 33,43

%CATALIZADOR 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

%CATALIZADOR 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0

%COKE 1,51 1,51 1,50 1,54 1,54 1,53 1,53 1,53 1,52

%SOLIDOS EN MEZCLA

65,991 66,1431 66,359 64,723 64,8764 65,088 65,033 65,184 65,3961

%LIQUIDOS EN MEZCLA

1,6017 1,60086 1,5961 1,7049 1,70209 1,6960 1,7122 1,7092 2,5143

81


HDHPLUS®

En las tablas 3.1 y 3.2 se observan las condiciones de operación y la

composición porcentual de las corrientes que interviene en el sistema de

tuberías que conecta los reactores D-7623 y D-7624, debido a la

composición corrosiva del fluido de servicio, por contener elementos y

compuestos y como: Hidrogeno (H2), Nitrógeno (N2), Acido sulfúrico (H2S),

Amoniaco (NH3), Kerosene, Residuos de vacío y Coque entre otros, se

pueden presentar diferentes modos de falla, tales como:

CORROSIÓN

Corrosión galvánica.

Picadura.

Corrosión por grietas.

Ataque intergranular.

Corrosión por Erosión.

Corrosión atmosférica (externa).

Sulfuración a altas temperaturas (con o sin hidrógeno).

ALGUNOS EFECTOS METALÚRGICOS TALES COMO:

Crecimiento de grano.

Grafitización.

Sensibilización.

Formación de fase sigma.

Fragilización a 885ºF (475ºC).

Carburización.

FALLAS MECÁNICAS TALES COMO:

Fatiga mecánica.

Fatiga por corrosión.

82


HDHPLUS®

Daño mecánico.

Fractura frágil.

Deslizamiento.

Un estudio realizado sobre los aceros de aplicación en la RPLC arrojó

que los más comúnmente utilizados son (tabla 3.3):

Tabla 3.3. Aceros de uso común en la RPLC. Fuente: George Antaki.

Piping and pipeline engineering [13].

Acero

¿Es aplicable

al proyecto?

Razón

Simple al carbono

NO

Temperatura máxima de operación: 800 °F

Baja aleación

NO

Sufre de corrosión por H2S y posee baja

soldabilidad

Cr- Mo

NO

Una larga exposición a altas temperaturas

resulta en fragilización del material

Al Níquel

NO Temperatura máxima de operación: 50 °F

Titanio y aleaciones NO En presencia de hidrogeno TMax.: 350°F

Martensíticos

NO

Son poco soldables

Temperatura máxima de operación: 700 °F

Ferríticos

NO

Fragilizan por cloruros y sulfuros. Temperatura

máxima de operación: 700 °F

AustenÍticos

SI

Buenas propiedades y resistencia a la

corrosión a altas temperaturas

Dúplex

SI /NO

50% ferrita- 50% austeníta, resistencia a la

corrosión. Usados en sistemas de agua

salada y ambientes marinos

Como se puede observar de la tabla 3.3, los aceros aceptables para el

proyecto son los de tipo austeníticos y los dúplex; los dúplex a pesar de

tener una buena resistencia a la corrosión no se usan porque

mayoritariamente son utilizados en aplicaciones con altas concentraciones de

83


HDHPLUS®

sales. De los aceros austeníticos, se puede escoger entre el SS 321 y el SS

347 por presentar la composición química necesaria para soportar los

agentes corrosivos de la composición del servicio, y cuyas descripciones son

(tablas 3.4 y 3.5)


proyecto. Fuente: EuroInox[16].

84


HDHPLUS®


proyecto. Fuente: EuroInox [16].

85


HDHPLUS®

3.4.5. Cálculo del mínimo espesor de pared para las tuberías en

estudio

Para esto fue necesaria una revisión de la norma ASME B31.3, en su

capítulo II sección 303 de diseño, donde el mínimo espesor de pared para

cualquier tubo sometido a presión interna es una función de:

El esfuerzo permisible para el material del tubo.

Presión de diseño.

Diámetro de diseño del tubo.

Intensidad de la corrosión y/o erosión.

Al combinar todos los parámetros antes mencionados para el cálculo

según las ecuaciones 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, se obtiene un espesor nominal

comercial mínimo de 2.312 pulgadas, como requisito necesario para que el

arreglo de tuberías que interconecta los reactores del proceso de

HDHPLUS®, para el proyecto conversión profunda en la RPLC, pueda

soportar los efectos de las cargas estáticas, expansión térmica, y condiciones

de prueba hidrostática que se presentarán en el desarrollo de las fases de

puesta en marcha y evolución normal esperadas de la tuberías de 18

pulgadas de diámetro requerida para el servicio de slurry.

3.8.6. Cálculo del espesor del aislante

Según norma PDVSA L-212 “Aislamiento térmico para tuberías y equipos en

servicios calientes” (tabla 3.6). Se puede utilizar: Silicato de calcio Tipo I, ya

que la temperatura máxima es la de diseño con un valor de 500°C.

86


HDHPLUS®

Tabla 3.6. Materiales para aislamiento según temperatura. Fuente:

Norma PDVSA L-212

Para mantener una temperatura interna de diseño de 500 °C y una

temperatura de superficie de aislante de 35° C para fácil maniobrabilidad de

los operadores se puede calcular a través de la ecuación 3.4:

(Ec. 3.4)

Donde:

Q= Transferencia de calor máxima

Top/Tamb= temperaturas de operación y ambiente, respectivamente

87


HDHPLUS®

E= espesor del aislante

K= conductividad térmica del aislante

1/F= resistencia térmica de la película de aire.

Realizando el cálculo se obtiene que:

918 m

Verificando con la norma PDVSA L-212: da un espesor de aislante de

5,11 in o 130 mm.

Tabla 3.7. Espesor del aislamiento en pulgadas para protección del

personal, material: Silicato de Calcio. Fuente: Norma PDVSA L-212

88


HDHPLUS®

3.6.5. Modelado tridimensional en el software CAESAR II versión

5.10.

El software CAESAR II en su versión 5.10 requiere la especificación por parte

del usuario de una serie de referencias técnicas para la determinación de los

esfuerzos en el sistema objeto del análisis. Estos detalles, referentes

únicamente a las tuberías y no a los equipos, consisten en datos del material,

clase, diámetro, presión, temperatura, viscosidad del fluido utilizado, material

aislante, código de evaluación, módulo de elasticidad, densidad de la tubería,

densidad del aislamiento, soportería, codos, tees y por supuesto geometría.

Aunado a esto, también se deben especificar todas las fuerzas externas

que pudieran provocar algún tipo de carga cíclica o no sobre la tubería, como

lo serían: las fuerzas del viento, las provocadas por el choque del fluido

contra los codos en su recorrido a través de la tubería, etc

Por lo que luego de contar con los datos e información necesaria para el

análisis de flexibilidad, se procedió al diseño y la selección del tendido más

apropiado para la interconexión de los reactores D-7623 y D-7624,( Fig. 3.4,

3.5 y 3.6) para lo cual se estudiaron tres diferentes rutas; con el propósito de

verificar las ventajas y desventajas que podría tener la variación del diseño

sobre las evaluaciones de la prueba hidrostática, carga de operación, carga

sostenida y expansión térmica para las cuales serán valorados los modelos.

Debido a los lineamientos del proyecto Conversión Profunda el diseño

del tendido de tuberías que conectará los reactores, deberá poseer la mínima

89


HDHPLUS®

cantidad posible de cambios de dirección, con la intención de minimizar la

posibilidad de un aumento no deseado en la velocidad de corrosión y

vibraciones debido a la aparición de bolsillos de aire credos principalmente

por la composición trifásica del servicio de slurry, deberá también ser capaz

de soportar los desplazamientos provocados por la expansión térmica,

debido a las altas temperaturas de evaluación, y la ubicación de los soportes

para la sujeción de la tubería deberá coincidir con el espaciamiento que se

estima para la realización del posterior diseño de la estructura metálica que

rodeara a los reactores y de la cual estarán sujetos los soportes.

El modelo 1 posee cinco (5) cambios en la orientación de las tuberías

que distribuyen los aproximadamente 73596,94 mm de longitud del recorrido,

en los cuales en el punto más alto del estudio (la salida del reactor D-7623)

se presenta un cambio de dirección que proporciona a la tubería un recorrido

en forma de L invertida, lo que puede ser una manera de agregar flexibilidad

para absorber las expansiones térmicas que en esta sección del recorrido

pueden ser más influyentes ya que está directamente conectado a los

equipos. (Fig. 3.2)

El modelo 2 al igual que el modelo 1 posee cinco (5) cambios en la

orientación de las tuberías que distribuyen los aproximadamente 75864,9 mm

de longitud del recorrido, este modelo difiere del modelo 1 ya que este posee

un cambio de dirección en forma de L para agregar flexibilidad y está ubicado

en la parte más baja del recorrido (entrada al reactor D-7624), el cual se

planteó de esta manera para verificar cuales son los efectos del diseño sobre

los esfuerzos y las cargas que será evaluados.(Fig.3.3).

90


HDHPLUS®

El modelo 3 posee 6 cambios de dirección y 73800,95 mm de recorrido

de tuberías, este modelo posee un cambio de dirección en el punto más alto

en forma de L (al igual que el modelo 1), y otro cambio en la parte más baja

(al igual que en el modelo 2), pero posee una sección inclinada que

disminuye la longitud de la sección vertical de la tubería, lo cual podría

minimizar el efecto de los esfuerzos en esta sección. (Fig. 3.4)


Fuente: CAESAR II 5.10

91


HDHPLUS®





92


HDHPLUS®

CAPÍTULO IV

ANÁLISIS DE RESULTADOS

En este capítulo, se muestran los resultados obtenidos del análisis de

flexibilidad aplicado a la línea de interconexión de los reactores D-7623 y D-

7624, para el proceso HDHPLUS® en la RPLC. Ya que esta instalación está

en la fase de ingeniería de detalle, se estudiaron tres casos para la conexión

entre los reactores.

Para el estudio, independientemente de la conexión, se utilizó la norma

ASME B31.3, y la norma PDVSA en sus módulos de diseño. Se estudiaron

los siguientes materiales: A182 F321H para las bridas, A358 347 para las

tuberías, SA 336 F22V y SA 542 D-cl4 para el cuerpo de los reactores, SA

387 GR 22 cl. 2 y SA 516 Gr 65 para el faldón de sustentación, como

material aislante se utilizó silicato de calcio con un espesor mínimo de 130

mm y una densidad de 0.00018 kg/cm3. La velocidad del viento se fijo en

38 m/s.

Cada uno de los casos de interconexión entre equipos fue estudiado en

función a las condiciones de diseño, con las cargas de prueba hidrostática,

operación sostenida y expansión térmica, con el objeto de obtener una

recomendación apropiada sobre la soportería necesaria para su sustentación

en la vida productiva de la instalación En las tablas que se presentan en este

capítulo, se muestran los resultados de las evaluaciones de esfuerzos sobre

la tubería realizados por el software CAESAR II, donde:

93


HDHPLUS®

WW: Peso de la tubería llena de fluido.

HP: Presión de prueba hidrostática (5410,3125 psig)

WIND1: Condición de carga de viento 1 (Norma ASCE #7).

W: Peso en vacio de la tubería.

F1: Fuerza aplica en los codos (1700 N)

T1: Según sea las prueba, temperatura de 500°C.

P1: Según sea las prueba, presión de 3625 psig

La simulación tridimensional realizada mediante el software CAESAR

II, arrojó una serie de resultados de la línea de estudio, correspondientes a

los esfuerzos por operación, esfuerzos sostenidos y esfuerzos por expansión

térmica. El cumplimiento del código ASME B31.3 para este análisis, se

determinó estableciendo comparaciones entre los esfuerzos generados en

las tuberías debido a los casos antes mencionados, con los esfuerzos

admisibles establecidos por este código.

4.1. Evaluación del sistema en estudio sin soportería

En función de determinar cuáles fueron los mayores esfuerzos

ocasionados por las cargas estudiadas, se realizó el análisis de flexibilidad

estático a cada uno de los tres (3) modelos a fin de establecer cuál de estos

sería el más factible, tomando en cuenta factores como el diseño de

conexión entre equipos, los mayores esfuerzos presentados, sus causas y la

posibilidad de colocación de equipos para sustentación en cada opción de

conexión.

94


HDHPLUS®

Para el modelo1 se realizaron cuatro evaluaciones (tabla 4.1) donde se

observa que para los casos de prueba hidrostática y carga sostenida, los

resultados obtenidos sobrepasan los valores del esfuerzo admisible permitido

por la norma ASME B31.3, presentando valores de 150.7% el esfuerzo

admisible (206842.7 kPa), y 275.1% el esfuerzo permitido (124795.0 kPa)

respectivamente, mientras que el estudio realizado para el caso de

expansión térmica se muestra permitida dentro del rango de la norma con un

32.8% (203568.8 KPa).

Figura 4.1. Distribución nodal para el modelo 1. Fuente: CAESAR II.

Para el caso de carga de operación no se presentan valores de

porcentaje comparativo (% ratio) debido a que la norma ASME no presenta

valores límite para este tipo de evaluación, esta solo se realizó para

establecer una “carga caliente” y poderla comparar con la “carga fría” para

95


HDHPLUS®

cuando se evalúe el sistema con soportería (mas adelante); sin embargo, si

se hace una comparación entre las cargas evaluadas y los esfuerzos

obtenidos del cálculo según las ecuaciones de la norma ASME B31.3, para

los casos de operación y carga sostenida se puede observar que el esfuerzo

máximo de operación es 10,79% mayor, al mayor de los esfuerzos

ocasionados por la carga sostenida, lo que demuestra que son los efectos de

la elevada temperatura de estudio los que toman mayor efecto en el sistema.



térmica) sin elementos de soportería. Fuente: CAESAR II.

Para el modelo se realizaron las mismas cuatro evaluaciones aplicadas

al modelo 1 (Tabla 4.2). Donde también los casos de prueba hidrostática y

carga sostenida sobrepasan los valores de esfuerzo admisible permitido por

la norma ASME B31.3, en este modelo la prueba hidrostática presentó

esfuerzos 141.2 % mayor a los permitidos por la norma (206844.0 kPa),

Prueba Hidrostática

Carga de operación

Carga sostenida

Expansión térmica

Combinación de cargas

WW+HP+F+WIN W+T+P+F+WIN W+P+F+WIN T

CodeStressRatio(%) 150.7 0.0 275.1 32.8

CodeStress(KPa) 311614.7 384865.9 343335.3 66766.3

Allowable(kPa) 206842.7 0.0 124795.0 203568.8

Axial Stress(kPa) 50533.6 36627.9 38731.4 696.6

BendingStress(kPa) 261081.1 347262.3 304603.9 66077.6

TorsionStress(kPa) 33287.2 30669.0 39036.3 13959.7

Hoop Stress(KPa) 107899.0 72298.1 77535.9 0.0

3DMaxIntensity(kPa) 304183.6 388014.3 334533.6 69638.0

96


HDHPLUS®

mientras que para la prueba de operación sostenida se presentó un esfuerzo

462.1% mayor al permitido por la norma (124795.0 kPa). De nuevo, sólo la

evaluación para la expansión térmica se muestra permitida dentro del rango

de la norma siendo esta de solo 28.8% en comparación con la norma

(203568.8 kPa); en esta oportunidad los esfuerzos ocasionados por cargas

de operación sostenida son 10% mayores que los producidos por las cargas

de operación, lo que es indicativo de que el modelo se ve mayoritariamente

afectado por las presiones internas y combinación de pesos que actúan en el

mismo.


97


HDHPLUS®



térmica) sin elementos de soportería. Fuente: CAESAR II

Para el modelo 3 se pueden observar los mayores esfuerzos en

cuanto a las evaluaciones de prueba hidrostática, cargas de operación,

sostenida y expansión térmica de los tres modelos estudiados. En este

modelo se presentan esfuerzos 251.9% mayor al permitido por la evaluación

hidrostática de la norma (206842.7 kPa), y 668.8% los permitidos para los

esfuerzos producidos por las cargas sostenidas (124795.0 kPa), y aunque los

efectos provocados por la expansión térmica siguen estando dentro de los

admisibles por la norma con un 44.2%, se determinó que este no es un

modelo viable ya que en este los mayores esfuerzos son producidos por las

combinaciones de los efectos térmicos y de presión que actúan en con

mucha más intensidad de lo que lo harían en cualquiera de los otros dos

modelos estudiados, además al tener una mayor cantidad de codos que

provoquen más cambios en el recorrido del fluido trifásico entre equipos lo

que aumenta la posibilidad de la creación de “bolsillos de aire” que provocan


Carga de operación

Carga sostenida

Expansión térmica


WW+HP+F+WIN

W+T+P+F+WIN

W+P+F+WIN

T

CodeStress Ratio(%): 141.2 0.0 462.1 28.8

Code Stress(kPa): 292123.1 523245.9 576711.1 58703.2

Allowable(kPa): 206844.0 0.0 124795.0 203568.8

Axial Stress(kPa): 33803.4 37266.7 33940.3 602.0

Bending Stress(kPa): 265927.6 498549.3 559140.8 57669.5

Torsion Stress(kPa): 30944.1 76303.7 63072.5 15767.2

Hoop Stress(kPa): 97291.1 97291.1 84679.7 0.0

3DMaxIntensity(kPa): 293135.7 542717.3 578462.0 61185.6

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HDHPLUS®

una aceleración en la velocidad de corrosión y el aumento de vibraciones en

la tubería.




térmica) sin elementos de soportería. Fuente: CAESAR II


Carga de operación

Carga sostenida

Expansión térmica


WW+HP+F+WIN

W+T+P+F+WIN

W+P+F+WIN

T

Code 0Stress Ratio (%): 251.9 0.0 668.8 44.2

Code Stress(kPa): 520978.8 878065.2 834672.4 89889.5

Allowable(kPa): 206842.7 0.0 124795.0 203568.8

Axial Stress(kPa): 39367.1 45303.9 47515.7 994.1



Hoop Stress(kPa): 97291.1 97291.1 102528.9 0.0

3D Max Intensity(kPa): 514167.0 898192.9 823918.1 93776.8

99


HDHPLUS®

4.2. Determinación de los niveles de esfuerzo para la proposición,

posicionamiento y evaluación de la soporteria presentada para el

sistema

Consiste básicamente, en la implementación o colocación de soportes a lo

largo los modelos de conexión, para así poder minimizar las cargas que

inciden sobre los nodos críticos. Dichos cambios siempre adaptados a las

limitaciones de espacio del entorno del sistema.

Para la selección de los elementos de soportería, se estudió el sistema

totalmente restringido en sus extremos (nozzles de conexión a equipos) para

seleccionar como primera aproximación los soportes colgantes bien sea de

carga constante o los soportes de carga variable de resorte con la intención

de mantener los esfuerzos estudiados por debajo de los permitidos por la

norma.

Para el modelo 1 se consideraron ocho puntos para la colocación de los

elementos de soporte. (Fig. 4.4) Se colocaron soportes de carga constante

en los nodos 600 y 1900, para intentar minimizar las diferencias de

expansiones térmicas entre la tubería y la entrada al recipiente, para resistir

57066 Newton de carga y aceptar desplazamientos de hasta 105.968 mm en

el nodo 600.

Para los nodos 800, 1200, 1300 y 1400 se sugiere la colocaron dos

soportes colgantes de carga constante en cada uno de estos puntos para

resistir 22906 Newton de carga fría con un desplazamiento vertical máximo

de 168,198 mm en el nodo 800.

100


HDHPLUS®

Para los nodos 1500 y 1600, se utilizaron 2 soportes de carga variable,

ya que en estos nodos se encuentran en los puntos más bajos (nodo 1900)

de la sección vertical de la tubería, por lo que es en estas secciones donde

se espera se presenten con mayor intensidad los efectos de las cargas

combinadas de esfuerzos de presión y vibraciones provocadas por el

movimiento natural del sistema. Para el punto 1500 se colocó un soporte que

resiste 54023 Newton de carga caliente y 47456 Newton de carga fría con un

desplazamiento de 32,838 mm de desplazamiento horizontal, con una

constante de resorte de 200 Newton/mm. En la tabla 4.4 se presentan los

soportes y su ubicación.


colocación de elementos de soportes. Fuente: CAESAR II.

101


HDHPLUS®


soportes, modelo 1. Fuente: CAESAR II.

Nodo

Carga fría (N)

Movimiento eje Y (mm)

Movimiento eje X (mm)

Movimiento eje Z (mm)

Soporte recomendado

600 57066 105.968 -30.047 26.260 1 Soporte de carga constante, eje Y

800 22906 168.198 -21.008 67.089 2 Soportes de carga constante, eje Y

1200 64627 171.680 81.160 133.115 2 Soportes constante, ejes X-Z

1300 25626 151.468 91.710 144.474 2 Soportes de carga constante, eje Y

1400 51251 53.049 100.966 167.576 2 Soportes constante, ejes X-Z

1500 47456 32.838 95.869 167.576 2 Soportes de carga constante, eje Y

1600 127190 -56.794 139.459 127.334 2 Soportes constante, ejes X-Z

1900

44882 -91.247 7.260 16.283 1 Soporte de carga constante, eje Y

Luego de determinar los nodos críticos del sistema y de haber

seleccionado los soportes apropiados para dichos puntos se determinaron

cuales son los nuevos esfuerzos máximos del sistema con los elementos de

sujeción. Se puede observar en la tabla 4.5 que la evaluación de las tuberías

cumple con los requisitos de la norma ASME B31.3 ya que ningún esfuerzo

está por encima del 100% del esfuerzo permisible calculado por la norma.

102


HDHPLUS®


los elementos de soportería. Fuente: CAESAR II.

Para el modelo 2 se consideraron diez puntos para la colocación de

los elementos de soporte (fig. 4.5), se colocó 1 soporte colgante de carga

constante para cada punto en los nodos 500, 700 y 1900, para intentar

minimizar las diferencias de expansiones térmicas entre la tubería y la

entrada al recipiente, en el nodo 500 para resistir 66565 Newton de carga y

un desplazamiento vertical de 93.721 mm.

Para los nodos 800, 900, 1100,1200, 1500 y 1700, se colocaron dos

soportes colgantes de carga constante en cada uno de estos puntos,

colocados para resistir 51948 Newton de carga y desplazamientos en el eje Y

de 48.916 mm en el nodo 900.

Para el nodo 1000 se tienen 2 soportes de carga variable para una

carga de instalación de 41290 Newton y una carga caliente de 51191


Carga de operación

Carga sostenida

Expansión térmica


WW+HP+F+WIN

W+T+P+F+WIN

W+P+F+WIN

T


Code Stress(kPa): 55490.3 96643.7 45837.0 72142.4

Allowable(kPa): 206844.0 0.0 124795.0 282795.7

Axial Stress(kPa): 47133.5 32331.5 34506.1 879.1



Hoop Stress(kPa): 145199.0 97291.1 102528.9 0.0

3D Max Intensity(kPa): 166667.0 120738.1 116909.6 75260.4

103


HDHPLUS®

Newton, con un desplazamiento vertical de 49,502 mm y una constante de

resorte de 200 Newton/mm, esta selección parece apropiada ya que se

emplean para satisfacer los requerimientos, de estos puntos donde prevén

movimientos horizontales, provocados por la expansión térmica y los efectos

de las presiones internas inherentes a los equipos. En la tabla 4.5 se

presentan los soportes y su ubicación.


colocación de elementos de soportes. Fuente: CAESAR II.

104


HDHPLUS®


soportes, modelo 2. Fuente: CAESAR II.

Nodo

Carga fría (N)

Movimiento eje X (mm)

Movimiento eje Y (mm)

Movimiento eje Z (mm)

Soporte recomendado

500 66546 1.883 93.721 24.187 1 Soporte de carga constante

700 24620 -9.370 92.853 83.633 1 Soporte de carga constante

800 18961 -18.513 70.885 101.321

1 Soporte carga constante, eje X

900 51948 -28.238 48.916 116.580

2 Soportes de carga constante

1000 51191 -68.476 -49.505 153.663

2 Soportes carga constante, ejes X-Z

1100 47400 -73.717 -69.717 154.910

2 Soportes carga constante, ejes X-Z

1200 83229 -68.076 -159.350 136.242

2 Soportes de carga constante

1500 35194 -8.791 -190.178 95.163 2 Soportes de carga constante

1700 31662 26.370

-148.417 72.048 2 Soportes de carga constante

1900 56327 42.792 -92.922 29.426 1 Soporte de carga constante

Luego de determinar los nodos críticos del modelo 2 y de haber

seleccionado los soporte apropiados para dichos puntos se determinaron los

nuevos esfuerzos máximos del sistema cuando este se encuentra con los

elementos de sujeción, En la tabla 4.7 se observa que la evaluación de las

tuberías cumple con los requisitos de la norma ASME B31.3 ya que ningún

esfuerzo está por encima del 100% del esfuerzo permisible calculado por la

norma.

105


HDHPLUS®


los elementos de soportería Fuente: CAESAR II.

Los soportes de las tuberías se seleccionaron para el mayor rango de

la temperatura que pueda ocurrir (Temperatura de diseño), por lo que, los

soportes podrán emplearse para satisfacer los requerimientos, en los puntos

donde prevean grandes movimientos ocasionados por la expansión térmica.

4.3. Estimación de los desplazamientos ocasionados en los

reactores debido a la dilatación térmica

Para el análisis apropiado de la expansión térmica provocada en los

reactores por las elevadas temperaturas de diseño (500°C) y operación (460

°C)(figura 4.6) fue necesario recurrir al apéndice C de la norma ASME B

31.3, específicamente en la tabla C-1, donde se puede observar que para

aceros tipo SA 336 F22V y SA 542 D-cl4 del grupo de los aceros “carbono-

molibdeno”, la temperatura de diseño especificada, debe tener una

expansión lineal no mayor a 212,090 milímetros por cada 30480 milímetros

de longitud recta (8.35 pulgadas/100 pies); y para la temperatura de


Carga de operación

Carga sostenida

Expansión térmica

Combinación de cargas WW+HP+F+WIN W+T+P+F+WIN W+P+F+WIN T


Code Stress(kPa): 42046.4 103641.5 45770.2 59277.5

Allowable(kPa): 206842.7 0.0 124795.0 282593.6

Axial Stress(kPa): 31623.2 32290.4 34270.1 757.5



Hoop Stress(kPa): 72298.1 72298.1 77535.9 0.0

3DMaxIntensity(kPa): 112246.4 124060.0 117444.5 61797.9

106


HDHPLUS®

operación, debe tener una expansión lineal no mayor a 191,262 milímetros

por cada 30480 milímetros de sección recta de estudio (7.53 pulgadas/100

pies).

Figura 4.6. Interface típica de los reactores de hidroconversión catalítica

de residuos, caso reactor D-7623 Fuente: CAESAR II.

Para el estudio realizado, se dividió el cuerpo del reactor 37,74 m

(123,8221 ft) en cinco (5) secciones, cuyas longitudes se obtuvieron de los

planos de diseño de los reactores proporcionados por la empresa, con la

intención de que en la sección número tres (3) se presentaran los 30,48 m

(100 ft) de longitud máxima permitida para el estudio de una sección recta de

tubería (figura 4.7)

107


HDHPLUS®

Figura 4.7. Secciones del cuerpo del reactor D-7623.. Fuente: CAESAR II

La división de los nodos de ubicación de los reactores fue asignada

de la siguiente manera:

Nodo 100-200: Brida de entrada al reactor.

Nodo 200-300: Cono inferior. Longitud: 4500 mm

Nodo 300-400: Primera parte de sección cilíndrica. Longitud: 800 mm.

Nodo 400-500: Sección cilíndrica media. Longitud: 29456.80 mm.

Nodo 500-600: Tercera parte de sección cilíndrica. Longitud: 530.00 mm.

Nodo 600-700: Cono superior. Longitud: 2455 mm

Nodo 700-800: Brida de salida del reactor.

108


HDHPLUS®

Para obtener el verdadero valor del desplazamiento térmico

presentado en cada una de las cinco (5) secciones, se debe restar el valor

del último nodo de la sección en estudio con el valor del primer nodo de la

misma, y este valor obtenido debe ser menor o igual al valor presentado por

la tabla C-1 de la norma ASME B31.3 para la temperatura estudiada.

Del estudio de expansión térmica realizado, se puede observar que

las condiciones más críticas para la evaluación de la expansión térmica en

los equipos son las que se presentan en las combinación de carga en

operación, donde el equipo no sólo se “levanta” en la dirección Y+ 5.22%

más de lo permitido por la norma citada, sino que también tiende a inclinarse

en la dirección Z+. (Fig. 4.8)


movimiento ocasionado, para los casos de prueba. Fuente: CAESAR II

109


HDHPLUS®

En la evaluación de la expansión térmica (Fig. 4.9), donde sólo cuentan

los efectos de la temperatura, se puede observar que el equipo tiende a

“levantarse” sobre el eje Y+ unos pocos milímetros, lo que permite constatar

(para estas pruebas) que el rango de desplazamiento presentado está dentro

de lo especificado por la norma. Observándose mayores desplazamientos

cuando se usa la temperatura de diseño (como es de esperarse).


movimiento ocasionado para el caso de expansión térmica en las

temperaturas de diseño, operación y prueba hidrostática. Fuente: CAESAR II

Luego de haber evaluado los dos modelos de conexión de tuberías a

equipos que cumplen con los requerimientos de diseño del proyecto, se

escoge el modelo 1 para el estudio de la interacción tubería-reactores,

debido a que este modelo presenta valores de esfuerzos evaluados para l

110


HDHPLUS®

por debajo de lo permitido por la norma, y representa una menor cantidad de

soportes. Sin embargo no se descarta el modelo 2 para futuras evaluaciones

ya que este también representa un diseño factible.

4.4. Proposición y evaluación de la soportería presentada para el

sistema completo

El estudio del sistema completo (Fig. 4.10) se hace necesario debido a la

inevitable interacción entre las tuberías y los reactores a través de las bridas

que funcionan como boquillas de conexión, ya que como se estudió en el

apartado 4.3 los reactores se expanden en el eje vertical “Y” y se inclinan en

el eje “Z”, lo que provoca en las bridas esfuerzos y cargas que tienden a

propagarse y afectar a los espárragos de sujeción de las mismas afectando

las tuberías y exigen una sobre carga en los soportes previamente

seleccionados.

111


HDHPLUS®

Figura 4.10. Internase típica del modelo de estudio “Interacción tuberías-

equipos”. Fuente: CAESAR II

Del modelo 1, se toman las dimensiones de las tuberías, la ubicación de

los soportes, las cargas calientes y desplazamientos máximos que resisten

los soportes colgantes para comparar y poder determinar cuál es el efecto

que produce la expansión térmica de los reactores D-7623 y D-7624 en las

tuberías.

Una vez dimensionado el sistema se procedió al análisis estático

para determinar cuáles esfuerzos provocaban el fallo de la evaluación con

respecto a la norma ASME B31.3, lo que provocó la colocación de un nuevo

soporte de carga variable adicional a los ocho ya estudiados en el modelo 1

original, este soporte se ubica en el codo de salida del reactor D-7623 (nodo

850 en el modelo reactor- tuberías) y debe soportar una carga de 40471

Newton y un desplazamiento vertical de 369.568 mm, con la intención de

atenuar los valores de esfuerzos producidos en las bridas de conexión y

redirigir los desplazamientos provocados por la expansión térmica de los

reactores.

En la tabla 4.8 se presenta un cuadro comparativo entre las cargas y

desplazamientos presentados en el modelo 1 original y el modelo 1

interacción tubería- equipos, donde se puede observar que las mayores

variaciones en cuanto al desplazamiento vertical se presentan con respecto

al modelo 1 original, lo cual es lógico ya que al desplazamiento natural de las

tuberías deberá agregársele el desplazamiento que es provocado en los

equipos debido a la alta temperatura de evaluación.

112

Tabla 4.8. Comparación de cargas y desplazamientos para el modelo 1 original y modelo 1 interacción

equipos- tuberías. Fuente: CAESAR II

MODELO 1 (Diseño original)

MODELO 1 (Tuberías - Equipos)

Nodo

Carga por soporte (Newton)

Carga total

( Newton)

Desplazamiento vertical

(mm)

Tipo de Soporte

(cantidad)

Nodo

Carga por

soporte (Newton)

Carga total

(Newton)

Desplazamiento vertical (mm)

Tipo de Soporte

(cantidad)

% variación de carga

250 - - - - 850 40471 40471 369.538 Carga constante(1)

600 52401 52401 89.852 Carga constante(1)

1100 28533 57066 396.544 Carga constante(2)

8.17

800 12805.5 25611 162.562 Carga constante(2)

1300 11453 22906 393.291 Carga constante(2)

10.56

1200 34537.5 69075 201.336 Carga constante(2)

1800 32313.5 64627 333.972 Carga constante(2)

-6.44

1300 25626 51252 181.127 Carga constante(2)

1900 12812.5 25626 311.996 Carga constante(2)

-50

1400 25625.5 51251 82.719 Carga constante(2)

2300 25625.5 51251 228.502 Carga constante(2)

0

1500 23728 47456 62.510 Carga constante(2)

2400 23726.5 47453 206.528 Carga constante(2)

0

1600 63838 127676 -27.112 Carga variable(2)

3000 31797.5 63595 74.708 Carga variable (2)

-50

1900 21665.5 43333 -62.696 Carga constante(1)

3400 44882 44882 6.279 Carga variable (1)

3.45

113


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4.5. Estudio de las bridas utilizadas como boquillas de conexión a

los equipos D-7623 y D-7624

El análisis realizado, demuestra que son los efectos combinados de la

presión y temperatura de diseño los que provocan la falla en la evaluación de

la brida superior que conecta el equipo D-7623 con el inicio de la tubería

(Fig. 4.11), provocando un aumento de hasta 8% por encima de la norma

ASME B31.3 en los esfuerzos evaluados por el método de las presiones

equivalentes, mientras que la evaluación realizada para las condiciones de

operación máxima son satisfactorias en cuanto a la norma. En la tabla 4.9 se

muestran los resultados de esta evaluación.


superior del reactor D-7623, para prueba hidrostática, carga de operación,

carga sostenida y expansión térmica. Fuente: CAESAR II.

114


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brida en la parte superior del reactor D-7623. Fuente: CAESAR II.

Caso de prueba %Comparación con la norma

Presión equivalente

admisible (kPa)


resultante (kPa)

Hidrostática (37 °C - 37300KPa)

65,46

57312.66

37517.72

Operación (500°C- 25000 kPa) (480°C-19830 kPa) (35°C-15700 kPa)

107,52 77.43 37,01

23504.22 25994.61 43092.23

25272.43 20127.37 15950.55

Sostenida (500°C- 25000 kPa) (480°C-19830 kPa) (35°C-15700 kPa)

107,43 77,34 37,01

23504.22 25994.61 43092.23

25249.44 20105.44 15950.02

Expansión térmica 500° C

0,10 23504.22 22.98

Para la evaluación de presiones equivalentes en la brida de conexión

inferior a el equipo D-7624 (Fig. 4.9) se obtuvieron resultados más

satisfactorios con resultados por debajo del 70% con respecto a la norma en

todos los casos. En la tabla 4.10 se muestran los resultados de esta

evaluación.


inferior del reactor D-7624, Para prueba hidrostática, carga de operación,

carga sostenida y expansión térmica. Fuente: CAESAR II.

115


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brida en la parte inferior del reactor D-7624. Fuente: CAESAR II.

Caso de prueba %Comparación con la norma


admisible (kPa)


resultante (kPa)

Hidrostática (37 °C - 37300KPa)

68,12

57312.66

39039.51

Operación (500°C- 25000 kPa) (480°C-19830 kPa) (35°C-15700 kPa)

62.29 50.35 40.71

43092.23 43092.23 43092.23

26842.86 21698.86 17543.44

Sostenida (500°C- 25000 kPa) (480°C-19830 kPa) (35°C-15700 kPa)

62.29 50.35 40.71

43092.23 43092.23 43092.23

26842.86 21698.86 17543.44

Expansión térmica 500 °C

0

43092.23

0

116


HDHPLUS®

CAPÍTULO V

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1. Conclusiones

En relación a los resultados obtenidos mediante la generación del

modelo computacional para la tubería y los reactores del proyecto

Conversión Profunda de la RPLC, se puede concluir que:

El acero austenítico A347, reflejó ser una buena elección en

cuanto al material para el sistema de tuberías, ya que resiste las

condiciones de diseño y operación para los cuales fue evaluado.

El espesor de 2.312 pulgadas seleccionado para el sistema de

tuberías, resiste todas las condiciones de prueba a las cuales fue

sometido según la norma ASME B31.3

Se evaluaron tres vías para la conexión mediante tuberías de los

reactores D-7623 y D-7624, entre los cuales se escogió como

mejor opción el modelo 1, ya que el rango de esfuerzos a los que

se encuentra sometido están dentro de los permitidos por la

norma y exhibe la menor cantidad de soportes para su

sustentación.

Los problemas de flexibilidad del modelo 1 ocasionados

fundamentalmente por los efectos de la expansión térmica, fueron

solventados mediante la implementación de la propuesta de

elementos de soportería especializados de tipo colgante para

cargas constantes y variables en las tuberías.

117


HDHPLUS®

Se estudió el desplazamiento provocado en los reactores por los

efectos de la expansión térmica, y se determinó que para las

evaluaciones realizadas en las condiciones de diseño el equipo

sobrepasa el límite de 8,38 in/100 pies en un 5,22% en el eje Y+

además de inclinarse en el eje Z+, mientras que para las

evaluaciones realizadas en condiciones de operación normal los

desplazamientos permanecen dentro del permitido por la norma

ASME B31.3.

Se estudiaron mediante el método de las presiones equivalentes

las boquillas de los reactores, se obtuvo como resultado que la

boquilla superior del reactor D-7623 es deficiente cuando es

evaluada en las condiciones de diseño, y no se evalúa con el

soporte adicional del apartado 4.4 debido a la fuerza axial y

esfuerzos de flexión que se presentan.

La evaluación de las propuestas generadas para el modelo 1

cumple de manera satisfactoria con los esfuerzos permisibles por

el código ASME B31.3 para el caso de prueba hidrostática, carga

sostenidas y para el caso de expansiones térmica.

118


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5.2. Recomendaciones

En vista de que el sistema se encuentra conectado a equipos

verticales los cuales están sometidos a efectos dinámicos, como

los vórtices del viento, vibraciones y sismos, debe ser planteado

un análisis de flexibilidad que genere las respuestas oportunas

ante ese tipo de cargas.

Se recomienda llevar a cabo un análisis de flexibilidad que incluya

la estructura metálica que rodeará a los reactores y de la cual

estará sujeta los equipos de soportería estudiados, debido a los

desplazamientos que de por sí tendrá la estructura.

Se recomienda validar cualquier cambio en el diseño del sistema

ya que los resultados arrojados por esta evaluación están

asociados directamente al diseño propuesto.

119

BIBLIOGRAFÍA CITADA

[1] Rengel, Y.(2009). “Análisis estático de flexibilidad de los cabezales de vapor de

la unidad destiladora atmosférica DA-3 de la Refinería de Puerto la Cruz”. Tesis de

grado. Escuela de Ciencias e Ingeniería Aplicada, UDO, Puerto la cruz, Venezuela.

[2] Bustamante, J. (2008) “Análisis estático de flexibilidad al múltiple principal de

carga de refinería de puerto la cruz”. Tesis de grado. Escuela de Ciencias e Ingeniería

Aplicada, UDO, Puerto la cruz, Venezuela.

[3] Rivas, S. (2010). “Evaluación de los esfuerzos estáticos en las líneas de

transporte de crudo desde el múltiple N° 1 al múltiple N° 7.1 del patio de

almacenamiento de refinería de puerto la cruz. Tesis de grado. Escuela de Ciencias e

Ingeniería Aplicada, UDO, Puerto la cruz, Venezuela.

[4] Documento técnico TM-JYDP-0752. PDVSA Refinación Oriente. “Descripción

del proceso de Hidroconversión Catalítica de Residuos”, Gerencia Proyecto Conversión

Profunda.

[5] Urrieta, C. (2009) “Análisis estático de flexibilidad de la línea de crudo de la

unidad de destilación atmosférica DA-1 de la refinería de Puerto la Cruz”. Tesis de

grado, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, UDO, Puerto La Cruz.

[6] FIME- UNPRG, Diseño mecánico II, (2009) “Guía para el diseño de tuberías”

.documento en versión PDF. Disponible en:

[http://www.unprg.edu.pe/bounprg/blogs/media/blogs/rsamillanri/DMecanico/disenio-

tuberias.pdf]. Perú.

[7] PDVSA. (1995 ). “Norma PDVSA N° MDP–01–DP–01 Temperatura y presión

de diseño”.

120

[8]Código ASME, (1993). “ASME B31.3 Tuberías Para Procesos Químicos y

Refinerías de Petróleo (Chemical Plant Petroleum Refinery Piping)”, USA.

[9] Antaki, G. (1997). “Material selection”. Tercera edición. Editorial Marcel Dekker,

Inc. South Carolina. USA.

[10] Conessa, J (2008). “Diseño de reactores multifásicos heterogéneos”.

Universidad de Alicante. Disponible en

[http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/15296/5/Tema5_MULTIFASICO_RUA.pdf]

[11] Budynas, Richard y Nisbett, Keith. “Diseño en ingeniería mecánica de Shigley”.

Octava edición. Editorial MCGraw Hill. 2008.

[12] Lisega. (2010). “Catálogos de soportes estándar 2010”, Alemania. Disponible

en [http://www.lisega.de/downloads/soportes-estandar-2010.html]

[13] Antaki, G. (2003) “Piping and pipeline engineering”. Primera edición. Editorial

Marcel Dekker, Inc. Inc. South Carolina. USA.

[14] Islas, B. (2009) “conceptos para el desarrollo básico de arreglos en tuberías de

plantas industriales bajo la norma ASME/ ANSI”. Tesis de grado. Escuela Superior de

Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional azcapotzalco. México. Disponible

en

[http://itzamna.bnct.ipn.mx:8080/dspace/bitstream/123456789/4594/1/CONCEPTOSDE

SARR.pdf]

[15] COADE. (2007) “Technical references of CAESAR II versión 5.10”. Disponible

en [www.coade.com]

[16] EUROINOX. (2012) “Tabla de propiedades técnicas de los aceros inoxidables”.

Materiales y aplicaciones. Volumen 5. Disponible en: [www. Euroinox.com]

121

BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL

Comisión de trabajo de grado Dpto. Mecánica.”Instructivo para la

elaboración de proyectos de trabajo de grado para el departamento de

mecánica”. Primera edición, 2007.

Manual de ingeniería de diseño volumen 10, Norma PDVSA N° L–212

“Aislamiento térmico para tuberías y equipos de servicios calientes”.

Revisión final. 2010

Manual de ingeniería de diseño volumen 10, Norma PDVSA N° MDP–01–

DP–01 “Temperatura y presión de diseño”. Revisión final. 1995.

Manual de ingeniería de diseño volumen 13-II, Norma PDVSA N° HG-252

“Criterios de diseño de esfuerzos en tuberías”. Revisión final. 1998.

Manual de ingeniería de diseño volumen 13-II, Norma PDVSA N° HG-251

“Criterios de diseño de soportes para tuberías”. Revisión final. 1993.

Manual de ingeniería de diseño volumen 13-I, Norma PDVSA N° H-221

“Materiales para tuberías”. Revisión final. 2007.

Manual de ingeniería de diseño volumen 13-III, Norma PDVSA N°

10606.1.203 “longitud máxima recomendada para tuberías, metros”.

Revisión final. 1993.

122

METADATOS PARA TRABAJOS DE GRADO, TESIS Y ASCENSO:

TÍTULO

Análisis De Flexibilidad Para El Arreglo De Tuberías Que

Interconecta Los Reactores D-7623 y D-7624 En El Proceso

De Hidroconversión Catalítica De Residuos (HDH).

SUBTÍTULO

AUTOR (ES):

APELLIDOS Y NOMBRES

CÓDIGO CVLAC / E MAIL

Fernández González Mayra José CVLAC:1 8.454.21 4

E MAIL:[email protected]

CVLAC:

E MAIL:

CVLAC:

E MAIL:

CVLAC:

E MAIL:

PALÁBRAS O FRASES CLAVES:

análisis_________________________________________

flexibilidades_____________________________________

reactores________________________________________

conversión______________________________ ___

profunda________________________________________

hidroconversion___________________________________

catalítica_______________________________

residuos_____________________________________ __

123


ÀREA SUBÀREA

Ingeniería y ciencias

aplicadas

Ingeniería mecánica

RESUMEN (ABSTRACT):

El presente trabajo de investigación se centró en el estudio de flexibilidad realizado a las

líneas de tuberías que interconectan los reactores de Hidroconversión Catalítica de Residuos,

que serán parte del tren de destilación principal del nuevo proyecto de la refinería de puerto la

cruz “Conversión Profunda”. El problema presentado está en la conexión de estos equipos, y

radica en las altas condiciones de operación que posee el sistema, donde se presentan

temperaturas de hasta 900 °F y presiones de 3000 psi, lo que promueve la presencia de

muchos problemas del tipo que solo un equipo multidisciplinario podía solucionar, el rol del

presente trabajo, se encargó de proveer respuestas en cuanto a cuál sería el material

apropiado para la tubería, y de esta tubería cual sería el correspondiente espesor, luego de

solventados estas preguntas se necesito saber cuáles serian los apoyos necesarios para la

tubería en cuestión y a partir de estos considerar y demostrar bajo el margen de las normas

internacionales de diseño, como las normas ASME/ANSI y aunado a las normas nacionales

PDVSA en su modulo de diseño, cuáles serían los rangos de operación normal en cuanto a

esfuerzos y reacciones que se presentan en el sistema antes mencionado, también se

determinaran las condiciones apropiadas para la realización de la prueba hidrostática.


124

CONTRIBUIDORES:

APELLIDOS Y NOMBRES ROL / CÓDIGO CVLAC / E_MAIL

Gomes, Carlos ROL CA AS X TU JU

CVLAC:

E_MAIL

E_MAIL

Payares, Félix ROL CA AS TU JU X

CVLAC:

E_MAIL

E_MAIL

Sterlacci Gaetano ROL CA AS TU JU X

CVLAC:

E_MAIL

E_MAIL

ROL CA AS TU JU

CVLAC:

E_MAIL

E_MAIL

FECHA DE DISCUSIÓN Y APROBACIÓN:

2007

AÑO

07

MES

27

DÍA

LENGUAJE. SPA

125


ARCHIVO (S):

NOMBRE DE ARCHIVO TIPO MIME

Pre-grado. Análisis de flexibilidad. doc Application/Ms Word

CARACTERES EN LOS NOMBRES DE LOS ARCHIVOS: A B C D E F G H I J K L M N

O P Q R S T U V W X Y Z. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z. 0 1 2 3 4

5 6 7 8 9.

ALCANCE

ESPACIAL: __________________________________ (OPCIONAL)

TEMPORAL: __________________________________ (OPCIONAL)

TÍTULO O GRADO ASOCIADO CON EL TRABAJO:

______________Ingeniero Mecánico___________________________

NIVEL ASOCIADO CON EL TRABAJO:

______________pregrado____________________________________

ÁREA DE ESTUDIO:

______________departamento de mecánica______________________

INSTITUCIÓN:

_____Universidad de Oriente/ Núcleo de Anzoátegui________________

126


DERECHOS

De acuerdo al ARTÍCULO 41 del reglamento de trabajos de grado

“Los trabajos de grado son propiedad de la Universidad de Oriente y sólo podrán

ser utilizados para otros fines con el consentimiento del consejo de núcleo respectivo,

quien lo participará al consejo universitario

AUTOR AUTOR AUTOR

TUTOR JURADO JURADO

POR LA SUBCOMISION DE TESIS

Fernández G. Mayra José

Gomés, Carlos Payares, Félix Sterlacci, Gaetano

Tesis Analisis de Flexibilidad

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