1

Objetivo General
Evaluar los criterios de diseo y configuracin estructural de recipientes a presin.
Objetivos Especficos
1

Identificar los diferentes tipos de recipientes a presin.

2 Especificar las caractersticas de diseo segn

las distintas normas nacionales e

internacionales.
3 Explicar los clculos necesarios en el diseo de recipientes cilndricos y esfricos,
sujetos a presin.
4 Estudiar las diferentes pruebas que requieren los recipientes a presin una vez
fabricados para su certificacin.

CAPTULO II
MARCO TERICO

2.1 ANTECEDENTES
Bonillo (2008) elabor una hoja de clculo para el diseo bsico de recipientes sometidos a
presin, considerando recipientes horizontales y verticales con diferentes tipos de cabezales:
planos, poliefricos, semielpticos, semiesfricos y cnicos. El procedimiento de cmputo
estuvo basado en la Seccin VIII, Divisin 1 del Cdigo ASME, la hoja de clculo fue
validada mediante la verificacin del diseo de recipientes horizontales y verticales ya
existentes [1].
Pereira y Arqumides (2008) desarrollaron una metodologa para evaluar proyectos de
tuberas, utilizando las normas ASME y API y consideraron los procedimientos establecidos
en ellas para evaluar un proyecto de tuberas, obteniendo resultados que permitieron verificar
el cumplimiento de las normas mencionadas [2].
Fuentes (2005) desarroll el diseo de anillos de prueba para los intercambiadores de
calor ubicados en la Unidad de Alquilacin Refinera Puerto La Cruz, con la finalidad de
disminuir el tiempo de mantenimiento a estos equipos en el momento de ejecutar la prueba
hidrosttica. Los clculos se realizaron siguiendo las recomendaciones del Cdigo ASME
Seccin VIII Divisin I, ASME B.16.5 y las Normas TEMA. Tambin elaboraron un
procedimiento para realizar la prueba hidrosttica en intercambiadores de calor, con los anillos
diseados, fundamentado en las normas y manuales de PDVSA [3].
Maestre (2005) elabor rutinas de mantenimiento para los recipientes a presin y tanques
apernados ms crticos de las estaciones y plantas compresoras del campo San Joaqun
mediante la aplicacin de la Metodologa de "Inspeccin Basada en Riesgo". Clasific el
riesgo en niveles de Bajo, Medio, Medio Alto y Alto, permitiendo precisar la mejor estrategia
para las frecuencias de inspeccin y actividades de mantenimiento [4].
Este trabajo contemplar la evaluacin de los criterios de diseo de recipientes a presin,
para los cuales Bonillo estudi su diseo bsico en recipientes cilndricos y esfricos. Algunos
de estos criterios estn especificados en las Normas ASME y API, las cuales fueron empleadas

en los trabajos de Fuentes, Pereira y Arqumedes. Por otra parte tambin se estudiaran las
pruebas aplicadas para certificar un recipiente sometido a presin, entre estas se encuentra la
prueba hidrosttica, para la cual Fuentes elabor un procedimiento para realizar dicha prueba
en intercambiadores a calor.

2. 2 RECIPIENTES A PRESIN
2.2.1 Generalidades
Con la denominacin de recipientes a presin se incluye a cualquier envase constituido por
una envolvente, normalmente metlica, capaz de contener un fluido, en estado lquido o
gaseoso, cuyas condiciones de temperatura y presin son distintas a las del medio ambiente.
En la industria estos se utilizan con el objeto de aprovechar sus capacidades, es decir, sus
volmenes, para almacenar, procesar o transportar fluidos, bien sea en su estado lquido o
gaseoso, para su uso posterior.
El Cdigo ASME, Divisin 1, define los recipientes a presin como envases para la
contencin de fluidos bajo presin interna y/o externa [5]. Esta presin puede obtenerse de una
fuente externa, o por la aplicacin de calor desde una fuente directa y/o indirecta.
El tamao y la forma geomtrica de los recipientes a presin varan ampliamente desde
grandes recipientes cilndricos, como las torres fraccionadoras utilizadas para separar los
lquidos del gas natural, hasta pequeos equipos como cilindros presurizados para gas
vehicular.
Los recipientes a presin son usualmente esfricos o cilndricos, con cabezales de
diferentes configuraciones geomtricas y boquillas resistentes a las presiones. La presin de
estos recipientes puede ser tan baja como 0.04psi o tan altas como 300psi.
Asimismo, equipos a presin como

los tanques de almacenamiento

la American

Petroleum Institute (API) son diseados para presiones internas restringidas a no ms de la

presin generada por el cabezal esttico del fluido contenido en el tanque.

2.3 PARTE DESCRIPTIVA

Todo recipiente a presin est formado por la envolvente, dispositivos de sujecin o apoyo del
propio equipo, conexiones por las que entran y salen los fluidos, elementos en el interior y
accesorios en el exterior del recipiente

[6]

. A continuacin se procede a describir cada una de

estas partes:
4.1

Envolvente

Es una envoltura metlica que forma propiamente el recipiente. Los aparatos cilndricos son
los ms utilizados, y en ellos la envolvente est formada, bsicamente, por dos elementos: el
cuerpo del recipiente (o cuerpo cilndrico) o cubierta (carcasa) y los fondos o cabezales.
Cuerpo del recipiente. Es el elemento estructural hecho para circundar un
espacio. La mayora de los cascos son generados por la revolucin de una curva plana,
en un recipiente a presin se llama casco esfrico.
Cabezales o tapas del recipiente. Es el extremo de un casco cilndrico. Los tipos
de cabezas ms usados son:
Tapas Planas. Por lo general, se utilizan para recipientes sujetos a presin atmosfrica,
aunque en algunos casos se usan tambin en recipientes a presin. Su costo entre las
tapas es el ms bajo. Se utilizan tambin como fondos de tanques de almacenamiento
de grandes dimensiones [7].
Tapas Toriesfricas. Son las de mayor aceptacin en la industria, debido a su bajo
costo y a que soportan grandes presiones manomtricas, su caracterstica principal es
que el radio del abombado es aproximadamente igual al dimetro. Se pueden fabricar
en dimetros desde 0.3 hasta 6m [7].
Tapas Semielpticas. Son empleadas cuando el espesor calculado de una tapa
toriesfrica es relativamente alto, ya que las tapas semielpticas soportan mayores
presiones que las toriesfricas

[7]

. El proceso de fabricacin de estas tapas es

troquelado, su silueta describe una elipse relacin 2:1. Su costo es alto.

 Tapas Semiesfricas. Utilizadas exclusivamente para soportar presiones crticas, como

su nombre lo indica, su silueta describe una media circunferencia perfecta, su costo es
alto y no hay lmite dimensional para su fabricacin [7].
Tapas Cnicas. Se utilizan generalmente en fondos donde pudiese haber acumulacin
de slidos y como transiciones en cambios de dimetro de recipientes cilndricos. Su
uso es muy comn en torres fraccionadoras o de destilacin, no hay lmites en cuanto a
dimensiones para su fabricacin y su nica limitacin consiste en que el ngulo de
vrtice no deber de ser calculado como tapa plana [7].
A efectos tericos, las ms aconsejables son las tapas semiesfricas, por las reducidas
tensiones generales y de discontinuidad que presentan cuando se conectan a cilindros, pero
esto exige construir domos con mucha superficie curvada, y bastante sobresalientes respecto al
extremo del cilindro al cual van soldados. Los elpticos o elipsoidales ocupan una menor
eslora, pero son menos perfectos desde el punto de vista del reparto de tensiones, teniendo el
inconveniente constructivo de que su curvatura es continuamente variable. En las toriesfricas,
slo hay dos radios principales y son ms fciles de construir, aunque el reparto de las
tensiones es un poco ms irregular que en los elpticos

[7]

. En la figura 12, de carcter

totalmente ilustrativo, se puede observar que, en el caso de un domo muy plano las tensiones
de traccin o compresin (segn el sentido de la presin) en la zona trica son ms altas,
comparadas con las de la esfera, a causa de los momentos flectores que se crean.

Figura 1. Distribucin de esfuerzos en un cabezal

4.1

Dispositivos de sujecin o apoyo

Todo recipiente debe ser soportado, es decir, su carga debe ser transmitida al suelo o a alguna
estructura que las transmita al suelo; esta misin la cumplen los dispositivos de sujecin o
apoyo. Las cargas a las que est sometido el recipiente y que transmitir al suelo a travs de su
apoyo son: peso propio, peso del lquido en operacin normal o agua en la prueba hidrulica,
peso de todos los accesorios internos y externos, cargas debidas al viento, cargas debidas al
terremoto.
Los dispositivos de apoyo, as como los pernos de anclaje que los fijan al suelo o
estructura portante, debern estar dimensionados para que resistan cada una de las condiciones
de carga posible del recipiente. Entre estos dispositivos se puede mencionar:
Silletas. Son utilizadas en recipiente de tipo horizontal como soportes. Desde dos
puntos de vista, esttico y econmico, se prefiere el uso de dos silletas nicamente a
diferencia del sistema de varios soportes, y esto es vlido aun cuando sea necesario
usar anillos atiesadores. La ubicacin de las silletas la determina a veces la situacin de
aberturas, resumideros, etc., en el fondo del recipiente. Si no es tal caso, las silletas
pueden situarse en los puntos estticamente ptimos. Los recipientes de pared delgada
y dimetro grande se soportan mejor cerca de las cabeceras, para utilizar el efecto
atiesador de las mismas. Respecto a los recipientes largo de pared gruesa, se aconseja
soportarlos donde el esfuerzo flexionante mximo longitudinal sobre las silletas sea
casi igual al esfuerzo sobre la mitad del claro. Este punto vara con el ngulo de
contacto de las silletas. La distancia entre la lnea tangente a la cabeza y la silleta, en
ningn caso debe ser mayor a 0.2 veces la longitud del recipiente.
Faldn. Es el soporte de uso ms frecuente y el ms satisfactorio para los recipientes
verticales. Se une por soldadura continua a la cabeza y por lo general, el tamao
requerido de esta soldadura determina el espesor del faldn.
Anillos de retencin. Pueden colocarse en el interior o en el exterior de un recipiente
pueden ser de seccin rectangular que son los ms utilizados o hasta de cualquier
forma.

 Pernos de Anclaje. Los recipientes verticales, deben anclarse a la cimentacin o

fundacin de concreto, por medio de pernos de anclaje y anillo de la base. Los pernos
de anclaje deben instalarse en mltiplos de cuatro y para torres altas es preferible
instalar un mnimo de ocho pernos. En una cimentacin de concreto, la capacidad de
anclaje de pernos demasiado prximo es reducida. Es aconsejable situar los pernos a
distancias no menores de 18 pulgadas. Para mantener esta separacin, en el caso de
recipientes de dimetro pequeo, puede ser necesario agrandar el crculo de
localizacin de los pernos usando un faldn cnico o un anillo de base ms ancho con
placas angulares de refuerzo.

4.1

Conexiones

Todo recipiente debe tener como mnimo una conexin de entrada del fluido y otra de salida,
aunque siempre tienen muchas ms. Los servicios ms comunes que precisan conexiones en el
recipiente son: de entrada y salida de fluidos; para instrumentos, como manmetros,
termmetros, indicadores o reguladores de nivel; para vlvula de seguridad; para servicios
tales como drenaje, venteo, de limpieza, paso de hombre, paso de mano, etc. Salvo en casos
excepcionales, las conexiones se realizan embridadas, ya que permiten su montaje y
desmontaje sin tener que realizar ningn corte ni soldadura. Solamente en casos de fluidos
extremadamente txicos, o altamente explosivos en contacto con el aire, se realizan las
conexiones soldadas.

2.4

MATERIALES PARA RECIPIENTES A PRESIN

Aceros al carbn. Es el ms disponible y econmico de los aceros,
recomendables para la mayora de los recipientes donde no existen altas presiones ni
temperaturas.

Aceros de baja aleacin. Como su nombre lo indica, estos aceros contienen

bajos porcentajes de elementos de aleacin como nquel, cromo, etc. Y en general
estn fabricados para cumplir condiciones de uso especfico. Son un poco ms costosos

que los aceros al carbn. Por otra parte no se considera que sean resistentes a la
corrosin, pero tienen mejor comportamiento en resistencia mecnica para rangos ms
altos de temperaturas respecto a los aceros al carbn.
Aceros de alta aleacin. Comnmente llamados aceros inoxidables. Su costo en
general es mayor que para los dos anteriores. El contenido de elementos de aleacin
mayor, lo que ocasiona que tengan alta resistencia a la corrosin.
Materiales no ferrosos. El propsito de utilizar este tipo de materiales es con el
fin de manejar sustancias con alto poder corrosivo para facilitar la limpieza en
recipientes que procesan alimentos y proveen tenacidad en la entalla en servicios a baja
temperatura.
4.1

Propiedades que deben tener los materiales para satisfacer las condiciones de
servicio
Propiedades mecnicas. Al considerar las propiedades mecnicas del material
es deseable que tenga una buena resistencia a la tensin, alto nivel de cedencia,
por cierto de alargamiento alto y mnima reduccin de rea. Con estas propiedades
principales se establecen los esfuerzos de diseo para el material en cuestin.
Propiedades Fsicas. En este tipo de propiedades se buscar que el material
deseado tenga coeficiente de dilatacin trmica.
Propiedades qumicas. La principal propiedad qumica que se debe considerar
en el material a utilizar en la fabricacin de recipientes a presin es su resistencia a la
corrosin. Este factor de muchsima importancia ya que un material mal seleccionado
nos causar muchos problemas, las consecuencias que derivan de ello son:
Reposicin del equipo corrodo. Un material que no sea resistente al ataque corrosivo
puede corroerse en poco tiempo de servicio.
Sobrediseo de las dimensiones. Para materiales poco resistentes al ataque corrosivo
puede ser necesario dejar un excedente en los espesores dejando margen para la
corrosin, esto trae como consecuencia que los equipos resulten ms pegados, de tal
forma que encarecen el diseo adems de no ser siempre la mejor solucin.
Mantenimiento preventivo. Para proteger los equipos del medio corrosivo es necesario
usar pinturas protectoras.

 Paros debido a la corrosin de equipos. Un recipiente a presin que ha sido atacado

por la corrosin necesariamente debe ser retirado de operacin, lo cual implica las
prdidas en la produccin.
Contaminacin o prdida del producto. Cuando en los componentes de los recipientes
a presin se han llegado a producir perforaciones en las paredes metlicas, los
productos de la corrosin contaminan el producto, el cual en algunos casos es
corrosivo.
Esfuerzos admisibles. Son los grados de exactitud con los cuales las cargas
pueden ser estimadas, la confiabilidad de los esfuerzos estimados para estas cargas, la
uniformidad del material, el peligro a la falla ocurre y otras consideraciones como:

Esfuerzos locales con concentracin de esfuerzos, fatiga y corrosin.

Para materiales que sean sometidos a temperaturas inferiores al rango de termofluencia

los esfuerzos admisibles se pueden considerar con el 25% de la resistencia a la tensin
o el 62,5% de la resistencia a la cedencia a la temperatura de operacin.
El porcentaje de resistencia a la cedencia usando como esfuerzo admisible es
controlado por un nmero de factores tales como la exactitud con la cual la carga de
confiabilidad de los esfuerzos con frecuencia se usa un esfuerzo admisible para aceros
estructurales.

2.4

PRESIONES DENTRO DE UN RECIPIENTE A PRESION

Dentro de los recipientes a presin se suele hablar de diferentes tipos de valores de presin,
entre los que destacan:
4.1

Presin de Diseo

Es la presin mxima, interna o externa, utilizada para determinar los espesores mnimos en el
recipiente. Es recomendada para el diseo de un recipiente y sus partes, ya que es una presin
superior a la presin de operacin. La presin de diseo es superior a una presin de operacin
por 30 psi o en un 10%; es decir, cualquiera que sea mayor y que satisfaga este requerimiento.

La presin del fluido que maneje el recipiente tambin debe ser tomada en cuenta para
determinar la presin de diseo.
4.2

Presin de Servicio

Es identificada como la presin de operacin. Se define como la presin manomtrica a la cual

estar sometido un equipo en condiciones normales de operacin. La presin de operacin
puede llegar a ser mxima, siendo sta la presin prevista en el sistema debida a desviaciones
de la operacin normal. La mxima presin de operacin debe ser al menos 5% mayor que la
presin de operacin. La presin de operacin mnima es la presin subatmosfrica ms baja
que puede tener el sistema, basada en las condiciones esperadas de la operacin, incluyendo
arranque y parada.

4.3

Presin de Trabajo Mxima Permisible

Es la presin mxima que el recipiente puede soportar en condiciones seguras, normalmente

coincide con la presin de diseo. Es la mxima presin manomtrica permisible en el tope de
un recipiente colocado en su posicin de operacin, a una temperatura establecida.
La presin mxima de trabajo permisible no se determina normalmente para recipientes
nuevos, pero se usa en recipientes que van a ser redimensionados. Cuando no se realizan los
clculos de dicha presin, la presin de disea puede ser usada como la presin de trabajo
mxima permisible

[7]

. Una prctica comn seguida por muchos usuarios y fabricantes de

recipientes a presin es limitar la presin de trabajo mxima permisible por la resistencia del
cuerpo y los cabezales; y no por elementos pequeos como bridas, boquillas, etc.
4.4

Presin de Tarado

Es la presin a la cual abre la vlvula. Las vlvulas de seguridad no estarn taradas a presin
superior a la de timbre, ni a 1,2 veces la de estanqueidad. Las vlvulas de seguridad

dispondrn del reglamentario precinto como garanta de su correcto tarado. La instalacin de

tales precintos podr realizarse por los fabricantes, instaladores y conservadores-reparadores
frigoristas autorizados. A tal efecto, los fabricantes instaladores y conservadores-reparadores
frigoristas autorizados debern disponer de precintos propios, que debern llevar en el anverso
las siglas de la provincia y se nmero de inscripcin en el registro industrial, pudiendo hacer
figurar otra marca particular en el reverso del mismo.
4.5

Presin de Precinto

Es la presin a la que estn tarados los elementos de seguridad que protegen el recipiente o
sistema. Tambin se denomina timbre cuando se refiere a la presin mxima de servicio y es la
que limita el propio sistema de seguridad.

4.6

Presin de Prueba

Se entender por presin hidrosttica de prueba1. Tambin es conocida como la presin

manomtrica aplicada al equipo durante la prueba hidrosttica. La mnima presin requerida y
la mxima presin permisible para la prueba dependen del cdigo aplicado.
En la figura 2. Se muestra la relacin entre las diversas presiones con respecto a la presin
de diseo.

RECIPIENT

Presin acu
mxima per
Figura 2. Relacin entre las diversas presiones

Acumulaci
n

2.5 CDIGOS Y NORMAS NACIONALES E INTERNACIONALES

El clculo mecnico de un recipiente consiste, bsicamente, en la determinacin de los
espesores de las diferentes partes que lo forman, tomando como datos de partida: la forma del
equipo, sus dimensiones, el material utilizado, las condiciones de presin temperatura, las
cargas

debidas

al

viento

terremoto,

peso

especfico

s i n d e d iseo
reg la

me

ntaci

n,

norm

del

flu

P re

ao

cdigo que debe cumplir el diseo del recipiente. Muchos pases exigen que los equipos a
presin que se instalan en su suelo cumplan unos reglamentos e incluso unas normas de

Margen de
diseo

clculo de obligado cumplimiento. De todas estas normas o cdigos existen algunas que se
han hecho de uso comn en todo el mundo. En Venezuela, estas especificaciones son
derivadas, en gran parte, del ASME (American Society of Mechanical Engineers), cdigo para
calderas y recipientes a presin conocido en la industria como Cdigo ASME. El cual en su
seccin VIII, divisin 1, y seccin VIII, divisin 2, indica los mtodos de clculo, as como los

ido

la

requisitos mnimos exigidos a los materiales, detalles constructivos y pruebas que deben
satisfacer los equipos a presin. An solapndose los campos de aplicacin de ambas
divisiones, en la prctica la divisin 1 se utiliza para el diseo y construccin de equipos
sometidos a vaco, baja, media y alta presin; la divisin 2 se reserva a los equipos de alta y
muy alta presin.
Adems del cdigo ASME, otros pases han generado sus propios cdigos para el diseo,
fabricacin y certificacin de recipientes a presin, a continuacin se enlistan los principales
Cdigos existentes en el mundo:
Tabla 1. Cdigos para el diseo, fabricacin y certificacin de recipientes a presin.
Pases
Alemania Occidental
Estados Unidos de Norteamrica

Cdigos
A. D. Merkblatt Code
A.S.M.E. Code. Section VIII

Inglaterra
Italia
Japn
Japn

Divisin 1 y 2
British Code BS 5500
Italian PressureVessel Code
Japanesse Pressure Vessel Code
Japanesse
Std.
Pressure

Vessel

Construction

2.6.1 Cdigo ASME Para Calderas y Recipientes a Presin

El Cdigo ASME (ao 2007) est compuesto por 11 secciones dedicadas a reglamentar en
forma integral la construccin de calderas, recipientes a presin y reactores nucleares. Esto
incluye los requerimientos de diseo, seleccin de materiales, fabricacin, pruebas, inspeccin
y estampado.
Concretamente en la Seccin VIII del Cdigo se establecen las normas y procedimientos
para la fabricacin de recipientes a presin. Esta Seccin est constituida por tres divisiones
que son:

Divisin 1. Reglas para la Construccin de Recipientes a Presin.

Divisin 2. Reglas Alternativas para la Construccin de Recipientes a Presin

Divisin 3. Reglas Alternativas para la Construccin de Recipientes de Alta Presin.

2.5 ANLISIS DE ESFUERZOS

El anlisis de esfuerzos consiste en la determinacin de la relacin entre las fuerzas externas
aplicadas al recipiente y los esfuerzos correspondientes. El anlisis de esfuerzos es necesario
para determinar el espesor del material y tamaos de las partes del recipiente. No es necesario
encontrar todos los esfuerzos pero si conocer los que gobiernan y como ellos estn
relacionados al recipiente o sus partes respectivas, accesorios y soportes [11].
El primer punto para realizar un anlisis de esfuerzos es determinar todas las condiciones de
diseo para un proyecto determinado y luego determinar todas las fuerzas externas
relacionadas. Se debe relacionar estas fuerzas externas a las partes del recipiente que deben
resistirlas para conseguir los esfuerzos correspondientes. Separando las causas (cargas), los
efectos (esfuerzos) puede ser ms preciso determinarlos [11].
El diseador debe darse cuenta de los tipos de cargas y como ellas afectan el recipiente como
un todo. Como estos esfuerzos con interpretados y combinados, que significado tienen en la
seguridad general del recipiente y que esfuerzos admisibles son aplicados ser determinado
por tres cosas:

La fuerza, utilizada en teora de falla.

Los tipos y categoras de cargas
Los peligros que los esfuerzos representan para el recipiente

2.6 TEORA DEL ANLISIS DE ESFUERZOS DE MEMBRANA EN RECIPIENTES

A PRESIN
Las ecuaciones empleadas en el diseo de recipientes a presin se basan en la teora de los
esfuerzos de membrana que se producen en las paredes del recipiente. Como su nombre lo
indica, el principal propsito de estos recipientes es contener un medio sometido a presin y
temperatura; sin embargo, en el cumplimiento de su funcin estn sujetos a la accin de cargas
estticas y dinmicas por soportera, conexiones de tuberas, expansin trmica y presin
interna y/o externa, que requieren el conocimiento general de los esfuerzos impuestos por
estas condiciones para obtener un diseo seguro, confiable y con larga vida til. Al estar
sometidos a presin, el material del cual est hechos los recipientes soporta una carga desde
todas las direcciones. Cuando estos equipos se construyen de placas en la que el espesor es
pequeo en comparacin con otras dimensiones se pueden considerar como recipientes de
pared delgada o membranas, y como tal ofrecen poca resistencia a la flexin perpendicular a
su superficie, por lo cual en este caso los esfuerzos que se calculan obviando dicha flexin se
conocen como esfuerzos de membrana [12].
Estas membranas son bastante resistentes a las fuerzas que actan en el plano formado por
ellas, pero no ofrecen mucha resistencia a la flexin que se puede generar en el plano
perpendicular a la pared; esta condicin es un hecho deseable en el sentido de que estas
membranas permiten al recipiente deformarse tranquilamente en esta direccin, sin que se
generen grandes esfuerzos en los puntos de discontinuidad como boquillas o cabezales.
De acuerdo a la relacin entre el espesor de sus paredes y dimetro, los recipientes pueden
ser clasificados como de pared delgada o de pared gruesas. Segn el Cdigo ASME, se
consideran recipientes de pared delgada, cuando el cociente entre el espesor de la pared y el
dimetro interior del recipiente es igual o menor a 0,10, mientras menor sea esta relacin,
menor ser el error que hay entre el esfuerzo que se predice por esta teora y el esfuerzo

mximo real en el recipiente. Para determinar si un recipiente es de pared delgada o gruesa se

utiliza la siguiente ecuacin:
tdi0,10

Ec. 2.1

Los recipientes de pared delgada constituyen una aplicacin importante del anlisis de
esfuerzo plano. Como sus paredes oponen poca resistencia a la flexin, puede suponerse que
las fuerzas internas ejercidas sobre una parte de la pared son tangentes a la superficie del
recipiente, es decir, las paredes se comportan como membranas sometidas a tensin.
En cualquier recipiente sujeto a presin interna o externa, los esfuerzos ocurren en la
pared del cuerpo. El estado de esfuerzos es triaxial y los principales esfuerzos son:
x = esfuerzo longitudinal o meridional
= esfuerzo circunferencial o latitudinal
r = esfuerzo radial
Adems pueden existir esfuerzos flexionantes y cortantes. El esfuerzo radial es un
esfuerzo directo, el cual es el resultado de la presin actuando directamente en la pared y causa
un esfuerzo compresivo igual a la presin. En recipientes de pared delgada este esfuerzo es tan
pequeo con los otros esfuerzos principales que es generalmente ignorado. As se asume que
para propsitos del anlisis el estado del esfuerzo es biaxial [11]. A continuacin se mostrar el
anlisis de esfuerzos que se producen por efectos de la presin interna

en recipientes

cilndricos y esfricos de pared delgada:

2.9.1 Recipientes Cilndricos
Considere un recipiente cilndrico de radio interior r y espesor de pared t, que contiene un
fluido a presin, tal como se muestra en la figura 3.

Figura 3. Recipientes cilndricos de pared delgada

Se requiere determinar los esfuerzos presentes ejercidos sobre un pequeo elemento de

pared con lados respectivamente paralelos y perpendiculares al eje del cilindro como se ilustra
en la figura 4, de tal modo que de este cuerpo se asla un segmento haciendo pasar planos
imaginarios perpendiculares y paralelos al eje del cilindro.

Figura 4. Esfuerzos principales

Debido a la simetra axial del recipiente y de su contenido, no se ejercen esfuerzos
cortantes sobre el elemento. En consecuencia, los esfuerzos que pueden existir en las secciones
del elemento solo pueden ser los esfuerzos normales 1 y 2 indicados en la figura 4, siendo
por lo tanto esfuerzos principales. El esfuerzo 1 se conoce como esfuerzo tangencial y se
presentan en los aros de los barriles de madera, por lo tanto tambin son llamados esfuerzos de
aro. El esfuerzo 2 es el esfuerzo longitudinal. Estos esfuerzos, multiplicados por las reas
respectivas en las que actan, mantienen en equilibrio al elemento del cilindro en contra de la
presin interna [13].
Para determinar los esfuerzos tangenciales 1 se retira una porcin de recipiente y su
contenido limitado por un plano imaginario al plano xy y por dos planos, tambin imaginarios,
paralelos al plano yz con una distancia x de separacin entre ellos como se muestra en la
figura 5.

Figura 5. Esfuerzos tangenciales en recipientes de pared delgada

Adems, si el esfuerzo normal medio que se ejerce en la seccin longitudinal es 1, la
fuerza resistida por las paredes del cilindro son las fuerzas paralelas al eje z que actan en el
cuerpo libre. Es decir, consiste en las fuerzas internas elementales (1 dA) en las secciones de
pared y en las fuerzas de presin elementales (p dA) ejercidas sobre la porcin de fluido
incluido en el cuerpo libre. Ntese que p es la presin manomtrica del fluido, es decir, el
exceso de la presin interior sobre la presin atmosfrica exterior. La resultante de las fuerzas
internas 1 dA es igual al producto de 1 y del rea transversal 2tx de la pared, mientras que
la resultante de las fuerzas p dA es el producto de p y el rea 2rx. La ecuacin de equilibrio
se escribe:
FZ=21tx-2prx=0 Ec. 2.2
Resolviendo para el esfuerzo tangencial 1 se obtiene:
1=pt Ec.2.3

La ecuacin anterior es vlida solo en el caso de cilindros de pared delgada, ya que da el

esfuerzo medio en el aro. Se debe tener presente que el grueso de la pared debe ser menor o
igual a 1/10 del radio interno para que la ecuacin anterior tenga validez, el error cometido al
aplicar la Ec. 2.3 ser todava pequeo en la medida que esta relacin sea mayor.
El esfuerzo longitudinal 2 se determina resolviendo un simple problema de fuerzas
axiales, se hace un corte perpendicular al eje x y se considera el cuerpo libre que consta de la
parte del recipiente y de su contenido como se muestra en la figura 6.
Figura 6. Esfuerzos longitudinales en el recipiente
Observando que el rea de la seccin de fluido es r2 y que el rea de la seccin de la
pared corresponde a (2 r t). Se escribe la ecuacin de equilibrio:
Fx=2(2rt)-p(r2)=0 Ec.2.4
Despejando para el esfuerzo longitudinal 2 se obtiene:
2=pr2t Ec.2.5
Se observa en las ecuaciones 2.3 y 2.5 que el esfuerzo circunferencial 1 es el doble del
esfuerzo longitudinal 2, por lo tanto se tiene que:
1=22 Ec.2.6
En la figura 7 se dibuja el crculo de Mohr por los puntos A y B, que corresponden
respectivamente a los esfuerzos principales 1 y 2, y recordando que el mximo esfuerzo
cortante en el plano es igual al radio del crculo y se tiene:
max(en el plano)=122=pr4t Ec.2.7

Figura 7. Crculo de Mohr para un cilindro

El esfuerzo de la ecuacin 2.7 corresponde a los puntos D y E y se ejerce sobre un

elemento obtenido mediante la rotacin de 45 del elemento original de la figura 7, dentro del
plano tangente a la superficie del recipiente. El esfuerzo cortante mximo en la pared del
recipiente, sin embargo, es mayor. Es igual al radio del crculo de dimetro OA y corresponde
a una rotacin de 45 alrededor de un eje longitudinal y fuera del plano de esfuerzo, se tiene:
max=2=pr2t Ec.2.8

2.9.2

Recipientes Esfricos

Considrese ahora un recipiente esfrico, de radio interior r y espesor de pared t, que contiene
un fluido bajo presin manomtrica p. Obsrvese en la figura 8 que, por simetra, los esfuerzos
en las cuatro caras de un elemento pequeo de pared deben ser iguales.

Figura 8. Esfuerzos en las caras del elemento.

Por lo tanto se tiene:
1=2= Ec.2.9
A fin de hallar los esfuerzos en un recipiente esfrico, se realiza un corte a travs de la
esfera segn un plano diametral (figura 9a) y se asla la mitad del cascarn junto con su
contenido de fluido como cuerpo libre como se muestra en la (figura 9b). Sobre este cuerpo
libre actan los esfuerzos de tensin en la pared del recipiente y la presin p del fluido. La
presin acta en sentido horizontal contra el rea circular plana de fluido que permanece
dentro del hemisferio

[13]

. Puesto que la presin es uniforme, la fuerza resultante de la presin

(P) es:
P=pr2 Ec.2.10
Donde, r corresponde al radio interno de la esfera y p a la presin manomtrica.

Si las presiones interna y externa son las mismas, ningn esfuerzo se desarrolla en la
pared del recipiente, por lo tanto, slo el exceso de la presin interna sobre la presin externa
tiene efecto sobre esos esfuerzos.

Figura 9. Esfuerzos de tensin en la pared de un recipiente esfrico a presin

Debido a la simetra del recipiente y su carga, el esfuerzo de tensin es uniforme
alrededor de la circunferencia; adems como la pared es delgada, se puede suponer con buena
precisin que el esfuerzo est uniformemente distribuido a travs del espesor t. La precisin de
esta aproximacin aumenta conforme el cascarn se vuelve ms delgado y decrece conforme
se incrementa el espesor [13]. Para un recipiente esfrico, la ecuacin de equilibrio es:
1=2=pr2t Ec.2.11
En la figura 10, se puede visualizar que los esfuerzos principales de igual intensidad
actan en los elementos esfricos cualquiera que sea la inclinacin del elemento. Esto significa
que sin que importe la inclinacin del plano en el elemento estudiado, el esfuerzo normal
permanece constante y no existen esfuerzos cortantes.

Figura 10. Recipientes esfricos a presin

Como los esfuerzos principales 1 y 2

son iguales, el crculo de Mohr para la

transformacin de esfuerzos, dentro del plano tangente a la superficie del recipiente, se reduce
a un punto (figura 10).
Se concluye que el esfuerzo normal en el plano es constante y que el esfuerzo cortante
mximo en el plano es cero. El mximo esfuerzo cortante en la pared del recipiente, sin
embargo, no es cero; es igual al radio del crculo de dimetro OA y corresponde a una rotacin
de 45 fuera del plano de esfuerzo. Se tiene:
max=121=pr4t Ec.2.12

Figura 11. Crculo de Mohr para una esfera

Para los mismos valores de presin interna, dimetro y espesor de pared, el esfuerzo
mximo en un recipiente esfrico es aproximadamente la mitad del esfuerzo mximo que se
presenta en uno cilndrico.

2.4 TEORA BSICA DE COMPENSACIN DE REAS EMPLEADA EN EL

DISEO DE ABERTURAS Y BOQUILLAS EN RECIPIENTES A PRESIN
Las aberturas en recipientes a presin son muy frecuentes y necesarias, ms si el equipo forma
parte de un proceso en el que hay salida y entrada de diversos flujos hacia y desde el interior
del recipiente en cuestin.
En la figura 12, se puede ver la distribucin del esfuerzo en la cercana de una abertura
circular pequea de radio a, la cual se encuentra en una placa que est sujeta a la accin de un
esfuerzo de tensin en la direccin del eje polar = 0.

Figura 12. Abertura sobre placa plana sujeta a tensin

Estos esfuerzos vienen dados por las ecuaciones:

r=21-a2r2+21+3a4r4-4a2r2cos2 Ec.2.13
t=21+a2r2-21+3a4r4cos2 Ec.2.14
tr=-21-3a4r4+2a2r2sen2 Ec.2.15
Sobre la circunferencia de la abertura se tiene que:
r=a
r=0
t=(1-2cos2)
tr=0
El esfuerzo tangencial es mximo en el punto =/2 y en el punto =3/2 localizados
sobre la circunferencia de la abertura y en el eje perpendicular a la direccin de la tensin
aplicada; en estos puntos se tiene entonces t=3. Por otra parte, cuando r=a y =0 =180
se tiene entonces t=-. De este modo se puede apreciar que una abertura pequea en una
placa sujeta a tensin en una direccin determinada, como por ejemplo por efecto de una
presin interna, causa un aumento en los esfuerzos en la vecindad de la abertura hasta un valor
mxima de tres veces el esfuerzo promedio que se tiene en la placa continua [12].
A pesar de que la teora exacta se basa en aberturas pequeas en placas infinitas, en la
prctica se ha podido apreciar que los efectos de una abertura pequea son muy limitados y
estos se desvanecen con rapidez; por lo tanto, para propsitos prcticos las ecuaciones 2.13,
2.14 y 2.15 pueden ser empleadas en placas que tengan una dimensin 5 veces mayor al
dimetro del agujero.
Por otra parte, es obvio que al realizar una abertura en el cuerpo del recipiente, se est
retirando una parte del material que lo conforma, debilitando as la estructura del recipiente. El
cdigo ASME propone una metodologa de clculo que se basa en el principio de
compensacin de reas, es decir, se busca que el rea aportada por la conexin de la boquilla
compense aquella que es retirada al realizar la abertura. Lo que se busca es que el efecto de los
esfuerzos (carga entre rea) sobre los bordes de la abertura sea compensado por el rea que se
aade al instalar la boquilla. En caso de que esta rea aportada no sea suficiente, se
considerar la opcin de instalar un soporte anular de refuerzo que rigidice la seccin crtica,

buscando que de este modo se mantenga la integridad del recipiente. A continuacin se detalla
dicha metodologa de clculo empleada en la prctica.
2.10.1 Espesor del cuello de boquilla
De acuerdo con el prrafo UG-45 del Cdigo ASME, el mnimo espesor requerido para el
cuello de la boquilla, no deber ser menor que el mayor valor de los siguientes:
2.10.2 Por UG-45.a
El espesor del tubo se debe calcular para todas las cargas aplicables segn el prrafo UG-22
del cdigo. Dado que todas las boquillas estn hechas de tubos, stas se calculan como si
fueran recipientes a presin cilndricos mediante la aplicacin de la ecuacin 2.8, en este caso
se deben emplear las dimensiones corrodas de la boquilla, as como las propiedades
mecnicas del material del componente.
2.10.3 Por UG-45.b
El espesor de la boquilla no debe ser menor que el ms pequeo de los siguientes;
2.10.3.1 Para recipientes sometidos a presin interna, el espesor del cabezal o cuerpo
(dependiendo del componente al que est conectada la boquilla) necesario para soportar la
presin interna ms el margen por corrosin, pero que en ningn caso deber ser menor a 1/16
para recipientes soldados
2.10.3.2. Para recipientes sometidos a presin externa, el espesor del cabezal o cuerpo
(dependiendo del componente al que est conectada la boquilla) necesario para soportar la
presin interna equivalente ms el margen por corrosin, pero que en ningn caso deber ser
menor a 1/16 para recipientes soldados.
2.10.3.3 Para recipientes sometidos a la accin conjunta de presin interna y externa se
debe elegir el espesor mayor determinado en 2.10.3.1 y 2.10.3.2
2.10.3.4 El espesor mnimo de la pared del tubo Standard, sin considerar la tolerancia de
fabricacin (12,5%), ms el margen de corrosin.

Una vez calculados los espesores requeridos por UG-45.a y UG-45.b se elige el mayor de
estos como valor mnimo requerido por la boquilla.
2.10.4

Requerimientos Mnimos de Soldadura para Adjuntar Boquillas

Se considera que la soldadura que une la boquilla al cuerpo del recipiente es de penetracin
completa, por lo que el refuerzo que aporta dicha soldadura se considera parte integral del
cuerpo del equipo, tal y como se muestra en la figura 13.

Figura 13. Junta soldada de boquillas al cuerpo del tipo integral (Figura UW-16.1 ASME)
El procedimiento para dimensionar las soldaduras de las boquillas consiste en lo
siguiente:
1) Primero se calcula tmin=menor (3/4, espesor corrodo de la seccin ms delgada de la
junta).
2) Luego se procede a calcular tc=menor (1/4, 0,7tmin) como el mnimo espesor requerido
por la soldadura.
3) Se selecciona por exceso un cordn de soldadura estndar para facilitar la fabricacin
del componente,
A travs de este procedimiento se obtiene una soldadura fuerte y confiable para evitar
posibles fugas por la boquilla. Mencin aparte debe hacerse a la inspeccin que se realiza a
estas uniones soldadas, ya que al ser a filete no pueden ser examinadas radiogrficamente, sino

nicamente por inspeccin visual y su integridad se pone a prueba con la

realizacin de la prueba hidrosttica.
En caso de que el rea provista por este tipo de conexin no sea suficiente
para compensar el rea retirada al abrir el agujero de la boquilla, se debe colocar
un refuerzo por separado que es colocado en la parte externa de la superficie del
recipiente, el cual es soldado tanto en la pared del equipo como a la pared de la
boquilla, tal como se muestra en la figura 25.

Figura 14. Junta soldada de boquillas al cuerpo que requieren de

refuerzo adicional

Cuando se coloca una placa anular de refuerzo externa, la junta de la boquilla

y el cuerpo del recipiente no pueden considerarse de tipo integral, en cuyo caso se
debe disear considerando una concentracin de esfuerzos de la junta para
garantizar un desempeo confiable de operacin.
2

2.11 FALLAS EN RECIPIENTES A PRESIN

Las unidades de equipo de proceso pueden fallar en servicio por diversas razones. Las
consideraciones por tipo de falla que pueda presentarse es uno de los criterios que deben
usarse en el diseo del equipo. La falla puede ser el resultado de una deformacin plstica

excesiva o elstica o por termo fluencia. Como un resultado de tal deformacin el equipo
puede fallar al no realizar su funcin especfica sin llegar a la ruptura [11].
Las fallas en recipientes a presin pueden ser agrupadas en cuatro grandes categoras, las
cuales describen el porqu una falla ocurre en el recipiente. Las fallas tambin pueden ser
agrupadas entre tipos de fallas, las cuales describen el cmo ocurre la falla

[11]

. Cada falla tiene

su cmo y porqu para su historia. sta puede haber fallado a travs de fatiga por corrosin
debido a la seleccin de un material equivocado. El diseador debe estar familiarizado con las
categoras y tipos de falla as como con las categoras y tipos de esfuerzos y cargas. Al fin y al
cabo todas ellas estn relacionadas.

2.11.1 Categoras de fallas

Material. Inadecuada seleccin del material, defectos en el material.

Diseo. Data de diseo incorrecta, mtodo de diseo inexacto o incorrecto.

Fabricacin. Pobre calidad de diseo, procedimientos de fabricacin inadecuado o

insuficiente incluyendo soldaduras.
Servicio. Cambios en las condiciones de servicio por el usuario. Operadores inexpertos
o personal de mantenimiento.
2.11.2 Tipos de fallas
Deformacin elstica. Es un fenmeno asociado con las estructuras que tienen limitada
su rigidez y estn sujetas a compresin, flexin, torsin, combinacin de tales cargas.
La inestabilidad elstica es una condicin de la cual la forma de la estructura es
alterada como resultado de rigidez insuficiente.
Fractura. Es cuando el material del recipiente se fragmenta, puede ocurrir a bajas o
medianas temperaturas. Las fracturas han ocurrido en recipientes hechos de bajo acero
de carbono en un rango de 40-50F durante la prueba hidrosttica cuando existen
defectos menores.
Inestabilidad plstica. El criterio de mayor uso para el diseo de equipo es aquel que
mantiene los esfuerzos inducidos dentro de la regin elstica del material de
construccin con el fin de evitar la deformacin plstica como resultado de exceder el
punto de cedencia. La inestabilidad plstica ocasiona tensiones cclicas acumulativas
que pueden ocasionar la inestabilidad del recipiente por deformacin plstica.
Esfuerzo por corrosin. Es bien sabido que sustancias cloradas causan esfuerzos por
corrosin agrietando el acero inoxidable, igualmente los servicios custicos pueden
causar esfuerzos por corrosin agrietando aceros de carbono. La seleccin del material
es crtica en estos servicios.

 Fatiga por corrosin. Ocurre cuando efectos corrosivos y fatigas ocurren

simultneamente. La corrosin puede disminuir la duracin de la fatiga socavando la
superficie y propagando las grietas.
Conociendo estos varios modos de fallas, el diseador debe tener a su disposicin un
bosquejo del estado de esfuerzos en las distintas partes del recipiente. Es en contra de estos
modos de falla que el diseador debe comparar e interpretar los valores de esfuerzos.
Determinando el esfuerzo admisible no es suficiente. Para la inestabilidad plstica se debe
considerar la geometra, rigidez y las propiedades del material. La seleccin del material es
una de las mayores consideraciones relacionadas con el tipo de servicio. Detalles de diseo y
mtodos de fabricacin son tan importantes como el esfuerzo admisible en el diseo de
recipientes para servicios cclicos. El diseador y todas aquellas personas que definen el
diseo deben tener una imagen clara de las condiciones bajo las cuales el recipiente va a
operar.
2.12 COMPONENTES ESTRUCTURALES DE SOPORTES
Los recipientes a presin, normalmente se soportan y, eventualmente se cuelgan, mediante
diversos tipos de estructuras, que se suelen agrupar en silletas, zcalos cilndricos, abrazaderas
colgantes, vigas circunferenciales y columnas integradas.
Los elementos estructurales deben facilitar soporte, refuerzo y estabilidad, al recipiente a
presin, y tienen que estar rgidamente unidos mediante soldadura o remachado. Se pueden
considerar otros tipos de ligamentos, como:

Ligaduras indirectas, que utilizan abrazaderas, pasadores y grapas.

Ligaduras que estn completamente desligadas, capaces de transferir las cargas

a travs de superficies de rodadura o de friccin.

Las cargas aplicadas a componentes estructurales se clasifican en tres grupos:

Cargas muertas, que son las que la gravedad ejerce sobre el equipo y sus

estructuras soporte.

Cargas vivas, que varan en magnitud y a veces en ubicacin, se tienen en

cuenta para computar las mximas tensiones exigibles en el diseo.

Cargas transitorias, que dependen del tiempo; raramente se presentan durante la

vida de los componentes estructurales.

Las cargas especficas que se consideran en el diseo de cualquier estructura soporte de
un componente a presin, comprenden:

Peso de componentes y de su contenido, en operacin y en ensayo, incluyendo

las cargas debidas a otros factores como la altura esttica, la altura dinmica y el flujo
de fluido.

Peso de los elementos componentes del soporte.

Cargas superpuestas, estticas y trmicas, inducidas por los componentes

soportados

Cargas medioambientales, debidas al viento y nieve.

Cargas dinmicas, que incluyen las provocadas por terremotos, vibraciones y

cambios bruscos de presin.

Cargas debidas a expansiones trmicas de tuberas y a expansiones o

contracciones inducidas por la presin.

Cargas debidas a instalaciones de anclajes de componentes.

2.13 EFICIENCIA DE JUNTAS SOLDADAS EN RECIPIENTES A PRESIN

FABRICADOS POR MTODOS DE SOLDADURA
La mayora de los recipientes a presin son construidos a partir del ensamblaje de partes y/o
secciones que han sido prefabricadas o subensambladas, tales como cilindros, cabezales, etc.,
mediante juntas soldadas para as formar la estructura del recipiente en s; posteriormente a
sta estructura se le adjuntan por mtodos de soldadura igualmente las conexiones, boquillas o
aberturas que son requeridas por el equipo. Slo aquellos cierres que sern removidos
frecuentemente, ya sea por servicio, inspeccin o mantenimiento, son unidos con pernos y
tuercas para que as el nmero de cierres mecnicos con empacaduras sea mnimo y tener de
este modo una mayor superficie de la estructura a prueba de fugas. Este hecho hace que los
efectos de soldaduras en el diseo de recipientes a presin sea un elemento importante en el
clculo mecnico de estos equipos dadas las concentraciones de esfuerzo que se generan en la

estructura del recipiente [14]. Estas concentraciones de esfuerzo por juntas soldadas se producen
por las siguientes razones:

 Por la diferencia de la estructura metalrgica del material de aporte con respecto al

material base.
Por defectos en la soldadura como porosidades, incrustaciones de escoria, o rupturas
por encogimiento.
Por la geometra del perfil del cordn de soldadura como filetes, soldaduras a tope, o
transiciones, as como tambin por el acabado superficial posterior a la soldadura.
Dada la importancia de las soldaduras en la construccin y diseo de los recipientes, el
Cdigo ASME introduce las variable E como la eficiencia de de junta en la ecuacin 2.8
para el clculo de espesor del recipiente cilndrico. Esta variable toma en consideracin los
tres factores anteriormente descritos, junto con el nivel de inspeccin radiogrfica que se
realiza a la junta en consideracin, as como la localizacin de dicha soldadura en la estructura
del recipiente, para as definir la capacidad o confiabilidad que tiene la soldadura para resistir
los efectos de las cargas bajo las cuales estar sometida. Esta variable puede tener alguno de
los siguientes valores:
E =1 para radiografiado total
E = 0,85 para radiografiado aleatorio
E = 0,70 para equipo sin radiografiado.
El cdigo ASME modifica la ecuacin 2.8 para el clculo del espesor del recipiente y as
obtener de ese modo un diseo ms seguro y confiable. Quedando la ecuacin de la siguiente
manera:
t=PRSE-0,6P Ec.2.20
Donde:
t = espesor mnimo requerido (in)
P = presin de diseo (psi)
R = radio interno (in)
S = esfuerzo mximo permisible (psi)
E = eficiencia de las soldaduras
La ecuacin 2.20 es la ecuacin modificada por el Cdigo ASME, la cual est
especificada en el prrafo UG-27 del cdigo y que da como resultado un espesor mayor al que
se obtiene por la ecuacin terica 2.8 pues considera un factor de seguridad de (0,6P) que hace

que el denominador de la ecuacin anterior sea menor, y por lo tanto se tenga un espesor ms
grueso. Adicionalmente introduce los efectos de la soldadura en el ensamblaje del recipiente al
considerar la eficiencia de junta soldada E. Al introducir esta variable se obliga a que el
espesor obtenido sea mayor al calculado por la teora de pared delgada en la ecuacin 2.8.

2.14 EFECTOS DE VIENTOS Y SISMOS SOBRE LA ESTRUCTURA DE

RECIPIENTES A PRESIN
El procedimiento de diseo tiene como norma que estas condiciones ambientales no actan de
manera conjunta sino por separado, es decir o se tienen cargas de viento o se tienen cargas
ssmicas actuando sobre el recipiente.
2.14.1 Calculo de Cargas Generadas por Accin del Viento
El diseo se hace siguiendo la norma ASCE (7-98) American Society of Civil Engineers
para el diseo de estructuras de forma simtrica y regular y que no cuentan con caractersticas
especiales de respuesta para contrarrestar los efectos del viento. De acuerdo a esta norma, la
fuerza ejercida por el viento sobre la superficie de una estructura se calcula como:
F=qzGCfAf

Ec.21

Donde:
qz=0,00256kzkztkdV2I (lbs/ft2) presin de Velocidad V a una altura Z
kd=1

Factor de direccin del viento para estructuras abiertas

kz

Coeficiente de exposicin de la presin de velocidad del viento, en funcin de la

categora de exposicin de la estructura D para reas planas sin obstculos y
expuestas al viento circulando sobre la superficie del agua

kzt

Factor topogrfico de la regin en la que se ubica la estructura

Velocidad mxima del viento

I=1

Factor de importancia para estructuras petroqumicas que presentan poco peligro

para la vida humana.

Efecto de las rfagas para una categora de exposicin D y a una altura Z

Cf=0,8 Coeficiente de fuerza total o factor de forma para estructuras cilndricas.

Af

rea proyectada de contacto

La ecuacin 2.21 da como resultado la fuerza resultante por la accin del viento de

acuerdo a las caractersticas del sitio en el que est ubicado el recipiente. Esta fuerza acta
sobre la punta de la torre, por lo que al ser trasladada a la base es la misma, se transforma en
un sistema de cargas equivalente de fuerza y momento.
2.14.2 Clculo de cargas generadas por la accin de sismos
Los clculos se basan en el mtodo de diseo expuesto en la norma UBC-1991 Uniform
Building Code, en el que se considera que las condiciones de carga sobre el recipiente son
similares a las de una viga en voladizo con una carga que se incrementa uniformemente hacia
el extremo libre. Este sistema de cargas se plantea como una fuerza cortante distribuida sobre
la longitud del recipiente y un momento de volcamiento que acta sobre las bases de la
estructura.
La carga cortante total que acta sobre el recipiente se calcula como:
V=ZICRWW Ec.2.22

Donde
C=1,25ST23

Coeficiente Numrico que no debe ser mayor a 2,75.

T=0,035H34 (seg)

Perodo fundamental de vibracin de la estructura

Altura de la estructura

Coeficiente de las caractersticas del suelo en el sitio. S=2 Lecho

marino con ms de 40 ft de arcilla suave (valor mximo)

Rw

Coeficiente numrico de forma. Rw =4 para recipientes a presin

cilndricos.

I=1

Factor de importancia para estructuras petroqumicas que presentan

poco peligro para la vida humana.

Peso total de la torre.

La carga cortante que acta sobre el tope de la estructura se calcula como:
FT=0,07TV (lbs)
FT No debe ser mayor a 0,25V y en caso de que T 0,7 entonces FT ser cero.
El momento de volcamiento mximo ocurre en la base del recipiente y viene dado por:
M=FTH+V-FT23H (lbs in)
El momento de volcamiento a una distancia X del tope de la estructura se calcula por las

expresiones:
M=FTX (lbs in); para X H/3
M=FTX+V-FTX-H3 (lbs in); para X H/3
El cortante en la base es la fuerza horizontal ssmica total actuando en la base de la
estructura, sobre la cual se tiene una distribucin triangular de fuerzas. Una porcin, FT, de la
fuerza horizontal ssmica total acta sobre el tope del recipiente, mientras el resto se distribuye
a lo largo de la longitud del mismo.

2.15 ESFUERZOS TRMICOS

En un recipiente a presin de pared delgada, un elemento de material est sujeto a esfuerzos de
tensin en dos dimensiones perpendiculares, de modo que aparecen deformaciones 1 y 2,
midiendo stas en las direcciones 1 y 2 se pueden calcular los esfuerzos S 1 y S2, de la siguiente
forma:

S1=E1+v21-v2 S2=E2+v11-v2 Ec.2.25

Donde:
v = relacin de Poisson
E = mdulo de elasticidad
La restriccin de la expansin o contraccin debida a un cambio de temperatura da como
resultado una induccin de esfuerzos trmicos. La mayora de las condiciones de servicio de
recipientes a presin involucra una restriccin en dos dimensiones; en este caso,
1=2=-(T2-T1). Entonces reemplazando en las ecuaciones 2.25 se tiene que los esfuerzos
mximo que se pueden inducir son:
S1=S2=-(T2-T1)1-=-T1-
Donde:
S1 y S2 = esfuerzos principales mximos que se pueden inducir por restriccin de
contracciones trmicas.
T2 y T1 = temperatura nueva y temperatura inicial respectivamente.
Un esfuerzo trmico puede causar una falla por fluencia, o una falla por fatiga por ciclos
trmicos. Las expansiones trmicas tambin pueden volver una estructura inoperante debido a
distorsiones o deflexiones excesivas, por ejemplo, con rotores de turbinas. Para reducir los
esfuerzos inducidos por gradientes trmicos se acostumbra a realizar un calentamiento o
enfriamiento gradual para evitar dao trmico en cuerpos de calderas, rotores de turbinas y
otros equipos de procesos.
Cuando en un recipiente se introducen o se descargan fluidos se pueden inducir esfuerzos
trmicos de fatiga en las toberas, debido a una variacin de temperatura en relacin con la
inicial del material del recipiente. Cuando los gradientes de temperatura son pequeos no se
presentan problemas en el material del recipiente, pero con una variacin excesiva y recurrente
los esfuerzos trmicos inducidos pueden causar una falla por fatiga. La variacin admisible de
temperatura se puede estimar suponiendo que el cambio cclico de temperatura induce un
esfuerzo cclico de temperatura induce un esfuerzo cclico igual al esfuerzo alterno admisible
de fatiga.

2.16 CORROSIN
Los recipientes o partes de los mismos que estn sujetos a corrosin, erosin o abrasin
mecnica deben tener un margen de espesor para lograr la vida deseada, aumentando
convenientemente el espesor del material respecto al determinado por las frmulas de diseo,
o utilizando algn mtodo adecuado de proteccin.
Las normas no prescriben la magnitud del margen por corrosin excepto para recipientes con
espesor mnimo requerido menor de 0,25 in que han de utilizarse para servicio de vapor de
agua, agua o aire comprimido, para los cuales se indica un margen de corrosin no menor de
la sexta parte del espesor de placa calculado. No es necesario que la suma del espesor
calculado ms el margen por corrosin exceda de pulgada. (Norma UCS-25)
Para otros recipientes en los que sea predecible el desgaste por corrosin, la vida esperada del
recipiente ser la que determine el margen y si el efecto de la corrosin es indeterminado, el
margen lo definir el diseador

[15]

. Un desgaste por corrosin de 5 milsimas de pulgada por

ao (1/16 in en 12 aos) generalmente es satisfactorio para recipientes y tuberas.

La vida deseada de un recipiente es una cuestin econmica. Los recipientes principales o
mayores se disean generalmente para una vida larga de servicio (15 a 20 aos), mientras que
los secundarios o menores para perodos ms cortos (8 a 10 aos).
No necesita aplicarse el mismo margen por corrosin a todas las partes. Existen varios
mtodos diferentes para medir corrosin, el ms simple consiste en taladrar agujeros de prueba
o indicadores de corrosin (Prrafo UG-25.c).
De acuerdo con el Cdigo ASME, los recipientes sujetos a corrosin debern tener una
abertura de purga y debern ser provistos con abertura de inspeccin.
La seleccin del material adecuado es de vital importancia para brindar cierto grado de
seguridad particularmente cuando puede producirse una falla debida a corrosin, que origine
una situacin peligrosa o se traduzca en tiempo muerto costoso.
2.16.1 Seleccin del material

La seleccin de materiales se refiere a la seleccin y empleo de materiales resistentes a la

corrosin, tales como: acero inoxidable, plsticos y aleaciones especiales que alarguen la de
vida til de una estructura. Los materiales a ser utilizados en recipientes a presin deben ser
seleccionados a partir de las especificaciones de material aprobadas por el Cdigo ASME.
Este requerimiento no es un problema ya que est disponible un extenso catlogo de tablas
enlistando materiales aceptables. Los factores que necesitan ser considerados para elegir una
tabla apropiada son: costo, condicin de servicio (desgaste, corrosin, temperatura de
operacin), disponibilidad y requerimientos de resistencia [15].
2.16.2 Registros
Todos los recipientes sujetos a presin que contengan aire comprimido y aquellos sometidos a
corrosin interna, erosin o abrasin mecnica, deben proveerse de un registro para hombre,
un registro para la mano u otras aberturas de inspeccin para ser revisados y limpiados.
Los registros de inspeccin deben ser de preferencia circulares, elpticos u oblongos

[16]

. Un

registro oblongo es formado por dos lados paralelos y extremos semicirculares. La abertura
para un tubo o una tobera circular cuyo eje no sea perpendicular a la pared o cabeza de
recipiente, puede tomarse para fines de diseo como registro elptico[16]. Los registros que
aparecen en la tabla 3 se han seleccionado de las opciones permitidas por el Cdigo ASME.
Tabla 3. Registros de inspeccin de acuerdo al dimetro del recipiente
Dimetro interno del recipiente

Registro

de

inspeccin

requerido
Mayor de 12 in y menor de 18 Dos aberturas con tubo roscado de 1 in de
in.
Desde 18 in hasta 36 in.

dimetro.
Registro de hombre con un mnimo de 15 in
de dimetro interno o dos aberturas con tubo

Mayor de 36 in.

roscado de 2 in de dimetro.
Registro de hombre con un mnimo de 15 in
de dimetro interno o dos boquillas con tubo
de 6 in de dimetro.

No se requieren registros de inspeccin cuando:

En recipientes de 12 in de dimetro o menores, si tiene por lo menos dos conexiones

removibles para tubos de de pulgada, como mnimo.
En recipientes de ms de 12 in de dimetro interior que se van a instalar de manera que puedan
desconectarse de un arreglo para permitir su inspeccin, si tienen por lo menos dos conexiones
para tubo removibles no menores de 1 de pulgada.
En recipientes de ms de 12 in de dimetro interior sujetos a presin interna de aire que
tambin contengan otras sustancias que impidan la corrosin, siempre que el recipiente tenga
aberturas adecuadas por la que se pueda hacer conveniente su inspeccin.
En recipiente (no mayores de 36 in de dimetro interno) provistos de agujeros de aviso (como
mnimo un agujero por cada 10ft2) que cumplan con las disposiciones de la norma, que estn
sometidos solo a corrosin y que no para uso con aire comprimido.

2.17 DISEO DE RECIPIENTES A PRESIN

En el diseo de recipientes a presin se abarcan diferentes etapas, entre las cuales se
encuentran el desarrollo del diseo conceptual, del diseo bsico y del diseo de ingeniera
detalles.
El diseo conceptual constituye la etapa inicial donde se definen los datos iniciales de un
diseo preliminar, mediante la evaluacin de las distintas alternativas de solucin, en base a
ciertos criterios elegidos para demostrar su facilidad tcnica-econmica, adems de su
rentabilidad. En el desarrollo del diseo conceptual para un recipiente sometido a presin se
debe construir un esquema de la informacin que se tiene para el diseo. A esquema se le
denomina esquema conceptual. Al construir el esquema, los diseadores descubren el
significado de los datos de diseo, es decir, se comprenden los datos independientemente de su
representatividad fsica y la aplicacin de cada uno de los datos.
El diseo bsico comprende la informacin necesaria para evaluar definitivamente el
diseo. Se procede a dimensionar el recipiente y especificar los materiales, basndose en los

datos obtenidos en el diseo conceptual. En esta etapa del diseo se especifican los clculos a
realizar y el procedimiento que se debe seguir para realizarlos.
Despus de desarrollar los clculos del diseo, deben ser sometidos a la aprobacin
definitiva de la industria petrolera y proseguir con la etapa del diseo de detalles. En el diseo
de detalles se especifica toda la informacin obtenida del diseo bsico, no obstante, al
iniciarse esta etapa, se debe realizar una revisin, a fin de adecuar el diseo a posibles nuevas
exigencias o algn redimensionamiento. De manera que se presenta toda la informacin
necesaria para llevar a cabo la procura de los materiales y la construccin del diseo y
finalmente realizar el montaje y puesta en operacin del recipiente a presin.
2.17.1 Ingeniera Conceptual
Por lo general, en esta etapa se determinan las condiciones de operacin, y se obtiene
informacin relacionada con los flujos a manejar. Adicionalmente, se estiman algunas
dimensiones preliminares del recipiente. Entre los aspectos a tratar en esta etapa del proyecto
se tienen:

Presin de operacin.

Temperatura de operacin.

Caractersticas de los fluidos a ser manejados.

Propiedades de los fluidos en diferentes fases.

Flujos de entrada y salida de las diferentes fases.

Capacidad estimada del recipiente.

Dimensiones estimadas del tanque.

Especificar los elementos internos necesarios.

Ubicacin preliminar de las boquillas de proceso.

Datos referentes a la ubicacin de la instalacin, con el objeto de determinar

informacin atmosfrica y movimientos ssmicos.
Determinar el dimetro de las lneas de proceso a las cuales est integrado el
recipiente.

Especificar el rango de operacin del recipiente.

Determinar la necesidad del control del proceso mediante instrumentos e indicadores.

 Determinar la ubicacin del recipiente relativa a otros equipos (diagrama de flujo de

procesos).
2.16.2 Ingeniera Bsica
En esta etapa se realiza el dimensionamiento de cada uno de los componentes internos y
equipos que constituyen el recipiente. En base a los resultados de la etapa conceptual, se
contemplan las siguientes actividades:

Seleccin de configuracin del recipiente.

Clculo del dimetro y la longitud (o altura) del recipiente.

Clculo del dimetro de las boquillas de proceso.

Determinar las dimensiones y soportes de los dispositivos internos.

Estimacin de los efectos de corrosin del fluido sobre el recipiente para determinar
tolerancias por corrosin.
Seleccin de materiales en funcin del fluido a ser manejado y de la resistencia de
materiales.

Diseo de soldaduras.

Clculo de espesores de pared de cuerpo y cabezales en base a todas las cargas que
afecten al recipiente.

Determinar la ubicacin y dimetro de las boquillas de instrumentacin.

Seleccin de boquillas de inspeccin.

Clculo de soportes (faldn o silla).

Elaboracin de hoja de datos del recipiente. Este documento debe contener al menos la
siguiente informacin:

Esquema del recipiente. Acotando dimensiones principales y ubicando boquillas y

accesorios importantes.

Datos de las condiciones de operacin y diseo

Materiales seleccionados.

Especificaciones de preparacin de superficies.

Nmero y caractersticas de boquillas.

Elaboracin de especificaciones generales y particulares de construccin.

2.16.2 Ingeniera de Detalle

La elaboracin de los planos de detalle y la ubicacin de los componentes y equipos, son las
tareas que caracterizan esta fase. En ellos se especifican la ubicacin exacta de las boquillas
del recipiente. Adems se elaboran los planos de las instalaciones elctricas, para determinar la
fuente de alimentacin de los equipos, as como, los planos de las instalaciones mecnicas,
para especificar las conexiones con los mismos. En los planos se deben detallar los siguientes
tems:

Datos de diseo y condiciones de operacin.

Dibujo a escala del recipiente con todos sus detalles: espesores de pared,
recubrimientos internos y externos, ubicacin de internos, tipos de soldaduras,
ubicacin exacta de las boquillas, etc.
Detalles de las boquillas: incorporando proyecciones internas y externas, dimensiones
de refuerzos, etc.

Detalles de soportes.

Detalles de escaleras y plataformas.

Tratamiento trmico y ensayos no destructivos.

2.16.2 Procura
Se recomienda comenzar la etapa de procura justo despus de la ingeniera bsica siempre que
el tiempo de fabricacin de los equipos afecte el tiempo de construccin de la instalacin
completa. Las siguientes actividades a desarrollar son:
Solicitud de cotizaciones a fabricantes. La base para esta solicitud la conforman la hoja
de datos y las especificaciones generales y particulares de construccin.

Anlisis tcnico de cotizaciones.

Emisin de orden de compra a la empresa seleccionada con todos los documentos

generados en la ingeniera. Hojas de datos, especificaciones de construccin y planos
de diseo.

Inspeccin de la fabricacin hasta su finalizacin.

2.16.2 Fabricacin
Los materiales sern especificados por el comprador y su designacin deber aparecer en los
dibujos de taller. No se har sustitucin alguna de materiales especificados sin previa
autorizacin escrita del comprador. El procedimiento de soldadura y los registros de
calificacin de los soldadores del fabricante debern ser sometidos a aprobacin al recibo de
pedido. No se efectuar soldadura alguna antes de que el procedimiento de soldadura y la
calificacin sean aprobados por el comprador.
. La empresa seleccionada para la construccin realiza las siguientes actividades:
Revisin de clculos y elaboracin de planos de taller del recipiente. Ambos
documentos son enviados al cliente o a su representante para su revisin y aprobacin.

Procura de materiales.

Construccin del recipiente.

Corte y rolado de planchas del cuerpo.

Preparacin y armado de boquillas, soportes, escaleras, etc.

Soldadura de virolas

Instalacin de boquillas.

Pintura interna.

Soldadura carcasa cabezales.

Montaje de soportes, orejas, escaleras, etc.

Inspeccin de la fabricacin en, cada una de sus etapas: chequeo de materiales

y dimensiones, radiografa de soldaduras, etc.

Preparar recipiente y realizar prueba hidrosttica.

Pintura externa.

Transporte al sitio de la obra.

CAPITULO III
DESARROLLO DEL PROYECTO

3.2 IDENTIFICACIN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE RECIPIENTES A

PRESIN
Existen numerosos tipos de recipientes que se utilizan en las plantas industriales o de
procesos. Algunos de estos tienen la finalidad de almacenar sustancias que se dirigen o
convergen de algn proceso, este tipo de recipientes por lo general son llamados tanques.
Los recipientes a presin que existen, pueden ser clasificados en funcin de diferentes
aspectos, tales como:

3.2.1

Por su funcin

Recipientes de almacenamiento.

Los tanques de almacenamiento se usan como

depsitos para contener una reserva suficiente de algn producto para su uso posterior, se
pueden clasificar en cilndricos horizontales y cilndricos verticales de fondo plano.
Los tanques cilndricos horizontales, generalmente son de volmenes relativamente bajos,
debido a que presentan problemas por fallas de corte y flexin. Por lo general, se usan para
almacenar volmenes pequeos. Los tanques cilndricos verticales nos permiten almacenar
grandes cantidades volumtricas con un costo bajo. Estos ltimos tienen la limitante de solo
poder ser usados a presin atmosfrica o presiones internas relativamente pequeas.
Recipientes de procesos. En toda planta industrial existen recipientes a presin que
desarrollan diversas operaciones y son utilizados con el fin de permitir el desarrollo de algn
proceso. De acuerdo al proceso desarrollado se les puede identificar como: separadores, torres
fraccionadoras, torres de destilacin, reactores, filtros, intercambiadores de calor, etc.
Recipientes de transporte. Como su nombre los define, son utilizados para el traslado
de fluidos, bien sea en estado gaseoso, o lquido.
3.2.1

Por su geometra
Recipientes cilndricos. Se usan como depsitos para contener una reserva suficiente de

algn producto para su uso posterior y/o comercializacin, o para el desarrollo de algn
proceso como evaporacin, enfriamiento, etc. En la figura 17 se muestra un tanque cilndrico.

Figura 17. Tanque cilndrico

Cilindros combinados. Se utilizan en procesos especiales, como por ejemplo reactores
de plantas de desintegracin cataltica u otro proceso petroqumico. En ellos juega un papel
importante los procedimientos, ya que se deben adaptar las planchas a las formas ms
convenientes para los procesos y los componentes internos.

Figura 18. Separador bifsico

Recipientes esbeltos. Son recipientes en donde su longitud es mucho mayor a su
dimetro. Como ejemplo tpico se muestran en la figura 19, las torres de fraccionamiento de

lquidos del gas natural. Se pueden tener torres de hasta 250 pies de altura. Su altura se debe a
que contienen una gran cantidad de platos de donde se obtienen los diferentes derivados.

Figura 19. Torres de fraccionamiento de lquidos del gas natural

Recipientes esfricos. Se utilizan generalmente como tanques de almacenamiento, y se
recomiendan para almacenar grandes volmenes a altas presiones. Puesto que en la forma
esfrica la distribucin de los esfuerzos es menor que en la cilndrica debido a que el rea de la
misma es mayor, y adems es la forma natural que toman los cuerpos al ser sometidos a
presin interna, esta sera la forma ms econmica para almacenar fluidos a presin. Sin
embargo, la fabricacin de estos es mucho ms cara en comparacin a los recipientes
cilndricos. Las capacidades y presiones utilizadas varan grandemente. En la figura 20 se
muestran esferas presurizadas utilizadas para almacenamiento de lquidos del gas natural a la
temperatura ambiente, y en volumen no mayor de 20000 barriles para presiones de 5 psi.

Figura 20. Esferas presurizadas para el almacenamiento de lquidos del gas natural
3.2.3 La Presin de Diseo
Atmosfricos. Por lo general estos equipos estn diseados y equipados para almacenar
productos. Usualmente son empleados como tanques de configuracin cilndrica vertical con
rangos en tamaos desde pequeos recipientes, fabricados en taller, hasta tanques muy
grandes, fabricados en campo. Se encuentran en esta clasificacin tanques apernados

ocasionalmente, tanques soldados rectangulares.

Los tanques atmosfricos pueden ser construidos bsicamente con techo cnico y techo
flotante. Los tanques de techos cnicos tienen un techo fijo sobre la superficie del lquido a
almacenar y son completamente cerrados usualmente contienen una concentracin de vapores
del lquido almacenado. Por lo general son destinados al almacenamiento de productos de
volatilidad moderada como el gasoil o el queroseno.

Figura 21. Tanque de techo cnico

Los tanques techo flotante tienen un techo que flota sobre la superficie del lquido
previniendo as prdidas por evaporacin. Estos tanques cuentan con un pontn o techo
interno que flota al nivel del lquido reduciendo la evaporacin del producto. Se utilizan en
productos altamente voltiles como las gasolinas.

Figura 22. Tanque de techo flotante

Baja presin (0,5 a 2,5 psi). Son normalmente usados para almacenar productos con
una presin interna cercana a la atmosfrica pero no mayor de 2,5 psi. Su forma es
generalmente cilndrica y un techo en forma de domo.
Estos tanques son utilizados para almacenaje refrigerado de gas licuado y gases que se
licuan a la presin atmosfrica. Para los primeros, se utiliza un sistema de chillers para bajar
su temperatura de punto de ebullicin a la presin atmosfrica. Los tanques refrigerados
normalmente operan a presiones externas entre 0,5 a 2,0 psi. Generalmente, se utiliza este tipo
de almacenamiento para los productos como el gas licuado de petrleo, en la figura 23 se
muestra un tanque para almacenamiento de isobutano.

Figura 23. Tanque de almacenamiento de isobutano a 12F y 1 psi

Media presin (2,5 a 15 psi). Estos tanques son utilizados para almacenar productos de
alta volatilidad y que no pueden ser almacenados en tanques de baja presin. La forma puede
ser cilndrica con piso plano y techo en forma de domo.
Se pueden construir tanques cilndricos verticales con tejados escalonados o de cpula,
que funcionan a presiones por encima de varios cientos de pascales (de unas cuantas libras por
pie cuadrado); pero que se acercan todava bastante a la presin atmosfrica, segn las

especificaciones de la norma API 650. Un ejemplo de recipiente de media presin se muestra

una esfera en la figura 24 para almacenar pentano a 2,5 psi.

Figura 24. Esfera presurizada para almacenar pentano a 90F y 2,5psi

Alta presin (por encima de 15 psi)
Diversidad de recipientes utilizados en procesos de plantas y almacenamiento presurizado, son
muy variados en cuanto a su funcin en el proceso, su forma, dimensiones, rangos de
presiones y temperaturas de trabajo. Son diseados para presiones externas o internas desde
15psi hasta 3000 psi o ms. Como ejemplo tpico de estos recipientes tenemos los separadores,
los intercambiadores de calor, evaporadores, reactores, tambores de reflujo, tambores de
mechurrios, balas de almacenaje, filtros, torres secadoras, fraccionadoras, esferas, etc.

64

Figura 25. Separador bifsico horizontal

3.3 ESPECIFICACION DE LAS CARACTERSTICAS DE DISEO SEGN LAS

DIFERENTES NORMAS NACIONALES E INTERNACIONALES
Se consult el Cdigo ASME Calderas y Recipientes a Presin, Seccin VIII, Divisin 1 para
detallar los criterios propios de cada una de ellas, entre estos criterios se tiene: presin de
diseo (del cuerpo), mxima presin de trabajo permisible, temperatura de diseo, carga de
diseo, entre otras. Las presentes especificaciones, que incluyen a aquellas prcticas ms
ampliamente aceptadas y utilizadas, nos permitirn interpretar mejor los procedimientos y
alternativas prescriptas por la Norma al conocer de antemano conceptos generales de diseo y
de construccin, las que ahora podrn ser fcilmente interpretadas con la simple lectura de la
misma.
3.3.1 Diseo
La Seccin VIII Division1 y Divisin 2 del Cdigo, son parte de los denominados Cdigos de
Construccin de ASME. Los mismos contienen todo lo concerniente al diseo, la fabricacin
y el correspondiente control. A su vez, tambin hacen referencia a las fuentes de consulta
sobre aspectos especficos tales como Materiales, Soldaduras y Ensayos no Destructivos, a los

58

que denomina Cdigos de Referencia. Estos son: Seccin. II: Materiales Seccin. V:
Ensayos no Destructivos Seccin. IX: Calificacin de Soldaduras, los que tambin deben ser
cumplidos por los Fabricantes en la medida que el Cdigo de Construccin invoque
determinado requerimiento y remita al Cdigo de Referencia correspondiente. Si bien, en la
gran mayora de los casos se disea y fabrica bajo la Seccin VIII Divisin 1, tambin se
dispone de la Divisin 2: Reglas Alternativas; esta Norma permite el diseo por Anlisis de
Tensiones, resultando muy necesaria para el clculo de grandes recipientes, espesores gruesos
de pared, condiciones de servicio severas, etc.
-

El criterio de diseo utilizado por la Seccin VIII Divisin 1, establece que el espesor

de pared de un recipiente a presin, deber ser tal que las tensiones generadas por la presin,
no deben exceder el valor de la tensin admisible del material.
-

La tensin admisible a la traccin para cada material, resultar de dividir por 3,5 a la

tensin de rotura de ese material a la temperatura de diseo.

-

No obstante que los valores de tensin de rotura que figuren en los certificados de

Usina que resulten de ensayos posteriores, tengan valores por arriba del valor que para ese
material y esa temperatura se establece en la Seccin. II, este ltimo es a partir del cual se
tomar la tensin admisible a utilizar en el clculo.
-

La presin de trabajo mxima permitida, estar limitada por la envolvente los

cabezales y no por partes menores.

-

Los recipientes cubiertos por la Seccin. VIII Divisin 1, sern diseados para las mas

severas condiciones coincidentes de presin y temperatura previstas para las condiciones

normales de operacin que le son requeridas. Consecuentemente, la presin de diseo ser la
mxima de trabajo admitida por el recipiente sin que se supere la tensin admisible del
material en el punto mas comprometido.
-

Los recipientes sometidos a presin, debern ser diseados para poder soportar las

tensiones debidas a las cargas ejercidas por la presin interna externa, el peso del recipiente
lleno de lquido y toda otra solicitacin que agregue tensiones sobre las partes que lo
componen.

59

3.3.3 Diseo general

Los requerimientos del cdigo ASME para Recipientes a Presin y Calderas deben ser
considerados como los mnimos requerimientos.
Los recipientes a presin deben ser diseados para soportar las cargas ejercidas por la
presin interna, peso del recipiente, viento, sismos, impactos y temperatura. El fabricante
debe verificar las cargas externas en el cuerpo y cabezales del recipiente.
La mxima presin de trabajo permitida debe ser limitada por el cuerpo o cabezal, no por
partes menores.

Todo recipiente debe ser diseado para sostenerse por s mismo.

Todo recipiente debe ser diseado para soportar cargas por viento o sismos, cualquiera de
stas que sea mayor. Se asume que las cargas por viento y sismos no ocurren de forma
simultnea.
La deflexin de recipientes verticales bajo condiciones normales de operacin no debe
exceder 0,15 m por 30,5 m de longitud.

3.4 CLCULOS NECESARIOS EN EL DISEO DE RECIPIENTES CILNDRICOS

Y ESFRICOS SUJETOS A PRESIN
El diseo del cuerpo y de los cabezales de un recipiente sometido a presin interna y/o externa
son englobados en general por los apartes UG-16 a UG-35 del Cdigo ASME, y
especficamente por los apartes UG-27 y UG-32.
De acuerdo al aparte UG-16 del Cdigo el espesor de pared mnimo en cuerpo y cabezales
de recipientes debe ser 1/16 pulg. Para calderas de vapor no sometidas a fuego directo el
espesor mnimo de pared de cuerpo y cabezales debe ser 1/4 pulg.
Para recipientes utilizados en servicio de aire comprimido, vapor y agua fabricados de
materiales incluidos en tabla UCS-23 el espesor mnimo de pared de cuerpo y cabezales debe
ser 3/32 pulg.
En todos los casos se excluye cualquier espesor por corrosin.
3.4.1 Clculo del Espesor de Pared del Cuerpo (UG - 27)

En este aparte se refiere al diseo del cuerpo de un recipiente sometido nicamente a presin
interna. La Divisin 1 del Cdigo contempla dos formas de cuerpos: cilndricos y esfricos.
3.4.1.1 Cuerpos cilndricos
De acuerdo a la Divisin 1 del Cdigo, en un cuerpo cilndrico se presentan dos tipos de
esfuerzos, los circunferenciales y longitudinales.
Esfuerzos circunferenciales
Afectan a la junta longitudinal del cuerpo, tal como se muestra en la figura 26. El mnimo
espesor t de pared del cuerpo en pulgadas se calcula mediante la siguiente ecuacin:

PR
S E1 0, 6P

Donde:
P: Presin de diseo, psi
S: Valor mximo permisible del esfuerzo del material, psi (Tabla UCS-23)
El: Eficiencia de la junta longitudinal.
R: Radio interno del recipiente, pulgadas.

Figura 26. Esfuerzos circunferenciales en un cilindro de pared delgada

La mxima presin de trabajo permisible en psi, debe ser menor a la presin calculada de
la siguiente forma:

S E1 t
R 0, 6
t

Estas ecuaciones son validas para:

t 0.5(R)
P 0.285 (S)(El)
Esfuerzos longitudinales
Afectan a la junta circunferencial del cuerpo, como se ilustra en la figura 27. El mnimo
espesor t de pared del cuerpo en pulgadas debe ser mayor al espesor calculado por la siguiente
ecuacin:

PR
2 S Ec 0, 4 P

t
Donde:
Ec: Eficiencia de la junta circunferencial.

La mxima presin de trabajo permisible en psi debe ser menor a la presin calculada por
la siguiente ecuacin:

2 S EC t
R 0, 4
t

Estas ecuaciones son validas para:

t 0.5(R)
P 1.25 (S) (EC)
Figura 27. Esfuerzos longitudinales en un cilindro de pared delgada
3.4.1.2 Cuerpos Esfricos
En la figura 28 se puede visualizar que los esfuerzos principales son de igual intensidad actan
en los elementos esfricos cualquiera que sea la inclinacin del elemento. Esto significa que
sin que importe la inclinacin del plano en el elemento estudiado, el esfuerzo normal
permanece constante y no existen esfuerzos cortantes.

Figura 28. Esfuerzos principales en esferas presurizadas

El mnimo espesor t de pared del cuerpo en pulgadas, debe ser mayor al espesor calculado
por la siguiente ecuacin:
t

PR
2 S E 0, 2 P

Donde:
E: Eficiencia de la junta.
La mxima presin de trabajo permisible en psi, debe ser menor a la presin calculada por
la siguiente ecuacin:
P

SEt
R 0, 2t

Estas ecuaciones son validas para:

t 0.356(R)
P 0.665 (S)(E)
3.4.2 Consideraciones de Diseo
Si los datos del recipiente no cumplen los parmetros para los cuales son vlidas las
ecuaciones anteriormente indicadas, se debe calcular el espesor o la mxima presin del
cuerpo segn las ecuaciones indicadas en el Apndice Obligatorio (Mandatory Appendices) N
1 de la Divisin 1.
Para el caso de cuerpos cilndricos, el esfuerzo circunferencial es el esfuerzo dominante
en el clculo del espesor requerido de pared del cuerpo, si se cumplen los siguientes
parmetros:
El < Ec
No existen otras cargas sobre el recipiente que generen esfuerzos longitudinales
adicionales.
Si se presentan cargas en el recipiente, diferentes a la presin interna o externa, se deben
combinar los esfuerzos producidos por todas las cargas.

3.4.3 Clculo del Espesor de Pared de Cabezales (UG-32)

3.4.3.1 Cabezales elpticos
El cabezal de forma semielptica ms utilizado es el que tiene una relacin 2:1.Un cabezal
elptico 2:1 cumple la siguiente igualdad:

D
4

Donde:
H: es la profundidad interna del cabezal sin faldn, mitad del eje menor de la elipse, se
representa en la figura 29.
D: es el dimetro interno del cabezal.

Figura 29. Diagrama esquemtico de un cabezal semielptico

El espesor requerido para un cabezal elptico en el punto ms delgado, despus de
conformado, viene dado por:
t

Donde:

PD
2 S E 0, 2 P

E: es la eficiencia ms baja de junta. Si el cabezal es fabricado sin costura E = 1,0.

La mxima presin de trabajo permisible en psi, debe ser menor a la presin calculada por
la siguiente ecuacin:
P

SEt
D 0, 2t

Para las cabezas elipsoidales cuya relacin del eje mayor al eje menor sea diferente de 2:1
se recomienda ver al Apndice Obligatorio 1-4 (c) del Cdigo.
Este tipo de cabezal se utiliza preferiblemente en recipientes con una presin de diseo
mayor a 100 psi, y recipientes de dimetro menor a 180 pulgadas.
3.4.3.2 Cabezales toriesfricos
El numeral UG-32(e) del Cdigo respalda a los cabezales toriesfricos que cumplan la
siguiente relacin:
Radio interno de la corona L = dimetro externo del cabezal, representado en la figura 30
Radio de empalme r = 6% del radio interno de la corona L.

Figura 30. Diagrama esquemtico de un cabezal toriesfrico

Donde:
t : mnimo espesor requerido.
L : radio de interno de la corona.

r : radio interior del nudillo.

OD : dimetro exterior del cuerpo cilndrico.
SF : faldn (straigh flange, se refiere al borde recto).
El espesor requerido para un cabezal toriesfrico en el punto ms delgado despus de
conformado, viene dado por:
t

0, 885 P
L
S E 0,1P

Donde:
L: es el radio interno de la corona, pulg.
La mxima presin de trabajo permisible en psi, debe ser menor a la presin calculada por
la siguiente ecuacin:
P

SEt
0, 885 L 0,1 t

Si la relacin del cabezal es diferente a la indicada, se disea el cabezal de acuerdo al

aparte 1.4 del Apndice Obligatorio 1.
Este tipo de cabezales son tiles preferiblemente en recipientes con una presin de diseo
menor a 100 psi, y recipientes de dimetro menor a 180 pulg.
3.4.3.3 Cabezales semiesfricos
El espesor requerido para un cabezal semiesfrico en el punto ms delgado despus de
conformado, viene dado por:
t

PL
2 S E 0, 2 P

Donde:
L: es el radio interno de la esfera, pulgadas.

Figura 31. Diagrama esquemtico de un cabezal semiesfrico

La mxima presin de trabajo permisible en psi, debe ser menor a la presin calculada por
la siguiente ecuacin:
P

SEt
L 0, 2t

Ecuaciones vlidas para:

t < 0,356 L
P < 0.665 (S)(E)
Si los datos del recipiente no cumplen los parmetros indicados, se debe calcular el
espesor o la mxima presin del cabezal segn las ecuaciones del aparte 1.3 del Apndice
Obligatorio 1. No tiene limitaciones de uso.
3.4.3.4 Cabezales cnicos
El espesor requerido para un cabezal cnico o para una seccin cnica del cuerpo, en el punto
ms delgado despus de conformado, viene dado por:
t
Donde:

2 cos

PD
S E 0, 6 P

D: es el dimetro interno del cabezal cnico en el punto bajo consideracin, medido

perpendicularmente al eje longitudinal, pulg.
: 0.5 (ngulo del cono).
La mxima presin de trabajo permisible en psi, debe ser menor a la presin calculada por
la siguiente ecuacin:

2 S E t cos ( )
D 1, 2 t cos (
)

Estas ecuaciones son vlidas para:

30
Si los datos del recipiente no cumplen los parmetros indicados, se debe calcular el
espesor o la mxima presin del cabezal segn las ecuaciones del aparte 1.5 del Apndice
Obligatorio 1

3.5 ESTUDIO DE PRUEBAS QUE REQUIEREN LOS RECIPIENTES A PRESIN

UNA VEZ FABRICADOS PARA SU CERTIFICACIN
Entre las pruebas que se les deber aplicar a los recipientes sometidos a presin una vez que se
han terminado de fabricar, se encuentran la prueba hidrosttica, la prueba neumtica y la
prueba de elasticidad.
3.5.1 Precauciones

Las pruebas de presin deben ser realizadas bajo condiciones controladas con precauciones de
seguridad y equipos apropiados. Vlvulas para venteos deben ser provistas en todos los puntos
altos del recipiente en la posicin que permita posibles purgas de aire mientras es llenado por
el ensayo hidrosttico. Se debe prestar especial atencin a las protuberancias de las boquillas y
los internos del recipiente.
Cuando se realicen pruebas neumticas, se debe tomar particular cuidado para evitar la
ruptura debido al peligro potencial de la energa almacenada en el gas comprimido. En este
sentido, la decisin de llevar a cabo una prueba neumtica debe ser considerada durante el
diseo de los recipientes, as que la mnima temperatura de diseo coincidente con las
condiciones de presin para todo el lmite de presiones, incluyendo cualquier reduccin de
temperatura y una coincidente reduccin de presin del flujo de servicio como la presin de
diseo son consideradas en la seleccin del material de construccin.
Aire u otro gas es un peligro cuando se usa como medio de prueba. Por lo tanto es
recomendado que precauciones especiales sean tomadas cuando air o gas se usa para
propsitos de prueba. Lquidos como medio de prueba puede tambin representar peligros
debido a la energa almacenada en la compresin del lquido y la tensin almacenada en el
material del recipiente.
Los recipientes pueden ser pintados o enchaquetados interna o externamente, antes de la
prueba de presin. Sin embargo, la aplicacin de pinturas, enchaquetamientos no es permitida
antes de realizar la prueba hidrosttica si el recipiente es para contener fluidos de una
naturaleza tal que mezclados con una muy pequea cantidad de aire es peligroso para la vida.
El usuario es prevenido que la aplicacin de pinturas o enchaquetamientos puede enmascarar
agujeros que pudieran igualmente ser detectados durante la prueba de presin.
Los medidores de presin empleados en pruebas de recipientes deben ser indicadores de
presin manomtrica y estar conectados directamente al recipiente. Si el manmetro es
visiblemente leble por el operador que controla la presin aplicada desde un lugar seguro, un
manmetro indicador adicional debe ser colocado dnde sea visible al operador e inspector
durante la duracin de la prueba. Se recomienda que un manmetro registrador se utilizado
adems del indicador.
Discos indicadores de presin utilizados en pruebas deben ser graduados sobre un rango
de aproximadamente dos veces el mximo pretendido con la presin de prueba.

3.5.2 Prueba Hidrosttica

Consiste en someter el recipiente a una presin hidrosttica de prueba y conservar sta durante
un tiempo suficiente para verificar que no haya fugas en ningn cordn de soldadura

[5]

. De

acuerdo con el Cdigo ASME, Seccin VIII, Divisin 2, la mnima presin de la prueba
hidrosttica debe ser mayor a
PT=1,43MAWP Ec.2.40
PT=1,25MAWPSTS Ec.2.41
Donde,
MAWP Mxima
permitida

presin

de

trabajo

PT

Mnima presin de prueba

Esfuerzos admisibles del Anexo 3.A del Cdigo ASME a la temperatura de diseo

ST

Esfuerzos admisibles del Anexo 3.A del Cdigo ASME a la temperatura de prueba

La relacin ST/S en la ecuacin 2.41 debe ser la relacin menor para el lmite de presiones del
material.
Como su nombre lo indica, esta prueba se lleva a cabo con lquido, el cual generalmente
es agua. Cualquier lquido que no sea peligroso a ninguna temperatura, puede ser utilizado en
la prueba hidrosttica siempre y cuando esta se lleve a cabo a una temperatura inferior a su
punto de ebullicin.
3.5.2.1 Procedimiento de Prueba
-

La temperatura del metal durante la prueba hidrosttica debe ser mantenida por lo menos

30F por encima de la mnima temperatura de diseo del material del recipiente, pero necesita
no exceder 120F para minimizar riesgos de fractura.
-

La prueba de presin no debe ser aplicada hasta que el recipiente y el fluido de prueba

estn a la misma temperatura.

-

La presin hidrosttica debe aumentarse gradualmente hasta que la presin de prueba es

alcanzada. Luego la presin debe ser reducida a un valor no menor que la presin de prueba
dividida por 1,43 antes de examinar las fugas.

3.5.2.2 Inspeccin y Criterio de Aceptacin

-

Luego de la reduccin de la presin de prueba indicada en el prrafo 2.19.2.1.c, una

inspeccin visual para ver si hay fugas debe ser realizada por el Inspector de todas las juntas,
regiones alrededor de las aberturas y transiciones de espesor.
-

Cualquier fuga que est presente, debe ser corregida y el recipiente debe ser sometido de

nuevo a prueba.
-

El inspector se reserva el derecho de rechazar el recipiente si hay cualquier signo visible

de distorsin permanente.
3.5.2.3 Precauciones
Cuando se lleva a cabo una prueba hidrosttica en un recipiente a presin, es
recomendable tomar las siguientes precauciones:
-

Por ningn motivo debe excederse la presin de prueba sealada en la placa de nombre.

En recipientes a presin usados, con corrosin en cualquiera de sus componentes,

deber reducirse la presin de prueba proporcionalmente.

-

Siempre que sea posible, evtese hacer pruebas neumticas, ya que adems de ser

peligrosas, tienden a daar los equipos.

3.5.3 Pruebas Neumticas
Las diferencias bsicas entre este tipo de pruebas y la prueba hidrosttica, consisten en el valor
de la presin de prueba y el fluido a usar en la misma, la presin neumtica de prueba es
alcanzada mediante la inyeccin de gases [5].
3.5.3.1 Presin de prueba
Excepto para recipientes esmaltados que su presin de prueba debe ser por lo menos la
MAWP para ser marcado en el recipiente, la presin de prueba neumtica debe ser calculada
mediante la ecuacin 2.42

PT=1,15MAWPSTS Ec.2.42
La relacin ST/S en la ecuacin 2.42 debe ser la relacin menor para el lmite de presiones del
material.
3.5.3.2 Fluido
Cualquier medio presurizado usado en la prueba neumtica debe ser no inflamable y no
txico. Cuando aire comprimido es usado para un prueba de presin, debe considerarse lo
siguiente:
- Usar slo aire limpio, seco y libre de crudo cumpliendo los requerimientos de Aire
Clase 1, 2 o 3 por ISO 8573-1
- El punto de roco del aire debe estar entre -4F y 94F
- Se debe verificar que no hay contaminacin por hidrocarburos o algn otro residuo
orgnico dentro del recipiente ya que esto pudiera ocasionar la formacin de una mezcla
explosiva.
3.5.3.3 Procedimiento de Prueba
- La temperatura del metal durante la prueba hidrosttica debe ser mantenida por lo menos
30F por encima de la mnima temperatura de diseo del material del recipiente, pero
necesita no exceder 120F para minimizar riesgos de fractura.
- La prueba de presin no debe ser aplicada hasta que el recipiente y el fluido de prueba
estn a la misma temperatura.
- La presin de prueba debe ser aumentada gradualmente hasta que un medio de la presin
de prueba es alcanzada, despus se debe ir incrementando en pasos de aproximadamente un
dcimo de la presin de prueba hasta alcanzar la mismo. La presin debe ser reducida a un
valor no menor que la presin de prueba dividida por 1,15 antes de examinar las fugas.
3.5.3.4 Inspeccin y Criterio de Aceptacin

- Luego de la reduccin de la presin de prueba indicada en el prrafo 2.19.3.3.c, una

inspeccin visual para ver si hay fugas debe ser realizada por el Inspector de todas las juntas,
regiones alrededor de las aberturas del espesor.
- Cualquier fuga que est presente, debe ser corregida y el recipiente debe ser sometido de
nuevo a prueba.
- El inspector se reserva el derecho de rechazar el recipiente si hay cualquier signo visible de
distorsin permanente.
3.5.3.5 Precauciones
Como ya se mencion anteriormente, no es recomendable efectuar pruebas neumticas, sin
embargo, cuando se haga indispensable la prctica de este tipo de prueba, se debern tomar las
siguientes precauciones:
-

Las pruebas neumticas deben sobrepasar con muy poco la presin de operacin, el

Cdigo A.S.M.E., recomienda que la presin de prueba neumtica sea como mximo 1.25
veces la mxima presin de trabajo permisible y definitivamente deben evitarse en
recipientes a presin usados.
- En las pruebas neumticas con gases diferentes al aire, deben usarse gases no corrosivos,
no txicos, incombustibles y fciles de identificar cuando escapan. El Fren es un gas
recomendable para efectuar las pruebas neumticas.
-

La mayora de los gases para pruebas neumticas, se encuentran en recipientes a muy alta

presin, por lo tanto, es indispensable que se extremen las precauciones al transvasarlos al

recipiente a probar, pues puede ocurrir un incremento excesivo en la presin de prueba
sumamente peligroso.
3.5.3.6 Prueba de Elasticidad
Cuando se efecta esta prueba, se lleva a cabo de manera simultnea con la prueba
hidrosttica, su objetivo se verificar al comportamiento elstico del material de fabricacin del
recipiente [5]. El procedimiento para llevarla a cabo se describe a continuacin:
-

Primero, se llena el recipiente a probar con agua hasta que por el punto ms alto del

recipiente escape el agua una vez que se haya abierto el venteo.

- Se cierra la vlvula de venteo y se empieza a inyectar agua a fin de elevar la presin, el

agua que se introduzca para este fin, se tomar de una bureta graduada para cuantificar de
manera exacta el agua que se inyect para levantar la presin hasta alcanzar el valor de la
presin de prueba.
- Se mantendr la presin de prueba durante el tiempo suficiente para verificar que no
haya fugas y posteriormente, se baja la presin hasta tener nuevamente la presin
atmosfrica en el recipiente. Es sumamente importante recoger el agua sacada para bajar la
presin, ya que se comparar este volumen con el inyectado para aumentar la presin y
esta comparacin indicar si las deformaciones sufridas por el recipiente mientras se
someti a la prueba hidrosttica, rebasaron el lmite elstico.

CAPITULO IV
DISCUSIN Y ANLISIS DE RESULTADOS

Los recipientes a presin as como sus componentes son diseados para cumplir varios
requerimientos determinados por los diseadores y analistas responsables del diseo total. El
primer paso en el procedimiento de diseo es seleccionar la informacin necesaria relevante,
se establece de esta manera un conjunto de requerimientos de diseo, como se muestra en la
figura 33.

Figura 33. Procedimiento de diseo para recipientes a presin

Una vez que los requerimientos de diseo han sido establecidos, los materiales idneos
son seleccionados y el cdigo de diseo especfico dar el esfuerzo nominal necesario para
dimensionar el espesor principal del recipiente a presin. Reglas adicionales del cdigo cubren
el diseo de varios componentes como boquillas, bridas y otros. Siguiendo estas reglas de los
distintos componentes, stos son finalizados y analizados por falla. La mayora de los tipos de
falla relevantes en el diseo de recipientes a presin son los esfuerzos y por lo tanto es
necesaria la adecuada distribucin de esfuerzos. El propsito del diseo es finalmente iterar

hasta que el producto ms seguro, econmico y rentable es obtenido. En la figura 35 se

muestra de una forma detallada un flujorama para realizar el diseo de un recipiente a presin. A
continuacin se presentan los pasos necesarios para disear una esfera presurizada para el
almacenamiento de propano, tomando en cuenta las especificaciones del Cdigo ASME.

Figura 35. Flujorama para disear un recipiente a presin

4.1.1 Estimacin de la temperatura de diseo

La obtencin de la temperatura de diseo se hace tomando en cuenta, las condiciones ambientales de
la zona donde ser instalado el sistema de almacenamiento presurizado. Para una esfera de
almacenamiento de propano existente en la Planta de Fraccionamiento y Despacho

Jose,

la

temperatura ambiente alcanza un valor mximo de 95F, a esta se le adiciona a criterio un 10 %

por medida de seguridad y para efecto de diseo.

T = 95F + 9.5 = 104.5

105F

Ec. 4.1

4.1.2 Estimacin de la presin de diseo

La diferencia que existe entre la presin de diseo y la de operacin es el margen de seguridad que se
le adiciona a la presin de operacin para evitar un colapso en el sistema, por un excesivo aumento de
presin mediante el proceso operacional. Por otra parte tambin se debe incluir el aporte de la presin
hidrosttica, donde el recipiente al ser sometido a esta prueba, deber soportar la carga ejercida por la
columna de agua dentro del recipiente a capacidad completa.
La presin de diseo a utilizar se tom como referencia del diseo de almacenamiento de propano
presurizado en la Planta de Fraccionamiento y Despacho Jose, el valor utilizado fue de 325 psig, el
cual garantiza que la presin del propano almacenado en la esfera, no alcanzar esa condicin extrema
de diseo. Resultando as la presin de diseo establecida como:
Presin de diseo = 325 psig

4.1.3 Clculo del dimetro interno de la esfera

4.1.4 Clculo del rea superficial de la esfera

4.1.5 Clculo del espesor de la pared de la esfera

El clculo del espesor de la pared en la esfera que se va a disear, se realiz partiendo de la

ecuacin 4.4 tomada del Cdigo ASME, UG-27 la cual es:

4.1.6 Clculo de la masa del acero

El peso del acero se obtuvo multiplicando el rea superficial de la esfera mediante la ecuacin
4.3 por el espesor de la lmina de acero obtenida de la ecuacin 4.4 en pies, donde t = 0,104ft

y el valor de la densidad del acero

, este valor fue obtenido a travs de una

4 8 6.9 2 9 4lb /
3
ft

entrevista no estructurada, en la Planta de Fraccionamiento y Despacho Jose. Antes de

determinar el peso del acero se debe calcular el volumen del mismo.
Ec. 4.5
Va

A sup*t

Va 7 2 3 8,2 ft * 0,1 0
4 2ft

Va 7 54,220 4ft
3

Partiendo de la ecuacin de la densidad y realizando un despeje se obtiene el valor de la

masa:

ma / Va

ma

a *Va

ma 48 6,9 2 9 4lb / ft * 7 4 6,4 3 9 4ft

ma
363463,3lb
Donde:
: Densidad del acero (lb./ft3)
a

ma: Masa del acero (lb.)

Va: Volumen del acero (ft3)

4.1.7 Clculo de la masa del propano

Para el clculo de la masa del propano se utiliz una densidad promedio obtenida del catalogo
TANK FITTING; SHAND

JURS.CO. ;

32lb / ft

y el volumen en (

).

ft

Ec. 4.6
m

*v
3

m 3 2lb / ft * 5 6 1 4
3
6ft

m 17 966
72lb
Donde v es igual a 56146 ft3 y la densidad promedio del propano es 32 lb / ft3
4.1.8 Clculo de la masa total de la esfera con el propano
El clculo de la masa total se obtiene de la suma de la masa de propano ms el valor de la
masa del acero. Viene dada por la siguiente ecuacin:
mt pe

masa de propano masa de acero

mt pe

1796672l
b

mt pe

2160135,3l
b

Ec. 4.7

363463,3lb

Todas

estas

ecuaciones

son tomadas de las normas ASME Seccin VIII, Divisin 2, las cuales nos permiten obtener el
tipo de material a utilizar para la fabricacin de las esferas presurizadas. El resto de los

clculos son realizados basndose en

valores tabulados y detalles de su fabricacin. El

espaciamiento de paredes es uno de los parmetros importantes para el almacenaje de propano

y cualquier otro lquido inflamable.
4.1.10.6 Tipo de soldadura utilizada en el diseo
El tipo de soldadura para las juntas seleccionada para el diseo, fue la de TIPO 1 tomada de la
norma ASME UW-12 (vase ANEXO C), que se refiere a las juntas a tope hechas por doble
cordn de soldadura o por otro medio donde se obtenga la misma calidad de metal de
soldadura, depositada sobre las superficies interior y exterior de la pieza.
La eficiencia de la junta es la examinada por zona, debido a que se considera necesaria una
inspeccin a detalle.

4.1.10.8 Aplicacin de la Prueba Hidrosttica

De acuerdo con la norma PDVSA D-221 Pressure Vessel Design and Fabrication
Specification la esfera deber ser sometida a una presin hidrosttica de prueba que debe ser
mantenida por un tiempo no menor a 60 minutos. Para establecer la presin de la prueba
hidrosttica se utilizar la ecuacin 2.41 obtenida del Cdigo ASME Seccin VIII, Divisin 1:
PT=1,25MAWP Ec.2.41
PT=1,25260=325psig
Donde,
MAWP0 : Mxima presin de trabajo permitida
PT :

Mnima presin de prueba

4.2 CONCLUSIONES
1. Los recipientes se identifican de acuerdo a su funcin como recipientes de proceso,
almacenamiento y transporte. Segn su presin interna pueden ser atmosfricos, de vaco,
de baja, mediana y alta presin; y por su geometra se tienen recipientes esbeltos,
cilndricos, cilndricos combinados y esfricos.
2. El Cdigo ASME para Calderas y Recipientes a Presin, Seccin VIII, Divisin 1
estandariza los requerimientos generales para el diseo y construccin de recipientes a
presin.
3. Para el diseo de recipientes presurizados lo primordial es calcular el espesor mnimo de
la pared del cuerpo y cabezales para garantizar un diseo seguro y econmico.
4. La prueba hidrosttica es la ms recomendable para certificar un recipiente a presin.

4.3 RECOMENDACIONES
1. Para disear un recipiente a presin se recomienda familiarizarse con procesos similares
mediante visitas a plantas que brinden confiabilidad de realizar un proyecto provechoso.
2. Se recomienda elaborar un procedimiento de trabajo seguro para realizar cualquier tipo de
prueba para certificar recipientes a presin.
3. No es recomendable pintar el recipiente antes de realizar la prueba hidrosttica.
4. Se debe evitar el uso de pruebas neumticas en grandes recipientes presurizados.
5. Siempre el principal criterio que debe prevalecer durante el diseo de recipientes a
presin, es la seguridad del mismo.

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