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Memorias de Calculos de Diseño
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1.2 Reglamentaciones:
a) RESOLUCION No. 40245 (Marzo 7 2016) del MINISTERIO DE MINAS Y ENERGIA: Por la
cual se expide el reglamento técnico para cilindros y tanques estacionarios utilizados en la
prestación del servicio público domiciliario de gas licuado de petróleo, GLP, y sus procesos
de mantenimiento.
Código: I-MC-02
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2.1. Definiciones:
a) Gas Licuado del Petróleo: Es aquella mezcla en cuya composición entran principalmente
proporciones variables de hidrocarburos livianos (propeno, propano, butano y buteno),
pudiendo presentarse en la mezcla fracciones de otros hidrocarburos. El mismo nombre es
válido para la mezcla en estado líquido o gaseoso.
3
PODER CALORIFICO BRUTO EN FASE DE VAPOR 2823 BTU/pie
GRAVEDAD ESPECIFICA DEL LIQUIDO (AGUA = 1.0) 0.5408
DENSIDAD DEL LIQUIDO 4.5085 lbm/gal
3
VOLUMEN ESPECIFICO 7.7284 pies /lbm
GRAVEDAD ESPECIFICA DEL VAPOR (AIRE = 1.0) 1.732
3
RELACION POR VOLUMEN (VAPOR – LIQUIDO) 34.5704 pie /gal
La Relación de Llenado depende de la gravedad específica del gas. Por definición de la NTC
522-1 (numeral 4.2), los cilindros portátiles en Colombia deben satisfacer una Relación de
2
Llenado del 42%.
2
Cuando se elaboró la segunda revisión de la Norma NTC 522-1 se establecieron las capacidades y dimensiones
de los cilindros considerando un gas de gravedad especifica de 0.532. La información suministrada
posteriormente por ECOPETROL indicó que el GLP Comercial Colombiano tiene una gravedad específica media
de 0.5408, gas al cual le corresponde una relación de llenado del 46% y no del 45%. De otra parte, si de acuerdo
con el OBJETO de la NTC 522-1, los cilindros deben ser aptos para el almacenamiento de propano (puro),
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c) Contenido de GLP: Cantidad de gas licuado del petróleo que debe contener el recipiente a
las condiciones estándar de referencia, medida por masa, en tal forma que se satisfaga una
Relación de Llenado predeterminada. La masa de una sustancia es constante a cualquier
presión y temperatura.
e) Presión de Diseño: La presión que se emplea para diseñar el recipiente. Por razones obvias
se recomienda diseñar los recipientes para una presión mayor que la de operación o
servicio. La presión de diseño estipulada para los gases licuados del petróleo está basada en
la presión de vapor ejercida por el producto sobre las paredes del recipiente a dos
temperaturas diferentes, adaptándose como presión de diseño la mayor entre las dos:
0 0
La presión en el recipiente a 21 C (70 F) no debe exceder la presión de diseño.
0 0
La presión en el recipiente a 54 C (130 F) no debe exceder 5/4 de la máxima presión de
servicio designada para el recipiente.
f) Máxima Presión de Servicio: Designa la presión interna a la cual está sometido el elemento
más débil del recipiente bajo condiciones normales de operación. A partir de ésta se
determina la resistencia mecánica que debe poseer el elemento más débil del recipiente,
observando un factor de seguridad de cuatro a uno.
La máxima presión de servicio es, por lo tanto, la máxima presión admisible a que puede
someterse el elemento más débil del recipiente bajo condiciones normales de uso (más no
en condiciones extremas de emergencia), asumiendo que el cilindro es nuevo (no está
corroído), y que se encuentra a temperatura ambiente (sin considerar el efecto sobre la
resistencia del material causado por las variaciones en la temperatura).
Para todo efecto práctico, en los recipientes portátiles tipo DOT, la Máxima Presión de
Servicio es la misma Presión de Diseño.
PRESION MANOMETRICA
DESIGNACION
kPa PSIg
Presión de Servicio 827 120
butano (puro), o sus mezclas en cualquier proporción, para fines de diseño se debe considerar el compuesto
mas volátil que pueda contener el recipiente, en este caso PROPANO PURO con gravedad ESPECIFICA de
0.5079, al cual le corresponde una relación de llenado del 42%.
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Presión de Diseño 1655 240
Máxima Presión de Servicio 1655 240
Presión Hidrostática 3309 480
Presión de Rotura 6619 960
FUENTE : Anexo C, NFPA 58 (1995)
E = 90% para radiografía por puntos de un cilindro de cada lote consecutivo de 50 unidades.
Masa de GLP
- Relación de Llenado 42%
Masa de Agua
33.069 lbm 1 kg 1
- Masa de Agua * * 35.7 kg de Agua
1 cilindro 2.2 lbm 0.42
1 lt Agua
- Volumen de Agua 35.7 kg Agua * 35.7 lt Agua
1 kg Agua
3
Por definición del numeral 1.2 de la NTC 522-1, la Presión de Diseño o Máxima Presión de Servicio designada
para los recipientes es de 1756 kPa (absoluta), que corresponde a una presión manométrica de 1654 kPa (240
PSIg) a las condiciones estándar de referencia.
4
En la práctica, los fabricantes de cilindros no acostumbran llevar a cabo inspección radiográfica alguna, mas sin
embargo utilizan un factor de eficiencia del 100% al efectuar el cálculo del esfuerzo de pared , en violación de los
requisitos de diseño establecidos.
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Masa de GLP
- Relación de Llenado 42%
Masa de Agua
77.161 lbm 1 kg 1
- Masa de Agua * * 83.3 kg de Agua
Cilindro 2.2 lbm 0.42
1 lt Agua
- Volúmen de Agua 83.3 kg Agua * 83.3 lt de Agua
1 kg Agua
b) Cálculo del Máximo Volumen de GLP en Estado Líquido que puede Contener el
Recipiente a Temperaturas Diferentes de la Temperatura Estándar de Referencia:
El máximo volumen de GLP que puede contener un recipiente a cualquier temperatura, debe
ser aquella cantidad que satisfaga la relación de llenado especificado para el recipiente a las
condiciones estándar de referencia. Dado que los gases más que cualquier otra sustancia,
se dilatan al aumentar la temperatura y se contraen cuando esta disminuye, las relaciones de
llenado (determinadas por masa) deben corregirse permanentemente por temperatura para
compensar por las desviaciones volumétricas que se presentan con respecto a las
condiciones estándar de referencia.
R
Vt ; donde :
G * Ft
42%
v 60
77.66%
(0.5408)
(35.7 litros Agua) * (77.66%) = 27.72 litros GLP líquido = 7.325gal GLP líquido.
0
- Masa del Volumen de GLP líquido a 60 F :
4.5085 lbm
7.325 gal 60 * 33.037 lbm de GLP
1 gal 60
0
(2) Para un cilindro de 40 lb. de GLP a la temperatura media de Santa fe de Bogotá (57.2 F
0
(14.0 C)):
o
- Relación de Llenado 57.2 F:
42%
v 57.2
77.36%
(0.5408) * (1.0038) 57.2
(43.29 litros Agua) * (77.36%) = 33.49 litros GLP líquido = 8.85 gal GLP líquido.
0
- Masa del Volúmen de GLP líquido a 57.2 F :
4.5085lbm
8.85 gal57.2 * * (1.00380)57.260 40.0 lbm de GLP
1 gal60
Por definición, la máxima presión de servicio o presión de diseño de los cilindros portátiles
0
para GLP tipo DOT, debe ser mayor que la presión de vapor del GLP a 21 C, pero sin que la
0
presión de vapor del GLP a 21 C exceda 5/4 la presión de diseño designada para el
recipiente:
0
- Presión de vapor a 54 C < 5/4 * Presión de Diseño
d) Cálculo del Espesor de Pared a Partir del Máximo Esfuerzo de Pared Permisible :
El mínimo espesor de pared del cuerpo cilíndrico de los recipientes portátiles para GLP debe
ser tal que el Esfuerzo de Pared, calculado como se indica a continuación, no exceda el
MENOR de los siguientes valores: 241.2 MPa o la mitad de la resistencia a la tracción de la
lámina.
Yp
1.7 - T s
S Yp
2
(1) Para un cilindro de 20,30,40 lb. de GLP, construido con láminas SG 295 con una
2
resistencia mínima a la tracción de 45 kgf/mm comprobada mediante ensayos de
laboratorio, el mínimo espesor de pared del cuerpo cilíndrico cuando NO SE HACE
INSPECCION RADIOGRAFICA ALGUNA (E = 0.75), deberá ser:
5
Obsérvese que la norma especifica que el esfuerzo de pared calculado no puede exceder “la mitad de la
resistencia a la tracción de la lámina”.
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294
1.7 441
S 294 151.97 Mpa
2
(P - D)
- T Mínimo Espesor Nominal del Cuerpo Cilíndrico
2.S.E - 1.2P
(1654 * 303 )
T 2.2 mm
2 * (151.97)0.75 - 1.2(1654)
(3) La siguiente tabla presenta los mínimos espesores de pared calculados para el cuerpo
cilíndrico de los recipientes, en función de las propiedades mecánicas del acero y del
nivel de inspección radiográfica practicado:
TABLA 4: CALCULO DEL MINIMO ESPESOR DE PARED PERMISIBLE DEL CUERPO CILINDRICO:
a) Identificación: Símbolos de los grados para las láminas y bobinas de acero de acuerdo a la
categoría en la que se encuentre de conformidad con lo establecido en la Tabla No. 1 de la
Norma NTC 9 :
TABLA 5: SIMBOLOS DE LOS GRADOS:
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GRADO
Unidades SI Unidades tradicionales ESPESOR APLICABLE
(Dato informativo)
SG 255 SG 26 De 2.0 mm hasta 6.0mm incl.
GRADO Carbono (C) Silicio (Si) Manganeso (Mn) Fósforo (P) Azufre (S)
SG 225 0.20 Máx. ---------- 0.30 Min. 0.040 Máx. 0.040 Máx.
SG 295 0.20 Máx. 0.35 Máx. 1.00 Máx. 0.040 Máx. 0.040 Máx.
SG 325 0.20 Máx. 0.55 Máx. 1.50 Máx. 0.040 Máx. 0.040 Máx.
SG 365 0.20 Máx. 0.55 Máx. 1.50 Máx. 0.040 Máx. 0.040 Máx.
c) Propiedades Mecánicas : Valores mínimos y/o máximos especificados para las propiedades
mecánicas principales (Resistencia a la Tracción, Límite de Fluencia ,Alargamiento Mínimo y
la capacidad de doblado) de las láminas de acero, de conformidad con lo establecido en la
Tabla No. 3 de la Norma NTC 9 :
La capacidad volumétrica nominal y las dimensiones de las distintas partes constructivas de los
cilindros, deberán ajustarse a las especificaciones de la Tabla No. 1 de la Norma NTC 522, la
cual fue determinada para una relación de llenado del 42% considerando un GLP comercial con
gravedad específica de 0.5408 medida a las condiciones estándar de referencia, según se ilustra
en el siguiente cuadro:
CONVENCIONES:
A = Altura Total del Recipiente B = Altura de la Base de Sustentación
C = Altura de Cuello Protector D = Diámetro Interior Nominal
E = Espesor de Pared del Cuerpo Cilíndrico F = Altura de los Casquetes Semielipsoidales
G = Altura del Cuerpo Cilíndrico H = Distancia Libre entre el Fondo del Recipiente y el Nivel del
Suelo d1= Diámetro Interior del Cuello Protector d2= Diámetro Interior de la Base de Sustentación
3.3. Soldaduras:
Todas las juntas soldadas deben presentar superficies lisas de aspecto uniforme, que ofrezcan
penetración y fusión completa sin defectos externos tales como socavaduras, porosidades,
chisporroteos o agrietamientos.
Las bridas porta válvulas deberán ser roscadas interiormente con roscas cónicas para sello metal
- metal de ¾ de pulgada (19 mm) de diámetro nominal, 14 hilos de longitud útil y acople tipo
hembra - izquierdo. Este tipo de roscas corresponde a la designación ¾-14-NGT, cuyas
características básicas se resumen en el siguiente cuadro:
Pulgadas mm
L1 (1) Acople manual 0.3390 8.610
Menor
GG Chaflán 45º x diám.mi 29/32
Extremo D10 Diámetro mayor aprox. 1.0795 +/- 0.01 27.420 +/- 0.25
Mayor L10 Longitud total aproximada 0.875 +/- 0.07 22.220 +/-1.78
Los cilindros se deben someter a alivio de tensiones a una temperatura de 550°C Y 600°C A 2,4
min/mm²
El tamaño de los lotes de muestreo, el número de especimenes que se deben tomar de cada lote
y los procedimientos aplicables para la aceptación o rechazo de las muestras, son variables
dependientes del carácter crítico que se otorgue a las propiedades constructivas o funcionales
objeto del ensayo. Por definición de la Normas NTC 522-1 y 522-2 se consideran requisitos
críticos todos aquellos relacionados con la capacidad volumétrica y la estanqueidad bajo presión
hidrostática de los recipientes.
a) Inspección Total: Todos los recipientes (nuevos o reparados) deben someterse a ensayos
de hermeticidad y presión hidrostática, así como a procesos de control de calidad
permanente por inspección visual durante cada una de las etapas de las secuencias de
fabricación o reparación. Adicionalmente, los cilindros reparados deben inspeccionarse en
forma individual de acuerdo con los criterios de aceptación o rechazo que establece el
numeral 6 de la Norma NTC 522-2.
c) número de muestras y tamaños de lotes que especifica la Norma NTC 522-1 para el caso de
cilindros nuevos.
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d. Inspección por Atributos : Los restantes ensayos exigidos por la normativa aplicable
(Verificación de las roscas, verificación de la capacidad volumétrica, verificación de las
dimensiones de los cilindros y de sus partes constructivas, los ensayos de composición
química, tensión y doblamiento de las láminas vírgenes, las pruebas de adherencia de la
pintura, etc.) se efectúan de conformidad con el PLAN DE MUESTREO POR ATRIBUTOS
que se describe en la siguiente tabla, el cual corresponde a un Nivel de Inspección General II
con grado de aceptación del 2.5% (AQL = 2.5%) según estándares ISO:
NUMERO DE
TAMAÑO DEL LOTE NUMERO DE MUESTRAS REPROBADAS
MUESTRAS
DE PRODUCCION
TOMADAS Se acepta el lote Se rechaza el lote
50 O MENOS 5 0 1 o más
51 A 150 20 1 2 o más
151 A 280 32 2 o menos 3 o más
281 A 500 50 3 o menos 4 o más
501 A 1.200 80 5 o menos 6 o más
1.201 A 3.200 125 7 o menos 8 o más
3.201 A 10.000 200 10 o menos 11 o más
10.001 A 35.000 315 14 o menos 15 o más
35.000 O MAS 500 21 o menos 22 o más
EJEMPLO: Si se tiene un lote de 888 unidades, se toman 80 muestras. Si tan sólo 5 de éstas (o menos)
son reprobadas, el lote es aceptado. Si 6 o más se reprueban, se rechaza la totalidad del
lote.
El Plan de Muestreo por Atributos, por su parte, define explícitamente los criterios para la
aceptación o el rechazo de cada lote de producción con base en conceptos universales de
probabilidad y estadística. En consecuencia, no contempla remuestreos.
1
Corresponde al criterio del funcionario del Ministerio de Minas Y Energía el determinar cuantos cilindro del
lote rechazado definitivamente no son recuperables y deben ser destruidos.