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Un Recipiente de Presión
Un Recipiente de Presión
Un Recipiente de Presión
estanco diseñado para contener fluidos (gases o líquidos) a presiones mucho mayores
que la presión ambiental.
Usos:
En principio los recipientes de presión podrían tener casi cualquier forma, sin embargo
por lo general se utilizan formas que son secciones de esferas, cilindros y conos. Un
diseño muy común es un cilindro al que se le adosan extremos denominados cabezas.
Las formas de las cabezas por lo general son casquetes hemiesféricos o toriesféricos.
Otras formas más complicadas historicamente han sido más difíciles de analizar a los
efectos de garantizar una operación segura y son por lo general más difíciles de
construir.
Desde un punto de vista teórico una esfera es la forma óptima para un recipiente de
presión, ya que un recipiente con esta forma es el que para una misma presión puede ser
fabricado con una pared más delgada que recipientes de volumen equivalente con otras
formas. (Lo que resulta en el consiguiente ahorro de material).
Desafortunadamente, una forma esférica es dificil de fabricar, por lo que resulta más
costosa (aún cuando requiera menos acero que otras formas) , por lo que la mayoría de
los recipientes de presión son cilíndricos con cabezas hemiesféricas en relación 2:1 en
los dos extremos. Recipientes de presión pequeños se suelen fabricar con un trozo de
tubo y dos tapas. Una desventaja de estos recipientes es que los de mayores diámetros
son más costosos, por lo que la forma más económica de un recipiente de presión de
1000 litros de capacidad y presión de diseño de 250 bar puede ser un diámetro de 914.4
mm y una longitud de 1701.8 mm en lo que se incluyen las dos tapas semielípticas.
Calculos:
Donde:
Donde:
M es la masa
P es la presión diferencial respecto a la atmosférica
V es el volumen
ρ es la densidad del material del cual está construido el recipiente
σ es la máxima tensión admisible tolerada por el material.
Otras formas distintas de la esfera poseen constantes mayores que 3/2 (por ejemplo para
el caso de cilindros infinitos la constante vale 2), aunque en el caso de algunos tanques
tales como tanques no esféricos fabricados de materiales compuestos pueden resultar en
constantes próximas a 3/2.
LIMITACIONES DE LA DIVISIÓN 1
INRODUCCION.
• NORMAS DE REFERENCIA
El siguiente estándar contiene provisiones, las cuales son mencionadas en este texto
constituyendo provisiones de este estándar internacional. Todos los estándares son
sujetos a revisión y las partes de los acuerdos de este estándar son impulsados a
investigar la posible aplicación de la más reciente edición del estándar.
POLITICA DE CALIDAD.
La administración del proveedor con responsabilidad ejecutiva de definir y aumentar su
política para la calidad. La política de calidad debe ser relacionada a los propósitos
organizacionales del proveedor así como las expectativas y necesidades de sus clientes,
el proveedor deberá tomar en cuenta las diferentes actividades como apropiadas, en
reunir requerimientos especificados para productos.
CONTROL DE DISEÑO.
ENTRADA DE DISEÑO.
SALIDA DE DISEÑO.
Debe ser documentada y expresada en términos que pueda ser verificada y validada
contra los requerimientos de entrada de diseño.
REVISION DE DISEÑO.
Los participantes en cada revisión deben incluir representantes de todas las funciones
relacionadas con la etapa de diseño esta siendo revisada, así como otro personal
especialista cuando se requiera.
CAMBIOS DE DISEÑO.
TIPOS DE RECIPIENTES
Los primeros nos sirven únicamente para almacenar fluidos a presión y de acuerdo con
sus servicios son conocidos como tanques de almacenamiento, tanques de día, tanques
acumuladores, etc.
POR SU FORMA:
Los recipientes a presión pueden ser cilíndricos o esféricos. Los primeros son
horizontales o verticales y pueden tener en algunos casos, chaquetas para incrementar o
decrecer la temperatura de los fluidos según sea el caso.
Los tipos más comunes de recipientes pueden ser clasificados de acuerdo a su geometría
como:
1.
2. Tanques Abiertos.
Obviamente este tipo de recipiente es más que el recipiente cerrado de una misma
capacidad y construcción. La decisión de que un recipiente abierto o cerrado es usado
dependerá del fluido a ser manejado y de la operación. Estos recipientes son fabricados
de acero, cartón, concreto…. Sin embargo en los procesos industriales son construidos
de acero por su bajo costo inicial y fácil fabricación.
• RECIPIENTES CERRADOS: Fluidos combustibles o tóxicos o gases finos
deben ser almacenados en recipientes cerrados. Sustancias químicas peligrosas,
tales como ácidos o sosa cáustica son menos peligrosas si son almacenadas en
recipientes cerrados.
Y de 10 hasta 200 Psi (0.7031 - 14.06 Kg/cm²) para los recipientes menores.
Cuando una masa dada de gas esta almacenada bajo la presión es obvio que el volumen
de almacenamiento requerido será inversamente proporcional a la presión de
almacenamiento.
En general cuando para una masa dada, el recipiente esférico es más económico para
grandes volúmenes y bajas presiones de operación.
Los aceros al carbón y de baja aleación son usualmente usados donde las condiciones de
servicio lo permitan por los bajos costos y la gran utilidad de estos aceros.
Los recipientes a presión pueden ser fabricados de placas de acero conociendo las
especificaciones de SA-7, SA-113 C y SA-283 A, B, C, y D, con las siguientes
consideraciones:
Estos aceros tienen una buena ductilidad, fusión de soldadura y fácilmente máquinables.
Este es también uno de los aceros más económicos apropiados para recipientes a
presión; sin embargo, su uso es limitado a recipientes con espesores de placas que no
excedan de 5/8" para recipientes con un gran espesor de cascarón y presión de
operación moderadas el acero SA-285 C es muy usado. En el caso de presiones altas o
diámetros largos de recipientes, un acero de alta resistencia puede ser usado como el
acero SA-212 B es conveniente para semejantes aplicaciones y requiere un espesor de
cascarón de solamente de 790% que el requerido por el SA-285 C. Este acero es
también fácilmente fabricado pero es más caro que otros aceros.
El acero SA-283 no puede ser usado en aplicaciones con temperaturas sobre 650°F; el
SA-285 no puede ser usado en aplicaciones con temperaturas que excedan de 900°F, y
el SA-212 tiene muchos esfuerzos permisibles bajos en las temperaturas más altas, por
lo que el acero para temperaturas entre 650 y 1000°F.
Así pues realizaremos un breve análisis de la filosofía a que sigue la ASME, para
seleccionar sus materiales y por consiguiente para especificarlos como adecuados en la
construcción de los recipientes a presión.
CLASES DE MATERIALES.
El código ASME indica la forma de suministro de los materiales más utilizados, lo cual
va implícita en su especificación. A continuación se dan algunos ejemplos de
materiales, su especificación y forma de suministro. Ver tabla USC-23.
Así pues es necesario una explicación más amplia acerca del criterio de la selección de
los materiales que pueden aplicarse a los recipientes como:
ACEROS AL CARBON
En la tabla 3.1 se puede observar los aceros recomendados para los rangos de
temperatura más usuales.
Comúnmente llamados aceros inoxidables. Su costo en general es mayor que para los
dos anteriores. El contenido de elementos de aleación es mayor, lo que ocasiona que
tengan alta resistencia a la corrosión.
MATERIALES NO FERROSOS
El propósito 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.
PROPIEDADES MECANICAS.
Al considerar las propiedades mecánicas del material es deseable que tenga buena
resistencia a la tensión, alto nivel de cedencia, por cierto de alargamiento alto y mínima
reducción de área. Con estas propiedades principales se establecen los esfuerzos de
diseño para el material en cuestión.
PROPIEDADES FISICAS.
PROPIEDADES QUIMICAS.
SOLDABILIDAD.
Los materiales usados para fabricar recipientes a presión deben tener buenas
propiedades de soldabilidad, dado que la mayoría de los componentes son de
construcción soldada. Para el caso en que se tengan que soldar materiales diferentes
entre él, estos deberán ser compatibles en lo que a soldabilidad se refiere. Un material,
cuando más elementos contenga, mayores precauciones deberán tomarse durante los
procedimientos de soldadura, de tal manera que se conserven las características que
proporcionan los elementos de aleación.
La Inestabilidad Elástica
Es un fenómeno asociado con las estructuras que tienen limitada su rigidez y están
sujetas a compresión, flexión, torsión, combinación de tales cargas. La inestabilidad
elástica es una condición de la cual la inestabilidad elástica es una condición en la cual
la forma de la estructura es alterada como resultado de rigidez insuficiente.
Inestabilidad plástica
El criterio de mayor uso para el diseño de equipo es aquel que mantiene los esfuerzos
inducidos dentro de la región elástica del material de construcción con el fin de evitar la
deformación plástica como resultado de exceder el punto de cedensia.
Sadm = Su ; Sadm = Sy
Fs Fs
Fs = 4 (ASME)
S = Esfuerzo
F = Deformaciones
Sy = Esfuerzo de cedencia
Su = Esfuerzo ultimo
S
Sy
Fragilidad
En los recipientes se producen cambios críticos en las propiedades físicas del material
del recipiente durante el servicio; uno de estos con frecuencia encontrado es el
hidrogeno el cual bajo la acción de elevada presión y/o elevada temperatura produce dos
efectos:
2.- Una perdida de carbono, este ataque es ocasionado por la formación de metano
resultando en la creación de fisuras con la consecuente pérdida de resistencia y dureza,
con lo que se aumenta la ductibilidad del metal, presentándose una falla por fragilidad.
Esto es más frecuente en aceros con mayor nivel de resistencia, lo mismo que con la
presencia de boquillas u otras fuentes de concentración de esfuerzos.
Los aceros más usados para este tipo de servicios son los aceros al cromo - molibdeno.
Termofluencia
El cromo, molibdeno y el níquel son los elementos adecuados de aleación para servicios
de alta temperatura.
Fatiga
La falla a la fatiga se presenta por la aplicación repetida de pequeñas cargas, las cuales
por si mismas son incapaces de producir deformación plástica que pueda detectarse con
el tiempo, estas cargas hacen que se habrá una grieta y que se propague a través de la
pieza; ocurre la intensificación de los esfuerzos y por ultimo, resulta una fractura frágil
y repentina. Los metales ferrosos y sus aleaciones tienen un valor límite de esfuerzos
repentinos, los cuales pueden aplicarse e invertirse para un gran número no definido de
ciclos sin que se causen fallas. Este esfuerzo se llama límite de fatiga.
Esfuerzo Admisible