Análisis de estrés de tuberías con ratio d/t >100

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analisis de estres de tuberias

En ciertas ocasiones, en el desarrollo de proyectos donde hay involucradas tuberías de gran diámetro, surgen escenarios en los que el ratio diámetro (D) / espesor (t), llega a ser más de 100. 

Es habitual encontrar esta situación en sistemas con tuberías de gran diámetro que trabajan a baja presión, en los cuales el espesor calculado debido a la presión interna es muy bajo.

analisis de estres de tuberias
Derivación en tubería de gran diámetro y bajo espesor sobre-tensionada (Software CAESARII)

En el momento de realizar el cálculo de estrés y flexibilidad de estas tuberías, hay que prestar especial atención a la aplicación de los Factores de Intensificación de Esfuerzos (SIF). Así pues, si nos fijamos en el código ASME B31.3, en el apartado 319.3.6 Flexibility and Stress Intensification Factors, nos indica que, en ausencia de datos más directamente aplicables, los SIF deben ser consultados en la Tabla 300 del Apéndice D. Es en esta parte del código donde se alerta mediante una nota general de que dichos valores solo han sido validados para la situación donde se cumple que D/t<100 y por lo tanto no pueden aplicarse cuando D/t>100.

En este caso, el código en sus últimas ediciones nos remite al estándar ASME B31.J su correcta determinación, si bien es cierto que hay otros métodos para obtenerlos a través de diferentes herramientas.

analisis de una derivacion de gran diametro mediante fea software nozzelpro
Análisis de una derivación de gran diámetro mediante FEA (Software NozzelPRO)

Una vez determinados adecuadamente los SIF, es momento de aplicarlos en el cálculo de estrés y flexibilidad. Habitualmente, los programas de cálculo más extendidos aplican directamente estos valores basados en el Apéndice D del código ASME B31.3/1 si el ratio D/t<100. Si por el contrario, el ratio D/t es mayor que 100, los programas suelen mostrar una “alerta”, pero permiten la ejecución del cálculo y la obtención de unos resultados que no serían válidos. Así pues, el calculista, como responsable del cálculo, debe actuar adecuadamente y no pasar por alto esta situación.

mensaje de alerta Software CAESARII
Mensaje de alerta (Software CAESARII)

Adicionalmente a la correcta determinación de los SIF y su aplicación adecuada, es necesario remarcar que un sistema de tuberías en el cual el espesor es demasiando delgado, pueden aparecer otros fenómenos que no son analizados por los programas de cálculo de estrés habituales. Esto es debido a que son efectos localizados, causados por imperfecciones en el proceso de fabricación, corrosión no uniforme, picaduras, etc. El pandeo, entre otros, es uno de los fenómenos que pueden aparecer; de nuevo el calculista, como responsable, debe actuar de manera adecuada. 

Llegados a este punto, no es extraño que el sistema tenga que ser validado por herramientas más avanzadas que sí pueden considerar estos fenómenos y así evaluar adecuadamente el sistema ante otros tipos de fallos. El análisis mediante elementos finitos (FEA), puede ser la solución para estos casos.

analisis de un sistema de tuberias de gran diametro mediante fea software ansys
Análisis de un sistema de tuberías de gran diámetro mediante FEA (Software ANSYS)

En conclusión, cuando iniciemos el análisis de un sistema de tuberías de gran diámetro y bajo espesor, es necesario tener en cuenta variables de cálculo y fenómenos mecánicos que no suelen estar presentes en los sistemas de tuberías más habituales de las instalaciones (diámetros entre 2” y 24” con espesores calculados para medias y altas presiones internas). Un enfoque del problema adecuado, fundamentado en los códigos de diseño y con el uso de las herramientas apropiadas, será necesario para asegurar un correcto diseño del sistema.

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