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FACTOR DE INTENSIFICACIÓN DE TENSIONES (SIF) PARA GEOMETRÍAS ESPECIALES EN EL ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD DE TUBERÍAS

Factor de intensidad de tensiones (SIF) según ASME B31J para geometrías especiales no cubiertas en los códigos ASME B31.1 y ASME B31.3

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

El diseño de tuberías es una parte crítica de los proyectos de ingeniería y plantas de procesos. Para obtener sistemas de tuberías seguros es imprescindible realizar un análisis de flexibilidad (análisis de tensiones) porque este tipo de análisis predice las tensiones en la tubería debido a cambios térmicos, pesos y presiones.

Los factores de intensificación de tensiones (SIF, por sus siglas en inglés) son parámetros que permiten al diseñador estimar y hacer una previsión de las tensiones máximas en tuberías y los posibles fallos por fatiga en componentes de tuberías o juntas. A continuación se explica la determinación de los factores de intensificación de tensiones (SIF) para geometrías especiales no cubiertas por los códigos ASME B31.1 o B31.3.

¿QUÉ ES EL FACTOR DE INTENSIDAD DE TENSIONES?

El factor de intensificación de tensiones (SIF) es un factor multiplicador de la tensión nominal de codos y componentes de intersección típicos (tees), lo que permite que el efecto de la geometría y la soldadura se pueda considerar en un análisis «simplificado tipo viga (beam)» (como por ejemplo los cálculos realizados con el software CAESAR II). El factor de intensificación de tensiones se usa en un análisis de tensión de tubería de la siguiente manera:

(Tensión del elemento en análisis simplificado (beam)) · (SIF) ≤ Tensión admisible

Los códigos de tuberías ASME (ASME B31.1 y ASME B31.3) establecen las fórmulas para obtener la intensificación de tensiones «i» y el factor de flexibilidad «k» para ajustar geometrías de acuerdo con el código ASME B16.9.

CADE table D300, flexibility factor, k, and stress intensitification factor, i

METODOLOGÍA

FACTOR DE INTENSIDAD DE TENSIONES (SIF) PARA GEOMETRÍAS ESPECIALES

Para geometrías especiales (válvulas, filtros, anillos de anclaje, bandas, etc.) o geometrías modificadas del código ASME B16.9 (como por ejemplo, codos recortados), es necesario obtener un factor de intensificación de tensiones válido para evitar problemas por el análisis de flexibilidad. Estos valores de intensificación de tensiones (SIF) no se contemplan en códigos de diseño como el ASME B31.1 o el ASME B31.3. Sin embargo, el código ASME B31J proporciona el método estándar para determinar el factor de flexibilidad «k» requerido y el factor de intensificación de tensiones. 

Según el Código ASME B31J, hay dos formas de obtener SIFs:

  • Ensayos reales con la geometría real.
  • Ensayos virtuales a través del método de elementos finitos (FEM por sus siglas en inglés).

La ventaja de la prueba virtual (análisis FEM) es obvia: ya que desarrollar un modelo de ensayo con la geometría real (sobre todo para diámetros más grandes) puede ser muy costoso en comparación con el análisis de elementos finitos por software.

METODOLOGÍA DE ANÁLISIS - ANÁLISIS FEM DEL FACTOR DE INTENSIFICACIÓN DE TENSIONES

El análisis FEM permitirá simular el método de prueba estándar para determinar los factores de intensificación de tensiones (factores «i») para componentes metálicos según ASME B31J y el modelo de fatiga de ciclos de vida (S-N) según la curva del test de fatiga de Markl.

Los siguientes pasos resumen la metodología de análisis para determinar el factor de intensidad de tensiones «i»:

PASO 1. DETERMINACIÓN DEL LÍMITE DE CARGA «Fe» SEGÚN ASME B31J-SECCIÓN 3.3. PROCESO DE CALIBRACIÓN DE DESPLAZAMIENTO. 

PASO 2. DETERMINACIÓN DE LA MAYOR AMPLITUD DE ESTRÉS «S» EN LA GEOMETRÍA ESPECIAL DE AJUSTE, MEDIANTE EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS CON SOFTWARE DE ANSYS.

PASO 3. DETERMINACIÓN DE LA AMPLITUD DE TENSIÓN NOMIAL «S», SEGÚN ASME B31J, SECCIÓN 4.1.

PASO 4. DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE INTENSIFICACIÓN DE TENSIONES “I”

 

PASO 5. ACTUALIZACIÓN DEL FACTOR DE INTENSIFICACIÓN DE TENSIONES SIF EN EL ANÁLISIS DE ESTRÉS Y FLEXIBILIDAD

CÁLCULOS DE ELEMENTOS FINITOS (FEM) PARA DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE INTENSIDAD DE TENSIONES (SIF) SEGÚN ASME B31J Y CÁLCULOS DE FLEXIBILIDAD DE TUBERÍAS

CADE se enorgullece de haber participado en muchos proyectos relevantes a nivel mundial para los que se han requerido cálculos bidireccionales (entre el análisis de elementos finitos FEA y el análisis de flexibilidad de tuberías con el software CAESAR II). Una valoración correcta de los factores de intensificación de tensiones en geometrías especiales reduce el riesgo de averías y fallos en los sistemas de tuberías, por lo tanto, esta parte del cálculo debe ser imprescindible en los análisis de tensión de flexibilidad. Hoy en día, la mayoría de las especificaciones de diseño de tuberías se requiere este cálculo.

Las siguientes imágenes muestran un ejemplo de un proyecto realizado por CADE, cuyos resultados obtenidos en la determinación del factor de intensificación de tensiones (SIF) en una geometría modificada (codo recortado) se usaron en los cálculos de flexibilidad realizados con el software CAESAR II.

Stress intensity factor for special geometries in piping stress analysis (factor de intensidad de tensiones)
SIF6
Pipe flexibility analysis with the SIF obtained in the trimmed elbow

RESUMEN Y CONCLUSIONES

  • El factor de intensificación de tensiones (SIF) es un factor multiplicador de la tensión nominal obtenida en un análisis de flexibilidad (como, por ejemplo, los cálculos realizados con el software CAESAR II).
  • Los códigos ASME B31.1 y ASME B31.3 establecieron el factor de intensificación de tensiones (SIF) para geometrías que se muestran en el código ASME B16.9 (geometrías normales).
  • Para geometrías especiales o modificadas (como válvulas, filtros, anillos de anclaje, bandas, codos recortados, etc.), el factor de intensificación de tensiones se calculará de acuerdo con una muestra en el código ASME B31J, que establece dos formas para obtener el factor de intensificación de la tensión: muestra con una ensayo real en un laboratorio o muestra de con una prueba virtual con un análisis FEM.
  • El análisis mediante el método de los elementos finitos (FEM) es la opción más barata para simular las pruebas obligatorias establecidas en el código ASME B31J para obtener un SIF real.
  • CADE es la mejor opción para realizar este tipo de análisis multidisciplinares, ya que posee un valorado conocimiento en ingeniería (con más de mil proyectos en más de 15 años de actividad), un equipo de ingenieros altamente cualificado y comprometido, junto con una competente gestión de negocios, que hacen de CADE una empresa líder e independiente de ingeniería y consultoría en tecnología, equipos y plantas dentro de las industrias de petróleo y energía.

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