Curso Asme B31.3 Casopractico Grupo 1 Rev.0 612w2w

GMI S.A.

CURSO E-LEARNING: APLICACIONES ASME B31.3 TUBERIAS DE PROCESO DE REFINERÍAS Y PLANTAS QUÍMICAS

CASO PRÁCTICO: DISEÑO DE DERIVACIONES DE TUBERÍAS EN UN SISTEMA DE REFRIGERACION INDUSTRIAL

INTEGRANTES DEL GRUPO Nº1: RAFAEL TORRES VELAZCO CHRISTIAN ROSARIO ESCOBAR FERNANDO ORREGO FERNÁNDEZ WALTER ROJAS PEREZ

PROFESOR: BRENER SILVA RAMIREZ

FECHA: 07 DE NOVIEMBRE DEL 2011

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INDICE Pág. 1. OBJETIVO ……………………………………………………………..………… 3 2. DESCRIPCION DEL CASO ……………………………………………..……… 3 3. DESARROLLO …………………………………………………………..………. 3 3.1 Criterios para el desarrollo del tema. Diseño ……………………….……... 3 3.2 Elección de los Materiales ………………………….………..……….……... 5 3.3 Definición de los espesores mínimos para las tuberías …….…….…...... 5 3.4 Dimensiones ANSI B36.10 de los materiales a usarse ……………..…... 6 3.5 Determinación de las características de las Bridas .………………...….… 6 3.6 Derivaciones …………………… …………………………….…….…….…… 6 3.7 Soldadura de derivaciones y bridas……………..……….……………...……11 3.8 Requerimientos para tratamiento térmico……….…….….……….........……13 3.9 Aislamiento lado de succión…………………………………………..….……13 3.10 Protección lado de descarga…………………………………..………..….. 13 4. CONTROL DE CALIDAD …………………………..……………...……....…..….13 5. OBSERVACIONES……………………………………………….………………… 14 6. CONCLUSIONES……………………………………………….…………..…….…14 7. ANEXOS 7.1 Diagrama del Sistema de Refrigeración Nº SKK-001 ……….……..…… .…15 7.2 Curva de saturación del amoniaco ……………………………….…………….16 7.3 Detalle de soldadura de Caso 1 y Caso 2………………………….………….17 7.4 Juntas de soldadura pre-calificadas………………………..………………18-19 7.5 Tamaños de soldadura mínimos……………………………….………………20 2   

CÁLCULO DE DERIVACIONES DE TUBERÍAS EN UN SISTEMA DE REFRIGERACION INDUSTRIAL 1. OBJETIVO El objetivo del trabajo, es determinar mediante pautas contenidas en la norma ASME B31.3, los requerimientos mínimos necesarios para diseñar derivaciones técnicamente confiables en las líneas de succión y descarga de un sistema de refrigeración industrial que usa como elemento refrigerante el amoniaco anhidro, NH3. El diseño contempla en forma específica lo referido al cálculo de la derivación, de las bridas y el control de calidad respectivo. 2. DESCRIPCIÓN DE CASO En una industria con procesos que requieren uso de túneles de enfriamiento, se ha definido la necesidad de incrementar un compresor en la línea de descarga del sistema, antes del condensador. Paralelamente, en el manifold de la salida del túnel de enfriamiento, se hará una derivación hacia la succión del nuevo compresor (Ver Anexo 7.1). La línea de descarga de los compresores reciprocantes existentes, es una tubería de acero de de PN 6” . El nuevo compresor tiene una descarga de PN 3” de diámetro, se debe empalmar a la línea existente mediante una derivación que tendrá una inclinación de 45º (Caso 2). El manifold de la salida del túnel es una tubería de PN 12” a la que se conectará una derivación en ángulo recto para empalmar con la línea de succión PN 6” del nuevo compresor (Caso 1). La derivación en los dos casos estarán soldados a los tubos principales y unidos mediante bridas en los extremos opuestos. El sistema de refrigeración aludido opera con amoniaco y las condiciones de operación son de 14.2 PSI presión de evaporación y 185 PSI presión de condensación. La tubería de descarga del compresor alcanza temperaturas hasta de 120ºC. Información que da el dueño es que el sistema de tuberías se ha fabricado con elementos de acero al carbono. 3. DESARROLLO 3.1 Criterios para el desarrollo del tema. Diseño a) Definición de parámetros según explicación del caso para iniciar el diseño Analizando la curva de saturación Presión-Temperatura del amoniaco se observa que: 3   

Caso 1, en la línea de succión del compresor, 14.2 PSI corresponde 263ºK, -10ºC (condiciones de evaporación) Caso 2, en la línea de descarga del compresor, 185 PSI corresponde a 312ºK, 39ºC (Condiciones de condensación) Temperatura de la tubería de descarga del compresor reciprocante, 120ºC b) Elección inicial del tipo de material para las tuberías Se selecciona como material a usar en los trabajos el acero al carbono, por las siguientes razones: - Gran resistencia al choque. - Pueden trabajar a presiones y temperaturas elevadas. - Poseen buenas características de resiliencia y tenacidad. - Son mecanizables y soldables. - Es acero comercial en el mercado local. c) Características del fluido. El amoniaco NH3, es una sustancia que a temperatura ambiente y presión atmosférica permanece en estado de vapor. Es incoloro, más ligero que el aire, de olor irritante, picante; arde en presencia del aire a 900ºC, se disuelve fácilmente en agua. El amoniaco en mezcla con el aire entre 16% hasta 25% en volumen, puede producir explosión. Al combinarse con el agua de las mucosas se forma hidróxido de amonio (NH4OH) que daña fundamentalmente el tracto respiratorio superior y ocasiona lesiones similares a las producidas por los cáusticos alcalinos tipo lejía. Produce edema de glotis. Esta última descripción que puede impactar negativamente en el personal, califica al fluido como categoría M de acuerdo 300.2 y al Apendice M de ASME B31.3. En consecuencia, el diseño se hará aplicando las normativa Contenida en M 302. d) Influencia del ambiente y efectos del aire El aire del ambiente contiene humedad, por efecto de la condensación se formará hielo en las tuberías del lado de succión ya que la temperatura en ese lado está por debajo de 0º C. Para evitar esta humedad que ocasiona corrosión y quita eficiencia al sistema, las tuberías deben contar con aislamiento térmico. e) Efectos cíclicos Los sistemas de refrigeración, normalmente operan en porcentajes de carga que oscilan entre el 30% y 100%, estas variaciones se manejan mediante la interconexión de las etapas de un mismo compresor y/o alternando otros compresores. Estos efectos cíclicos pueden influir en el nivel de vibración de las tuberías por que mueven diferentes cantidades de fluido pero lo hacen en forma controlada. h) Efectos dinámicos Los compresores reciprocantes transmiten por si mismo vibración 4   

a su entorno, más aun, a sus redes de tuberías que lo conectan con el resto del sistema. De otra parte, la descarga del NH3 de los compresores reciprocantes es pulsante, haciendo que la dinámica del fluido dentro de las tuberías también puede transmitir vibraciones pero no de alta frecuencia. 3.2 Elección de los materiales. Establecido ya que el material debe ser acero al carbono, en la tabla A1 se busca el material que cumple con los requisitos planteados de presión y temperatura más críticos: En la succión del compresor: -10°C a 14.2 PSI En la descarga del compresor: 120°C a 185 PSI Se encuentra que, el acero A 53 Gr. B, que es un acero comercial en el mercado local, cumple los requisitos de presión. También la tabla A1 sugiere revisión de la tabla 323.2.2 A que indica temperaturas mínimas aplicables al acero al carbono; el acero seleccionado puede trabajar con temperaturas de hasta -28.9° C, que excede la exigencia planteada por el sistema de refrigeración. 3.3 Definición de los espesores mínimos para las tuberías. Determinaremos los espesores de las paredes de ambas tuberías: En la succión del compresor: -10°C a 14.2 PSI, Diám. nominal 6” En la descarga del compresor: 120°C a 185 PSI, Diám. nominal 3” Ubicación de la tubería: En la succión En la descarga Según Material de la tubería: A53 Gr.B A53 Gr.B Elegido Temperatura (ºF): 14 248 Dato Presión de Diseño (PSI): 14.2 185 Dato Diám. Ext. del tubo (Pulg): 6.625” 3.50” ANSI B36.10 Esfuerzo permisible (PSI): 20000 20000 Tabla A-1 a la Temperatura ºF Factor calidad p’soldadura (Ej): 1.0 1.0 Tabla A-1B tubería sin costura Factor de reducción de (W): 1.0 1.0 Tabla 302.3.5 resistencia de junta soldada Coeficiente ( Y ): 0.4 0.4 Tabla 304.1.1 Para t < D/6 : Espesor mínimo ( t ) en Pulg: ASME B31.3 ecuación t = PD/2(SEW+PY) 0.002 0.016 3.2.1.1 (3a) Tolerancia p’corrosión ( c ) Pulg: 0.100 0.100 Elegido Espesor pared del tubo (tm) Pulg: 0.102 0.116 =t+c Esp. comercial d’tubo (tcom) Pulg: 0.280 0.216 Sch.40 Tolerancia de Fabric.(tf) Pulg: 0.035 0.027 = 12.5% tcom Esp. mínimo de tubo (Tmin) Pulg: 0.245 0.189 = tcom - tf Tmin > tm: OK OK Tubo verificado: 6” Sch.40 3” Sch.40

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3.4 Dimensiones ANSI B36,10 de los materiales a usarse.

Diámetro nominal pulg. 3 6 12

ACERO AL CARBONO A-53 Grado B Diámetro Diámetro Espesor de Peso en Cédula exteriorinteriorpared en lb x pie pulg. pulg. Pulg (mm) 3.500 3.068 0.216 (5.5) 7.58 Sch 40 6.625 6.065 0.28 (7.1) 18.97 Sch 40 12.75 12.00 0.406 (10.31) 49.56 Standard

3.5 Determinación de las características de las Bridas. Determinaremos los espesores de las paredes de ambas tuberías: En la succión del compresor: -10°C a 14.2 PSI, Diám. nominal 6” En la descarga del compresor: 120°C a 185 PSI, Diám. nominal 3” Ubicación de la brida: En la succión En la descarga Según Material de la brida: Acero al carbono forjado A 105 A 105 Elegido Temperatura (ºF): 14 248 Dato Presión de Diseño, Pd (PSI) 14.2 185 Dato Diámetro Nominal (Pulg): 6” 3” Dato CLASE de Presión (PSI): 150 150 Elegido Rating Máx. presión, Pm (PSI): 285 245 ASME B16.5 a la Temperatura ºF Pm > Pd: OK OK Brida verificada: 6” Class 150 3” Class 150 Tipo de Brida: Welding Neck Welding Neck Para cumplir con los requerimientos del punto M308.2 de la especificación ASME B31.3. 3.6 Derivaciones 3.6.1 Definir requerimiento de refuerzos CASO 1: En la entrada al compresor:

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    Asumimos inicialmente Tr = 0     

 

 

      

       

             

Calculando los valores de t para la tubería y el ramal (derivación): 7   

   

           

Calculo de las Áreas: *

   

*

   

 

*

         

no es necesario colocar

Dado que se cumple la condición

adicionalmente un refuerzo para mantener la presión interna.   8   

CASO 2 : En la salida del compresor:                        

 

      

       

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Calculando los valores de t para la tubería y el ramal (derivación):

 

            Calculo de las Áreas:         

 

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Dado que se cumple la condición

no es necesario colocar

adicionalmente un refuerzo para mantener la presión interna. 3.6.2 Tamaño de refuerzo Se encontró que no se requiere refuerzo en ningún caso.

3.7 Soldadura de derivaciones y bridas Consideraciones generales: 1. Se aplica Capítulo VIII, para fluidos categoría M. Indica que se cumple Párrafo 328.3 en su totalidad, excluyendo lo correspondiente a Párrafo M328.3. 2. Detalle de la soldadura se basa en Fig. 328.5.4D 3. Soldadura debe ser calculada según Párrafo 304.3.3, pero no deben ser menores que mostrados en Fig. 328.5.4D. 4. Debe ser soldadura de penetración completa. 5. Se realizará una pasada de cubierta según Fig. 328.5.4D, esquemas (1) y (2). Teniendo una raíz no menor a tc. 6. Se considera soldadura eléctrica con Electrodo 6011 para la raíz y 6013 para acabado superficial. Nomenclatura: Th = Espesor nominal de la tubería principal (pulg) Tb = Espesor nominal de derivación (pulg) Tr = Espesor del refuerzo (pulg) tc = Mínimo (0.7 Tb , 0.25”) Tmin = Mínimo (Tb , Tr) 3.7.1 Soldadura de derivaciones CASO 1: Tubería principal : *Diametro nominal = 12” *Material = A-53-Grado B *Cédula = Standard *Diámetro exterior = 12.75” 9.5 mm

*Espesor nominal de pared = Th = 0.375” =

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Tubería de derivación: *Diametro nominal = 6”

*Material = A-53-Grado B *Cédula = 40

*Diámetro exterior = 6.625” mm

*Espesor nominal de pared = Tb = 0.28” = 7.1

Según análisis de refuerzo : NO REQUIERE reforzamiento (Inciso 3.6.2) Se aplica Figura 328.5.4D, Esquema (2). tc = Minimo ( (0.7x 0.28 = 0.196”) , 0.25”) = 0.196” = 4.98 mm Se puede realizar una pasada de soldadura de filete de cubierta, con una garganta de tc=0.196” según figura 328.5.4D, esquema 2. Mínimo tamaño para soldadura de filete (según tabla J2.4 del AISC ASD Manual, ver Anexo 7.4) = 3/16” = 0.1875” = 4.8 mm Entonces se escoge tamaño de soldadura = 1/4” El detalle de la soldadura ver en Anexo 7.3. CASO 2: Tubería principal : *Diametro nominal = 6”

*Material = A-53-Grado B *Cédula = Sch 40

*Diámetro exterior = 6.625” mm

*Espesor nominal de pared = Th = 0.28” = 7.1

Tubería de derivación: *Diametro nominal = 3”

*Material = A-53-Grado B *Cédula = Sch 40

*Diámetro exterior = 6.625” 5.49 mm

*Espesor nominal de pared = Tb = 0.216” =

Según análisis de refuerzo : NO REQUIERE reforzamiento (Inciso 3.6.2) Se aplica Figura 328.5.4D, Esquema (2). tc = Minimo ( (0.7x 0.216 = 0.15”) , 0.25”) = 0.15” = 3.84 mm Se puede realizar una pasada de soldadura de filete de cubierta, con una garganta de tc=0.15” según figura 328.5.4D, esquema 2. Mínimo tamaño para soldadura de filete (según tabla J2.4 del AISC ASD Manual, Ver Anexo 7.4 ) = 3/16” = 0.1875” = 4.8 mm 12   

Entonces se escoge tamaño de soldadura = 3/16” El detalle de la soldadura ver en Anexo 7.3. 3.7.2 Soldadura de bridas Para CASO 1 y CASO 2: - Las bridas a usar son de tipo Welding Neck según M308.2. - Se requiere soldadura a tope con bisel y penetración completa, por lo cual se escoge el tipo “Single V-groove Weld(2), Butt t (B)” según pág. 4-159 de AISC ASD Manual 9th Edition. Ver Anexo 7.4-2. 3.8 Requerimientos para Tratamiento Térmico. Según las tuberías que estamos usando: Diám. nominal 6” Diám. nominal 3” Ubicación de la brida: En la succión En la descarga Según Material de la tubería: A53 Gr.B A53 Gr.B Elegido P-No. or S-No. del Material: 1 1 Tabla A-1 Análisis de metal soldadura: 1 1 Tabla 331.1.1 Diám. Ext. del tubo (Pulg): 6.625 3.500 ANSI B36.10 Espesor del tubo (Pulg): 0.280 0.216 Sch.40 Requerimiento de Tratamiento Térmico: No Requiere No Requiere Tabla 331.1.1 (Espesor nominal < 0.750”). 3.9 Aislamiento del lado de succión El aislamiento térmico en el lado de succión será calculado de acuerdo a ASHARE para condiciones de tubería a – 10°C, con material aislante similar a lana mineral o de menor coeficiente de conductividad. El aislamiento llevará protección de aluminio de 0.5 mm. 3.10 Protección en el lado de descarga Por ser el lado de descarga del compresor una zona caliente (120°C), que podría poner en riesgo la integridad del personal de operaciones y mantenimiento y de otra parte el lado de descarga no debe aislarse térmicamente para no afectar el rendimiento del sistema; se prevée una barrera física que será tipo rejilla que será levantada en campo, con varillas de acero estructural A-36 para evitar el o con las zonas calientes. 4. CONTROL DE CALIDAD. Para asegurar la calidad de la construcción y el montaje se define los siguientes requerimientos: a) Examinación por parte del fabricante - Certificados de calidad de los materiales a usar: tuberías -bridas - Protocolos de trazabilidad - Certificado de calificación de soldadores. Mínimo 6G 13   

- Protocolos de END , liquido penetrante al 100% de las uniones soldadas. - Protocolos de END, radiográficas al 100% de las uniones soldadas b) Examinación por parte del montador. - Certificado de calificación de soldadores. Mínimo 6G - Protocolos de nivelación y alineamiento de tuberías - Protocolos de END, liquido penetrante al 100% de las uniones soldadas. - Protocolos de END, radiográficas al 100% de las uniones soldadas - Protocolos de torque de las uniones embridadas. - Prueba de fugas. Referirse a las normas ASHRE para sistemas de amoniaco c) Inspección del propietario - Supervisar las tareas de fabricación en talleres y el montaje en campo de acuerdo a 344.7 de ASME B31.3 - Revisar los certificados y protocolos emitidos por el fabricante y el montador. - Verificar in situ, que el personal adopte las buenas prácticas para construcción y montaje, además de las buenas prácticas de seguridad y cuidado del medio ambiente. - Verificar la presión de prueba: PD x1.5 PD = Presión de diseño para lado de succión y descarga

5. OBSERVACIONES - Por razones prácticas derivadas de la experiencia en campo, se ha asumido que las tuberías antiguas son compatibles para el proceso de soldadura con las tuberías indicadas por el diseño. - Para las condiciones de este diseño, los materiales estandarizados cumplen con exceso las exigencias previstas. 6. CONCLUSIONES - El diseño en cuanto a materiales, tamaños y proceso constructivo para este caso cumple con la norma ASME B31.3. - En este caso no requiere reforzamiento en las derivaciones de las tuberías. - El diseñador de sistemas de tuberías debe tener una rica experiencia para aportar al diseño una serie de variables que la misma norma da como responsabilidad al diseñador.

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