mdp 02 ff 02 principios basicos

PDVSA N° TITULO

REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.

APROB. FECHAAPROB.FECHA

FLUJO DE FLUIDOS

� PDVSA, 1983

MDP–02–FF–02 PRINCIPIOS BASICOS

APROBADA

FEB.96 FEB.96

FEB.960 28 F.R.

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

ESPECIALISTAS

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FLUJO DE FLUIDOSPRINCIPIOS BASICOS FEB.960

PDVSA MDP–02–FF–02

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.Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Indice1 OBJETIVO 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 ALCANCE 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 REFERENCIAS 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Manual de Diseño de Procesos 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Manual de Ingeniería de Diseño 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Prácticas de Diseño 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Normas Nacionales (USA) e Internacionales 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Otras Referencias 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 DEFINICIONES 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Fluidos Newtonianos 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Fluidos no–Newtonianos 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Flujo Compresible 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Flujo Incompresible 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Flujo Laminar o Viscoso 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Flujo en Transición 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Flujo Turbulento 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Líneas de Corriente 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Factor de Fricción Fanning 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Número de Reynolds 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11 Teorema de Bernuolli 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.12 Radio Hidráulico Equivalente 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.13 Diámetro Hidráulico Equivalente 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.14 Longitud Equivalente (de una válvula o accesorio) 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15 Coeficiente de Resistencia K 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16 Coeficiente de Resistencia de Línea N 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17 Rugosidad Relativa 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18 Velocidad Crítica o Sónica (Flujo obstruido) 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.19 Golpe de Ariete por Agua 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.20 Golpe de Ariete por Vapor 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.21 Lechada (“Slurry”) 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.22 Lechadas Compactadas 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.23 Lechadas Diluidas 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.24 Velocidad Crítica de Sedimentación 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.25 Velocidad Mínima de Transporte 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.26 Viscosidad Relativa de la Lechada 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑO 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Dimensionamiento de Líneas 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5.2 Selección de la Clase de Tuberías (Schedule) 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Vibración de Tuberías 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Flexibilidad de Tubería 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Consideraciones Mecánicas Adicionales para Tubería 11. . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Golpe de Ariete por Agua 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7 Golpe de Ariete por Vapor 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8 Líneas para Agua de Reposición de Calderas en Generadores

de Vapor In Situ 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9 Requerimientos de Válvulas 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.10 Tuberías y Válvulas para Agua en Enfriadores y Condensadores 12. . . . . . 5.11 Erosión 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.12 Emulsiones 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.13 Aislamiento 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.14 Espesor de Pared 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 PROGRAMAS DE COMPUTACION 17. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 NOMENCLATURA 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 OBJETIVOEl objetivo de este capítulo es proporcionar los fundamentos teóricos que permitanuna óptima comprensión de la terminología relacionada con el área del flujo defluidos.

2 ALCANCEEn este capítulo se presentan las definiciones y los principios básicos involucradoscon el flujo de fluidos a través de tuberías y sus equipos relacionados tales comoorificios, válvulas y accesorios. Se presenta ademas el cálculo de espesor depared para tuberías sujetas a presión interna como guía general de diseño.

3 REFERENCIAS

3.1 Manual de Diseño de ProcesosPDVSA–MDP–02–FF–03 “Flujo en Fase Líquido”. (1996)PDVSA–MDP–03–S–03 “Separadores Líquido – Vapor” (1995)PDVSA–MDP–08–SA–02 “Consideraciones de Contingencia y

Determinación de los Flujos de Alivio” (1995)PDVSA–MDP–08–SA–05 “Instalación de Válvulas de Alivio de Presión”

(1995)

3.2 Manual de Ingeniería de DiseñoVol. 06 “Equipos con Fuego” Especificación de Ingeniería

PDVSA–B–201–PR “Calentadores de Fuego Directo”. (1988)Vol. 13 Tomo II “Tuberías y Oleoductos” Especificación de Ingeniería

PDVSA–HA–211–POT “Válvulas y Materiales para Oleoductos”.(1993)

Vol. 13 Tomo III “Tuberías y Oleoductos” Especificación de IngenieríaPDVSA–90617.1.040 “Selección de Válvulas”. (1994)

3.3 Prácticas de DiseñoVol. VIII Sec. 8D “Hornos de Craqueo con Vapor”. (1978)Vol. IX Sec. 15D “Sistemas de Disposición”. (1981)Vol. IX Sec. 16 “Aislamiento Térmico”. (1981)

3.4 Normas Nacionales (USA) e InternacionalesANSI B31.3, Petroleum Refinery Piping (1993)ANSI B36.10M Welded and Seamless Wrought Steel PipeAPI 5L Specifications for Line Pipe (1995)

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ISO DIS 3183 Oil and Natural Gas Industries, Steel Line Pipe (1980)

3.5 Otras Referencias1. PERRY and CHILTON’s Chemical Engineer’s Handbook, 6th Ed., Section 5,

“Fluid and Particle Mechanics.”2. Crane Technical Paper No. 410, “Flow of Fluids through Valves, Fittings and

Pipe”, 1988

3. Taylor Forge Catalog, 571, 3rd Edition, 1961.

4 DEFINICIONESLas definiciones generales para este capítulo se presentan a continuación:

4.1 Fluidos NewtonianosSon fluidos en los cuales la viscosidad es independiente del esfuerzo cortante ydel tiempo. La mayoría de los líquidos y todos los gases pertenecen a este grupo.

4.2 Fluidos no–NewtonianosSon líquidos en los cuales la viscosidad depende del esfuerzo cortante o deltiempo. Como ejemplo están las lechadas (“slurries”), emulsiones y la mayoría delíquidos con viscosidad mayor de 20 Pa.s (20000 cP) a baja tasa de esfuerzocortante (menor que 10 seg–1)

4.3 Flujo CompresibleEl flujo se considera compresible cuando la caída de presión debida al paso de ungas por un sistema es lo suficientemente grande, en comparación con la presiónde entrada, para ocacionar una disminución del 10% o más en la densidad del gas.

4.4 Flujo IncompresibleEl flujo se considera incompresible si la sustancia en movimiento es un liquido, osi se trata de un gas cuya densidad cambia de valor en el sistema en un valor nomayor al 10%.

4.5 Flujo Laminar o ViscosoEl flujo laminar ocurre cuando las películas adyacentes del fluido se mueven unasrelativas a las otras sin mezclas a nivel macroscópico. En flujo laminar, el esfuerzoviscoso, el cual es causado por intercambio de momento molecular entre laspelículas del fluido, es de influencia predominante en el establecimiento del flujode fluidos. Este tipo de flujo ocurre en líneas cuando Re<2000.

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4.6 Flujo en Transición

Es el régimen de flujo que se encuentra entre laminar y turbulento. En este régimenlas fluctuaciones de velocidad pueden o no estar presentes. Este tipo de flujoocurre en las tuberías cuando el 2000<Re<4000.

4.7 Flujo Turbulento

El flujo turbulento ocurre cuando existe un mezclado microscópico tantoperpendicular como en dirección del flujo principal. El flujo turbulento estácaracterizado por partículas que tienen movimientos fluctuantes y trayectoriasirregulares. Este tipo de flujo ocurre cuando fuerzas inerciales tienen influenciapredominante en el establecimiento del flujo de fluidos. Este tipo de flujo ocurre enlas tuberías cuando el Re>4000.

4.8 Líneas de Corriente

Son curvas imaginarias dibujadas a través de un fluido en movimiento y queindican la dirección de éste en los diversos puntos del flujo de fluidos. La tangenteen un punto de la curva representa la dirección instantánea de la velocidad de laspartículas fluidas en dicho punto.

4.9 Factor de Fricción Fanning

Es un factor empírico en la ecuación de Fanning para caídas de presión entuberías rectas. Este factor es función del número de Reynolds y la rugosidadrelativa a la pared �/d. Para una determinada clase de material la rugosidad esrelativamente independiente del diámetro de la línea, así que en el diagrama def vs. Re, d frecuentemente se reemplaza por �/d como un parámetro.

El factor de fricción de Fanning no debe ser confundido con el factor de fricciónDarcy el cual es cuatro veces más grande.

4.10 Número de Reynolds

Es un número adimensional el cual expresa la relación de la fuerza inercial y lafuerza viscosa en el flujo de fluido.

4.11 Teorema de Bernuolli

Es una forma de expresar la aplicación de la ley de la conservación de la energíaal flujo de fluidos en una tubería. La energía total en un punto cualquiera porencima de un plano horizontal arbitrario fijado como referencia, es igual a la sumade la altura geométrica, la altura debida a la presión y la altura debida a lavelocidad.

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4.12 Radio Hidráulico EquivalenteEs la relación que existe entre el área de la sección transversal del ducto por dondecircula el fluido y la longitud del perímetro mojado; se utiliza cuando la seccióntransversal del ducto no es circular.

4.13 Diámetro Hidráulico EquivalenteEs cuatro (4) veces el radio hidráulico equivalente.

4.14 Longitud Equivalente (de una válvula o accesorio)Es la longitud de tubería recta que daría la misma caída de presión que una válvulao un accesorio del mismo diámetro nominal bajo las mismas condiciones.

4.15 Coeficiente de Resistencia KEs un coeficiente empírico en la ecuación de pérdida por fricción para válvulas yaccesorios. Este expresa el número de cabezales de velocidad que se pierden porfricción. El coeficiente es normalmente una función del diámetro nominal.

4.16 Coeficiente de Resistencia de Línea NEs análogo al coeficiente de resistencia, K, pero aplicado a la fricción en tuberíasrectas.

4.17 Rugosidad RelativaEs la relación entre la rugosidad absoluta de la pared de la tubería y el diámetrointerno d, en unidades consistentes.

4.18 Velocidad Crítica o Sónica (Flujo obstruido)Es la máxima velocidad que un gas o mezcla de gas–líquido puede alcanzar enun ducto a determinada presión corriente arriba (excepto en ciertas boquillasconvergentes y divergentes), no importa cuan baja sea la presión de descarga.Para gases esta máxima velocidad es igual a la velocidad del sonido a lascondiciones locales.

4.19 Golpe de Ariete por AguaEl golpe de ariete por agua es la descarga dinámica de presión que resulta de lasrápidas transformaciones de la energía cinética en un fluido a presión cuando elflujo se detiene repentinamente. El cierre repentino de una válvula puede causargolpe de ariete por agua. Los golpes de ariete por presión pueden ser losuficientemente grandes para romper la carcaza de la bomba o reventar lastuberías, por lo tanto, esto debe ser considerado en el diseño de tuberías.

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4.20 Golpe de Ariete por VaporEs la excesiva vibración de la línea que ocurre debido a las burbujas de vaporformadas en una corriente fría de líquido.

4.21 Lechada (“Slurry”)Lechada es una mezcla de líquido con partículas de sólidos.

4.22 Lechadas CompactadasLas lechadas compactadas son lechadas con concentraciones de sólidos losuficientemente altas para que las partículas (o grupos en caso de floculación)estén en contacto. Lechadas altamente floculadas pueden formar lechadascompactadas a fracciones volumétricas tan bajas como 0.05, en contraste serequieren los valores mayores que 0.60 para que empaques al azar de esferas nointeractivas formen lechadas compactas.

4.23 Lechadas DiluidasLas lechadas diluidas son lechadas en las cuales las partículas no están encontacto. Las lechadas diluidas ocurrirán normalmente en sistemas altamentefloculados a fracciones volumétricas menores que 0.05 y en empaques al azar deesferas no interactivas a fracciones volumétricas aproximadamente menores queaproximadamente 0.60.

4.24 Velocidad Crítica de SedimentaciónLa velocidad crítica de sedimentación es la velocidad lineal más baja en la tuberíaen la cual no se acumularán sólidos en el fondo. A velocidades por debajo de lascriticas, se acumularán sólidos en el fondo de la tubería hasta que la velocidadlineal de flujo en la porción abierta de la tubería es equivalente a su velocidadcrítica de sedimentación correspondiente.

La velocidad requerida para arrastrar partículas sedimentadas en una tubería essiempre mayor que la velocidad crítica de sedimentación para tuberíashorizontales. La velocidad de arrastre puede ser dos o tres veces más alta que lavelocidad crítica de sedimentación.

4.25 Velocidad Mínima de TransporteLa velocidad mínima de transporte es la velocidad de diseño incorporando unfactor de seguridad para asegurar que no ocurrirá sedimentación.

4.26 Viscosidad Relativa de la LechadaLa viscosidad relativa de la lechada es la relación de la viscosidad de la lechaday la viscosidad del líquido solo, a una determinada presión y temperatura.

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5 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑOLas consideraciones básicas de diseño son las siguientes:

5.1 Dimensionamiento de LíneasA menos que se le fije en base a consideraciones de proceso o de seguridad, eltamaño de las líneas esta determinado por la longitud de la línea y la caída depresión admisible. La caída de presión admisible puede ser influenciada pormuchos factores incluyendo los requerimientos de proceso, económicos,seguridad y límites de ruido y vibración.

El diámetro óptimo de las líneas está determinado por el balance entre la inversiónde líneas y tuberías contra la inversión de la bomba o compresor y el costo deoperación del accionador. Todas las líneas de alto costo deben ser consideradasindividualmente y se debe calcular el caso de mínima inversión para las líneas yequipos de bombeo. Ejemplos de líneas costosas son las siguientes:

1. Líneas de aleaciones

2. Líneas con diámetro mayor de 300 mm (12 pulg).

3. Líneas fuera de límite de planta, p.e. líneas más largas de 300 m (1000 pie).

4. Líneas de acero al carbono dentro de planta conteniendo un gran número deválvulas y accesorios.

Un ejemplo particular puede ser (p.e. líneas pequeñas en servicio de presionesextremadamente altas) donde debe ser considerado el uso de tubos (“tubing”) enlugar de tubería ya que para el tubo (“tubing”) puede ser especificado el diámetrointerno y el espesor de la pared.

La Tabla 2 de PDVSA–MDP–02–FF–03 da algunas guías de las caídas de presiónóptimas en líneas de acero al carbono. Esta lista ha sido preparada tomando comobase líneas promedios en el rango de 200 m (600 pie) o menos. Estos valoresdeben ser considerados como una guía y pueden ser modificadas por razoneseconómicas. Por ejemplo, la línea de transferencia de un hidrocraqueador alseparador de alta presión puede ser dimensionada para caídas de presión de 80a 90 kPa/100 m (3.5 a 4 psi/100 pie), para minimizar el tamaño de las líneas conaleaciones.

El dimensionamiento de válvulas es también afectado por la economía. Lo típicoes usar una válvula de menor diámetro que la línea en líneas de 250 mm (10 pulg)o mayor diámetro.

El tipo de accesorios a usar también será afectado por la economía. Un accesorioque produzca un ligero incremento en la caída de presión puede sersuficientemente más bajo en costo como para lograr un ahorro general neto. Unejemplo es la selección entre un codo de radio corto (bajo costo) y codos de radio

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largo (alto costo) en sistemas de tubería de alta presión. En aquellos casos dondela elección del tipo de accesorio no es obvia, debe hacerse un estudio económicoo debe hacerse una nota en la Especificación de Diseño sugiriendo que lacompañía contratista haga tal estudio.

Algunas líneas deben ser dimensionadas en base a las consideraciones deproceso. Ejemplos de este tipo de línea son los cabezales de compresores, laslíneas de transferencia de hornos, las líneas de Dowtherm, y las líneas alrededorde los equipos de vacío.

Algunas líneas se dimensionan en base a consideraciones de seguridad. Porejemplo, líneas de entrada y salida de las válvulas de seguridad, líneas de lossistemas de descarga. Ver PDVSA MDP–08–SA–05 para bases de diseño y métodos de cálculo.

El diseño de drenaje de líquido y cabezales de recepción (Pulldown headers) quereciben material de diferentes fuentes con un rango de presión y temperatura sepresenta en Vol. IX Sec. 15D.

5.2 Selección de la Clase de Tuberías (Schedule)Para seleccionar una clase de una tubería, se debe conocer el diámetro de la línea(interno y externo) y el expesor de la pared (Vea Tabla 1). El diámetro interno dela tubería se calcula según se indicó en Dimensionamiento de Líneas. Paratuberías de 300 mm (12 pulg) o menos, el diámetro interno de la línea correspondeestrechamente al tamaño nomimal. Para diámetros mayores, el diámetro nominalcorresponde al diámetro externo.

El mínimo espesor de pared para cualquier tubería sujeta a presiones externas einternas es una función del esfuerzo permitido por el material de la tubería, deldiámetro de la misma, de la presión de diseño y de las ratas de erosión y corrosión.Además, el mínimo espesor de una tubería sujeta a presiones externas es unafunción de la longitud de la sección de la línea, pues tiene influencia sobre laresistencia a colapso de la tubería. Finalmente, el mínimo espesor de pared paracualquier tubería debe incluir una tolerancia adecuada de fabricación.

En el punto 5.14 se dan técnicas para el cálculo del espesor mínimo de pared paratuberías sujetas a presiones externas e internas.

5.3 Vibración de TuberíasLa actual tendencia a unidades y equipos más grandes incrementa el potencial deproblemas de vibración compleja. En particular, sistemas con tuberías de gas conválvulas de control han experimentado problemas de fallas por fatiga donde existióexcesiva turbulencia y alta energía acústica. Las fuerzas turbulentas excitanalgunos modos complejos de vibración en la tubería: estas vibraciones resultanen tensiones que sobrepasan el límite de tolerancia de los materiales y porconsiguiente ocurren las fallas por fatiga.

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Los problemas de este tipo deberían ser considerados al comienzo en la etapa dediseño de la planta. No hay disponibles guías explicitas para tales problemas, perocon datos limitados de las experiencias de las compañías afiliadas se handesarrollado ciertas guías para asistir al diseñador en el reconocimiento deproblemas potenciales. Los casos en los cuales se requiere comprobar el nivel deruido creado por problemas de vibración en corrientes de gas son las siguientes:

Válvulas donde:

1. El tamaño de la línea corriente abajo es de 400 mm (16 pulg) o mayor, elcaudal de flujo másico es mayor de 25 kg/s (200000 lb/h), o la relación depresión corriente arriba a corriente abajo de la válvula es mayor que 3.

2. El tamaño de la línea corriente abajo está entre de 200 mm (8 pulg) y 400 mm(16 pulg), la velocidad de la línea corriente abajo es mayor de 50% de lasónica y la relación de presión corriente arriba a corriente abajo de la válvulaes mayor que 3.

3. El tamaño de línea corriente abajo es menor que 200 mm (8 pulg) pero quepueden alargarse hasta líneas de 200 mm (8 pulg) o mas grandes, lavelocidad en la línea corriente abajo es mayor que 50% de la Sónica y larelación de presión corriente arriba–corriente abajo de la válvula es mayorque 3.

Conexiones en T donde el tamaño de la línea es 400 mm (16 pulg), el caudal deflujo másico es mayor que 25 kg/s (200000 lb/h) y existen condiciones de velocidadsónica a la salida de la conexión en T.

5.4 Flexibilidad de Tubería

La mayoría de los sistemas de tubería son restringidos contra el libre movimientotérmico de los recipientes, intercambiadores, compresores, bombas y otrosequipos que son interconectados por las tuberías. Este movimiento térmico debeser absorbido dentro de este sistema a través de lazos o juntas de expansión, loscuales son usados para dar flexibilidad al sistema de tubería. El uso de las juntasde expansión lleva a incrementar las longitudes de las tuberías y deberá serconsiderado en los cálculos de flujos. La flexibilidad de la tubería, para proveer elmovimiento térmico, debe ser adecuada para cumplir dos propósitos:

� Mantener las reacciones de las tuberías conectada a equipos(intercambiadores de plato, bombas, compresores, etc.) dentro de los límitesaceptables.

� Mantener el esfuerzo flexor en la tubería misma dentro de un rango tal que seanevitadas las fallas directas o fallas por fatigas y las fugas en uniones.

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5.5 Consideraciones Mecánicas Adicionales para Tubería

Para consideraciones mecánicas involucradas en el diseño y disposición detuberías, ver ANSI Std.B31.3, Petroleum Refinery Piping, publicado por laSociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. Vea también la última emisión decada uno de las siguientes volumenes del Manual de Ingeniería de Diseño:PDVSA–B–201–PR.

5.6 Golpe de Ariete por Agua

Para prevenir los golpes de ariete por agua, el tiempo que se tarda en cerrar lasválvulas instaladas en tuberías de un diámetro hasta 600 mm (24 pulg) debeexceder de 15 segundos. Para diámetros de tuberías de 600 mm (24 pulg) omayor, este tiempo debe ser mínimo 30 segundos.

El contratista deberá verificar, usando los cálculos apropiados, (por ejemplo, lasCartas de Allievi) que el incremento de presión debido al cierre de la válvula nosobrepresionará o dañará la línea. Los operadores de válvulas del tipo pistónneumático deberán ser evitados, porque ellos pueden causar golpes de ariete poragua debido al rápido cierre de las válvulas.

5.7 Golpe de Ariete por Vapor

La inyección de vapores condensables (p.e. vapor de agua) a líquidos deberá serhecho a través de distribuidores para prevenir las vibraciones excesivas debidoal colapso de grandes burbujas de vapor. La mínima caída de presión a través delos distribuidores deberá ser 3.4 kPa (0.5 psi). En Vol. VIII Secc. 8D se da el diseñotípico de un distribuidor para inyección de vapor a una corriente de hidrocarburos.también se puede inyectar vapor a través de un Venturi; p.e. inyección de vaporpara pruebas hidrostáticas de recipientes a presión. La mezcla de vapor y aguafría en el inyector condensaría el vapor, incrementando la temperatura del aguay minimizando las vibraciones en la línea.

5.8 Líneas para Agua de Reposición de Calderas en Generadores deVapor In Situ

Para tambores horizontales de vapor de agua, es una práctica normal inyectaragua de reposición por debajo del nivel de líquido del tambor de vapor. Paratambores de vapor verticales en los cuales el agua de reposición es saturada, éstapuede ser inyectada en la línea de alimentación a la caldera, en la línea de retornode líquido, o en el espacio de vapor del mismo tambor de vapor. Para tamboresverticales en los cuales el agua de reposición no es saturada, es bueno que seinyecte por debajo del nivel de líquido del tambor de vapor.

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5.9 Requerimientos de VálvulasLas condiciones que siguen, el uso, el diseño y la inspección de válvulas soncubiertos en cada uno de las siguientes volumenes del Manual de Ingeniería deDiseño: PDVSA–HA–211–POT y PDVSA–90617.1.040

5.10 Tuberías y Válvulas para Agua en Enfriadores y CondensadoresRequerimientos de Tuberías – La descarga del agua de enfriadores ycondensadores depende de consideraciones sobre la posible contaminación delagua. Ej.: Si la presión del agua en la corriente principal es más alta o más bajaque la presión del hidrocarburo. En el caso de condensadores elevados, el cabezalestático del agua debe ser restado de la presión del agua.

Cuando la presión del agua en la corriente principal es mayor que la presión delhidrocarburo, el agua es enviada al sistema de aguas limpias. Si la presión delagua es menor que la presión del hidrocarburo, el agua es distribuida de lasiguiente manera:

1. Al tambor separador de agua cuando la presión del vapor de hidrocarburoes mayor que 109 kPa Abs. (15 psia) a 40°C (100°F) y seguidamente va ala alcantarilla de agua limpia. (El uso de tambores separadores de agua escubierto en detalle en PDVSA–MDP–08–S–03.

2. Directamente a la alcantarilla de agua limpia en el caso de hidrocarburos máspesados.

Se deben proveer algunos medios para desviar temporalmente aguas limpias dealcantarilla al sistema de tratamiento de aguas con hidrocarburo, como precaucióncontra altos contenidos de hidrocarburos resultantes de las fugas de enfriadoresde procesos. En sistemas de recirculación, esto puede ser hecho con facilidad enuna torre de enfriamiento y no se requiere de una capacidad de desvío especial.Sin embargo un gran desvío de las corrientes de agua de enfriamiento norecicladas puede sobrecargar hidráulicamente el sistema de tratamiento. Por lotanto, deben tomarse consideraciones para suministrar la capacidad de desviarlos efluentes a un estanque de retención y/o lago artificial para reducir el flujo alsistema de tratamiento, o si la calidad es satisfactoria, al cuerpo receptor de agua.En algunos casos, puede ser práctico el uso de estanques retenedores de aguasde lluvia como almacenamiento de agua temporal para efluentes contaminados.

Requerimientos de válvulas

Se deben seguir las siguientes instrucciones:

1. La válvula de estrangulamiento (Ej. globo o mariposa) es instalada en un sólolado, a menos que el condensador o enfriador deban ser removidos deservicio (para limpieza, reparación, etc.) mientras el resto de la unidadcontinúa operando.

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2. Si el enfriador o condensador debe ser removido en operación, se debecolocar una válvula de bloqueo en el lado opuesto a la válvula deestrangulamiento.

3. Cuando la presión del hidrocarburo es mayor que el 150% de la presión dediseño del lado del agua, refiérase a PDVSA–MDP–08–SA–02 para undiscusión de sobrepresión en el lado de baja presión de intercambiadores decalor como resultado de la rotura de uno de sus tubos. Esto puede requeriruna válvula de alivio de presión en las tuberías del intercambiador o unaválvula abierta de cuerpo sellado en la salida del agua.

4. Para enfriadores y condensadores elevados en los cuales el efluente deagua es descargado a la alcantarilla, la válvula de estrangulamiento debeestar en la línea del efluente para prevenir el arrastre de vacío en el lado delagua del intercambiador. De otro modo, puede haber problemas de corrosióncausados por desorción de oxígeno. Esto no aplica para agua enrecirculación, ya que el cabezal estático debido a la elevación de la torre deenfriamiento impedirá el arrastre de vacío en el lado del agua.

El diagrama siguiente ilustra varios casos de válvulas para sistemas de agua quese pueden encontrar y la localización de la válvula reguladora para cada caso.Note que en el Caso I y III la localización de esta válvula en la línea del efluentede agua satisface el punto 4. En los casos II, III y V, son instaladas válvulas deretención en las líneas de agua de entrada de los intercambiadores para prevenirla fuga de hidrocarburos hacia la corriente de agua.

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TUBERIA Y VALVULAS DE LA LINEA DE AGUA DE ENFRIADORES YCONDENSADORES UN PASO A TRAVES DEL SISTEMA (DRENAJE)

SISTEMA DE RECIRCULACION DE AGUA (TORRE DE ENFRIAMIENTO)

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5.11 Erosión

El diseñador debería estar enterado de las condiciones siguientes que puedenincrementar la erosión e imponer límites de velocidad en el diseño:

� Ambiente corrosivo donde los productos de corrosión forman una costra desólidos desmenuzables.

� Metal blando (Ej.: plomo o cobre)� Presencia de sólidos abrasivos en el fluido de proceso.

� Gran número de accesorios de tuberías con el consecuente alto nivel deturbulencia.

5.12 EmulsionesLa reología de emulsiones ha recibido menos atención que la reología dedispersiones coloidales porque las emulsiones son sistemas mucho más difícilesde estudiar. La viscosidad de una emulsión es siempre mayor que la de la fasecontinua e incrementará con un incremento proporcional de la fase dispersa.

Típicamente, si la concentración de una de las fases de una emulsión es pequeña(p.e. menos que 0.2 m3/m3 (pie3/pie3) (20% en volumen)), esta será la fasedispersa. Cuando las concentraciones de ambas fases son aproximadamenteiguales, es imposible predecir cual será la fase dispersa, pero esto puede serdeterminada experimentalmente.

Pequeñas gotas, no excediendo unos pocos micrómetros en diámetro,generalmente se deforman aún a altas ratas de esfuerzo cortante. Con frecuenciase puede deducir información con respecto al comportamiento del flujo de éstasgotas por analogía con los datos de lechadas (slurries) homogéneas de tamañocomparable. Para gotas grandes la interpretación de los datos es más difícil, porla deformación de las gotas.

La viscosidad de emulsiones puede ser determinada usando un viscosímetro, oésta puede ser calculada basándose en los datos de caídas de presión en lastuberías. Típicamente, para emulsiones no Newtonianas, los datos de viscosidado caída de presión deben ser obtenidos a las ratas de esfuerzo cortante que seránencontradas a las condiciones de diseño de operación.

5.13 AislamientoVer Vol. IX Sec. 16 de las Prácticas de Diseño

5.14 Espesor de Pared

Los siguientes métodos de diseño y ecuaciones deben ser usados junto con elmaterial dado bajo “Consideraciones Básicas de Diseño”.

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Espesor de Pared para Tuberías Sujetas a Presión Interna

El espesor de la pared, tn, de una línea sujeta a presión interna viene dado por lasiguiente expresión:

tn �tm

0.875� t � c

0.875(1)

donde t es dado por la ecuación 2:

t �PDo

F1 S E(2)

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Enunidadesmétricas


EnunidadesinglesasÁÁÁ

ÁÁÁtnÁÁÁÁÁÁ=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁEspesor de pared, (Tabla 1)

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁmm

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁpulgÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

tmÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Mínimo espesor de pared que satisface losrequerimientos de presión más las permisibilidadesde la profundidad de rosca, la corrosión y la erosión.La mayoría de las especificaciones permiten alconstructor un 12.5% de tolerancia dimensional enel espesor de la pared. Por lo tanto, antes de escogerel espesor de la pared (Ver Tabla 1) debe dividirse tmpor 0.875.

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

mmÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pulg

ÁÁÁÁÁÁ

t ÁÁÁÁÁÁ

= ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Mínimo espesor a la presión de diseño. ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

mm ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pulgÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

cÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

= ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Corrosión total permisible, erosión y profundidad derosca.


mm ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pulg

ÁÁÁÁÁÁ

PÁÁÁÁÁÁ


Presión interna de diseño ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

kPa man. ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

psigÁÁÁÁÁÁ

DoÁÁÁÁÁÁ


diámetro externo de tubería ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

mm ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pulgÁÁÁÁÁÁ

SÁÁÁÁÁÁ


Esfuerzo permitido. ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

MPa ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

psiÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

EÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

= ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Factor longitudinal de Soldadura de ANSI B31.3,Tabla 302.4.3. Para tubería sin costura E = 1.0.


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁF1ÁÁÁÁÁÁ


Factor que depende de las unidades usadas ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

2000 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

2

La Ecuación 2 da un resultado ligeramente conservativo y es adecuado para elcálculo de flujo de fluido. Un método más riguroso para cálculo o espesor de paredbasado en los requerimientos mecánicos es dado en ANSI B31.3.

Espesor de Pared para Tuberías Sujetas a Presión Externa

Para calcular el espesor de la pared requerido para cualquier tubería sujeta apresión externa, determine “t” por el procedimiento dado en ANSI B31.3.Entonces, calcule “tn” y seleccione el espesor de la pared de la tubería como sedescribió anteriormente.

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6 PROGRAMAS DE COMPUTACIONA continuación se presentan los programas de computación disponibles para elmomento en la industria:

INPLANT versión 3.1, SIMSCI Latinoamericana, C.A.: Simulador que permitediseñar, evaluar y/u optimizar instalaciones de flujo de fluidos en procesosindustriales. Puede utilizarse para dimensionar líneas, determinar la potencia debombas y compresores, predecir temperaturas, presiones, velocidades y flujos.Permite el cálculo de tuberías con accesorios y cálculos en una fase o en multifase.

Las siguientes filiales disponen del mismo:

– CORPOVEN (Caracas y Puerto la Cruz)– LAGOVEN (Occidente y Amuay)– MARAVEN (Occidente)PIPEPHASE versión 7, SIMSCI Latinoamericana, C.A.: Simulador de redes deflujo de fluidos en estado estacionario o transciente, que permite diseñar, evaluary/u optimizar sistemas complejos de flujo de fluidos a nivel de producción.


– CORPOVEN (Oriente)– LAGOVEN (Oriente y Occidente)– MARAVEN (Occidente)THE CRANE COMPANION versión 2.0, Crane: Versión computarizada delTechnical Paper No. 410 “Flow of Fluids trough Valves Fittings and Pipe”.Programa que permite diseñar, evaluar y resolver sistemas de flujo de fluidos através de tuberías, tubos y válvulas; así como evaluar sistemas que contenganbombas centrifugas y bombas de desplazamiento positivo.


– INTEVEP

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7 NOMENCLATURA

(Excluye la Tabla 1, la cual es auto explicativa, la unidad entre parénesis esla mas usada para la variable en el sistema ingles).

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

c ÁÁÁÁÁÁ

= ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Tolerancia total de corrosión, erosión y profundidad de rosca, mm(pulg)

ÁÁÁÁÁÁÁÁ

DoÁÁÁÁ

= ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Diámetro externo de tubería, mm (pulg)ÁÁÁÁÁÁÁÁ

deqÁÁÁÁ


Diámetro hidráulico equivalente, mm (pulg)ÁÁÁÁÁÁÁÁ

E ÁÁÁÁ


Factor de eficiencia de Soldadura, adimensionalÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

F1 ÁÁÁÁÁÁ

= ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Factor que depende de las unidades usadas (2000 en unidadesmétricas y 2 en unidades inglesas).

ÁÁÁÁÁÁÁÁ

f ÁÁÁÁ


Factor de fricción de Fanning, adimensionalÁÁÁÁÁÁÁÁ

k ÁÁÁÁ


Coeficiente de resistencia (Ver Definiciones)ÁÁÁÁÁÁÁÁ

LeqÁÁÁÁ


Longitud equivalente de tubería o accesorio, m (pulg)ÁÁÁÁÁÁÁÁ

N ÁÁÁÁ


Coeficiente de resistencia de tubería (Ver Definiciones)ÁÁÁÁÁÁÁÁ

PÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Presión interna de diseño, kPa manométricos (psig)ÁÁÁÁÁÁÁÁRe

ÁÁÁÁ=

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁNúmero de Reynolds, adimensionalÁÁÁÁ

ÁÁÁÁSÁÁÁÁ=

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁEsfuerzo permitido, MPa (psi)ÁÁÁÁ

ÁÁÁÁtÁÁÁÁ=

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁMínimo espesor requerido por presión interna o externa, mm (pulg)ÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

tmÁÁÁÁÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Mínimo espesor de pared Satisfaciendo los requerimientos depresión más erosión, corrosión y profundidad de rosca permitidas,mm (pulg)

ÁÁÁÁÁÁÁÁ

tn ÁÁÁÁ


Espesor de pared nominal de tubería, mm (pulg)ÁÁÁÁÁÁÁÁ

�ÁÁÁÁ


Rugosidad absoluta, mm (pulg)

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Los datos tabulados abajo se usan generalmente en el diseñode tubería. Muchos de los espesores que tradicionalmente seincluyen en este tipo de tablas se han omitido debido a quese han hecho obsoleto por el desuso y por no estar cubiertospor ningún estándar.

Los diámetros y espesores listados aquí son cubiertos por lassiguientes normas estándares.

1. American Standard ANSI B36.102. American Petroleum Institute Standard API 5L

Taylor Forge Electric Fusion Welded Pipe produceuna amplia variedad de aplicaciones para diámetrosy espesores los cuales no tienen designaciónestándar.

Todos los datos están computados de lasdimensiones nominales listadas y el efecto detolerancia de manufacturación no es tomadoen cuenta. Los valores son computados de lassiguientes ecuaciones:

Radio de giro R � D2 � d2�

4

Momento de inercia : I � R2 A

Módulo de la sección : Z � I0, 5 D

* Tabla extraida de las Prácticas de Diseño, Vol. 8 Secc. 14. “Flujo de Fluidos”. (1979)

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TABLA 1. * PROPIEDADES DE DISEÑO DE TUBERIAS

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TABLA 1. (CONTINUACION)

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NOTAS PARA LA TABLA 1:

Las siguientes notas se aplican a esta versión de la Tabla 1:1. Los números en negrilla están en pulgadas. Los números restantes representan el valor nominal

equivalente en mm. Estos no tienen status oficial en USA, pero están de acuerdo con los diámetrosnominales propuestos por la British Steel Corporation para tamaños hasta 900 mm (36 pulg)inclusive.

2. Los números en negrilla están en pulgadas. Los números restantes son los valores equivalentesen mm, computados con una precisión de 0.1 mm (0.0039 pulg) para tuberías de diámetro nominalhasta 400 mm (16 pulg) y con una precisión de 1 mm para diámetros más grandes. El diámetroexterno indicado (ambos en mm y pulg) para tuberías de diámetro hasta 400 mm (16 pulg) inclusive,están de acuerdo con los dados por British Steel Corporation, también como Metric Table 6.1 of API5L. Para diámetros nominales de tuberías de 300 mm (12 pulg) y mayores, los diámetros exterioresindicados (ambos en mm y pulg) están de acuerdo con los valores en ISO Draft InternationalStandard (DIS) 3183.

3. Multiplique el valor tabulado por 25.4 para obtener el valor en mm.4. Multiplique el valor tabulado por 1.488 para obtener masa de metal en kg/m de tubería.5. Multiplique el valor tabulado por 1.488 para obtener masa de agua en kg/m de tubería.6. Multiplique el valor tabulado por 0.3048 para obtener áreas en m2/m de tubería.7. Multiplique el valor tabulado por 6.452 x 10–4 para obtener áreas de flujo en m2.8. Multiplique el valor tabulado por 6.452 para obtener áreas de metal en cm2.9. Multiplique el valor tabulado por 41.62 para obtener momento de inercia en cm4.

10. Multiplique el valor tabulado por 16.39 para obtener el módulo de la sección en cm3.

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mdp 02 ff 02 principios basicos

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