Tuberías y accesorios

en plantas de procesamiento

Referencias Bibliográficas

Biblioteca del Ingeniero Químico,

Perry & Chilton Eds.

Richard Greene, ‘Válvulas, Selección uso y mantenimiento’

Howard F. Rase, Piping Design for Process Plants

Piping Handbook, Crocker & King Eds.

Tuberías y accesorios: algunos principio de

diseño

Relevancia del tema

Estandarización

Diseño

Accesorios

Tuberías y

accesorios:

relevancia del

análisis

� Cumplimiento del servicio (requerimientos de caudal,

regulación, calidad del producto, seguridad, costo de

bombeo)

� Incidencia en costo (materiales, instalación y

mantenimiento)

Tuberías y accesoriosrelevancia del análisis

76%

24%

tubería y válvulas resto de materiales

25 – 35 % de costos de material30 – 40 % de costos de instalación40 – 48 % de horas de cálculo ingenieril

Ejemplo, análisis de costos en planta de producción de óxido de etileno

Sistemas de cañerías: estándares

¿Por qué es necesaria la estandarización?

• Establecen criterios de diseño, seguridad,instalación y verificación

• Minimizan diferencias en el equipamiento ymateriales

Norma: Regla que se debe seguir o a que se deben ajustar las

conductas, tareas, actividades, etc.

Estándares: documentos preparados por un grupo de

profesionales con requerimientos acerca de lo que se

consideran prácticas adecuadas de ingeniería.

Escritos en forma imperativa

Código: grupo de reglas generales o estándares sistemáticos para

diseño, materiales, fabricación, instalación e inspección

preparadas de forma tal que puede ser adoptada por la

legislación

Estándares y códigos

Sistemas de cañerías: estándares

Código ASME – B31 (ANSI – B31)

ANSI (American National Standard Institute)

API (American Petroleum Institute)

ASME (American Society of Mech. Eng.),

compatible con AWS (American Welding Soc.)

Requisitos de ingeniería necesarios para el diseño yla construcción; no son códigos de diseño. Noevitan la necesidad del juicio competente delprofesional

Código ASME – B31

Prescribe los requisitos mínimos para el diseño, materiales,

fabricación, instalación, prueba e inspección

Para abordar el diseño utiliza tres criterios diferentes

� Proporciona fórmulas de diseño y esfuerzos máximos

� Prohíbe el uso de materiales, componentes o métodos de

montaje para ciertas condiciones

� Prevé el uso de componentes de dimensiones

normalizados según la presión y temperatura

Código ASME – B31

Los diferentes procesos difieren en los materiales que son prohibidospara su utilización, componentes o métodos de montaje

Se permite utilizar materiales no reseñados en las normas si hancumplido previamente un análisis de esfuerzo o pruebas deverificación)

http://www.iu.hio.no/~pererikt/Konstr/Konstr-design-II/standarder/ASMEB31.3-1.pdf

� B31.3 – Tubería de proceso

Diseño del producto químico y plantas y refinerías del petróleoque procesan los productos químicos e hidrocarburos, agua yvapor. Este código contiene las reglas para instalación eimplantación de tubos encontrados típicamente en refineríasdel petróleo; productos químicos, farmacéuticos, textiles,papel, y plantas criogénicas.

El código se aplica en instalaciones de tuberías que manejanlíquidos: (1) productos químicos crudos, intermedios, yfinales (2) productos de petróleo; (3) gas, vapor, aire y agua;(4) sólidos fluidificados; (5) refrigerantes; y (6) líquidoscriogénicos

Código ASME – B31

Consideraciones de diseño:

1-Presiones externas e internas (considerar condiciones extremas)

2-Temperaturas de diseño (para T≥0ºC,en tuberías no aisladas seconsidera la temperatura del metal como % de temperatura delfluido, para tuberías aisladas se considera igual a temp del fluido)

3-Influencias ambientales, considera el vacío provocado porenfriamiento del fluido y aumento de presión por expansión enciclo de calentamiento

Código ASME – B31

Consideraciones de diseño (continuación):

4-Efectos dinámicos, se debe prever: impacto hidráulico del fluido,

viento, terremotos y vibraciones

5-Considera peso del contenido (carga viva), cañería y accesorios

(carga muerta) y de fluido de prueba (carga de prueba)

6-Cargas de compresión – expansión térmica en tuberías con

anclajes que impiden movimiento libre de tubería

Tuberías y accesorios

�Relevancia del tema

�Estandarización

�Especificaciones de Diseño

�Accesorios

Especificación

� Método de fabricación� Material� Diámetro interno� Espesor� Expansión térmica� Aislamiento� Soportes� Accesorios

Métodos de fabricación de tuberías

Sin costura� Extrusión

� Horadado

� Moldeado (centrífugo o estático)

Métodos de fabricación de tuberías

Sin costura� Extrusión

Métodos de fabricación de tuberíasSin costura

� Horadado

Métodos de fabricación de tuberías

Sin costura� Moldeado (centrifugo o estático)

Métodos de fabricación de tuberías

� Soldados: láminas conformadas en cilindros y soldadas en las costuras (tope, traslape, refuerzo, etc.)

� Se obtienen diámetros mayores y relación espesor/diámetro menores que con el primer método

� Posibilidad de fugas en las soldaduras

Especificación

� Método de fabricación� Material� Diámetro interno� Espesor� Expansión térmica� Aislamiento� Soportes� Accesorios

Materiales para tuberías

Metálicos No metálicos

Ferrosos

No ferrosos

Fundición

Acero

Baja aleación

Aleado

Fibrocemento

gres, vidrio

PVC, PP, PE

Goma

Grafito

C>2 %

C<2%

Acero inoxidable

Cu, Ni, Pb, Al

Cuando se selecciona el material deben considerarse:

� Características del material:

Propiedades mecánicas (módulo elástico, límite de fluencia, dureza, ductilidad, resistencia a fatiga)

� Características del escurrimiento (P, T, etc.)

Materiales para sistemas de tuberías

� Sensibilidad a choque térmico: fallas por resquebrajamiento delmaterial

� El material en su entorno: degradación o fragilización porefectos ambientales (corrosión, choques térmicos, UV)

� Comportamiento frente a la exposición al fuego (fusión,degradación, pérdida de elasticidad)

� Proceso al cual sirve la instalación

Posible contaminación de producto

Seguridad del proceso

Materiales para sistemas de tuberías

Corrosión: generalizada o localizada

� Facilidad de fabricación, soldado, mantenimiento

y reemplazo

� Costo

Materiales para sistemas de tuberías

Costo de material

� Se debe considerartambién en el cálculo decosto:� tensión de diseño� densidad

� velocidad de corrosión

� costo de fabricación

Metal U$/kilo

Acero al carbono

0,6

AISI 304 3

AISI 316 5

Cobre 7

Aluminio 2.6

Monel 16

Titanio 40

Materiales para sistemas de tuberías

Tablas de compatibilidad de materiales

-)

e

de

e

(+)

efuentede

Fuente de electrones

Sumidero de electrones

M

O2

O-2

M+n

e-

Electrolito

Corrosión electroquímica

Corrosión en tuberías y accesorios

• Corrosión galvánica

• Erosión

• Cavitación

• Picado, rendija

Corrosión galvánica

• Conocida también como corrosión bi-metálica

• Condiciones: Dos metales distintos, en contacto eléctrico,inmersos en un mismo electrolito (atmósferas húmedas osoluciones corrosivas), pero también el mismo metal en doscondiciones distintas de exposición

• El metal más activo se corroe con mayor rapidez que siestuviera aislado, mientras que el metal más noble disminuyesu corrosión

Serie galvánica en agua de mar (25ºC)

→ Magnesio más activo→ Cinc→ Aluminio, cadmio→ Hierro, acero baja aleación→ Plomo→ Níquel→ Latones→ Cobre→ Bronce→ SS 316, 317→ Plata→ Platino más noble

Corrosión galvánica• De acuerdo con la tabla podrá

predecirse que el hierro tenga uncomportamiento anódico frenteal cobre

• El cinc es anódico frente al hierroy lo protege formando pargalvánico con él

• Sin embargo la morfología yvelocidad del efecto no se puedepredecir a partir de lospotenciales de electrodo, debenconsiderarse -entre otrosaspectos- las áreas expuestas(efecto de la densidad decorriente) y característicasprotectivas de los productos decorrosión formados

Recomendaciones� Seleccionar metales próximos en la serie galvánica

correspondiente

� Aislar eléctricamente metales con distinta actividad

� Eliminar relaciones de áreas desfavorables (evitar áreas anódicas pequeñas frente a una catódica grande)

� Prevenir acceso de agua y O2 a la zona de contacto de dos metales

� Tener en cuenta conductividad del electrolito

Otros tipos de morfologías

Corrosión erosión

Aumenta la velocidad de corrosión debido al

movimiento relativo de un fluido corrosivo sobre la

superficie metálica.

Debemos evitar turbulencias localizadas y altas

velocidades de flujo

Erosión en rotor

Cavitación

Presión del fluido cae por debajo de su correspondiente presión de vapor, provocando formación y colapso de las burbujas sobre la superficie

Corrosión rendija en

acero inoxidable

Acero inoxidable

�2 % de producción mundial de acero, sin embargo tienemayor importancia tecnológica y económica que la querevela su porcentaje de producción

�Utilizado en la construcción de equipamientos con mayorresistencia a la corrosión

�Aleación de hierro y cromo o hierro/níquel y cromo(contenido mínimo de 11%)

�El cromo previene la formación de corrosión enatmósferas ‘no poluídas’ (de ahí su de designaciónpopular de ‘inoxidable’)

Hay mas de 70 tipos estándares de aceros inoxidables

Cu, Ti Al, bajo Ni

MENOR RESISTENCIA A LA CORROSIÓN

304 (18/8)

317

316

Mo mayor resistencia al picado

Mo mayor resistencia al picado

309, 310, 314, 330

AleacionesNi–Cr–Fe

Cr y Ni mayor ductilidad y resistencia

a corr.

Ni mayor resistencia a la corrosión a altas

temperaturas

303, 303Se

S o Se para mejora de maquinabilidad

Endurecidos por precipitación

329, ss dobles

Cr, bajo Ni, aplicaciones especiales

AusteníticoFe–Ni–Mn–N

347

321

REDUCCIÓN DE CORROSIÓN POR SENSITIZACIÓN

Nb + Ta

Ti

304L

316L

317L

Bajo C

Ni – Cr – Fe (Mo – Cu – Nb)

Ni, Mo, Cu, Nb

Acero ¿inoxidable?

Materiales metálicos no ferrosos

Cobre y aleacionesCu: alta conductividad térmica, buena resistencia a la

corrosión, maquinabilidad, resistenciaUsado en tuberías, radiadores, equipos de destilería,

(formación de óxido protector en superficie) facilidad para operaciones de soldadura

Aleaciones de uso comúnBronce comercial (90Cu – 10 Zn) Cu/Zn : LatonesMuntz: Cu/Zn=60/40Admiralty , (Intercambiadores de calor): 71Cu-28Zn-1Sn

Cu/Sn: Bronces

Cuproníqueles

� Aluminiobaja densidad

buena resistencia a la corrosiónbuena conductividad térmicacomportamiento anfótero

� Níquelmuy buena resistencia al ataque de

álcalisMonel: aleación 33Cu – 67NiHastelloy: Ni – Mo – Fe – otros (buena resistencia a corrosión)

� Plomopoca resistencia mecánica gran maleabilidad

a mayor pureza, mayor resistencia a la corrosión

Aplicaciones industriales (revestimiento de equipos y tuberías) y transporte de agua y sustancias químicas

CincPrincipal aplicación: recubrimiento de acero (GALVANIZADO)

El Zn es más electronegativo que el Fe y actúa como ánodo de sacrificio

Aplicación en: tuberías, piezerío, alambre, chapas, etc

Materiales no metálicos

� Asbesto – CementoUtilización en aguas subterráneas, efluentes, lixiviados de fábricas de papel Óxido de silicio y cemento portland reforzado con asbesto, conformado a alta presiónManejo de soluciones en el rango de pH 4.5 – 14Material frágil, dilata al mojarse

Materiales no metálicos� Grafito impermeable: cuerpos de válvula, accesorios,

tuberías, elementos sellantes. Se hace impermeable por impregnación con resinas.

Con resina fenólica es resistente a los ácidos, álcalis y fluidos oxidantes. Caro pero duradero

Materiales no metálicos

� Hormigón (no reforzado): Ductos para aguas pluviales

� Vidrio: resistente a los ácidos salvo el HF y el H3PO4 glacial

Materiales no metálicos� PlásticoLibres de corrosión, se cortan y unen con facilidad

(calor, solventes o atornilladas)Esfuerzos y limites superiores de temperatura bajos.

Menor espaciamiento de soportes. Suceptibles a altas temperaturas e incidencia de UV

Materiales no metálicos

� PE, temperatura ambiente, resistencia a sales, NaOH y NH4OH, H2SO4, HCl y HNO3

� PVC y CPVC: resistente a temperatura ambiente a sales, alcohol y nafta, NH4OH, H2SO4, HCl, HAc y HNO3

� PP resistentes a ácidos minerales u orgánicos y sus sales, álcalis y muchos productos químicos orgánicos

� Resinas

Accesorios, recipientes y tuberías. Las resinasfenólicas, clorofenólicas, acrílicas, son resistentes amayoría de ácidos y álcalis, así también a muchoshidrocarburos, compuestos orgánicos halogenados yácidos orgánicos

Se refuerzan con asbestos, fibra de vidrio u otros

Pueden utilizarse para recubrir acero u hormigónarmado

� Tuberías recubiertas o reforzadasVidriados, caucho, PP, PTFE, hormigón, alambre,

poliésterCombinan la resistencia física de la tubería con la

resistencia química del material de recubrimiento

� Goma

Elementos móviles de bombas o válvulas

Especificación

� Método de fabricación

� Material

� Diámetro interno

� Espesor

� Expansión térmica

� Aislamiento

� Soportes

� Accesorios

Criterios para selección de diámetros internos

Diámetro económico

Selección basada en criterio económico de modo que tenerun costo mínimo de propiedad y funcionamiento de líneasy tuberías

El fluido debe ser impulsado por una bomba o compresor,cumpliendo el servicio requerido (H, P y Q) y venciendolas pérdidas por fricción

Si los efectos de fricción deben ser vencidos por un impulsor,los costos anuales son los siguientes:

� Potencia de bombeo

� Mantenimiento de bomba y línea

� Carga de costos de capital de bomba y línea

Costo($/año)

Diámetro de tubería

Costo Total

Costo de capital

Costo de mantenimiento

Costo de bombeo

1- Costo de carga de capital, proporcional a diámetro de

cañería

2- Costos de mantenimiento no son significativamente

afectados por el diámetro de cañería

3- los costos de bombeo caen rápidamente al aumentar el

diámetro de cañería

Criterios para selección de diámetros internos

1- Razones de accesibilidad en el mercado

2- Velocidades recomendadas o caídas de presión recomendadas:

Rase & Barrow, Kern, Perry

Ejemplos: líq. orgánicos no viscosos 1 – 3 m/slíq. orgánicos viscosos 0.3 – 1 m/svapor saturado 30 – 40 m/svapor sobrecalentado 50 – 80 m/s

Especificación

� Método de fabricación

� Material

� Diámetro interno

� Espesor

� Expansión térmica

� Aislamiento

� Soportes

� Accesorios

Criterios para selección de espesores

Factores a considerar:

material del caño

temperatura y presión

diámetro de la cañería

método de fabricación del caño

Espesor mínimo de pared

tm: espesor mínimo requerido [in]P: presión de diseño [psi]S: esfuerzo admisibleE: Factor longitudinal de soldaduraDo: diámetro externoY: coef. de corrección según tipo de material (0-0.7, según sea

más o menos frágil )C: factor de seguridad por corrosión, erosión, muescas o roscados

tm=

P D0

2 (SE+PY )+C

(cañerías metálicas rectas sometidas a presión interna), Perry 5ta ec.6-37:

Tuberías de acero comercial: Estándar API

Clasificación antigua: Standard (ST)

extra-strong (XS)

double extra-strong (XXS)

Pipe

Combinaciones estándar de tamaño y espesor de paredes para acero forjado

comercial

Sch ~ 1000 P/S P = presión interna de trabajo

S = esfuerzo permitido para el material

Sch number: generalmente se usan 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160.

ΦN < 10”: Sch 40 = STD y Sch 80 = XS

ΦN < 4”: Sch 160 = XXS

NNextN

NN

NextN

DD

D

D

Φ≠Φ≠→⟨ΦΦ≅→⟩Φ⟩

Φ≅→⟩Φ

int

int

''3

''12''3

''12