INSTALACIONES 2

Compendio de los Principales Criterios en Materia de Soportaría NSTALACIONES I

Instalaciones Compendio de los Principales Criterios en Material de Soportaría www.clayton.com.mx

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Marco Introductorio “Instalaciones II”

Clayton de México, siempre se ha distinguido por su espíritu innovador e icónico en materia térmica, termodinámica e hidrónica, en virtud de lo anterior y atento a las buenas prácticas ingenieriles, se ha esforzado en conjuntar un manual a modo de “Compendio de los Principales Criterios en materia de Soportaría para Instalaciones”. Este compendio está fuertemente acentuado en lo relativo a aplicaciones termodinámicas, hidráulicas e hidrónicas de todo tipo, detallando los factores principales y criterios aplicables para el cálculo de momentos, curvas, elongaciones, entre otros diversos conceptos correlativos aplicables. Integraremos el marco teórico y los principios fundamentales de cálculo, con nuestras experiencias y “Buenas Prácticas” procurando conjuntar una guía completa y detallada que facilite cualquier tipo de instalación relacionada en el mundo real. Nuestro acento será claramente la “Soportaría” como eje fundamental de cualquier instalación, sus características, condiciones, tipos y peculiaridades, sin menoscabo de otros factores y tópicos correlativos aplicables. Detallaremos los distintos momentos, condiciones de flujo, ángulos y hasta formas caprichosas, haciendo particular hincapié en su comportamiento, durabilidad y desempeño. Iniciemos juntos este análisis, al apasionante mundo de la “Soportaría” como eje neurálgico de cualquier instalación, termodinámica, hidráulica e hidrónica.

“ Las Buenas Prácticas Ingenieriles, son la Firma del Ejecutor y el Factor de Diferenciación entre el Improvisado y el Experto”

Jorge Henríquez Gerente General para México y América Latina

Propósito

Este libro tiene como objetivo fundamental el detallar y profundizar en los aspectos medulares de la “soportaría”, como elemento clave y crítico de cualquier instalación termodinámica, hidráulica e hidrónica principalmente. Profundizaremos en los criterios, preceptos y conceptos de mayor valor y utilidad práctica, con el fin de integrar una guía, ágil, completa y dinámica, sin embargo fusionando el marco teórico con la implementación en campo. Pretendemos convertir este compendio en un referente obligado, para cualquier especificador, ingeniero de proyectos, instalador y público en general relacionado al apasionante mundo de las aplicaciones, sus implicaciones en el ámbito de instalaciones y con un agudo acento en lo relativo a soportaría.

INSTALACIONES II

INTRODUCCIÓN

Generalidades Recopilación de información básica

CAPÍTULO I DISEÑO DE TUBERIAS EN LA INDUSTRIA

1.1 Impacto en la industria 1.2 Consideraciones del diseño 1.3 Normatividad CAPÍTULO II SOPORTES PARA TUBERIA

2.1 Tipos de soportes 2.2 Selección de soportes

2.2.1 Soportes Flexibles 2.2.2 Soportes rígidos 2.3 Disposición de los soportes 2.3.1 Consideraciones sobre disposición general 2.3.2 Consideraciones de arreglo para facilitar el apoyo

CAPÍTULO III ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERÍAS 3.1 Análisis de flexibilidad en sistemas de tuberías 3.2 Fundamentos relacionados con el análisis de flexibilidad 3.3 Factores a considerar en problemas de flexibilidad 3.4 Cargas de diseño para tuberías 3.5 Efectos de la expansión y/o contracción térmica 3.6 Flexibilidad en sistemas de tuberías 3.7 Consideraciones en el diseño del sistema por flexibilidad

CAPÍTULO IV SISTEMAS Y ARREGLOS COLGANTES PARA SOPORTES DE TUBERIA

4.1 Soportes colgantes flexibles 4.2 Soportes colgantes rígidos 4.3 Soportes tipo columpio

4.4 Especificaciones para un colgador típico 4.5 Arreglos típicos en soportes colgantes 4.6 Fijaciones, colgado y soportes

APÉNDICE A Tablas de conversión

APÉNDICE B Propiedades de la tubería

GLOSARIO

BIBLIOGRAFÍA

LINGRAFÍA

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

En el diseño de un sistema de redes de tubería es necesario considerar tipo de tubería, empacaduras, válvulas, accesorios, filtros, trampas de vapor, juntas de expansión, brida y su tornillería. A lo anterior hay que incluir el diseño de los elementos de soporte, tales como zapatas, resortes y colgantes.

Aún en el caso en que los soportes y la tubería sean diseñados por un ingeniero estructural y un diseñador mecánico de manera individual, ambos deben conocer el diseño general, debido a la interacción directa entre tuberías y soportes. Para cualquier sistema de tuberías se debe de tener en cuenta algunas consideraciones, a continuación se mencionan algunas. a) Establecimiento de las condiciones de diseño, incluyendo presión, temperaturas y otras condiciones, tales como la velocidad del viento, movimientos sísmicos, choques de fluido, gradientes térmicos y número de ciclos de cargas variables.

b) Determinación del diámetro de la tubería, el cual depende fundamentalmente de las condiciones del proceso, es decir, del caudal, la velocidad y la presión del fluido. c) Selección de los materiales de la tubería en atención a corrosión, fragilización y resistencia. d) Selección de la clasificación (rating) de bridas y válvulas. e) Cálculo del espesor mínimo de pared (cedula) para las temperaturas y presiones de diseño, de manera que la tubería sea capaz de soportar los esfuerzos tangenciales producidos por la presión del fluido. f) Establecimiento de una configuración aceptable de soportes para el sistema de tuberías. g) Análisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los distintos tipos de carga estén dentro de los valores admisibles, con objeto de comprobar

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INTRODUCCIÓN

que las cargas sobre los equipos no sobrepasen los valores límites, para satisfacer los criterios del código a emplear. Si el sistema no posee suficiente flexibilidad y/o no es capaz de resistir las cargas a que está sometido (efectos de la gravedad) o las cargas ocasionales (sismos y vientos), se dispone de los siguientes recursos:

a) Reubicación de soportes b) Modificación del tipo de soporte en puntos específicos c) Utilización de soportes flexibles d) Modificación parcial del recorrido de la línea en zonas específicas e) Utilización de lazos de expansión f) Presentado en frío

Soportes verticales en sistema dual de tuberías

El análisis de flexibilidad tiene por objeto verificar que los esfuerzos en la tubería, los esfuerzos en componentes locales del sistema y las fuerzas y momentos en los puntos terminales, estén dentro de límites aceptables en todas las fases de operación normal y anormal, durante toda la vida de la planta.

GENERALIDADES

La selección y diseño de soportes para tuberías es parte importante en el estudio ingenieril de cualquier instalación de procesos industriales. Los problemas para diseñar tuberías para altas presiones y temperaturas, tienden a ser críticos en un punto donde es imperativo que, aspectos de diseño, tales como el efecto de cargas en soportes concentradas en estructuras, cargas sobre

Riel de soporte para diámetros especiales

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INTRODUCCIÓN

equipos conectados, debido al peso de la tubería y tolerancias de los soportes respecto a tuberías y estructuras; sean tomados en consideración en las primeras etapas de un proyecto.

Existen métodos eficientes establecidos para ejecutar los trabajos requeridos que conducen a un diseño apropiado de soportes

RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN BÁSICA

El primer paso involucrado en el diseño de soportes es determinar y obtener la cantidad necesaria de información básica antes de proceder a los cálculos y detalles de los soportes. El diseño no será completo si el ingeniero no tiene la oportunidad de revisar la siguiente información o su equivalente:

a) Especificación del soporte, cuando esté disponible b) Un señalamiento completo de dibujos de tuberías c) Un señalamiento completo de estructuras d) Una especificación apropiada de tuberías y datos que incluyan: tamaño de la tubería, composición, espesor de pared, temperaturas y presiones de operación. e) Una copia de la especificación del aislante con su densidad f) Válvulas y accesorios especiales, indicando sus características (peso, dimensiones, etc.) g) Deflexiones de todas las conexiones de succión de equipos críticos como fondos de caldera, tambores de vapor, conexiones de tuberías, etc.

Diseño CAD para selección de materiales

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DISEÑO DE TUBERIAS EN LA INDUSTRIA

CAPÍTULO I

“DISEÑO DE TUBERIAS EN LA INDUSTRIA”

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Capítulo I

DISEÑO DE TUBERIAS EN LA INDUSTRIA

1.1 IMPACTO EN LA INDUSTRIA Es indudable e inevitable la necesidad que tienen los países como México, el de diseñar, construir y actualizar sus plantas industriales, con la evidente necesidad de hacerlas más modernas y eficientes, para lo cual, existen en nuestro país firmas de ingeniería que se dedican a desarrollar esta actividad y que se ven en la necesidad de implementar mejores técnicas de diseño e incorporar nuevas y mejores herramientas de trabajo que permiten desarrollar el mismo con mayor eficiencia y calidad, que garanticen la seguridad e integridad de la misma.

Sistema de tuberías en una instalación dual Clayton

El uso de tuberías en las plantas industriales, es sin lugar a duda de vital importancia, ya que constituyen aproximadamente entre el 25 y 35 % del costo de material de una planta de proceso, requiere aproximadamente del 35 % del trabajo de montaje y consume aproximadamente el 45% de las horas-hombre de ingeniería. El objetivo principal del diseño de un sistema de tuberías, se define por el requerimiento funcional de ella para transportar un fluido de un lugar a otro y se basa en factores tales como la entrega del flujo requerido, minimizando las caídas de presión y pérdidas de energía. La experiencia y buen juicio del ingeniero, juegan un papel muy importante en el diseño de sistemas de tuberías, el diseñador debe proveerle flexibilidad suficiente a los sistemas, para asegurar que las expansiones y/o contracciones térmicas de la tubería no produzcan grandes esfuerzos y/o cargas elevadas a las boquillas de los equipos que conecta, una de las formas de hacer flexible un sistema, es mediante la introducción de codos o curvas de expansión, también es posible ganar flexibilidad mediante el uso de juntas de expansión. Con la introducción de codos en los sistemas, aparece un incremento importante en las pérdidas de energía por fricción y consecuentemente un incremento en los costos de operación.

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Capítulo I

DISEÑO DE TUBERIAS EN LA INDUSTRIA

Es importante mencionar, que el hecho de suministrarle flexibilidad a un sistema de tuberías, no impactara únicamente el cambio del arreglo, sino que también impacta el hecho que se tiene que hacer uso de una mayor cantidad de soportes estructurales que pudieran ser requeridos, y todo lo cual hace que se incremente el costo de un proyecto. La funcionalidad y diseño estructural de un sistema de tuberías, están íntimamente relacionados. El comportamiento estructural variado que presentan los sistemas de tuberías, son debido a los efectos de: temperatura, presión, peso propio, excitaciones inducidas por los equipos a que se conecta, viento, sismo, etc., a los cuales es sometida la tubería. Una etapa necesaria dentro del diseño estructural, es el análisis estructural que para los efectos antes mencionados, es nombrado usualmente como “Análisis de Flexibilidad de Tuberías” ó “Análisis de Esfuerzos de Tuberías”.

Arreglo de válvulas check para alimentación simultanea de bombas de refuerzo

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Capítulo I

DISEÑO DE TUBERIAS EN LA INDUSTRIA

1.2 CONSIDERACIONES DEL DISEÑO

En los últimos años, y debido principalmente a la crisis de energéticos, se ha tenido la necesidad creciente de optimizar recursos, entre otros, el del uso del acero en las aplicaciones industriales, aún cuando actualmente existe la tendencia al empleo de nuevos materiales, por lo cual, se requiere de un conocimiento amplio y detallado del comportamiento estructural de instalaciones especiales, como lo son los sistemas de tuberías, entre otras.

El diseño de tuberías aéreas o enterradas de instalaciones industriales y de suministro, que tienen por objeto garantizar la seguridad, operatividad y buen comportamiento durante su vida útil, presenta a la vez que una oportunidad, un reto para la optimización de recursos ante múltiples y conflictivas situaciones durante sus etapas de diseño. El diseño de un sistema de tuberías, empieza por la selección del material, continuando con el trazo de su ruta o configuración más adecuada que satisfaga las condiciones del proceso, resistencia, operatividad, seguridad y otras que garanticen su confiabilidad a lo largo de su vida útil.

Red aislada de alimentación de líquidos en proceso alimenticio.

Además, por si lo anterior no fuera suficiente, el número de tuberías que requieren especial atención en una planta, es cada día mayor, debido a la tendencia de emplear tuberías de mayor diámetro y de estar sujetas a condiciones de operación cada vez más severas de temperatura y presión, que evidentemente requieren mayor confiabilidad, a fin de evitar riesgos mayores durante su operación. Las técnicas de solución y desarrollos en análisis de flexibilidad de tuberías cuentan ya con programas de análisis que pueden ser utilizados en las computadoras de escritorio las cuales cuentan ya con suficiente capacidad de memoria, además de ser bastante rápidas.

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Capítulo I

DISEÑO DE TUBERIAS EN LA INDUSTRIA

En ingeniería se da por entendido que el objeto del diseño es la optimización del costo-beneficio de la instalación o estructura y que se manejan variables que presentan un comportamiento del tipo aleatorio más que determinístico. Sin embargo, es usual mantener un punto de vista ortodoxo, considerando que el objetivo del diseño es evitar las fallas, y es común, en la mayoría de los casos, idealizar las variables (cargas, operación, fabricación). La garantía de seguridad absoluta de una planta, requiere entre otras cosas, de la calidad y perfección en el diseño, de los materiales y de su fabricación, lo anterior resulta prácticamente imposible, desde un punto de vista práctico, sin embargo, es necesario dar niveles adecuados de seguridad a toda la instalación, por lo que se debe llegar a un grado de confiabilidad bastante aceptable, el cual está íntimamente ligado con el costo y tiempo. 1.3 NORMATIVIDAD En instalaciones industriales, diversas organizaciones como: API, ASME, ANSI, NEMA , etc., han contribuido grandemente, condensando experiencias y conocimientos en normas, códigos y reglamentos, el objetivo de estos documentos, es la de establecer los valores numéricos de ciertos parámetros que constituyen los requerimientos mínimos para proporcionar seguridad a las instalaciones o construcciones, es decir, proporcionar protección al usuario, al definir requerimientos mínimos sobre: materiales, diseño, fabricación, inspección, pruebas, procedimientos, etc., cuya omisión o incumplimiento pueden incrementar radicalmente los riesgos de falla durante la operación y uso de las instalaciones a lo largo de su vida útil. En esta ocasión nos basaremos en el código ASME.

CODIGO ANSI/ASME B31

El código empleado para el diseño de tuberías a presión es el ANSI/ASME B31, el cual, es reconocido y adoptado nacional e internacionalmente. El significado de las siglas es el siguiente:

ANSI American National Standards Institute. ASME American Society for Mechanical Engineers. B31 Número asignado a los estándares del ASME .

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Capítulo I

DISEÑO DE TUBERIAS EN LA INDUSTRIA

El código ANSI/ASME B31 cubre todo lo relativo a materiales, diseño, manufactura, fabricación, examen, inspección, prueba, instalación, operación y mantenimiento de sistemas de tuberías sujetas a diferentes condiciones de presión y temperatura.

Como todo código o reglamento el ANSI B31 es un documento que establece los requerimientos mínimos que deben seguirse en el diseño, para lograr una seguridad adecuada. En él, se documentan las buenas prácticas corrientes y actuales y aun cuando no incluya los conceptos y desarrollos más recientes, hace provisiones para inclusiones posteriores.

SECCIONES DE CÓDIGO ANSI/ASME B31

Diferentes secciones que han sido elaboradas de código ANSI/ASME B31

B31.1 B31.2 B31.3 B31.4 B31.5 B31.6 B31.7 B31.8 B31.9

Power Piping.

Fuel Gas Piping

Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping. Liquid Petroleum Transportation Piping System.

Refrigeration Piping.

Chemical Plant (fusionado con B31.3 antes de publicarse. Nuclear Piping (eliminado y ahora cubierto por ASME BOILER And PRESSURE VESSEL CODE, Sección III).

Gas Transmission and Distribution Piping Systems.

Building Service Piping. Cryogenic Piping Systems.

B31.10

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Capítulo I

SOPORTES PARA TUBERIA

CAPÍTULO II

“SOPORTES PARA TUBERIA”

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Capítulo II

SOPORTES PARA TUBERIA

2.1 TIPOS DE SOPORTES

Toda tubería deberá estar soportada y arriostrada adecuadamente mediante colgadores, pedestales de concreto, soportes para tubería, ménsulas, o de otras maneras según requiera su ubicación. En general, se emplearán soportes de concreto cuando el eje de la tubería esté a menos de 3 pies (90 cm) del piso, y se emplearán colgadores cuando estén a más de 6 pies (1.80 m), a menos que se especifique o muestre otra cosa. Los soportes no deberán estar espaciados a más de 10 pies (3 m) centro a centro para el caso de acero y hierro fundido, 5 pies (1.50 m) centro a centro para plástico, a menos que otra cosa se muestre en los Planos o lo requiera la especificación del fabricante. Se suministrarán e instalarán en el concreto o estructuras todos los insertos o dispositivos necesarios para asegurar adecuadamente los colgadores y soportes a la estructura.

Tipos de abrazaderas fijas

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Capítulo II

SOPORTES PARA TUBERIA

Los colgadores y soportes cumplirán los siguientes requisitos:

1. Todos los colgadores y soportes serán capaces de ser ajustados después de su instalación. Los diversos tipos de colgadores y soportes se mantendrán en cantidad mínima. 2. Las varillas de los colgadores serán rectas y verticales. No se emplearán colgadores de cadena, cable, tira o barra perforada. Los colgadores no se suspenderán desde otras tuberías. 3. Las tuberías verticales se soportarán en cada piso y entre pisos mediante tirantes o abrazaderas, para evitar sacudidas y vibración. 4. Los soportes y colgadores para tubería plástica deberán incluir monturas o bandas anchas según recomiende el fabricante y apruebe EL INTERVENTOR, para distribuir la carga y así evitar deformación localizada de la tubería. 5. Los colgadores y soportes deberán evitar contacto entre metales disímiles mediante el empleo de colgadores recubiertos de cobre, goma, vinilo o fabricados de acero inoxidable. 6. Las tuberías ferrosas que no requieran pintura serán soportadas mediante colgadores y soportes galvanizados. 7. La tubería de cobre se soportará mediante colgadores y soportes de acero recubierto de plástico o terminado en cobre. 8. La tubería plástica se soportará mediante colgadores y soportes de acero recubierto con plástico. 9. Los colgadores y soportes deberán permitir expansión termal de la tubería por toda la gama operativa de temperaturas. 10. Los anclajes de tipo expansión empleados para colgadores y soportes de tubería serán de acero inoxidable Tipo 304.

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Capítulo II

SOPORTES PARA TUBERIA

2.2 SELECCIÓN DE SOPORTES La selección del tipo de soporte apropiado para cualquier aplicada dada, es gobernada por la configuración en particular de la tubería y las condiciones de operación. Los tipos de soportes utilizados son clasificados generalmente de la siguiente manera:

2.2.1 SOPORTES FLEXIBLES Cuando una tubería lineal se deflecta verticalmente como resultado de la expansión térmica, es necesario proveer soportes flexibles. Estos aplican la fuerza soportante aunque la expansión y contracción ciclen al sistema. Los soportes flexibles se subdividen en dos tipos: de carga constante y de carga variable. Soportes flexibles de carga constante

Soporte vertical con sistema dual de resortes

Los soportes flexibles de carga constante, proveen una fuerza constante de apoyo, aunque el mismo esté al máximo rango de la expansión y contracción vertical. Esto es logrado con el uso de un resorte helicoidal trabajando en conjunto con un codo de palanca, de tal manera que la fuerza del resorte, multiplicada por la distancia del brazo pivote se iguale siempre a la carga de la tubería multiplicada por la distancia a la palanca pivote. Debido a que su efecto de soporte es constante, éstos son usados donde se desea prevenir transferencia de cargas de peso a equipos conectados o a soportes adyacentes. En consecuencia, generalmente se usan para soportar sistemas de tuberías críticas. Soportes flexibles de carga variable Los soportes flexibles de carga variable son usados para tuberías sujetas a movimientos verticales donde los soportes flexibles de carga constante no son requeridos. La característica inherente de un soporte de carga variable es que la fuerza soportadora varía con la deflexión del resorte y con la escala del mismo, por lo tanto, la expansión vertical de la tubería causa una

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Capítulo II

SOPORTES PARA TUBERIA

correspondiente tracción o compresión en el resorte y causará un cambio en el efecto de sustentación actual del soporte. La variación de la carga es igual al producto de la deflexión vertical y la constante del resorte. Puesto que el peso de la tubería es el mismo durante cualquier condición, en frío o en operación, la variación en la carga conlleva a la transferencia del peso de la tubería a equipos y soportes adyacentes y por consecuencia se generan esfuerzos adicionales en el sistema de tuberías. Cuando un soporte flexible de carga variable es usado, el efecto de esta variación debe ser considerado. Los soportes flexibles de carga variable son para uso general, sobre sistemas de tuberías no críticas y donde el movimiento vertical es de pequeña magnitud con respecto a la criticidad del sistema. Se considera práctico limitar la variación de la fuerza sustentadora a un 25% para sistemas críticos sobre tuberías horizontales. 2.2.2 SOPORTES RÍGIDOS Los soportes rígidos son normalmente usados en puntos donde no ocurren movimientos verticales de la tubería. Las consideraciones de diseño para un soporte rígido son: la temperatura de la tubería, para seleccionar el material de la abrazadera y la carga para seleccionar los componentes adecuados para el peso de la tubería implicada. El material de la abrazadera de la tubería es usualmente acero al carbono para temperaturas de hasta 750ºF (398.89ºC), acero aleado para temperaturas superiores a 750ºF (398.89ºC) o hierro forjado para temperaturas de hasta 450ºF (232.22ºC)

Para sistemas de tuberías de baja temperatura de operación, donde la expansión vertical no es considerada, los componentes de ensamblaje del soporte son seleccionados y diseñados sobre el cálculo básico de resistencia de materiales o cargas aproximadas. En algunas instancias, el soporte rígido además de ser usado como soporte del peso de la tubería, es también adecuado como una restricción del movimiento vertical de la tubería.

Soporte rigido en tuberia ligera

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Capítulo II

SOPORTES PARA TUBERIA

En estos casos el ingeniero debe ejecutar con sumo cuidado la localización de los soportes rígidos y la carga de diseño que se use para seleccionar los componentes adecuados. La instalación indiscriminada de un artefacto restrictor sobre un sistema de tubería, podría alterar los esfuerzos y reacciones en la tubería de manera severa, cambiando el diseño del sistema a uno en el cual se exceden los límites de un buen diseño. Es por ello que se deben revisar los valores generados por la instalación de estos soportes durante el cálculo de los esfuerzos y reacciones, para que no sobrepasen los permisibles recomendados por los códigos ANSI/ASME para el diseño de tuberías. Otra clasificación de soportes para tuberías es la siguiente:

Colgadores o Soportes

Se usan para soportar el peso de sistemas de tuberías. Si se encuentran colocados por encima se denominan colgadores y, si están por debajo se denominan soportes. Los colgadores o soportes a su vez se clasifican en:

a. Colgadores o soportes rígidos: Para puntos libres de desplazamiento vertical. b. Amortiguadores de resorte: Puntos con desplazamientos menores a 2" (50.8 mm) en servicios no críticos. c. Colgadores o soportes de carga variable: Puntos con desplazamientos mayores a 2" (50.8 mm) d. Colgadores o soportes de carga constante: Puntos con desplazamiento vertical en servicios críticos.

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Capítulo II

SOPORTES PARA TUBERIA

Restricciones Para restringir o limitar el movimiento de sistemas de tuberías debido a expansión térmica.

Las restricciones se clasifican en:

a. Anclajes: Para fijar completamente la tubería en ciertos puntos. b. Topes: Para prevenir el movimiento longitudinal de la tubería permitiéndole rotar c. Guías: Para permitir desplazamientos en una dirección específica. d. Amortiguadores: Para limitar el movimiento de la tubería debido a fuerzas diferentes al peso y a la expansión térmica.

Clasificación de los Amortiguadores o Snubbers:

a. Controladores de vibraciones: Para prevenir o disminuir vibraciones. b. Amortiguadores hidráulicos o mecánicos: Para suprimir el movimiento debido a terremotos, golpes de ariete, sin restringir la expansión térmica.

Abrazadera tipo “U”

Abrazaderas tipo “ohm”

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Capítulo II

SOPORTES PARA TUBERIA

2.3 DISPOSICIÓN DE LOS SOPORTES

Después de que el diámetro y el material de la tubería han sido seleccionados y de que el espesor requerido de pared de los tubos y la clase (“rating”) de las bridas han sido establecidas, el diseñador de la tubería tendrá que elaborar una disposición económica de tuberías para el nuevo sistema. Además, el diseñador de tuberías debe familiarizarse con los problemas de soportaría, los tipos disponibles de soportes y su aplicación. Por ejemplo, las líneas de tubería deben ser proyectadas para usar las estructuras existentes en los alrededores para proveer puntos lógicos de soporte, si hay espacio disponible en tales estructuras y se puede usar el soporte apropiado.

2.3.1 CONSIDERACIONES SOBRE DISPOSICIÓN GENERAL

En la disposición y arreglo de sistemas de tubería para refinerías, deberán tomarse en consideración los siguientes requerimientos:

Facilidad de Operación

Los puntos de operación y control tales como aquellos donde están instalados válvulas, bridas, instrumentos, toma-muestras y drenajes, deberán ser ubicados de modo que esas partes del sistema puedan ser operadas con mínima dificultad.

Accesibilidad para Mantenimiento

El sistema de tubería deberá ser proyectado de manera tal que cada porción del sistema pueda ser reparado o reemplazado con mínima dificultad. Deben proveerse espacios libres, como por ejemplo, en los cabezales o extremos de los intercambiadores de calor, carcasa y tubos, para permitir la remoción del haz tubular.

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Capítulo II

SOPORTES PARA TUBERIA

Economía

Deben llevarse a cabo estudios de ruta de las tuberías, para determinar el trazado económico del sistema. Existe una tendencia frecuente de parte de algunos diseñadores a prever excesiva flexibilidad en los sistemas de tuberías. Esto puede incrementar los costos de material de fabricación más de lo necesario y algunas veces puede conducir a vibraciones excesivas en el sistema.

Requerimientos Especiales de Proceso

Para algunos sistemas de tubería, la presión disponible es crítica, de modo que las pérdidas de presión por flujo debido a codos y otros accesorios en la línea deben ser minimizadas.

Ampliaciones Futuras

En el diseño de un sistema de tubería deben hacerse consideraciones sobre la posibilidad de futuras ampliaciones.

Apariencia

El sistema de tubería nuevo deberá proyectarse de forma que armonice físicamente con los sistemas de tuberías existentes, con los equipos y los elementos de infraestructura de la refinería, tales como calles, edificios, etc.

Minimizar los Extremos

Los extremos muertos y bolsillos en las partes bajas de los sistemas de tubería deben ser evitados en lo posible. Esas partes ocasionan dificultades en el drenaje de los sistemas de tubería. Todos los extremos muertos y bolsillos en las partes bajas del sistema, así como los puntos altos, deben ser provistos de drenajes adecuados.

Maximizar el Uso de Soportes Existentes

Donde sea posible, la tubería debe tenderse sobre soportes existentes o extendidos de soportes existentes, con el fin de reducir costos de soportería. La capacidad de carga de los soportes existentes debe ser evaluada, para asegurarse de que puede soportar la carga adicional de las tuberías nuevas.

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Capítulo II

SOPORTES PARA TUBERIA

Separaciones para Expansión Térmica

Debe preverse la separación suficiente, entre tuberías adyacentes y entre una tubería y obstrucciones estructurales adyacentes, para tomar en cuenta la libre expansión térmica de la tubería. Las separaciones requeridas deben basarse en las máximas expansiones térmicas diferenciales aún bajo condiciones anormales.

Diseño en sistemas de tuberías para evitar percances entre ellas por expansiones por temperatura

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Capítulo II

SOPORTES PARA TUBERIA

2.3.2 CONSIDERACIONES DE ARREGLO PARA FACILITAR EL APOYO.

Además de establecerse la disposición y el arreglo general de las tuberías y las condiciones globales de diseño, deben definirse los tipos de arreglos de soportes. A este respecto, las siguientes son consideraciones generales que afectan el trazado de la tubería para una sustentación favorable. El sistema de tubería deberá ser en lo posible, auto soportante y consistente con los requerimientos de flexibilidad. Separaciones Mínimas Verticales

Separación Mínima

Ubicación

Pies/Pulg.

mm

Sobre vías principales abiertas al tránsito libre (tales como la periferia de los límites del área de unidades de proceso)

20 pies

6100

Dentro de las áreas de unidades de proceso: encima de vías internas provistas para el acceso de equipo de mantenimiento y contra incendio.

16 pies

4880

3650

12 pies

Debajo de puentes de tubería donde el acceso es:  Requerido para equipos vehiculares  Requerido solamente para equipo de servicio portátil (temporal)

3050

10 pies

Encima de pasarelas y plataformas elevadas 6 pies 9 pulg.

2050

Debajo de cualquier tubería a bajo nivel y sobre áreas pavimentadas o sin pavimentar

1 pie

300

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Capítulo II

SOPORTES PARA TUBERIA

El exceso de flexibilidad puede requerir soportes o sujeciones adicionales para evitar movimiento y vibraciones en una amplitud tal que despierte desconfianza en el personal. Esta situación es propensa a ocurrir en líneas verticales donde solamente hay un punto de apoyo para sostener el peso.

Las tuberías propensas a vibrar, tales como líneas de succión o descarga de bombas reciprocantes o compresores, deberán ser diseñadas con sus soportes propios e independientes de otras tuberías. El diseño debe permitir el uso de apoyos fijos o soportes rígidos que ofrezcan resistencia al movimiento y provean cierta capacidad de amortiguación, en vez de los soportes colgantes. La tubería debe estar lo suficientemente cerca al punto de apoyo de sujeción, de manera que el conjunto estructural pueda tener la rigidez adecuada y los componentes de fijación sean simples y económicos.

Batidor para soporte uniforme en tuberías constantes

Los tubos de las conexiones superiores de recipientes verticales se apoyan y fijan ventajosamente en el recipiente para minimizar movimientos independientes de recipiente, soportes y tuberías, por tanto, tales tuberías deben ser trazadas los más cerca posible del recipiente y soportadas muy cerca de la conexión. Las tuberías sobre estructuras deben ser trazadas debajo de las plataformas, cerca de los miembros estructurales principales, en puntos donde sea favorable añadir cargas, a fin de evitar la necesidad de reforzar esos miembros. Debe asignarse suficiente espaciamiento para acceso fácil a las partes sujetadoras de aquello soportes que requieran mantenimiento o servicio.

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Capítulo II

ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERIAS

CAPÍTULO III

“ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERIAS”

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Capítulo III

ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERIAS

3.1 ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERÍAS

Consideraciones Generales

Para determinar los efectos de expansión y esfuerzos en un sistema de tuberías, es necesario conocer: a) Cuál código se aplica al sistema b) Las condiciones de presión y temperatura de diseño c) Las especificaciones del material d) El diámetro de tubería y el espesor de pared de cada componente del sistema e) El esquema del sistema incluyendo dimensiones y movimientos térmicos en cualquier punto f) Limitaciones de reacciones finales en los puntos, tales como las establecidas por los fabricantes de equipos Teniendo determinadas las bases del problema, el código aplicable podría establecer los requerimientos mínimos de seguridad para el material a las condiciones de presión y temperatura de diseño. Algunos códigos especifican los factores de expansión térmica y el módulo de elasticidad para materiales comúnmente usados en tuberías, así como también proporcionan las fórmulas para determinar los factores de intensificación de esfuerzos y los factores de flexibilidad para los componentes del sistema.

El análisis de flexibilidad de tuberías consiste en determinar si una línea posee la suficiente capacidad para absorber las cargas que inciden sobre ella tales como el propio peso de la tubería, la expansión térmica, las fuerzas producidas por la presión del fluido, vibraciones, terremotos y otras. Uno de los factores que pueden aumentar o disminuir la flexibilidad de una tubería es su configuración geométrica.

Distribución de vapor a estaciones en línea de producción

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Capítulo III

ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERIAS

Los sistemas de tuberías deben poseer la flexibilidad suficiente de manera que la expansión o la contracción térmica, así como los movimientos de soportes y equipos, no conduzcan a: a) Falla de la tubería o de los soportes por esfuerzos excesivos o fatiga b) Fugas en las juntas c) Falla de las boquillas de los equipos conectados (recipientes a presión, bombas, turbinas.), por reacciones excesivas. En las tuberías, así como en otras estructuras, el análisis de los esfuerzos puede llevarse a cabo con diferentes grados de precisión. En un extremo está la sencilla comparación con arreglos similares, que han cumplido satisfactoriamente con los requerimientos del servicio; en el otro extremo, están los métodos del cálculo, que envuelven largos y complicados procedimientos y que son relativamente costosos para un grupo de ingeniería. Por esta razón debe asegurarse que se cumplan los siguientes requerimientos como mínimo: a) El rango de esfuerzos en cualquier punto debido a desplazamientos en el sistema no debe exceder el rango de esfuerzos permisibles establecido en la sección de esfuerzos admisibles. b) Las fuerzas de reacción no deben perjudicar a los soportes o equipos conectados c) Los movimientos de la tubería deben estar dentro de los límites establecidos Existen dos modalidades de análisis de flexibilidad: El análisis de flexibilidad informal y el análisis de flexibilidad formal. En este aspecto, el código ASME B31.3 identifica ciertas condiciones, para las cuales no se requiere el análisis formal para confirmar la aceptabilidad de la tubería, desde el punto de vista de su flexibilidad. Estas condiciones son: a) El sistema es similar a otro que ha funcionado con récord exitoso de servicio productivo. Requerimientos de Flexibilidad en un Sistema de Tuberías

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Capítulo III

ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD EN SISTEMAS DE TUBERIAS

b) El sistema puede ser juzgado rápidamente por comparación con otros sistemas similares analizados previamente c) El sistema es de tamaño uniforme, no tiene más de dos puntos de fijación sin apoyos ni restricciones intermedias y cumple con la ecuación empírica:

L - U D . y

 k1 2 



(37)

donde:

D = diámetro nominal (pulgadas, mm) y = resultante del total de los desplazamientos térmicos que deben ser absorbidos por el sistema (pulgadas, mm) L = longitud desarrollada de la tubería entre los dos anclajes (pies, m)

U = distancia en línea recta entre los anclajes (ft, m) Kl = 0.03 (sistema inglés) o 208.3 (Sistema Internacional)

En caso de no cumplir con lo antes mencionado, se requiere realizar un análisis de flexibilidad normal.

3.2 FUNDAMENTOS RELACIONADOS CON EL ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD Una estructura que esté sujeta a un cambio de temperatura cambiará sus dimensiones físicas si está libre de expandirse. En caso contrario, se inducirán esfuerzos provocándose fuerzas de reacción y momentos en los equipos de los extremos. El problema básico del análisis de flexibilidad es determinar la magnitud de estos esfuerzos en la tubería y controlar que las reacciones en los puntos de interconexión con equipos estén dentro de valores aceptables. Las técnicas y métodos de análisis de flexibilidad y esfuerzos en tuberías han evolucionado enormemente. Esta evolución en general ha sido paralela al desarrollo de los métodos para análisis estructural, los cuales a su vez han tenido un desarrollo bastante significativo a raíz de la aplicación y uso de las computadoras.

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Capítulo III

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Las primeras técnicas de análisis y desarrollos en esta especialidad, se deben a investigadores como: S. Crocker, McCutchan, J. E. Brock, etc. Estas primeras técnicas fueron procedimientos gráfico-analíticos, basados en conceptos simples de análisis estructural, como el “Método de centro elástico”, empleando inclusive en algunos casos esquinas rectas en lugar de codos. Esta técnica proporciona resultados satisfactorios cuando se trata de trazos en el plano (dos anclas), sin apoyos ni soporte intermedio y solo para efectos de expansión/contracción térmica. Lo anterior, obviamente obligaba a una serie de aproximaciones y simplificaciones, lo cual en sistemas de tuberías críticos no resulta conveniente, porque puede dar lugar a errores en la definición del comportamiento estructural, que ponen en alto riesgo la seguridad de las instalaciones. Los primeros planteamientos del análisis estructural matricial para sistemas de tuberías surgieron a principios de los años 1950, habiendo contribuido varios investigadores, entre los cuales no debe dejar de mencionar a: J. E. Brock, Edmond Cony, J. W. Soule, etc., entre otros más. Las aplicaciones prácticas del análisis de flexibilidad fueron posteriores, debido principalmente a lo laborioso del proceso numérico algebraico matricial al desarrollarlo manualmente. Esto dio lugar a que el proceso matricial se manejara a través del llenado de tablas y formatos como los que aparecen en el libro muy conocido “Design of Piping Systems” publicado por la M.W. Kellogg Company.

Sistema flexible de tuberias en horno industrial

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Actualmente, los métodos de análisis matricial, se han formulado a través de las técnicas del método del elemento finito y considerando efectos combinados o separados de: Temperatura, Presión, Peso Propio, Vibraciones, Sismo, etc., existiendo programas de cómputo de propósitos generales o específicos, disponibles para diversos sistemas de computo, se ha dado énfasis al Análisis Matricial mediante el Método del Elemento Finito, denominado Métodos Exactos, El análisis estructural de sistemas de tuberías, se ha denominado “Análisis de Flexibilidad de Tuberías”, Este nombre surgió porque el Método de las Fuerzas o Flexibilidades, fue el que primero se aplicó en el análisis del comportamiento estructural de tuberías. En general, se establece que el análisis estructural de sistemas de tuberías consta de tres etapas que son: Fuerzas permisiblesAnálisis de Flexibilidades .-Cuyo objeto es determinar las reacciones sobre apoyos, boquillas de equipos interconectados, así como las fuerzas internas y los desplazamientos a lo largo del trazo de la tubería. Análisis de Esfuerzos .-Cuyo objeto es obtener los esfuerzos resultantes a que están sujetos los diversos componentes de la tubería y de los equipos interconectados. Fuerzas y Esfuerzos Permisibles .-Se comparan las fuerzas y esfuerzos actuantes con los valores permisibles que establecen los códigos o los fabricantes de los diversos equipos. En caso de no cumplir con alguno de los puntos anteriores, se tendría que repetir el análisis de flexibilidad haciendo las modificaciones requeridas a la configuración en base a los resultados obtenidos anteriormente e indicando los soportes necesarios a la nueva configuración.

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Es importante mencionar aquí, que resulta perjudicial suministrarle demasiada flexibilidad a la configuración de un arreglo de tuberías, ya que se incrementarían los costos por el exceso de material, se incrementarán las pérdidas por caídas de presión debido a los cambios de dirección y mayor longitud, además de que no se debe olvidar la apariencia de la planta. Por otro lado, cabe también resaltar, que un analista con poca experiencia, puede caer en el uso excesivo de la computadora ocasionado por la falta de capacidad para dar solución al problema que presenta el arreglo de tuberías, lo cual resultaría inadecuado y muy costoso. Las cargas o solicitaciones a que pueden estar sometidos los sistemas de tuberías, pueden clasificarse como sigue: Cargas térmicas : Estas cargas son originadas al limitar la expansión/contracción térmica, a través de interconexiones a equipos y como resultado de las restricciones de desplazamiento inducido por el sistema de apoyos y soportes. Cargas sostenidas : Son las cargas debidas al peso propio, cargas vivas (fluido interno, nieve, etc.), presión, vibraciones y otras. Cargas ocasionales : Son originadas por efectos de corta duración o baja duración acumulada, debido a condiciones de arranque, paros, instalación, mantenimiento (regeneración y/o decoquizado, secado), etc. Cargas accidentales : Originadas usualmente por efectos naturales como: sismos, tornados, emergencia, etc., las cuales generalmente son de corta duración, pero son muy severas y se deben considerar sus efectos en el diseño. Para establecer adecuadamente las consideraciones de diseño, es necesario tener una evaluación confiable de todas las solicitaciones a las cuales puede estar sujeta la tubería durante su vida útil. Los efectos de peso propio, incluyendo el fluido, normalmente estarán actuando todo el tiempo. Los efectos de presión y de temperatura, usualmente ocurren al mismo tiempo pero podrían ser independientes o tener una relación de dependencia variable.

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Los efectos de peso propio viento y sismo, no son diferentes de aquellos para estructuras convencionales, mientras que los efectos de presión y térmicos a lo largo de una tubería, difieren completamente de aquellos que se presentan en otras estructuras convencionales. En cuanto a efectos sísmicos, deberá tenerse presente que en gran parte de nuestro país, se tienen zonas de alta sismicidad, por efecto de la subducción entre las placas de Cocos y de Norteamérica; así como, a la junta triple con la placa del Caribe, localizada en el Istmo de Tehuantepec. Para instalaciones industriales importantes localizadas en esas zonas de alta sismicidad, será necesario contar con estudios de riesgo sísmico, que nos proporcionen espectros de diseño que tomen en cuenta, la influencia de las condiciones locales del suelo por efecto de la propagación de ondas sísmicas. A raíz del sismo del 19 de Septiembre de 1985, se han intensificado las investigaciones y mediciones de temblores en la parte Sureste del Pacífico de nuestro País, y se han detectado “zonas de quietud sísmica” o brechas sísmicas, que representan alto riesgo por estar acumulando energía debido a la tectónica de las placas terrestres en esa zona.

Zonas sísmicas de la Republica Mexicana

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3.3 FACTORES A CONSIDERAR EN PROBLEMAS DE FLEXIBILIDAD Como principio general, todas las líneas deberán ser analizadas por esfuerzos sin excepción, de acuerdo a Código ASME B-31.3. Los criterios y métodos de análisis a los sistemas de tuberías, son responsabilidad del ingeniero de flexibilidad siguiendo su criterio y experiencia, claro esta, sin olvidarse de las indicaciones de los Códigos aplicables, la clasificación de los métodos de análisis a realizar en un sistema de tuberías, esta basada atendiendo principalmente a la exactitud de los resultados que puede obtener con cada uno de ellos. Cualquiera de los métodos de análisis que se seleccione, deberá garantizar la veracidad y certidumbre en los resultados de acuerdo con el grado de complejidad e importancia del sistema. Cabe mencionar, que dentro de la complejidad e importancia de un sistema de tuberías, los análisis a los sistemas, se pueden clasificar en: visual, manual y formal. Los análisis a sistemas de tuberías también los clasifican por categorías de líneas, como puede ser: líneas especiales, líneas críticas y líneas no críticas. La experiencia en el diseño de sistemas de tuberías, juega un papel muy importante en la definición del trazo inicial de un sistema, a falta de tal factor, existen reglas rápidas que se pueden seguir para establecer en forma aproximada trazos preliminares, que finalmente impactan sustancialmente en la eficiencia del diseño de una planta. En el diseño estructural de sistemas de tuberías, los factores más importantes que deben ser tomados en cuenta, en general, dependen básicamente del tipo de planta de que se trate, como pueden ser: plantas industriales, instalaciones petroleras, plantas núcleo eléctricas, plantas de generación de energía eléctrica, etc. El diseño desde el punto de vista estructural, deberá proveer suficiente flexibilidad a los sistemas de tuberías, para asegurar que las expansiones y/o contracciones térmicas de la tubería no produzcan grandes esfuerzos o deformaciones cíclicas, que den lugar a fallas por fatiga. Sin embargo se deberán resolver los sistemas de tuberías de tal manera que su configuración tenga la capacidad de absorber su expansión térmica, cuando esto no sea

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posible, se usaran loops de expansión o en casos críticos, se usarán juntas de expansión. A continuación se mencionan las características peculiares de los problemas de flexibilidad de tuberías con respecto a los problemas usuales de análisis estructural. El diámetro de la tubería , esta determinado por las condiciones del flujo, así como el espesor de pared por la presión, corrosión erosión, temperatura y tipo de material, en donde el material a su vez se selecciona de acuerdo a las condiciones de temperatura y características del fluido que circula. Lo que indica que no será posible disminuir el diámetro o el espesor del tubo para incrementar la flexibilidad. El sobre-esfuerzo , no se mejora aumentando el espesor del tubo, sino por el contrario, ello implica que el sistema se rigidice, haciendo más critico el problema

Codos y cambios de dirección , estos componentes de tubería presentan un comportamiento en flexión diferente al de los tramos rectos, lo cual se refleja en un incremento de la flexibilidad, aún cuando ello viene acompañado de un factor de intensificación de esfuerzos. Los efectos térmicos , que usualmente se consideran como efectos secundarios, son en general los de mayor importancia, pues son los que en la mayoría de los casos gobiernan su diseño.

Efectos de flujo plástico (creep), consiste en una cedencia local a temperaturas elevadas y una redistribución de reacciones, fuerzas internas y esfuerzos a temperaturas ordinarias. Esta redistribución es tanto de las partes más esforzadas a las menos esforzadas, así como de la condición de operación a la condición de instalación y paros. Efectos de Fatiga del material , ocasionado por las condiciones cíclicas propias de operación de una planta, las cuales se convierten en un factor muy

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importante, cuando se presentan acompañadas de efectos de corrosión y altas temperaturas. La presión , da lugar a comportamientos estructurales significativos especialmente cuando se trabaja con diámetros de tubería grandes. 3.4 CARGAS DE DISEÑO PARA TUBERÍAS Un sistema de tuberías constituye una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construcción y montaje. También ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A continuación se resumen las posibles cargas típicas que deben considerarse en el diseño de tuberías.

Cargas por la presión de diseño

Es la carga debido a la presión en la condición más severa, interna o externa a la temperatura coincidente con esa condición durante la operación normal.

Cargas por peso

a) Peso muerto incluyendo tubería, accesorios, aislamiento, etc. b) Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso c) Efectos locales debido a las reacciones en los soportes

Cargas dinámicas

a) Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberías expuesto al viento b) Cargas sísmicas que deberán ser consideradas para aquellos sistemas ubicados en áreas con probabilidad de movimientos sísmicos c) Cargas por impacto u ondas de presión, tales como los efectos del golpe de ariete, caídas bruscas de presión o descarga de fluidos

d) Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presión, por variaciones en las características del fluido, por resonancia causada por excitaciones de maquinarias o del viento. Soporte con pivote central para movimientos externos al sistema

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