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Compendio de Clculo Estructural II FCEFyN UNC J.Massa-J.Giro-A.Giudici - 2015
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Captulo 16
RECIPIENTES DE PRESIN 1 INTRODUCCIN
Los recipientes de presin estn presentes en todas las instalaciones industriales modernas, desde pequeos tanques de aire comprimido, pasando por recipientes para distintos fluidos en la industria alimenticia, hasta grandes depsitos y reactores en plantas qumicas, petroqumicas, centrales elctricas y nucleares ( ver Figura 1). Tambin est difundido su uso en los sistemas de calefaccin, refrigeracin, de aire, oxgeno, etc., en complejos habitacionales y de servicios.
Para los recipientes a presin existen normas que regulan las distintas etapas de la vida de estos equipos, que son: diseo, construccin, operacin y mantenimiento.
Figura 1: Diversos tipos de recipientes de presin en la industria
Las normas ms difundidas son:
a) ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC): en EEUU y Canad. b) AD-Merkblatt Technical Rules for Pressure Vessels: vigente en Alemania. c) BS PD 5500 Specification for Unfired Fusion Welded Pessure Vessels: de origen ingls. d) EN 13445 Unfired Pressure Vessels: norma de alcance europeo.
En Argentina, donde no se ha establecido una norma propia para disear recipientes de presin, est muy difundido el uso del Cdigo ASME. En el caso de recipientes de grandes dimensiones para ser instalados a la intemperie se deben considerar, adems de la presin y el peso, los efectos del viento; para ello se aplica el Reglamento CIRSOC 102 que define los requerimientos para tener en cuenta la accin del viento segn las distintas zonas del pas. Adicionalmente en las zonas que corres-ponde se debe tener en cuenta la accin ssmica utilizando el Reglamento CIRSOC 103.
(a ) Tanque de aire comprimido
(b) Tanque horizontal
(c) Torres de una destilera

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2 CDIGO ASME PARA CALDERAS Y RECIPIENTES DE PRESIN (BPVC) El cdigo ASME est compuesto por doce secciones:
I Reglas para la construccin de calderas de potencia. II Materiales. III Reglas para la construccin de componentes de plantas nucleares. IV Normas para la construccin de calderas de calefaccin. V Ensayos no destructivos. VI Recomendaciones para el cuidado y la operacin de calderas de calefaccin. VII Lineamientos para el cuidado de calderas de potencia. VIII Reglas para la construccin de recipientes de presin.
Divisin 1 Reglas bsicas. Divisin 2 Reglas alternativas. Divisin 3 Reglas alternativas para recipientes de muy alta presin.
IX Calificaciones de procedimientos de soldadura. X Recipientes de plstico reforzado con fibras. XI Reglas para la inspeccin en servicio de componentes de plantas nucleares. XII Reglas para la construccin y servicio continuado de recipientes para transporte.
El presente captulo est enfocado en los requisitos de diseo definidos en la Seccin VIII - Divisin 1, para los recipientes de presin que operan a una presin interna o externa superior a 1 kg/cm2. No se desarrollan los aspectos concernientes a la fabricacin, inspeccin, pruebas y certificacin de dichos recipientes porque sera demasiado extenso.
3 DISEO DE RECIPIENTES DE PRESIN SEGN EL CDIGO ASME BPVC SECCIN VIII DIVISIN 1 La Seccin VIII Divisin 1 est compuesta por tres subsecciones y apndices obligatorios y
no obligatorios. Las subsecciones son: A General.
Parte UG Requerimientos generales. B Mtodos de fabricacin.
Parte UW Recipientes soldados. Parte UF Recipientes forjados. Parte UB Recipientes fabricados por soldadura fuerte (brazing ), donde el material de
aporte es diferente al material de las piezas a unir, y tiene una temperatura de fusin inferior.
C Materiales. Parte UCS Aceros al carbono y de baja aleacin. Parte UNF Materiales no ferrosos. Parte UHA Aceros de alta aleacin. Parte UHT Aceros ferrticos con propiedades mecnicas mejoradas por tratamiento
trmico.
La Subseccin A establece los requerimientos generales para todos los recipientes de presin, la Subseccin B fija las exigencias especficas relacionadas con los distintos mtodos de fabricacin y la Subseccin C indica los requerimientos aplicables a los distintos tipos de materiales que se pueden utilizar en la construccin de recipientes.
Los principios de diseo y construccin de la Divisin 1 se aplican a recipientes con una presin de hasta 200 kg/cm2; para presiones superiores es necesario complementar esas especificaciones con reglas de diseo para alta presin.

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3.1 Materiales En las tablas de la Subseccin C se identifican los materiales usualmente empleados para
construir los recipientes de presin, como ya se anticip en la pgina anterior las principales partes son: a) UCS Aceros al carbono y de baja aleacin. b) UNF Materiales no ferrosos. c) UHA Aceros de alta aleacin. d) UHT Aceros ferrticos con propiedades mecnicas mejoradas por tratamiento trmico.
En el Anexo 1
En el
(pg. 398), se presenta la Tabla UCS-23 donde se listan aceros al carbono y de baja aleacin. Los valores de las tensiones mximas admisibles en traccin S , para los materiales indicados en la tabla mencionada se encuentran en la Subparte 1 de la Seccin II, Parte D. Las tensiones mximas admisibles varan con la temperatura.
Anexo 2 ( pg. 399 y 400 ), se presenta una tabla tpica de la Seccin II a modo de ejemplo y en el Anexo 3
La tensin mxima admisible en compresin, para el material de un cuerpo cilndrico sometido a esfuerzos que generan tensiones axiales de compresin, es la menor de las tensiones S y B dadas a continuacin:
( pg. 401 ), una tabla resumen con los materiales ms usados en Argentina.
1) La tensin S es la tensin mxima admisible en traccin, determinada empleando el Anexo 2 y el Anexo 3
2) La como se indic en los prrafos precedentes;
tensin B2a) Se calcula la relacin geomtrica A , segn la siguiente frmula:
se obtiene como sigue :
0
0,125/( )
AR t
= (1)
donde: R0 radio exterior del cuerpo cilndrico. t espesor del cuerpo cilndrico.
2b) Con el valor de A y la temperatura de trabajo se determina B, que es la tensin mxima admisible del material en compresin en funcin de la temperatura y de la relacin R0/t . Para ello se debe utilizar el grfico del Anexo 4
2c) Cuando el valor de A es grande y cae a derecha de la curva de temperatura correspon-diente, se debe utilizar el mximo valor de B para dicha curva de temperatura.
( pg. 402 y 403 ) que corresponda al material utilizado en el recipiente. Los grficos para los tipos de materiales ms usados estn incluidos en la Subparte 3 del Cdigo ASME Seccin II, Parte D.
2d) Para un valor de A muy pequeo y que cae a la izquierda de la curva de temperatura correspondiente, el valor de B se calcula como:
2
AEB = (2)
donde E es el mdulo de elasticidad del material a la temperatura de diseo.
3.2 Diseo general de recipientes (Parte UG) Presin y temperatura
Los recipientes que cumplen con la Parte UG de la Divisin 1, se deben disear para la condicin ms severa de presin y temperatura simultaneas esperadas durante la operacin normal.
Las temperaturas mximas y mnimas de diseo no deben exceder los lmites establecidos en las Tablas de la Subseccin C para el material seleccionado, segn se describe en el punto 3.1.
La presin de diseo P es la presin que se utiliza para el clculo dimensional de las distintas partes de un recipiente. En general, esta presin es algo superior a la mxima presin de operacin normal del proceso P0, correspondiente al recipiente. La bibliografa especializada sugiere adoptar

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una presin de diseo: ( ) 20 01,1 ; 2P mayor P P kg cm = + (3) donde: P presin de diseo. 0P mxima presin de operacin normal del proceso.
Cargas Segn lo establecido en UG-22, las cargas a considerar en el diseo de recipientes son:
a ) Presin interna o externa. b ) Peso del recipiente y su contenido ( en operacin y en ensayo, por ejemplo el agua usada en la
prueba hidrosttica). c ) Otras cargas estticas: pesos de equipos (motores, bombas, otros recipientes, caeras, etc.). d ) Cargas dinmicas debidas a variaciones de presin, temperatura, equipos, etc. e ) Fuerzas de la naturaleza: viento, nieve, hielo, sismos. f ) Variaciones trmicas. g) Presiones anormales, provocada por errores de operacin.
En general, el espesor mnimo para el cuerpo y los cabezales debe ser 1,6 mm
Un sobreespesor por corrosin, generalmente est indicado en las pautas del diseo; el mismo debe ser suficiente para que el recipiente pueda cumplir la vida programada.
( 1/16 ), excluido el sobreespesor por corrosin.
Es importante tener en cuenta las tolerancias de fabricacin de las caeras y/o placas utilizadas para la fabricacin de los recipientes.
3.2.1 Diseo de cuerpos y cabezales bajo presin interna Cuerpo cilndrico Para cuerpos cilndricos de pared delgada sometidos a presin interna ( ver Figura 2), el espesor
requerido por la tensin tangencial t es mayor ( el doble) que el requerido por la tensin longitudinal L.
Figura 2: Tensiones en un cuerpo cilndrico sometido a presin interior
Esfuerzo tangencial: El espesor requerido en funcin de la presin interior y la presin admisible en funcin del espesor pueden calcularse a partir del valor del radio interno R o externo R0
00
;0,6 0,4 0,6 0,4r a
P R P R S E t S E tt PS E P S E P R t R t
= = = = + +
(4)
Si: 2

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