¿Qué es la presión nominal de la tubería y por qué es importante?
La clasificación de presión de la tubería, formalmente conocida como presión de trabajo máxima permitida (MAWP), es la presión interna máxima que una tubería puede contener de manera segura a una temperatura específica. Esto es fundamentalmente diferente de la presión de estallido, que es la presión a la que se rompería la tubería. MAWP incorpora un factor de seguridad significativo (normalmente 3,5 veces la resistencia máxima a la tracción según ASME B31.3), lo que garantiza que la tubería funcione bien dentro de sus límites estructurales durante toda su vida útil de diseño. La selección de tuberías con una clasificación de presión inadecuada es una de las causas fundamentales más comunes de fallas en las tuberías industriales, lo que provoca fugas, rupturas catastróficas e incidentes de seguridad.
Las consecuencias de una selección incorrecta de la clasificación de presión pueden ser graves. Una tubería que opera por encima de su MAWP puede experimentar fluencia (deformación permanente), fluencia a temperaturas elevadas o fractura repentina y frágil. En las instalaciones petroquímicas, las fallas en las tuberías han provocado incendios, explosiones y emisiones tóxicas. La serie de códigos ASME B31 establece requisitos mínimos para el diseño de presión de tuberías en diferentes aplicaciones: B31.1 para tuberías de energía, B31.3 para tuberías de proceso, B31.4 para transporte por tuberías y B31.8 para transmisión de gas. Comprender los requisitos de estos códigos es esencial para un diseño de sistemas de tuberías seguro y conforme.
Fórmula de Barlow - Cálculo de la presión de explosión teórica
La fórmula de Barlow es la ecuación fundamental para calcular la presión de rotura teórica de una tubería:P=2St/D, donde P es la presión interna (MPa), S es la tensión permitida (MPa), t es el espesor nominal de la pared (mm) y D es el diámetro exterior (mm). Para el cálculo de MAWP, la tensión permitida S se toma de ASME Sección II Parte D a la temperatura de diseño, y el espesor de la pared t es el espesor nominal menos la tolerancia de fabricación menos el margen de corrosión. La fórmula asume condiciones de pared delgada-(D/t > 10), lo que se aplica a la gran mayoría de los programas de tuberías estándar.
Ejemplo de cálculo (Fórmula de Barlow - MAWP teórica):Para tubería de 4 pulgadas SCH 40 A106 Gr.B a temperatura ambiente:
OD=114.3 mm, pared=6.02 mm, S=137.9 MPa (A106 Gr.B a 38 grados)
P=2 x 137,9 x 6,02 / 114.3=14.5 MPa (~2100 psi)
Tenga en cuenta que la fórmula del código ASME B31.3 (t=PD / 2(SE + PY)) produce una MAWP más baja de aproximadamente 10,9 MPa para la misma tubería debido a la inclusión del factor de eficiencia conjunta E y el coeficiente de temperatura Y. La siguiente tabla utiliza la fórmula ASME B31.3 y representa la presión de trabajo que cumple con el código-. A modo de comparación, la presión de estallido (usando una resistencia a la tracción mínima S=415 MPa para A106 Gr.B) sería de aproximadamente 43,7 MPa, lo que da un factor de seguridad de aproximadamente 3,0 contra el estallido. Esto ilustra la naturaleza conservadora de los cálculos MAWP. La presión de trabajo real siempre debe estar por debajo de la MAWP y la mayoría de los códigos de diseño requieren un margen adicional por encima de la presión de funcionamiento normal.
Valores de tensión permitidos por material
Los valores de tensión permitidos son la base de los cálculos de clasificación de presión. Estos valores están tabulados en ASME Sección II Parte D para miles de combinaciones de temperatura de -grado{2}}material. La tensión permitida se deriva del mínimo de: un-tercio de la resistencia mínima a la tracción a temperatura ambiente, dos-tercios del límite elástico mínimo a temperatura ambiente o la resistencia promedio a la rotura por fluencia durante 100.000 horas dividida por 1,5 a temperaturas elevadas.
| Material | Calificación | Estrés permitido a 38 grados (MPa) | Estrés permitido a 400 grados (MPa) | Temperatura máxima (grados) |
|---|---|---|---|---|
| A106 | Gr.B | 137.9 | 82.7 | 538 |
| A335 P11 | 1,25Cr-0,5Mo | 137.9 | 96.5 | 593 |
| A335 P22 | 2,25Cr-1Mo | 137.9 | 96.5 | 593 |
| A335 P91 | 9Cr-1Mo-V | 172.4 | 103.4 | 649 |
| TP304 SS | 304 | 117.2 | 79.3 | 816 |
| TP316 SS | 316 | 117.2 | 82.7 | 816 |
Tenga en cuenta que la tensión permitida disminuye significativamente a temperaturas elevadas. Este efecto de reducción de temperatura es más pronunciado para el acero al carbono, que experimenta una reducción del 40% entre la temperatura ambiente y los 400 grados. Los aceros aleados como el P91 mantienen una mayor proporción de su resistencia a la temperatura ambiente-a temperaturas elevadas, lo que los convierte en la opción preferida para servicios a alta-temperatura. Los aceros inoxidables, si bien tienen tensiones permitidas a temperatura ambiente-más bajas, mantienen su resistencia mejor a temperaturas muy altas, superiores a 600 grados.
Cuadro de clasificación de presión por programa
La siguiente tabla muestra presiones de trabajo aproximadas para tuberías de acero al carbono A106 Gr.B a temperatura ambiente. Estos valores se basan en el espesor nominal de la pared y no incluyen el margen de corrosión. Las presiones de trabajo reales variarán según las condiciones operativas específicas y los requisitos del código aplicable.
| Nota (pulgadas) | SC 40 (MPa) | SC 80 (MPa) | SCH 160 (MPa) |
|---|---|---|---|
| 1/2" | 24.8 | 34.1 | 44.8 |
| 1" | 20.9 | 28.5 | 40.5 |
| 2" | 13.5 | 19.4 | 31.6 |
| 4" | 10.9 | 15.6 | 25.2 |
| 6" | 8.8 | 13.8 | 18.1 |
| 8" | 7.8 | 12.3 | 14.7 |
Reducción de temperatura
La reducción de temperatura es la reducción de la tensión permitida a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento. Este fenómeno ocurre porque los metales pierden fuerza a temperaturas elevadas. Para el acero al carbono, la tensión permitida permanece relativamente constante hasta aproximadamente 200 grados y luego comienza a disminuir linealmente. A 400 grados, la tensión permitida de A106 Gr.B es aproximadamente el 60% de su valor de temperatura ambiente-. A 500 grados, cae a aproximadamente el 40%.
El acero inoxidable tiene una ventaja a temperaturas muy altas debido a su superior resistencia a la oxidación y a la fluencia. Si bien el acero inoxidable 304 tiene una tensión permitida a temperatura ambiente- más baja que el acero al carbono (117,2 MPa frente a 137,9 MPa), su tensión permitida a 600 grados es de aproximadamente 48 MPa en comparación con cero para el acero al carbono (que no está permitido por encima de 538 grados según el código ASME). Para aplicaciones de temperatura ultra-alta-por encima de 600 grados, se utilizan aleaciones a base de níquel-como la aleación 617 (UNS N06617), con tensiones permitidas de 20 a 30 MPa a 900 grados.
Requisitos de presión ASME B31
Cada sección del código ASME B31 tiene requisitos específicos para la determinación de la clasificación de presión. ASME B31.1 (Power Piping) rige las tuberías en estaciones generadoras de energía eléctrica y plantas industriales. Requiere un diseño de presión de acuerdo con las reglas de ASME Sección I para tuberías externas de calderas y proporciona ecuaciones específicas para tuberías rectas, curvas y conexiones derivadas. ASME B31.3 (Process Piping) es el código más utilizado para plantas químicas y petroquímicas. Utiliza el enfoque basado en la fórmula de Barlow- con el espesor de diseño de presión determinado por: t=(P x D) / (2(SE + PY)), donde E es el factor de calidad de la junta longitudinal e Y es un coeficiente dependiente de la temperatura-.
ASME B31.4 (Transporte por ductos) se aplica a hidrocarburos líquidos y otros sistemas de ductos líquidos. Utiliza un enfoque de factor de diseño donde la tensión circunferencial a la presión de diseño no debe exceder un porcentaje específico del límite elástico mínimo especificado del material (SMYS). Por ejemplo, un factor de diseño típico de 0,72 significa que la tensión circunferencial está limitada al 72 % de SMYS. ASME B31.8 (Transmisión de gas) utiliza un enfoque de factor de diseño similar pero con factores específicos de ubicación-basados en la densidad de población cerca del gasoducto, que van desde 0,72 (rural) a 0,40 (áreas urbanas de alta-densidad).
Verificación de la prueba de presión
La prueba hidrostática es el método estándar para verificar la integridad de la presión de los sistemas de tuberías fabricados. La presión de prueba suele ser 1,5 veces la presión de diseño a la temperatura de diseño, pero no menos de 1,5 veces la MAWP a la temperatura de prueba. La presión de prueba debe mantenerse durante un período mínimo (normalmente 10 minutos para sistemas pequeños, más tiempo para sistemas grandes) mientras se inspeccionan todas las juntas y conexiones para detectar fugas. Las pruebas neumáticas se utilizan cuando las pruebas hidrostáticas no son prácticas (p. ej., sistemas que no pueden tolerar el agua, como el oxígeno o el servicio criogénico). Sin embargo, las pruebas neumáticas conllevan mayores riesgos de seguridad debido a la energía almacenada en el gas comprimido y requieren precauciones adicionales. Vea nuestroGuía de pruebas hidrostáticas y neumáticas(54) para procedimientos detallados.
Requisitos de presión de la industria
La industria química normalmente opera en clases de presión de 150# a 600#, y la mayoría de las tuberías de proceso generales a 150# o 300#. Los procesos de mayor presión, como el hidrocraqueo y la síntesis de amoníaco, operan entre 900# y 2500#. La industria energética utiliza los índices de presión más altos, con ciclos de vapor ultra-supercríticos que funcionan entre 2500# y 4000# y temperaturas de hasta 620 grados. Estas condiciones extremas requieren materiales de alta-aleación como P92 y superaleaciones a base de níquel-. Las presiones de los oleoductos y gasoductos suelen estar en el rango de clase ANSI 300 a 900, aunque las líneas de transmisión principales pueden operar a presiones superiores a 2000 psi.
Cómo realizar pedidos por clasificación de presión
Al solicitar tuberías para una aplicación de presión específica, proporcione los siguientes parámetros para garantizar la selección correcta: presión y temperatura de diseño, el medio fluido (incluida la corrosividad), el código aplicable (ASME B31.3, B31.1, etc.), el margen de corrosión requerido y cualquier requisito especial (servicio amargo, cumplimiento de NACE, etc.). El equipo de ingeniería de ManufacturerPipe puede ayudarlo a seleccionar el material, el cronograma y el proceso de fabricación óptimos para sus requisitos de presión específicos. También ofrecemos personalización de espesor de pared no-estándar para aplicaciones en las que los programas estándar son insuficientes o están demasiado-especificados.
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