Los esfuerzos o tensiones admisibles se definen en términos de las propiedades de resistencia mecánica del material obtenidas en ensayos de tracción para diferentes niveles de temperatura y de un factor de seguridad global. En términos físicos, la tensión mecánica de un tubo es la fuerza por unidad de área, se expresa normalmente en PSI o KP. Otra buena definición de tensión, es la capacidad de un tubo para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. Normalmente las tensiones se calculan en puntos específicos de un sistema de tubería, por ejemplo, un codo (cambio de dirección), un punto de apoyo (soporte), un accesorio específico (tee, flange).

 

Normas de diseño

Las normas utilizadas en el análisis de sistemas de tubería son las normas conjuntas del American National Standards Institute, y la American Society of Mechanical Engineers ANSI/ASME.

Cada uno de estos códigos recoge la experiencia de numerosas empresas especializadas, investigadores, Ingenieros de proyectos e Ingenieros de campo en áreas de aplicación específicas, entre las cuales se aplican:

  • B 31.1 Tuberías de potencia y sistemas de vapor.
  • B 31.3 Tuberías de proceso.
  • B 31.4 Transporte de hidrocarburos líquidos.
  • B 31.8 Tuberías de trasmisión y distribución de gas.
  • ASME BPVC (Section II, V, VIII). Requerimientos generales.

Las normas ASME B 31.1 Y B 31.3 estipulan dos criterios para el esfuerzo admisible. Uno es el llamado “esfuerzo básico admisible” en tensión a la temperatura de diseño, con el cual están familiarizados los que se dedican al diseño de equipos sometidos a presión. El otro es menos conocido y se le denomina “rango de esfuerzo admisible”, se deriva del esfuerzo básico admisible y se emplea como base para el cálculo de la expansión térmica y para el análisis de flexibilidad.

El rango de esfuerzo o tensión admisible se calcula de la siguiente forma:

  • Por sustentación: SA = Sh.
  • Por dilatación: SA = f (1.25 Sc + 0.25 Sh)
  • Por dilatación y sustentación: SA = f (1.25 Sc + 0.25 Sh)+ Sh

Donde:

  • SA = Esfuerzo máximo admisible.
  • Sc = Esfuerzo básico admisible para el material a la mínima temperatura esperada del material (normalmente temperatura ambiente) durante un ciclo de desplazamiento. (Apéndice A código ASME B31.1)
  • Sh = Esfuerzo básico admisible para el material a la máxima temperatura esperada del material durante un ciclo de desplazamiento. (Apéndice A código ASME B31.1)
  • f = Factor de reducción del rango admisible de esfuerzo para condiciones cíclicas según el número total de ciclos completos de cambios de temperatura sobre la vida útil esperada. f = 6 / N^0.2 < 1.0

Programas como el CAESAR II, ALGOR PIPEPAK, AUTO PIPE, TRIFLEX y BENTLEY están disponibles para ejecutar análisis detallados de los esfuerzos en sistemas de tuberías con muchas ramificaciones. CAESAR II es el programa más avanzado y utilizado en el mundo, para el análisis de tensiones y cargas en tuberías. Este programa está desarrollado para ambiente WINDOWS y su principal función es el modelaje, análisis y diseño de sistemas de tuberías.