Bridas Los Problemas, Selección y Consideraciones de Diseño. El problema obvio son las fugas que ocurren en alguna etapa

Transcripción

1 Bridas Los Problemas Bridas Los Problemas, Selección y Consideraciones de Diseño El problema obvio son las fugas que ocurren en alguna etapa Miremos las estadísticas 3/11/2013 1

2 Bridas Los Problemas El problema obvio son las fugas que ocurren en alguna etapa Miremos las estadísticas Miren este 2% Claramente las fugas son un serio problema para la industria 3/11/2013 2

3 Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Bridas Fugas Los Problemas El problema obvio son las fugas que ocurren en alguna etapa Miremos las estadísticas Claramente las fugas son un serio problema para la industria Por eso, es lógico que comencemos con las razones por las cuales las fugas ocurren 3/11/2013 3

4 Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Primero observemos los componentes que forman parte del sistema de una brida Estos son todos los componentes del sistema de la brida El único propósito de los pernos es el de mantener apretado el empaque Pernos Empaque Brida 3/11/2013 4

5 Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Primero observemos los componentes que forman parte del sistema de una brida Estos son todos los componentes del sistema de la brida El único propósito de los pernos es el de mantener el apriete del empaque Aquí está la fuerza de apriete del empaque en la brida superior 3/11/2013 5

6 Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Primero El perno miramos provee el los apriete componentes el empaque hacen parte del sistema de una brida Estos son todos los componentes del sistema de la brida El único propósito de los pernos es el de mantener el apriete del empaque Aquí está la fuerza de apriete del empaque en la brida superior 3/11/2013 6

7 Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Ahora El perno balanceamos provee el apriete las 3 fuerzas en el empaque en la brida con una ecuación simple La presión interna da el aumento a las otras fuerzas Ahora hay 3 fuerzas actuando en la brida 2 hacia arriba y 1 hacia abajo P Fuerza debida a la presión Fuerza debida al empaque Fuerza debida al perno 3/11/2013 7

8 Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Ahora balanceamos las 3 fuerzas en la brida con una ecuación simple El perno debe balancear las fuerzas debidas al empaque y a la presión Esto da lugar a nuestra primera ecuación Reorganizando la ecuación: P Fuerza debida a la presión Fuerza debida al empaque Fuerza debida al perno Fuerza debida al perno = Fuerza debida al empaque + Fuerza debida a la presión 3/11/2013 8

9 Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Ahora Si Fuerza balanceamos debida Perno las 3 fuerzas = Fuerza en debida la brida con la presión una ecuación : No existe simple apriete en el empaque El perno debe balancear las fuerzas debidas al empaque y a la presión Esto da lugar a nuestra primera ecuación Reorganizando la ecuación: P Fuerza debida a la presión Fuerza debida al empaque Fuerza debida al perno Fuerza debida al perno empaque = Fuerza = Fuerza debida debida al empaque al perno -+ Fuerza debida a la la presión 3/11/2013 9

10 Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Si Observemos Fuerza debida cerca al Perno al empaque = Fuerzaentre debida lasa bridas la presión : No existe apriete en el empaque La brida suelta el empaque - ocurre una fuga! Reorganizando la ecuación: P Fuerza debida a la presión Fuerza debida al empaque Fuerza debida al perno Fuerza debida al empaque = Fuerza debida al perno - Fuerza debida a la presión 3/11/

11 La Ecuación Se Ajusta para Tener en Cuenta la Rotación Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Observemos de cerca al empaque entre las bridas El perno actúa como una bisagra las bridas rotan desde el perno y debido a las fuerzas de presión Pueden ocurrir fugas Fuerza debida al empaque = Fuerza debida al perno - Fuerza debida a la presión 3/11/

12 La Ecuación Se Ajusta para Tener en Cuenta la Rotación Consideremos el Apriete Residual del Empaque Cada componente de la ecuación reduce el apriete en el empaque Éste es un punto extremadamente importante Ahora consideramos qué es requerido por el empaque Fuerza debida al empaque = Fuerza debida al perno - Fuerza debida a la presión - Rotación 3/11/

13 Consideremos el Apriete Residual del Empaque Fuerza del Perno - Fuerza de la presión - Rotación de la brida = Fuerza final del empaque Pernos apretados Cuál debe ser la fuerza residual? Reducción de la fuerza por la presión Fuerza del empaque Reducción de la fuerza por la rotación de la brida Fuerza final o residual del empaque 3/11/

14 Pernos apretados Consideremos el Apriete Residual del Empaque Fuerza del Perno - Fuerza de la presión Cuál debe ser la fuerza residual? - Rotación de la brida = Fuerza final del empaque Acerquémonos a la fuerza residual usando simple lógica Fuerza del empaque Fuerza final o residual del empaque 11/03/

15 Consideremos el Apriete Residual del Empaque La Considere presión una en el brida empaque con el debe empaque exceder apropiadamente la del fluido para sellado que sea satisfactorio El fluido bajo presión trata de escapar sobrepasando el empaque Pero hay presión o apriete en el empaque Si la presión en el empaque es menor que la del fluido - habrá fuga P 11/03/

16 Consideremos Hasta ahora hemos el Apriete considerado Residual los del problemas EmpaqueMecánicos de las fugas La presión en el empaque debe exceder la del fluido para que sea satisfactorio Utilizamos un factor (del código) m mayor que 1.0 Entonces la presión residual en el empaque es : m x P P m x P 3/11/

17 Hasta Ahora Hemos Considerado los Problemas Mecánicos de las Fugas Consideremos Los problemas otro difíciles problema son de mecánico naturaleza momento térmica externo Consideremos qué pasa cuando una brida está más caliente que la otra Camina sobre el empaque haciendo que éste se degrade Éste es un problema particularmente difícil en intercambiadores de calor 11/03/

18 Hasta Consideremos Ahora Hemos las Considerado Fuerzas Actuando los Problemas en la Brida Mecánicos Bajo Presión de las Fugas Consideremos otro problema mecánico momento externo Puede ocurrir rotación de la brida La ruta para posibles fugas es obvia El empaque se carga de manera desigual las reglas del código no son precisas Volveremos a las cargas externas más adelante 11/03/

19 Consideremos las Fuerzas Actuando en la Brida Bajo Presión Así Fuerza W m1 en = la H D pared + H P interna + H T debida a la presión H D Fuerza para apretar el empaque H P Fuerza en el espacio anular H T Estas fuerzas son balanceadas por el perno W m1 W m1 H D H T H P 11/03/

20 Consideremos Consideramos las el Momento Fuerzas Actuando en la la Brida Bajo Presión Así W m1 = H D + H P + H T W m1 es la fuerza del perno EN OPERACIÓN W m1 H D H T H P 11/03/

21 Consideramos el la Momento Fuerza Actuando Actuando en en la Brida la Brida para Bajo el Apriete Presióndel Empaque Aquí están los brazos de momento el perno actuando como bisagra El momento en la brida: M O = H D.h D +H T.h T + H P.h G W m1 H D H T H P h G h T h D 11/03/

22 Consideramos la Fuerza Actuando en la Brida para el Apriete del Empaque Éste es el aprite inicial en el empaque y la fuerza del perno W m2 Se consideran dos condiciones Operación y Asentamiento del empaque W m1 W m2 En Operación Asentamiento del empaque h G h T h D H D H T H P 11/03/ H G

23 Fuerzas producidas por la presión Fuerzas producidas por el apriete de los pernos W m1 W m2 En Operación Asentamiento del empaque h G h T h D H D H T H P 11/03/ H G

24 En cualquier caso, hay un Momento actuando en la brida Fuerzas producidas por la presión Fuerzas producidas por el apriete de los pernos W m1 W m2 En Operación Asentamiento del Empaque h G h T h D H D H T H P 11/03/ H G

25 En Investiguemos cualquier caso, las hay Consecuencias un Momento de actuando la Rotación en la brida Haciéndole rotar sobre el perno, actuando como bisagra 11/03/

26 Investiguemos las Consecuencias de la Rotación El empaque es apretado únicamente en el borde exterior Apretado sobre un ancho efectivo b Cuando los pernos son apretados por primera vez se aplica una presión y La presión y x el área efectiva del empaque nos da la fuerza de apriete inicial b Esta área es redundante Esta fuerza de apriete inicial es llamada H G 11/03/

27 Investiguemos las consecuencias de la rotación El empaque es apretado únicamente en el borde exterior Apretado sobre un ancho efectivo b Cuando los pernos son apretados por primera vez se aplica una presión y La presión y x el área efectiva del empaque nos da la fuerza de apriete inicial b Esta fuerza de apriete inicial es llamada H G 11/03/

28 Volveremos al empaque más adelante W m 1 En Operación H D H T H P b P Esta fuerza de apriete inicial es llamada H G Cuando la presión se introduce, el apriete en el empaque se relaja 11/03/

29 El Éste momento es un análisis en la brida de esfuerzos genera tres típico esfuerzos de PV Elite S R Esfuerzo Radial S T Esfuerzo tangente (de arco) S T Esfuerzo (flexión) del concentrador estándar Se necesitan estos tres esfuerzos para ambas condiciones; en operación y en el asentamiento del empaque (apriete de pernos) 11/03/

30 Considere la Nueva Función de la Cara Completa del Empaque Éste es un Análisis de Esfuerzos Típico de PV Elite Este caso de análisis es por ASME VIII, División 1 Se necesitan estos tres esfuerzos para ambas condiciones; en operación y en el asentamiento del empaque (apriete de pernos) 11/03/

31 Consideremos Ahora el Papel de la Junta Completa del Empaque El empaque se va al diámetro exterior de la brida A menos que se conozca el mecanismo de fuga todo puede fallar La presión hace a estas fuerzas actuar El perno trata de mantener todo junto Pero puede que no sea capaz! 11/03/

32 Esto Debemos es lo comprender que pasa mire las fuerzas cuidadosamente actuando en la brida La brida se abre ahora hay una ruta de fuga Aquí está En efecto, la fuga ocurre a través de los pernos Cómo podemos prevenir esto? 11/03/

33 Debemos Esta parte Comprender la brida actúa las Fuerzas como Actuando cantiliver en la Brida Hay dos fuerzas actuando hacia arriba Presión y fuerzas de balanceo El perno provee la otra fuerza (equilibrio) Ahora tome los momentos para obtener la fuerza del perno F B = F P. L x F P F B F U Aumentando x se reduce F B Esto es importante L x 11/03/

34 Esta La REGLA parte DE de la ORO: brida actúa como voladizo Un voladizo más corto es más rígido (más fuerte) Aprendimos una importante lección: Aumentar x disminuye la carga de los pernos Aumentar x hace la brida más fuerte El levantamiento de la brida se disminuye F F B F B x 11/03/

35 Esta La REGLA es una DE brida ORO: rectangular típica SIEMPRE haga a x más grande que a y En otras palabras: mantenga los pernos cerca del diámetro interno de la brida Consideremos el caso de una brida rectangular F B y x 11/03/

36 Ésta Es una Brida Rectangular Típica Considere la sección transversal, aumentada aquí Suponga el empaque es delgado, así. Aquí esta el perno Este lado de la brida girará así Para resolver el problema, necesita un empaque que complete la cara Ya revisamos los problemas, ahora revisemos el empaque 11/03/

37 Ahora Las fuerzas Estudiemos de apriete el Empaque y expansión y sus se Propiedades pueden ver en una gráfica Suponga que el empaque es perfectamente elástico En servicio las bridas se separan, por ejemplo cuando se presurizan El empaque se expande perdiendo algo de apriete de carga Hay una relación entre expansión y apriete Expansión 11/03/

38 Ahora La fuerza podemos apriete ver la y relación expansión que hay se pueden entre el ver empaque en una gráfica y los pernos Esta línea representa el apriete del empaque vs el espesor Si el empaque se expande (se hace más grueso), note que pasa La fuerza del empaque se reduce La fuerza del perno vs. su estiramiento también se puede dibujar en esta gráfica A medida que el perno se estira, la fuerza para estirar aumenta Fuerza Desde aquí Hasta aquí Espesor del empaque - Expansión Estiramiento del perno 11/03/

39 Ahora podemos ver la relación que hay entre el empaque y los pernos Primero, necesitamos la rigidez del empaque y los pernos K G = Rigidez del empaque lbf/in or N/mm K B = Rigidez de los pernos lbf/in or N/mm La rigidez representa la pendiente (tangente) de la gráfica Fuerza Estiramiento del perno Compresión del Empaque Aumento de la fuerza K B K G Estiramiento o contracción 3/11/

40 Estamos listos para investigar la relación que hay entre el empaque y el perno Comencemos viendo que pasa con la fuerza residual del empaque H P Aplique una fuerza extra el empaque no se comprime más F Fuerza H p K B K G Estiramiento del perno Compresión del empaque 11/03/

41 Estamos listos para investigar la relación que hay entre el empaque y el perno Comencemos viendo que pasa con la fuerza residual del empaque H P Aplique una fuerza extra el empaque no se comprime más F Como ya hemos aplicado la fuerza de la presión H Sin embargo, la fuerza del perno aumenta Fuerza F H p K B K G Estiramiento del perno Compresión del empaque 11/03/

42 Estamos Podemos listos Calcular para F investigar en términos la relación de y, tque G y Hhay entre el empaque y el perno Comencemos viendo que pasa con la fuerza residual del empaque H P Aplique una fuerza extra el empaque no se comprime más F Como ya hemos aplicado la fuerza de la presión H Sin embargo, la fuerza del perno aumenta Fuerza F H H p K B K G Estiramiento del perno Compresión del empaque 3/11/

43 Podemos Calcular F en términos de y, t G y H H = F + y = F + t G.K B (por triángulos similares) F = t G.K G Eliminando t G de la ecuación F = H 1 + K B K G Fuerza Y F H t G H p K B K G Estiramiento del perno Compresión del empaque 11/03/

44 Podemos Ecuación en calcular Términos F en de términos la Elasticidad de y, t del G Perno y H y el Empaque H = F + H y F = = F 1 + t K B G.K B (de triángulos similares) F = t G.K G K G Eliminando t G de la ecuación F = H 1 + K B K G 11/03/

45 Ecuación Organizando en Términos los términos de la utilizados Elasticidad en del la ecuación: Perno y el Empaque H F = 1 + K B 1 + A B.E B.t G A K G.E G.L Convirtiendo rigidez en elasticidad y estiramiento, generalmente: K = Finalmente: F = Módulo Elástico x Área del componente H 1 + A B.E B.t G A G.E G.L Longitud Original = E. A L 11/03/

46 Organizando los términos utilizados en la ecuación: F = H 1 + A B.E B.t G A G.E G.L H = Fuerza debida a la presión interna A B = Área total de los pernos E B = Módulo elástico de los pernos L = Longitud de los pernos Fuerza A G = Área del empaque (área efectiva) E G = Módulo elástico del empaque F H H p K B t G = Espesor del empaque K G Estiramiento del perno Compresión del empaque 11/03/

47 Considere Organizando las los propiedades términos utilizados del empaque en la ecuación: F = H 1 + A B.E B.t G A G.E G.L F es la fuerza de relajamiento del empaque Cuando F alcanza H, el empaque se reduce a su estado residual Fuerza F H H p K B K G Estiramiento del perno Compresión del empaque 11/03/

48 Considere las Propiedades del Empaque Esta línea recta asume que el empaque obedece a la Ley de Hook Esto es cierto para todos los empaques metálicos, pero no para materiales orgánicos/sintéticos Así es como los materiales se aprietan y relajan Fuerza F H H p K B K G Estiramiento del perno Compresión del empaque 11/03/

49 Considere Volvamos las a los Propiedades Problemas del que Empaque Pueden Causar Fugas Esta línea recta asume que el empaque obedece a la Ley de Hook Verdad para todos los empaques metálicos, pero no para materiales orgánicos/sintéticos Así es como los materiales se aprietan y relajan Esto hace el análisis mucho más complicado Fuerza Compresión 11/03/

50 Volvamos Antes de Ver a los la Problemas Solución Consideremos que Pueden Causar Qué Hace Fugasel Código A medida que la presión aumenta, el empaque es liberado de carga Apretando los pernos y añadiendo presión ocurre rotación Si una brida está más caliente, el empaque se degrada Momentos y fuerzas externas pueden aflojar el empaque Generalmente el empaque no obedece la Ley de Hook Fuerza Compresión 11/03/

51 Antes El ajustador de Ver aprieta la Solución los pernos Consideremos hasta aquí Qué (50000 Hace psi/344 el Código MPa) Consideramos ASME Sección VIII, División 1 como ejemplo El código ajusta la carga inicial de los pernos alrededor de psi / 172 MPa Después que se introduce la presión, el empaque se relaja hasta aquí Sin embargo, la experiencia muestra que la brida tendrá fugas Cuál es la solución? Fuerza F H W m2 H p K B K G Estiramiento del Perno Compresión del Empaque 11/03/

52 Manejando fuerzas y momentos externos El ajustador aprieta los pernos hasta aquí (50000 psi/344 MPa) Ahora el empaque se relaja hasta aquí En vez que sea aquí, con la menor carga del perno Esta es la ÚNICA forma de prevenir la probabilidad de fuga Fuerza F H W m2 F BOLT H p K B K G Estiramiento del Perno Compresión del empaque 11/03/

53 Manejando Fuerzas y Momentos Externos Fuerza Externa, y momento externo La fuerza y el momento se convierten en una presión equivalente 11/03/

54 Manejando Comenzamos Fuerzas con el y Empaque Momentos Externos Fuerza Externa, y momento externo F M La fuerza y el momento se convierten en una presión equivalente La ecuación de conversión se conoce como Ecuación Kellogg para F y M La derivada de esta ecuación es instructiva 11/03/

55 Comenzamos con el Empaque bpara es el momento ancho efectivo M comenzamos del emapque con el módulo de la sección del empaque Z G es el diámetro efectivo del empaque Fuerza en el empaque debida a la presión interna equivalente P e F = π.g2.p e 4 Así, la presión equivalente debida a la fuerza externa F es 4.F P e = π.g 2 G b 11/03/

56 Comenzamos La ecuación de con Kellog Empaque final para la presión equivalente es: Para el momento M comenzamos con el módulo de la sección del empaque Z Z = π.g2.b 4 Ahora podemos encontrar el esfuerzo S en el empaque debida al momento M S = M = 4M Z π.g 2.b El esfuerzo S debido a la presión equivalente P e S = Fuerza de P e Área del empaque = π.g2 π.g.b Igualando las dos ecuaciones para S, finalmente tenemos P e 16.M P e = π.g 3 G b 11/03/

57 Bridas La ecuación Estándar de Kellog B16.5final y B16.47 para se la presión Pueden equivalente Comprar es: 4.F P e = π.g M π.g 3 Esto simplemente se suma a la presión de diseño P Hemos discutido brevemente el diseño de bridas por ASME Nuestra atención ahora se dirige a bridas estándar 11/03/

58 Bridas Estándar B16.5 y B16.47 se Pueden Comprar Esto es lo que ASME División 1 dice acerca de las bridas UG-11 El código no requiere cálculos de bridas estándar Y en la Tabla U-3 tenemos la referencia a estos estándares 11/03/

59 Bridas Las Ecuaciones Estándar para B16.5 Bridas y B16.47 en ASME Se Pueden Fueron Comprar Introducidas en 1937 Esto es lo que ASME Division 1 dice acerca de las bridas UG-11 El código no requiere cálculos de bridas estándar Si analizamos una brida estándar, puede fallar! Porqué? B16.5 no surgió de ningún análisis Fue el resultado de los fabricantes creando un estándar bajo el auspicio del comité de B16.5 años atrás 11/03/

60 Las El Acercamiento Ecuaciones para Moderno Bridas es en por ASME Análisis Fueron por Introducidas Elemento Finito en 1937 Recuerdan esto? Las fugas ocurren en un número pequeño de bridas Qué intentos se han hecho para abordar este problema? 11/03/

61 El Nótese Acercamiento la Técnica Moderno Enmallado Es por Análisis por Elemento Finito Compañías como Lannewehr & Thompson & Co KG han escrito software Flange Valid que considera todos los parámetros mecánicos que definen una brida by kind permission La simulación de la condición de servicio actual se puede analizar utilizando este método Éste es un modelo FEA sencillo 11/03/

62 Nótese la Técnica de Enmallado Ahora Viene el Inconveniente del Ensamble de las Bridas 11/03/

63 Ahora Aquí Está Viene Dicho el Inconveniente Aparato del Ensamble de las Bridas El personal que ensambla las bridas requiere mucha experiencia El personal que solda debe ser calificado como alguien que produce soldaduras sin defectos Compañías responsables también califican a sus ensambladores de bridas Esto se puede hacer con un aparato estándar que puede ser utilizado para permitir a los ajustadores demostrar su habilidad 11/03/

64 Aquí Está Dicho Aparato Las Bridas Aún Deben Cumplir con las Reglas de los Códigos 3/11/

65 Aquí Las Bridas está la Aún Pantalla Deben de Cumplir PV Elite con las Todo Reglas lo que de Necesita los Códigos Los cálculos son tediosos Sin embargo en la computadora. PV Elite hace del diseño de bridas algo muy simple Todas las dimensiones se pueden ingresar en minutos para obtener resultados Cambios se pueden hacer en el camino 11/03/

66 Aquí está la Pantalla de PV Elite con Todo lo que Necesita El Espesor de Brida Requerido Está Disponible Instantáneamente 11/03/

67 El Espesor de Brida Requerido Está Disponible Instantáneamente Puede Controlar la Rotación de la Brida a los Límites del Código 3/11/

68 Puede Controlar la Rotación de la Brida a los Límites del Código Puede Agregar Fuerzas y Momentos Externos 3/11/