MODELADO NUMÉRICO DE EQUIPOS MECÁNICOS EN REFINERÍAS

Transcripción

1 Universidad Simón Bolívar MODELADO NUMÉRICO DE EQUIPOS MECÁNICOS EN REFINERÍAS Carlos Graciano PhD en Ing. Estructural Universidad Nacional de Colombia Facultad de Minas, Sede Medellín Medellín, Colombia Euro Casanova Dr. en Ingeniería Universidad Simón Bolívar Departamento de Mecánica, Apdo , Caracas 1080-A. Caracas, Venezuela

2 CONTENIDO Modelado del Izado de Cabezal Hemisférico Modelado de Tanques de Almacenamiento y Boquillas Análisis de Esfuerzos en Sistemas de Tuberías Conclusiones

3 ANÁLISIS POR ELEMENTO FINITO DEL IZADO DE UN CABEZAL HEMISFÉRICO Casanova, E., Graciano C., Uranga, C. Estudio del Sistema Reactor y Regenerador de la Planta FCC de la Refinería El Palito. Reporte Interno, Fundación de Investigación y Desarrollo (FUNINDES), Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela, 2003.

4 Objetivos Modelar usando el método de elemento finito el proceso de izado de un cabezal hemisférico Determinar la posición óptima de las orejas de izado Reducir la pérdida de circunsferencialidad en la periferia del cabezal para facilitar el proceso de soldadura

5 Descripción del problema Cabezal del Regenerador Cuerpo del Regenerador Izado del cabezal hemisférico

6 Hipótesis de cálculo Análisis estático y lineal usando MEF Elementos tipo shell de 4 nodos (6 grados de libertad por nodo) Material Acero AS-516 Gr 70 Las boquillas se encuentran sometidas a cargas concentradas Las orejas de izado son simuladas con condiciones de desplazamiento nulo, aplicadas a un sólo nodo

7 Modelo por Elemento Finito Modelo del Cabezal Modelo del plenum

8 Cargas sobre el cabezal

9 Análisis paramétrico Se consideraron dos parámetros para la ubicación de las orejas de izado: Altura H medida con respecto a la periferia del cabezal Ángulo Q medido con respecto al norte de la planta (Interferencia con plataformas)

10 H Parámetro H (Posición de las orejas de Izado) Figure 6: Areas for the parameter H

11 Tabla 1: Definición del parámetro H usado en el análisis Zona Rango de H [mm] Valor de H seleccionado [mm] 1 0 H < H H , 4275, H , 4734, H

12 Parámetro Q (Posición de las orejas de Izado)

13 Tabla 2: Definición del parámetro Q usado en el análisis Q Posición de las orejas respecto al norte de la planta 0 0, 90, 180, , 120, 210, , 150, 240, 330

14 Tabla 3: Máxima deflexión de la periferia del domo [mm] (sin anillo rigidizador) H [mm] \ Q ,3 137,5 138, ,4 58,2 57, ,1 20,8 21, ,7 11,6 12, ,8 10,0 9, ,2 1,6 2, ,0 5,9 5, ,7 6,5 7, ,9 8,4 13,2

15 Max. Deflexión [mm Máxima deflexión de la periferia del domo [mm] (sin anillo rigidizador) H [mm]

16 Vista en planta de la deformada de la periferia del domo [mm] (H = 2879mm, Q = 0 )

17 Intensidad de esfuerzos [MPa] (H = 2879mm, Q = 0 )

18 Vista en planta de la deformada de la periferia del domo [mm] (H = 4594 mm, Q = 0 )

19 Intensidad de esfuerzos [MPa] (H = 4594 mm, Q = 0 )

20 Influencia del anillo rigidizador Detalle del domo con anillo rigidizador

21 Tabla 4: Máxima deflexión de la periferia del domo [mm] (con anillo rigidizador) H [mm] \ Q ,9 58,0 55, ,1 24,9 24, ,3 10,8 11, ,3 7,5 7, ,5 6,8 6, ,7 1,4 2, ,7 5,8 5, ,3 6,4 6, ,9 8,4 13,4

22 Max. Deflexión [mm] Máxima deflexión de la periferia del domo [mm] (con anillo rigidizador) 60,0 50,0 40,0 30,0 20, ,0 0, H [mm]

23 Vista en planta de la deformada de la periferia del domo [mm] (con anillo rigidizador) (H = 4594 mm, Q = 0 )

24 Intensidad de esfuerzos [MPa] (con anillo rigidizador) (H = 4594 mm, Q = 0 )

25 Resultados El parámetro H es el que presenta una mayor influencia sobre la deformación del domo Escasa influencia del parámetro Q, si las orejas de izado forman 90 entre sí. Escasa influencia del rigidizador Realizar una verificación del estado de esfuerzos alrededor de las orejas de izado.

26 Modelado de Tanques de Almacenamiento Casanova, E. Graciano, C. Construcción de Modelo Numérico de las boquillas y de clips de soportes mediante MEF de las boquillas de tanques. Reporte Interno, Fundación de Investigación y Desarrollo (FUNINDES), Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela, 2005.

27 Hipótesis de cálculo Análisis estático y lineal usando MEF (API 650) Elementos tipo shell de 4 nodos (6 grados de libertad por nodo) Material del tanque: ASTM A36 Material de las boquillas: ASTM A53 Gr B Cargas sobre las paredes del tanque: peso del techo, presión del fluido Cargas sobre las boquillas y clips: cargas externas ocasionadas por las tuberías conectadas

28 Modelado del Tanque A Diámetro mm Altura mm Espesores Anillo mm Anillo mm Anillo mm Anillo mm Esp. corr mm

29 Modelado del Tanque B Diámetro 4572 mm Altura 6400 mm Espesores Anillo mm Anillo mm Anillo mm Esp. corr mm

30 Análisis de esfuerzos en las boquillas Universidad Simón Bolívar

31 Universidad Simón Bolívar Modelo de las Boquillas Boquilla Tipo R del Tanque A Boquilla Tipo R del Tanque A

32 Universidad Simón Bolívar Modelo de las Boquillas Boquilla Tipo NR del Tanque B Boquilla Tipo R del Tanque B

33 Universidad Simón Bolívar Resultados En el Tanque A, la acción combinada de las cargas estáticas transmitidas por los sistemas de tuberías sobre las boquillas y clips de soporte, presión hidrostática, peso (techo y propio del tanque) no producen la falla del tanque de acuerdo a lo establecido en la Norma API 650. En el Tanque B, los esfuerzos generados por las cargas impuestas en las paredes del tanque no superan el valor admisible.

34 Universidad Simón Bolívar Análisis de Flexibilidad de Sistemas de Tuberías Kenyery, F. Casanova, E. Graciano, C. Análisis de esfuerzos estático-dinámico y el estudio acústico del sistema de tuberías para la nueva estación de Bombas de transferencia. Reporte Interno, Fundación de Investigación y Desarrollo (FUNINDES), Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela, 2004.

35 Universidad Simón Bolívar Hipótesis de cálculo Análisis estático usando CAESAR Material de la tuberías: ASTM A36 Temperatura de diseño succión y de descarga: 190 F Presión de diseño: succión 35.3 psi / descarga 800 psi Diámetro nominal: 20 succión y 16 descarga Las tuberías estaban conectadas a sendos cabezales de succión y descarga de 36 y 24, respectivamente

36 Universidad Simón Bolívar Sistema Original Bomba 48-P-005 Bomba 48-P-004 Bomba 48-P-003 Bomba 48-P-002 Bomba 48-P-001 Cabezales de Descarga Cabezales de Succión

37 Universidad Simón Bolívar Casos de estudio Bombas 48-P-001, 48-P-002, 48-P-003, 48-P-004 (ON) - Bomba 48-P-005 (OFF) Bombas 48-P-001, 48-P-002, 48-P-003, 48-P-005 (ON) - Bomba 48-P-004 (OFF) Bombas 48-P-001, 48-P-002, 48-P-004, 48-P-005 (ON) - Bomba 48-P-003 (OFF) Bombas 48-P-001, 48-P-003, 48-P-004, 48-P-005 (ON) - Bomba 48-P-002 (OFF) Bombas 48-P-002, 48-P-003, 48-P-004, 48-P-005 (ON) - Bomba 48-P-001 (OFF)

38 Universidad Simón Bolívar Sistema Modificado Lazos de Expansión Lazos de Expansión

39 Universidad Simón Bolívar Detalles del Sistema Modificado Línea de succión Línea de descarga Soportes utilizados: (1) Abrazaderas y guías; (2) Durmientes; (3) Stops direccionales; (4) Resortes (Spring hangers); y (5) Anclajes

40 Universidad Simón Bolívar Resultados Con las modificaciones realizadas en el sistema de tubería propuesto se reducen los esfuerzos por cargas sostenidas y de expansión a valores por debajo de los admisibles en el Código ASME B31.3. Además, las reacciones estáticas en las boquillas de las bombas son, en general, inferiores a los valores admisibles proporcionados por el fabricante

41 Universidad Simón Bolívar Conclusiones Se puede concluir que los modelos computacionales, en especial aquellos que emplean el método de los elementos finitos, son una excelente herramienta para la predicción del comportamiento estructural de equipos mecánicos como los encontrados en refinerías de petróleo

42 Gracias por su atención! Universidad Simón Bolívar Preguntas?