UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería de Materiales IMPLEMENTACIÓN DE LAS ESPECIFICACIONES DE MATERIALES DE TUBERÍAS DEL PROYECTO POLINTER Por Verena Sanjuán López Nº Sartenejas, Septiembre de 2006.

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería de Materiales IMPLEMENTACIÓN DE LAS ESPECIFICACIONES DE MATERIALES DE TUBERÍAS DEL PROYECTO POLINTER Por Verena Sanjuán López Realizado con la Asesoría de: Prof. Carlos Graciano, PhD Ing. Thais Mesones PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar Como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales Opción Metalmecánica Sartenejas, Septiembre de 2006

3 iii UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería de Materiales IMPLEMENTACIÓN DE LAS ESPECIFICACIONES DE MATERIALES DE TUBERÍAS DEL PROYECTO POLINTER Este Trabajo de Grado ha sido aprobado en nombre de la Universidad Simón Bolívar por el siguiente jurado examinador: Presidente (a) (Nombre y firma) Miembro Externo (Nombre y firma) Indicar Institución a la que pertenece Miembro Principal-Tutor (Nombre y firma) Fecha:

4 iv El amor que sentimos por algo, es fruto del conocimiento que de ese algo tengamos, y se acrecienta conforme nuestro saber se torna más seguro Miguel Angel Buonarroti

5 v Agradecimientos Como toda actividad humana, este trabajo no es el resultado de un esfuerzo individual sino consecuencia de acuerdos y/o discrepancias entre varias personas. Se consolida como un proyecto que ha contado con el apoyo de personas, que de una forma u otra, aportaron su indiscutible calidad humana y profesional con generosidad increíble. A todas ellas me es obligante y placentero hacerles saber mi más profundo y entrañable agradecimiento: Ing. Thais Mesones Ing. Carlos Graciano Ing. Darío Rigaud Ing. Desiree Quintero Ing. Víctor Figuera Ing. Estyben Rojas Ing. Legna Iriza Compañeros y amigos de Empresas Y&V Finalmente no puedo dejar de lado a quienes me han impulsado en cada aspecto de mi vida: mi madre y fuente de ejemplos a seguir Amadita López, mi hermana y apoyo incondicional Erika Sanjuán y mi padre y crítico Carlos Sanjuán. Verena Sanjuán López.

6 vi UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería de Materiales IMPLEMENTACIÓN DE LAS ESPECIFICACIONES DE MATERIALES TUBERÍAS DEL PROYECTO POLINTER INFORME DE PASANTÍA Presentado por Verena Sanjuán López Realizado con la Asesoría de: Prof. Carlos Graciano, PhD; Ing. Thais Mesones RESUMEN En el proceso de diseño de una planta industrial se pueden emplear distintos programas computarizados, con los cuales se obtienen productos como: planos, isométricos, modelos y reportes, que brindan la información necesaria para la construcción de la planta. El tiempo empleado en obtener estos productos del diseño es notablemente menor al que se podría lograr mediante el diseño manual. AutoPlant es un programa sencillo que cuenta con una base de datos que le brinda a sus productos un valor agregado: contienen los elementos del sistema de tuberías caracterizados bajo los requerimientos de las especificaciones de la planta. Para ello se deben introducir los datos de las especificaciones de tuberías de cada proyecto dentro del módulo Specification Generator Para cumplir con esto, se implantaron y revisaron minuciosamente las especificaciones de materiales del proyecto IPC- Ampliación de la planta PEAD-Polinter de Empresas Y&V, en el módulo Specification Generator de AutoPlant. Para ello, se fundamentaron cada una de las actividades en la información bibliográfica y normativa de diseño necesarias; logrando generar un catálogo y un grupo de especificaciones de tuberías, de alta calidad; pues el diseño del modelo de la planta se realizó sin mayores contratiempos debido a las especificaciones implementadas. Con esto se evitó que la empresa invirtiese más de 1400 horas-hombre adicionales en el proyecto. También se emplearon los elementos del catálogo del proyecto para iniciar el sistema de codificación y control de materiales de la empresa, logrando generar la codificación y los archivos de importación de datos, para llevar la información necesaria desde el catálogo de Specification Generator a los programas GreatPlains y ReqLogic, que están encargados del control de inventario de materiales y las requisiciones respectivamente. PALABRAS CLAVES Especificaciones de Materiales, Catálogos, AutoPlant, GreatPlains y ReqLogic. Sartenejas, Septiembre de 2006

7 ÍNDICE GENERAL vii ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO I Proyecto Polinter y sus Especificaciones de Materiales Objetivos General Específicos Alcance Antecedentes...4 CAPÍTULO II Descripción de La Empresa Visión, Misión, Valores y Política de Calidad de La Empresa...6 Visión...6 Misión...7 Valores...7 Política de Calidad Estructura Organizacional de La Empresa Departamento de Ingeniería Mecánica...8 CAPÍTULO III Diseño de tuberías Especificación de Materiales Especificaciones de Materiales y sus elementos Normas y Códigos Aplicables Servicio Clase o Pressure Rating Class Designación Rango de Presión Rango de Temperatura Material Tolerancia de Corrosión Tablas de Conexiones...15

8 ÍNDICE GENERAL viii 3.4 Elementos de un Sistema de Tuberías Tuberías Juntas Bridas Empacaduras Espárragos y Pernos Accesorios Válvulas Módulo Specification Generator Módulos GreatPlains y ReqLogic...28 CAPÍTULO IV Herramientas empleadas Diseño Metodológico Información bibliográfica y normativa de diseño Especificaciones del proyecto Polinter y sus documentos asociados Inducción al programa Specification Generator Implementación de las especificaciones en el Specification Generator Revisión y corrección de las especificaciones de materiales en el Specification Generator Calculo del estimado de horas-hombre Empleo del catálogo Polinter para el sistema de control de inventario y requisiciones38 CAPÍTULO V Revisión inicial de las especificaciones de materiales Especificaciones Iniciales Especificaciones Implantadas Cálculo del estimado de horas hombre Sistema de control de materiales Codificación de elementos de tuberías Implementación de los elementos de tuberías en GreatPlains Implementación de los elementos de tuberías en ReqLogic...57 CAPÍTULO VI...58

9 ÍNDICE GENERAL ix 6.1 Conclusiones Recomendaciones...59

10 ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS x ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1: Estructura Organizacional de Empresas Y&V [2]...8 Figura 3.1: Planta de Procesos diseñada con AutoPlant 3D. [12]...26 Figura 3.2: Especificación de materiales creada por Specification Generator...26 Figura 4.1: Interfaz del programa PipeData-PRO (Brida de tipo cuello soldado)...35 Figura 4.2: Interfaz del programa GreatPlains. Se muestra el listado de materiales...39 Figura 5.1: Interfaz de la construcción del campo LONG_DESCR Figura 5.2: Catálogo filtrado por especificaciones...49 Figura 5.3: Diseño en AutoPlant del modelo de la planta Polinter...52 Figura 5.4: Modelo de planta diseñada en AutoPlant ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1: Áreas de desempeño del Departamento de Mecánica [2]...9 Tabla 3.1: Barra de Herramientas de Specification Generator. [13]...27 Tabla 5.1: Especificaciones de materiales del proyecto Polinter...41 Tabla 5.2: Componentes de un sistema de tuberías, sus características y los campos que ocupan en el catálogo de Specification Generator...44 Tabla 5.3: Grupos de elementos de tuberías del catálogo...47 Tabla 5.4: Descripción larga de algunos elementos de tuberías Tabla 5.5: Campos creados para la descripción de las válvulas...50

11 LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS xi LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS ANSI: American National Standards Institute (Instituto Nacional Americano de Estandarización). API: American Petroleum Institute (Instituto Americano de Petróleo). ASA: American Standard Asociation (Asociación Americana de Estándarización) ASME: American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos). ASTM: American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Ensayos y Materiales). MSS : The Manufacturers Standardization Society (Sociedad de Estandarización de Fabricantes) PDVSA: Petróleos De Venezuela Sociedad Anónima PIP: Process Industry Practices (Prácticas de Procesos Industriales). Y&V: Empresas Y&V. Polinter: Proyecto IPC Ampliación de la planta PEAD - Polinter

12 INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO I I.INTRODUCCIÓN 1.1 Proyecto Polinter y sus Especificaciones de Materiales Dentro de los proyectos que Empresas Y&V mantiene actualmente en desarrollo, se encuentra el proyecto IPC ampliación de la planta PEAD-Polinter. El mismo consiste en la ejecución de las etapas de ingeniería, procura y compra de los suministros necesarios, para la ampliación de la planta de producción de polietileno de alta densidad de la compañía Poliolefinas Internacionales C.A. (Polinter), ubicada en el Complejo Petroquímico El Tablazo del Estado Zulia. Para llevar a cabo el diseño del modelo de la planta Polinter, Empresas Y&V acordó emplear el programa AutoPlant, el cual permite dibujar los elementos que la conforman de forma rápida y sencilla. En este proceso de diseño se deben incluir las especificaciones de materiales de tuberías, las cuales contienen las características de los elementos a emplear en la planta, como se muestra en la sección 3.3. De esta forma, se obtiene un modelo de la planta cuyos isométricos y planos contendrán los elementos de tuberías caracterizados bajo los lineamientos de dichas especificaciones. Para el diseño del sistema de tuberías del proyecto Polinter, Empresas Y&V contó con tres grupos de especificaciones de tuberías previamente suministradas por dicha compañía: Especificaciones Coppee Rust, Especificaciones Mitsui y Especificaciones Kobe Steel, cuya función y origen se muestra en la sección 5.1. La inclusión de dichas especificaciones en el proceso de diseño con AutoPlant, se realizó en este trabajo de pasantía, a través de su implementación en el módulo Specification Generator ; con lo cual, se obtuvieron elementos de tuberías con las características requeridas por el cliente y la normativa de diseño vigente. El modelado de la planta en AutoPlant requiere una inversión importante en horas hombre del proyecto; y el éxito de esta actividad depende, en gran medida, de la calidad del trabajo hecho al implementar las especificaciones en el Specification Generator. Es por esto que se crea la

13 INTRODUCCIÓN 2 necesidad de implementar, revisar y corregir de forma minuciosa, las especificaciones de materiales de tuberías del proyecto Polinter dentro del módulo Specification Generator ; para poder contar con una base sólida, que permita a los diseñadores realizar el modelado de la planta sin mayores contratiempos y empleando la menor cantidad de horas posibles. Además de la motivación expuesta para realizar este trabajo, se suma el hecho de que el Departamento de Mecánica de Empresas Y&V se ha planteado como meta crear un catálogo maestro en el Specification Generator, que contenga los elementos típicos encontrados en las especificaciones de materiales de tuberías. Estos catálogos, se generan en el programa a medida que se van incluyendo los distintos elementos de tuberías en las especificaciones, con sus dimensiones y características. El catálogo maestro servirá en un futuro cercano, como una base actualizada y confiable de los elementos de tuberías allí incluidos. El catálogo generado por las especificaciones del proyecto Polinter será empleado para alimentar el contenido del catálogo maestro del Departamento de Mecánica. Adicionalmente, se planteó la necesidad de incluir la información de los elementos del área de tuberías del proyecto Polinter, dentro de los programas GreatPlains y ReqLogic ; para así implementar el nuevo sistema de control de materiales y requisiciones de la Empresa. Para ello se buscó la forma más efectiva de cumplir con los requerimientos exigidos por cada uno de los programas mencionados; empleando el catálogo creado con las especificaciones del proyecto Polinter y generando un sistema de codificación para cada uno de los elementos del mismo. Para poder llevar a cabo las actividades planeadas para este trabajo, se establecieron los siguientes objetivos a cumplir:

14 INTRODUCCIÓN Objetivos General Preparación de especificaciones de materiales de tuberías del proyecto IPC Ampliación de la planta PEAD - Polinter, a través de su implementación en el módulo Specification Generator del software AutoPlant y su posterior adaptación para su introducción en los programas GreatPlains y ReqLogic Específicos Revisión de la información bibliográfica relacionada con las especificaciones de materiales de tuberías del proyecto Polinter, al igual que las normas y lineamientos empleados en el proceso de diseño en el área de tuberías. Revisión del procedimiento de manejo del módulo Specification Generator del software AutoPlant. Implementación de las especificaciones de materiales del proyecto en el módulo Specification Generator. Revisión y corrección de las especificaciones de materiales implementadas en el módulo Specification Generator. Obtención y exportación de los datos requeridos de las especificaciones de materiales desde el módulo Specification Generator, para su implementación en GreatPlains y ReqLogic. Revisión del procedimiento del software ReqLogic y su implementación para crear las requisiciones iniciales del proyecto. 1.3 Alcance

15 INTRODUCCIÓN 4 A través de este proyecto de pasantía se participó en la revisión e interpretación de las especificaciones de materiales del área de tuberías del proyecto IPC Ampliación de la planta PEAD - Polinter. Las mismas se implementaron en el módulo Specification Generator del programa AutoPlant, de forma tal que estuviesen listas para ser empleadas eficientemente en el proceso de diseño del modelo de la planta. A través del mencionado proceso, se generó y completó el catálogo de elementos de tuberías del proyecto, el cual será empleado por la empresa para alimentar el catálogo maestro del área de tuberías. Adicionalmente, se evaluaron y emplearon las herramientas disponibles para realizar la exportación de los datos necesarios para el control del inventario de materiales del área de tuberías, a través de los software ReqLogic y GreatPlains ; convirtiéndose el proyecto Polinter en pionero para el nuevo sistema de control de materiales de la empresa. 1.4 Antecedentes Durante el período Enero - Mayo de 2006 se inició en Empresas Y&V un proceso de revisión y actualización de los elementos de tuberías del Módulo Specification Generator de AutoPlant. Se abarcaron las etapas iniciales de recopilación de catálogos, selección de elementos y construcción de especificaciones de materiales en el Specification Generator, creadas en pro de la generación del Piping Class de la Empresa. Éstas sirvieron de base para la generación de las especificaciones del proyecto que concierne a este trabajo de pasantía: Polinter.

16 EMPRESAS Y&V 5 CAPÍTULO II II.EMPRESAS Y&V 2.1 Descripción de La Empresa [1,2] Empresas Y&V es una corporación de servicios venezolana, orientada al desarrollo de proyectos de inversión en las áreas de ingeniería, construcción, operación, mantenimiento y gestión ambiental para los sectores público y privado. Creada en 1985, ante la necesidad del mercado de encontrar integradas las diferentes áreas de servicio, Y&V ha acumulado más de 40 años de experiencia en el área de consultoría, prestando servicios en los sectores petrolero, petroquímico e industrial (entre otros); generando así, una sólida estructura corporativa que asegura a sus clientes una atención y un servicio que satisface sus expectativas. Las empresas integrantes de la Corporación de Empresas Y&V son: Y&V Ingeniería y Construcción: Empresa consultora de Ingeniería, Procura y Construcción con una capacidad para acometer proyectos que superan las HH/año Y&V Construcción y Montaje: Actúa como contratista general en la ejecución de obras de ingeniería y cuenta con una capacidad técnico-financiera para acometer obras que superan las HH/año. Asegurando el cumplimiento de los objetivos establecidos de presupuesto, tiempo de ejecución, calidad y seguridad. Y&V Operación y Mantenimiento: Empresa de consultoría técnica gerencial fundada en el año 1970 bajo el nombre de Vectra, orientada a realizar proyectos y estudios en las áreas de planificación y operación de plantas industriales, gerencia

17 EMPRESAS Y&V 6 de mantenimiento y aseguramiento de la calidad. Tiene capacidad para acometer proyectos que superan las HH/año. Ha cultivado una fructífera experiencia, que se expresa bajo una visión global de mercado, operaciones de óptima calidad y procedimientos estrictamente normalizados. Y&V Ecoproyectos: Empresa de consultoría ambiental fundada en el año 1989 bajo el nombre de Ecoproyectos. Actualmente cuenta con una capacidad para acometer proyectos que superan las HH/año. Dedicada al diseño y desarrollo de soluciones en las áreas de ambiente y comunidad dirigidas a apoyar los procesos de crecimiento de sus clientes; contando, ante todo, con una visión que corresponde con la realidad y las necesidades ecológicas y sociales del nuevo milenio. La Corporación es una organización flexible y sólida, que permite la autonomía en las decisiones y estructuras de costo de sus empresas, a la vez que las integra bajo unas mismas políticas en las áreas de Recursos Humanos, Administración y Finanzas, Sistemas y Tecnología, Calidad, Seguridad y Comunicación, permitiendo la interacción del personal en las distintas áreas. 2.2 Visión, Misión, Valores y Política de Calidad de La Empresa [1,2] Visión Ser una organización de servicios de Clase Mundial que promueva el desarrollo de su personal y de la sociedad.

18 EMPRESAS Y&V 7 Misión Prestar servicios de excelencia en ingeniería y ejecución integral de proyectos, que excedan las expectativas de sus clientes y maximicen la satisfacción de trabajadores y accionistas dentro de un entorno ético y moral orientado al servicio del individuo y la sociedad. Valores Los valores que identifican a la empresa y su personal son: Reconocimiento y respeto al individuo Proactividad, pasión y compromiso Integridad Disposición al logro y espíritu competitivo Mejoramiento continuo en la búsqueda del desarrollo personal y profesional del capital humano Trabajo en equipo Política de Calidad Satisfacer los requerimientos y expectativas de nuestros clientes, mediante un servicio adecuado, confiable y oportuno, basado en: Procesos Normalizados Un sistema de mejoramiento continuo Compromiso del personal con la calidad 2.3 Estructura Organizacional de La Empresa [2] En la Figura 2.1 se muestra el esquema organizacional de Y&V Ingeniería y Construcción, división dentro de la cual se llevó a cabo este proyecto de pasantía. En el esquema mencionado se

19 EMPRESAS Y&V 8 aprecian las distintas autoridades que rigen el desempeño de esta compañía, así como la esquematización de la interrelación que mantienen entre ellas. JUNTA DIRECTIVA EMPRESAS Y&V JUNTA DIRECTIVA Y&V Ingenieria y Construcción PRESIDENTE EJECUTIVO VP SERVICIOS CORPORATIVOS GERENCIA DE ADMINISTRACIÓN GERENCIA CONTABILIDAD VICE PRESIDENCIA DE INGENIERÍA GERENCIA CTRL. GESTIÓN GERENCIA DE FINANZAS GERENCIA LEGAL GERENCIA DE DPTO. DE CIVIL GERENCIA DE DPTO. DE ELECTRICIDAD C I T GERENCIA DE DPTO. DE INSTRUMENTACIÓN GERENCIA DE DPTO. DE MECÁNICA GERENCIA DE OFICINAS REGIONALES GERENCIA DE DPTO. DE PROCESOS GERENCIA DE DPTO. DE ESTRUCTURAS GERENCIA DE DPTO. DE PROD. GRÁFICA GERENCIA DE DPTO. DE AMBIENTE GERENCIA DE RECURSOS HUMANOS GERENCIA DE S. GERENCIALES GERENCIA DE SIST. Y TECNOLOGÍA VP SERVICIOS TECNICOS GERENCIA DE CALIDAD Y S.H.A. GERENCIA ADMINISTRACIÓN DE CONTRATOS GERENCIA PLANIFICACIÓN Y CONTROL GERENCIA DE PROCURA GERENCIA DE PROYECTO GERENCIA DE PROYECTO GERENCIA DE PROYECTO GERENCIA DE PROYECTO GERENCIA DE PROYECTO GERENCIA DE PROYECTO GERENCIA DE PROYECTO GERENCIA DE PROYECTO VP DESARROLLO DE NEGOCIOS VP COMERCIAL VP MERCADO INTERNACIONAL VP MERCADO NACIONAL Figura 2.1: Estructura Organizacional de Empresas Y&V [2] 2.4 Departamento de Ingeniería Mecánica [2] El Departamento de Ingeniería Mecánica de Y&V Ingeniería y Construcción, se encarga del desarrollo y ejecución de proyectos en las áreas que se muestran en la Tabla 2.1. La Gerencia de este departamento fue la encargada de la tutoría por parte de la Empresa del presente proyecto de pasantía, el cual se desarrolló dentro del área de Tuberías en Plantas Industriales y Pipeline.

20 EMPRESAS Y&V 9 Tabla 2.1: Áreas de desempeño del Departamento de Mecánica [2] Equipos estacionarios Tuberías en Plantas Industriales Instalaciones en Edificaciones Pipeline Equipos de Transferencia de Calor Manejo de Materiales Equipos Rotativos Elevación y Transporte Equipos Especiales Sistemas Contra Incendio en Planta Mecánica General Unidades Paquete

21 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 10 CAPÍTULO III III.SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 3.1 Diseño de tuberías [3,4] En el proceso de diseño y construcción de una planta industrial, el diseño del sistema de tuberías representa una de las actividades de mayor importancia. Para llevar a cabo este procedimiento de forma exitosa, se toman en consideración numerosas variables que afectan directamente la eficiencia del proceso productivo de la planta. Estas variables dependen, en gran medida, del diseño adecuado del sistema de transporte de la materia prima y sus productos: las tuberías y sus conexiones. Atendiendo a lo anterior, se mencionan algunas de las consideraciones de importancia en el proceso de diseño del sistema de tuberías: Establecimiento de las condiciones de diseño de presión, temperatura y otras ocasionales como: carga del viento, movimientos sísmicos, ondas de presión del fluido, gradientes térmicos y número de ciclos de las diferentes cargas. Determinación del diámetro de la tubería, el cual dependerá fundamentalmente de las condiciones del proceso: el caudal, la velocidad y la presión del fluido. Selección de los materiales de la tubería en base a su tendencia a la corrosión, propiedades mecánicas, economía y disponibilidad. Selección de los tipos y clases de bridas, válvulas y accesorios. Cálculo del espesor mínimo de la tubería, para las temperaturas y presiones de diseño. Establecimiento de un arreglo adecuado entre los puntos terminales de las tuberías. Establecimiento de una configuración aceptable de soportes para el sistema de tuberías. Análisis de esfuerzos (bajo condiciones normales y anormales), para verificar que los producidos en la tubería por los distintos tipos de cargas, componentes locales y puntos terminales, estén dentro de los valores admisibles. Verificación de: posibilidades y limitaciones de construcción, costos, requerimientos de seguridad, requerimientos de espacios para operación, mantenimiento y emergencias, entre otros.

22 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 11 Dentro del proceso de diseño de tuberías, la selección de materiales para las mismas y sus accesorios, se expresa en las denominadas especificaciones de materiales. A través de ellas, se pueden conocer las características de cada uno de los elementos que componen el sistema de tuberías. 3.2 Especificación de Materiales [3,5] La Especificación de Materiales o Piping Class, es un documento que contiene los tipos de materiales que deben ser empleados en cada uno de los elementos de un sistema de tuberías. Para ello, muestran una serie de requerimientos y materiales, cuya selección ha sido determinada en base a la presión, temperatura y naturaleza corrosiva del fluido que transportarán. También describe el espesor de las tuberías, el tipo de conexión entre los distintos ramales y los códigos empleados para la adquisición o clasificación de los materiales. Generalmente, las especificaciones de materiales de una planta industrial se hacen a partir de normas o códigos internacionales y de la empresa, que se emplean en el proceso de diseño, tal y como están conformadas. Esto permite que la seguridad de la planta no se vea comprometida, ya que los elementos que la conforman quedarán adecuadamente relacionados desde el punto de vista metalúrgico. Con esto se logra que los procesos que se lleven a cabo bajo las condiciones de operación señaladas en las especificaciones se desarrollen satisfactoriamente. 3.3 Especificaciones de Materiales y sus elementos [6,7] Las especificaciones de materiales contemplan una serie de aspectos que permiten alcanzar la seguridad y rendimiento de una planta industrial, entre ellos se encuentran:

23 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES Normas y Códigos Aplicables Son documentos elaborados por instituciones nacionales e internacionales, reconocidas y especializadas en los temas que publican. Estos documentos indican los requerimientos técnicos mínimos que deben cumplirse en determinado diseño de ingeniería, fabricación, montaje de equipos, construcción, inspección, arranque, puesta en marcha, condiciones de mantenimiento y operabilidad. Deben emplearse en el proceso de diseño, a fin de garantizar dentro de lo posible, la calidad de los productos arrojados: desde el diseño de la planta, hasta su operación y durabilidad. Las especificaciones de materiales de tuberías de una planta industrial están basadas en las normas y códigos de diseño de tuberías, bridas, accesorios, empacaduras, pernos y válvulas tales como: API, ASME, ASTM, MSS, PIP, entre otras. El uso de una norma en particular dependerá del tipo de instalación: refinería, oleoducto, gasoducto, etc Servicio Se refiere al fluido a ser conducido por el sistema de tuberías Clase o Pressure Rating Class La clasificación presión temperatura, normalmente conocida como clase o rating, se define como la máxima presión de operación que soportan las bridas del sistema de tuberías, a la temperatura del metal que lo compone. Cuando se establece el rating de una tubería en las especificaciones de materiales, se debe considerar que los límites de presión y temperatura se encuentran establecidos para cada tipo de material definido en el ASME B16.5: Pipe Flanges & Flanged Fittings Designación. Es un sistema de codificación alfanumérico, que permite identificar en forma abreviada las características básicas de una línea de tuberías. La designación es normalmente empleada en la identificación de las especificaciones de materiales de tuberías y líneas de tuberías en los planos.

24 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 13 Emplea números y letras que son asignados a distintos tipos de: rating, materiales, servicios, tolerancias de corrosión, juntas y requerimientos especiales; como por ejemplo: Especificación: 1S1R 1 = Rating 150 lb S = Acero Inoxidable 1 = Servicios generales del proceso R = Accesorios especiales y válvulas de bola Línea: HX "-1S1R HX = Servicio: Hexano 23012: Área de la planta # 2300, línea 12 de esa área 4 = Diámetro de las tuberías 1S1R = Especificación de materiales Cada proyecto emplea la designación dependiendo de los requerimientos del mismo. En la sección 5.1 se muestra el sistema de codificación completo empleado para la designación de las especificaciones concernientes a este proyecto Rango de Presión Es el rango de presión dentro del cual es permitido el uso de un determinado rating. Las especificaciones de materiales de tuberías definen un rango de presión, dentro del cual se emplea una misma clase de tuberías para un mismo fluido o fluidos equivalentes, bajo diferentes condiciones. Normalmente el rango de presión está dado por los códigos y la clasificación (rating) de las bridas, válvulas y accesorios Rango de Temperatura Se persigue un fin similar al del concepto anterior; definir un conjunto válido de temperaturas, a fin de permitir el uso de una misma clase de tuberías para un mismo fluido u otros equivalentes,

25 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 14 bajo diferentes condiciones. El rango de temperatura al igual que el rango de presión, está definido por los códigos y la clasificación de las válvulas y accesorios Material Se refiere a la denominación genérica del material usado en el sistema de tuberías. Estos pueden ser materiales ferrosos: hierro, acero al carbono, acero inoxidable, aleaciones con contenido de carbono, etc.; o materiales no ferrosos como bronce, aluminio, níquel, u otras aleaciones de dichos elementos, etc. Las clasificaciones de materiales comúnmente empleadas a nivel internacional, se encuentran definidas en las especificaciones ASTM. Estas se seleccionan en base a las características fisicoquímicas del fluido y las condiciones de diseño (presión y temperatura) Tolerancia de Corrosión [8] La tolerancia de corrosión (CA) es el espesor adicional que se le agrega al espesor mínimo de diseño de una tubería, para así cubrir las pérdidas de espesor producidas por corrosión o abrasión durante la vida útil de la instalación. Normalmente, se selecciona tomando en consideración el comportamiento del material bajo determinadas condiciones de operación. Para ello, se utiliza un valor (conservador) de la velocidad con la que el material se corroe bajo las condiciones a emplear en el proceso, y se calcula el espesor adicional que se debe agregar a la tubería para que la misma cumpla con un período de vida útil esperada. Así, si se desea que una tubería de acero al carbono tenga una vida útil de 10 años, y la misma se corroe a plg/año bajo la acción de un determinado agente; el espesor adicional que se debe considerar para su selección es de 1/16 plg [. La velocidad esperada de corrosión de un material no es fácil de determinar, pues dentro del proceso corrosivo se generan numerosas variables que deben ser consideradas y que no siempre son reproducibles en un ambiente de prueba.

26 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 15 En caso de no contar con la información necesaria para obtener la tolerancia de corrosión, se puede recurrir a la experiencia de otros procesos iguales que ya se hayan implementado satisfactoriamente en el campo, a las recomendaciones del fabricante y las tablas publicadas por la National Association of Corrosion Engineers (NACE) Tablas de Conexiones También conocidas como Branch Connection, especifican el tipo de conexión entre el ramal y la línea principal para cada combinación de diámetros. Esta tabla se genera a partir de lo establecido en las normas ASME B31.1 y B31.3, según corresponda. 3.4 Elementos de un Sistema de Tuberías [9-11] Tuberías Las tuberías son de gran importancia en toda planta industrial, ya que se encargan de conducir los fluidos de un lugar a otro de una manera segura, optimizando el proceso de producción y conservando las propiedades del fluido. Por esto, el buen funcionamiento del sistema de tubería repercute directamente en la eficiencia de la producción. Se denominan tuberías, a aquellos tubos fabricados de acuerdo a las dimensiones y estándares establecidos en normas pertenecientes a industrias que empleen el transporte de fluidos como parte del proceso productivo. Debido a las variaciones en los distintos requerimientos de cada proceso como: sección, presión, corrosión, temperatura y material; es necesario disponer de diferentes espesores de tubería. Por esto, en pro de estandarizar el sistema de identificación de las distintas tuberías, se ha establecido en la industria el denominado Diámetro Nominal (DN); el cual representa, como su nombre lo indica, un sistema para nombrar tuberías mas no para dimensionarlas. Para el dimensionamiento de las tuberías se emplea el diámetro exterior, el cual representa la medida real de la tubería, y permanece constante independientemente de la variación del espesor de la misma. Para las tuberías de 12 de diámetro nominal y menores, se les

27 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 16 denomina con un DN menor al diámetro externo, dado por aproximación. Para las de 14 y mayores el valor del DN coincide con el valor del diámetro exterior. El espesor de pared viene expresado en función de una denominación que lo clasifica, llamado schedule. Dicho concepto esta asociado al espesor mínimo que debe tener la tubería para soportar los esfuerzos tangenciales producidos por la presión del fluido que transporta, donde dicho espesor se representa con la denominación correspondiente o schedule. El mínimo espesor de pared para cualquier tubería sometida a presión interna es una función de los factores que a continuación se presentan, y se calcula con las fórmulas (1) y (2): t = Espesor de diseño. P = Presión de diseño. D = Diámetro externo. ASME B36.10, Tabla 1 S = Esfuerzo máximo permitido. ASME B31.3, Tabla A-1 E = Factor de calidad de soldadura. ASME B31.3, Tabla A-1B Y = Coeficiente del material. ASME B31.3, Tabla t m = Espesor mínimo requerido calculado. t c = Espesor de corrosión. T = Espesor mínimo requerido real. t = PD/(2SE + Y) (3.1) t m = t + t c (3.2) tm T = (3.3) El espesor mínimo requerido T se compara con las tablas de las normas o fabricantes, para así asegurar que el calculado sea el adecuado, es decir, que esté dentro de los rangos de tolerancia del especificado en las tablas.

28 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 17 Otro aspecto de importancia en la caracterización de las tuberías (que se presenta en las especificaciones de materiales), es la preparación de los extremos de la misma, los cuales pueden ser: planos, biselados y roscados. Éstos, a su vez, son determinantes en el tipo de unión (junta) entre tuberías y sus accesorios.. Figura 3.1: Extremos de tuberías [9] En cuanto a los procesos de manufactura que generalmente se utilizan para la fabricación de tuberías, se sabe que en la industria existen varios tipos de acabados para los tubos de las instalaciones industriales. Comúnmente, los tubos de acero son del tipo sin costura (sin soldadura lateral), los cuales se fabrican por medio de perforación y forja, torneado y calibración del hueco. Los tubos con costura (producidos por soldadura) se fabrican por soldadura por arco sumergido, soldadura por resistencia eléctrica o soldadura eléctrica por fusión Juntas Para dar continuidad a una línea de tuberías se emplean las juntas, las cuales permiten unir una tubería con otra, con algún accesorio o equipo, cuando así se requiera. Esto se hace necesario puesto que la longitud y tamaño de los elementos de un sistema de tuberías no siempre es la deseada. Los distintos tipos de juntas empleados son: Soldadas: Este tipo de juntas se producen por medio de soldadura y se clasifican en: Soldadas a tope (Butt Weld, BW): Se usa para la mayoría de las tuberías de proceso y servicio, de diámetros mayores a 2. Esta junta se realiza de frente al espesor biselado, de tubería a tubería, o de accesorio a tubería.

29 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 18 Enchufe y soldado (Socket Weld, SW): Se usan para tuberías de diámetros menores a 2. Su junta es a enchufe en un accesorio con cavidad tal que permita la penetración de la tubería; la soldadura será en la superficie de la tubería con el frente del accesorio. Mecánicas: Este tipo de juntas está formado por bridas, tornillos y empacaduras. Permiten el intercambio de fluido sin afectar la integridad de los elementos a ser juntados. También se consideran como juntas mecánicas las roscadas. Roscadas: Estas juntas permiten una fácil instalación, remoción o reemplazo de tuberías, válvulas, etc. Se utilizan cuando se prevé un desmontaje futuro y para brindar facilidad de mantenimiento. Este sistema permite conservar los acabados de algunas superficies y accesorios que en ocasiones son decorativos, más pueden ser poco prácticas para ser empleadas en ambientes donde la corrosión pueda atacar la junta Bridas Las bridas o flanges son elementos de fabricación forjada, laminada o fundida, que se emplean para unir y centrar mecánicamente tuberías con válvulas, accesorios, equipos u otros elementos. Van unidas entre sí mediante pernos, y se acompañan con empacaduras entre las caras de contacto, para asegurar una hermeticidad que evite las fugas de fluido. La principal ventaja de las uniones bridadas radica en el hecho de que permiten el rápido montaje y desmontaje, a objeto de realizar reparaciones o mantenimiento; garantizando la integridad de los equipos y permitiendo trabajar en el área mientras se encuentra en funcionamiento. Por todo esto, las uniones bridadas representan la forma usual de unir los tubos. La selección de bridas se divide (al igual que las tuberías) en rangos de diámetros, donde para cada rango, se especifica el tipo de brida, el material que la compone y en algunos casos, el acabado de la superficie de la brida. Las bridas de acero forjado ANSI están clasificadas según seis tipos de presiones nominales (ratings): 150, 300, 600, 900, 1500 y 2500 lb/in 2. Los tipos de bridas más usados en cuanto al tipo de unión con la tubería son (Figura 3.2):

30 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 19 Brida de Cuello para Soldar (Welding-Neck Flange) Brida Deslizante (Slip-On Flange) Brida Loca (Lap-Joint Flange) Brida Roscada (Threaded Flange) Brida de Enchufe y Soldadura (Socket-Weld Flange) Brida Ciega (Blind Flange) Brida Orificio (Orifice Flange) Figura 3.2: Algunos tipos de bridas. [9] Entre los tipos de asientos utilizados o caras de las bridas se tienen: Resaltada (Raised Face) Anillo (Ring Joint) Macho y Hembra (Male-Female) Cara Plana (Flat Face) Empacaduras Las empacaduras o gaskets, son elementos de material flexible empleados para sellar las juntas formadas por bridas. Su selección incluye, al igual que las tuberías y bridas, rangos de diámetros, material y tipo de empacadura. Los tipos de empacaduras más comúnmente utilizados son:

31 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 20 Anillos de acero: Utilizadas con bridas que tienen ranuras para el empalme con el anillo. Generalmente se emplean en líneas de aceite de alta temperatura en alambiques y en líneas de amoníaco. Con las uniones que emplean este tipo de junta, se puede mantener una presión mayor con el mismo esfuerzo total en los espárragos. Empacadura flexitálica: Este tipo de empacadura es de metal y de asientos espirometaticos. Ambas características se seleccionan para su instalación de acuerdo con el tipo de fluido. Empacaduras de goma: Utilizadas en bridas machos y hembras que estén en servicio con amoniaco o enfriamiento de cera. Empacadura completa: Son las que generalmente se usan en uniones con brida. Particularmente con bridas de superficie plana, y en las placas de superficie en el extremo de agua de algunos enfriadores y condensadores. Empacadura de metal: Son fabricadas en acero al carbono o en aleaciones de acero inoxidable. Se fabrican en una o varias capas del metal deseado y suelen emplearse en aplicaciones de transporte. Empacaduras grafitadas: Son de gran resistencia al calor (altas temperaturas), se fabrican tipo anillo y espirometálicas de acero con asiento grafitado, son de gran utilidad en juntas bridadas para transporte de fluidos o vapor Espárragos y Pernos Son elementos que se emplean para la fijación de las bridas, válvulas y demás componentes del sistema de tuberías. Pueden fabricarse en gran variedad de materiales atendiendo principalmente a la temperatura de trabajo a la que se destinan. Su selección por lo general incluye solamente el material de fabricación de los espárragos o pernos y sus tuercas.

32 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 21 Los pernos (machine bolts) son elementos cilíndricos de distintos diámetros, que llevan sólo un extremo roscado, donde se monta una tuerca hexagonal. Su otro extremo termina en una cabeza cuadrada o hexagonal. No es recomendado para líneas con servicio a alta temperatura. Los espárragos (stud bolts) son elementos cilíndricos completamente roscados (sin cabeza), que llevan una tuerca hexagonal a cada lado. Tienen la ventaja de que se desmontan más fácilmente que los tornillos y se pueden fabricar en cualquier tamaño y longitud rápidamente, partiendo de una varilla o barra de acero Accesorios Los accesorios de un sistema de tuberías son el conjunto de piezas que sirven para distintas funciones del sistema como: conectar elementos y tuberías entre sí, cambiar las dimensiones de un tramo de tuberías, cambiar la dirección de transporte del fluido, etc.; y se emplean dependiendo de las características de las tuberías y del servicio. Permiten la instalación adecuada y confiable de las tuberías, proporcionándoles hermeticidad y seguridad en el transporte de los fluidos. Dentro de los más comunes y de mayor relevancia en un sistema industrial se tienen: Codos (Elbows): Se denominan codos a los accesorios que logran el cambio de dirección de las tuberías en diferentes planos. Los diferentes tipos de codos son: codo de 90º biselado, codo de 45º biselado, codos roscados y a enchufe. En el caso de los biselados se pueden encontrar tipo radio largo y tipo radio corto, lo cual indica que se caracterizan por las dimensiones del radio de curvatura de los mismos y su relación con el diámetro nominal. Para las dimensiones de los roscados y a enchufe hay que recurrir a las tablas pertinentes, pues sus dimensiones no guardan relación con el diámetro nominal; y debido a que normalmente se aplican en diámetros pequeños, en su fabricación se hace indispensable que sean robustos para facilitar el tipo de conexión, y, en razón de esto, se clasifican por libraje y no por schedule. Ej lb y 6000 lb. Esto aplica para todos los demás accesorios roscados y a enchufe. Conexiones T (Tees): Se denomina conexión T al accesorio que permite un ramal perpendicular y de igual o menor diámetro a la tubería principal, siendo los primeros T Recta y

33 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 22 los segundos T Reductora. Existen además, los Laterales (Lateral), los cuales se fabrican con el ramal a 45º o 60º del eje principal del accesorio. Reducciones (Reducer): Son accesorios que reducen el diámetro de las tuberías linealmente. Existen dos tipos: Concéntrica y Excéntrica, las concéntricas hacen la reducción manteniendo el eje de dos tuberías de diámetros distintos, aplicándose con mayor frecuencia en tramos verticales; las excéntricas logran siempre mantener un lado plano donde se alinean las superficies de las dos tuberías, pero provocan un desfase entre ambos ejes de las tuberías de distintos diámetros. Adicionalmente a los accesorios comunes como los mencionados anteriormente, se encuentran los accesorios misceláneos, que son aquellas piezas de menor uso, generalmente más pequeñas, que se encargan de funciones muy particulares dentro del sistema. Dentro de esta categoría se encuentran: Tapa (Cap): Son accesorios de rosca interna colocados en los extremos de las tuberías para cerrarlas temporal o permanentemente. Acoplador (Coupling): Son acoples o conexiones que se emplean para conectar secciones rectas de tubería, las cuales generalmente se fabrican en longitudes de 4 a 6 metros. Los coupling son cilindros cortos, roscados en su interior. Unión universal (Union): Sirven para unir dos tramos de tuberías, permitiendo separarlos fácilmente. Su aplicación es con el fin de facilitar el montaje y desmontaje, su conexión con la tubería puede ser a enchufe o roscado. La unión roscada está compuesta de tres piezas, dos de las cuales van atornilladas firmemente a los extremos de los tubos que se conectan. La tercera pieza las presiona hasta juntarlas, formando en la empacadura una junta hermética. Tapón (Plug): Son un tipo de tapón con rosca externa que permiten cerrar los accesorios temporalmente, con frecuencia en diámetros pequeños con conexión roscada. Niple (Nipple): El niple estándar, es un tramo de tubería de diámetro pequeño con longitud estándar. Existe un tipo de niple que es el niple reductor y se conoce como swage.

34 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 23 Otro accesorio muy utilizado en el área de tuberías son los llamados olets, los cuales son elementos de transición entre tuberías de diámetro mayor a otra de diámetro menor. Su ventaja radica en que para diámetros pequeños no requieren de soldadura, ya que poseen un refuerzo que ejerce presión sobre el tubo. Si la conexión entre tuberías se hace tubo a tubo se debe hacer cordón de soldadura y refuerzo; en el caso de usar olets no se necesita. Algunos de los olets más utilizados son: sockolet, latrolet, elbolet, y su nombre va aunado al tipo de unión; bien sea roscado, de enchufe, en forma de codo, etc. La sección de accesorios o fittings de las especificaciones de materiales se divide, al igual que las tuberías, en rangos y diámetros; y, para cada rango, se especifica el tipo de unión, además del rating y el material del elemento: Enchufe soldado (Socket Weld) <2 Roscada (Threaded) <2 Soldada a tope (Butt Weld) > Válvulas [11,12] Las válvulas son dispositivos mecánicos utilizados para controlar, retener, regular, o dar paso a cualquier fluido confinado en una tubería. Existen numerosos tipos de válvulas diseñadas para usos particulares; la mala elección de éstas puede llevar a la planta al mal funcionamiento, y así, acortar la vida útil de la misma, lo que conlleva a un aumento excesivo de los costos. En la descripción de las válvulas, se especifica el rating que puede ser de 150, 300, 600, 900, 1500 para las válvulas bridadas y 800 para las roscadas. Pero para dar una descripción adecuada de las mismas, las especificaciones de materiales muestran también: el tipo de válvula, tipo de fluido de trabajo, presión, temperatura, diámetro, material del cuerpo (body), material de la guarnición (trim), tipo y material de los asientos (seats), tipo y material del bonnet, tipo de junta, el sistema de operación de la válvula, etc.

35 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 24 La adecuada definición y descripción de los componentes de una válvula es de suma importancia, pues ello permitirá que su compra se lleve a cabo de forma exitosa, consiguiendo así el tipo de válvula que mejor se ajusta a los requerimientos del proceso. Las válvulas comúnmente empleadas se citan a continuación: Válvula de Bola: El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de bola o esfera. Son de operación de un cuarto de vuelta, de cierre rápido. Las de bajo torque se accionan por palanca y las de alto torque por reductor de engranaje. Su accionamiento puede ser manual (por volante), neumático o eléctrico. La válvula de bola está limitada a las temperaturas y presiones que permite el material del asiento. Se puede emplear para vapor, agua, aceite, gas, aire, fluidos corrosivos, materiales pastosos y materiales pulverizados secos. Los principales componentes de estas válvulas son el cuerpo, el asiento y la bola. Válvula de Compuerta: Su flujo es en línea recta, es de fácil operación y mínima caída de presión. Esta válvula no regula, es decir, trabaja totalmente abierta o cerrada. Retiene poco fluido en la línea y es resistente a altas y bajas temperaturas. Se usa cuando se requiere frecuente cierre y apertura. Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano o de forma especial, el cual se mueve verticalmente al flujo del fluido. Tiene variados materiales de fabricación y distintos tipos de unión (soldadura, bridas, etc). Válvula de Retención: Están diseñadas para satisfacer los requisitos más críticos de control de flujo. La función esencial de una válvula de retención es impedir el paso del fluido en un sentido determinado. Mientras el sentido del fluido es el correcto, la válvula de retención se mantiene abierta; pero cuando el fluido pierde velocidad o presión para invertir su sentido, la válvula de retención tiende a cerrarse, evitando así el retroceso. La caída de presión es mínima, ya que el área de flujo en cualquier punto de la válvula es la misma Válvula de Globo: Su flujo es en una sola dirección, tiene elevada caída de presión y son de operación suave. Su función es regular flujo. Pueden operar a altas y bajas temperaturas. Buena para producir estrangulamiento, debido a la resistencia que presenta al flujo. Produce menor

36 SISTEMAS DE TUBERÍAS Y SUS ESPECIFICACIONES 25 pérdida de carga y turbulencia y es más indicada para servicio corrosivo y erosivo. No es recomendada para servicios de frecuente cierre y apertura. Válvula Mariposa: Cierra y abre con un cuarto de vuelta, pero no cierra tan herméticamente como para impedir el paso de vapor, y se usa solamente como registro o para retención. El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular. Este tipo de válvula es recomendada y usada especialmente en servicios donde el fluido contiene gran cantidad de sólidos en suspensión, ya que por su forma es difícil que éstos se acumulen en su interior entorpeciendo el funcionamiento. 3.5 Módulo Specification Generator. [13-16] El Specification Generator o Generador de Especificaciones, es una aplicación del programa AutoPlant cuya función primaria es almacenar y construir las especificaciones de materiales de un proyecto, para emplearlas en el diseño de la instalación correspondiente. AutoPlant 3D es una herramienta de diseño integrado de plantas industriales, bajo la plataforma AutoCAD. AutoCAD es una herramienta del tipo denominado CAD (Computer Aided Design) o Diseño Asistido por Computador. La versatilidad del sistema lo ha convertido en un estándar general en la industria, pues permite dibujar de una manera ágil, rápida y sencilla, sin las desventajas que se encuentran si se diseña manualmente. Las aplicaciones de AutoPlant para el diseño de plantas industriales, han sido desarrolladas para cumplir con los cuatro requerimientos identificados como claves: escalabilidad, flexibilidad, arquitectura abierta y efectividad de costos. AutoPlant contiene las mismas ventajas del AutoCAD expuestas anteriormente, además de una base de datos que permite el control de los materiales de tuberías: Specification Generator. En la Figura 3.1 se puede apreciar el diseño de una planta de procesos realizado con AutoPlant.