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Diseño de recipientes a presión cilíndricos

Javier Tirenti, director de Arveng Training & Engineering S.L., y director técnico del máster en Ingeniería de Equipos Mecánicos para plantas de Energía y Oil & Gas de Structuralia, nos habla sobre el diseño de recipientes a presión.

Esfuerzos en recipientes a presión de pared delgada

Los recipientes a presión de pared delgada son ampliamente utilizados en la industria para el almacenamiento y transporte de líquidos y gases. En la mayoría de las aplicaciones, los recipientes a presión son esféricos o cilíndricos y dependiendo de la aplicación, los recipientes a presión adoptarán una forma u otra. Estos recipientes a presión podrían fabricarse a partir de chapas curvadas unidas por soldaduras de las cuales podemos distinguir dos tipos de soldadura: junta de doble filete y junta de penetración total con preparación de junta en forma de V. De estas opciones, se debe dar preferencia a las soldaduras con penetración total.

La envolvente de un recipiente de presión de pared delgada, actúa idealmente como una membrana (es decir, no se ven afectadas por tensiones de flexión sobre la mayor parte de su extensión). Una esfera es la geometría óptima para un recipiente a presión cerrado, en el sentido de ser la forma estructuralmente más eficiente, la presión interna está actuando igualmente en cada punto. Esto significa que las tensiones de la pared serán las mismas en todas las direcciones. Un recipiente cilíndrico es algo menos eficiente por dos razones: primero, las tensiones en la envolvente varían con la dirección, y por otro lado, el cierre de la envolvente en los cabezales puede alterar significativamente el estado ideal de la membrana, requiriendo refuerzos locales adicionales. Sin embargo, la forma cilíndrica puede ser más conveniente para fabricar y transportar.

En el recipiente cilíndrico, la presión interna es resistida por la tensión circunferencial (hoop stress) en el sentido del arco del cilindro, mientras que la tensión axial no contribuye. Por otro lado, en el recipiente esférico, la doble curvatura significa que todas las direcciones de tensión alrededor del punto de presión contribuyen a resistir la presión interior.

Por ello, para el mismo diámetro y condiciones de diseño, la tensión normal máxima en un recipiente sometido a presión esférico es la mitad que en un recipiente a presión cilíndrico. A su vez, el espesor de pared sigue la misma relación.

En otras palabras, una esfera es la geometría óptima para un recipiente a presión, en el sentido de ser la forma estructuralmente más eficiente. Sin embargo, la forma cilíndrica puede ser más conveniente para fabricar y transportar.

recipientes por presion 1

 

Cabe mencionar que el análisis mencionado para recipientes a presión de pared delgada debe utilizarse sólo para casos de presión interna (en otras palabras, cuando la presión interna es superior a la presión externa). Si un recipiente debe ser diseñado para una presión externa, como en el caso de un submarino o tanque de vacío, el pandeo de la pared, ya sea elástico o no elástico, puede convertirse en el modo de falla crítico. De ser así, el análisis previo de la tensión de la pared es sólo parte del diseño.

Diseñar recipientes por presión exterior

La presión exterior en recipientes sometidos a presión puede ser causada por una variedad de condiciones y circunstancias. La presión de diseño interior puede ser menor que la atmosférica debido a la condensación de gas o vapor. Por ello, a menudo los recipientes son diseñados para una cierta cantidad de presión externa, para permitir la limpieza de vapor y los efectos de la condensación de vapor. Ciertos recipientes pueden estar sometidos a vacío por la naturaleza del proceso, debido a que la conexión a una bomba de vacío, el venteo de un equipo durante la descarga o dimensionamiento de conexiones de venteo inadecuadas. La presión externa también puede ser creada en recipientes encamisados, o con múltiples cámaras.

El mecanismo de fallo de la presión externa es diferente al de presión interna, por lo tanto, se requieren diferentes métodos para diseñar recipientes en éstas dos condiciones distintas de forma segura. El fallo por presión interna puede ser entendido como un recipiente que falla debido a que las tensiones inducidas en una parte o la totalidad del equipo son mayores que la resistencia del material. Por el contrario, durante el fallo por presión externa, el recipiente ya no puede mantener su forma y, de repente y de forma irreversible adquiere un nuevo volumen inferior al original.

Un sistema estable es aquel que presenta una mayor resistencia que la necesaria. Dentro de esta categoría, cuando a un recipiente se le aplica una presión exterior, su resistencia contrarresta estos efectos manteniendo al equipo en su forma original. A medida que se añade presión externa al sistema, el recipiente tiene menos “fuerza” de reserva remanente para resistir estas cargas y, finalmente, el recipiente llega a un punto en el que no puede contrarrestar las solicitaciones externas y la pared del equipo no pude mantener la forma cilíndrica. En este punto el recipiente va a cambiar su forma a una configuración de menor volumen. El cambio es repentino e irreversible.

 

recipientes presion 2

 

A diferencia de los recipientes que están diseñados para la presión interna por sí sola, no existe una fórmula única, o de diseño único, que se ajuste a todas las condiciones de presión externa. En su lugar, hay una gama de opciones disponibles para el diseñador que puede cumplir con los requerimientos. El espesor de la envolvente es sólo una parte del diseño. Otros factores que afectan al diseño son la longitud entre las líneas soportes, el uso, el tamaño y espaciamiento de los anillos de refuerzo.

El diseño de recipientes a presión externa es un procedimiento iterativo. En primer lugar, se selecciona un diseño con todas las variables incluidas, luego, se verifica que el diseño sea adecuado de acuerdo a las solicitaciones. Si el diseño es inadecuado, el procedimiento se repite hasta que se alcanza un diseño aceptable. La geometría de los equipos es el factor crítico, no siéndolo la resistencia del material. Las fallas pueden ocurrir repentinamente por el colapso de un componente (normalmente la envolvente).

Referencias

Lecture 3 “Thin Wall Pressure Vessels” Introduction to Aerospace Structures (ASEN 3112) – Fall 2015. Department of Aerospace Engineering Sciences University of Colorado at Boulder.

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