Javier Tirenti, director de Arveng Training & Engineering S.L., nos habla sobre el diseño de recipientes sujetos a presión.
Características de los recipientes sujetos a presión de pared delgada
Los recipientes sujetos a presión de pared delgada o TWPV (Thin Wall Pressure Vessels) son ampliamente utilizados en la industria para el almacenamiento y el transporte de líquidos y gases.
Estos recipientes sujetos a presión pueden fabricarse a partir de chapas curvadas unidas por soldaduras, de las cuales podemos distinguir dos tipos de soldadura:
- Junta de doble filete.
- 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.
En cuanto el envolvente de un recipiente sujeto a presión de pared delgada, este actúa como una membrana. Es decir, no se ve afectado por tensiones de flexión mecánica sobre la mayor parte de su extensión.
Tipos de recipientes sujetos a presión interna: esféricos vs. cilíndricos
En la mayoría de las aplicaciones, los recipientes sujetos a presión son esféricos o cilíndricos. Por tanto, la forma a utilizar dependerá del uso específico que se le vaya a asignar.
Por un lado, la esfera es la geometría óptima para un recipiente sujeto a presión cerrado, en el sentido de ser la forma estructuralmente más eficiente, pues la presión interna actúa de igual manera en cada punto. Esto significa que las tensiones de la pared de un recipiente esférico serán las mismas en todas las direcciones.
Por otro lado, un recipiente cilíndrico es algo menos eficiente por dos razones:
- Las tensiones en la envolvente varían con la dirección.
- El cierre de la envolvente en los cabezales puede alterar significativamente el estado ideal de la membrana, requiriendo refuerzos locales adicionales.
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. 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 sujeto a presión esférico es la mitad que en un recipiente sujeto a presión cilíndrico. A su vez, el espesor de la pared sigue la misma relación.
Sin embargo, la forma cilíndrica para un recipiente sujeto a presión puede ser más conveniente para fabricar y transportar.
Cabe resaltar que el análisis mencionado para recipientes sujetos a presión de pared delgada debe utilizarse solo para casos de presión interna. Es decir, cuando la presión interna es superior a la presión externa.
De esta manera, 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 solo parte del diseño.
Recipientes sujetos a presión exterior: causas y fallos
La presión exterior en recipientes sujetos a presión puede ser causada por una variedad de condiciones y circunstancias, por ejemplo:
- La presión de diseño interior puede ser menor que la atmosférica debido a la condensación de gas o vapor. Por lo tanto, a menudo los recipientes son diseñados para una cierta cantidad de presión externa, permitiendo así 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 la conexión a una bomba de vacío, el venteo de un equipo durante la descarga o el 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 que se requieren diferentes métodos para diseñar recipientes en estas 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.
Diseño de un sistema estable en recipientes sujetos a presión externa
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 sujeto a presión tiene menos “fuerza” de reserva remanente para resistir estas cargas. Finalmente, el recipiente llega a un punto en el que no puede contrarrestar las solicitaciones externas y la pared del equipo no puede mantener la forma cilíndrica.
En este punto, el recipiente sujeto a presión va a cambiar su forma a una configuración de menor volumen. El cambio es repentino e irreversible.
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 el espaciamiento de los anillos de refuerzo.
El diseño de recipientes sujetos 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 Boulder.
