Estudios de flexibilidad en tuberías según ANSI/ASME B31 con apoyo de ANSYS Workbench
Los sistemas de tuberías son una parte importante de toda planta de procesos. A través de ellos es posible interconectar equipos, facilitando así el transporte y las modificaciones físico-químicas que puede requerir un fluido durante un ciclo de producción industrial.
A nivel internacional, una de las normas más comunes para el diseño de tuberías son las propuestas de forma conjunta por la American National Standard Institute y la American Society of Mechanical Engineers (ANSI/ASME B31). En ellas se detallan las mejores prácticas y consideraciones mínimas que deben ser contempladas para garantizar una buena operación y construcción segura de sistemas de tuberías orientados a distintos sectores industriales (ej. energía, química, petróleo y gas, refrigeración, etc). Dentro de ellas, una de las más comunes por su amplio espectro de aplicación es la norma B31.3 “Chemical Plants and Petroleum Refinery Piping”, la cual se usará como referencia para la discusión del presente ensayo.
Relacionados con los aspectos de diseño, entre otras cosas, en el mencionado código se especifican: i) Cuáles son los tipos de cargas que se deben considerar en un análisis, ii) Los procedimientos para determinar los esfuerzos que generan dichas cargas y finalmente, iii) Los esfuerzos admisibles que se deben utilizar como referencia de comparación para determinar si el sistema de tuberías operará de forma segura.
Considerando que pueden ser circuitos complejos, y que es necesario hacer múltiples verificaciones en diferentes tramos y puntos de la misma, resulta muy útil realizar el análisis de esfuerzos y los estudios de flexibilidad con apoyo de herramientas de simulación basadas en el Método de Elementos Finitos (MEF), como es el caso del software ANSYS Mechanical.
Por simplicidad, y en la mayoría de los casos, las tuberías se modelan utilizando elementos unidimensionales (1D), aprovechando las premisas de la Teoría de Vigas de Euler-Bernoulli (en algunos casos especiales, puede ser necesario modelar los sistemas como una combinación de elementos 1D, 2D y 3D). Utilizando el CAD nativo de ANSYS, y tomando como ejemplo el sistema de tuberías detallado en el plano isométrico de la Figura 1 (izq.), puede observarse el modelo simplificado resultante (Fig. 1, der.).
Figura
1. Plano isométrico de tuberías (izq.), y su correspondiente modelo CAD
(der.).
Las bondades de
ANSYS les permiten a los usuarios definir distintos tipos de elementos a los
cuales puede asignárseles una sección transversal con propiedades de sección (diámetros
y espesor) que varíen en dimensiones, y propiedades de materiales en función de
la temperatura según las especificaciones o requerimientos del código de diseño
(ver Fig. 2 y 3, respectivamente).
Figura
2. Definición de secciones transversales de tuberías en modelador CAD de
Ansys.
Figura
3. Propiedades de materiales de tuberías en función de la temperatura en
Ansys.
Accesorios como por ejemplo válvulas, no requieren ser modeladas con todo su detalle geométrico (esto implicaría un uso poco eficiente del tiempo y los recursos computacionales, considerando que cada fabricante respalda el diseño de sus componentes para determinadas condiciones de operación y uso). En su defecto, con el ANSYS Mechanical (herramienta FEA de ANSYS) pueden agregarse puntos de masa con el peso real del componente; ahora bien, considerando que estos no aportan rigidez al sistema, es necesario entonces aumentar manualmente la rigidez equivalente del tramo de tubería en donde estaría dispuesto para garantizar el correcto modelaje del circuito de tuberías.
Otra ventaja de
estas herramientas de software es que permiten incorporar cualquier tipo de
soporte, ejemplos: apoyos simples, guías, empotramientos, entre otras. Sólo es
necesario definir el nodo donde estará ubicado, y configurar las restricciones
que este impone sobre los seis grados de libertad de la tubería (UX, UY, UZ,
MX, MY, MZ), tal como se muestra en el menú de configuración del software en la
Figura 4. En el caso de requerir soportes flexibles, como resortes o amortiguadores,
también pueden agregarse con un simple menú en donde debemos indicar la
constante de rigidez y/o amortiguación, e incluso algún valor de precarga que
se requiera para cumplir con los estándares de funcionamiento. De forma global,
en la Fig. 5 se muestra un resumen grafico de las diferentes cargas y soportes
empleados para este análisis en particular.
Figura
4. Definición de soportes según grados de libertad.
Figura
5. Resumen de condiciones de borde definidas para el sistema de tuberías.
Una vez que el
sistema de tuberías, accesorios y soportes fueron modelados es necesario
configurar el mallado. La ventaja de trabajar con teoría de vigas y por ende
emplear elementos unidimensionales es que se requiere una densidad de nodos y
elementos mucho menor en comparación a elementos superficiales y/o
volumétricos. Referente a la tecnología de elementos de malla, es necesario que
los elementos unidimensionales que se utilizan para modelar tuberías sean
definidos como elementos tipo Pipe y Elbow con el objetivo de que el software
considere los factores de flexibilidad e intensificación de esfuerzos
necesarios en este tipo de análisis. En este sentido, no se requiere de mucho
tiempo y/o hardware de grandes prestaciones para resolver una simulación del
tipo lineal estática. Los algoritmos de mallado automático que tiene el ANSYS
Meshing, permiten obtener un mallado general con excelentes parámetros de
calidad y poca configuración. En la figura 6 se muestra el mallado resultante
del sistema en estudio.
Figura 6.
Mallado con elementos 1D tipo Pipe y Elbow.
Finalmente, en
lo referente al preprocesamiento, y utilizando los parámetros de evaluación del
código B31.3, es necesario definir distintos escenarios de carga: i) Carga
Sostenida, afectada por el peso propio de la estructura y presión del fluido,
ii) Expansión térmica, la cual considera exclusivamente el efecto de la
temperatura de la línea, iii) Cargas ocasionales, como viento o sismos. Existe
un cuarto caso, que aunque no es definido por norma, se evalúa de igual forma
por su conveniencia en el análisis de tuberías, se trata de, iv) Operación, en
donde se conjuga el peso, la temperatura y las cargas ocasionales como el
viento.
ANSYS Workbench
permite crear el proyecto de simulación con los múltiples escenarios de carga
compartiendo la información común entre ellos (ej. Geometría, puntos de masa,
materiales, malla, etc.), de manera fácil y sencilla aprovechando los comandos
de configuración disponibles en su interfaz gráfica. Una vez en el ANSYS
Mechanical, se pueden definir cada una de las cargas consideradas para cada
escenario (ver figura 7).
Figura 7.
Proyecto de simulación en Ansys Workbench definiendo los diferentes escenarios
de carga según norma.
Para el análisis de esfuerzos y estudio de flexibilidad, la norma exige que se calculen esfuerzos por flexión y torsión en los distintos escenarios de carga, y que sean comparados contra límites admisibles de esfuerzos definidos en el código por material y en función de la temperatura. De aquí, para la obtención de dichos esfuerzos, en el postprocesamiento con el ANSYS Mechanical es factible configurar las diversas ecuaciones del código como resultados definidos por el usuario. En la figura 8 se muestran los resultados de los momentos flectores in-plane y out-plane requeridos como insumo para el cómputo de los esfuerzos longitudinales en el escenario de cargas sostenidas. Seguidamente, en la figura 9 y 10, se observan los esfuerzos de flexión obtenidos y una comparación porcentual con el esfuerzo admisible definido, respectivamente.
Figura 9.
Momentos flectores in-plane y out-plane.
Figura 10.
Esfuerzos de Flexión.
Figura 11.
Porcentaje de esfuerzos respecto a limites admisibles por norma.
Figura 12. Reacciones en boquillas y soportes.
Para mayor información
sobre esta aplicación o productos de simulación computacional ANSYS, visiten:
https://www.semco.com.pe/ansys-software-de-simulacion/
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