Bridas Brid as – Lo Loss Probl Probl blem emas as Pro as,, Selec Selecci ción ón y Consi Conside dera raci cion ones es de Dise Diseño ño El pro robl blem emaa ob obvi vio o son las fu fug gas que oc ocu urr rreen en alg lgun unaa eta tap pa Mire Mi remo moss la lass es esta tadí díst stic icas as
3/11/2013
1
Brida Bri dass – Los Prob Problem lemas as El problema obvio son las fugas que ocurren en alguna etapa Miremos las estadísticas
Miren este 2%
Claramente las fugas son un serio problema para la industria
3/11/2013
2
Brida Bri dass – Los Prob Problem lemas as El problema obvio son las fugas que ocurren en alguna etapa Miremos las estadísticas
Miren este 2%
Claramente las fugas son un serio problema para la industria
3/11/2013
2
Resivemos Algunas de la las Razones por las Cuales Ocurren las Brid Br idas as – Los Lo s P Pro robl blem emas as Fugas El problema obvio son las fugas que ocurren en alguna etapa Miremos las estadísticas Claramente las fugas son un serio problema para la industria Por eso es ló ico ue comencemos con las razones or las cuales lass fug la ugas as oc ocur urre ren n
3/11/2013
3
Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Primero observemos los componentes que forman parte del sistema de una brida Estos son todos los componentes del sistema de la brida El único propósito de los pernos es el de mantener apretado el empaque Pernos Empaque Brida
3/11/2013
4
Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Primero observemos los componentes que forman parte del sistema de una brida Estos son todos los componentes del sistema de la brida El único propósito de los pernos es el de mantener el apriete del empaque
3/11/2013
5
Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Primero componentes que hacen parte del sistema El perno miramos provee ellos apriete en el empaque de una brida Estos son todos los componentes del sistema de la brida El único propósito de los pernos es el de mantener el apriete del empaque
3/11/2013
6
Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Ahora El perno balanceamos provee el apriete las 3 fuerzas en el empaque en la brida con una ecuación simple La presión interna da el aumento a las otras fuerzas Ahora hay 3 fuerzas actuando en la brida 2 hacia arriba y 1 hacia abajo
Fuerza debida al perno
P Fuerza debida a la presión
3/11/2013
Fuerza debida al empaque
7
Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Ahora balanceamos las 3 fuerzas en la brida con una ecuación simple El perno debe balancear las fuerzas debidas al empaque y a la presión Esto da lugar a nuestra primera ecuación
Fuerza debida al perno
P Fuerza debida a la presión
Reorganizando la ecuación:
Fuerza debida al empaque
Fuerza debida al perno = Fuerza debida al empaque + Fuerza debida a la presión 3/11/2013
8
Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Ahora Si Fuerza balanceamos debida al Perno las 3 fuerzas = Fuerza endebida la brida a la con presión una ecuación : No existe simple apriete en el empaque El perno debe balancear las fuerzas debidas al empaque y a la presión Esto da lugar a nuestra primera ecuación
Fuerza debida al perno
P Fuerza debida a la presión
Reorganizando la ecuación:
Fuerza debida al empaque
Fuerza Fuerzadebida debidaal alperno empaque = Fuerza = Fuerza debida debida al empaque al perno -+Fuerza Fuerzadebida debidaaalalapresión presión 3/11/2013
9
Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Observemos Si Fuerza debida de cerca al Perno al empaque = Fuerzaentre debida lasabridas la presión : No existe apriete en el empaque La brida suelta el empaque - ¡ocurre una fuga!
Fuerza debida al perno
P Fuerza debida a la presión
Reorganizando la ecuación:
Fuerza debida al empaque
Fuerza debida al empaque = Fuerza debida al perno - Fuerza debida a la presión 3/11/2013
10
La Ecuación Se Ajusta para Tener en Cuenta la Rotación Resivemos Algunas de las Razones por las Cuales Ocurren las Fugas Observemos de cerca al empaque entre las bridas El perno actúa como una bisagra – las bridas rotan desde el perno y debido a las fuerzas de presión Pueden ocurrir fugas
Fuerza debida al empaque = Fuerza debida al perno - Fuerza debida a la presión 3/11/2013
11
La Ecuación Se Ajusta para Tener en Cuenta la Rotación Consideremos el Apriete Residual del Empaque Cada componente de la ecuación reduce el apriete en el empaque Éste es un punto extremadamente importante Ahora consideramos qué es requerido por el empaque
Fuerza debida al empaque = Fuerza debida al perno - Fuerza debida a la presión 3/11/2013
- Rotación
12
Consideremos el Apriete Residual del Empaque Fuerza del - Fuerza de la Perno presión
- Rotación de la brida
= Fuerza final del empaque
¿Cuál debe ser la fuerza residual? Pernos apretados
Reducción de lafinal fuerza por la rotación de la brida Fuerza o residual del empaque Fuerza del empaque
3/11/2013
13
Consideremos el Apriete Residual del Empaque Fuerza del - Fuerza de la - Rotación de la brida = Fuerza final del Perno presión empaque ¿Cuál debe ser la fuerza residual? Pernos Acerquémonos a la fuerza residual usando simple lógica apretados
Fuerza final o residual del empaque Fuerza del empaque
11/03/2013
14
Consideremos el Apriete Residual del Empaque La presión una en elbrida empaque exceder la del fluido para que sea Considere con eldebe empaque apropiadamente sellado satisfactorio El fluido bajo presión trata de escapar – sobrepasando el empaque Pero hay presión o apriete en el empaque Si la presión en el empaque es menor que la del fluido - habrá fuga
P
11/03/2013
15
Consideremos el Apriete Residuallos delproblemas Empaque Mecánicos de las fugas Hasta ahora hemos considerado La presión en el empaque debe exceder la del fluido para que sea satisfactorio Utilizamos un factor (del código) ‘m’ mayor que 1.0 Entonces la presión residual en el empaque es : m x P
P mxP 3/11/2013
16
Hasta Ahora Hemos Considerado los Problemas Mecánicos de las Fugas Los problemas otro Consideremos difíciles problema son demecánico naturaleza – momento térmica externo Consideremos qué pasa cuando una brida está más caliente que la otra ‘Camina’ sobre el empaque haciendo que éste se degrade Éste es un problema particularmente difícil en intercambiadores de calor
11/03/2013
17
HastaConsideremos Ahora Hemos las Considerado los Problemas Mecánicos de las Fugas Fuerzas Actuando en la Brida Bajo Presión Considere Consi deremos mos otro problema problema mecánico mecánico – momen momento to externo externo Puede ocurrir rotación de la brida La ruta para posibles fugas es obvia El empaque empaque se carga de de manera desigual desigual – las reglas reglas del código no son precisas Volveremos a las cargas externas externas más adelante adelante
11/03/2013
18
Consideremos las Fuerzas Actuando en la Brida Bajo Presión •
•
•
Así Fuerza Wm1en=la HDpared + HP interna + HT debida a la presión Fuerza para apretar el empaque Fuerza en el espacio anular
Estas fuerzas son balanceadas por el perno
HD HP HT Wm1
Wm1
HD HT 11/03/2013
HP 19
Consideremos las Fuerzas Actuando Consideramos el Momento Actuandoen enlalaBrida BridaBajo BajoPresión Presión •
•
Así Wm1 = HD + HP + HT Wm1 es la fuerza del perno EN OPERACIÓN
Wm1
HD HT 11/03/2013
HP 20
Consideramos la Fuerza Actuando en en la Brida para el Apriete el Momento Actuando la Brida Bajo Presióndel Empaque Aquí están los brazos de momento – el perno actuando como bisagra El momento en la brida: MO = HD.hD +HT.hT + HP.hG
Wm1
hT HD HT
hD
11/03/2013
hG
HP 21
Consideramos la Fuerza Actuando en la Brida para el Apriete del Empaque Éste es el aprite inicial en el empaque – y la fuerza del perno Wm2 Se consideran dos condiciones – Operación y Asentamiento del empaque Wm1
En Operación
hT HD HT
hD
11/03/2013
HP
Wm2
Asentamiento del empaque hG HG 22
Fuerzas producidas por la presión
Fuerzas producidas por el apriete de los pernos
Wm1
En Operación
hT HD HT
hD
11/03/2013
HP
Wm2
Asentamiento del empaque hG HG 23
En cualquier caso, hay un Momento actuando en la brida Fuerzas producidas por la presión
Fuerzas producidas por el apriete de los pernos
Wm1
En Operación
hT HD HT
hD
11/03/2013
HP
Wm2
Asentamiento del Empaque hG HG 24
En cualquier caso, un Momento en la brida Investiguemos las hay Consecuencias deactuando la Rotación Haciéndole rotar sobre el perno, actuando como bisagra
11/03/2013
25
Investiguemos las Consecuencias de la Rotación El empaque es apretado únicamente en el borde exterior Apretado sobre un ancho ‘efectivo’ b Cuando los pernos son apretados por primera vez se aplica una presión y La presión y x el área efectiva del empaque nos da la fuerza de b
Esta es H Esta fuerza de apriete inicial esárea llamada G redundante
11/03/2013
26
Investiguemos las consecuencias de la rotación El empaque es apretado únicamente en el borde exterior Apretado sobre un ancho ‘efectivo’ b Cuando los pernos son apretados por primera vez se aplica una presión y La presión y x el área efectiva del empaque nos da la fuerza de b
Esta fuerza de apriete inicial es llamada HG
11/03/2013
27
Volveremos al empaque más adelante Wm 1
En Operación
HD HT
b
HP P
Esta fuerza de apriete inicial es llamada HG Cuando la presión se introduce, el apriete en el empaque se relaja 11/03/2013
28
El momento en la brida genera tres esfuerzos Éste es un análisis de esfuerzos típico de PV Elite SR Esfuerzo Radial ST Esfuerzo tangente (de arco)
ST Esfuerzo (flexión) del concentrador estándar Se necesitan estos tres esfuerzos para ambas condiciones; en operación y en el asentamiento del empaque (apriete de pernos) 11/03/2013
29
Considere la Nueva Función de la Cara Completa del Empaque Éste es un Análisis de Esfuerzos Típico de PV Elite
Este caso de análisis es por ASME VIII, División 1
Se necesitan estos tres esfuerzos para ambas condiciones; en operación y en el asentamiento del empaque (apriete de pernos) 11/03/2013
30
Consideremos Ahora el Papel de la Junta Completa del Empaque El empaque se va al diámetro exterior de la brida A menos que se conozca el mecanismo de fuga – todo puede fallar La presión hace a estas fuerzas actuar El perno trata de mantener todo junto Pero – ¡puede que no sea capaz!
11/03/2013
31
Esto es lo comprender Debemos que pasa – mire las fuerzas cuidadosamente actuando en la brida La brida se abre – ahora hay una ruta de fuga Aquí está… En efecto, la fuga ocurre a través de los pernos ¿Cómo podemos prevenir esto?
11/03/2013
32
Debemos las Fuerzas Esta parteComprender de la brida actúa como Actuando cantiliver en la Brida Hay dos fuerzas actuando hacia arriba – Presión y fuerzas de balanceo El perno provee la otra fuerza (equilibrio) Ahora tome los momentos para obtener la fuerza del perno FB = FP . L x Aumentando x se reduce FB Esto es importante
11/03/2013
P
B
U
L x
33
Esta parte DE de la brida actúa como voladizo La REGLA ORO: Un voladizo más corto es más rígido (más fuerte) Aprendimos una importante lección: Aumentar x disminuye la carga de los pernos Aumentar x hace la brida más fuerte El levantamiento de la brida se disminuye
•
•
•
B
B
x
11/03/2013
34
La REGLA Esta es unaDEbrida ORO:rectangular típica SIEMPRE haga a x más grande que a y En otras palabras: mantenga los pernos cerca del diámetro interno de la brida Consideremos el caso de una brida rectangular B
y
11/03/2013
x
35
Ésta Es una Brida Rectangular Típica Considere la sección transversal, aumentada aquí Suponga el empaque es delgado, así.
Aquí esta el perno
Este lado de la brida girará así Para resolver el problema, necesita un empaque que complete la cara
Ya revisamos los problemas, ahora revisemos el empaque
11/03/2013
36
Ahora Estudiemos el Empaque y sussePropiedades Las fuerzas de apriete y expansión pueden ver en una gráfica Suponga que el empaque es perfectamente elástico En servicio las bridas se separan, por ejemplo cuando se presurizan El empaque se expande – perdiendo algo de apriete – de carga Hay una relación entre expansión y apriete
Expansión
11/03/2013
37
Ahora podemos ver la relación que hay entre elver empaque y los La fuerza de apriete y la expansión se pueden en una gráfica pernos Esta línea representa el apriete del empaque vs el espesor Si el empaque se expande (se hace más grueso), note que pasa La fuerza del empaque se reduce La fuerza del perno vs. su estiramiento también se puede dibujar en esta gráfica ,
Fuerza
Desde aquí Hasta aquí
Espesor del empaque - Expansión Estiramiento del perno 11/03/2013
38
Ahora podemos ver la relación que hay entre el empaque y los Primero, necesitamos la rigidez del empaque y los pernos pernos K G = Rigidez del empaque lbf/in or N/mm K B = Rigidez de los pernos
lbf/in or N/mm
La rigidez representa la pendiente (tangente) de la gráfica
Fuerza
Estiramiento Compresión del perno del Empaque Aumento de la fuerza
K B
K G
Estiramiento o contracción 3/11/2013
39
Estamos listos para investigar la relación que hay entre el empaque y el perno Comencemos viendo que pasa con la fuerza residual del empaque HP Aplique una fuerza extra – el empaque no se comprime más
∆F
Fuerza Hp
K G
K B Estiramiento del perno 11/03/2013
Compresión del empaque 40
Estamos listos para investigar la relación que hay entre el empaque y el perno Comencemos viendo que pasa con la fuerza residual del empaque HP Aplique una fuerza extra – el empaque no se comprime más
∆F
Como ya hemos aplicado la fuerza de la presión
H
S n em argo, a fuerza del perno aumenta Fuerza
∆F Hp
K G
K B Estiramiento del perno 11/03/2013
Compresión del empaque 41
Estamos listos para investigar la relación hay entre el Podemos Calcular ∆F en términos de y , ∆tque G yH empaque y el perno Comencemos viendo que pasa con la fuerza residual del empaque HP Aplique una fuerza extra – el empaque no se comprime más
∆F
Como ya hemos aplicado la fuerza de la presión
H
S n em argo, a fuerza del perno aumenta H
Fuerza
∆F Hp
K G
K B Estiramiento del perno 3/11/2013
Compresión del empaque 42
Podemos Calcular ∆F en términos de y , ∆tG y H H = ∆F + y = ∆F + ∆tG.K B (por triángulos similares) ∆F = ∆tG.K G Eliminando ∆tG de la ecuación =
H 1+
K B K G
Y H
Fuerza
∆F Hp
∆tG
K G
K B Estiramiento del perno 11/03/2013
Compresión del empaque 43
Podemos en calcular ∆F de y , ∆t y H y el Empaque Ecuación Términosen detérminos la Elasticidad delG Perno H = ∆F +H y ∆F = K B .K (de triángulos similares) = ∆F1 + + ∆t G B K ∆F = ∆tG.K G G Eliminando ∆tG de la ecuación =
H 1+
11/03/2013
K B K G
44
Ecuación en Términos Organizando los términos de lautilizados Elasticidad en del la ecuación: Perno y el Empaque ∆F =
H
K A .EBB.tG B 1 + 1+ AGK .EGG.L Convirtiendo rigidez en elasticidad y estiramiento, generalmente: K=
Módulo Elástico x Área del componente Lon itud Ori inal
=
E.A
Finalmente: ∆F =
11/03/2013
H AB.EB.tG 1+ AG.EG.L
45
Organizando los términos utilizados en la ecuación: ∆F =
H AB.EB.tG 1+ AG.EG.L
H = Fuerza debida a la presión interna AB = Área total de los pernos EB = Módulo elástico de los pernos L = Longitud de los pernos
H
Fuerza
∆F AG = Área del empaque (área efectiva)
EG = Módulo elástico del empaque K B
tG = Espesor del empaque Estiramiento del perno 11/03/2013
Hp
K G Compresión del empaque 46
Organizando términos utilizados en la ecuación: Considere laslos propiedades del empaque ∆F =
H
∆F es la fuerza de relajamiento del empaque
AB.EB.tG 1+ AG.EG.L
Cuando ∆F alcanza H , el empaque se reduce a su estado residual
H
Fuerza
∆F Hp
K G
K B Estiramiento del perno 11/03/2013
Compresión del empaque 47
Considere las Propiedades del Empaque Esta línea recta asume que el empaque obedece a la Ley de Hook Esto es cierto para todos los empaques metálicos, pero no para materiales orgánicos/sintéticos Así es como los materiales se aprietan y relajan
H
Fuerza
∆F Hp
K G
K B Estiramiento del perno 11/03/2013
Compresión del empaque 48
Volvamos Considere las a los Propiedades Problemas del queEmpaque Pueden Causar Fugas Esta línea recta asume que el empaque obedece a la Ley de Hook Verdad para todos los empaques metálicos, pero no para materiales orgánicos/sintéticos Así es como los materiales se aprietan y relajan Esto hace el análisis mucho más complicado
Fuerza
Compresión 11/03/2013
49
Antes de Ver Volvamos a los la Problemas Solución – que Consideremos Pueden Causar Qué Hace Fugasel Código A medida que la presión aumenta, el empaque es liberado de carga Apretando los pernos y añadiendo presión – ocurre rotación Si una brida está más caliente, el empaque se degrada Momentos y fuerzas externas pueden aflojar el empaque Generalmente el empaque no obedece la Ley de Hook
Fuerza
Compresión 11/03/2013
50
Antes de Veraprieta la Solución – Consideremos Hacepsi/344 el Código El ajustador los pernos hasta aquíQué (50000 MPa) Consideramos ASME Sección VIII, División 1 como ejemplo El código ajusta la carga inicial de los pernos alrededor de 25 000 psi / 172 MPa Después que se introduce la presión, el empaque se relaja hasta aquí Sin embargo, la experiencia muestra que la brida tendrá fugas ¿Cuál es la solución?
H
Fuerza
∆F
Wm2 Hp
K G
K B Estiramiento del Perno 11/03/2013
Compresión del Empaque 51
Manejando momentos externos El ajustadorfuerzas aprietaylos pernos hasta aquí (50000 psi/344 MPa) Ahora el empaque se relaja hasta aquí En vez que sea aquí, con la menor carga del perno Esta es la ÚNICA forma de prevenir la probabilidad de fuga
FBOLT
H
Fuerza
∆F
Wm2 Hp
K G
K B Estiramiento del Perno 11/03/2013
Compresión del empaque 52
Manejando Fuerzas y Momentos Externos Fuerza Externa , y momento externo La fuerza y el momento se convierten en una presión equivalente
11/03/2013
53
Manejando Fuerzas Momentos Externos Comenzamos con el yEmpaque Fuerza Externa , y momento externo F
La fuerza y el momento se convierten en una presión equivalente M
La ecuación de conversión se conoce como Ecuación Kellogg para F y M La derivada de esta ecuación es instructiva
11/03/2013
54
Comenzamos con el Empaque Para b es el momento ancho efectivo M comenzamos del emapque con el módulo de la sección del empaque Z G es el diámetro efectivo del empaque Fuerza en el empaque debida a la presión interna equivalente Pe .G2.Pe π F= 4 , Pe =
4.F π.G2 G
11/03/2013
b
55
Comenzamos el Empaque La ecuación decon Kellog final para la presión equivalente es: Para el momento M comenzamos con el módulo de la sección del empaque Z 2.b .G π Z= 4 Ahora podemos encontrar el esfuerzo S en el empaque debida al momento M M 4M = S= π.G2.b Z e
Fuerza de Pe 0.25. π.G2 S= = π.G.b Área del empaque Igualando las dos ecuaciones para S, finalmente tenemos Pe G b 16.M Pe = π.G3 11/03/2013
56
La ecuación de Kellog para se la presión Bridas Estándar B16.5 final y B16.47 Pueden equivalente Comprar es: 4.F 16.M + Pe = π.G2 π.G3 Esto simplemente se suma a la presión de diseño P Hemos discutido brevemente el diseño de bridas por ASME Nuestra atención ahora se dirige a bridas estándar
11/03/2013
57
Bridas Estándar B16.5 y B16.47 se Pueden Comprar Esto es lo que ASME División 1 dice acerca de las bridas UG-11 El código no requiere cálculos de bridas estándar
en a a a -
11/03/2013
enemos a re erenc a a es os es n ares
58
Las Ecuaciones Bridas Estándarpara B16.5 Bridas y B16.47 en ASME Se Pueden FueronComprar Introducidas en 1937 Esto es lo que ASME Division 1 dice acerca de las bridas UG-11 El código no requiere cálculos de bridas estándar Si analizamos una brida estándar, ¡puede fallar! ¿Porqué? B16.5 no surgió de ningún análisis Fue el resultado de los fabricantes creando un estándar bajo el ausp c o e com t e . a os atr s
11/03/2013
59
LasAcercamiento Ecuaciones para Bridasesenpor ASME Fueron en El Moderno Análisis porIntroducidas Elemento Finito 1937 ¿Recuerdan esto?
Las fugas ocurren en un número pequeño de bridas ¿Qué intentos se han hecho para abordar este problema? 11/03/2013
60
El Acercamiento Nótese la TécnicaModerno de Enmallado Es por Análisis por Elemento Finito Compañías como Lannewehr & Thompson & Co KG han escrito software “Flange Valid” que considera todos los parámetros mecánicos que definen una brida – by kind permission La simulación de la condición de servicio actual se puede analizar utilizando este método Éste es un modelo FEA sencillo
11/03/2013
61
NóteseViene la Técnica de Enmallado Ahora el Inconveniente del Ensamble de las Bridas
11/03/2013
62
AhoraEstá Viene el Inconveniente del Ensamble de las Bridas Aquí Dicho Aparato El personal que ensambla las bridas requiere mucha experiencia El personal que solda debe ser calificado como alguien que produce soldaduras sin defectos Compañías responsables también califican a sus ensambladores de bridas Esto se uede hacer con un a arato estándar ue uede ser utilizado para permitir a los ajustadores demostrar su habilidad
11/03/2013
63
Aquí EstáAún Dicho Aparato Las Bridas Deben Cumplir con las Reglas de los Códigos
3/11/2013
64
Las Bridas DebendeCumplir Reglas deNecesita los Códigos PV Elite con Aquí está laAún Pantalla con las Todo lo que Los cálculos son tediosos PV Elite
Sin embargo en la computadora…….
hace del diseño de bridas algo muy simple
Todas las dimensiones se pueden ingresar en minutos para obtener resultados Cambios se pueden hacer en el camino
11/03/2013
65
está Pantalla de PV Elite Todo lo que Necesita El Aquí Espesor delaBrida Requerido Estácon Disponible Instantáneamente
11/03/2013
66
ElPuede Espesor de Brida Disponible Instantáneamente Controlar la Requerido Rotación deEstá la Brida a los Límites del Código
3/11/2013
67
Puede la Rotación de la Brida a los Límites del Código PuedeControlar Agregar Fuerzas y Momentos Externos
3/11/2013
68
Puede Fuerzas y Momentos Esto HaAgregar Sido una Discusión Breve en Externos Bridas
3/11/2013
69
