Soporte de tubería

Un soporte de tubería o colgador de tubería es un elemento diseñado para transferir la carga de una tubería a las estructuras de soporte. La carga incluye el peso de la tubería propiamente dicha, el contenido que transporta la tubería, todos los accesorios de tubería unidos a la tubería y el revestimiento de la tubería, como el aislamiento . Las cuatro funciones principales de un soporte de tubería son anclar, guiar, absorber los impactos y soportar una carga específica. Los soportes de tubería utilizados en aplicaciones de alta o baja temperatura pueden contener materiales de aislamiento. La configuración de diseño general de un conjunto de soporte de tubería depende de las condiciones de carga y funcionamiento.

Por lo general, se trata de tipos de cargas constantes o sostenidas, como la presión interna del fluido, la presión externa, las fuerzas gravitacionales que actúan sobre la tubería, como el peso de la tubería y el fluido, las fuerzas debidas al alivio o al derribo, las ondas de presión generadas debido a los efectos del golpe de agua o de vapor. ^[1]

Cargas sostenidas:

• Presión interna/externa : una tubería utilizada para transportar fluidos estaría bajo una carga de presión interna. Una tubería, como un núcleo de tubería encamisado o tubos en un intercambiador de carcasa y tubos, etc., puede estar bajo presión externa neta. La presión interna o externa induce tensiones en las direcciones axial y circunferencial (tensión del cilindro, tensión del aro). La presión también induce tensiones en la dirección radial, pero estas a menudo se descuidan. La presión interna ejerce una fuerza axial igual a la presión multiplicada por la sección transversal interna de la tubería. F = P[πd^2/4]. Si se utiliza el diámetro exterior para calcular la sección transversal aproximada del metal , así como la sección transversal de la tubería, la tensión axial a menudo se puede aproximar de la siguiente manera: S = Pd /(4t)
• Peso muerto : es el peso propio de la tubería, incluido el fluido, el peso de las tuberías y los accesorios de plomería y otros componentes en línea (por ejemplo, válvulas , aislamiento térmico, etc.). Este tipo de cargas actúan durante todo el ciclo de vida de la tubería. En tuberías horizontales, estas cargas causan flexión , y el momento de flexión está relacionado con la tensión (mecánica) # tensiones simples tensiones normales y cortantes . La flexión de la tubería se debe principalmente a dos razones: carga de peso distribuida (por ejemplo, peso del fluido) y carga de peso concentrada (por ejemplo, peso de la válvula). El peso de los elevadores (secciones verticales de la tubería) puede soportarse mediante abrazaderas de elevadores .

Cargas ocasionales:

• Carga de viento: Las tuberías que se encuentran al aire libre y, por lo tanto, expuestas al viento, se diseñarán para soportar la velocidad máxima del viento esperada durante la vida útil de la planta. La fuerza del viento se modela como una carga uniforme que actúa sobre la longitud proyectada de la tubería perpendicular a la dirección del viento. La presión del viento para varias elevaciones se utilizará para calcular la fuerza del viento utilizando la siguiente fórmula. Fw = Pw x S x A, donde Fw = La fuerza total del viento, Pw = La presión del viento equivalente, S = Factor de forma del coeficiente de arrastre del viento, A = Área expuesta de la tubería.
• Carga sísmica: Carga sísmica La carga sísmica es uno de los conceptos básicos de la ingeniería sísmica que significa la aplicación de una agitación generada por un terremoto a una estructura. Ocurre en las superficies de contacto de una estructura ya sea con el suelo,[2] o con estructuras adyacentes,[3] o con ondas de gravedad de tsunamis .
• Golpe de ariete : El golpe de ariete (o, de manera más general, golpe de fluido) es un aumento repentino o una onda de presión que se produce cuando un fluido (normalmente un líquido, pero a veces también un gas) en movimiento se ve obligado a detenerse o cambiar de dirección de forma repentina (cambio de momento). El golpe de ariete se produce habitualmente cuando una válvula se cierra de forma repentina en un extremo de un sistema de tuberías y una onda de presión se propaga por la tubería. También se denomina golpe de ariete o choque hidráulico.
• Martillo de vapor : el golpe de vapor, el aumento repentino de presión generado por el flujo transitorio de vapor sobrecalentado o saturado en una línea de vapor debido al cierre repentino de la válvula de cierre, se considera una carga ocasional. Aunque el flujo es transitorio, para el propósito del análisis de tensión de la tubería, solo se calcula la fuerza desequilibrada a lo largo del segmento de la tubería que tiende a inducir la vibración de la tubería y se aplica en el modelo de la tubería como fuerza estática equivalente.
• Descarga de la válvula de seguridad : Las fuerzas de reacción de la descarga de la válvula de alivio se consideran una carga ocasional. La fuerza de reacción debida al flujo en estado estacionario después de la apertura de la válvula de alivio de seguridad en una instalación de descarga abierta se puede calcular de acuerdo con el Apéndice II de ASME B31.1 y se puede aplicar al modelo de tuberías como fuerza estática equivalente.

Así como las cargas primarias tienen su origen en alguna fuerza, las cargas secundarias son causadas por algún tipo de desplazamiento. Por ejemplo, la tubería conectada a un tanque de almacenamiento puede estar bajo carga si la boquilla del tanque al que está conectada se mueve hacia abajo debido al asentamiento del tanque. De manera similar, la tubería conectada a un recipiente es empujada hacia arriba porque la boquilla del recipiente se mueve hacia arriba debido a la expansión del recipiente. Además, una tubería puede vibrar debido a las vibraciones en el equipo giratorio al que está conectada.

Cargas de desplazamiento:

• Carga debida a la expansión térmica de la tubería
• Carga debida al movimiento térmico del equipo

Una tubería puede experimentar expansión o contracción cuando se la somete a temperaturas superiores o inferiores a la temperatura a la que se montó, respectivamente. Las cargas secundarias suelen ser cíclicas, pero no siempre. Por ejemplo, la carga debida al asentamiento del tanque no es cíclica. La carga debida al movimiento de la boquilla del recipiente durante el funcionamiento es cíclica porque el desplazamiento se retira durante el apagado y vuelve a aparecer después de un nuevo arranque. Una tubería sometida a un ciclo de fluido caliente y frío sufre de manera similar cargas cíclicas y deformación.

• Soporte rígido
• Soporte de resorte
• Amortiguador​​

Los soportes rígidos se utilizan para restringir el paso de las tuberías en determinadas direcciones sin flexibilidad (en esa dirección). La función principal de un soporte rígido puede ser la de ancla, apoyo, guía o ambas funciones, apoyo y guía.

1) Zapata de tubo/poste:

El soporte rígido se puede proporcionar desde abajo o desde arriba. En el caso de los soportes inferiores, generalmente se utiliza un montante o una base de abrazadera de tubería . Se puede mantener simplemente en la estructura de acero solo para soportes de tipo de descanso . Para restringir simultáneamente en otra dirección, se puede utilizar una placa separada o una orejeta de elevación . Un anclaje de tubería es un soporte rígido que restringe el movimiento en las tres direcciones ortogonales y las tres direcciones de rotación, es decir, restringe los 6 grados de libertad . Por lo general, se trata de un montante soldado que se suelda o se atornilla al acero o al hormigón. ^[2] En el caso del anclaje que se atornilla al hormigón, se requiere un tipo especial de perno llamado perno de anclaje , que se utiliza para sujetar el soporte con hormigón. En este tipo de soporte, la fuerza normal y la fuerza de fricción pueden llegar a ser significativas. Para aliviar el efecto de fricción, se utilizan placas de PTFE o almohadillas de grafito cuando es necesario.

2) Colgador de varilla:

Es un soporte estático, es decir, está diseñado para soportar únicamente cargas de tracción (no se debe ejercer ninguna carga de compresión sobre él, en cuyo caso puede producirse pandeo). Es un soporte vertical rígido que se proporciona únicamente desde arriba. Consta de abrazadera, tuerca de ojo, tirante y fijación de viga. La selección del soporte de varilla depende del tamaño de la tubería, la carga, la temperatura, el aislamiento, la longitud del conjunto, etc. Como viene con bisagra y abrazadera, no entra en juego ninguna fuerza de fricción sustancial.

3) Puntal rígido:

Es un componente dinámico, es decir, diseñado para soportar cargas de tracción y compresión. El puntal se puede proporcionar tanto en dirección vertical como horizontal. El puntal tipo V se puede utilizar para restringir dos grados de libertad . Consta de abrazadera rígida, puntal rígido y horquilla de soldadura. La selección depende del tamaño de la tubería, la carga, la temperatura, el aislamiento y la longitud del conjunto. Como viene con bisagra y abrazadera, no entra en juego ninguna fuerza de fricción sustancial.

Los soportes de resorte (o soportes flexibles) utilizan resortes de compresión helicoidales (para adaptarse a las cargas y los movimientos asociados de las tuberías debido a la expansión térmica). Se clasifican en general en soportes de esfuerzo variable o constante. El componente crítico en ambos tipos de soportes son los resortes de compresión helicoidales. Los colgadores y soportes de resorte generalmente utilizan resortes de compresión helicoidales.

1. Soporte de resorte variable o soporte de esfuerzo variable:

Los soportes de esfuerzo variable, también conocidos como colgadores variables o variables, se utilizan para soportar tuberías sujetas a movimientos térmicos verticales moderados (aproximadamente hasta 50 mm). Las unidades VES (soportes de esfuerzo variable) se utilizan para soportar el peso de tuberías o equipos junto con el peso de fluidos (los gases se consideran ingrávidos) al tiempo que permiten cierta cantidad de movimiento con respecto a la estructura que los sostiene. Los soportes de resorte también se pueden utilizar para soportar líneas sujetas a movimientos relativos que ocurren típicamente debido a hundimientos o terremotos. Una unidad VES es bastante simple en construcción, con la tubería prácticamente suspendida directamente de un resorte de compresión helicoidal, como se muestra en el dibujo seccional recortado a continuación. Los componentes principales son:

1. Placa superior
2. Placa de presión o placa de pistón
3. Placa inferior o placa base
4. Resorte helicoidal
5. Conjunto de tensor
6. Varillas de bloqueo
7. Placa de identificación
8. ¿Puede seccionarse o cubrirse?

Normalmente, los clientes/consultores de ingeniería proporcionarán los siguientes datos al emitir consultas para unidades de esfuerzo variable.

1. Carga caliente
2. Movimiento térmico (con dirección, es decir, arriba o + y abajo o -)
3. Variación máxima de carga como porcentaje (LV % máx.), si no se especifica el LV máximo, se supone que es del 25 % según MM-SP58.
4. Tipos de soporte, es decir, tipo colgante, tipo montado en el pie, etc.
5. Se requieren características especiales como tope de límite de recorrido, si corresponde.
6. Protección de superficie / pintura / acabado preferido.

La carga en caliente es la carga de trabajo del soporte en la condición “caliente”, es decir, cuando la tubería ha pasado de la condición fría a la condición caliente o de trabajo. Normalmente, MSS-SP58 especifica una variación de carga máxima (popularmente llamada LV) del 25 %. ^[4]

Características destacadas:

• Permite el movimiento en dirección vertical.
• La carga en la tubería varía con el movimiento.

Usado donde

• Desplazamiento < 50 mm
• Variabilidad de carga < 25%
• La angulación de la varilla debe ser inferior a 4°

Variación de carga (LV) o variación porcentual = [(carga caliente ~ carga fría) x 100]/carga caliente o variación de carga (LV) o variación porcentual = [(recorrido x velocidad del resorte) x 100]/carga caliente Generalmente, los soportes de resorte se proporcionan desde arriba, pero debido a la viabilidad del diseño o cualquier otra razón, el soporte de tipo montado en la base se fija al piso o la estructura y la tubería está hecha para "asentarse" sobre la parte superior de la brida del soporte de resorte.

2. Suspensión de resorte constante o soporte de esfuerzo constante:

Cuando se enfrentan a grandes movimientos verticales, típicamente de 150 mm o 250 mm, no queda más remedio que seleccionar un soporte de esfuerzo constante (CES). Cuando el porcentaje de variación de carga supera el 25 % o el LV% máximo especificado en un colgador variable, no queda más remedio que optar por un CES. Para las tuberías que son críticas para el rendimiento del sistema o las llamadas tuberías críticas donde no se deben transferir tensiones residuales a la tubería, es una práctica común utilizar CES. En un soporte de esfuerzo constante, la carga permanece constante cuando la tubería se mueve de su posición fría a la posición caliente. Por lo tanto, independientemente del recorrido, la carga permanece constante en todo el rango de movimiento. Por lo tanto, se denomina colgador de carga constante. En comparación con un colgador de carga variable, donde la carga varía con el movimiento y la carga caliente y la carga fría son dos valores diferentes regidos por la constante de recorrido y resorte. Una unidad CES no tiene ninguna tasa de resorte.

El principio de funcionamiento más común para el CSH es el mecanismo de manivela acodada. La palanca de la manivela acodada gira alrededor del punto de apoyo. Un extremo de la palanca de la manivela acodada está conectado a la tubería "P", el otro extremo está conectado al resorte mediante la barra de acoplamiento. Por lo tanto, cuando la tubería se mueve hacia abajo desde el estado frío al caliente, el punto P se mueve hacia abajo y, a medida que se mueve hacia abajo, la palanca de la manivela acodada girará en sentido antihorario y la barra de acoplamiento conectada al resorte se tirará hacia adentro, por lo que el resorte se comprimirá aún más. Cuando la tubería se mueve hacia arriba, la palanca de la manivela acodada girará (en el sentido de las agujas del reloj) y la barra de acoplamiento conectada al resorte se empujará hacia afuera, lo que permitirá que el resorte se expanda o se relaje.

Otro principio popular es el mecanismo de tres resortes o resortes de ajuste. En este caso, un resorte vertical principal soporta la carga principal de la tubería. Hay otros dos resortes ubicados con orientación horizontal para equilibrar cualquier carga adicional que llegue en dirección ascendente o descendente.

Restricciones dinámicas: El sistema de restricción cumple una función completamente diferente a la de los soportes. Estos últimos tienen como finalidad soportar el peso de la tubería y permitir que se mueva libremente en condiciones normales de funcionamiento. El sistema de restricción tiene como finalidad proteger la tubería, la planta y la estructura de condiciones anormales; no debe impedir el funcionamiento de los soportes. Las condiciones que requieren el uso de restricciones son las siguientes: • Terremoto. • Perturbación de fluidos. • Ciertas funciones del sistema. • Influencias ambientales. En áreas situadas sobre o cerca de fallas geológicas, es una práctica común proteger la planta de la posible actividad sísmica. En dichas plantas habrá una gran necesidad de restricciones dinámicas. La perturbación de fluidos puede ser causada por el efecto de bombas y compresores u ocasionalmente fluido en estado líquido que ingresa a una tubería destinada al transporte de gas o vapor. Algunas funciones del sistema, como el cierre rápido de válvulas, la pulsación debido al bombeo y el funcionamiento de válvulas de alivio de seguridad causarán patrones de carga irregulares y repentinos dentro del sistema de tuberías. El medio ambiente puede causar perturbaciones debido a fuertes cargas de viento o, en el caso de plataformas petrolíferas y de gas en alta mar, al impacto de las olas del océano. El sistema de contención se diseñará para tener en cuenta todas estas influencias. Una contención es un dispositivo que evita que la tubería o la planta a la que está conectada la tubería sufran daños debido a la ocurrencia de uno o más de los fenómenos anteriores. Está diseñado para absorber y transferir aumentos repentinos de carga de la tubería a la estructura del edificio y para amortiguar cualquier oscilación opuesta entre la tubería y la estructura. Por lo tanto, las contenciones dinámicas deben ser muy rígidas, tener una gran capacidad de carga y minimizar el movimiento libre entre la tubería y la estructura.

Dependiendo del principio de funcionamiento, los amortiguadores se pueden clasificar como

• Amortiguador hidráulico: similar a un amortiguador de impactos de automóvil, el amortiguador hidráulico está construido alrededor de un cilindro que contiene fluido hidráulico con un pistón que desplaza el fluido de un extremo del cilindro al otro. El desplazamiento del fluido es resultado del movimiento de la tubería que hace que el pistón se desplace dentro del cilindro, lo que genera una alta presión en un extremo del cilindro y una presión relativamente baja en el otro. La velocidad del pistón determinará la diferencia real de presión. El fluido pasa a través de una válvula accionada por resorte, que se utiliza para mantener la válvula abierta. Si la presión diferencial a través de la válvula excede la presión efectiva ejercida por el resorte, la válvula se cerrará. Esto hace que el amortiguador se vuelva rígido y se evita sustancialmente un mayor desplazamiento. El amortiguador hidráulico se utiliza normalmente cuando el eje de restricción está en la dirección de expansión y contracción de la tubería. Por lo tanto, se requiere que el amortiguador se extienda o se retraiga con el funcionamiento normal de la tubería. El amortiguador tiene baja resistencia al movimiento a velocidades muy bajas.
• Amortiguador mecánico: Si bien tiene la misma aplicación que el amortiguador hidráulico, el retraso de la tubería se debe al frenado centrífugo dentro del amortiguador. Se hace girar un volante partido a alta velocidad, lo que hace que las bolas de acero se empujen radialmente hacia afuera. El volante se separa por las bolas de acero, lo que hace que las placas de frenado se junten, lo que retrasa el desplazamiento axial del amortiguador. La rotación del volante se genera por el desplazamiento lineal de la varilla principal que actúa sobre un tornillo de bolas o un dispositivo similar. También es muy caro.
• Un amortiguador absorbe la energía de los impulsos repentinos o disipa la energía de la tubería. Para amortiguadores y amortiguadores, consulte Amortiguador
• Un soporte de tubería aislado (también llamado soporte de tubería preaislado) es un elemento que soporta carga y minimiza la disipación de energía. Los soportes de tubería aislados pueden diseñarse para combinaciones de cargas verticales, axiales y/o laterales en aplicaciones de baja y alta temperatura. El aislamiento adecuado de la tubería aumenta la eficiencia del sistema de tuberías al no permitir que el "frío" del interior escape al medio ambiente. ^[5] Para tuberías aisladas, consulte Tubería aislada

• Un soporte de resorte diseñado sostiene una carga específica, que incluye el peso de la tubería, el producto, las bridas, las válvulas, el material refractario y el aislamiento. Los soportes de resorte también permiten que la carga soportada se desplace a través de un ciclo de deflexión térmica predeterminado desde su estado instalado hasta su estado operativo.

Los soportes de tuberías se fabrican a partir de una variedad de materiales que incluyen acero estructural , acero al carbono , acero inoxidable , acero galvanizado , aluminio , hierro dúctil y compuestos de FRP . La mayoría de los soportes de tuberías están recubiertos para protegerlos contra la humedad y la corrosión. ^[6] Algunos métodos de protección contra la corrosión incluyen: pintura, recubrimientos de zinc, galvanización por inmersión en caliente o una combinación de estos. ^[7] En el caso de los soportes de tuberías compuestos de FRP, los elementos necesarios para formar una celda de corrosión no están presentes, por lo que no se necesitan recubrimientos o protecciones adicionales. ^[8]

• Diseño: ASME B31.1, ASME B31.3, ASME Sección VIII Recipientes a presión
• Fabricación: MSS-SP58 (Material, Diseño, Fabricación, Selección, Aplicación e Instalación. Nota: MSS SP-58-2009 incorpora y reemplaza el contenido de ANSI/MSS SP-69-2003, MSS SP-77, MSS SP-89 y MSS SP-90), AWS-D1.1, ASTM-A36, ASTM-A53, ASTM-A120, ASTM-A123 y A446, ASTM-A125, ASTM-A153, ASTM-307 y A325, ASTM-C916, ASTM-D1621, ASTM-D1622, ASTM-D1623. Los soportes con insertos de aislamiento también deben hacer referencia a ASTM-C585.
• Sistemas de calidad: ISO 9001, ASQC Q-92, CAN3 Z299
• Pruebas: ANSI B18.2.3