Cargas en Conexiones WRC – FEA
En el diseño de un equipo mecánico, aparte de la presión y temperatura, y de las condiciones del emplazamiento (viento y sismo), es de vital importancia el estudio de las cargas locales, como son las cargas en las conexiones.
Estas cargas se generan principalmente por el tipo de suportación de las tuberías, alineamiento del sistema y las cargas térmicas generadas por la expansión y contracción de la línea asociada. Estos movimientos térmicos intensificarán los esfuerzos generados en la conexión en los tres ejes principales. Estas cargas sobre las conexiones del equipo son las fuerzas y momentos ejercicios por las tuberías. La falta de alineación entre conexión y tubería conducirá a un aumento de las fuerzas y momentos resultantes.
Es norma habitual, que el responsable del sistema de tuberías origine una tabla de cargas máximas permisibles en conexiones al comienzo de cada proyecto. A la hora de realizar el diseño del equipo mecánico, el diseñador deberá como mínimo asegurar que los esfuerzos en la conexión y pared del equipo resultantes de las cargas admisibles requeridas por el sistema de tuberías inducen esfuerzos que están dentro de los valores admisibles. Cada conexión deberá ser capaz de soportar las fuerzas y momentos bajo las condiciones de diseño del equipo en la condición corroída.
Estos estudios se realizan principalmente según WRC Bulletin 107 / 537 & WRC – 297.
El Boletín WRC 107 publicado en 1965, analiza los esfuerzos generados en la unión de la conexión con la envolvente. Este boletín puede ser utilizado en envolventes cilíndricas y esféricas. Es un procedimiento mediante parámetros obtenidos de diferentes curvas, el cual permite a los diseñadores calcular los esfuerzos generados sobre la unión con la envolvente.
En el año 2010 se publica el Boletín WRC 537 el cual supera al boletín WRC 107. Este boletín se emite para facilitar la implementación del boletín WRC 107.
A continuación se muestran las condiciones de cargas en la unión de una envolvente cilíndrica según lo indicado en WRC-537:
Condiciones de cargas en la unión de una envolvente cilíndrica – WRC 537
El Boletín WRC 297 es un suplemento de WRC 107 y fue publicado en 1984, solo aplicable a conexiones cilíndricas sobre envolventes cilíndricas. Los rangos de acción son mayores a los aplicados en WRC 107, obteniéndose unos resultados más fiables para valores pequeños d/D (d: diámetro conexión; D: diámetro de la envolvente).
Cargas consideradas en el análisis WRC
Cuando los esfuerzos inducidos superan los admisibles, será necesario aumentar el refuerzo de la conexión y/o aumentar el espesor de la envolvente de modo que los valores queden dentro de los admisibles.
En caso de que esto no sea viable por estar el equipo fabricado o imposibilidad geométrica, será necesario actuar sobre el diseño de la línea para reducir las fuerzas y momentos transmitidos a la conexión asociada al equipo.
En caso de estar fuera de los limites geométricos de los boletines WRC 537 & WRC 297, o en aquellos casos donde los esfuerzos inducidos en los elementos es mayor al admisible del material, resulta necesario recurrir al análisis por elementos finitos FEA. Este análisis permite realizar una evaluación de los esfuerzos inducidos con gran precisión y nivel de detalle, lo cual no es posible mediante los boletines mencionados. Existen un gran número de herramientas que trabajan con elementos finitos para estudiar las cargas en conexiones, los más habituales son FE Pipe, Ansys o SolidWorks Simulation.
Análisis FEA de una conexión mediante ANSYS
Los siguientes rangos son las zonas débiles en el análisis bajo WRC, con lo que el uso de elementos finitos podría ser necesario.
- d/D > 0.5
- t/T > 1.0
- valores d/t no comprendidos entre 2-100
- valores D/T no comprendidos entre 20-2500
- d/T < 5.
- Conexiones longitudinales.
- Temperaturas cercanas a creep.
- Número de ciclos superiores a 5000.
Siendo:
D: diámetro de la envolvente
d: diámetro de la conexión
T: espesor de la envolvente
t: espesor de la conexión.
Para más información:
ASME VIII | Diseño de Recipientes a Presión
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