Transiciones cónicas en equipos a presión
Las transiciones cónicas son algo habitual en la industria por lo que resultarán familiar para las personas mínimamente relacionadas con el diseño o fabricación de equipos a presión. La forma de dichas transiciones viene condicionada principalmente por el proceso en el cual el equipo se halle inmerso. A fin de satisfacer convenientemente las necesidades de proceso, esta parte cónica puede adoptar diversas geometrías. El principal criterio de clasificación queda establecido por la forma externa del tronco-cono, el cual puede ser concéntrico o excéntrico, como puede verse a continuación.
Cabe recordar que este elemento cónico debe ser calculado para garantizar que soporta todas las solicitaciones a las que será sometido a lo largo de su vida útil, incluyendo las operaciones de fabricación, transporte, izado del equipo hasta su posición de servicio, operación y posterior desmantelamiento. En base al cálculo puede determinarse que el espesor de los componentes involucrados que había sido considerado en un principio es insuficiente por lo que habrá que recurrir a reforzarlo. Para ello, las soluciones más comúnmente adoptadas recurren a un incremento del espesor del elemento cónico o del cilíndrico al cual va unido, consideran un anillo de refuerzo, establecen radios de acuerdo en la unión entre la parte cónica y la cilíndrica o combinan varias de ellas.
Cuando se trata de una transición cónica que da continuidad en un equipo a presión a dos zonas cilíndricas, a simple vista puede verse que la unión entre cada cilindro y el cono provocará una transición abrupta en la geometría de la pared resistente a la presión, con su consiguiente concentración de tensiones y desequilibrio de fuerzas en la unión, a menos que se atenúe este efecto siempre indeseado. Para tal fin, en las uniones entre elementos cilíndricos y cónicos se empleará un radio de acuerdo que suavice, en la medida de lo posible, el cambio de geometría y, con ello, las tensiones presentes en esa zona del equipo. A medida que se incremente el valor numérico de los radios de acuerdo las tensiones existentes se verán disminuidas.
El efecto conseguido por estos radios de acuerdo está, como era de esperar, inversamente ligado con la necesidad, expuesta más arriba, de recurrir a incrementos de espesor o al añadido de anillos de refuerzo debido a la reducción en el nivel tensional. En la práctica deberían tenerse en cuenta otras variables secundarias como son las posibilidades constructivas, el tiempo de ejecución o el coste económico asociado antes de determinar la solución a adoptar. Se habla de variables secundarias ya que la integridad estructural del equipo a presión tendrá siempre una importancia capital sobre cualesquiera otras consideraciones, especialmente en equipos que presenten alta presión, temperaturas extremas (caliente o fría) o sufran cargas variables, donde es especialmente aconsejado evitar altas tensiones debidas a discontinuidades geométricas por lo que los radios de acuerdo se imponen como la solución más aconsejable.
Como premisas a la hora de encarar el cálculo de este tipo de equipos conviene puntualizar que la unión entre cono y cilindro en el lado de mayor diámetro, sometida esta a presión interna, trabajará generalmente a compresión. Así mismo, la unión cono-cilindro en el lado de menor diámetro, sometida a presión interna, trabajará a tracción en la mayoría de los casos. Sin embargo, si se permuta la presión interna por externa, el lado de mayor diámetro se verá afectado, generalmente, por un efecto de tracción mientras que el lado de menor diámetro, por uno de compresión. Un comentario se hace necesario en relación al cálculo de un equipo vertical y su transición cónica durante el transporte y posterior izado del mismo ya que habitualmente estos equipos verticales se transportan en posición horizontal y se izan hasta su posición de servicio desde la de transporte. En ningún caso se debe pasar por alto este proceso en el cálculo, debiendo asegurar el diseñador la integridad estructural del equipo, considerando especialmente la parte cónica. En cuanto al método de cálculo, decir que, independientemente del código de diseño empleado, ASME VIII, EN 13445 o AD Merkblatter, los requisitos de diseño son similares y, por ende, los resultados obtenidos.
Al menos los siguientes puntos deben ser tenidos en cuenta en el diseño de una transición cónica:
- Envolvente cilíndrica de menor diámetro: cálculo del espesor requerido por efecto de las presiones interna y/o externa.
- Transición cónica: cálculo del espesor requerido por efecto de las presiones interna y/o externa.
- Envolvente cilíndrica de mayor diámetro: cálculo del espesor requerido por efecto de las presiones interna y/o externa.
- Uniones cono-cilindro: cálculo del refuerzo requerido.
- Radios de acuerdo (en caso de adoptarse esta solución): establecimiento de requisitos para evitar tensiones excesivas.
Desde el punto de vista constructivo es necesario tener en cuenta que la concentración de tensiones, anteriormente expuesta, en la zona de unión entre el cono y los elementos adyacentes puede ver incrementado su efecto perjudicial por un mal ajuste en la soldadura entre ambos componentes. Cuando la transición cónica dispone de radios de acuerdo, cosa ampliamente preferida en la industria, las soldaduras circunferenciales que la unirán a otros elementos se sitúan fuera de la zona de discontinuidades geométricas y esta disposición provoca un mejor alineamiento en la unión soldada. También cabe indicar que una transición cónica con radios de acuerdo supone una solución menos económica. Como una solución para la materialización de los radios de acuerdo, estos pueden ser obtenidos partiendo de recortes de cabezales elípticos o esféricos que tengan el mismo espesor y forma requeridos. A menudo los radios de acuerdo son fabricados en forma de anillos toroidales del mismo espesor que la parte cónica.
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