Análisis
de un interno tipo brida de un recipiente horizontal a presión utilizando
elementos finitos
Finite element analysis of a flange-type intern element of horizontal
pressure vessel
Luis Espinoza 1, Octavio Andrés González-Estrada2, Carlos Graciano 3
1Ingenieros Mecánicos, Dirección de Postgrado, UNEXPO, Venezuela. Correo electrónico: luisespinoza2000@gmail.com
2 Grupo de investigación en energía y medio ambiente (Giema), School of Mechanical Engineering, Universidad Industrial de Santander, Ciudad Universitaria, Bucaramanga, Colombia. Orcid: 0000-0002-2778-3389. Correo electrónico: agonzale@saber.uis.edu.co
3Departamento de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia. Orcid: 0000-0003-0659-7963. Correo electrónico: cagracianog@unal.edu.co
Resumen
Este trabajo presenta el estudio de la distribución de esfuerzos mecánicos del interno tipo brida en un recipiente a presión que opera a 175 °F y 135 psig, utilizando el método de los elementos finitos. Este equipo pertenece a estaciones de flujo y tiene como función principal separar gas y agua de un fluido de producción. Por efecto de una contingencia, se presume la aparición de grietas en el material entre los agujeros del interno. La distribución de los esfuerzos mecánicos alrededor de los agujeros del interno se estimó utilizando el módulo estructural de ANSYS v18.2. Los resultados obtenidos muestran que la concentración de esfuerzo se localiza en los orificios centrales del interno y el rango de los esfuerzos está entre 25 MPa y 137,5 MPa. Como resultado se indica que para garantizar las operaciones es necesario soldar una almohadilla de refuerzo hacia el centro del interno.
Palabras clave: esfuerzos mecánicos; análisis por elementos finitos; Ansys; recipientes a presión.
Abstract
This work presents the
stress analysis at the flange-type intern element in a pressure vessel which
works at 175 °F and 135 psig of pressure, by using the Finite Element
Method. This equipment belongs to flow stations and has the main function of
separating gas and water from a production fluid. By effect of a contingency,
some cracks may arise in the material between the holes of the intern.
The mechanical stress distribution around the holes of the intern was estimated
using static structural analysis of ANSYS v18.2. The results show that the
stress concentrator is located at the intern central orifices, and the range of
stress is 25 MPa to 137.5 MPa. In order to continue the operation of the
equipment, it is necessary to weld a reinforcing pad.
Keywords: mechanical stress; finite element analysis; Ansys; pressure vessel.
1. Introducción
De líquidos y 86 millones de pies cúbicos nominales diarios (MMPCND) de gas, a nivel de 500 y 60 psig.
La estación de flujo identificada como MURI posee una Actualmente procesa 18 MBPD de crudo de 28º API y 19 capacidad de diseño de 40 mil barriles por día (MBPD)
MMPCND de gas provenientes de 18 sartas de 17 pozos activos [1].
Con la finalidad de garantizar el buen funcionamiento de los equipos y tuberías asociadas al proceso principal de la Estación de Flujo Muri, debido al cambio en la volumetría (45 MMPCED de gas, 29 MBPD de crudo y 14 MBPD de agua), se hizo necesario realizar un cambio en el sistema de procesamiento de la estación para adecuarlo a los nuevos esquemas de producción de los pozos asociados a la Estación de Flujo Muri.
Se incorpora al proceso actual un sistema que permita realizar la separación del gas de manera eficiente y se ha previsto incorporar un sistema que permita incrementar la temperatura del fluido con la finalidad de optimizar la deshidratación del crudo, dos separadores de producción de 60 psig V-2501A/B con capacidad para manejar 40 MBND de crudo y 45 MMPCND de gas asociado.
Un separador (recipiente a presión) es un container de diseño cerrado para tomar gases o líquidos a una presión considerablemente diferente a la presión ambiente. La clasificación de los recipientes es variada, existen de tipo cilíndrico, rectangular y esféricos. Los tipos cilíndricos y rectangulares suelen ser clasificados en horizontales y verticales [2]. La Figura 1 muestra el plano en elevación del recipiente a presión horizontal.
El interés por el estudio de la determinación de los esfuerzos en recipientes a presión se ha incrementado en los últimos tiempos dadas las nuevas herramientas de cálculo disponibles, como, por ejemplo, el análisis por elementos finitos (FEA), el cual es ampliamente usado para aplicaciones en ingeniería y verificación de normas
[3]–[6]. Wadkar et al. [7] realizaron un análisis de los esfuerzos mecánicos en recipientes a presión por medio de FEA utilizando el software ANSYS, y compararon sus resultados con los principios expuestos en el código ASME Sec VIII División 1 [8]. Los autores relacionaron los parámetros de diseño para recipientes a presión con el código ASME y los cálculos teóricos, verificando y validando el modelo numérico del recipiente.
Guerrero et al. [9] llevaron a cabo un FEA aplicando mecánica de la fractura en un caso de grieta inducida en acero de alta resistencia P500 (esfuerzo de fluencia 500 MPa) en un recipiente. Se utilizó una grieta inicial con una longitud definida, la cual representa un tamaño de grieta asumido, y que podría verse sobredimensionada durante el ensayo no destructivo, y un largo suficiente tal que, en el peor de los escenarios, pudiera ocurrir durante la vida de la estructura. El análisis fue comprobado experimentalmente con una plancha de prueba. De esta aproximación numérica los investigadores concluyeron que no se detectó la presencia de grietas con el ensayo no destructivo en el recipiente a presión fabricado de material P500, lo cual no representa un peligro para la seguridad del recipiente. Desde el punto de vista de la mecánica de la fractura, los valores máximos del factor de intensidad de esfuerzos alrededor de la grieta son menores que el valor crítico para el material.
Muchos de los trabajos realizados en el campo de análisis de seguridad en recipientes a presión se concentran en la inestabilidad de las grietas, crecimiento de grietas estables y detención de estas [10]. El presente trabajo se limita al modelado de uno de los recipientes horizontales, el V-2501A, específicamente en el interno del equipo a presión, debido a que este es el que presenta evidencias de algunas grietas. En este trabajo nos enfocamos en el cálculo o estimación de los esfuerzos se realiza mediante
Análisis de un interno tipo brida de un recipiente horizontal a presión utilizando elementos finitos un modelo de elementos finitos. Se utilizan para el análisis los estándares de materiales ASTM existentes y el código ASME Sección VIII Div. 1 para recipientes. El sketch o plano de detalle del interno se emplea para diseñar la geometría del modelo en la herramienta CAD. Para efectos de las estimaciones de esfuerzos no se toman en cuenta las boquillas del equipo y demás accesorios, debido que la zona de estudio es en el interno. Se validan los resultados obtenidos con la literatura disponible de factores de intensidad de esfuerzos para ciertas geometrías que se asemejen al modelo numérico planteado [7].
2. Metodología
La metodología utilizada para realizar el análisis de esfuerzos en el recipiente horizontal consiste en lo siguiente:
• Diseñar la geometría del equipo interno del recipiente en el software CAD.
• Establecer las características del análisis estático estructural.
• Definir las propiedades mecánicas del material dentro del modelo numérico.
• Establecer las condiciones de contorno correspondientes al modelo numérico, incluyendo los valores de las variables de presión interna y temperatura del recipiente.
• Realizar el estudio de convergencia para definir el mallado.
• Obtener los valores de distribución de esfuerzos y realizar la interpretación de los resultados.
2.1.
Geometría
La geometría se definió para medio recipiente que contiene la mitad del interno, haciendo uso de la simetría, sin considerar los cabezales y las boquillas, como se detallan en la Figura 1, con la finalidad de ahorrar costo computacional. La Figura 2 muestra el modelo geométrico generado mediante la herramienta de diseño Autocad v2017, el cual se prepara en formato *.sat para su uso posterior en el análisis de esfuerzos. El análisis se realiza en la mitad del recipiente, y el interno se ubica centrado en el mismo. Las boquillas y cabezales no se consideran puesto que el equipo se analiza similar a una tubería.
2.2.
Análisis estático estructural
Consideramos el problema elástico lineal del recipiente a presión interna, y utilizamos una formulación tipo
Galerkin para obtener el campo de desplazamientos 𝐮h en un espacio finito 𝐕h, el problema se plantea como encontrar 𝐮h ∈ 𝐕h tal que ∀𝐯 ∈ 𝐕h:
donde 𝛆 representa las deformaciones; 𝐃, la matriz de propiedades elásticas del material; 𝐛, las cargas volumétricas, y 𝐭, las tracciones de Neumann en ΓN.
2.3.
Propiedades mecánicas del material
El material definido para el interno es un
acero al carbono SA-516 Gr. 70 con un módulo de Young E = 200 GPa y coeficiente de Poisson 𝜈 =0.29. De acuerdo con el código ASME secciones II y VIII Div. 1 [11], el esfuerzo último es 𝑆𝑇 = 482 MPa, el esfuerzo de fluencia es 𝑆𝑌 = 
262 MPa, para un esfuerzo admisible de 𝜎𝑎𝑑𝑚= 138 MPa.
2.4.
Condiciones de contorno
Las condiciones de borde para este estudio fueron las siguientes. Se aplican condiciones de simetría en el plano yz del corte en el recipiente. Con el fin de evitar movimientos de sólido rígido se define una condición de desplazamientos normales nulos en uno de los extremos, y para representar el estado de tensión de recipiente a presión se aplica una presión longitudinal de 60 MPa en el otro extremo, como se muestra en la Figura 3.
La carga aplicada es la referida a la presión de diseño, la cual es superior a la de operaciones del equipo. Esto da un rango de seguridad importante al momento de hacer os modelos. El valor es de 150 psig,equivalente a 10 MPa, aplicada a toda la parte interna del equipo (ver Figura 3).
Por otro lado,la
temperatura de diseño de equipos y sistemas
de tuberías se define,generalmente,como
la temperatura correspondiente a la más
severa condición de temperatura y presión coincidentesa
la que va a estar sujeto el sistema[12]. La temperatura de diseño se toma de
79°C;esta variable se aplica
a toda la geometría, como representación del contacto entre
el flujo degas y la parte interna del equipo.
2.5.
Mallado
Se realizan pruebas de independencia de malla para garantizar la convergencia de la solución al rango asintótico de la variable solución del problema de elementos finitos. La Figura 4 muestra el mallado del recipiente con interno utilizando elementos hexagonales cuadráticos. En la Tabla 1 se muestran los valores obtenidos para la malla seleccionada de 1887 elementos y 41.538 grados de libertad. Adicionalmente, se verificó que el índice de skewness estuviera por debajo del límite admisible de 0,95.
Tabla 1. Convergencia para el mallado.
donde σ𝑖 , 𝑖 = 1:
3 representan los esfuerzos principales, y están relacionado con el cortante
máximo
La Figura 5 presenta los isocontornos de la intensidad de esfuerzos en el interno (half flange), los
rangos de esta variable van desde 25 MPa (valor
mínimo) a 137,5 MPa (valor máximo), para un 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 68,75 MPa.
Los isocontornos
muestran que la mayor intensidad del esfuerzo está localizada en los orificios,
hacia el centro del interno, y el valor mínimo está hacia la parte exterior del
interno que lo une con el recipiente. Los puntos donde los esfuerzos son más
altos serán los puntos críticos en los cuales probablemente se iniciará la
falla por fluencia. Dado que la intensidad del esfuerzo es un esfuerzo normal
equivalente, se verifica que 𝜎𝐼 = 137.5 MPa
es menor, pero muy cercano al esfuerzo admisible del SA-516 Gr. 70, el cual es 𝜎𝑎𝑑𝑚= 138 MPa [14]. La caída de presión Δ𝑃 causada por la placa con agujeros en la tubería puede ser expresada
como: donde 𝜌 es
la densidad del fluido, 𝐷 es el diámetro de la tubería, 𝑑
relaciona el diámetro de los agujeros y 𝑉 es
la velocidad del fluido. La variación de presión Δ𝑃,
determinada por las condiciones de operación, tiene un impacto en la
solicitación mecánica del interno. En la Tabla 2 se observa la variación en la
intensidad del esfuerzo causada por una caída de presión Δ𝑃. Se observa que, para las dimensiones especificadas, la intensidad
de los esfuerzos se acerca al esfuerzo admisible de diseño para caídas de
presión muy bajas. Asimismo, para Δ𝑃 = 1,5 MPa la intensidad de esfuerzo se acerca al límite de
fluencia del material, siendo una condición crítica. Con base en la aproximación obtenida por
medio del modelo de elementos finitos, se tiene que el valor del esfuerzo es de
137,5 MPa (valor máximo), el cual se encuentra por
debajo del límite de fluencia del material 𝑆𝑦 = 262 MPa,
y cercano al esfuerzo admisible de 𝜎𝑎𝑑𝑚= 138 MPa. Se observa una relación lineal
entre la caída de presión y la intensidad del esfuerzo en el interno,
alcanzando una condición crítica para valores de Δ𝑃 =
1.5 MPa. La mayor intensidad del esfuerzo está
localizada hacia el interior, en los orificios centrales, para lo cual se
recomienda realizar un tratamiento térmico para suavizar tensiones o aplicar un
refuerzo (reinforcing pad)
alrededor del mismo. Al proyecto Capital Semilla-1742; a la VIE;
a la Universidad Industrial de Santander, y al
Ing., M. Sc. Pedro Viggiani, por su revisión de
algunos aspectos de este articulo. [1]
PDVSA, “Memoria descriptiva, A1C0041402EF0D3-GD33001,”
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[3]
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comportamiento de una turbina hidrocinética tipo darrieus; consideraciones de diseño,” Respuestas,
vol. 23, no. 1, pp. 14–18, Jul. 2018. doi:10.22463/0122820X.1492. [4]
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finitos con mallas poligonales,” Rev. UIS Ing., vol. 16, no. 1, pp.
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[5]
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[7]
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4. Conclusiones
Agradecimientos
Referencias