Análisis Mediante Elementos Finitos de Cruces y Ramas de Piping de Presión

Abstract

En el diseño de elementos de piping especiales, como elementos con ramificaciones o cruces, las normas correspondientes ASME B31.3 y B31.11, proponen un procedimiento llamado método de las áreas equivalentes. En la literatura no se encuentra directamente la justificación de este método, el cual se ve completamente razonable. Sin embargo cuando el diámetro de los elementos que se intersectan, cambian, la porción de pared restante tiene un comportamiento mecánico diferente. En este escenario el estudio de un caso particular sorprendió dado que el método de elementos finitos predecía, a geometrías similares, tensiones superiores a la de fluencia.

El objetivo principal de este trabajo es evaluar detalladamente este tipo de situaciones, realizando un estudio comparativo del comportamiento elasto-plástico de las ramas y cruces en un sistema de piping con respecto al procedimiento que indica la norma ASME, para casos de refuerzos extruidos y soldados. Con esto se busca evaluar el efecto que produce una condición de deformación plástica localizada en la redistribución de tensiones locales, en especial ver el efecto y magnitud que tienen las deformaciones locales en la estructura.

Los resultados obtenidos utilizando el método de elementos finitos (cálculo aceptado por la norma) muestran que, en todos los casos, existen zonas críticas en la parte superior e inferior de la intersección de las líneas de piping. En estas zonas se sobrepasa el esfuerzo admisible y el límite de fluencia del material (pero siempre bajo el límite de ruptura), abarcando una porción importante de esta intersección. Los casos extruidos presentan menores niveles de esfuerzos que en los casos soldados. Se obtuvo que la porción de pared restante en la línea principal, luego de la perforación, genera mayores tensiones con el aumento de diámetro del arranque producto de la mayor flexibilidad de esta pared.

Se concluye que es razonable entender por qué se ha tenido un buen funcionamiento de la metodología ASME, a pesar de haberse detectado tensiones locales que exceden los valores admisibles. Esto se explica por tener tensiones bajo del límite de ruptura y por la buena capacidad de redistribución de la energía de deformación en las zonas críticas ante incrementos de presión. Se recomienda realizar un estudio detallado utilizando el método de elementos finitos para casos de relaciones de diámetros superiores a 90%. Para los casos soldados, se recomienda preferir aquellos refuerzos que contemplan además un refuerzo en zona del arranque. Para una mejor modelación, es importante tener en cuenta las deformaciones residuales generadas en la fabricación de los sistemas extruidos.