Soportes de tuberías: desafíos y soluciones

Nov 05, 2023

1 de octubre de 2020 | Por Scott Feller, AMG Inc.

Los soportes de tuberías en las plantas de procesos industriales suelen ser más complicados de lo que comúnmente se piensa. Aquí se presentan algunos de los desafíos que pueden surgir y cómo abordarlos.

En un nivel, el tema de los soportes de tuberías parece que debería ser simple: soportar la tubería. Y a veces es así de simple, pero la mayoría de las veces no lo es. En las plantas de procesamiento industrial, independientemente del proceso o la utilidad, hay una gran cantidad de consideraciones cuando se trata de soportes para tuberías. Es necesario abordar cuestiones tales como el tramo máximo permitido para la tensión, la deflexión, la vibración, los armónicos y el crecimiento térmico, así como la interacción entre la tubería, sus soportes y las estructuras que soportan esos soportes. ¿Qué sucede cuando las tuberías de varios materiales de construcción, con diferentes esfuerzos admisibles y operando a diferentes temperaturas comparten una rejilla de tubería común? Cuando estas condiciones se consideran detenidamente, los soportes de tubería adecuados pueden volverse más complicados.

Este artículo analiza varios desafíos de soporte de tuberías y algunas formas de superar esos desafíos. También señalará ejemplos de soportes que son ineficaces en la forma en que se utilizan o que son mucho más costosos de instalar de lo que sería un enfoque más simple.

Las situaciones que involucran la expansión y contracción térmica de las tuberías son muy comunes en los sistemas de vapor y condensado, aplicaciones criogénicas y de agua enfriada, y en muchos otros sistemas de tuberías de proceso. Estos tramos de tubería pueden presentar múltiples desafíos, incluidas altas cargas de anclaje, cargas de boquilla en el equipo, geometría del bucle de expansión o selección y colocación de juntas de expansión. El truco consiste en elegir sabiamente los puntos de anclaje. A menudo, es necesario crear anclajes cerca (dentro de los 20 pies aproximadamente) de los equipos de conexión, como tanques o bombas, para que la expansión o contracción térmica entre el anclaje y el equipo pueda minimizarse y controlarse más fácilmente con soportes, flexibles Patas, articulaciones flexibles, muelles, etc. Los tramos más largos entre estos anclajes de los extremos pueden ser un desafío, especialmente en bastidores de tuberías congestionados. Si son necesarios bucles de expansión, pueden bloquear el enrutamiento de líneas adyacentes. El uso de un circuito ascendente puede resolver ese problema, pero también puede evitar el drenaje de la tubería, requerir trampas de vapor adicionales o interferir con otras tuberías, ductos o tendidos eléctricos por encima. Las juntas de expansión lineales o axiales pueden ser una opción, pero se debe tener cuidado para abordar el empuje inducido por la presión que podría ocurrir. Las juntas de expansión de presión equilibrada (o compensada) son una buena opción, pero pueden ser costosas. Idealmente, si el recorrido de la tubería tiene cambios de dirección, se pueden utilizar como patas flexibles para permitir el crecimiento o la contracción, como se ilustra en la Figura 1. La distancia de expansión o contracción debe determinarse para espaciar correctamente las tuberías adyacentes.

Figura 1. Los tramos largos de tubería pueden complicarse debido a la expansión y contracción térmica, y se deben determinar las distancias

Los equipos de proceso, en particular los dispositivos con componentes giratorios, como bombas y compresores, son sensibles a las fuerzas aplicadas por las tuberías. La reducción de la vida útil de los sellos y el desgaste prematuro de los cojinetes pueden resultar de las grandes fuerzas aplicadas a las boquillas. Los tanques atmosféricos y los recipientes a presión también tienen límites de carga. Las cargas debidas a la gravedad de las tuberías de diámetro pequeño generalmente no son una preocupación importante, pero las cargas inducidas por la expansión térmica pueden ser enormes. Existen varias estrategias para reducir estas cargas en las boquillas:

1. Cree cambios de dirección en el diseño de tuberías para permitir flexibilidad y reducir fuerzas

2. Considere diseñar resortes fríos en la tubería durante la instalación

3. Evaluar el uso de perchas o soportes de resorte para reducir las cargas térmicas y de gravedad en diferentes casos de carga

4. Considere el montaje flexible del equipo de proceso. A menudo, se pueden producir grandes fuerzas en la succión de una bomba, por ejemplo, cuando se conecta directamente a un tanque con un tramo recto de tubería. Si bien el crecimiento o contracción térmica del segmento de tubería puede ser solo una pequeña fracción de pulgada, la fuerza requerida para resistir la fuerza generada por la expansión puede ser de decenas de miles de libras. Permitir que la bomba flote 1/16 de pulgada puede reducir la reacción a un nivel insignificante. Esto se puede lograr montando la bomba en soportes de resorte, en una base deslizante o en varillas roscadas, lo que les permite doblarse.

5. Las juntas de expansión/flexibles son una opción para reducir las cargas en las boquillas del equipo. Desafortunadamente, a menudo se aplican incorrectamente. Debido a las fuerzas de empuje de presión creadas por la junta, es muy poco probable que una junta flexible de tipo fuelle recto destinada a permitir la compresión axial resuelva las fuerzas en el ejemplo anterior de succión de la bomba, a menos que la presión máxima que experimentará el sistema (que es normalmente la presión de prueba) es muy baja. Sin embargo, estos tipos de juntas pueden ser muy beneficiosas en una configuración de desplazamiento lateral, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Las juntas de expansión pueden reducir las cargas en las boquillas de los equipos

A veces, las limitaciones de espacio pueden complicar los soportes cerca del equipo y es necesario encontrar soluciones listas para usar. Las imágenes en la Figura 3 muestran soportes en las succiones de la bomba en un sistema de aceite caliente, donde la tubería necesitaba ser controlada tanto lateral como verticalmente, pero también necesitaba libertad para crecer alejándose de la succión de la bomba.

Figura 3. Los soportes de tubería pueden permitir el control lateral y vertical, al mismo tiempo que permiten la libertad de crecimiento

Los anclajes son componentes críticos en cualquier sistema de tuberías grande y están destinados a resistir el movimiento de todas las fuerzas en todas las direcciones. Establecen los límites y las condiciones de control para todos los demás análisis de esfuerzos y soportes de tuberías. Los anclajes son interesantes porque no solo están diseñados para soportar cargas aplicadas, como colgadores y guías. En su lugar, necesitan ser evaluados por rigidez o rigidez. Por ejemplo, si se fija un anclaje al ala superior de una viga de ala ancha, la rigidez de ese anclaje es cuestionable. La flexión débil del eje y la inestabilidad torsional de la viga pueden reducir la eficacia del anclaje. Si el anclaje no es relativamente rígido, todos los demás cálculos de tensión y desplazamiento basados ​​en la ubicación del anclaje pueden cuestionarse. Al diseñar un anclaje, es fundamental que el anclaje y la estructura que lo soporta se evalúen juntos para garantizar que interactúen juntos para lograr el rendimiento deseado.

Las guías se aplican para permitir el movimiento axial, generalmente debido a la expansión o contracción térmica, y para restringir el movimiento lateral debido a las cargas del viento, las vibraciones de la planta o incluso las fuerzas sísmicas. Cuando una tubería corre a lo largo de un soporte para tuberías con vigas de soporte regularmente espaciadas, la selección y evaluación de las guías es simple. Para estas situaciones, existen muchas guías listas para usar de los fabricantes de tuberías. La selección de guías para algunas otras condiciones puede ser más desafiante, por ejemplo, una tubería que se extiende a unos pocos pies por debajo del acero del techo o verticalmente a un par de pies del acero estructural. En estos casos, una guía de catálogo lista para usar probablemente no funcionará sin incurrir en costos significativos en acero estructural adicional. Una solución de bajo costo para ejemplos como estos es usar abrazaderas de tubería y abrazaderas de hierro en ángulo o varillas roscadas y tensores para crear miembros de dos fuerzas que brinden soporte en dos direcciones, pero permitan el movimiento axial a través de la ligera flexión de los dos. miembros de fuerza (Figuras 4 y 5).

Figura 4 (izquierda). Las abrazaderas y abrazaderas para tuberías pueden brindar soporte en dos direcciones, al mismo tiempo que permiten el movimiento axialFigura 5 (derecha). El movimiento axial puede ocurrir a través de la ligera flexión de las guías de dos fuerzas.

Las correderas se aplican en instancias muy similares a las guías y, por lo general, se usan juntas en aplicaciones de expansión y contracción térmica. Los toboganes brindan soporte en una dirección (generalmente perpendicular a la tubería), lo más común es que soporten una tubería horizontal desde abajo. Al igual que las guías en un bastidor de tuberías con vigas espaciadas regularmente, las guías se pueden seleccionar de manera sencilla y hay muchas guías disponibles listas para usar. Por lo general, se seleccionan para permitir dos grados de libertad, generalmente lateral y axial. Pero una vez más, en los casos en que no haya un nivel de encuadre uniforme para soportar las diapositivas, se deben investigar las alternativas. En muchos casos, se puede usar un colgador de horquilla simple, siempre que la varilla del colgador sea larga en comparación con el desplazamiento esperado de la tubería.

Adoptar un enfoque práctico para los soportes de tuberías puede simplificar el diseño del sistema de soporte y, por lo general, puede hacer que los soportes sean menos costosos. Los siguientes son algunos ejemplos de apoyos no tan prácticos, junto con una breve explicación de por qué no son prácticos y una mejor alternativa al ejemplo.

Poste alto con tobogán de tubería, guía o anclaje en la parte superior. Es probable que un poste alto experimente una deflexión relativamente grande en la parte superior, dependiendo de las propiedades de la sección del poste, e incluso con un portaobjetos o guía de politetrafluoroetileno (PTFE; teflón) o de polímero de ultra alto peso molecular (UHMW), no sigue siendo una fuerza de fricción que se aplicará al poste (Figura 6).

Figura 6. Es probable que un poste alto con un tobogán, una guía o un ancla para tubería en la parte superior experimente una deflexión relativamente grande en la parte superior

El enfoque práctico es evaluar el desplazamiento esperado que requirió el deslizamiento o la guía, y verificar si el poste y su fijación inferior (anclajes de soldadura o placa base) pueden tolerar esa deflexión y momento de flexión. Si es posible, es probable que no se necesite la corredera o la guía, y un simple perno en U podría ser suficiente (Figura 7).

Figura 7. Si el poste puede tolerar la flexión, entonces una abrazadera de perno en U puede funcionar como soporte de tubería

En el caso de un anclaje en un poste alto, se debe evaluar la rigidez del poste para asegurarse de que la desviación resultante no genere problemas en el resto del sistema de tuberías. Y nuevamente, un perno en U puede transferir toda la carga que puede manejar el poste. La estabilidad al pandeo del apoyo debe tenerse en cuenta en todos los casos, pero especialmente si el poste no es un miembro de sección cerrada.

Poste alto con un voladizo y un tobogán, guía o anclaje para tubería. Este caso es muy similar al que se acaba de describir, y se ve comúnmente en áreas de plantas ampliadas o modernizadas. Los principios son los mismos, pero con la torsión del poste añadida (Figura 8).

Figura 8. Una preocupación que rodea los postes altos con voladizos involucra la torsión del poste

Es probable que el soporte sea lo suficientemente flexible como para que no se necesiten deslizadores o guías, y esto se puede probar fácilmente comparando el desplazamiento esperado de la tubería con la deflexión resultante de la fuerza de fricción calculada del deslizador/guía. Si la fuerza de fricción es suficiente para desviar el soporte en un grado igual o mayor que el desplazamiento anticipado de la tubería, entonces no se necesitará la corredera o la guía, porque el soporte se doblará antes de que la corredera o la guía comiencen a moverse. Nuevamente, se debe tener en cuenta la estabilidad de pandeo del soporte, especialmente si el poste no es un miembro de sección cerrada.

Colgador de varilla roscada larga y rodillo de tubo ajustable. Este es otro caso que se ve comúnmente, y como en el caso del poste alto, la rigidez de la barra roscada probablemente no sea suficiente para brindar la resistencia necesaria para hacer que el rodillo ruede, por lo que el rodillo solo actuará como un costoso colgador de horquilla (Figura 9).

Figura 9. La rigidez de un colgador de varilla, como el que se muestra aquí, probablemente no proporcionará la resistencia para que el rodillo ruede.

El diseño y la ingeniería de soportes de tuberías, como todas las demás áreas de ingeniería en una planta industrial, pueden ser un desafío. Con un poco de comprensión de las diversas situaciones, y al no recurrir siempre a una solución lista para usar, el diseño a menudo se puede hacer más simple, más confiable, menos costoso y más fácil de instalar.

Editado por Scott Jenkins

Scott Feller es el vicepresidente ejecutivo de operaciones de AMG, Inc. (1497 Shoup Mill Rd, Dayton, OH, 45414; teléfono: 937-260-4630; correo electrónico: [email protected]). AMG, Inc. es una firma de consultoría de ingeniería de servicio completo que ofrece una amplia gama de servicios de soporte de diseño y construcción para diversos segmentos de procesamiento químico y de la industria pesada relacionada.