Relación entre Integridad Mecánica y Selección Incorrecta de Materiales

La especificación y selección correcta de Materiales Mecánicos tiene mucha importancia para mantener la Integridad Mecánica de las Instalaciones Petroleras y Petroquimicas.

La Especificación y Selección erróneas de los Materiales Mecánicos puede traer como consecuencia la reducción de la vida útil de las líneas de tubería y pueden ocasionar la descarga al ambiente de sustancias peligrosas, nocivas para los humanos, flora y fauna, e inclusive fuentes potenciales de incendios y explosiones.

Estos errores pueden ocurrir en diferentes etapas de la vida de un material:

1. Errores durante la fase de Ingeniería, dando como resultado especificación no correctas de los materiales mecánicos para las condiciones de servicio.
2. Errores durante fase de compra de los materiales (Procura), en donde un proveedor puede ofrecer algún material  que no cumple con las especificaciones requeridas según diseño, ya sea por desconocimiento, costo y estas pueden ser aceptadas por el departamento de Procura, Ingeniería o Mantenimiento.
3. Errores durante el Almacenamiento y manejo de los materiales, tales como error en la codificación del material. Un material mal codificado, por ejemplo en SAP, puede dar como resultado el uso inadecuado en una Instalación Petrolera o Petroquimica. Por ejemplo inluir un niple con costura en una ubicación técnica en el almacen de un niple que se requiere sea sin costura.
4. Errores durante la instalación, ya sea durante la Construcción o durante el Mantenimiento, con la instalación por error de materiales mecánicos que no cumplen con las especificaciones del diseño.

 

Los errores pueden ser como:

1. Tuberías y otros accesorios de espesor menor a la requerida, dando como resultado que no pueden soportar las presiones y temperaturas que se manejan, o que el tiempo de vida útil se reduzca considerablemente al no resistir las velocidades de corrosión determinadas por diseño. Como por ejemplo el uso de tubería Schedule 40 en vez de Sch 80 requerido.
2. Especificar, seleccionar o aceptar materiales diferentes al requerido, tal como usar un niple con costura en donde debería ser sin costura, el uso de niple sin recubrimiento donde se requiere galvanizado.
3. Bridas y accesorios de un rating menor al especificado en el diseño, los cuales no van a soportar las presiones y temperaturas que se manejan.
4. Sustituciones erradas de materiales, tanto por tipo de material, como de Schedule o rating. Este puede ser por ejemplo el uso de Bridas Slip-on en vez de Wedilg neck. Tambien el uso de accesorios roscados en vez de Socket Weld (SW).

El resultado final puede ser la falla del material instalado erróneamente en una Instalación Petrolera o Petroquimica, ocasionando la emisión al ambiente de sustancias peligrosas, ya sea nocivas a los seres unamos, fauna y flora, como corrosivas o explosivas que puede generar perdidas de vida y daños de las Instalaciones.

Curso de Materiales Mecánicos para la Industria Petrolera y Petroquimica

A continuación les presento el Curso de Materiales Mecánicos dirigido a la Industria Petrolera y Petroquimica.

Selección y Cálculo de Empacaduras

La mayoría de los materiales mecánicos están especificados en el Piping Class, y es referencia obligada y mandatario para otros componentes o elementos de una Instalación Petrolera y Petroquimica. En el caso de componentes, como, válvulas de control, válvulas de alivio (PSV), entre otros, se debe usar el piping class para especificar sus características, tales como, material del cuerpo, material del trim, rating de las bridas, y otras.

En el caso de las empacaduras (gasket), cada unas de las clases tienen especificados el tipo de empacadura que se debe usar, y establecen los límites de presión y temperatura en que se pueden y deben ser usadas.

Una empacadura es el elemento sellante de un conjunto bridado. Un conjunto bridado esta formado, al menos por, dos bridas, una empacadura y los esparragos o pernos. También puede incluir un ciego figura una placa orificio, un drip ring. La función de los esparragos es la de mantener apretadas las dos bridas en el conjunto.

Para describir una empacadura se requiere especificar lo siguiente:

1. Tipo de empacadura: Puede ser No metálica, espirometalica, enchaquetada, .....

Tomado del Manual de Criterios de Diseño de Flexitallic.


2. Material de la empacadura. Teflon, grafito, 304, .......
En el caso de las empacaduras No-metálicas, tales como las Garlock serie 3000 (www.garlock.com), el material de la misma puede ser Nitrilo (300), SBR (3200/3400), Neopreno (3300), EPDM (3700).




Cada una de ellas esta limitada a ciertos fluidos y condiciones de temperatura y presión.



3. Rating, La misma de las bridas.150#, 300#,...

4. Norma de fabricación o dimensionamiento, que igualmente corresponde a las bridas. ANSI B16.5 ...

5. Diámetro. Es el mismo de las bridas y de la tubería.2", 6", 10",...

6. Espesor de la empacadura. 1/8", ....

7. Tipo de Cara de la Brida, en donde va a estar instalada.

Tomado del Manual de Criterios de Diseño de Flexitallic.

Todas estas características están especificadas en el piping class, y es de uso obligado en cualquier componente o elemento de una Instalación Petrolera o Petroquimica, a menos que exista una especificación con un requerimiento superior.

Una empacadura puede ser de tipo plana, no metálica, espirometalica (spiral wound) o enchaquetada. Cada una de las nombradas anteriormente pueden tener resistencias similares a la presión y temperatura, pero su diseño particular les da una resistencia adicional que las hacen de dimensiones diferentes.

Lo anteriormente significa que una empacadura plana, no metálica es mas ancha que una espirometalica y a su vez una enchaquetada es menos ancha que una espirometalica.

Esto es muy útil para grades diámetros de la brida, y presiones altas, como es el caso de las bridas en equipos, en donde comúnmente se usan empacaduras enchaquetadas, las cuales ademas de resistir grandes presiones y temperatura, el ancho requerido de las bridas es mas pequeño, y por ende, el asiento de la empacadura en las bridas también lo es, reduciendo significativamente los costos de fabricación del recipiente y aumentando la seguridad en el proceso.

Es extremadamente importante considerar, que se puede sustituir una empacadura espirometalica por una enchaquetada, o una plana no metálica por una espirometalica, pero no se debe hacer estas sustituciones en sentido inverso.  Esto es porque una empacadura enchaquetada es menos ancha porque necesita menor superficie de contacto con la brida, y  es posible que la brida diseñada para la empacadura enchaquetada, sea menos ancha que la requerida para una espirometalica, o una empacadura no metálica. Tambien hay que considerar que las empacaduras estan fabricadas para un tipo de asiento (Cara) en la brida, ya sea cara plana (FF), cara realzada (RF), RTJ, macho hembra y otras.

Para describir correctamente una empacadura, se debe conocer su diseño particular, dependiendo del tipo de empacadura.

Por ejemplo,

1. Una empacadura no metálica puede ser:

- Full Face (FF) o cara completa. Esto significa que la empacadura abarca los agujeros de la brida por donde pasan los esparragos.
- Raise Face (RF). Es cuando la empacadura coincide con el tamaño interno del raise face de la brida y el diámetro externo llega hasta los esparragos.




2. Materiales:
- Si es una empacadura no metálica, el material es uniforme en toda la empacadura. Ver www.garlock.com.

- Si es una empacadura espirometalica, se debe especificar el material del anillo interno, el material de relleno (grafito, teflon ...), el material del enrollado (spiral) y el material del anillo externo ( si no se indica es acero al carbono). Ver www.flexitallic.com.

- Si es una empacadura enchaquetada, se debe especificar la chaqueta metálica y el relleno.

3. Rating. Corresponde al rating de la Brida en donde va a ser instalada.

4. Espesor.

5. Dimensiones.
Se debe especificar el diámetro de la brida y la norma de dimensionamiento.

El método de calculo del ancho de una empacadura, para la presión y temperatura requerida por el proceso, esta descrito en las normas de fabricación de las bridas y esta muy bien explicado en los manuales de los fabricantes de empacaduras, tales como Flexitallic (http://www.flexitallic.com/), Garlock (http://www.garlock.com/es/) entre muchos.

 Tomado del Manual de Criterios de Diseño del Fabricante Flexitallic, tenemos lo siguiente:

Cada tipo de empacadura por su diseño, tiene una costante partícular de "Y" y "M", como lo indica la siguiente tabla.

 

 El significado de las constantes "m" y "Y", para cada tipo de empacadura es como sigue:

Y por último, la formula para el calculo del ancho de asiento de la empacadura en la brida, tomando en cuenta la configuración del conjunto bridado es como sigue:











    

Tipos de Materiales Usados en la Industria Petrolera y Petroquimica

Los Componentes o Materiales Mecánicos comúnmente usados en la construcción de Instalaciones Petroleras y Petroquimicas son los siguientes:

1. Tuberías

Las tuberías usadas en la fabricación de líneas de Proceso para las Plantas Petroleras y Petroquimicas son determinadas por la Norma ASME B31.3.

Para seleccionar una Tubería para una línea de Proceso se requiere determinar el Material de Fabricación, la resistencia a la Presión y Temperatura y sus Dimensiones.

El material de Fabricación se especifica de acuerdo a la Norma Internacional mas usada como el ASTM. De acuerdo a la Norma ASTM, el material de Fabricación de una tubería de acero al carbono puede ser ASTM A-106 Gr B, A-53 Gr B, etc. Esta Norma determina la composición química de la tubería y sus propiedades mecánicas.

La resistencia a la presión y temperatura se especifica mediante el "SCHEDULE" (SCH). El schedule o cédula de la tubería determina su espesor.

Las Dimensiones de la tubería, como diámetro externo, diámetro interno espesor, etc, está determinado, por ejemplo, por las Normas ANSI/ASME.

Un ejemplo de la especificación de una Tubería para una línea de Proceso puede ser:

Tubería de diam. 2", SCH 80, ASTM A-106-B, ANSI B36.10

2. Bridas

Los tipos de bridas normalmente utilizados son:

- Bridas de Cuello para soldar o Welding Neck (WN)

- Bridas Slip-on o deslizante

- Bridas Lap-joint o brida loca

- Bridas Ring-joint o RTJ

- Bridas Roscadas o Socket well (Enchufe)

En todos los tipos de bridas el material normalmente se rige por la Norma ASTM (ejem ASTM A-105), el dimensionamiento se rige por la Norma ASME/ANSI (ejem ANSI B16.5) y la capacidad se designa por su rating ( 150, 300, 600, 900, etc) y por último se debe especificar el tipo de cara como lo es Raise Face RF, Cara Plana o Flat Face, Ring Joint (RTJ), etc.

Un ejemplo de especificación de Brida es como sigue:

Brida WN Diam 2" RF SCH 80, A-105, B16.5 sin costura

3. Empacaduras

Las empacaduras, son los elementos que sirven para asegurar el sellado de un conjunto bridado, o sea, entre dos bridas.

Las empacaduras pueden ser:

- Empacaduras No-Metálica, tales como las de asbesto, teflon, neopreno, etc. Como las del fabricante Gralock (Blue-Gard), Mamusa, etc.

- Espirometalica o Spiral Wound, tales como las de la marca Flexitallic

- Anillos metálico o RTJ.

- Empacaduras enchaquetadas

La empacaduras se especifican, ademas del tipo y diámetro, con el rating de presión (la misma de la brida), el material y la norma de dimensionamiento, como el API 601 para las espirometalica, y el ANSI B16.21 para las no metálicas.

4. Accesorios de Tubería.

Llamamos accesorios de tubería a todos los elementos que se requiere para completar una linea de tubería de proceso. Estos son:

- Codos. Los codos pueden ser de 90o, 45o, 180o, de radio corto (r=D), radio largo (r= 1.5D), o Bend (curvas) de r= 3D o r=5D. 

- Tee. Pueden ser tee recta o tee reducidas.

- Reducciones. Pueden ser Concentricas o Excentricas

- Derivaciones o Branch connections. Estas derivaciones pueden ser Weldolet, Latrolet, Nipolet, sockolet, etc.

Los accesorios pueden ser para soldar a tope o Butt weld, Socket weld o enchufe, roscados.

En el caso de ser para soldadura a tope, se debe especificar el Schedule (ejem Sch 80) y si son roscados o socket weld se debe especificar el rating como 3000#, 6000#.