Diseño De Una Tubería Para Transporte De Hidrocarburos

Universidad Nacional de Córdoba Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales Escuela de Ingeniería Química

Materiales de la Industria Química – Trabajo Integrador

Grupo: Quintero, Alejandro Ratti, Misael Scortechini, Julián Córdoba, Octubre 2012

Objetivos
Diseñar un tubo para conducción de fluido, conformado a partir de fibras de refuerzo y matriz polimérica.

Requisitos
    Apto para conducción de hidrocarburos. Presión de trabajo: hasta 7atm. Diámetro interno: 12pulg. Matriz: polimérica. Refuerzo: fibra.

Especificaciones
1. Materiales utilizados, propiedades físicas y químicas relevantes. 2. Dimensiones de la pieza terminada, propiedades, cálculo de la resistencia a las cargas estáticas debidas a la presión de trabajo, factores de seguridad aplicados. 3.Dimensiones de la pieza si se hubiera construido con aleación Hastelloy-C22, comparación de pesos y costos de ambas piezas, propiedades físicas y químicas importantes de la aleación.

Desarrollo
A continuación se muestra un croquis de la pieza donde se indican sus dimensiones principales.

Figura 1. Esquema del tubo y dimensiones

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Materiales y propiedades
La siguiente tabla resume laspropiedades de interés de los materiales considerados para la construcción de la pieza.

Tabla 1: Materiales considerados y propiedades relevantes Resistenci a a la tracción (MPa) 55 47 25 62 50 47 65 3448 Módulo Límite de Elástico elasticidad (MPa) (Gpa) 54 46 15 69 28 38 65 ? 2,7 2,4 0,5 2,9 2,25 3,1 2,3 72 Cp (kJ/kg K) 2,3 2 2,2 1,46 2 1,7 1,1 0,81

Material

Resistenci a

química

C(US$/lb)

Densidad (kg/m3) 1315 1115 938 1170 1070 1305 1310 2570

106 α (K-1) 83 107 27 95 105 50 77 5

k (W/mK) 0,2 0,158 0,35 0,22 0,12 ? 0,2 1,3

PET ABS PEDM Polimetilmet acrilato PP PVC Policarbonat o Vidrio

Buena Mala Buena ? Buena Buena Mala Buena

1,06 13,84 11,3 3,25 2,58 15,12 7,47 2,2

Carbono HastelloyC22

Buena Excele nte

30

1810

5650

?

290

-0,75

150,787

2,5

8690

765

359

206

12,4

10,1

0,414

Selección de materiales
Con base en la información anterior, consideramos como candidatos para:   La matriz: PET, Polietileno, Polipropileno, PVC y Hastelloy-C22. Para las fibras: Vidrio o Carbono.

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

Materiales compuestos: PET-fibra de vidrio, Polietileno-fibra de vidrio, Polipropileno-fibra de vidrio,PVC-fibra de vidrio, PET-fibra de carbono, Polietileno-fibra de carbono, Polipropileno-fibra de carbono, PVC-fibra de carbono.

Cálculo de cargas estáticas
Las tensiones a las que estará sometido el tubo son de tracción y debidas a un esfuerzo normal circunferencial y también uno longitudinal.

Figura 2. Tipo de tensiones estáticas que actúan sobre la pieza. El caso de un tubo se reduce al de unanillo constituido por un tramo de largo unitario (o sea que consideraremos L= 1m y todos los resultados serán por unidad de longitud). Si las fuerzas que actúan sobre el tubo están distribuidas radialmente y de modo uniforme a lo largo de la circunferencia, ellas provocan una dilatación uniforme del tubo. Efectuando un balance de fuerzas se obtiene que:

Donde S1 es la fuerza de tracción, p lapresión radial por unidad de longitud (o sea suponemos que L= 1m) y r es el radio interno del tubo. En el caso de un tubo de espesor e (o t) sometido a la presión interior p, la sección que resiste este esfuerzo vale 1*e= e. Si el tubo es delgado, lo que significa que e es pequeño frente a r, podemos admitir que las tensiones circunferenciales se reparten uniformemente sobre el espesor del tubo yentonces:

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La presión p también provoca un fuerza p*π*r2 que producirá una tensión de tracción en todo el contorno de la tubería y en sentido longitudinal. Ésta se obtiene dividiendo la fuerza por la superficie sobre la que actúa (2π*r*e), entonces resulta:

Entonces la mayor tensión que el material debe soportar es la circunferencial, si tolera ésta última también resistirá la tensión...