Analisis-de-esfuerzos-de-origen-termico-y-mecanico--a-una-tuberia-de-transporte-de-vapor

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
 
 “Análisis de esfuerzos de origen térmico y 
mecánico, a una tubería de transporte de vapor 
de una planta de procesos, con modelado por 
elementos finitos” 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: 
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA 
MECÁNICA 
 
PRESENTA: 
ING. DANIEL RAMÓN LÓPEZ LIÉVANO 
 
 
DIRECTORES: 
DR. LUIS HÉCTOR HERNÁNDEZ GÓMEZ 
DR. JUAN ALFONSO BELTRÁN FERNÁNDEZ 
 
MÉXICO, D.F. JULIO 2012 
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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DEDICATORIAS 
 
 
A mis padres Rosa Aurora y Aquilino: 
“Sabiendo que no existirá una forma de agradecer una vida de sacrificio y esfuerzo, quiero que sientan 
que el logro mío, también es de ustedes, y que la fuerza que me ayudó a conseguirlo fue su apoyo”. 
 
 
A mis hermanos César, Ignacio y Adolfo: 
Porque han creído en mi, por que siempre me han dado todo su apoyo y porque son el mejor regalo que 
me han dado mis padres. 
 
A mis cuñadas Cecilia y Yaned: 
Quienes son parte importante en mi familia y de quienes siempre he recibido bendiciones y buenos 
deseos 
 
A mi novia Edith: 
Por su valioso apoyo, sin el cual no habría sido posible lograr esta meta. Por la paciencia que ha tenido 
y la cual sabré recompensar con amor incondicional. Por demostrarme siempre su cariño y lo 
importante que soy para ella. 
 
 
 Con especial dedicatoria, a mi Madre: 
Quien me ha heredado el tesoro más valioso que puede dársele a un hijo: Amor. Quien sin escatimar 
esfuerzo alguno, ha sacrificado gran parte de su vida para formarme y educarme. Para quien la ilusión 
de su vida ha sido convertirme en persona de provecho. A quien nunca podré pagar todos sus desvelos, 
ni aún con las riquezas más grandes del mundo. 
Por esto y más… Gracias Rosa Aurora. 
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AGRADECIMIENTOS 
 
 
A mis sinodales: 
 
Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón 
Dr. José Ángel Ortega Herrera 
Dr. Luis Héctor Hernández Gómez 
Dr. Juan Alfonso Beltrán Fernández 
Dr. Carlos Torres Torres 
Dra. Esther Lugo González 
 
Por su apoyo y actitud siempre a favor de la superación personal de quienes así 
lo desean. Por ser amigos antes que profesores. 
 
 
 
Con especial agradecimiento al Dr. 
Luis Héctor Hernández Gómez: 
 
Como un testimonio de gratitud y eterno reconocimiento, por el apoyo y sobre 
todo por la confianza que depositó en mí, con los cuales he logrado terminar mis 
estudios de maestría, siendo para mí, la mejor de las herencias. 
 
 
 
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RESUMEN. 
 
En el presente trabajo de tesis se realiza un análisis estático para evaluar los esfuerzos que 
se presenta en un sistema de tuberías por la acción de diversos tipos de cargas. El sistema 
que se evalúa esta conformado por tuberías de diversos diámetros y espesores que 
transportan vapor a 260 °c a una presión de 2746.46 kPa. Las cargas que se toman en 
cuenta para el análisis son clasificadas en dos tipos: 1) cargas originadas por el peso propio 
de la tubería y por la presión interna, llamadas cargas sostenidas y 2) cargas originadas por 
la expansión térmica del material. 
Primeramente se llevó a cabo una recopilación de información, que incluye datos 
geométricos, de código y de proceso. En esta etapa fue necesario hacer una revisión de 
los espesores actuales de las tuberías que conforman al sistema, con el propósito de 
determinar si estos son los requeridos para permitir una operación segura bajo las 
condiciones de presión interna que ejerce el vapor. Esté análisis se desarrolla a través un 
análisis por elementos finitos utilizando el programa de computadora ANSYS versión 14.0, 
y con apoyo de los elementos pipe 16 y pipe 18 que tienen la capacidad de adoptar el 
comportamiento mecánico de los elementos de tuberías, se genera el modelo completo 
del sistema. Para asegurar la confiabilidad de los resultados arrojados por el modelo, fue 
importante identificar claramente los elementos del sistema que trabajan como 
restricciones y que son las condiciones de frontera. Esto se refiere a los elementos que 
impiden el desplazamiento de la tubería en alguna dirección. Para esto se identificaron 
dos tipos de restricciones: 1) soportes simples y guías horizontales y 2) anclajes. 
Dicho análisis se llevo a cabo realizando una sola corrida del programa. En ella se 
consideró la aplicación simultánea de las cargas originadas por el peso propio de las 
tuberías, la presión interna del vapor que transportan y la temperatura máxima de 
operación. Esta, es la condición real de operación de los sistemas de tuberías en plantas 
de procesos. El realizar la corrida peso-presión-temperatura se pudieron obtener los 
esfuerzos en los puntos de interés de un sistema de tuberías. Estos son los codos, anclajes 
e intersecciones de ramales. Observándose que en un cambio de dirección (codo) se 
presentó un esfuerzo que excedía en un 34.5% al esfuerzo SA, establecido como permisible 
por el código. En los demás puntos observados, los valores oscilaban entre el 3.4% y el 
90.6 % del valor admisible. 
Para corregir esta desviación se plantearon dos posibles soluciones a las que se recurre de 
manera común en la práctica. Estas son 1) utilización de lazos de expansión y 2) 
reubicación y cambio de soportes. El uso de lazos de expansión representaba una solución 
que puede mitigar casi cualquier cantidad esfuerzos excedentes mediante la absorción de 
la expansión térmica. Sin embargo requiere de la disponibilidad de espacio para su 
instalación, implicando un cambio en la geometría del sistema que pudiera estar fuera del 
estándar de diseño. Por otro lado se podrían afectar las condiciones del proceso, ya que 
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implica la adición de por lo menos 4 cambios de dirección que provocan pérdidas de carga 
o energía en el fluido. 
Por otra parte, el cambio en el tipo de soportes se eligió como la opción más viable ya que 
no interfiere con las características del proceso y no requiere de espacio adicional. Solo se 
removieron algunas guías horizontales que restringían e desplazamiento lateral y se 
colocaron en su lugar apoyos simples que permiten dicho movimiento. Con esto se logró 
que el esfuerzo presente en el punto de interés disminuyera a un 81.3 % del valor 
admisible. Esto sin variar significativamente los esfuerzos en los demás elementos del 
sistema. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ABSTRACT. 
 
A static stress analysis was carried on a piping system which handles steam. The pressure 
and temperature of operation were 2746.46 kPa and 260°c, respectively. Two loading 
cases were considered: (1) pressure and dead weight and (2) thermal expansion. The ANSI 
B31.3 code was considered. Besides, the anchors and guides used in the erection of the 
piping systems were considered. 
Initially, it was calculated the thickness of the diverse elements of the piping system. It 
was checked that the structural integrity of all the elements is adequate for the pressure 
conditions mentioned above. In the next step, the Finite Element Analysis of the entire 
steam header and its branches was carried on with ANSYS 14.0 code. Pipe16 andpipe18 
elements were used. 
For this purpose a combined run was performed. In other words, the stresses developed 
in a thermal expansion at the temperature and pressure of operation and dead weight 
were evaluated simultaneously. It can be considered that these are the real conditions of 
operation. The results showed that in one of the elbows the resultant stress was 46% 
bigger than the admissible stress SA. In other points, the range of the peak stresses was 
between 3.4% and 90.6% of the admissible stress. 
In order to reduce the high stress mentioned above, two solutions were proposed: (1) the 
use of an expansion loop and (2) the localization of the guides and anchors in new 
positions. In the first case, the thermal stresses were reduced. However, more space was 
required. Besides, four elbows have to be added to the piping system. This reduces the 
energy available for the transportation of the steam. 
The change of the supports was an appropriate solution, because it was not necessary 
more space and the balance of energy was not deeply affected. In this scenario, the peak 
stress was reduced. The final figure is 81.3% of the admissible stress. The other peak 
stress did not vary substantially. 
 
 
 
 
 
 
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ÍNDICE GENERAL 
 
 
RESUMEN vi 
ABSTRACT viii 
ÍNDICE GENERAL ix 
ÍNDICE DE FIGURAS xiii 
ÍNDICE DE TABLAS xvi 
SIMBOLOGÍA xvii 
OBJETIVO xix 
OBJETIVOS PARTICULARES xix 
JUSTIFICACIÓN xx 
INTRODUCCIÓN 1 
 
Capítulo I. ANTECEDENTES SOBRE EL DISEÑO DE SISTEMAS DE TUBERÍAS 
PARA PLANTAS DE PROCESO. 
 
1.1 Generalidades. 5 
1.2 Códigos, normas y especificaciones para tuberías. 6 
1.2.1 Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) 7 
1.2.2 ASME B31, Código para tuberías a presión. 7 
1.2.2.1 Código ASME B31.3, tuberías de plantas de proceso. 8 
1.2.3 Sociedad Americana para Prueba de Materiales (ASTM) 10 
1.2.4 Instituto Americano del Petróleo (API) 10 
1.2.5 Sociedad Americana de Soldadura (AWS) 11 
1.2.6 Normatividad empleada en el sector petrolero nacional. 11 
1.3 Diseño mecánico de tuberías. 11 
1.3.1 Procedimiento de diseño de tuberías. 12 
1.3.2 Criterios para el diseño mecánico de sistemas de tuberías de plantas 
de proceso. 
12 
1.3.2.1 Presión de diseño. 13 
1.3.2.2 Temperatura de diseño. 13 
1.3.2.3 Efectos de expansión y contracción térmica. 13 
1.3.2.4 Determinación del espesor de la tubería. 14 
1.3.2.5 Presión de trabajo permisible. 15 
1.4 Soporte de sistemas de tuberías. 15 
1.4.1 Tipos de soportes. 16 
1.4.1.1 Anclajes. 16 
1.4.1.2 Apoyos. 17 
1.4.1.3 Colgante. 18 
1.4.2 Espaciamiento entre soportes. 19 
1.5 Análisis de flexibilidad en sistemas de tuberías. 20 
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1.5.1 Consideraciones generales. 21 
1.5.2 Requerimientos de flexibilidad en un sistema de tuberías 21 
1.5.2.1 Análisis detallado obligatorio. 22 
1.6 Planteamiento del problema. 24 
1.7 Referencias. 27 
 
Capítulo II. INGENIERÍA DE PROYECTOS 
 
2.1 Ingeniería de proyectos. 30 
2.2 Fases de un proyecto. 31 
2.2.1 Fase de ingeniería conceptual. 31 
2.2.2 Fase de ingeniería básica. 32 
2.2.3 Fase de ingeniería de detalle. 33 
2.3 Estructura funcional. 34 
2.3.1 Diseño de tuberías. 34 
2.3.2 Análisis de esfuerzos. 35 
2.3.3 Ingeniería de materiales. 35 
2.3.4 Control de materiales. 36 
2.4 Nomenclatura para las especificaciones de materiales de tuberías. 36 
2.5 Diagrama de tubería e instrumentación (DT´I). 37 
2.5.1 Equipo de proceso. 37 
2.5.2 Tuberías y válvulas. 38 
2.5.3 Instrumentación. 39 
2.5.4 Documentación del caso de estudio. 39 
2.6 Identificación de líneas del sistema de tuberías. 46 
2.7 Clasificación de tubería. 47 
2.8 Trazado de la tubería y disposición de la misma 48 
2.9 Referencias. 52 
 
Capítulo III. ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN TUBERÍAS 
 
3.1 Deformación plana y esfuerzo plano 54 
3.2 Transformación de esfuerzos. 55 
3.2.1 Transformación de esfuerzo plano 55 
3.2.2 El círculo de Mohr para esfuerzo plano. 57 
3. 3 Equilibrio estático. 60 
3.3.1 Diagrama de cuerpo libre. 60 
3.4 Esfuerzos en tuberías. 61 
3.4.1 Esfuerzos debidos a presión interna. 61 
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3.4.1.1 Esfuerzo longitudinal, Slp. 62 
3.4.1.2 Esfuerzo de Hoop, Shp. 62 
3.4.2 Esfuerzos debidos a momentos. 62 
3.4.3 Esfuerzos térmicos. 64 
3.5 Teorías de falla. 68 
3.5.1 Teoría del esfuerzo cortante máximo. 68 
3.6 Clasificación de las cargas en tuberías. 70 
3.6.1 Cargas sostenidas. 70 
3.6.1.1 Carga sostenida-Peso. 70 
3.6.1.2 Carga sostenida- Presión interna. 71 
3.6.2 Cargas ocasionales. 71 
3.6.3 Cargas por expansión térmica. 71 
3.6.3.1 Determinación de las cargas y esfuerzos térmicos. 71 
3.6.3.2 Método de cantiléver guiado. 73 
3.7 Requerimientos del código ASME. 75 
3.7.1 Esfuerzos debidos a cargas sostenidas. 76 
3.7.2 Esfuerzos debidos a cargas ocasionales. 77 
3.7.3 Rango de esfuerzos debido a cargas por expansión térmica. 77 
3.8 Deducción de la ecuación para el análisis de cargas combinadas. 80 
3.9 Metodología. 82 
3.10 Referencias. 85 
 
 
Capítulo IV. ANÁLISIS DEL CASO DE ESTUDIO POR EL MÉTODO DEL 
ELEMENTO FINITO. 
 
4.1 Generalidades. 88 
4.2 Recopilación de información. 88 
4.3 Análisis de esfuerzos en tuberías por el Método del Elemento Finito. 89 
4.3.1 Elementos recto y curvo en el análisis de sistemas de tuberías 89 
4.3.2 Puntos de análisis en un sistema de tuberías. 91 
4.3.3 Ecuaciones resultantes. 92 
4.3.4 Descripción del programa ANSYS 94 
4.3.4.1 Preproceso. Definición el problema 94 
4.3.4.2 Solución. Asignación de cargas, restricciones y solución. 94 
4.3.4.3 Postproceso. Procesamiento adicional y visualización de resultados 95 
4.3.5 Selección de los elementos para el análisis del caso de estudio. 95 
4.4 Generación del modelo. 98 
4.4.1 Verificación de espesores de tubería. 98 
4.4.2 Datos geométricos, de operación y de código. 100 
4.4.3 Generación del modelo de tuberías en el programa ANSYS 14.0. 101 
4.4.4 Malla del modelo estructural del sistema de tuberías. 104 
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4.4.5 Condiciones de frontera. 105 
4.4.6 Cargas. 107 
4.5 Referencias. 109 
 
 
Capítulo IV. ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DE RESULTADOS. 
 
5.1 Análisis de esfuerzos en el sistema de tuberías. 111 
5.2 Evaluación de resultados. 120 
5.3 Cambios para la reducción de los esfuerzos. 126 
5.4 Referencias. 132 
 
 
CONCLUSIONES 133 
RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS 134 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ÍNDICE DE FIGURAS 
 
figura Título Página 
 
1-1 Anclajes de tuberías. 16 
1-2 Soportes tipo “apoyo”. 17 
1-3 Soporte colgante. 18 
1-4 Soporte colgante tipo resorte. 19 
1-5 Esquema típico de generación de vapor. 24 
1-6 Esquema actual del sistema de cogeneración de INNOPHOS. 25 
2-1 Diagrama de tubería e instrumentación del sistema de tuberías del 
sistema de cogeneración. 
40 
2-2 Plano de localización de la planta de cogeneración del complejo 
industrial INNOPHOS FOSFATADOS DE MÉXICO. 
41 
2-3 Isométrico de soportes del sistema de tuberías del caso de estudio. 42 
2-3 cont. Isométrico de soportes del sistema de tuberías del caso de estudio. 43 
2-4 Isométrico con acotaciones. 44 
2-4 cont. Isométrico con acotaciones. 45 
2-5 Distribución de tuberías por peso y servicio en una sola cama. 50 
3-1 Estado de deformación plana. 54 
3-2 Estado de esfuerzo plano. 54 
3-3 Estados de esfuerzo presentes en un material. 55 
3-4 A partir de un estado de esfuerzo conocido (a), es posible conocer el 
estado de esfuerzo del mismo elemento en alguna orientación 
distinta (b). 
56 
3-5 Obtención de la componente de esfuerzo y , a partir de la 
consideración de un ángulo  90 
573-6 Círculo de Mohr para un estado de esfuerzo plano. 58 
3-7 Ángulo p de los esfuerzos principales. 59 
3-8 Diagrama de cuerpo libre de una sección de tubería. 60 
3-9 Esfuerzos en una tubería, debidos a presión interna 61 
3-10 Esfuerzos generados en un tubo por la acción de momentos de 
flexión y torsión. 
63 
3-11 Sistema de tuberías sujeta a expansión térmica limitada por los 
anclajes. 
65 
3-12 Diferentes tipos de vigas en cantiléver 73 
3-13 Esfuerzos de expansión con el enfoque de cantiléver guiado. 74 
3-14 Momentos de torsión y momentos de flexión fuera y dentro del 
plano en codos y conexiones de ramales. 
78 
3-15 Estado de esfuerzos de un elemento de tuberías bajo la acción 
combinada de cargas de peso, presión y temperatura. 
80 
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3-16 Circulo de Mohr para el estado de esfuerzo de cargas combinadas 
peso-presión-temperatura. 
81 
3-17 Metodología para el desarrollo de la investigación. 84 
4-1 Sistemas coordenados en el análisis de tuberías. 90 
4-2 Geometría y localización de los nodos para el elemento Elastic 
Straight Pipe (PIPE16). 
96 
4-3 Geometría y localización de los nodos para el elemento Elastic 
Curved Pipe (PIPE 18). 
97 
4-4 Creación de “lines” a partir de la unión de los “keyponts”. 103 
4-5 Modelo en sólido virtual. 104 
4-6 Malla de los elementos en mas de una división. 105 
4-7 Guías horizontales que permiten el desplazamiento solo en dirección 
longitudinal. 
106 
4-8 Restricciones aplicadas al sistema de tuberías. 107 
5-1 Sistema de tuberías deformado. 111 
5-2 Solido virtual del sistema de tuberías deformado. 112 
5-3 Distribución de esfuerzos de TRESCA a elementos de la línea 4”-VA-
501-T1A-020. 
113 
5-4 Distribución de esfuerzos de TRESCA a elementos de la línea 4”-VA-
501-T1A-021. 
114 
5-5 Distribución de esfuerzos de TRESCA a elementos de la línea 6”-VA-
501-T1A-022. 
115 
5-6 Distribución de esfuerzos de TRESCA a elementos de la línea 6”-VA-
501-T1A-023 
116 
5-7 Distribución de esfuerzos de TRESCA a elementos de la línea 4”-VA-
501-T1A-024 
117 
5-8 Distribución de esfuerzos de TRESCA a elementos de la línea 18”-VA-
501-T1A-025 
118 
5-9 Distribución de esfuerzos de TRESCA a elementos de la línea 6”-VA-
501-T1A-026 
119 
5-10 Ovalación de la sección transversal de un codo, bajo la aplicación de 
un momento de flexión en el plano. 
123 
5-11 Vista lateral del codo que presenta e esfuerzo máximo en el sistema 
de tuberías. 
123 
5-12 Línea 18”-VA-501-T1A-025 sometida a grandes esfuerzos por la 
restricción de la expansión térmica. 
124 
5-13 Cargas que actúan en las boquillas de equipos conectados a 
tuberías. 
125 
5-14 Daño estructural a boquillas de equipos debido a cargas excesivas. 125 
5-15 Lazo de expansión. 126 
5-16 Soportes utilizados en la línea 18”-VA-501-T1A-019. 127 
5-17 Apoyo simple. 128 
5-18 Estado de deformación del sistema de tuberías después del cambio 131 
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de soportes. 
5-19 Codo y anclaje de la línea 18”-VA-501-T1A-019 con esfuerzos por de 
bajo del permisible. 
131 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ÍNDICE DE TABLAS 
 
Tabla Título Página 
 
1-1 Secciones que componen el código ASME B31 y sus aplicaciones 8 
1-2 Valores del coeficiente Y 15 
1-3 Espaciamiento sugerido entre soportes de tubos 19 
2-1 Designación de equipo típico. 38 
2-2 Criterios para la elaboración de un DTI 39 
2-3 Lista de líneas que conforman el sistema de tuberías de la planta de 
cogeneración. 
47 
3-1 Factor de reducción del rango de esfuerzos “f” 79 
4-1 Propiedades del elemento PIPE 16 96 
4-2 Propiedades del elemento PIPE 18 97 
4-3 Parámetros a considerar en el cálculo de espesor mínimo de pared. 98 
4-4 Dimensiones estandarizadas de tubos para aplicación industrial 98 
4-5 Esfuerzos permisibles SA y Sh para el acero ASTM A-53 Grado B 99 
4-6 Espesores mínimos de pared para las tuberías del sistema. 99 
4-7 Datos de ingreso en al programa ANSYS para el análisis del caso de 
estudio. 
100 
4-8 Coordenadas de los “keyponts” para el modelado del sistema de 
tuberías 
102 
5-1 Esfuerzos en el sistema de tuberías actual. 120 
5.2 Esfuerzos en el sistema de tuberías después del cambio de soportes. 129 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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SIMBOLOGÍA 
 
Símbolo Significado 
 
tm Espesor de pared de tubería mínimo requerido. 
c Suma de las tolerancias mecánicas por corrosión. 
P Presión interna de diseño. 
Do Diámetro exterior del tubo. 
EJ Factor de calidad de junta. 
S Valor del esfuerzo básico permisible. 
Y Coeficiente de flexibilidad. 
Pperm Presión de trabajo permisible de una tubería. 
tr Espesor de pared especificado o espesor de pared real. 
y Resultante del crecimiento térmico por absorber por una pierna de tubería. 
L Longitud total de la tubería entre anclas. 
U Distancia en línea recta entre anclas. 
T Temperatura. 
F Flujo másico 
H Entalpía. 
ЄZ Deformación unitaria en dirección Z. 
σY Esfuerzo normal en un plano conocido perpendicular al eje Y 
σX Esfuerzo normal en un plano conocido perpendicular al eje X 
σZ Esfuerzo normal en un plano conocido perpendicular al eje Z 
τXY Esfuerzo cortante en el plano conocido XY 
τX´Y´ Esfuerzo cortante en el plano arbitrario X´Y´ 
Ɵ Ángulo de inclinación de un plano. 
ƟP Ángulo de los esfuerzos principales 
σprom Esfuerzo promedio en el círculo de Mohr 
σ1,2 Esfuerzos principales en un estado plano de esfuerzos. 
R Radio del círculo de Mohr 
Slp Esfuerzo longitudinal en las paredes de una tubería. 
Shp Esfuerzo circunferencial en las paredes de una tubería. 
Fs Fuerza cortante en una tubería 
Fa Fuerza axial en una tubería 
MY Momento de flexión alrededor del eje Y 
Mz Momento de flexión alrededor del eje Z 
Sby Esfuerzo por flexión alrededor del eje Y 
Sbz Esfuerzo por flexión alrededor del eje Z 
Z Módulo de sección 
Mt Momento por torsión 
Zp Módulo de torsión de la sección de la tubería 
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τt Esfuerzo cortante debido al momento por torsión 
α Coeficiente de expansión térmica 
ΔT Cambio algebraico de temperaturas 
L Longitud original de tubería 
εij Tensor de deformaciones unitarias 
εeij Tensor de deformaciones unitarias elásticas 
ΕTij Tensor de deformaciones debidas al cambio de temperatura 
ν Relación de poisson 
ϒ Deformación unitaria por cortante 
G Módulo al cortante 
E Módulo de elasticidad 
W Peso por unidad de longitud 
Δ Expansión térmica en la dirección longitudinal de una tubería 
I Momento de inercia 
Δn Desplazamiento absorbido por una pierna “n” 
SL Suma de esfuerzos longitudinales en una tubería 
MA Momento resultante en la sección transversal de la tubería debido a peso y 
otras cargas sostenidas 
 
i Factor de intensificación de esfuerzos 
Sh Esfuerzo permisible del material a la máxima temperatura de operación del 
metal 
 
MB Momento resultante en la sección transversal de la tubería debido a cargas 
ocasionales 
 
SE Rango de esfuerzos por desplazamiento 
ii Factor de intensificación de esfuerzos en el plano 
Io Factor de intensificación de esfuerzos fuera del plano 
Mi Momento de flexión en el plano. 
Mo Momento de flexión fuera del plano. 
SA Rango de esfuerzo permisible para esfuerzos de desplazamiento. 
Sc Esfuerzo permisible del material a la temperatura mínima esperada, 
durante la operación de la plantas. 
 
f Factor de reducción de esfuerzos. 
 
 
 
 
 
 
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OBJETIVO 
 
Realizar un análisis estructural para cuantificar los esfuerzosque se generan sobre las 
tuberías del cabezal principal de distribución de vapor de alta presión, del sistema de 
cogeneración del complejo industrial INNOPHOS FOSFATADOS DE MÉXICO, ubicado en la 
Ciudad de Coatzacoalcos Ver.; mediante el Método del Elemento finito. Esto, con el 
propósito de determinar si el sistema es capaz de soportar las cargas térmicas y 
mecánicas que inciden sobre el. 
 
 
 
OBJETIVOS PARTICULARES 
 
 
 Crear el modelo del cabezal de vapor en el programa de elementos finitos ANSYS. 
 
 Obtener el valor de los esfuerzos ocasionados por la acción conjunta de peso 
muerto, presión interna y expansión térmica de las tuberías. 
 
 Comparar los valores de esfuerzos obtenidos con los límites de esfuerzos 
permisibles dados en el código ASME B31.3 de tuberías de plantes de proceso. 
 
 Realizar propuestas para corregir las condiciones que pudieran generar 
desviaciones de los requerimientos del código. Estas recomendaciones podrían 
incluir acciones tales como cambio de soportes, uso de juntas de expansión, lazos 
de expansión, etc. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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JUSTIFICACIÓN 
 
 
Es típico que muchos de los comportamientos anormales de un sistema de tuberías en 
una planta industrial, se deban a condiciones de diseño y operación que están fuera de los 
estándares recomendados. En la mayor parte de los casos, estas desviaciones traen como 
consecuencia un aumento en los esfuerzos existentes en los sistemas de tuberías y 
accesorios que lo conforman. Sin importar cual sea el tiempo de vida útil del elemento, 
cuando se rebasan los límites que establecen los esfuerzos permisibles del material, este 
último tiende a fallar, ya sea en forma simple y sin consecuencias, ó de manera 
catastrófica, provocando con esto, condiciones de operación anormales que ponen en 
riesgo la continuidad del proceso. 
 
También es un hecho que el diseño de plantas industriales requiere una atención muy 
especial con relación al tema de seguridad. Basta con recordar lamentables sucesos como 
el de la ciudad de México, cuando fue sacudida por la fuga de gas y posterior explosión de 
la planta de almacenamiento de gas de San Juan Ixhuatepec en noviembre de 1984. Otro 
accidente sucedió en Bophal India el 3 de diciembre del mismo año, el cual es considerado 
hasta el momento como el accidente de tipo industrial más serio de la historia, ya que una 
cuantiosa fuga de gas altamente venenoso, se esparció sobre todo un pueblo con fatales 
consecuencias. Después, el 26 de abril de 1986 vino el terrible accidente de la planta 
nuclear de Chernobyl en la antigua URSS, de la cual la humanidad aún no ha podido 
recuperarse. 
 
 Aunado a esto, está el hecho de que las nuevas instalaciones son más grandes, con 
nuevos procesos que son más complejos y más integrados, como lo es el caso de una 
planta de cogeneración, con temperaturas y presiones de operación más elevadas. 
 
En base a todo lo anterior expuesto y confinado al área de ingeniería, resulta evidente que 
la etapa de diseño de cualquier tipo de planta requiere de la participación de personal 
cada vez más especializado, con la mejor herramienta y programas disponibles en el área 
de análisis de esfuerzos de tuberías, cuyo objetivo primario es garantizar la confiabilidad y 
seguridad de las plantas industriales. 
 
 
 
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INTRODUCCIÓN. 
 
Las tuberías constituyen del 25 % al 35% del costo total de material de una planta de 
proceso; requiere de un 30% a un 40% del trabajo de montaje, y consume del 40 % al 48% 
de las horas-hombre de ingeniería [1]. Sin embargo, la importancia en este tema puede ir 
más allá de estos porcentajes. Un sistema de tuberías se constituye de un gran número de 
componentes. La falla de solo uno de estos componentes tiene el potencial para 
interrumpir la operación completa de una planta, o en el peor de los casos, causar serios 
problemas en la seguridad de los trabajadores. A pesar de ello, el tema de tuberías es 
generalmente considerado de poco nivel tecnológico en el mundo académico. Muy pocas 
universidades enseñan esta disciplina, dejando que los ingenieros obtengan este 
conocimiento sólo a través de la práctica real en el campo. 
Por lo antes mencionado, en el presente trabajo se analizan los esfuerzos que se 
presentan en un sistema de tuberías conformados por un cabezal de diámetro 450 DN (18 
pulgadas) y 7 ramales de diversos diámetros, que en su conjunto abastecen vapor 
sobrecalentado de alta presión a los distintos procesos de un complejo industrial. 
Para lograr este objetivo, la tesis que se presenta está estructurada de la siguiente 
manera: 
Capítulo 1. Se proporcionan las bases para el diseño de tuberías en plantas de proceso, 
mencionando los aspectos de mayor relevancia en esta disciplina, como lo son la 
normatividad aplicable al diseño y análisis, soportado de tuberías, análisis de flexibilidad y 
finalmente se plantea la problemática a resolver, en donde se plasman datos técnicos que 
serán de fundamental utilidad en la investigación. 
Capítulo 2. Se aborda el tema de ingeniería de proyectos, planteando las fases de un 
proyecto y las distintas disciplinas que intervienen en el. Además, se describe la principal 
documentación de un proyecto de una planta de proceso como lo es el diagrama de 
tubería e instrumentación (DTI) que es de mucha utilidad para todo proyectista. Esto es la 
base para generar la documentación requerida en este estudio. 
Capítulo 3. Se abordan las bases teóricas de resistencia de materiales que son el 
fundamento para el análisis de esfuerzos en tuberías, tales como esfuerzos combinados, 
círculo de Mohr, así como teorías de falla. En donde se menciona la teoría de falla que el 
código ASME B31.3 toma como base para sus criterios de análisis. En este caso es la del 
esfuerzo cortante máximo. Se describen las dos clases de cargas que se consideran en esta 
tesis para el caso de estudio, siendo estas las sostenidas y las cargas de expansión térmica. 
Posteriormente se establecen los requerimientos del código ASME para determinar si un 
sistema de tuberías es seguro bajo la acción de las cargas. Finalmente se muestra la 
metodología con la que se aborda la problemática 
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2 
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Capítulo 4. Se desarrolla detalladamente la metodología planteada en el capítulo anterior. 
Esta, describe el enfoque del Método del Elemento Finito al análisis de esfuerzos en 
tuberías, siguiendo de una descripción general del programa de elementos finitos ANSYS, 
de donde se eligen los elementos que aplican correctamente a tuberías. Se genera el 
modelo, definiendo las condiciones de frontera, cargas, constantes reales y propiedades 
del material de tubería. 
Capítulo 5. Se realiza el análisis de esfuerzos y se evalúan los resultados. Esto, a partir del 
modelo hecho en el capítulo anterior. Se obtienen resultados de los esfuerzos en diversos 
puntos del sistema y se utilizan para validar los requerimientos que solicita el código. Se 
realizan las recomendaciones pertinentes a partir de las desviaciones encontradas. 
Finalmente se presentan las conclusiones y las recomendaciones para trabajos futuros. 
Cabe mencionar que en la SEPI ESIME Zacatenco se han realizado trabajos cuya línea de 
investigación se relaciona con el análisis de la integridad estructural de tuberías y equipos 
de plantas de proceso y nucleares. A este respecto y como ejemplo, se menciona, Gómez 
Hernández [2] quien presenta los fundamentos necesarios para analizar sistemas planos 
de tuberías. Vázquez [3] desarrolla una metodología para evaluar la integridad de ductos 
agrietados mediante la mecánica de la fractura. Un Análisis elastoplástico de grietas 
circunferenciales no pasantes en ductos es realizado por Martínez [4], enel que considera 
condicione de carga axial y momento flexionante combinados. Por otra parte, Maldonado 
[5] realiza un análisis de esfuerzos en componentes de sistemas de tuberías nucleares 
utilizando el Método del Elemento Finito. 
 
En síntesis, se puede identificar que el tema que se presenta en esta tesis no se ha 
abordado con anterioridad en los trabajos realizados en la Sección de Estudios de 
Posgrado e Investigación. Este hecho, representa un área de oportunidad para beneficiar 
al sector industrial del país, ya que se describe la metodología para analizar situaciones en 
las que los sistemas de tuberías presentan problemas de esfuerzos. Esto, al estar operando 
bajo condiciones de carga debidas a su peso propio, presión interna y los efectos de la 
expansión térmica del material, que puedan ocasionar daños estructurales graves en las 
tuberías y sus componentes, así como en las boquillas de los equipos interconectados. Se 
hace uso de recursos planteados por la ingeniería básica e ingeniería de detalle de un 
proyecto industrial, tales como diagramas de tubería e instrumentación (DTI), isométricos; 
tanto de sistema de tuberías como de la distribución de los soportes, datos de equipos, 
especificaciones técnicas, lista de líneas y normatividad nacional e internacional, entre 
otros. 
 
El presente trabajo pertenece a la línea de investigación de análisis estructural dentro del 
proyecto “DESARROLLO DE UN SISTEMA ÓPTICO CON BASE EN LA INTERFEROMETRÍA 
PARA LA MEDICIÓN DE DEFORMACIONES EN ELEMENTOS MECÁNICOS Y 
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BIOMECÁNICOS”, con registro GCPI 2011-0935 que se desarrolla en el Departamento de 
Ingeniería Mecánica de la SEPI-ESIME Zacatenco del Instituto politécnico Nacional. 
 
 
Referencias. 
 
 1 Rase, Howard; Piping Design For Process Plants; John Wiley; 1973. 
 
 
 2 Hernández Gómez, Luis Héctor; Análisis del Método del Elemento Finito y su aplicación 
a problemas de ingeniería; Tesis de Maestría, ESIME IPN; 1985. 
 
 
 3 Vázquez Montes de Oca, Gabriel G.; Análisis numérico tridimensional de grietas 
circunferenciales en ductos; Tesis de Maestría, ESIME IPN; 2000. 
 
 
 4 Martínez Estrella, Arturo Amadeo; Análisis elastoplástico de grietas circunferenciales 
no pasantes en ductos bajo carga axial y momento flexionante combinados; Tesis de 
Maestría, ESIME IPN; 2002. 
 
 
 5 Maldonado Pérez, Hilario; Análisis de esfuerzos en componentes de sistemas de 
tuberías nucleares utilizando el Método del Elemento Finito; Tesis de Maestría, ESIME IPN; 
1999. 
 
 
 
 
 
 
 
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ANTECEDENTES SOBRE EL DISEÑO DE 
SISTEMAS DE TUBERÍAS PARA 
PLANTAS DE PROCESO. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.1 Generalidades. 
 
En el proyecto de una planta e proceso, los diseñadores de tuberías superan en número a 
todos los otros grupos de diseñadores, y distintamente a lo que ocurre con sus otros 
colegas que trabajan en estructuras o diseño eléctrico, deben reunir una gran cantidad de 
información y datos, a partir de un amplio surtido de manuales, publicaciones periódicas 
y catálogos de fabricantes [1.1]. 
 
Es por eso que la experiencia y buen juicio del ingeniero, juegan un papel muy importante 
en el diseño de sistemas de tuberías. El diseñador debe proveerle flexibilidad suficiente a 
los sistemas, para asegurar que las expansiones y/o contracciones térmicas de la tubería 
no produzcan grandes esfuerzos y/o cargas elevadas a las boquillas de los equipos que 
conecta. Una de las formas de hacer flexible un sistema, es mediante la introducción de 
codos o curvas de expansión, también es posible ganar flexibilidad mediante el uso de 
juntas de expansión. Con la introducción de codos en los sistemas, aparece un incremento 
importante en las pérdidas de energía por fricción y consecuentemente un aumento en 
los costos de operación, ya que se requiere mayor energía para mover a los fluidos de 
proceso. Es importante mencionar, que el hecho de suministrarle flexibilidad a un sistema 
de tuberías, no impactará únicamente el cambio del arreglo, sino que también implica el 
hecho de tener que hacer uso de una mayor cantidad de soportes estructurales que 
pudieran ser requeridos, y todo lo cual hace que se incremente el costo de un proyecto. 
 
El diseño de tuberías de instalaciones industriales, tiene por objeto garantizar la 
seguridad, operatividad y buen comportamiento durante su vida útil, presentando a la vez 
un reto para la optimización de recursos ante múltiples y conflictivas situaciones durante 
sus etapas de diseño. Dicho diseño, empieza por la selección del material, continuando 
con el trazo de su ruta o configuración más adecuada que satisfaga las condiciones del 
proceso, resistencia, operatividad, seguridad y otras que garanticen su confiabilidad a lo 
largo de su vida útil. 
 
Además, por si lo anterior no fuera suficiente, el número de tuberías que requieren 
especial atención en una planta, es cada día mayor, debido a la tendencia de emplear 
tuberías de mayor diámetro y de estar sujetas a condiciones de operación cada vez más 
severas de temperatura y presión, que evidentemente requieren mayor confiabilidad, a 
fin de evitar riesgos mayores durante su operación. 
 
En ingeniería se da por entendido que el objeto del diseño es la optimización del costo-
beneficio de la instalación o estructura y que se manejan variables que presentan un 
comportamiento del tipo aleatorio [1.1]. Sin embargo, es usual mantener un punto de 
vista ortodoxo, considerando que el objetivo del diseño es evitar las fallas, y es común, en 
la mayoría de los casos, idealizar las variables (cargas, operación y fabricación entre otras). 
La garantía de seguridad absoluta de una planta, requiere entre otras cosas, de la calidad y 
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6 
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perfección en el diseño, de los materiales y de su fabricación. Lo anterior resulta 
prácticamente imposible, desde un punto de vista práctico. Sin embargo, es necesario dar 
niveles adecuados de seguridad a toda la instalación, por lo que se debe llegar a un grado 
de confiabilidad bastante aceptable, el cual está íntimamente ligado con el costo y 
tiempo. 
 
Es por lo anterior mencionado que, a principios del siglo XX, un grupo de ingenieros 
consultores, junto con varios consumidores e ingenieros de fábricas, se echaron a cuestas 
la tarea de estandarizar los diferentes códigos y prácticas hasta entonces existentes. El 
código para tuberías a presión de plantas de proceso ASME B31.3 [1.6] es un ejemplo de 
este trabajo. El objetivo de estos documentos, es establecer los valores numéricos de 
ciertos parámetros que constituyen los requerimientos mínimos para proporcionar 
seguridad a las instalaciones o construcciones, es decir, garantizar protección al usuario, al 
definir requerimientos mínimos sobre: materiales, diseño, fabricación, inspección, 
pruebas, procedimientos, etc., cuya omisión o incumplimiento pueden incrementar 
radicalmente los riesgos de falla durante la operación y uso de las instalaciones a lo largo 
de su vida útil. 
 
Su desarrollo ha sido muy favorable a la industria; aun cuando su uso no es del todo 
obligatorio, cada vez se hace más indispensable y ha recibido mucha difusión en las 
instalaciones de industriales al realizar el diseño de los sistemas de tuberías. 
 
 
1.2 Códigos, normas y especificaciones para tuberías. 
 
En la nueva era del diseño asistido por computadora (CAD) por sus siglas en inglés, el 
cumplimiento de los códigos, estándares y especificaciones industriales siguen siendo 
esenciales para la finalización exitosa de una instalación de procesos, operación segura y 
satisfacción de la salud, además de requerimientosde seguridad y medio ambiente. En 
este contexto se puede establecer que [1.2]: 
 Un código identifica los requisitos generales para el diseño, materiales, fabricación, 
erección o montaje, pruebas e inspección de los sistemas de tuberías de proceso. 
Por ejemplo, ASME B31.3 – process piping está clasificado como un código de 
diseño. Este es un documento internacional de diseño más comúnmente usado 
para plantas de proceso. 
 
 Una norma contiene parámetros más detallados del diseño y construcción y los 
requisitos estándar de dimensiones y tolerancia de los componentes de tuberías 
individuales, tales como válvulas, tubos, tees, bridas y otros accesorios para 
completar un sistema de tuberías. Por ejemplo, ASME B16.5, Pipe Flanges and 
Flanged Fittings [1.7], se clasifica como una norma dimensional, pero también 
hace referencia a las especificaciones de materiales, como lo establece ASTM. 
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7 
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 Una especificación, como la palabra lo indica, ofrece más datos y una información 
más específica sobre un componente, y en las ASTM se consideran las 
especificaciones de materiales, aunque a veces son ambiguamente llamadas 
especificaciones estándar. Por ejemplo, ASTM A105 “standard specification for 
carbon steel forgings for piping applications.” [1.8] es la "especificación estándar 
para piezas forjadas de acero al carbón para aplicaciones de tubería". 
 
Para relacionar estas definiciones, se puede decir que ASME B31.3 es un código de diseño 
de tuberías, con bridas diseñadas de acuerdo a la norma ASME B16.5, que se construyen 
en función de las especificaciones del material dadas por ASTM A105. 
 
El cumplimiento de un código generalmente es obligatorio, impuestos por los organismos 
reguladores y de aplicación, o de sus representantes. Además, la compañía de seguros, 
para la instalación, requiere que el dueño de la instalación cumpla con los requisitos del 
código o códigos pertinentes para garantizar la seguridad de los trabajadores y del público 
en general. La aplicación de las normas normalmente es requerida por las reglas del 
código o especificación del comprador. 
 
Una gran mayoría de estos códigos, normas y especificaciones tienen su origen en los 
Estados Unidos, debido a que inicialmente es aquí donde fue generada la mayoría de la 
actividad petrolera y de gas. Es poco probable que esto cambie en un futuro cercano, sin 
embargo, en los últimos años, ha habido un aumento en la alineación con la normatividad 
ISO, y esto aumentará. 
 
 
1.2.1 Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME). 
 
La Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME por sus siglas en inglés) es una de 
las organizaciones de ingeniería líder en el mundo. Desarrolla y publica los códigos y 
normas de ingeniería. La ASME estableció un comité en 1911 para formular reglas para la 
construcción de calderas de vapor y otros recipientes a presión. Este comité, conocido 
ahora como el comité ASME para calderas y recipientes a presión, es responsable del 
código ASME para calderas y recipientes a presión. Además, el ASME ha establecido 
comités que desarrollan muchos otros códigos y normas, tales como el código ASME B31 
para tuberías de presión. 
 
1.2.2 ASME B31, Código para tuberías a presión. 
 
En la siguiente tabla se muestran las secciones que componen el código B31 y las 
aplicaciones consideradas por cada una de ellas. 
 
 
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Tabla 1-1) Secciones que componen el código ASME B31 y sus aplicaciones [1.9]. 
Sección Instalaciones consideradas Ejemplos 
ASME B31.1 Tuberías de vapor y sistemas de potencia Estaciones generadoras de 
electricidad, plantas 
industriales, sistemas de 
enfriamiento y calefacción, 
geotérmica, etc. 
ASME B31.3 Tuberías de refinerías y plantas químicas. Refinerías de petróleo, 
plantas químicas, 
farmacéuticas, textil, papel, 
etc. 
ASME B31.4 Sistemas de Transporte de Líquidos 
Hidrocarburos, gas licuado de petróleo, 
amoníaco anhidro, y alcohol. 
 
Transporte de productos, 
predominantemente entre 
plantas, terminales y dentro 
de terminales, bombeo, 
regulación, etc. 
ASME B31.5 Tuberías de refrigeración. Tuberías para refrigerante y 
enfriamiento secundario. 
ASME B31.8 Sistemas de tuberías de transporte y 
distribución de gas. 
 
Sistemas de transporte 
fundamentalmente gas 
entre las fuentes y 
terminales, incluso 
compresión, regulación, etc. 
ASME B31.9 Tuberías de Servicio en Edificios. 
 
Típicamente edificios 
industriales, institucionales, 
comerciales y públicos. 
ASME B31.11 Sistemas de Tuberías para Transporte de 
Lodos. 
 
Sistemas de transporte de 
barros acuosos 
predominantemente entre 
plantas, terminales y dentro 
de terminales, bombeo, 
regulación, etc. 
 
En lo que concierne al diseño, todas las normas son muy parecidas, existiendo algunas 
diferencias con relación a las condiciones de diseño, al cálculo de los esfuerzos y a los 
factores admisibles. En el caso específico de este trabajo, se empleará el código B31.3, 
edición 2008. 
 
1.2.2.1 Código ASME B31.3, tuberías de plantas de proceso. 
 
Este código cubre las reglas para las tuberías que se encuentran típicamente en las 
refinerías de petróleo, industria química, farmacéutica, textil, del papel, de 
semiconductores, y las plantas criogénicas. 
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El código establece los requisitos de materiales y componentes, diseño, fabricación, 
ensamblaje, montaje, examinación, inspección, y pruebas a las tuberías. Se aplica a las 
tuberías para todos los fluidos, incluyendo (1) materias primas, productos intermedios y 
productos químicos terminados, (2) productos derivados del petróleo; (3) de gas, vapor, 
aire y agua, (4) sólidos fluidizados; (5) refrigerantes, y (6) fluidos criogénicos. También se 
incluye la tubería que interconecta las piezas o fases dentro de un conjunto de equipos de 
envasado. 
 
El código ASME B31.3, también provee lo siguiente [1.4]: 
 
 Una lista de los materiales aceptables para tuberías, con sus respectivos esfuerzos 
permisibles a diferentes temperaturas, y numerosas notas que suministran 
información adicional con respecto al uso de cada uno de los materiales. 
 
 Referencias a las normas aplicables en la selección de componentes para ser 
usados en el diseño sistemas de tuberías bajo el ASME B31.3, tales como: 
 
a) B16.5 [1.7], el cual regula las dimensiones, materiales de construcción y los 
límites presión-temperatura de los diferentes tipos de bridas aplicables en 
refinerías. 
b) B16.9 [1.10], es otra norma dimensional para accesorios soldables a tope, tales 
como tees, codos, cruces, reducciones, tapones y terminales con “stub end”. 
Los accesorios bajo el B16.9 deben también resistir una mínima presión de 
trabajo calculable. 
c) B16.11 [1.11], es otra norma dimensional para tees, coples, medios coples de 
inserto soldable y roscados. Esta norma también establece un requerimiento 
mínimo de presión. 
 
 Una guía para determinar el nivel de esfuerzos seguro de la tubería, así como sus 
ciclos de vida. 
 
 Los requerimientos para la inspección de las soldaduras para evaluar la integridad 
estructural de las mismas. 
 
 Los requisitos de la presión de prueba de los sistemas de tuberías previa a la 
puesta en operación. 
 
Partiendo de la base de que el uso del código ASME B31.3 no es obligatorio por la ley, 
salvo en algunos casos de Estados Unidos y en algunas provincias de Canadá, la elección 
de la sección del código a aplicar en el diseño de un sistema nuevo de tuberías recae en el 
propietario de la planta, quien en ocasiones puede decidir que sección quiere que se 
aplique a su planta en particular. Así también, existe la posibilidad de que dos secciones 
diferentes pudieran traslapar su alcance o que la aplicación de cualquiera pudiera serINSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
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correcta en una misma planta, como sería el caso de una planta de generación de energía 
dentro de una refinería, donde la aplicación de B31.1 ó B31.3 estaría adecuada. 
 
El código ASME B31.3 para tuberías de proceso, supone que la vida de las plantas, es 
decir, la cantidad de tiempo que estará en funcionamiento es de 20 a 30 años, sobre la 
base de un factor de seguridad de 3 a 1. Esto es, para proyectos comerciales. Las plantas 
que exigen un nivel muy alto de confiabilidad debido a que el tiempo de inactividad tiene 
un impacto inmediato en la potencia entregada al público en general, están diseñados de 
acuerdo al código ASME B31.1 para tuberías de potencia, que utiliza un factor de 
seguridad de 4 a 1, lo que resulta en una vida de las plantas de aproximadamente 40 años. 
Este factor puede reflejar diferencias en el costo de la planta, por ejemplo un sistema de 
tuberías diseñado conforme a B31.1 podría requerir para las mismas condiciones de 
diseño, un espesor de pared correspondiente a cédula 80, en tanto que si se diseña bajo 
B31.3 podría requerir solo cédula 40. 
 
La importancia de la confiabilidad de las plantas se centra en las repercusiones de un paro 
de planta no programado, por ejemplo, la pérdida de energía en ciudades con climas 
extremos es una razón muy poderosa para requerir en las plantas que alimentan a esas 
ciudades, ya que ahí la seguridad de una población puede ser afectada. En tanto que si 
una planta química tiene que parar en forma no programada, por una u otra razón, muy 
poca gente se verá afectada; por lo tanto un menor grado de confiabilidad podría ser 
tolerado. 
 
 
1.2.3 Sociedad Americana para Prueba de Materiales (ASTM) 
 
Desarrolla y publica las especificaciones que se usan en la producción y prueba de 
materiales. Los comités de esta asociación que desarrollan las especificaciones están 
compuestos por productores y usuarios, así como otras entidades que tienen algún 
interés en los materiales correspondientes. Estas especificaciones cubren virtualmente 
todos los materiales que se emplean en la industria y el comercio, con excepción de los 
consumibles de soldadura, mismos que están cubiertos por especificaciones AWS. 
 
 
1.2.4 Instituto Americano del Petróleo (API) 
 
El Instituto Americano del Petróleo (American Petroleum Institute por sus siglas en inglés) 
difunde especificaciones, boletines, prácticas recomendadas, normas (estándares), y 
publicaciones, como una ayuda para la adquisición de equipos y materiales normalizados 
para la industria petrolera. 
 
 
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1.2.5 Sociedad Americana de Soldadura (AWS) 
 
La American Welding Society (AWS) publica manuales, guías, prácticas recomendadas, 
especificaciones y códigos. Las especificaciones para los metales de aporte están en la 
serie AWS A5 [1.12]. Las especificaciones del material de aporte por lo general se citan en 
los documentos de diseño. Los procedimientos de soldadura están en la serie D10. El 
manual de AWS se ha publicado en cinco volúmenes, y pretende ser una ayuda para el 
usuario y el fabricante de productos soldables. 
 
 
1.2.6 Normatividad empleada en el sector petrolero nacional. 
 
También se hace referencia a normatividad mexicana. Tales como: 
 
 Norma NRF-032-PEMEX-2005 [1.13], Sistemas de tuberías en plantas industriales, 
diseño y especificación de materiales. 
 
 Norma NRF-010-PEMEX-2004 [1.14], Espaciamientos mínimos y criterios para la 
distribución de instalaciones industriales en centros de trabajo de Petróleos 
Mexicanos y organismos subsidiarios 
 
 Norma NRF-028-PEMEX-2010 [1.15], Diseño y construcción de recipientes a 
presión. 
 
 
1.3 Diseño mecánico de tuberías. 
 
El diseño mecánico de tuberías consiste en la determinación del tipo, clase, espesores, 
tolerancias de corrosión y fabricación de las conexiones y accesorios que se utilizan en los 
sistemas de tubería. Debe efectuarse con base en las condiciones de operación, 
particularmente las temperaturas, presiones y esfuerzos aplicables para cada sistema, 
tomando en cuenta sus diversos efectos y sus consecuentes cargas. Sin embargo, no 
incluye el de estructuras para fijar los soportes, tales como armaduras o pórticos de acero. 
 
Aun en el caso en que los soportes sean diseñados por un ingeniero estructural, el 
diseñador mecánico de la tubería debe conocer el diseño de los mismos, por la interacción 
directa entre tuberías y soportes. 
 
 
 
 
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1.3.1 Procedimiento de diseño de tuberías. 
 
 
La lista siguiente muestra los pasos que deben completarse en el diseño mecánico de 
cualquier sistema de tuberías: 
 
a) Establecimiento de las condiciones de diseño incluyendo presión, temperaturas y 
otras condiciones, tales como la velocidad del viento, movimientos sísmicos, 
choques de fluido, gradientes térmicos, pruebas hidrostáticas y número de ciclos 
de varias cargas entre otras. 
 
b) Determinación del diámetro de la tubería, el cual depende fundamentalmente de 
las condiciones del proceso, es decir, del caudal, la velocidad y la presión del fluido. 
 
c) Selección de los materiales de la tubería con base en corrosión, fragilización y 
resistencia. 
 
d) Selección de las clases de “rating” de bridas y válvulas. 
 
e) Cálculo del espesor mínimo de pared (cédula) para las temperaturas y presiones de 
diseño, de manera que la tubería sea capaz de soportar los esfuerzos producidos 
por la presión del fluido. 
 
f) Establecimiento de una configuración aceptable de soportes para el sistema de 
tuberías. 
 
g) Análisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los esfuerzos térmicos y 
mecánicos producidos en la tubería por los distintos tipos de carga estén dentro de 
los valores admisibles, a objeto de comprobar que las cargas sobre los equipos no 
sobrepasen los valores límites, satisfaciendo así los criterios del código a emplear. 
 
 
1.3.2 Criterios para el diseño mecánico de sistemas de tuberías de plantas 
de proceso. 
 
 
En esta parte del diseño de sistema de tuberías, se establecen las condiciones que rigen el 
diseño mecánico como son: las temperaturas, presiones, y esfuerzos aplicables a los 
sistemas de tuberías. También deben tomarse en cuenta las condiciones ambientales, los 
esfuerzos externos y los asociados con los equipos a los que se conecten por medio de 
tuberías o accesorios. 
 
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1.3.2.1 Presión de diseño. 
 
La presión de diseño debe estar arriba de un 10 % ó 0.172 MPa (25 lb/plg2), la que resulte 
mayor, de la máxima esperada (interna) a la temperatura máxima, para líneas calientes, 
durante la operación normal. La condición mayor esperada, es aquella en la que se 
obtenga el mayor espesor requerido para la tubería y el mayor rango o clase para los 
accesorios (“rating”). 
 
 
1.3.2.2 Temperatura de diseño. 
 
La temperatura de diseño para un sistema de tuberías, es la temperatura que en 
combinación con la condición de presión, arroje el mayor espesor de pared requerido de 
acuerdo con las condiciones mencionadas en el apartado anterior. 
 
Para determinar las temperaturas de diseño se deben considerar por lo menos la 
temperatura del fluido, temperatura ambiente, radiación solar, temperatura media de 
enfriamiento o calentamiento y las previsiones aplicables. 
 
La temperatura puede establecer requerimientos de propiedades específicas del material, 
por tal motivo en el diseño de sistemas de tuberías, se deben indicar tanto en las bases de 
diseño, como en los demás documentos del proyecto, las temperaturas (máxima y 
mínima) de diseño. 
 
 
1.3.2.3 Efectos de expansión y contracción térmica. 
 
Los siguientes efectos térmicos,combinadas con cargas y otros esfuerzos, deben tomarse 
en cuenta en el diseño de un sistema de tuberías. 
 Esfuerzos por efectos térmicos. Estas cargas consisten en empujes y momentos, 
producidos en el sistema de tuberías por la expansión o contracción térmica. 
 
 Esfuerzos debidos a gradientes de temperatura. Estos esfuerzos se originan en la 
pared del tubo, como resultado de un cambio rápido de temperatura o por una 
distribución desigual de esta, tal como la de un fluido muy caliente a través de un 
tubo de pared relativamente grueso, o debido a un flujo en dos fases estratificado, 
que causa flexión en la tubería. 
 
 Efectos de soportes, anclajes y movimientos en los extremos. Se deben tomar en 
cuenta en el diseño de sistemas de tuberías, los efectos del movimiento de 
soportes, anclaje y equipo conectado. Estos movimientos pueden resultar de la 
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flexibilidad y/o expansiones térmicas de equipos, soportes o anclas; por 
asentamiento o por oscilaciones debidas al viento. 
 
 Efectos cíclicos. La fatiga debida a cargas cíclicas por presión, temperatura u otras, 
deben tomarse en cuenta en el diseño de tuberías. 
 
1.3.2.4 Determinación del espesor de la tubería. 
De acuerdo lo establecido en el numeral 304.1.1 del código ASME B31.3 [1.6] y en 8.1.2.11 
de la norma NRF-032-PEMEX-2005 [1.13], el espesor mínimo requerido para una sección 
de tubo recto, debe determinarse de acuerdo a la siguiente ecuación: 
 
 (Ec. 1.1) 
 
 
Donde: 
 
tm = Espesor mínimo requerido que incluye, las tolerancias mecánicas, por corrosión y 
erosión. 
 
c = Tolerancia mecánica, espesor adicional que se toma en cuenta debido al material que 
va a ser removido por roscado, o tolerancias por corrosión y erosión. 
 
P = presión interna de diseño. 
 
Do = diámetro exterior del tubo. 
 
Eq = factor de calidad de junta. 
 
S = Valor del esfuerzo básico permisible, a la temperatura de diseño (conocido como 
esfuerzo en caliente). 
 
Y = Coeficiente de la tabla 1.2, que toma en cuenta la temperatura de diseño y las 
propiedades del material. 
 
 
 
 
 
 
 
 
c
PYSE
PD
t
q
o
m 


2
 
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Tabla 1-2) Valores del coeficiente Y [1.6] 
Temperatura °C (°F) 
Materiales ≤482 510 538 566 593 ≥621 
(≤ 900) (950) (1000) (1051) (1099) (≥1150) 
Acero ferrítico 
Acero austenítico 
Otros metales dúctiles 
Hierro fundido 
 0.4 0.5 0.7 0.7 0.7 0.7 
 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.7 
 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 
 0.0 
 
 
Con el espesor de pared del tubo determinado conforme a la ecuación 1.1, se selecciona 
el espesor de pared comercial inmediato superior, el cual debe compararse con los 
indicados en las tablas de índice de servicios y especificaciones de materiales como las 
encontradas en el anexo 12.3 de la norma NRF-032-pemex-2005 [1.13] y seleccionar los 
que resulten mayores, para efectos de adquisición. 
 
 
1.3.2.5 Presión de trabajo permisible. 
La presión de trabajo permisible de una tubería puede ser determinada por la siguiente 
ecuación [1.16]: 
 
 
 
 
Donde: 
 
tr= espesor de pared especificado o espesor de pared real en pulgadas. 
 
 
1.4 Soporte de sistemas de tuberías. 
 
El contar con un espesor de pared adecuado de la tubería y la instalación de los soportes 
necesarios, son dos de los elementos más importantes para garantizar la integridad 
estructural del sistema de tuberías. Un buen espesor de pared es necesario para contener 
con éxito el fluido del proceso, y un sistema de soportes bien seleccionado garantizará 
que el tubo se mantenga en su lugar. Los soportes de tuberías generalmente son 
considerados como elementos estructurales utilizados para soportar el peso de la tubería 
y las cargas de operación. Sin embargo, deben permitir la expansión térmica. 
 
 
ro
r
perm
YtD
tSE
P
2
2

 (Ec. 1.2) 
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Adicionalmente a los soportes, una tubería también puede necesitar de ciertas 
restricciones que controlen su movimiento, ayuden a resistir las cargas ocasionales de 
viento y sismo, incrementar la rigidez, disminuir la vibración y así sucesivamente. El 
propósito de usar restricciones es precisamente restringir el movimiento de la tubería en 
ciertas direcciones. Esto con la finalidad de proteger a los equipos interconectados. 
Ambos, tanto los soportes como las restricciones conforman el sistema de soportado para 
un sistema de tuberías. 
 
1.4.1 Tipos de soportes. 
 
1.4.1.1 Anclajes. 
 
Existe una gran variedad de tipos de soportes para tuberías, sin embargo los elementos 
mecánicos conocidos como anclas son de interés especial en el análisis de esfuerzos en 
tuberías, ya que por su naturaleza, restringen o limitan el movimiento ocasionado por la 
expansión térmica del material, dando lugar al desarrollo de esfuerzos de origen térmico 
de magnitudes considerablemente elevadas. 
 
Los elementos de soporte utilizados como anclas se diseñan para fijar la tubería en todas 
direcciones. La mayoría de los análisis de flexibilidad se realizan suponiendo que dos 
puntos de la tubería están anclados. El objetivo de estos elementos es proteger el equipo 
terminal u otras secciones más débiles del sistema. La figura 1.1 muestra algunas de las 
disposiciones más comunes de los anclajes de tuberías. Las conexiones entre una tubería y 
un equipo son consideradas como anclajes, figura 1-1a. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1-1) Anclajes de tuberías 
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17 
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1.4.1.2 Apoyos. 
 
Los apoyos se utilizan para sostener una porción del peso del sistema de tuberías y otras 
cargas verticales. Sin embargo, está específicamente referido como el dispositivo que 
actúa por debajo de la tubería, en contraste con el colgante que está trabajando desde 
arriba de la tubería, figura 1-2a. 
 
 
 
 
Figura 1-2) Soportes tipo “apoyo” 
 
 
La figura 1-2 muestra algunos los tipos de apoyos comúnmente encontrados en la 
industria. Los apoyos se distinguen principalmente por la zapata que utilizan para 
descansar sobre la estructura (rack). El esquema más económico y simple de apoyo es 
descansar directamente el tubo sobre la estructura, como se muestra en la figura 1-2b. 
Cuando el tubo tiene que contar con aislamiento, generalmente se requiere de una 
zapata. La figura 1-2c muestra una zapata hecha a partir de un elemento de acero 
estructural de sección tipo T invertida. Este apoyo se utiliza sólo para tubos llamados de 
diámetro menor, hasta un tamaño de 10 pulgadas (250 mm). Para tubos grandes, 
llamados de diámetro mayor, por ejemplo de 12 pulgadas (300 mm) hasta 24 pulgadas 
(600 mm), la zapata tipo H, como se muestra en la figura 1-2d, puede ser utilizada. Esta 
zapata es tomada de un perfil de acero de ala ancha. En este caso, la carga se divide en 
dos partes iguales. 
 
 
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1.4.1.3 Colgante. 
 
Al igual que un apoyo, un colgante se usa específicamente para sostener una porción de 
peso del sistema de tuberías y cargas verticales superpuestas. Sin embargo, un colgante 
sostiene el peso de tuberías desde arriba, y su carga es siempre en tensión. Debido a esta 
naturaleza a la tracción, una varilla delgada puede ser utilizada sin la preocupación de que 
exista pandeo. 
 
Un colgante es suspendido de una estructura con la varilla desplazándose con cierta 
amplitud fijada, como se muestra enla figura 1-3. Cuando la tubería se mueve debido a 
expansión térmica u otras cargas, la varilla del colgante se inclina, oponiendo cierta 
resistencia al movimiento horizontal. Sin embargo, hay libertad de una cantidad deseada 
de movimiento vertical y de giro. En caso de requerirse movimiento vertical, se instala un 
resorte que le da 3 grados de libertad. 
 
 
 
 
 
Figura 1-3) Soporte colgante. 
 
 
En el caso de que exista movimiento vertical, se emplean resortes, que cuando se 
descansan en un plano sin guías permite los tres movimientos (x, y y z), figura 1-4. 
 
 
 
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Figura 1-4) Soporte colgante tipo resorte (spring hanger). 
 
 
1.4.2 Espaciamiento entre soportes. 
 
La localización de los soportes depende del tamaño de la tubería, configuración de la 
misma, localización de las válvulas y accesorios y de la estructura disponible para el 
soporte de tuberías. Sin embargo, en un tendido de tubería horizontal, sencillo, en campo 
abierto, el espaciamiento de soportes depende únicamente de la resistencia del tubo, 
limitada por los esfuerzos longitudinales que deben mantenerse dentro de los límites o, 
en algunos casos, por la máxima deflexión. 
 
Tabla 1-3) Espaciamiento sugerido entre soportes de tubos. [1.17] 
Tamaño nominal de tubo Máximo “claro” sugerido 
Servicio: agua Servicio: vapor, gas o aire. 
pulg mm ft m ft m 
1 25 7 2.1 9 2.7 
2 50 10 3.0 13 4.0 
3 80 12 3.7 15 4.6 
4 100 14 4.3 17 5.2 
6 150 17 5.2 21 6.4 
8 200 19 5.8 24 7.3 
12 300 23 7.0 30 9.1 
16 400 27 8.2 35 10.7 
20 500 30 9.1 39 11.9 
24 600 32 9.8 42 12.8 
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20 
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En caso que se presenten cargas concentradas (válvulas, bridas, etc.), los soportes 
deberían estar puestos tan cerca como sea posible a la carga, con la intención de 
mantener el esfuerzo de flexión al mínimo. Además, en la práctica, un soporte debería ser 
colocado inmediatamente después de cualquier cambio de dirección en la tubería. 
 
Es de vital importancia realizar la localización de los soportes con cuidado extremo. Una 
vez que el análisis de la tubería haya sido completado, ningún soporte podrá ser 
relocalizado sin causar cambios significativos en los niveles de esfuerzos en la tubería o 
cambios en las reacciones sobre los equipos adyacentes al soporte cambiado y muy 
posiblemente se necesitará de un nuevo análisis. 
 
 
1.5 Análisis de flexibilidad en sistemas de tuberías. 
 
El análisis de flexibilidad de tuberías consiste en determinar si una línea posee la suficiente 
capacidad para absorber las cargas que inciden sobre ella tales como: 
 
 El propio peso de la tubería. 
 La expansión térmica. 
 Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso. 
 Efectos locales debido a las reacciones en los soportes. 
 Vibraciones, terremotos y otras. 
 
Todos estos estados de cargas deben considerarse en el análisis de un sistema de tubería. 
Como regla general, el esfuerzo más limitante y de mayor relevancia es el de la expansión 
térmica. 
 
El análisis de flexibilidad se debe realizar para asegurar el cumplimiento de los códigos y 
normas en las prácticas de ingeniería. Específicamente, esto incluye la verificación de los 
esfuerzos en las tuberías, las fuerzas y los momentos resultantes en boquillas de equipos, 
soportes y uniones bridadas. 
 
Los sistemas de tuberías deben poseer la flexibilidad suficiente de manera que la 
expansión o la contracción térmica, así como los movimientos de soportes y equipos, no 
conduzcan a: 
 
 Falla de la tubería o de los soportes por esfuerzos excesivos o fatiga. 
 Fugas en las juntas. 
 Falla de las boquillas de los equipos conectados (recipientes a presión, bombas y 
turbinas entre otros.), por reacciones excesivas (fuerzas y momentos). 
 
 
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1.5.1 Consideraciones Generales. 
 
Para determinar los efectos de expansión y esfuerzos en un sistema de tuberías, es 
necesario conocer: 
 
a) Cuál código se aplica al sistema. 
 
b) Las condiciones de presión y temperatura de diseño. 
 
c) Las especificaciones del material. 
 
d) El diámetro de tubería y el espesor de pared de cada componente del sistema. 
 
e) El esquema del sistema incluyendo dimensiones y movimientos térmicos en 
cualquier punto. 
 
f) Limitaciones de reacciones finales en los puntos, tales como las establecidas por 
los fabricantes de equipos. 
 
Teniendo determinadas las bases del problema, el código aplicable podría establecer los 
requerimientos mínimos de seguridad para el material a las condiciones de presión y 
temperatura de diseño. Algunos códigos especifican los coeficientes de expansión térmica 
y el módulo de elasticidad para materiales comúnmente usados en tuberías, así como 
también proporcionan las fórmulas para determinar los factores de intensificación de 
esfuerzos y los factores de flexibilidad para los componentes del sistema, casos específicos 
son los codos y tees. Estos son los puntos mas críticos, ya que debido al cambio de 
dirección se generan concentraciones de esfuerzos. 
 
1.5.2 Requerimientos de Flexibilidad en un Sistema de Tuberías 
 
En las tuberías, así como en otras estructuras, el análisis de los esfuerzos puede llevarse a 
cabo con diferentes grados de precisión. En un extremo está la sencilla comparación con 
arreglos similares, que han cumplido satisfactoriamente con los requerimientos del 
servicio; en el otro extremo, están los métodos del cálculo, que envuelven largos y 
complicados procedimientos y que son relativamente costosos para un grupo de 
ingeniería. 
 
Por esta razón, debe asegurarse que se cumplan los siguientes requerimientos como 
mínimo: 
 
a) El rango de esfuerzos en cualquier punto debido a desplazamientos en el sistema 
no debe exceder el rango de esfuerzos permisibles. 
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b) Las fuerzas de reacción no deben perjudicar a los soportes o equipos conectados. 
 
c) Los movimientos de la tubería deben estar dentro de los límites establecidos. 
 
Existen dos modalidades de análisis de flexibilidad: (1) El análisis de flexibilidad informal y 
(2) el análisis de flexibilidad formal. En este aspecto, el código ASME B31.3 identifica 
ciertas condiciones, para las cuales no se requiere el análisis formal para confirmar la 
aceptabilidad de la tubería, desde el punto de vista de su flexibilidad. Estas condiciones 
son [1.6]: 
 
a) Cuando los sistemas puedan valorarse con sistemas previamente comprobados, 
mediante un procedimiento sencillo. 
 
b) Para efectos de expansión, cuando los sistemas sean de diámetro uniforme y no 
tengan más de dos puntos de fijación ni restricciones intermedias, además de 
encontrarse dentro de los límites de aplicación de la siguiente ecuación: 
 
 
12
K
UL
Dy


 
 
Donde: 
 
D = diámetro exterior de la tubería, en mm. 
y = resultante del crecimiento térmico por absorber, en mm. 
L = longitud total de la tubería entre anclas, en mm. 
U = distancia en línea recta entre anclas, en mm. 
K1 = 208 000 SA/EA, (mm/m)
2 
 
1.5.2.1 Análisis detallado obligatorio. 
 
Un análisis detallado obligatorio se requiere cuando: 
 
a) Cualquier sistema que no cumpla con el criterio anterior, debe estudiarse con 
métodos de análisis simplificados, aproximados o generales, que sean adecuados 
para cada caso específico. 
 
b) Los métodos de análisis, deben tomar en cuenta los factores de intensificación de 
esfuerzo para cualquier accesorio diferente al de la tubería recta. Se debe tomar 
en cuenta la flexibilidad extra de componente. 
 
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c) Los sistemas de tubería que sean determinados comocríticos, deben estar 
sometidos a un análisis detallado de flexibilidad, como mínimo se deben incluir los 
siguientes: 
 
 Tuberías de proceso que conecten a equipos principales como bombas, 
compresores, turbina, hornos, calderas y recipientes de alta presión. 
 
 Tuberías de transferencia. 
 
 Tuberías operando a baja temperatura, (por debajo de -60°c) 
 
 Tuberías conectadas a sistemas con válvulas de seguridad o sujetas a 
reacciones por descarga de fluido. 
 
 Tuberías que requieran o tengan juntas de expansión. 
 
 Todas las tuberías que conducen fluidos altamente tóxicos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.6 Planteamiento del problema. 
Para el esquema de operación actual, el complejo industrial INNOPHOS FOSFATADOS DE 
MÉXICO maneja varios niveles energéticos de vapor, estos son [1.18]: 1) Vapor 
sobrecalentado a alta presión recuperado de la Planta de Ácido Sulfúrico con P= 35 
kg/cm², T= 330 °c; 2) Vapor de alta presión saturado, generado en calderas 1,2 y 3 con P= 
28 kg/cm²; T= 250°c 3) Vapor sobrecalentado de alta presión, generado en caldera 4 con 
P= 30 kg/cm², T= 350 °c. 
 
Las condiciones de operación son muy variables, pero un escenario típico se describe en la 
tabla siguiente figura: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1-5) Esquema típico de generación de vapor. 
 
A raíz de la alza que se ha presentado en la energía eléctrica y en la roca fosfórica, que es 
materia prima del complejo industrial, la compañía ha optado por integrar un sistema 
nuevo de cogeneración, ya que provee la opción más rentable de producción simultánea 
de energía eléctrica y energía calorífica a partir del combustible gas, además de que el 
potencial de ahorro de energía primaria que ofrecen las plantas de cogeneración con 
 
Qm=22 ton/h 
P=28 kg/cm
2
 
Calidad: saturado 
Qm=43 ton/h 
P=28 kg/cm
2
 
Calidad: saturado 
Qm=50 ton/h 
P=28 kg/cm
2
 
Calidad: saturado 
Qm=14 ton/h 
P=30 kg/cm
2
 
Calidad: sobrecalentado 
Condensado 
Agua 
tratada 
 
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turbogenerador a gas, es muy alto, al compararlo con la generación separada de 
electricidad y calor, lo que se traduce en una importante reducción de los costos 
energéticos. 
 
Este sistema consiste en el aprovechamiento del exceso de vapor producido en la planta 
de ácido sulfúrico y transformar las pérdidas energéticas ocasionadas en la expansión de 
vapor residual a energía eléctrica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1-6) Esquema actual del sistema de cogeneración de INNOPHOS. 
 
Este sistema de cogeneración opera en rangos de presión y temperatura del orden de los 
330 kg/cm2 y 330 °c respectivamente, de tal forma que muy frecuentemente se presentan 
una serie de problemas ligados a la actual condición estructural del sistema de tuberías, 
como lo son: 
 
 Fugas de vapor en los acoplamientos entre secciones de tubería, que van del 
turbogenerador, al cabezal principal de alta presión. 
 
 Daño de válvulas de diámetro mayor (de un costo elevado). 
 
 Fallas en la tornillería de sujeción de las bridas. 
 
 Deflexiones excesivas en la tubería, así como exceso de carga en los equipos 
conectados. 
Qm=60, 000 kg/h 
P=35 kg/cm2 
T=330 °c 
H=730 kcal/kg 
Qm=60, 000 kg/h 
P=2.5 kg/cm2 saturado 
H=652 kcal/kg 
5, 720 kw-hr 
ΔH=4, 658, 303 kcal/kg 
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Estos problemas convierten al área, en zona de riesgo y de no resolverse de raíz, pueden 
llegar a causar graves daños físicos en el personal de planta. Por la importancia de lo antes 
mencionado, se debe garantizar que no existan fallas en los materiales, ni se produzcan 
deformaciones excesivas en el sistema de tuberías que transportan el vapor de alta 
presión, ya que estos sistemas están sujetos a cambios bruscos en sus condiciones 
hidráulicas debido a características propias de operación, tales como paradas de 
emergencia y cierre de válvulas que generan un fenómeno conocido como golpe de ariete. 
 
Para resolver con éxito esta problemática y garantizar la integridad y seguridad del 
sistema, se llevará a cabo un análisis de esfuerzos al cabezal de vapor de 18” de diámetro 
del sistema de cogeneración y a sus ramales. Para lograr esto, es importante contar con la 
normatividad internacional vigente de diseño de tuberías, tal como el código ASME B31.3 
para tuberías de proceso y normas mexicanas como PEMEX NRF-032-PEMEX-2005 para 
sistemas de tuberías en plantas industriales, diseño y especificación de materiales, etc. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.7 Referencias. 
 
 
 1.1 Rase, Howard; Piping Design For Process Plants; John Wiley; 1973. 
 
 
 2.1 Smith, Peter; The Fundamentals of Piping Design; Gulf Publishing Company; 2007. 
 
 
 3.1 Smith, Peter; Advanced Piping Design; Gulf Publishing Company; 2008. 
 
 
 4.1 Glynn E. Woods, P.E.,; Practical Guide to ASME B31.3; Casti Publishing Inc.; 1997. 
 
 
 5.1 Instituto Mexicano de la Construcción en Acero (IMCA); Manual de Construcción en 
Acero - Diseño Por Esfuerzos Permisibles; Limusa; 1986. 
 
 
 6.1 American Society of Mechanical Engineers; Process Piping B31.3; ASME international; 
2008. 
 
 
 7.1 American Society of Mechanical Engineers; B16.5 Pipe Flanges and Flanged Fittings; 
ASME international; 2009. 
 
 
 8.1 American Society for Testing and Materials; A/105 - Standard Specification for 
Carbon Steel Forgings for Piping Applications; ASTM international; 2003. 
 
 
 9.1 Rubén E. Rollino; Curso del Contenido y Aplicación del Código ASME B31.3 para 
tuberías de refinerías y plantas de químicas; CEACA; 2003. 
 
 
 10.1 American Society of Mechanical Engineers; B16.9 Factory - Made Wrought Steel 
Butt Welding Fittings; ASME international; 2003. 
 
 
 11.1 American Society of Mechanical Engineers; B16.11 Forged Steel Fittings Socket - 
Welding and Threaded; ASME international; 1996. 
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28 
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 12.1 American Welding Society; AWS A5.01 Filler Metal Procurement Guidelines; AWS 
international. 
 
 
 13.1 Comité de Normalización de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios, 
Sistemas de Tuberías en Plantas Industriales NRF-032-PEMEX, 2005. 
 
 
 14.1 Comité de Normalización de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios, 
Espaciamientos Mínimos y Criterios para la Distribución de Instalaciones Industriales NRF-
010-PEMEX, 2004. 
 
 
 15.1 Comité de Normalización de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios, diseño 
y construcción de recipientes a presión NRF-028-PEMEX, 2010. 
 
 
 16.1 Sam Kannappan, P. E.; Introduction to Pipe Stress Analysis; John Wiley; 1986. 
 
 
 17.1 Paul R. Smith, P. E.; Piping and Pipe Support Systems; Mc-Graw-Hill; 1987. 
 
 
 18.1 Estudio técnico realizado por TECNO PINCH Integral Solutions para INNOPHOS 
FOSFATADOS DE MÉXICO S.A. DE C.V., Integración Energética de un sistema de 
Cogeneración. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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INGENIERÍA DE PROYECTOS. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2.1 Ingeniería de proyectos. 
 
En los primeros días de la industria química, las nuevas plantas eran proyectadas por un 
químico y un ingeniero mecánico ayudados por uno o dos dibujantes. El proyecto 
progresaba lentamente, pero como los procesos eran simples, la tarea se podía completar 
en un tiempo razonable.