¿Qué son los recipientes sujetos a presión?
Los recipientes sujetos a presión son recipientes diseñados para contener fluidos o gases a altas presiones. Pueden encontrarse en diversos entornos, desde calderas industriales hasta tanques de submarinismo. Los recipientes a presión están muy regulados y deben cumplir estrictas normas de seguridad para garantizar que puedan soportar las presiones extremas a las que están sometidos.
Además de acero, los recipientes sujetos a presión también pueden fabricarse con aluminio o materiales compuestos. Los recipientes sujetos a presión pueden tener forma esférica o cilíndrica y su tamaño varía desde pequeños tanques que puede transportar una persona hasta enormes recipientes industriales de varios pisos de altura. Independientemente de su tamaño o forma, todos los recipientes sujetos a presión comparten un objetivo común: contener con seguridad su contenido a altas presiones.
¿Cuáles son las distintas normas para recipientes sujetos a presión?
Varias normas y reglamentos controlan todos los componentes de los recipientes sujetos a presión. Sin embargo, el Código de Calderas y Recipientes a Presión (BPVC) de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) es una norma ampliamente aceptada.
Como parte de sus responsabilidades, el departamento diseña, construye, instala, prueba, inspecciona y certifica calderas, recipientes a presión y componentes de centrales nucleares. La sección VIII de la ASME BPVC regula los recipientes a presión. Tiene tres divisiones:
División I
Abarca todos los recipientes sujetos a presión diseñados para funcionar a una presión interna o externa que puede superar los 15 psig. Es posible utilizar un recipiente con fuego o sin él y obtener la presión mediante una fuente externa o un calentamiento indirecto. Los ingenieros adaptan el enfoque del diseño por reglas. La División I se basa en la teoría de la tensión normal.
División II
Esta sección abarca todos los recipientes sujetos a presión destinados a funcionar con presiones internas o externas de hasta 10.000 libras por pulgada cuadrada. Los requisitos de materiales, diseño y examen no destructivo de la División II son más estrictos que los de la División I. Significa que los cálculos necesarios son más detallados.
Los ingenieros de esta división utilizan el diseño por análisis para someter los recipientes a presión a mayores niveles de tensión. A diferencia de la División I, se basa en la teoría de la energía de distorsión máxima.
División III
Identifica los recipientes sujetos a presión requeridos y no permitidos para su uso por encima de 10.000 libras por pulgada cuadrada.
Otra norma que mantiene la integridad de los recipientes a presión es el Código API 510 de inspección de recipientes a presión para inspección en servicio, clasificación, reparación y alteración.
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Tipos de recipientes a presión
Existen distintos tipos de recipientes sujetos a presión según su forma o función. Entre los tipos de recipientes a presión se incluyen:
Tipos de recipientes a presión según su finalidad
Recipientes de almacenamiento
Los recipientes de almacenamiento son recipientes a presión que contienen líquidos, vapores y gases. Es posible reutilizar los recipientes para futuros procesos o para almacenar productos acabados como gas natural comprimido (GNC) y nitrógeno líquido.
Intercambiadores de calor
Los intercambiadores de calor ayudan a transferir calor entre dos o más fluidos. Las industrias de bioprocesamiento, alimentaria, farmacéutica y energética son las que más los utilizan. Los equipos para intercambiadores de calor se diseñan en función de las propiedades térmicas y de flujo de los fluidos que intervienen en el intercambio de calor y en función de la propiedad térmica del tabique conductor (para intercambiadores de calor de contacto indirecto). Los materiales de los intercambiadores de calor están sometidos a tensiones debidas a la diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frío y a su presión interna.
Calderas
Las calderas son máquinas que utilizan distintos tipos de energía para generar calor. Con este calor, los líquidos se convierten en vapor. Una caldera suele estar compuesta por recipientes metálicos que transfieren calor de una fuente a un fluido. El vapor de la caldera se utiliza para diversos fines. La caldera hace que el vapor vaya más rápido para que pueda hacer girar los álabes de la turbina. La caldera debe ser sólida para soportar toda la presión y el calor. La mayoría de los materiales se debilitan cuando se calientan.
Recipientes de proceso
Los recipientes de proceso son grandes contenedores en los que tienen lugar procesos industriales como la mezcla y agitación, la decantación, la destilación y separación de sustancias químicas y las reacciones químicas. La presión dentro de un recipiente de proceso cambia en función del proceso y de las sustancias utilizadas.
Tipos de recipientes a presión según su geometría
Recipientes a presión esféricos
Los recipientes sujetos a presión esféricos son adecuados para contener líquidos a mucha presión. Son robustos y no se rompen fácilmente, pero son difíciles y costosos de fabricar. La presión se reparte uniformemente en la esfera, por lo que no hay puntos débiles. Las esferas tampoco ocupan tanto espacio como otras formas. Los recipientes esféricos utilizarán menos material que los cilíndricos si son del mismo tamaño. Los recipientes esféricos también tienen menos probabilidades de transferir calor que otras formas debido a su menor superficie.
Recipientes a presión cilíndricos
Los recipientes sujetos a presión cilíndricos tienen una carcasa cilíndrica y uno o varios cabezales. La carcasa cilíndrica es el cuerpo principal del recipiente a presión. Las cabezas son como tapas que cubren el contenido del recipiente y pueden tener un perfil más plano o más redondeado. Reduce la debilidad del contenedor cilíndrico.
Los recipientes a presión cilíndricos se encuentran entre los tipos más populares debido a sus múltiples aplicaciones posibles. Son menos costosos de producir que los recipientes esféricos, pero no tan duraderos. Por tanto, los recipientes a presión cilíndricos deben tener paredes más gruesas que los esféricos para soportar la misma presión.
¿Cuáles son las distintas orientaciones de los vasos sanguíneos?
Un recipiente cilíndrico puede tener un eje horizontal o vertical en función de su finalidad.
Orientación vertical del recipiente
- Para espacios reducidos
- Para recipientes de pequeño volumen
- Para una mezcla eficaz de fluidos en tanques de mezcla
- Cuando la relación gas-líquido es alta
- Para facilitar la extracción de componentes en la separación líquido-líquido
Orientación horizontal del recipiente
- En intercambiadores de calor para facilitar la limpieza
- En tanques de decantación y tambores flash para tener menos arrastre
¿Cuáles son los criterios de selección de materiales para recipientes sujetos a presión?
- Puede cumplir los requisitos de resistencia – Los materiales utilizados para fabricar el recipiente a presión deben ser lo suficientemente resistentes para durar durante su vida útil. Incluye soportar presiones internas y externas específicas y tensiones estructurales.
- Resistencia a la corrosión – Es esencial para los recipientes a presión porque deben funcionar bien en condiciones difíciles.
- Retorno de la inversión – La vida útil de un recipiente a presión debe tener en cuenta los costes de materiales, fabricación y mantenimiento.
- Facilidad de fabricación y mantenimiento: las chapas metálicas deben poder mecanizarse y soldarse para conformar la geometría de los recipientes a presión. De esta forma será más fácil instalar los elementos internos del recipiente.
- Disponibilidad – Los tamaños de los materiales de los recipientes a presión deben ser fáciles de encontrar cerca del fabricante.
¿Cuáles son los materiales más utilizados en los recipientes sujetos a presión?
Los materiales más utilizados para construir recipientes a presión son:
- Acero al carbono
- Acero inoxidable
- Hastelloy
- Aleaciones de níquel
- Aluminio
- Titanio
¿Cuáles son las diferentes pruebas de calidad e inspección de recipientes sujetos a presión?
A continuación se indican los métodos de ensayo empleados para garantizar la fiabilidad y el factor de seguridad del recipiente a presión.
Pruebas visuales
Un inspector certificado inspecciona los recipientes a presión al menos una vez cada cinco años. Comprobarán el interior y el exterior de la embarcación en busca de grietas, deformaciones, ampollas, fugas de fluidos, corrosión u otros daños que pudieran haberse producido.
Pruebas ultrasónicas
Esta herramienta utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para detectar defectos superficiales o subsuperficiales y medir el grosor de la pared del recipiente a presión. El material absorbe las ondas sonoras ultrasónicas y las convierte en una señal eléctrica a través de un transductor. Si hay algún defecto, las ondas reflejadas se verán alteradas.
Pruebas radiográficas
Una prueba radiográfica consiste en utilizar rayos X o gamma para crear una imagen de lo que hay bajo la superficie de un recipiente a presión. Las discontinuidades, los agujeros y las diferencias de densidad cambiarán la forma en que se reflejan las ondas. A continuación, se expondrá la película.
Este método produce resultados coherentes, por lo que es muy utilizado. Sin embargo, la exposición a la radiación es cara y requiere una formación especializada.
Pruebas con partículas magnéticas
La máquina utiliza corriente magnética para detectar imperfecciones superficiales en materiales ferromagnéticos. El inspector hace pasar una corriente magnética a través del recipiente a presión entre dos sondas. Si el material no tiene defectos, el flujo fluye suavemente a través de él. Pero si hay grietas u otras anomalías, parte del flujo magnético se escapará del material alrededor de esas zonas. Estas imperfecciones serán más visibles una vez que las partículas ferromagnéticas -en suspensión líquida o en polvo- se apliquen al exterior del casco.
Pruebas con líquidos penetrantes
Un inspector aplica una pequeña cantidad de un líquido llamado penetrante a una zona con costuras o placas soldadas que pueden presentar defectos. Una vez que el penetrante se asienta tras la pulverización, se limpia el exceso de la superficie antes de aplicar el revelador, revelando cualquier penetrante que se haya filtrado en las grietas.
Pruebas de presión
El Código ASME BPV exige pruebas de resistencia y estanqueidad. Las pruebas de presión utilizan métodos hidrostáticos o neumáticos: los primeros emplean agua como medio, mientras que los segundos utilizan aire o nitrógeno. Es más seguro realizar pruebas neumáticas, ya que el gas comprimido contiene menos energía que el líquido comprimido. El proceso funciona eliminando todo el aire del interior del recipiente antes de llenarlo con fluido de prueba hasta alcanzar 1,5 veces la presión de diseño para pruebas hidrostáticas y 1,2-1,5 veces la presión de diseño para pruebas neumáticas, internalizando dicha presión, respectivamente.
Preguntas frecuentes sobre recipientes sujetos a presión
Los recipientes a presión esféricos, o esferas, suelen utilizarse para almacenar fluidos a alta presión, ya que son estructuralmente sólidos. La distribución uniforme de las tensiones en las superficies exteriores e interiores de una esfera no suele dejar puntos débiles vulnerables al colapso.
Una cabeza elipsoidal tiene un cambio de radio de 2:1 entre los ejes mayor y menor, y su cáscara tiene el mismo grosor de pared. La altura y ligereza de este cabezal lo hacen ideal para contener gases a alta presión. Puede gestionar presiones superiores a 15 bares.
Los recipientes sujetos a presión deben cumplir el tamaño especificado en el Código ASME de Calderas y Recipientes a Presión (código ASME BPV). Informalmente, suele referirse a cualquier recipiente cerrado de más de 150 mm de diámetro y que experimente una diferencia de presión superior a 0,5 bares.
Los recipientes sujetos a presión almacenan gases o líquidos a una presión superior a la atmosférica, con algunas presiones operativas máximas permitidas (MAOP) que alcanzan los 150.000 PSI. Los tanques de almacenamiento también almacenan gases o líquidos sólo a presión atmosférica y tienen una MAOP de 15 PSI.
