ASME BPVC – Código para calderas y recipientes sometidos a presión

A finales del siglo XVIII, se destacó el uso de calderas y la necesidad de proteger al personal contra fallas. Estas calderas operaban a presiones superiores a la atmosférica, y los resultados de su aplicación a menudo eran desastrosos.

Se realizaron varios intentos para estandarizar los criterios de diseño y cálculo. Sin embargo, en 1911, debido a la falta de uniformidad en la fabricación de calderas, los fabricantes y usuarios de calderas y recipientes a presión recurrieron al consejo de la ASME para corregir esta situación.

Finalmente, en 1915, la ASME publicó el primer código de calderas (la actual sección I) en Estados Unidos. Estos códigos se establecieron para proporcionar métodos de fabricación, registros y reportar datos de diseño.

Hasta 1930, cuando se introdujo el primer recipiente soldado, los recipientes sometidos a presión eran remachados. Las juntas de las placas se superponían o se colocaban tiras de chapa en las uniones y se perforaban para atravesarlas con remaches. Se estimaba que cada remache aportaba presión a la unión en un área de influencia específica, garantizando así la integridad de los equipos.

Históricamente, los ingenieros han aplicado el enfoque tradicional de resistencia de materiales en sus diseños. En la actualidad, continúan utilizando teorías de falla, combinándolas con ensayos no destructivos, coeficientes de seguridad y lecciones aprendidas.

Lo mencionado anteriormente abarca el diseño clásico de recipientes. En la actualidad, las verificaciones mediante Elementos Finitos (FEA) adquieren cada vez más relevancia, y no podemos dejar de utilizar esta poderosa herramienta en nuestros diseños.

El código ASME BPVC es un conjunto de normas, especificaciones, fórmulas de diseño y criterios basados en muchos años de experiencia, aplicados al diseño, fabricación, instalación, inspección y certificación de recipientes sometidos a presión. Fue creado en Estados Unidos en 1907 por iniciativa de varias compañías de seguros con el objetivo de reducir pérdidas y siniestros. El código ASME para calderas y recipientes a presión se divide en diferentes secciones.

Las secciones mostradas en la figura anterior son las doce secciones del código. Para diseñar adecuadamente un recipiente sometido a presión, es necesario conocer las secciones II, V y IX, siendo la sección VIII el objeto principal a desarrollar.

Estas 12 secciones pueden agruparse de la siguiente manera:

• Códigos de Construcción: Secciones I, III, IV, VIII, X y XII.
• Códigos de Referencia: Secciones II, V, IX.
• Reglas para el cuidado, operación e inspección en servicio: Secciones VI y VII.

Las divisiones de la Sección VIII son tres

División 1, División 2 y División 3. La División 3 se utiliza para el cálculo y diseño de equipos de muy alta presión, alrededor de 10.000 psi (703 kg/cm2), mientras que las Divisiones 1 y 2 se utilizan para el resto de aplicaciones.

Los equipos diseñados según la División 1 se basan en reglas que no requieren una evaluación detallada de todos los esfuerzos. Aunque existan esfuerzos secundarios elevados y flectores, se compensan mediante un factor de seguridad conservador.

Cuando se diseña según la División 2, se realiza un análisis más detallado, lo que permite considerar esfuerzos admisibles mayores y obtener resultados más realistas, económicos y seguros.

Otra diferencia entre la División 1 y la División 2 del ASME VIII radica en la teoría de fallas utilizada para establecer las ecuaciones de cálculo. Mientras que la División 1 se basa en la teoría del esfuerzo normal, la División 2 se basa en la teoría de la máxima energía de distorsión (Von Mises).

Además, el método de cálculo de la División 1 se basa en el diseño por reglas, mientras que la División 2 utiliza el diseño por análisis, que es un método más riguroso.

Las limitaciones más relevantes de la División 1 son las siguientes: si la presión de diseño supera los 3000 psi (210 Kg/cm2), se debe utilizar la División 2, y no se puede utilizar la División 1 para presiones por debajo de 15 psi (1,054 kg/cm2).

Además de la limitación por presión, las principales diferencias entre la División 2 y la División 1 son las siguientes:

• Tensiones admisibles: En la División 2, se permiten tensiones admisibles mayores en comparación con la División 1.
• Cálculo de esfuerzos: La División 2 realiza un análisis más detallado de los esfuerzos, considerando una variedad de cargas y condiciones de carga.
• Verificación por fatiga: La División 2 incluye requisitos adicionales para la verificación por fatiga de los recipientes sometidos a presión.
• Diseño en general: La División 2 proporciona pautas más detalladas y rigurosas para el diseño de los recipientes.
• Control de Calidad: La División 2 establece requisitos más estrictos para el control de calidad durante la fabricación de los recipientes.
• Fabricación e inspección: La División 2 establece procedimientos específicos para la fabricación e inspección de los recipientes.

No se puede establecer una regla clara para determinar cuándo utilizar la División 1 y cuándo utilizar la División 2. Cada caso debe ser evaluado individualmente y el diseñador debe considerar todas las condiciones de diseño antes de tomar una decisión. En algunos casos, puede ser apropiado realizar evaluaciones y verificaciones utilizando ambas divisiones para comparar los resultados.

Aunque no haya una regla general, el uso del gráfico que se menciona a continuación puede proporcionar criterios interesantes en la selección de la división adecuada.

Sí, se puede decir que la División 1 establece criterios conservadores y generales para el diseño de recipientes sometidos a presión. Estos criterios están diseñados para garantizar un nivel de seguridad adecuado, pero pueden resultar en diseños más robustos y costosos.

Por otro lado, la División 2 proporciona un enfoque más detallado y riguroso para el diseño de recipientes. Permite considerar esfuerzos más cercanos a la realidad y utilizar tensiones admisibles mayores. Esto, combinado con ensayos no destructivos más rigurosos durante la fabricación e inspección, puede resultar en diseños más eficientes desde el punto de vista económico.

En resumen, la División 1 se enfoca en garantizar la seguridad mediante criterios conservadores y generales, mientras que la División 2 permite un diseño más preciso y eficiente al considerar esfuerzos más cercanos a la realidad y realizar ensayos más rigurosos.

ASME BPVC Sección VIII, Div.1

La Sección VIII, División 1 del ASME BPVC establece el alcance de su cobertura en el punto U-1. El alcance se refiere tanto al tipo de equipos considerados como a la geometría del recipiente. A continuación, se resumen los puntos más importantes del punto U-1:

• U-1(a)(2): Esta sección cubre recipientes que son contenedores para la “contención” de presión interna o externa. Sin embargo, hay algunos equipos que no están cubiertos en el desarrollo de las reglas, y se proporciona una lista de esos equipos para evitar confusión.
• U-1(c)(2): VIII-1 no se aplica a ciertos recipientes, incluyendo aquellos que están cubiertos por otras secciones del ASME, calentadores tubulares de procesos y contenedores a presión que son parte integral de maquinaria rotativa.
• U-1(c)(2)(d): Los sistemas de tuberías no están cubiertos por VIII-1, a menos que la función principal del contenedor sea transferir fluido de un punto a otro del sistema. Componentes como platos de destilación y demisters, que realizan funciones de proceso, deben incluirse en el alcance de VIII-1.
• U-1(c)(2)(h): Establece que los recipientes con una presión interna o externa menor de 100 kPa pueden considerarse fuera del alcance de VIII-1.
• U-1(c)(2)(i): Exceptúa los recipientes con un diámetro interior, ancho, altura o diagonal que no superen los 152 mm, independientemente de la longitud o la presión de diseño.
• U-1(c)(2)(j): Los recipientes para ocupación humana (PVHO) están fuera del alcance de VIII-1 y se rigen por la norma ANSI/ASME PVHO-1.
• U-1(g): Permite la construcción de ciertos equipos para generar vapor de acuerdo con VIII-1, incluyendo calderas sin fuego directo y recipientes conocidos como evaporadores o intercambiadores de calor.
• U-1(e): Define el alcance geométrico del recipiente, especificando las fronteras para las juntas soldadas, roscadas y bridadas.

Organización y división del código

La división 1, está subdividida de la siguiente manera:

La Sección VIII, División 1 del Código ASME BPVC está subdividida en las siguientes partes:

Parte U: Requisitos generales para todos los recipientes a presión.

• Contiene los requisitos generales y definiciones aplicables a todos los recipientes a presión cubiertos por la División 1.

Parte UW: Requisitos de soldadura.

• Establece los requisitos para la calificación de los procedimientos de soldadura, la calificación de los soldadores y los requisitos de soldadura en la fabricación de los recipientes a presión.

Parte UCS: Requisitos para componentes de recipientes a presión.

• Cubre los requisitos para los diferentes componentes utilizados en los recipientes a presión, como las bridas, las tapas, los cuerpos, los casquetes y los fondos.

Parte UHA: Requisitos para recipientes a presión de alta presión.

• Contiene requisitos adicionales para los recipientes a presión que operan a presiones superiores a los límites establecidos en la Parte U.

Parte UCI: Requisitos para recipientes a presión de alta temperatura.

• Establece requisitos adicionales para los recipientes a presión que operan a temperaturas superiores a los límites establecidos en la Parte U.

Parte UCL: Requisitos para recipientes a presión a baja temperatura.

• Cubre requisitos adicionales para los recipientes a presión que operan a temperaturas inferiores a los límites establecidos en la Parte U.

Parte UNF: Requisitos para recipientes a presión no soldados.

• Establece los requisitos para los recipientes a presión fabricados con métodos no soldados, como el forjado, el laminado y la fundición.

Parte UHT: Requisitos para recipientes a presión de alta presión y alta temperatura.

• Contiene requisitos adicionales para los recipientes a presión que operan a altas presiones y temperaturas.

Estas partes definen los requisitos específicos para diferentes aspectos del diseño, fabricación y ensayo de los recipientes a presión cubiertos por la División 1 del Código ASME BPVC. Cada parte aborda aspectos particulares y complementarios para garantizar la seguridad y la integridad de los recipientes a presión según los diferentes escenarios operativos.

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