Proyecto Fin De Carrera - Zaguan.unizar.es

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 19 de 632.3. DESPLAZAMIENTOSA continuación, se calculan los desplazamientos necesarios para calcular la frecuencia natural.y1 " W1 % Y11 ( W2 % (Y11 ( L2 % T11 ) ( W3 % (Y11 ( T11 % ( L2 ( L3 )) ( M % T11 "6,86E-07 mmy 2 " W1 % (Y11 ( T11 % L2 ) ( W2 % (Y11 ( 2 % L2 % T11 ( L22 % ) 11 ( Y22 ) (W3 % (Y11 ( T11 % (2 % L2 ( L3 ) ( ) 11 % L2 % ( L2 ( L3 ) ( Y22 ( L3 % T22 ) (M % (T11 ( ) 11 % L2 ( T22 ) "5,59E-04 mmy3 " W1 % (Y11 ( T11 % ( L2 ( L3 )) (W2 % (Y11 ( T11 % (2 % L2 ( L3 ) ( L22 % )11 ( Y22 ( T22 % L3 ( L2 % L3 % )11) (W3 % (Y11 ( T11 % (2 % L2 ( 2 % L3 ) ( )11 % L2 % ( L2 ( L3 ) ( Y22 ( 2L3 % T22 (( L3 % ( L2 ( L3 ) % )11 ( L23 % )22 ( Y33) ( M % (T11 ( )11 % ( L2 ( L3 ) ( T22 (L3 % )22 ( L3 % )22 ( T33) "1,88E-03 mm2.4. FRECUENCIA NATURALPor lo tanto, el primer modo de vibración es:fn "12 g % (W1 % y1 ( W2 % y2 ( W3 % y3 )! 33Hz "W1 % y 21 ( W2 % y 2 2 ( W3 % y 2 3372,55 Hz 33 HzOKPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650#clase nuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 20 de 63Figura 2.1.PROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650#clase nuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 21 de 63Capítulo 3Tensiones primarias en el cuerpo y en los extremos del cuerpoPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650# clasenuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 22 de 633. TENSIONES PRIMARIAS EN EL CUERPO Y EXTREMOS DEL CUERPO3.1. REQUISITOS EN LOS EXTREMOS DEL CUERPOPara las válvulas de clases nucleares 1, 2 y 3, los extremos del cuerpo han de soportar las cargas de latubería.Las tensiones en los extremos del cuerpo se calcularán conforme a NC-3521.Datos generalesDvDtdmdTbTrrAfAmPsSvSpSADiámetro exterior de los extremos del cuerpoDiámetro exterior de la tuberíaDiámetro nominalDiámetro interior del cuello superiorEspesor del cuello superiorEspesor del extremo del cuerpoRadio de empalmeÁrea mojadaÁrea metálicaPresión de diseño a 500ºFLímite elástico del cuerpo a temperatura ambienteLímite elástico de la tubería a temperatura ambienteTensión admisible del cuerpo a 59,7716,74,172,00207,00100,00mmmmmmmmmmmmmmmm 2mm 2MPaMPaMPaMPaCuando el sistema de tubería en el cual se encuentra la válvula es diseñada según los requisitos de NC3600, el cuerpo de la válvula se considera adecuado para soportar las cargas del final de la tubería. Paraello debe cumplir las siguientes condiciones:1. El momentode de inercia mínimo en los extremos del cuerpo (Z v ) debe ser mayor al 110% del mínimomomento de inercia de la sección de la tubería (Z p ) multiplicado por la relacción entre S p /S V ( ").2. El área máxima en la sección transversal de los extremos del cuerpo (A v ) será mayor al 110% del áreamáxima de la sección transverasal de la tubería (A p ) multiplicado por la relacción entre S p /S V ( ").PROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650# clasenuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 23 de 63- Mínimo momento de inercia en los extremos del cuerpo44Z V ! !#! !(D V !"!d m )!/!64! !2710891,44 mm 4- Mínimo momento de inercia en la sección de la tuberíaZ P ! !#! !(D T 4 !"!d m 4 )!/!64! !123070,41 mm 4- Máxima área en la sección transversal en los extremos del cuerpoA V ! !#! !(D V 2 !"!d m 2 )!!/!4! !5235,95 mm 2- Máxima área en la sección transversal de la tuberíaA P ! !#! !(D T 2 !"!d m 2 )!/!4! !760,34 mm 2- Coeficiente de relación de límites elásticos a 20 ºCCs " max(SpSv;1) " * "1 2034883721,203488372VerificaciónZ V !%!1,1! !Z P ! !&2710891,44 162925,19OKA V! %!1,1! !A P ! !&5235,95 1006,57OKPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650# clasenuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 24 de 633.2. TENSIONES PRIMARIAS DEBIDAS A LA PRESIÓN INTERNACalculada conforme a ASME III NB-3545.1.3.2.1. Región transversalLas distancias L A y L N que determinan los límites del área mojada (Af) y del áre metálica (Am) secalculan de la siguiente forma:L A ! !max!(!0,5! !d A !"!T b !;!T r !) 24,00 mmL N " 0 . 5 % r ( 0 . 35430,19 mmTb % (d ( Tb ) "El cálculo del área mojada (A f ) y área metálica (A m ) se realiza a partir de una representación escaladadel cuerpo de la válvula.AfAmÁrea mojadaÁrea metálica3315,40 mm 22759,77 mm 23.2.2. Tensión primaria en la membranaLa tensión primaria en la membrana (P m ) deberá ser menor que la tensión admisible a 500 ºF (S A ) :1 Af.Pm " /( 0.5, % Ps S A0 Am-28,48 MPa 100 MPaOKPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650# clasenuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 25 de 63LANOTA: Para el cálculo de las áreas, se considerará el espesor real menos el espesorde corrosiónrequerido.Figura 3.1.PROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650# clasenuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 26 de 63Capítulo 4Cálculo del par del actuadorPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650#clase nuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 27 de 634. CÁLCULO DEL PAR DEL ACTUADOREn este capítulo se calcula el par requerído para cerrar la válvula en base a las especificaciones delEPRI.Datos generales!PPFvL paqdhAhAdm"#p"s"e# Presión diferencialPresión de diseñoFactor de la válvulaLongitud de la empaquetaduraDiámetro del ejeÁrea de la sección transversal del ejeÁre del asientoDiámetro medio de la rosca en el husilloCoeficiente de rozamientoSemiángulo de la hélice de la roscaPaso de la roscaCoeficiente de rozamiento entre cuña y asientoCoeficiente de rozamiento entre eje y empaquetaduraÁngulo de inclinación de la cuñaFactor .1. EMPUJE REQUERIDO PARA CERRAR LA VÁLVULAEl empuje necesario para cerrar la válvula (E) se calcula como la suma de F 1 , F 2 y F 3 .F 1 !" Fuerza debida a la diferencia de presión entre aguas arriba y aguas abajo del cierre.F 1! ! !P! !A! !F V! dondeFV "FV14517,63 Nes e factor de la válvula conforme a las especificaciones del EPRI.4s"cos3 ( 4s 2 sen30,61F 2 ! Fuerza debida a la fricción entre el eje y la empaquetadura conforme a formulas del EPRI.F 2 ! !P s! !d h! !#! !L paq ! !'! !( e ! donde3394,45 NP s ! !max!(!1,5!x!P!;!15!MPa)! 35,31 MPaF 3 !" Fuerza debida a la diferencia de presión entre la de diseño y la atmosférica sobre en el husillo.F 3 ! !P! !A h ! 4159,86 NPor lo tanto, el empuje requerido para cerrar la válvula será:E! !F 1 ! !F 2 ! !F 3! 22071,94 NPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650#clase nuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 28 de 634.2. PAR REQUERIDO PARA CERRAR LA VÁLVULAA continuación, se calcula el par necesario para cerrar la válvula.M TV ! !E! !f h ! dondefh "34057,78 Nmmf h es el factor de husillo calculado de la siguiente forma.dm% tg (* ( ) ) "21,54 mm# """ es la inclinación de la rosca.p" % dmtg* "0,08! es el angulo de rozamiento estático entre husillo y tuerca de roce.tg ) "4cos 5"0,154.3. VERIFICACIÓNSe comprueba que el par y empuje máximo en el volante es mayor que el par y empuje requeridopara cerrar la válvula.Datos del volantedvFM TA 2 · ( d v /2 · F/2 ) M TV EV M TA EA M TAEADiámetro del volanteFuerza máxima en el volante60000 Nmm34057,7822071,9460000,0038884,41Par requeridoEmpuje requeridoPar del volanteEmpuje del volante M TV EV300,00 mm400,00 NNmmNNmmN60000 Nmm 34057,78 NmmOK38884,41 N 22071,94 NOKPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650#clase nuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 29 de 63Capítulo 5Tensiones en el cuello del cuerpoPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650#clase nuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 30 de 635. TENSIONES EN EL CUELLO DEL CUERPOEl cálculo de las tensiones en el cuello del cuerpo se realizará aplicando ecuaciones de mecánica yresitencia de materiales de "Shigley's Mechanical Engineering 8th Edition". Se considerá el nivel D deservicio para la combinación de cargas.Combinación de cargas: Presión de diseño Peso Cargas dinámicas Fuerzas de activaciónLa verificación de las tensiones será conforme a NC-3522.Datos generalesWAPeso de la masa exendida sobre la sección A-AW actPeso del actuadorWpPeso del puenteWtPeso de la tapaWcPeso de la sección del cuerpo por encima de la sección A-AXACentro de gravedad combinadoYACentro de gravedad combinadoDiámetro medio de la juntaGPresión de diseñoPEaMáximo empude del actuadorMaMáximo par del actuadorA cvAceleración verticalA CH " A CV % 2A chAceleración horizontaldADiámetro interior de la sección A-ATensión admisible del cuerpo a temperatura de diseñoSaAValor del lado en la sección cuadrada aNNmmggmmMPammEl peso de la masa extendida sobre la sección A-A es la suma de los pesos del actuador más elpuente más la tapa más la seción del cuerpo por encima de la sección A-A.W A ! !W act ! !W p ! !W t ! !W c ! !88,82 N5.1. MOMENTO RESISTENTE Y ÁREA DE LA SECCIÓN A-AMomento resitente para una sección cuadradaJ AA3; % d A4aA"'99 646:aA286"67417768,0423 mm3F 3 !" Fuerza debida a la diferencia de presión entre la de diseño y la atmosférica sobre en el husillo.Área de la sección cuadrada; % d A2 86"AAA " a ' 99647:2A16342,03 mm2PROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650#clase nuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 31 de 635.2. TENSIÓN TANGENCIAL5.2.1. Tensión tangencial debidaa presión internaValor anteriormente calculado en el capítulo 3S T ! !P m ! !28,48 MPa5.3. TENSIÓN NORMAL EN DIRECCIÓN LONGITUDINAL5.3.1. Tensión normal debido a la presión interna % G2 % PS L1 "4 % AAA"5,86 MPa5.3.2. Tensión normal debida al peso y a las cargas dinámicas( ACV ( 1) % WA"AAAS L2 "0,03 MPa5.3.3. Tensión normal debida al empuje del actuadorS L3 "Ea"AAA2,38 MPa5.3.4. Suma de las tensiones normalesS L ! !S L1 ! !S L2 ! !S L3 ! !8,27 MPa5.4. TENSIÓN CORTANTE5.4.1. Tensión cortante debida al par del actuadortt1 "Ma"J AA0,14 MPa5.4.2. Tensión cortante debida a la aceleración horizontaltt 2 "ACH % W A"AAA0,03 MPa5.4.3. Suma de las tensiones cortantest t ! !t t1 ! !t t2 ! 0,18 MPaPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650#clase nuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 32 de 635.5. TENSIÓN TOTAL EN LA MEMBRANASe aplica Von Mises para el cálculo de las tensiones principales.2S ( SL; S ' SL 82S1 " T( 9 T6 ( tt "2: 2 728,48 MPa2S2 "ST ( S L; S ' SL 82' 9 T6 ( tt "227:8,27 MPa5.6. VERIFICACIÓN DE LA TENSIÓN MÁXIMALa verificación de la tensión máxima en la membrana para nivel de servicio D se calcula conforme aN202NC-3522 (tabla 3521-1).S 11 ! !Max!(!S 1 !;!S 2 !)! "!2S28,48 MPa 230 MPaOK5.7. TENSIONES DEBIDAS A LA FLEXIÓNLas tensiones de doblado son causadas por el peso y las cargas dinámicas, y se determinan a travésde la siguiente expresión.SB "WA % ( X A % ( ACV ( 1) ( YA % ACH )"J AA0,16 MPa5.8. TENSIÓN TOTAL DEBIDA A LA FLEXIÓNSe calculan las tensiones principales aplicando Von Mises2S ( SL ( SB; S ' SL ' SB 82( 9 TS '1 " T6 ( tt "22:728,48 MPa2S '2 "ST ( S L ( S B; S ' SL ' S B 82' 9 T6 ( tt "22:78,44 MPa5.9. VERIFICACIÓN DE LA TENSIÓN MÁXIMA A FLEXIÓNLa verificación de la tensión general en la membrana y la tensión debida a la flexión para un nivel Dde servicio se realiza conforme a NC-3522 tabla (3521-1).S' 11 ! !max!(!S' 1 !;!S' 2 !)! "!2,4S28,48 MPa 276 MPaOKPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650#clase nuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 33 de 63Sección AFigura 5.1.PROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650#clase nuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 34 de 63Capítulo 6Análisis de la brida cuerpo/tapaPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650# clasenuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 35 de 636. ANÁLISIS DE LA BRIDA CUERPO/TAPAEl cálculo y la verificación tensional se realiza según ASME III Div. 1 Apéndice XI.Datos generalesWBXBYBA cvA cHGPbobmySbSanbMnArAbBAKRg1Cg0hh0FtTUVS fofY1ZS faSmMaEaPeso de la masa extendida sobre la sección B-BCentro de gravedad combinadoCentro de gravedad combinadoAceleración verticalAceleración horizontalDiámetro medio de la juntaPeresión de diseñoAnchura de la junta (Tabla XI-3221.1.2)Anchura efectiva (Table XI-3221.1.2)Factor de la junta (Table XI-3221.1)Tensión constante (Table XI-3221.1)Tensión admisible de los espárragos a temperatura de diseñoTensión admisible de los espárragos a temperatura ambienteNúmero de espárragosDiámetro de los espárragosÁrea efectiva de los esparrágosÁrea de tensión de los esparrágosDiámetro interior de la tapaDiámetro exterior de la tapaRelación de diámetrosDistancia del centro del tornillo al cuelloMáximo espesor del cuelloDiámetro entre centros de los espárragosMínimo espesoe del cuelloLongitud de verticeFactor h oConstante F en fig XI-3240-2Espesor de la bridaConstante T en fig XI 3240-1Constante U en fig XI 3240-1Constante V en fig XI 3240-3Tensión admisible de la tapa a temperatura de diseñoConstante f en fig XI-3240-6Constante Y en fig XI 3240-1Constante Z en fig XI 3240-1Tensión admisible de la tapa a temperatura ambienteTensión admisible a temperatura de diseño para 6.3.3.4 y 6.3.4.1Máximo par del actuadorMáximo empuje del 52,69NmmmmggmmMPammmmMPaMPaMPammmm 2mm 2mmmmmmmmmmmmmmmmmmMPaMPaMPaNmmNPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650# clasenuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 36 de 636.1. PRESIÓN DE LA BRIDALa presión de diseño usada para el cálculo de H en el apéndice XI, usada en los cálculossiguientes, será sustituida por la presión de diseño de la brida (P fd ) según NC-3658.P fd ! !P eq ! !P! dondeP eq24,36 MPaes la presión equivalente; 8 % M fd 16xM FS 86"Peq " max99;33 6: %G %G 7con[(3658.1) (b)]0,82 MPaM fd ! !W B ! !(X B ! !(A CV ! !1)! !Y B ! !A CH )! !67153,97 NmmM FS ! M a 60000,00 Nmm6.2. CONDICIONES DE DISEÑO6.2.1. Cárgas y áreas de los espárragosLas cargas y las áreas de los espárragos se calculan según el apéndice XI-3220.A) Condiciones de diseño (XI-3221-1)La carga requerida por los espárragos para las condicione de diseño (W m1 ) debe ser suficientepara resistir la fuerza hidrostática (H) ejercida por la presión de diseño en el área delimitada por eldiámetro de la reacción de la junta, y además, para manterner la superficie de contacto de lajunta una carga de compresión (H p ) suficiente para mantener la estanqueidad.W m1 ! !H! !H p Wm1 " %G2 % Pf d ( 2%b% %G%m% P "4[XI-3221.1 (1)]141439,42 NB) Condiciones de asiento de la junta (XI-3221-2)Antes de apretar totalmente la unión, es necesario asentar la junta adecuadamente aplicandouna mínima carga inicial bajo condiciones de temperaturá ambiente y sin presión interna.La carga inicial mínima del esparrago (W m2 ) requerida para este efecto se determina a través dela siguiente ecuación:Wm2 " % b % G % y "20646,69 N[XI-3221.2 (2)]PROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650# clasenuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 37 de 63C) Área requerida y real de los espárragos (XI-3222)El área de sección transversal de los espárragos (A m ) requeriada para las condiciones de diseño ylas condiciones de asiento de la junta es la mayor entre los valores (A m1 ) y (A m2 ) . El área realexistente de la tensión de los espárragos (A b ) debe ser mayor que el área requerida (A m ) .W m1"SbW" m2 "SaAm 1 "Am 2962,17 mm2140,45 mm 2A m ! !max!(A m1 !;!A m2 )! 962,17 mm 2VerificaciónA b !!! !!!A m1192,24 962,17OKPROYECTO FIN DE CARRERA: Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4” de 1650# clasenuclear 2

Documento: PFC-AJCRevisión: 0Fecha: 05/07/2015Página: 38 de 636.2.2. Carga total de los espárragos para asegurar la junta (XI-3223)Para el asiento de la junta, la carga total (W) es:W"( Am ( Ab ) % S a"2158349,35 N[XI-3223(4)]6.2.3. Momentos en la brida (XI-3230)A) Por condiciones de diseño (XI-3230)En condiciones de diseño, el momento total en la brida (M o ) es la suma de los momentos M D , M Gand M T definidos en XI-3130.M o ! !M D! !M G ! !M T ! !5015840,28 NmmdondeMDMomento debido a la fuerza hidrostática (H D ) y la distancia radial desde el centro delespárrago al punto donde actúa la fuerza hidrostática (h D ) (Tabla XI-3230-1).M D ! !H D ! !h D! dondeHD "hDMG199872,75 Nmm 4% B 2 % P fd

FECHA NOMBRE AUTOR: DIRECTOR: 05/07/2015 05/07/2015 Documento: PFC-AJC Revisión: 0 Fecha: 05/07/2015 . Espesor mínimo del cuerpo 2. Análisis de la frecuencia natural 3. Tensiones primarias en el cuerpo y extremos del cuerpo . Cálculo y comprobación de una válvula de compuerta de 1 1/4" de 1650# clase nuclear 2 Documento: PFC-AJC .