ASME VIII Div 1 frente a Div 2: costo y espesor de pared
Para una autoclave de oxidación a presión de 4.5 MPa y 4.0 m de diámetro interior en SA-516 Grado 70, la División 1 exige unos 74 mm de envolvente donde la División 2 exige unos 50 mm. Esa diferencia de 24 mm son unas 23 t de acero en una envolvente de 10 m, y normalmente paga entre tres y cinco veces el trabajo adicional de diseño por análisis. Bajo unos 2 MPa y 2.5 m de diámetro la aritmética se invierte y la División 1 es más barata.
Puntos clave
- La diferencia de espesor nace de la base de tensión admisible y de la eficiencia de junta obligatoria, no de fórmulas distintas.
- La Div 2 recorta el espesor un 25–35 % por encima de 3 MPa en envolventes de gran diámetro.
- La Div 2 añade 300–600 horas de ingeniería, una especificación de diseño del usuario y examen no destructivo más exigente.
- Bajo unos 2 MPa y 2.5 m de diámetro manda el espesor mínimo y la Div 2 cuesta más sin beneficio.
- Use Div 2 cuando la pared de Div 1 supere 50 mm, cuando el servicio sea cíclico o cuando la disponibilidad de plancha sea la restricción.
Qué difiere realmente entre las dos divisiones
Las dos divisiones usan la misma fórmula de envolvente. Lo que cambia es la tensión admisible, la eficiencia de junta que se permite declarar, el análisis necesario para justificar el diseño y el examen que prueba que se construyó así. Para una envolvente cilíndrica bajo presión interna, el espesor circunferencial es t = P·R / (S·E − 0.6·P), con P presión de diseño, R radio interior, S tensión admisible de la Sección II Parte D y E eficiencia de junta.
La División 1 es un código de reglas: fórmulas prescritas, tensión admisible con un margen fijo sobre la resistencia a tracción y conformidad demostrada con cálculo más examen prescrito. La División 2 combina diseño por reglas y diseño por análisis: conserva fórmulas para geometrías comunes pero permite demostrar mayor capacidad con análisis elástico o elastoplástico, y exige especificación de diseño del usuario, cribado de fatiga y examen completo de todas las soldaduras que retienen presión.
El margen de diseño es la relación entre la resistencia mínima especificada a tracción y la tensión admisible, y de ahí viene casi toda la diferencia de espesor: la Div 2 admite un margen menor en muchos grupos de materiales, así que la misma plancha SA-516 Grado 70 lleva una tensión admisible mayor a la misma temperatura —típicamente 1.3 a 1.45 veces el valor de Div 1 en el rango que usan las autoclaves hidrometalúrgicas—. Los valores de referencia son 138 MPa en Div 1 y 202 MPa en Div 2 a 50 °C, y 125 MPa frente a 183 MPa a 220 °C.
La eficiencia de junta descuenta la tensión admisible por la calidad de la soldadura y el alcance del examen radiográfico o ultrasónico. La Div 1 permite cambiar examen por eficiencia: radiografía por muestreo da E = 0.85 y sin radiografía, E = 0.70 en algunos tipos de junta. La Div 2 exige examen completo, y por eso puede declarar E = 1.0 en toda la envolvente. El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) relaja tensiones residuales y templa la zona afectada por el calor; en Div 1 es obligatorio para acero al carbono P-No. 1 sobre 38 mm de espesor según UCS-56, y el espesor que dispara el PWHT suele importar más al costo que el espesor mismo, porque un ciclo de horno en un recipiente de 4 m y 20 t son días de taller y un ítem real de cronograma.
Ese último punto es el que más se olvida: un recipiente de Div 1 con radiografía por muestreo y E = 0.85 puede ser 15–18 % más grueso que el mismo con radiografía total y E = 1.0, antes de contar la diferencia de tensión admisible. Comparar «Div 1 con RT por muestreo» contra «Div 2» exagera la ventaja de la Div 2; la comparación honesta es Div 1 con RT total contra Div 2, y el ahorro restante es real pero menor.
Cuánto espesor ahorra realmente la Div 2
La Tabla 1 resuelve cuatro recipientes típicos, todos en SA-516 Grado 70, con 3 mm de sobreespesor de corrosión y tensiones admisibles de la Sección II Parte D a temperatura de diseño.
Tabla 1 — Espesor de envolvente, Div 1 frente a Div 2, con 3 mm de sobreespesor
| Caso | Presión | Diámetro int. | T | Div 1 calc. | Div 1 pedido | Div 2 calc. | Div 2 pedido | Ahorro |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tanque de alimentación SX | 0.6 MPa | 1.2 m | 50 °C | 2.6 mm | 8 mm (mínimo) | 1.8 mm | 8 mm (mínimo) | 0 mm |
| Tanque de lixiviación | 1.6 MPa | 2.4 m | 50 °C | 14.1 mm | 18 mm | 9.6 mm | 14 mm | 4 mm |
| Recipiente de flash | 3.5 MPa | 3.0 m | 150 °C | 36.8 mm | 40 mm | 26.1 mm | 30 mm | 10 mm |
| Autoclave POX | 4.5 MPa | 4.0 m | 220 °C | 73.5 mm | 76 mm | 49.9 mm | 52 mm | 24 mm |
La columna de espesor pedido es donde está el dinero, porque el calculado se redondea a plancha comercial y luego se contrasta con las reglas de espesor mínimo. En el caso menor el cálculo da 2.6 mm, pero el mínimo práctico de taller —8 mm en la mayoría de los estándares, por encima del mínimo del código— gobierna ambos diseños y la Div 2 no compra nada. En el mayor, 24 mm sobre unos 125 m² de plancha para 10 m de longitud son 23.6 t a 7,850 kg/m³, es decir unos 42,000 USD de material a 1,800 USD/t indicativos, antes de contar el peso ahorrado en soportes, el menor volumen de soldadura en una preparación de 52 mm frente a 76 mm y la compra de plancha más fácil. Del otro lado, el diseño de Div 2 pasa de 120–200 a 400–700 horas (+30,000 a 55,000 USD), el END sube 12,000–20,000 USD por RT total más UT y TOFD, y el peso, transporte y montaje ahorran 8,000–15,000 USD: el neto queda entre 20,000 y 60,000 USD a favor de la Div 2. La regla que se repite en todo el diagrama: el beneficio escala con espesor ahorrado por área mojada, mientras el costo es casi fijo por recipiente.
Dónde desaparece el ahorro de la Div 2
Cuatro condiciones lo eliminan, y cada una aparece con suficiente frecuencia para verificarla antes de escribir la decisión en la especificación de compra. Sobreespesor de corrosión dominante: si la aleación necesita 6 mm porque el servicio es agresivo, la parte de espesor debida a presión es una fracción pequeña del total y un recorte del 30 % en esa parte queda en 12 % sobre la plancha pedida; un tanque de alimentación en 316L con 6 mm en servicio de alto cloruro es el caso clásico. Espesor mínimo y rigidez: recipientes pequeños, tanques bajo 1 m y equipos de baja presión se dimensionan por manejo, soporte y mínimos, y la Div 2 añade ingeniería sin beneficio de material. Servicio cíclico: con más de unos 1,000 ciclos significativos de presión o temperatura la pregunta de fatiga debe responderse en cualquier división, y el marginal de la Div 2 es menor porque la pared suele engrosarse por fatiga y no por presión. Especificación del cliente o de la jurisdicción: muchas especificaciones de cobre y oro fijan Div 1 como base contractual, y algunos destinos de exportación exigen marcado CE bajo la Directiva de Equipos a Presión con EN 13445 o equivalente.
Hay una quinta condición menos técnica: la competencia del taller. Un recipiente de Div 2 exige un fabricante con capacidad de análisis, un proceso documentado de especificación de diseño del usuario y procedimientos calificados para secciones gruesas. Si el taller preseleccionado ha construido cincuenta tanques de Div 1 y dos de Div 2, el riesgo de plazo es real y debe cotizarse.
Qué código especificar
La Tabla 3 convierte el análisis en una matriz por presión y diámetro, con conclusiones condicionales explícitas, para envolventes de acero al carbono o baja aleación hasta 250 °C, con radiografía total disponible y 20 años de vida de diseño.
Tabla 3 — Matriz de selección de código para recipientes hidrometalúrgicos
| Servicio | Diámetro | Código recomendado | Razón |
|---|---|---|---|
| ≤1.6 MPa | ≤2.5 m | Div 1 | Manda el espesor mínimo; Div 2 cuesta más sin ahorrar plancha |
| ≤1.6 MPa | >2.5 m | Div 1 con RT total | El ahorro de Div 2 es menor a 4 mm y no recupera el análisis |
| 1.6–3.0 MPa | 2.5–3.5 m | Div 1 con RT total | Comparar ambos; Div 2 gana solo si PWHT o disponibilidad son críticos |
| 3.0–5.0 MPa | ≥3.5 m | Div 2 | 20–30 mm ahorrados; plancha y montaje superan el costo del análisis |
| >5.0 MPa | cualquiera | Div 2 | La pared de Div 1 se vuelve impracticable de rolar, soldar e inspeccionar |
| Cíclico >1,000 ciclos | cualquiera | Div 2 | La ruta formal de fatiga evita engrosar antieconómicamente |
| Envolvente de titanio o clad | cualquiera | Div 1 (UCL) | El clad domina el costo; Div 2 ahorra poco en metal base |
Para una autoclave de 4.5 MPa y 4.0 m se prefiere Div 2 porque los 24 mm eliminan 23 t de acero, acortan el ciclo de soldadura y devuelven la plancha al rango de laminación de más de un tren. Para un tanque de lixiviación de 1.6 MPa y 2.4 m se prefiere Div 1 porque los 4 mm valen unos 2,600 USD de plancha mientras el análisis adicional cuesta 20,000 USD o más. El detalle a nivel de cláusula importa: bajar de 40 a 30 mm cruza el disparador de PWHT de UCS-56 y puede ahorrar un ciclo completo de horno, mientras bajar de 76 a 52 mm no cruza nada y el ahorro es solo material.
Dos autoclaves, un servicio, dos códigos
Dos autoclaves de oxidación a presión con el mismo servicio —concentrado de cobre-oro, ambas anonimizadas— ilustran la aritmética. Recipiente A, Div 1, 4.2 MPa, 3.6 m DI, 210 °C: envolvente pedida en 72 mm, SA-516 Grado 70, RT total, PWHT a 620 °C durante cuatro horas, 11.5 m entre tangentes, 68 t de plancha; dos trenes podían laminar y uno entregar en 22 semanas; costo de fabricación y montaje indexado en 1.00. Recipiente B, Div 2, 4.2 MPa, 3.6 m DI, 210 °C: envolvente en 50 mm, mismo grado, RT total más TOFD en todas las costuras longitudinales, mismo PWHT y dimensiones, 47 t de plancha; cuatro trenes podían suministrar; la ingeniería de diseño corrió 520 horas frente a 165 del A; costo indexado en 0.87, un 13 % menor pese a la ingeniería adicional, con 6 semanas menos de plazo de plancha que adelantaron el cronograma.
Los tres números para llevar a una especificación son 72 frente a 50 mm a 4.2 MPa y 3.6 m, 13 % menos costo montado y 21 t de plancha evitadas; los tres son propios de este servicio y este taller. El juicio de haber corrido ambos: la decisión de Div 2 rara vez se pierde por el ahorro de material y rara vez se gana por el costo de ingeniería; la suele decidir si la plancha delgada se consigue dentro de la ventana de cronograma y si el propietario puede producir una especificación de diseño defendible sin añadir tres semanas al congelamiento de diseño.
Preguntas frecuentes
¿La Div 2 siempre es más liviana que la Div 1?
No. Puede dar una envolvente más delgada donde manda la presión, pero donde gobiernan el espesor mínimo, el sobreespesor de corrosión o la rigidez, ambas divisiones producen la misma plancha pedida y la Div 2 solo añade ingeniería.
¿Cuánto cambia el plazo de entrega la elección de código?
Espere dos a cuatro semanas más de ingeniería con Div 2 y, en el rango de 50–76 mm, dos a seis semanas menos de plazo de plancha. El efecto neto suele ser neutro o favorable, pero solo si la especificación de diseño del usuario está lista en la etapa de consulta.
Si tiene un recipiente en el rango de 40–80 mm de pared y quiere la comparación corrida sobre su servicio, envíe las condiciones de diseño. Criterios en la base de conocimiento y definiciones en el glosario.