Cálculo de espesor de pared de recipientes a presión: ejemplo resuelto
Una envolvente de 3.0 m de diámetro interior a 1.6 MPa en SA-516 Grado 70 necesita 17.5 mm por presión según UG-27, 20.51 mm con 3 mm de sobreespesor de corrosión, y se compra en 22 mm. La fórmula es t = P·R / (S·E − 0.6·P), y la respuesta la fijan cinco entradas: tensión admisible, eficiencia de junta, presión, radio y sobreespesor.
Puntos clave
- UG-27 da el espesor por presión; el sobreespesor y el mínimo se suman después, nunca antes.
- La eficiencia de junta es una decisión: E = 1.0 con radiografía total ahorra 3 mm a 3 m de diámetro.
- Redondee a plancha disponible y luego verifique el mínimo de UG-16 y el práctico de taller.
- La MAWP se calcula con el espesor medido menos el sobreespesor, y no es la presión de diseño.
- Cada milímetro en una envolvente de 3 m × 6 m son 0.44 t de acero, unos 800 USD de plancha.
La fórmula UG-27 y sus entradas
UG-27(c)(1) da t = P·R / (S·E − 0.6·P): t espesor mínimo, P presión interna de diseño, R radio interior, S tensión admisible de la Sección II Parte D a temperatura de diseño y E eficiencia de junta. Viene de un balance de tensión de aro en pared delgada con corrección por espesor finito; la tensión de aro duplica aproximadamente la longitudinal, y por eso las costuras circunferenciales gobiernan la envolvente.
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La eficiencia de junta reduce la tensión admisible por soldaduras no demostradas con RT total: UW-12 asigna 1.0 a una junta a tope con RT total, 0.85 por muestreo y 0.70 sin RT. El sobreespesor se suma fuera del cálculo, porque el código calcula el metal que contiene presión el día en que el recipiente es nuevo; la MAWP, en cambio, usa el espesor realmente presente, corroído hasta la próxima inspección, y de ella se ajusta la válvula.
Tabla 1 — Entradas del cálculo de espesor por División 1
| Entrada | Símbolo | Origen | Rango típico | Error frecuente |
|---|---|---|---|---|
| Presión de diseño | P | Proceso más carga estática | 0.3–5.0 MPa | Usar la de operación |
| Radio interior | R | Volumen y geometría | 0.5–2.5 m | Usar el radio exterior |
| Tensión admisible | S | Sección II Parte D | 138 MPa a 50 °C; 125 a 220 °C | Valor a temperatura ambiente |
| Eficiencia de junta | E | UW-12 | 0.70 / 0.85 / 1.0 | Suponer 1.0 sin RT total |
| Sobreespesor | CA | Ingeniería de materiales | 0–6 mm; 3 mm típico | Sumarlo dentro de la fórmula |
| Temperatura de diseño | T | Proceso más excursión | 40–250 °C | Ignorar picos térmicos |
| Espesor mínimo | t_min | UG-16 y estructura | 1.5 mm de código; 6–8 práctico | Olvidarlo en equipos pequeños |
| Tolerancia de laminación | — | Especificación de plancha | 0.3 mm bajo nominal | Pedir nominal como mínimo |
Dos filas causan casi todo el retrabajo. La presión debe incluir la carga estática —un tanque con 8 m de pulpa ve 0.08 MPa más en el fondo, poco frente a 1.6 pero no frente a 0.3— y la temperatura, la excursión: entre 125 y 118 MPa hay 3 mm a 4 m de diámetro.
Ejemplo resuelto: envolvente de 3 m
Con R = 1,500 mm, S = 138 MPa a 60 °C y E = 1.0: 1.6 × 1,500 / (138 − 0.96) = 17.51 mm. Con 3 mm quedan 20.51 mm; la plancha siguiente es 22 mm y, con tolerancia de 0.3 mm, el mínimo entregado es 21.7 mm. UG-16 pide 1.5 mm, pero el mínimo práctico de taller para 3 m es 6–8 mm por manejo y ovalidad.
Con radiografía por muestreo, E = 0.85, t = 2,400 / 116.34 = 20.63 mm, que con el sobreespesor da 23.63 mm y redondea a 25 mm: ahorrar en radiografía costó 3 mm en cada metro cuadrado, unas 1.3 t de acero, más de lo que la radiografía habría costado. Por eso la RT total es casi siempre la especificación correcta por encima de 2 m.
Tapa elipsoidal y correcciones de conformado
Para una tapa elipsoidal 2:1, UG-32(d) da t = P·D / (2·S·E − 0.2·P): 1.6 × 3,000 / 275.68 = 17.41 mm; con el sobreespesor, 20.41 mm, que redondea a 22 mm, la misma plancha que la envolvente y una pequeña ventaja de compra. Encima van dos correcciones: el conformado en frío adelgaza corona y nudillo un 8–12 % del nominal, por lo que se piden 24 mm, y el nudillo se verifica frente al pandeo con los límites de UG-32. En recipientes pequeños la tapa suele gobernar, porque la fórmula lleva un 2 en el denominador pero el término de diámetro es el diámetro completo.
MAWP, hidrostática y espesor pedido
Despejando UG-27: MAWP = S·E·(t − CA) / (R + 0.6·(t − CA)). Tras diez años y 20.1 mm medidos, la MAWP es 2,773.8 / 1,512.1 = 1.83 MPa, sobre los 1.6 de diseño; con 19.0 mm bajaría a 1.73 MPa, suficiente con poco margen, y ahí toca recategorizar, ajustar la válvula o planificar reemplazo. UG-99(b) exige 1.3 × MAWP × (S_prueba / S_diseño) = 2.08 MPa, y conviene vigilar el cloruro: 200 mg/L secados en un 316L inician picado antes de la puesta en marcha.
Costo por milímetro y errores frecuentes
Para 3.0 m × 6 m el área es 56.5 m²: 16 mm pesan 7.10 t (12,780 USD a 1,800 USD/t), 22 mm 9.76 t (17,570) y 30 mm 13.31 t (23,960), a 800 USD por milímetro. A 4 m y 10 m cada milímetro ronda 1.0 t y 1,800 USD, y allí la división pesa más que la aritmética. Tres casos lo fijan: un tanque de 2.4 m con 14.01 mm calculados se pidió en 18 mm; un recipiente de 3.0 m a 3.5 MPa dio 40.4 mm, cruzó el disparador de PWHT de 38 mm, y bajarlo a 3.2 MPa lo llevó a 36.9 mm evitando un ciclo de horno de 34,000 USD; y a 4.2 MPa en 3.6 m, la Div 2 da 50 mm frente a 65 mm de la Div 1, con 13 t de diferencia en 10 m.
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Los errores recurrentes: presión sin carga estática —el anillo inferior debía ir a 1.68 MPa—, agua de prueba clorada, tapa más delgada tras el conformado, refuerzo sobre espesor nominal, MAWP sin descontar sobreespesor, vacío sin UG-28 y radio exterior en fórmula de radio interior, que resta 1–3 mm de forma sistemática.
Preguntas frecuentes
¿El sobreespesor se suma antes o después de redondear?
Primero se suma al espesor calculado por presión y luego se redondea la suma a plancha disponible. Redondear primero y sumar después puede dejar el recipiente un incremento delgado, sobre todo cuando el cálculo cae justo bajo un tamaño estándar.
¿La fórmula UG-27 vale para paredes gruesas?
Aplica mientras la pared es delgada respecto al radio, dentro del límite que fija la División 1; más allá se usa UG-27(c)(2) y, en secciones muy gruesas, el diseño por análisis de la Div 2. Una pared de 76 mm sobre 1.8 m de radio está lo bastante cerca del límite como para verificar la elección.
¿Cuánto cuesta un milímetro de pared?
Unas 0.44 t y 800 USD en 3 m × 6 m, y cerca de 1.0 t y 1,800 USD a 4 m y 10 m, a precios indicativos.
Para revisar espesor, MAWP y prueba contra su base de diseño: criterios en la base de conocimiento, definiciones en el glosario y catálogo en productos.