Las conexiones de tubería con brida ovalada son una opción popular en la industria debido a su capacidad para resistir altas presiones y temperaturas. Diseñar correctamente una conexión de tubería con brida ovalada es crucial para garantizar su eficiencia y durabilidad. En este artículo, exploraremos los pasos clave para diseñar una conexión de tubería con brida ovalada, desde la selección de materiales hasta la realización de pruebas de presión. ¡Sigue leyendo para obtener todos los detalles y convertirte en un experto en el diseño de este tipo de conexión!
Las conexiones de tubería con brida ovalada se utilizan principalmente en tuberías pequeñas con un diámetro de hasta 175 mm. Esta conexión de tubería con brida ovalada se utiliza principalmente en aplicaciones hidráulicas. En el artículo anterior, analizamos la conexión de tubería con brida circular. Para diseñar una conexión de tubería con brida ovalada, debemos determinar los parámetros principales, como el espesor de la brida, el PCD y el diámetro del perno, en función de la presión del fluido en la tubería. En este artículo, analizaremos cómo diseñar un accesorio de tubería con brida ovalada para una tubería específica con una presión de fluido específica.
Conexión de tubería con brida ovalada
En la mayoría de los casos, los accesorios de tubería con brida ovalada son partes integrales de la tubería; en algunos casos, están atornillados a los extremos de la tubería. Como puede ver, la espiga y el casquillo se utilizan para colocar el orificio de la tubería en línea recta.
Como comentábamos en el artículo anterior, se supone que la presión del fluido actúa entre las dos bridas, intentando separarlas mediante una presión presente en el punto de fuga. Para mantener unidas las bridas, la unión atornillada debe resistir la tensión de tracción.
∴ Calculemos la fuerza que intenta separar las dos bridas entre sí,
F1 = (π/4) D2 PAG
Dónde D es el diámetro interior de la tubería y p es la presión en la tubería.
Como se muestra en el esquema anterior, se coloca una junta entre la espiga y el casquillo para sellar la conexión. Entonces este paquete también está comprimido.
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La presión sobre la empaquetadura debe ser mayor que la presión del líquido en el tubo. Entonces sólo la conexión puede ser firme.
Por simplicidad, se supone que el material de embalaje se comprime a la misma presión que dentro de la tubería.
Por lo tanto, el material de embalaje ejerce una fuerza de resistencia contra las dos bridas (cono y casquillo) para separarlas.
Por lo tanto, la fuerza que tiende a separar las bridas debido a la presión en el empaque está dada por
F2 = (π/4) (D1 2 – D2) PAG
Dónde D1 es el diámetro exterior del empaque.
Ahora calculemos la fuerza total intentando separar las bridas. F = F1+F2
F = [(π/4) D2 p ] + [(π/4) (D1 2 – D2) p]
F = (π/4) (D1)2 PAG ……. Ec. (A)
Ésta es ahora la carga que deben soportar los dos tornillos de las conexiones de tubería con brida ovalada.
Por lo tanto, cada perno debe soportar la carga. Fb =F/2
Ahora supongamos que el diámetro del núcleo de cada perno es DCentonces Fb = (π/4) (es decirC)2 σtuberculosis …… Ec. (B)
Dónde σtuberculosis es la tensión de tracción admisible para el material del tornillo. El valor de stuberculosis Por lo general, se mantiene bajo para permitir la tensión de apriete inicial en los pernos. Una vez determinado el diámetro del núcleo, se selecciona el diámetro nominal de los tornillos en el manual de diseño. Si el manual de diseño no está disponible, se puede calcular el diámetro nominal.
Diámetro nominal = diámetro del núcleo/0,84
- Nunca se deben utilizar tornillos con un diámetro inferior a 12 mm para aplicaciones de tuberías hidráulicas, ya que los tornillos más pequeños pueden experimentar tensiones de apriete iniciales muy altas.
- Los centros de los pernos deben estar lo más cerca posible del centro de la tubería para evitar que la brida se doble.
- Sin embargo, debe haber suficiente espacio entre la cabeza del tornillo y la superficie de la tubería para que los tornillos puedan apretarse sin dañar el material de la tubería.
Espesor de la brida
El espesor de la brida se determina suponiendo que la brida está sometida a esfuerzos de flexión debido a las fuerzas que actúan en un perno.
El esfuerzo máximo de flexión se induce en la sección XX como se muestra en el diagrama esquemático de arriba.
El momento flector en esta sección está dado por METROxx = Fb×mi (Fuerza sobre el perno x distancia desde la sección XX)
METROxx = (F/2)×mi (… Dónde Fb =F/2) ……. Ec. (C)
y tenemos el módulo de resistencia de la sección transversal de la brida z = (1/6) × b (tF)2
Dónde b es el ancho del ala en la sección XX y tF es el espesor del ala.
El momento de resistencia en la brida es METROxx = σb × z …..Ec. (D)
donde σb tensión de flexión admisible para el material de la brida.
de las ecuaciones (c) y (d) obtenemos Fb×mi = σb × (1/6) × b (tF)2 …… Ec. (mi)
A partir de esta expresión podemos encontrar el espesor del ala si se conoce el ancho del ala.
Para determinar el espesor de la brida, podemos determinarlo utilizando algunas dimensiones de brida fija como se enumeran a continuación para aplicaciones de tuberías hidráulicas.
diámetro nominal de los tornillos, D = 0,75 t + 10mm
El espesor de la brida, tF = 1,5t + 3mm
diámetro exterior de la brida, Doh =D +2t + 4.6D
Diámetro del círculo, DPAG = Doh -(3t + 20 mm)
¿Sabías? …… Las conexiones hidráulicas con bridas ovaladas se denominan Accesorios de tubería de Armstrong.
Ahora tenemos todas las expresiones necesarias para calcular la conexión de tubería con brida ovalada. Entonces, hagamos un ejercicio simple para encontrar las dimensiones de una brida.
Planteamiento del problema: Diseñe una conexión de tubería con brida ovalada para una tubería con un diámetro interior de 50 mm y un espesor de 12 mm. Está sometido a una presión de fluido interna de 7 N/mm.2. La tensión máxima de tracción en el material de la tubería no debe exceder los 20 MPa y en los tornillos los 60 MPa.
Solución:
datos dados
Diámetro interior de la tubería D=50 mm o R= 25 mm
Presión del fluido en la tubería (PAG)=7N/mm2
Esfuerzo de tracción permitido para el material de la tubería (σt) = 20 MPa = 20 N/mm2
Esfuerzo de tracción admisible para el material del tornillo σtuberculosis = 60 MPa = 60 N/mm2
Y el espesor especificado de la tubería (t)=12mm
Antes de comenzar a determinar las dimensiones de la brida, supongamos que no se especifica el espesor de la tubería. Luego necesitamos encontrar el espesor de la tubería según la fórmula del cilindro grueso (según la ecuación de Lame).
De la ecuación anterior podemos sustituir la tensión permitida de la tubería (σ).t), 20N/mm2 y la presión en la tubería (p) 7N/mm2 y el radio del orificio del tubo (R) es de 25 mm.
lo que nos da 11,03 mm, aunque podemos suponer que el valor se redondea a 12 mm. Eso es exactamente lo que dice el problema.
Ahora busquemos los otros parámetros.
Suponiendo que el ancho del paquete es de 10 mm, es decir, el diámetro exterior del paquete,
D1 = D + 2 × ancho del embalaje
D1 = 50 + 2 × 10
D1 = 70 mm
Ahora calculemos la fuerza total intentando separar las bridas. F = (π/4) (D1)2 PAG
F = (π/4) (70)2 7
F = 26943N.
La carga de 26943 N intenta separar las bridas, por lo que esta carga debe quedar asegurada mediante los dos tornillos. y cada perno debe soportar una carga Fb =F/2.
Fb = 26943/2 = 13471,5N
De la ecuación (b) anterior obtenemos Fb = (π/4) (es decirC)2 σtuberculosis
Podemos reemplazar la ecuación anterior con los valores que tenemos.
13471,5 = (π/4) (dC)2 60
(DC)2 = 13471,5/47,2
(DC)2 =285,4
DC = 16,9 mm
Supongamos que el diámetro del núcleo del perno (es decir,C) es de 17 mm.
El diámetro nominal del tornillo lo podemos conocer en las normas de construcción. También mencionamos que si no tiene un manual de diseño a mano, puede calcular el diámetro nominal del tornillo dividiendo el diámetro del núcleo por 0,84, lo que le da el diámetro nominal.
D = DC/0,84 = 17/0,84 = 20,2 mm.
tomemos un rayo 22mm diámetro nominal (D).
A partir de esto, se pueden determinar dimensiones fijas para las pocas bridas, tales como:
diámetro exterior de la brida, Doh = D +2t + 4.6D = 50 + (2×12) + (4,6×22) = 175,2 mm
Supongamos que el diámetro exterior de la brida es 180mm.
Diámetro del círculo, DPAG = Doh -(3t + 20 mm) = 180 – ((3×12)+20 mm) = 124mm
Para determinar el espesor de la brida (tF) necesitamos el ancho (b) de forma ovalada.
Para conocer este parámetro, debemos dibujar un contorno ovalado según las dimensiones disponibles.
Tenemos como eje principal el diámetro exterior de la brida Dohel diámetro del círculo primitivo DPAGDiámetro de la tubería (D) y espesor
Entonces obtenemos b = 89 mm y el mi = 33mm
De la ecuación (e) tenemos Fb×mi = σb × (1/6) × b (tF)2.
Sustituyendo todos los valores que tenemos obtenemos el espesor del ala tF
Fb×mi = σb × (1/6) × b (tF)2
13471,5 × 33 = 20 × (1/6) × 89 × (tF)2
(tF)2 = 1500
tF = 38,7 mm
Tomemos el espesor de la brida. tF de 40 mm.
Con este espesor de brida, tenemos todos los valores necesarios para diseñar la conexión de tubería con brida ovalada. Si tiene alguna idea, háganoslo saber en los comentarios a continuación.
Conexión de tubería de brida cuadrada
Por cierto, el mismo procedimiento se aplica también a las conexiones de tuberías con bridas cuadradas. excepto que la carga total se divide por cuatro pernos y la sección del momento flector es aproximadamente igual a AA como se muestra en el siguiente diagrama esquemático para la conexión de tubería con brida cuadrada.
El resto de parámetros de diseño serán casi los mismos. Háganos saber en la sección de comentarios si tiene alguna duda. Te ayudare.
Diseño de una junta de tubería ovalada con bridas
Las juntas de tubería ovalada con bridas son ampliamente utilizadas en tuberías pequeñas con diámetros de hasta 175 mm. Esta junta de tubería ovalada con bridas se utiliza principalmente en aplicaciones hidráulicas. En un artículo previo, hemos discutido las juntas de tubería circular con bridas. Para diseñar una junta de tubería ovalada con bridas, es necesario determinar los principales parámetros como el espesor de la brida (flange thickness), el PCD (center-to-center spacing of bolt holes), y los diámetros de los pernos basados en la presión del fluido dentro de la tubería. En este artículo, discutiremos cómo diseñar una junta de tubería ovalada con bridas para una tubería dada con una presión de fluido especificada.
Junta de Tubería Ovalada con Bridas
En la mayoría de los casos, las juntas de tubería ovalada con bridas son partes integrales de la tubería, en algunos casos se atornillan a los extremos de la tubería. Como se puede ver en el diagrama esquemático, se proporciona un espigot y una toma para alinear el diámetro de la tubería en línea recta.
Figura: Junta de Tubería Ovalada con Bridas
Como hemos mencionado en el artículo anterior, se asume que la presión del fluido actúa entre las dos bridas y trata de separarlas con una presión existente en el punto de fuga. Para mantener las bridas juntas, la junta atornillada debe resistir el estrés de tracción.
Calculemos la fuerza que intenta separar las dos bridas,
F1 = (π/4) D2 p
donde D es el diámetro interno de la tubería y p es la presión dentro de la tubería.
Como se muestra en el diagrama esquemático anterior, se coloca un relleno entre el espigot y la toma para hacer la junta hermética. Por lo tanto, este relleno también se comprime.
La intensidad de presión en el relleno debe ser mayor que la presión del fluido dentro de la tubería. Solo así la junta puede ser hermética.
Para nuestra conveniencia, asumimos que el material de relleno se comprime a la misma presión que la del interior de la tubería.
Por lo tanto, la fuerza que tiende a separar las bridas debido a la presión en el relleno está dada por
F2 = (π/4) (D1 2 – D2) p
donde D1 es el diámetro exterior del relleno.
Ahora, calculemos la fuerza total que intenta separar las bridas, F = F1 + F2
F = [(π/4) D2 p ] + [(π/4) (D1 2 – D2) p]
F = (π/4) (D1)2 p ……. Eqn. (a)
Ahora, esta es la carga que deben resistir los dos pernos para las juntas de tubería ovalada con bridas.
Por lo tanto, cada perno tendrá que soportar la carga Fb = F/2
Ahora digamos que el diámetro del núcleo de cada perno es dc, entonces Fb = (π/4) (dc)2 σtb …… Eqn. (b)
Donde σtb es el es el estrés de tracción permitido para el material del perno. El valor de σtb generalmente se mantiene bajo para permitir el estrés de montaje inicial en los pernos. Después de obtener el diámetro del núcleo, se elige el diámetro nominal de los pernos a partir del manual de diseño. Si el manual de diseño no está disponible, se puede calcular el diámetro nominal de la siguiente manera: diámetro nominal = Diámetro del núcleo / 0.84
Para aplicaciones de tubería hidráulica, nunca se deben usar pernos de menos de 12 mm de diámetro, ya que se pueden inducir esfuerzos de tensión inicial muy elevados en pernos más pequeños. Los centros de los pernos deben estar lo más cerca posible del centro de la tubería para evitar que se doble la brida. Pero se debe proporcionar un espacio suficiente entre la cabeza del perno y la superficie de la tubería para apretar los pernos sin dañar el material de la tubería.
Espesor de la Brida
El espesor de la brida se obtiene considerando que la brida está sometida a esfuerzos de flexión debido a las fuerzas que actúan en un perno.
El máximo esfuerzo de flexión se inducirá en la sección X-X como se muestra en el diagrama esquemático anterior.
El momento de flexión en esta sección se puede calcular mediante Mxx = Fb × e (fuerza en el perno x distancia desde la sección X-X)
Mxx = (F/2) × e (… ya que Fb = F/2) ……. Eqn. (c)
y tenemos el módulo de sección de la sección transversal de la brida como Z = (1/6) × b × (tf)2
donde b es el ancho de la brida en la sección X-X y tf es el espesor de la brida.
El momento resistente en la brida es Mxx = σb × Z …..Eqn. (d)
Desde la ecuación (c) y (d) obtenemos Fb × e = σb × (1/6) × b × (tf)2 …… Eqn. (e)
A partir de esta expresión, podemos obtener el espesor de la brida cuando se conoce el ancho de la brida.
Para obtener el espesor de la brida, podemos obtenerlo mediante algunas dimensiones fijas de la brida como se menciona a continuación para las aplicaciones de tubería hidráulica.
Diámetro nominal de los pernos, d = 0.75 * t + 10 mm
Espesor de la brida, tf = 1.5 * t + 3mm
Diámetro exterior de la brida, Do = D + 2 * t + 4.6 * d
Diámetro de círculo de pernos, Dp = Do – (3 * t + 20mm)
¿Sabías que? … Las juntas hidráulicas con bridas ovales se conocen como juntas de tubería de Armstrong.
Ahora tenemos todas las expresiones necesarias para calcular la junta de tubería ovalada con bridas. Así que tomemos un ejercicio simple para encontrar las dimensiones de una brida.
Enunciado del problema:
Diseñe una junta de tubería ovalada con bridas para una tubería con un diámetro de 50 mm y un espesor de 12 mm. Está sometida a una presión interna del fluido de 7 N/mm2. El esfuerzo de tracción máximo en el material de la tubería no debe exceder los 20 MPa y en los pernos los 60 MPa.
Solución:
Datos dados:
Diámetro interno de la tubería D = 50 mm o R = 25 mm
Presión del fluido dentro de la tubería (p) = 7 N/mm2
Esfuerzo de tracción permitido para el material de la tubería (σt) = 20 MPa = 20 N/mm2
Esfuerzo de tracción permitido para el material del perno (σtb) = 60 MPa = 60 N/mm2
Y el espesor dado de la tubería (t) = 12 mm
Antes de comenzar a encontrar las dimensiones de la brida, supongamos que no se proporciona el espesor de la tubería. Entonces tenemos que encontrar el espesor de la tubería según la fórmula del cilindro grueso (según la ecuación de Lame).
A partir de la ecuación anterior, podemos sustituir el esfuerzo permisible de la tubería (σt), 20 N/mm2 y la presión dentro de la tubería (p), 7 N/mm2 y el radio de la tubería (R), 25 mm. Esto nos dará 11,03 mm, así que redondeamos al valor de 12 mm, que es exactamente lo que se proporciona en el enunciado del problema.
Ahora vamos a encontrar los otros parámetros.
Supongamos que el ancho del relleno es de 10 mm, por lo tanto, el diámetro exterior del relleno, D1 = D + 2 × Ancho del relleno
D1 = 50 + 2 × 10 = 70 mm
Ahora, calculemos la fuerza total que está intentando separar las bridas, F = (π/4) (D1)2 p
F = (π/4) (70)2 7 = 26943 N
La carga de 26943 N está intentando separar las bridas, por lo que esta carga debe ser asegurada por los dos pernos, y cada perno necesita soportar una carga de Fb = F/2.
Fb = 26943/2 = 13471,5 N
A partir de la ecuación anterior (b), tenemos Fb = (π/4) (dc)2 σtb
Podemos sustituir la ecuación anterior con los valores que tenemos.
13471,5 = (π/4) (dc)2 60
(dc)2 = 13471,5/47,2
(dc)2 = 285,4
dc = 16,9 mm
Supongamos que el diámetro del núcleo del perno (dc) es 17 mm.
Y de los estándares de diseño, podemos tomar el diámetro nominal del perno. También hemos mencionado que si no tienes el manual de diseño, puedes calcular el diámetro nominal del perno dividiendo el diámetro del núcleo por 0,84, lo que dará el diámetro nominal.
d = dc/0,84 = 17/0,84 = 20,2 mm
Tomemos un perno de 22 mm de diámetro nominal (d).
A partir de esto, podemos determinar algunas dimensiones fijas de la brida, como
Diámetro exterior de la brida, Do = D + 2t + 4,6d = 50 + (2×12) + (4,6×22) = 175,2 mm
Supongamos que el diámetro exterior de la brida es de 180 mm.
Pitch circle diameter, Dp = Do – (3t + 20 mm) = 180 – ((3×12)+20mm) = 124mm
Para encontrar el espesor de la brida (tf), necesitamos el ancho (b) de la forma ovalada.
Para encontrar esto, necesitamos dibujar el perfil de la forma ovalada basado en las dimensiones disponibles.
Si tenemos el diámetro exterior de la brida como el eje mayor Do, el diámetro de círculo de pernos Dp, el diámetro de la tubería D y el espesor t, tenemos que dibujar el perfil anterior y medir el parámetro b.
Entonces obtendremos b = 89 mm y e = 33 mm
En base a la ecuación (e), tenemos Fb x e = σb x (1/6) x b x (tf)2.
Sustituyendo todos los valores que tenemos, podemos obtener el espesor de la brida tf
Fb x e = σb x (1/6) x b x (tf)2.
1500 = 20 x (1/6) x 89 x (tf)2
(tf)2 = 1500/26,67
(tf)2 = 56,24
tf = 7,5 mm
Tomemos el espesor de la brida tf como 8 mm.
Con este espesor de la brida, tenemos todos los valores necesarios para el diseño de la junta de tubería ovalada con bridas. Si tienes alguna pregunta, déjala en los comentarios a continuación.
Junta de Tubería Cuadrada con Bridas
Por cierto, para las juntas de tubería cuadrada con bridas, también se utiliza el mismo procedimiento. Excepto que la carga total se dividirá en cuatro pernos y el momento de flexión se encontrará alrededor de la sección A-A, como se muestra en el diagrama esquemático anterior para la Junta de Tubería Cuadrada con Bridas.
Figura: Junta de Tubería Cuadrada con Bridas
El resto de los parámetros de diseño serán casi los mismos. Haznos saber si tienes alguna duda en la sección de comentarios. Te ayudaré.