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Verificación de estructuras mediante el MEF en el sector energético (Parte III)

En esta tercera entrega de esta serie de post sobre verificación de estructuras mediante MEF (la primera parte sobre el análisis sísmico de un tramo de tubería y la segunda sobre sobre la cualificación sísmica de unos radares para una planta regasificadora) veremos la posibilidad de justificar los criterios de diseño y verificación de las normativas en un caso donde se realizó una certificación según ASME (American Society for Mechanical Engenieers) de unas válvulas tipo Trunnion con el software de Elementos Finitos Patran/MSC Nastran.

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Este caso de estudio es un análisis estructural de dos válvulas de bola tipo “trunnion” de 8” y 16” para chequeo según ASME.  El análisis se llevó a cabo en tres fases:

  • Fase I: Envolvente de la válvula sujeta a carga de presión de operación.
  • Fase II: Bola, asiento y componentes internos.
  • Fase III: Conexión entre la bola y el eje

Fase I. Envolvente de la válvula sujeta a carga de presión de operación

A continuación se muestran imágenes del mallado que se realizó de los componentes a analizados en esta fase:

 Mallado de los componentes de la válvula de 8” para la Fase I

Mallado de los componentes de la válvula de 8” para la Fase I

En ésta primera fase, se consideró la válvula sujeta a la línea de tubería a través de los taladros de la brida, siendo esta región en la que se aplica la condición de contorno de fijación.

Se aplicaron dos hipótesis de carga sobre nuestra válvula:  la presión interna y una precarga sobre los pernos.

Carga de presión sobre partes internas y carga de pretensión en pernos

Carga de presión sobre partes internas y carga de pretensión en pernos

Para analizar el efecto del contacto entre las superficies del cuerpo y de la tapa de la válvula, se realizó una aproximación sucesiva, contemplándose tres consideraciones distintas:

  • Consideración 1: Sin contacto (Se permite penetración)
  • Consideración 2: Contacto lineal ‘Glued’ (No se permite penetración ni separación)
  • Consideración 3: Contacto No lineal (No existe penetración. Se permite separación)
Definición de contactos entre cuerpo y tapa

Definición de contactos entre cuerpo y tapa

A continuación se muestran los resultados obtenidos para esta primera fase de estudio.

Resultados fase I. Válvula de 8”

Resultados fase I. Válvula de 8”

Fase II. Bola, asiento y componentes internos.

A continuación se muestran imágenes del mallado de los componentes a analizar en la fase II.

Mallado de los componentes de la válvula para la Fase II. Válvula de 8”

Mallado de los componentes de la válvula para la Fase II. Válvula de 8”

En esta segunda fase se consideraron los asientos de la válvula y la bola. Se estudió el efecto de la presión que ejerce el asiento sobre la bola y el efecto directo de la presión de la línea sobre la misma bola. Además se consideró el efecto de la fuerza que ejercen un conjunto de  muelles que regulan el apriete del asiento sobre la bola.

En la siguiente imagen se muestran los resultados obtenidos en esta segunda fase sobre la válvula de 8”.

Resultados fase II. Bola y asiento. Válvula de 8”

Resultados fase II. Bola y asiento. Válvula de 8”

Fase III. Conexión entre la bola y el eje

En la siguiente imagen se muestra el mallado de los componentes a analizar en la fase III para la válvula de 8”.

Mallado de los componentes de la válvula para la Fase II. Válvula de 8”

Mallado de los componentes de la válvula para la Fase II. Válvula de 8”

En el estudio de la conexión entre el eje y la bola se aplica como condición de contorno un empotramiento a la parte inferior de la bola y un momento de operación en el eje.

 Los resultados obtenidos en la fase III se presentan a continuación.

Resultados fase III. Válvula de 8”

Resultados fase III. Válvula de 8”

Para las tres fases se justificaron de manera satisfactoria los modelos estructurales de cada uno de los componentes en base a la normativa aplicable (ASME).

Como veis, se trata de un ejemplo de “divides y vencerás”. Se ha tratado de dividir un elemento complejo en todas sus partes modelizando contactos entre ellos y realizando el cálculo en varias fases. Así se han obtenido esfuerzos y tensiones en los distintos elementos que han permitido chequear la estructura con la normativa.

Si os ha parecido interesante la posibilidades que nos ofrece el MEF para el cálculo o justificación de estructuras según normativa, os recomiendo visitar la primera y segunda parte de este post con otros interesantes ejemplos.


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