1. Introducción

En muchos proyectos industriales, particularmente en refinerías de petróleo, se hace necesario el movimiento de componentes, módulos estructurales y recipientes, que en general son objetos de grandes dimensiones en términos de diámetros, longitudes y pesos. La culminación exitosa de estos proyectos requiere de planificación y selección precisa de sistemas de elevación seguros y eficientes. Sin una planificación adecuada de las operaciones de elevación seguras y eficientes, pueden ocurrir sobrecostos y retrasos en el cronograma, y las ganancias de la instalación de la refinería de petróleo pueden disminuir drásticamente [1], [2], [3], [4], [5].

En muchas situaciones, la ubicación de los cables de izamiento utilizados en las grúas de carga depende de cada caso en particular, y las recomendaciones de diseño son inexistentes. Por lo tanto, se requiere de análisis específicos para las condiciones de carga que también permitan un control de las deformaciones en equipos que van a ser conectados o soldados en campo. En la actualidad, una herramienta muy útil es la utilización del modelado numérico a través del método de los elementos finitos. Este se ha convertido en una herramienta poderosa para el estudio lineal y no lineal de elementos mecánicos y estructuras metálicas [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12].

En la figura 1, se muestra el proceso de izado de un cabezal de un regenerador en una refinería de petróleo. Usualmente, en este proceso de izado se utilizan cuatro cables verticales dispuestos de forma simétrica que se conectan posteriormente al cable principal de la grúa. El cabezal es ensamblado completamente (barandas, boquillas, material refractario y ciclones) antes de ser transportado, lo que aumenta considerablemente las cargas de gravedad. Estas cargas inducen deformaciones en la periferia del cabezal, las cuales, en caso de ser excesivas, pueden ocasionar pérdida de la circunsferencialidad. Esto puede afectar y retrasar los procesos de soldadura con el resto del cuerpo del equipo al cual se va a conectar.

Figura 1
Operación de izamiento de cabezal de un regenerador usado en una refinería de petróleo.
Fuente: [13].

En muchos casos, la distribución de carga sobre los cables no es simétrica, y las deformaciones en la periferia del domo pueden variar con la posición de las orejas de izado. Otra manera de atenuar las deformaciones en la periferia del cabezal es con la utilización de un anillo rigidizador. Vale la pena resaltar que las deformaciones, y en consecuencia los desplazamientos, se deben mantener en valores muy bajos que permitan la realización de la soldadura.

Este trabajo presenta el modelo por elementos finitos del cabezal hemisférico de un regenerador perteneciente a una refinería de petróleo, para su utilización en la predicción de los esfuerzos y deformaciones que se producirán en su periferia durante la maniobra de izado. Posteriormente, se discuten las hipótesis de cálculo utilizadas y también se presenta un análisis paramétrico que permite determinar la zona ideal para la ubicación de las orejas de izado en el cabezal. Además, se estudia el efecto de un anillo rigidizador, colocado sobre la periferia del cabezal, sobre los desplazamientos del mismo.

2. Modelo numérico

2.1. Hipótesis generales de cálculo

A continuación, se presentan y discuten algunas consideraciones generales utilizadas para la elaboración y análisis de los modelos por elementos finitos del cabezal de un regenerador. En la figura 2 se muestran las dimensiones generales del cabezal, en el cual se encuentran soldadas 20 boquillas externas; en la parte interna se encuentra otra estructura denominada plenum con 10 boquillas.

Figura 2
Cabezal del regenerador.

En este estudio, se lleva a cabo un análisis estático y lineal, es decir, se supone que las aceleraciones durante la maniobra de izado son muy pequeñas, por lo tanto, los efectos inerciales son despreciables. Además, se considera que todos los efectos no-lineales (plasticidad, inestabilidad, etc.) son locales y pueden ser despreciados en el análisis.

Puesto que las operaciones de retiro, izamiento y colocación del cabezal del equipo se realizan a temperatura ambiente, ningún efecto térmico es considerado en los análisis. La rigidez del aislamiento o del material que frecuentemente recubre el interior del cabezal se considera despreciable cuando se compara con la rigidez del acero, por lo cual este material solo es considerado como una carga de gravedad. Esta carga adicional es incluida en el modelo mediante un aumento de la densidad del acero.

2.2. Modelo del cabezal del regenerador

El modelo numérico del cabezal se construyó usando elementos tipo Shell181 en el software ANSYS [14]. Este es un modelo simplificado del cabezal, los planos originales detallan la forma de las láminas de acero, la ubicación del material refractario, así como la ubicación de barandas y plataformas de mantenimiento en acero.

En este trabajo se presentan los valores resultantes del cálculo de estas cargas y su posición en el cabezal.

El material del cabezal es un acero al carbono SA-516 Gr 70. Las propiedades mecánicas de dicho material son: módulo de elasticidad E = 202 GPa, relación de Poisson v = 0,3, esfuerzo máximo permisible, Sa = 137 MPa [15]. Para las cargas, debido al peso, se consideraron las siguientes propiedades: densidad del acero Pa = 7877 kg/m3; densidad del refractario r = 1605-2755 kg/m3. Como se mencionó en la sección anterior, el refractario no aporta rigidez al cabezal, por esa razón el cabezal se simuló con una densidad equivalente Peq = 9482-10632 kg/m3. El cabezal está fabricado con láminas de acero con un espesor promedio de 25,4 mm.

La figura 3 muestra la malla utilizada en el modelo numérico del cabezal. Luego de realizar un estudio de convergencia, en el modelo del cabezal, incluyendo el plenum, se utilizaron 9743 elementos (8387 nodos). Para simplificar el modelo, los ciclones y plataformas conectados fueron simulados mediante cargas concentradas aplicadas en los puntos correspondientes a estos.

Figura 3
Isometría del cabezal (sin cargas).

Figura 4
Vista frontal del cabezal (con cargas).

Las figuras 4 y 5 muestran una vista del cabezal y del plenum con las cargas correspondientes a los ciclones y plataformas conectadas. Tanto las boquillas externas como las boquillas del plenum se sometieron a cargas concentradas que simulan el peso de ciclones suspendidos de ellas. El peso de los ciclones suspendidos de las boquillas externas e internas es 68,2 kN y 58,4 kN, respectivamente. En el cabezal se encuentran también soldadas varias plataformas, las cuales fueron consideradas mediante la aplicación de cargas puntuales en los puntos donde se ubican los clips sobre el cabezal (tabla 1). Los clips son los elementos de conexión entre las plataformas y el cabezal. El peso total del cabezal incluyendo el material refractario, ciclones en boquillas externas y plenum, y plataformas es de 3460 kN.

Tabla 1

Pesos de las plataformas del cabezal

Figura 5
Vista isométrica del plenum (con cargas).

Para el izado del cabezal se utilizan cuatro orejas separadas 90° entre sí. Los cables de izado salen de las orejas verticalmente. Las orejas de izado son representadas por condiciones de desplazamiento nulo, aplicadas a un solo nodo, razón por la cual los esfuerzos que se obtienen en estos puntos sobreestiman los correspondientes a la situación real. Sin embargo, tomando en cuenta el principio de Saint Venant [16], esto no representa un error significativo en la estimación de la deformación en la periferia del cabezal.

3. Estudio paramétrico

Debido a que la selección de la ubicación de las orejas de izado en el cabezal es una tarea compleja que implica, por una parte, evitar las interferencias con plataformas, bocas de visita, boquillas, instrumentación, etc., y, por otra parte, garantizar que las deformaciones que se produzcan en la periferia del cabezal sean lo más pequeñas posibles, se realizó un estudio paramétrico para la ubicación de las orejas que verifique los criterios antes expuestos.

Se utilizaron cuatro orejas de izado, separadas 90° entre sí, luego se procedió a definir dos parámetros para la ubicación de estas. El primer parámetro es la altura H, medida desde la periferia de la base del cabezal, a la cual serán colocadas las orejas; el segundo parámetro es la posición angular © de las orejas, con respecto al norte de la planta. Estos dos parámetros se definen en forma gráfica en las figuras 6 y 7, respectivamente. Para el parámetro H, se identificaron cinco posibles zonas del cabezal donde pueden ser ubicadas las orejas (figura 6). En la tabla 2 se definen estas zonas en función del parámetro H y los valores seleccionados en este estudio.

Figura 6
Definición del parámetro H en [mm].

Tabla 2

Definición del parámetro H

Para el parámetro Q se definieron tres diferentes valores para la ubicación de las orejas. Estos valores se muestran en la tabla 3. Habiendo definido los parámetros H y Q de esta forma, y tomando en cuenta que el cabezal se debe analizar con y sin la presencia de un anillo rigidizador colocado en su periferia, se realizaron los 54 análisis necesarios para obtener los resultados que se resumen a continuación.

Tabla 3

Definición del parámetro Q

Figura 7
Definición del parámetro Q.

4. Análisis de resultados

4.1. Resultados sin anillo rigidizador

Los resultados obtenidos mediante el estudio paramétrico del cabezal sin anillo rigidizador se resumen en la figura 8 y en la tabla 4, en la cual se presentan las deflexiones máximas de la periferia del cabezal.

Figura 8
Comparación de la deflexión máxima en la periferia del cabezal para varios valores de H y Q (sin anillo rigidizador).

Tabla 4

Deflexión máxima [mm] de la periferia del domo (sin anillo)

Para H = 1219 mm se obtienen deflexiones excesivas de 138,3 mm en promedio para todos los valores del parámetro Q. A medida que aumenta el H, los valores de la deflexión máxima disminuyen significativamente hasta alcanzar un valor mínimo de 2,1 mm en promedio para H = 4594 mm. Esta tendencia se observa para todos los valores del parámetro Q. De hecho, se observa también que el parámetro Q tiene muy poca influencia sobre el valor de la máxima deflexión que ocurre en la periferia del cabezal.

La figura 9a muestra los desplazamientos de los nodos situados en la periferia del cabezal (vista en planta) para la posición (H = 4594 mm, Q = 0°) que produce las deflexiones mínimas de esta zona. Es importante notar que, en este caso, los desplazamientos de los puntos de la periferia del cabezal tienen una distribución en lóbulos que se corresponde con las posiciones en las cuales están colocadas las orejas de izado.

Figura 9
Distribución de esfuerzos de Von Mises en la periferia del cabezal (sin anillo rigidizador) para H = 4594, Q

La figura 9b muestra la distribución de esfuerzos de Von Mises para esta posición de las orejas de izado. En este caso se observa que los niveles de esfuerzos están cercanos a un 22 % del esfuerzo admisible para todo el cabezal (alrededor de 30 MPa), a excepción de las zonas donde están colocadas las orejas de izado.

4.2. Resultados con anillo rigidizador

Un modelo del cabezal incluyendo el anillo rigidizador fue realizado y se muestra en la figura 10. La figura 11 y la tabla 5 presentan los valores de la máxima deflexión de la periferia del cabezal.

Figura 10
Detalle del cabezal con anillo rigidizador

Tabla 5

Deflexión máxima [mm] en la periferia del domo (con anillo)

Figura 11
Comparación de la deflexión máxima en la periferia del cabezal para varios valores de H y Q (con anillo rigidizador).

En este caso, al igual que para el caso sin anillo rigidizador, se observa la existencia de una posición en la cual la deflexión de la periferia del cabezal es mínima (H = 4594 mm). Por cierto, esta posición resulta ser la misma que para el caso del cabezal sin anillo rigidizador, y la amplitud de los desplazamientos es del mismo orden de magnitud.

En comparación con el caso no rigidizado, la presencia del anillo rigidizador reduce las deflexiones máximas considerablemente. Para H = 1219 mm se obtienen deflexiones de 56,90 mm en promedio para todos los valores del parámetro Θ Esto representa una reducción del 60 % comparado con los 138,3 mm obtenidos para el caso sin anillo en la Sección 4.1. De nuevo, a medida que aumenta el H, los valores de la deflexión máxima disminuyen significativamente hasta alcanzar un valor mínimo de 1,7 mm en promedio para H = 4594 mm.

La figura 12a muestra los desplazamientos de los nodos situados en la periferia del cabezal para H = 4594 mm y Θ = 0°, mientras que la figura 12b muestra la distribución de esfuerzos de Von Mises para todo el cabezal. En estas últimas figuras se observa que los esfuerzos de la periferia cabezal son bastante bajos (alrededor de 30 MPa).

Figura 12
Distribución de esfuerzos de Von Mises en la periferia del cabezal (con anillo rigidizador) para H= 4594 mm, Q= 0°.

5. Conclusión

Como resultado del estudio paramétrico realizado para el cabezal se puede concluir que:

• El parámetro Θ no tiene mayor influencia sobre la magnitud de la deformación de la periferia del cabezal, por lo cual es razonable pensar que se puede escoger cualquier configuración angular para la ubicación de las orejas de izado, siempre que entre ellas formen 90°. Esto, a pesar de que la estructura no es simétrica, debido a la presencia de plataformas y bocas de visitas.

• El parámetro H es el que presenta la mayor influencia sobre la magnitud de la deformación de la periferia del cabezal; se puede observar que existe una región, situada alrededor de la zona donde se realiza la soldadura del plenum, en la cual la deformada de la periferia alcanza un mínimo. Esta región resulta ser entonces ideal para la ubicación de las orejas de izado.

• En este caso, la utilización del método de los elementos finitos permitió la determinación de la posición óptima de las orejas de izado que conduce a bajos desplazamientos en la periferia del cabezal del regenerador.

• Los desplazamientos mínimos obtenidos para el cabezal con y sin anillo rigidizador demuestran la factibilidad de la realización del proceso de soldadura entre el cabezal y el resto del regenerador. Cuando estos desplazamientos son excesivos, al punto que impiden soldar de nuevo el cabezal, se deben llevar a cabo otras tareas que podrían retrasar la puesta a punto de la planta petroquímica, aumentar considerablemente los costos del trabajo e inducir pérdidas económicas por el tiempo de parada del regenerador.

Referencias

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Notas