Esta tesis establece un procedimiento de análisis de las tensiones generadas por la dilatación térmica en tres arreglos de tuberías: una tubería simple enterrada, una tubería con un cambio de dirección de 90° y una tubería enterrada con un cambio de dirección de 90°. Para darle solución a cada uno de los casos se analizan los esfuerzos térmicos por dos vías diferentes: la simulación numérica mediante el programa ANSYS y por teorías de resistencia de materiales. El planteamiento de estos dos métodos da la ventaja de corroborar los valores obtenidos verificando que sean similares entre sí y a la vez analizar los comportamientos complejos de ciertos parámetros en la tubería. Para plantear el análisis por resistencia de materiales se explica los siguientes conceptos: dilatación térmica, esfuerzo térmico, longitud virtual entre apoyos, modelo analítico del terreno, flexión en vigas, vigas sobre fundación elástica y teorías de falla. Junto con los conocimientos anteriores es posible, para cada caso, simplificar el modelo teórico y así obtener valores de tensión crítica por medio del procedimiento realizado con los conceptos estudiados. Luego se plantea el estudio por simulación numérica usando modelos lineales para las tuberías y de resortes para el terreno. Se confirma la validez de la simulación como método de análisis al contratar valores con el planteamiento teórico y obtener porcentajes de similitud del grado del 83 – 98 %. Además es posible analizar con mayor profundidad cada caso ya que la simulación da las herramientas suficientes para ver el comportamiento de la dilatación y fuerza a lo largo de la tubería y obtener los esfuerzos máximos (que varían de 35 a 166 MPa según el arreglo de tubería) para realizar un análisis de fallas.

El presente trabajo de investigación permite establecer un modelo analítico lineal de una junta mecánica semirrígida Victaulic estilo 77, utilizada para unir codos de radio mayor (1.5D, 3D, 5D) con tuberías rectas de acero al carbono en servicios de transporte a presión de pulpa minera. En la industria minera peruana el traslado de pulpa mediante tuberías es ampliamente utilizado, permitiendo aislar la pulpa de entornos sensibles. Sin embargo, la pulpa genera abrasión y consecuentemente desgaste en cambios de dirección, especialmente en codos. El reemplazo de estos últimos elementos casi siempre se realiza en parada de planta donde el tiempo para su sustitución es limitado. El presente trabajo, mediante el modelo antes descrito, permite garantizar un diseño de disposiciones de tuberías confiables bajo la norma ASME B31.3, donde es posible utilizar codos con uniones Victaulic estilo 77 sin ningún tipo de soporteria para algunos casos presentados, ahorrando tiempo valioso en el desmontaje y montaje. Gracias al modelo se puede establecer el nivel de flexibilidad de este tipo de juntas comparando su comportamiento con uniones de tubería rígida y flexible, lo que permite concluir que este tipo de conexión se apega más al comportamiento de una unión flexible, próxima a un tipo de unión articulada. Adicionalmente, con los resultados se obtienen recomendaciones de ubicación y cantidad de soportes para tuberías rectas e instalaciones que involucran codos de radio superior. Estas recomendaciones permiten diseñar los soportes estructurales típicos donde realmente son necesarios. / Tesis

El documento digital no refiere un asesor / Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Realiza el estudio de un proyecto de gas realizado en el Perú, Gasoducto Nuevo Mundo – Pagoreni “A”, del proyecto Camisea, que muestra en su contexto real las fases de diseño del gasoducto utilizando el código de construcción que aplica y los conceptos de mecánica de fluidos. Determina los parámetros de diseño de una tubería de gas: tipo de material, espesor de la tubería, diámetro de la tubería, resistencia a la presión de ensayo y resistencia a la fluencia; y la caída de presión a lo largo del gasoducto considerando el flujo Isotérmico a lo largo de la línea con una longitud de 40 kilómetros y con 6 válvulas de bola instaladas. / Trabajo de suficiencia profesional

El abordaje experimental se presenta como la primera mejor opción para el estudio de fenómenos físicos complejos. Este es el caso de las vibraciones generadas por flujo bifásico gas-líquido en tubo, donde una mezcla inmiscible de dos fluidos fluye en diversas configuraciones espaciales a través de un tubo induciéndole vibraciones. En la práctica, ese fenómeno es parte intrínseca de muchos procesos en industrias como la nuclear, petróleo y gas, refrigeración y generación de potencia. Instalaciones experimentales debidamente diseñadas para el estudio de este fenómeno son necesarias. Así, se presenta el diseño de un banco experimental para la generación de flujo bifásico gas-líquido orientado al estudio de vibraciones inducidas por flujo. Se discuten aspectos hidráulicos y estructurales. Se propone una novedosa metodología para la estimación de la presión de diseño, basada en un análisis fenomenológico. También se presentan criterios provenientes del código ASME B31 y de la práctica industrial para la evaluación de la integridad del tubo como elemento estructural. La metodología y los criterios citados fueron aplicados al caso de un tubo PVC Ø1” Sch.40 con agua y aire simulando las fases líquida y gaseosa, respectivamente. Con los resultados obtenidos, los parámetros de selección de los equipos de bombeo y de aire comprimido fueron discutidos y un dimensionamiento fue realizado. La evaluación de costos arrojó un monto de S/. 120 371.2 para el valor total del proyecto, donde 12.8% representó la mano de obra para las etapas de diseño y construcción. El presente diseño garantiza la experimentación de flujo bifásico gaslíquido con confiabilidad y seguridad. Sus directrices podrían auxiliar en la concepción, diseño y construcción de bancos experimentales para el estudio de flujo bifásico en diversas condiciones.

Actualmente, la investigación en el sector energético se encuentra en continuo desarrollo. Asimismo, el número de ingenieros diseñadores de centrales hidroeléctricas aplicables a las condiciones del Perú está en aumento, lo cual se evidencia en la ampliación de nuevos proyectos hidroeléctricos. Sin embargo, solo se ha explotado un 5% del potencial hidroenergético en el país. Por ello, para contribuir con la investigación, la presente tesis propone 3 aspectos a considerar en el plan de diseño de tuberías forzadas en centrales hidroeléctricas de agua fluyente para una etapa de prefactibilidad: un análisis económico de los costos para la optimización del diámetro, un conjunto de simulaciones fluido-dinámicas mediante el uso del software ANSYS, y un predimensionamiento de las estructuras que componen la tubería forzada. El análisis económico de la tubería forzada se centra en definir el diámetro óptimo de diseño mediante dos métodos: el método tradicional (Mosonyi, 1965) y el nuevo método detallado que propone la presente tesis. El primero consiste en una comparación de costos anuales entre las partidas de mantenimiento y costo de energía no vendida. El segundo método consiste en la comparación de costos de inversión de diferentes variables entre los cuales se pueden encontrar los costos de equipamiento hidromecánico, concreto, transporte, excavación, montaje, bajo dimensionamiento y mantenimiento. Estos factores mantienen una relación directa con el diámetro que se le asigne a la conducción a presión por lo que se pueden estimar costos en función a dicho diámetro para establecer el diámetro óptimo. Con respecto a las simulaciones fluido-dinámicas, el software ANSYS permite estudiar los efectos que se presentan frente a disminución del diámetro que solo se había analizado mediante la teoría básica de la mecánica de fluidos. Mencionado estudio brinda una justificación más sólida al análisis económico ya que presente el mismo nivel de precisión que los modelos realizados a escala. En síntesis se podrá corroborar y dar mayor alcance a los criterios empleados en el análisis económico. Después de establecer el diámetro óptimo, se elaboran los diseños de las diferentes estructuras que componen la tubería forzada. Entre ellas se encuentran los machones verticales, bloques de apoyo, juntas de expansión, abrazaderas, anclajes y espesor de la tubería. Se exponen los criterios que se deben tener en cuenta para dimensionar cada una de las partes de la conducción a presión. El diseño es realizado a un nivel de pre-factibilidad, es decir, se omiten los cálculos correspondientes a la ingeniería de detalle, pero se establecen cálculos y consideraciones necesarios para establecer una geometría adecuada.

El objetivo principal de la presente tesis es presentar un procedimiento que permita calcular las deformaciones y tensiones residuales que se producen en las tuberías en el proceso de soldadura. Este análisis se realiza mediante simulación numérica, basada en el método de los elementos finitos y para ello se utilizan las herramientas del software ANSYS. El procedimiento considera los parámetros del proceso de soldadura, las dimensiones de las tuberías y de la junta, las propiedades físicas, térmicas y mecánicas del material, dependientes de la temperatura y las condiciones de contorno, tanto térmicas como estructurales. Se aplicó la técnica del birth and death o técnica del elemento quieto para modelar la deposición del material de aporte. Asimismo, se empleó el modelo del doble elipsoide de Goldak para simular el efecto de la fuente de calor. En primer lugar, se resuelve el problema térmico y se obtiene un campo de temperaturas para cada paso de tiempo. Los resultados obtenidos son los datos de entrada para la solución del problema estructural, es decir, para determinar las tensiones residuales y deformaciones, ya que éstas se producen debido a los cambios de temperatura durante la soldadura. Todos los resultados obtenidos fueron comparados con datos de resultados experimentales disponibles en la literatura para validar el procedimiento. Se observa que los resultados obtenidos por simulación tienen una correlación cercana con los resultados experimentales. Finalmente, se aplicó el procedimiento a un caso de estudio, la soldadura en un gasoducto. Se obtuvieron resultados de temperaturas, de tensiones residuales axiales y circunferenciales y de deformaciones axiales. Los resultados de las tensiones residuales se compararon con los valores estimados según la norma API 579 / ASME FITNESS FOR SERVICE y demuestran que el procedimiento desarrollado en la presente tesis puede ser utilizado como una herramienta alternativa en el diseño y el control de la integridad de uniones soldadas en gasoductos basados en normas.

En el presente trabajo se ha realizado el diseño hidráulico de un sistema gravimétrico para transportar 202 m3/h de relave minero desde la planta procesadora de minerales hasta la presa de relaves, aprovechando un desnivel de 226 m. El diseño hidráulico ha sido conceptualizado como recepción, acondicionamiento, transporte y evacuación. La recepción y acondicionamiento del relave se logra con el sistema de recepción, el transporte se realiza a tubería llena presurizada y finalmente se evacúa el relave hacia el sistema de descarga a la presa de relaves con una presión requerida. El relave se ha caracterizado como una pulpa homogénea de 1.5 de densidad específica, 52.5% de concentración en peso y 29% de concentración en volumen, cuyo comportamiento viscoso es de tipo Bingham. Esta pulpa tiene partículas en suspensión de 27 μm en promedio, cuya densidad específica de sólido seco es de 2.7. Respecto al transporte, la línea se ha dividido en dos tramos de tubería con diferente diámetro. El primero comprende los primeros 190 m, con un diámetro nominal de 8 in y 1.9 m/s de velocidad media, mientras que el segundo, va hasta 970 m, con 6 in de diámetro nominal y 3.5 m/s de velocidad media. Al tratarse de un fluido con partículas suspendidas, es importante analizar la velocidad crítica de deposición, es decir, la velocidad a la cual las partículas empiezan a depositarse. Esta ha sido determinada mediante el modelo de Turian y Oroskar, dando como resultado 1.14 m/s y 0.95 m/s en el primer y segundo tramo respectivamente. Con respecto a la caída de presión, se ha usado el modelo de Darby para fluidos Bingham, dando como resultado 976.6 kPa (66.3 m.c.p.), lo cual equivale a 29% del desnivel disponible (226 m.c.p.). Como parte del diseño, se ha considerado la presencia de una estación de choque, la cual disipa la presión cerca del final de la línea y permite que se entre el relave al sistema de descarga a 55 PSIg.