Diseño de equipos a presión: resultados inmediatos y fiables gracias al análisis no lineal

Gracias a Femap, Ener Consulting ha automatizado el análisis por elementos finitos de los recipientes a presión

Una de sus principales actividades consiste en realizar verificaciones de recipientes a presión, intercambiadores de calor, tuberías y depósitos en los sectores Oil & Gas, Power y Chemical. A lo largo de los años, su actividad se ha ampliado progresivamente a distintos sectores industriales: químico, farmacéutico, alimentario, papelero, tratamiento de residuos y otros.

«El diseño de los equipos a presión solicitados ha evolucionado con el tiempo, tanto por su tipología como por la complejidad de los análisis que deben realizarse, lo que exige un alto nivel de especialización y análisis», explica Stefano Milani, responsable de FEM en Ener Consulting. «Hasta mediados de los años noventa, el análisis por elementos finitos se basaba en normas insuficientes. Solo existían algunas directrices, sin procedimientos consolidados. Los clientes no disponían de los conocimientos técnicos adecuados y, ante la falta de procedimientos claros, casi todas las verificaciones de los recipientes a presión se realizaban mediante cálculos manuales».

En la década de 2000, el sector evolucionó rápidamente, tanto en el ámbito normativo como por la creciente difusión de herramientas tecnológicas que permiten automatizar los análisis. En este contexto nació la colaboración con SmartCAE, fundada también en 2002.

SmartCAE es Solution Partner de Siemens PLM Software para las soluciones de simulación Simcenter 3D, Femap y NX Nastran. Ener Consulting encontró en Femap de Siemens PLM Software una solución adecuada para desarrollar sus servicios de ingeniería, análisis y diseño, manteniéndose al día con los avances tecnológicos y las necesidades de sus mercados de referencia.

«Las herramientas FEA clásicas integradas en los programas CAD 3D son muy sencillas e intuitivas», continúa Milani. «Sin embargo, sus funcionalidades son limitadas y resultan inadecuadas para realizar análisis de precisión que cumplan con las normativas más exigentes o para llevar a cabo verificaciones detalladas en profundidad».

Detalle de las tensiones en la zona de la boquilla.

El análisis realizado por Ener Consulting parte de modelos tridimensionales con geometrías bastante complejas y, por tanto, difíciles de gestionar con un software FEA genérico. Femap permite a los técnicos de esta empresa toscana «limpiar» la geometría, eliminando las características que no son necesarias para el análisis (defeaturing). Como alternativa, los equipos que se van a analizar pueden modelarse directamente en Femap mediante una malla.

En particular, SmartCAE ha desarrollado en colaboración con Ener Consulting un complemento para Femap para la linealización de tensiones. «Gracias a este complemento, bastan un par de clics en la pantalla para obtener los resultados deseados», explica Francesco Palloni, Business Development Manager de SmartCAE. «Los clientes finales de nuestros mercados de referencia necesitan verificar sus productos de forma rápida y fiable. Femap nos permite proporcionarles los resultados que buscan, tanto mediante un enfoque tradicional como mediante uno más moderno y avanzado», destaca Milani.

Durante la verificación estructural de un recipiente a presión, el enfoque tradicional Design-by-Analysis (categorización de tensiones) suele dar lugar a un sobredimensionamiento del componente, ya que el enfoque clásico de análisis estático lineal, aunque está ampliamente consolidado y es fácil de aplicar, resulta conservador.

Además, hay que tener en cuenta que el procedimiento de linealización es especialmente complejo y costoso cuando se aplica a geometrías complejas. Actualmente, las normativas sobre recipientes a presión permiten aplicar un tipo de análisis más preciso mediante una herramienta como Femap para realizar cálculos no lineales.

«La normativa ASME VIII Div. 2, por ejemplo, permite verificar los recipientes a presión utilizando una ley constitutiva no lineal. Por un lado, obliga al analista a introducir en el modelo matemático una ley constitutiva más compleja; por otro, requiere un solver como Femap, capaz de realizar este tipo de análisis», explica Milani.

«El enfoque no lineal de Femap ofrece un rango de admisibilidad más amplio», añade Palloni. «Esto significa que, con la misma geometría y los mismos materiales, el componente puede ofrecer prestaciones superiores a las que se obtendrían mediante una verificación elástica lineal. Una segunda ventaja se aprecia en la fase de posprocesamiento, que resulta más rápida e intuitiva».

La eficacia del enfoque no lineal de Femap puede ilustrarse mediante un caso de estudio de un depósito de fondo plano y espesor variable. El componente analizado mediante un procedimiento de linealización tradicional no superaba la verificación en el régimen elástico. En cambio, al utilizar el enfoque no lineal, resultó apto y conforme con la normativa.

El enfoque lineal para la verificación de recipientes a presión presenta limitaciones relacionadas con la presencia de cargas de diseño elevadas que, al combinarse con la aplicación del procedimiento de linealización de tensiones, pueden dar lugar a que el diseño no sea aceptable. Esto obliga a modificar la geometría inicial o a reducir las cargas de diseño para mantenerse dentro del rango admisible.

Por el contrario, el uso de Femap con un enfoque no lineal, aunque requiere un mayor coste computacional que el cálculo lineal y exige prestar más atención a la verificación frente al colapso plástico, permite comprobar de forma más directa la integridad estructural del recipiente a presión.

Para profundizar en el tema:

• Verifica elasto-plastica dei recipienti a pressione
• La linearizzazione degli stress per la verifica dei recipienti a pressione