20.0 Conectando tubería a vasijas de pesaje

20.1 Conectar tubería a vasijas de pesaje Sin duda la conexión de la tubería es por mucho la mayor fuente de errores en pesaje de vasijas. Por eso el arreglo de la tubería tiene que ser cuidadosamente planificada en el diseño de cualquier vasija de pesaje. La Figura 20-1 muestra una vasija montada sobre celdas de carga y apoyada por una estructura de vigas I. Un tubo horizontal conectado está rígidamente apoyada a una distancia “I” de la vasija.

Figura 20-1.

Cuando la vasija está cargada, se mueve hacia abajo como mostrado en la Figura 20-2 como resultado de: 1. La deflexión de la celda de carga (.005" a .015" a su plena carga), y 2. La deflexión de la estructura de soporte. Figura 20-2. El tubo conectado también se deflexión hacia abajo por la

en el tanque. Los efectos de la tubería son particularmente severos cuando hay varios tubos conectados a una vasija de pesaje de baja capacidad. Por medio de diseño bueno, las fuerzas hacia arriba ejercitada por los tubos pueden ser reducidas a un pequeño porcentaje de la carga viva de la vasija. Luego, por calibrar la vasija con peso, se puede compensar por los efectos remanentes. Calibración mediante un simulador de celdas de carga no producirán resultados precisos porque no hay forma de simular los efectos de la tubería conectada. Algunas normas generales para el diseño de la tubería son las siguientes: • Reducir al mínimo posible la deflexión de la estructura de soporte de la vasija. • Utilizar el diámetro más pequeño y la pared más ligera de tubo posible. • Todos los tubos tienen que correr horizontalmente yendo lejos de la vasija. • Coloquen el primer soporte de tubo una distancia igual a 20 a 30 veces el diámetro del tubo lejos de la vasija (por ejemplo, para un tubo con diámetro de 2”, el primer apoyo estaría colocado por lo menos a 40”, y preferiblemente a 60”, de la vasija. Nota: Los diámetros de tubo y grosura de la pared de los tubos, intervalos de soporte de tubos, etc., tiene que ser escogidos para ser consistentes con los requisitos de funcionalidad, estructura, y fiabilidad del sistema además de las recomendaciones de esta seccion. Para un tratamiento más riguroso del tema, la fuerza ejercitada sobre la vasija puede ser calculada utilizando la siguiente ecuación en donde: D=diámetro externo del tubo d=diámetro interno del tubo

punto fijo E=módulo de Young =29,000,000 para acero dulce =28,000,000 para acero inoxidable =10,000,000 para aluminio l=longitud del tubo de la vasija hasta el primer punto de apoyo. Esto rinde resultados conservativos puesto que asume que el tubo está sujetado rígidamente a ambos de sus terminos. en la práctica, habrá alguna elasticidad tanto en el punto de apoyo como en su conexión a la vasija. El próximo ejemplo ilustra el uso de esta formula.

Ejemplo I Un tanque de cero está apoyado sobre celdas de carga y una estructura de acero con deflexiones de .008" y .250" respectivamente bajo carga. Un tubo de 4” cedula 40 se conecta horizontalmente con 36” de alcance libre entre la vasija y el primer punto de apoyo. ¿Cuál fuerza F1 está siendo

ejercitada hacia arriba en la vasija?

20.2 Pautas para tubería

Incorrecto

Pauta para tubería Utilicen el tubo del diámetro más pequeño que sea adecuado para su aplicación.

Utilicen el tubo con paredes más ligeras que sea adecuado para la aplicación. Eviten la inclinación de la vasija de pesaje como resultado de rigidez no uniforme entre los soportes. Pequeñas rotaciones de la vasija pueden terminar siendo amplificadas para ser grandes movimientos al punto del primer apoyo.

No apoyen los tubos sobre alguna estructura que podría deflexionar independientemente de la vasija. No apoyen los tubos por la estructura de soporte de la vasija de tal manera que el punto de apoyo se mueve junto con la vasija, así reduciendo la deflexión relativa.

No conecten todos los tubos al mismo lado de la vasija. Arréglenlos simétricamente alrededor de su diámetro, lo más lejos posible el uno del otro.

Tabla 20-1. Pautas

Correcto

Incorrecto

Pauta para tubería Cuando conectando tubos a una vasija parcialmente montada sobre monturas de flexión, hay que tomar cuidado extra para evitar fuerzas laterales inducidas por la expansión/contracción térmica de los tubos. Utilicen mangueras flexibles, fuelles, o un lazo, y conecten los tubos relativos a las celdas de carga/monturas de flexión como mostrado para minimizar la transferencia de peso de las monturas de flexión a las celdas de carga o vice versa. Si es posible, no conecten los tubos directamente a la vasija (en sistemas ventilados). Permitan que ellos entren por agujeros grandes. Si es necesario, se pueden utilizar botas flexibles para sellar fuera polvo.

No corran un tubo conectado verticalmente a su primer punto de apoyo. Esto suspenderá la vasija y arruinara su precisión. Todos los tubos deben ser corridos lejos de la vasija en el sentido horizontal.

Aumenten lo más posible la distancia entre la vasija y el primer apoyo de tubo.

Eviten largas corridas verticales de tubo, particularmente si están restringidas de poder moverse verticalmente. Esto es porque cualquier expansión/contracción térmica será traducida en fuerzas verticales dañinas sobre la vasija, directamente afectando su precisión. Utilicen manguera flexible para hacer conexión a la vasija. No usen la manguera flexible para compensar por un desnivel inicial de los tubos.

Tabla 20-1. Pautas

Correcto

Incorrecto

Pauta para tubería Donde posible, utilicen fuelles flexibles para hacer la conexión a la vasija. No utilicen fuelles para compensar por un desnivel inicial entre los tubos. Cuando hay que acomodar deflexiones grandes, se pueden usar dos fuelles en serie.

El hacer un ángulo recto en el tubo en el plano horizontal reduce en gran forma la rigidez del tubo.

Con vasijas horizontales montadas parcialmente sobre flexiones, no conecten tubos en el termino “vivo”. Conecten los tubos en el termino que está sobre las flexiones si es posible, dado que cualquier fuerzas verticales ejercidas allí no serán “vistas” por las celdas de carga. Tubos de llenado para líquidos deberían entrar horizontalmente para que el impacto de material “en vuelo” tiene un efecto mínimo sobre la lectura de peso.

Con materiales granulares, llenen la vasija simétricamente. Utilicen un cono deflector para ayudar con el distribuir/nivelar el material.

No utilicen almohadillas de caucho u otros dispositivos que vayan a aumentar la deflexión de la vasija bajo carga. Fortalezcan la estructura de apoyo para reducir su deflexión.

No permitan que un tubo de descarga común cuelgue directamente de las vasijas. En el ejemplo a la izquierda, el vaciar el tanque B temporalmente añadirá peso al tanque A. Para una mejor instalación, apoyan los tubos independientemente. Correcto

Tabla 20-1. Pautas

Incorrecto

Pauta para tubería Cables eléctricos flexibles no deberían correr verticalmente a una vasija de pesaje; deberían correr horizontalmente o tener un lazo como mostrado a la derecha. Correcto

Tabla 20-1. Pautas El Ejemplo 5 muestra el efecto de reducir el tamaño del tubo de 4” cedula 40, a 2” cedula 40. De la reducción grande de 93% pueden ver con claridad por que deberían siempre utilizar el tubo con el diámetro más pequeño que sea adecuado para su aplicacion. Esta y otras pautas de que hacer y que no hacer están resumidas en la Sección 20.2 en la página 41. Noten que aunque aquí el énfasis esta en la tubería conectada, estas recomendaciones se aplican igual a conductos eléctricos y cables conectados tambien. Si hay varios tubos conectados a una vasija, se puede calcular la fuerza vertical ejercida por cada uno individualmente sobre la vasija como descrito arriba y luego pueden sumarlas para llegar a la fuerza total F actuando verticalmente sobre la vasija. Es decir: F = F1 + F2 + F3 … donde F1 es la fuerza ejercida por el tubo 1, F2 la fuerza ejercida por el tubo 2, etc. La práctica comúnmente aceptada en la industria de pesaje para asegurar que la tubería no afecte de una forma perjudicial a la precisión requerida es de asegurar que se cumpla o satisfaga la siguiente relación

Figura 20-3.

De la información dada arriba:

E (acero)) = 29,000,000 Para tubos cedula 40, D = 4.50, d = 4.03 l = 36" entonces: .59(4.50 4 –4.03 4 ) x .258 x 29,000,000 F1 = ________________________________ 36 3 = 13,840 lb. La primera línea de la Tabla 20-2 (Ejemplo 1) resume el resultado arriba. Las otras líneas (Ejemplos 2-5) representan el resultado cuando se cambia uno de los parámetros. La última columna a la derecha expresa el cambio en F1 por porcentaje relativo al Ejemplo 1 (13,840 lb). El ejemplo 2 muestra el efecto de doblar la longitud del tubo entre la vasija y el primer punto de apoyo. La reducción de 87% muestra que F1 puede ser dramáticamente bajada por aumentar la distancia hasta el primer punto de apoyo. . El ejemplo 2 muestra el efecto de reducir a la mitad la deflexión estructural de .250" a .125" (la deflexión de la celda de carga de .008" se mantiene la misma). Es obvio de la reducción de 48% en la Tabla 20-2 que se puede reducir F1 moderadamente por reducir la deflexión de la vasija. El ejemplo 4 muestra el efecto de utilizar un tubo de menos grosura de clase 10S en vez de clase 40.

Por ejemplo, si la carga viva de una vasija es de 50.000 lb y se requiere una precisión de sistema de .25%, entonces

Es decir, la suma de todas las fuerzas verticales de los tubos tiene que ser igual a o menos de 1.250 lb.

Ejemplo Tubo Longitud del tubo (l) Fuerza hacia arriba (F1) Reducción en (F1) por porcentaje

1 4” cedula 40 36” .258 13,840 2 4” cedula 40 72” .258 1,730 87% 3 4” cedula 40 36” .133 7,130 48% 4 4” cedula 10S* 36” .258 7,630 45% 5 2” cedula 40† 36” .258 976 93%

Tabla 20-2. * Para 4” cedula 10S, D=4.50, d=4.26; †Para 2” cedula 40, D=2.38; d=2.16 Ejemplo 2 La vasija mostrada en la Figura 20-4 tiene las siguientes características: • Carga viva de 40.000lb • Montada en cuatro vigas al corte de 20.000lb cada uno con deflexiones a máxima capacidad de .010" • Deflexión estructural de .375" • Precisión requerida de 0.5% • El material es de acero inoxidable por todo 2. Determinen la deflexión total. Puesto que la carga viva solo representa ½ de la capacidad de la celda de carga, la deflexión de la celda de carga será .010 ____ = .005" 2

+ deflexión estructural = .005 + .375 = .380" 3. Utilizando la formula, determinen F X para cada tubo:

F X

.59(D 4 – d 4 ) x (Dh) x E .59(3.50 4 – 3.07 4 ) x .380 x 28,000,000 = 1,029lb .59(2.375 4 – 2.07 4 ) x .380 x 60 3 .59(3.50 4 – 3.07 4 ) x .380 x 28,000,000

l 3

Figura 20-4.

1. Determinen el valor F permisible utilizando la

La suma de todas las fuerzas verticales en los tubos tiene que ser menos de o igual a 2,000lb.

F 1 72 3

F 2 28,000,000

391lb

F 3 ecuación 2. 84 3

648lb

F 4 .59(1.315 4 – 1.049 4 ) x .380 x 28,000,000 36 3

239lb

4. Determinen F utilizando la formula: F = F1 + F2 + F3 + F4

F = 1,029 + 391 + 648 + 239 = 2,307 lb

Dado que el F calculado para la vasija es más que el valor determinado en le paso 1, este resultado no es aceptable. hay varias posibles soluciones: • 1) Aceptar una precisión más baja (quizás 1% en vez de .5%). • Reducir la deflexión de la estructura de apoyo. • Mejorar la tubería por: • utilizar tubos más pequeños y livianos • utilizar mangueras o fuelles flexibles • aumentar la distancia hasta los primeros puntos de apoyo de los tubos Si aplicamos el número 3 a esta vasija, nos enfocaríamos en el que es el mayor problema, el tubo 1. Se puede solucionar fácilmente el problema por aumentar la distancia hasta su primer soporte de 72” a 82”, dándonos un F1 = 697lb. Entonces F = 697 + 391 + 648 + 239 = 1,975lb.

Como esto es menos que 2.000lb, el diseño ahora queda aceptable.

20.3 Sistemas de sujeción de vasijas Aunque muchos de los arreglos de montaje ofrecidos por Rice Lake Weighing Systems son auto-comprobantes, hay situaciones en las cuales puede que sea necesario sujetar o restringir una vasija sujeta a constante vibración o prevenir que una vasija se tumbe o caiga en el caso de algún evento no previsto. Las dos clases mayores de sistemas de sujeción son barras de retención y barras de refrenamiento. 20.4 Barras de retención Se utilizan barras de retención para restringir de forma rígida a una vasija en la dirección horizontal. Se instalan estas barras horizontalmente bajo tensión entre una abrazadera en la vasija y una abrazadera en la estructura de apoyo o sus cimientos. A causa de la deflexión insignificante de las celdas de carga bajo carga, las barras de retención tendrán poco efecto sobre la precisión del sistema cuando instalados correctamente. Es necesario instalar un número de barras para restringir por completo a una vasija en el plano horizontal; vean la Figura 20-5. En una vasija circular, las barras siempre deben ser tangenciales. Esto previene que la vasija se desplace en cualquier dirección, pero lo deja libre para expansión/contracción termica. La Figura 20-6 muestra barras de retención conectadas a una vasija suspendida. Las barras tienen que ser horizontales para que no afecten la precisión del pesaje. Tuercas de fijación son apretadas hasta que la barra quede bien ajustada; no las sobre-aprietan. Esta colocación de las tuercas asegura que las barras operen bajo tensión y que nunca sean sujetas a una carga compresiva o pandeo. Se utilizan barras de retención para: • Mejorar la estabilidad y precisión del sistema por limitar la oscilación o vibración de la vasija. • Proteger la tubería de fatiga debida al movimiento constante de la vasija. • Asegurar la estabilidad de vasijas altas y delgadas o de vasijas con equipos pesados montados eccentricamente. • Asegurar la estabilidad del sistema contra viento, fuerzas sísmicas o peligro de tráfico vehicular. • Mantienen en su lugar a una vasija cuando montada sobre celdas de botella. Estas celdas tienen muy poca tolerancia en cuanto a fuerzas laterales y tienen que ser cargadas solo en la dirección vertical.

Figura 20-5.

Las barras de seguridad por refrenamiento son similares a las barras de retención en el sentido que pueden ser aplicadas a una vasija en maneras similares a las de barras de retención. Sin embargo, estas quedan conectadas a la vasija de una forma más suelta y también pueden ser aplicadas en el sentido vertical. Se dejan las barras de seguridad por refrenamiento sueltas durante operación normal para que no apliquen ninguna fuerza axial a la vasija de pesaje. No son una parte activa del sistema de pesaje. Las barras de seguridad por refrenamiento mostradas si añaden al peso de tara de la vasija, pero es una suma constante y así no afecta la precisión del pesaje. Como implica su nombre, barras de seguridad por refrenamiento son un atributo para seguridad entendido para refrenar la vasija si o cuando ella es sujetada a fuerzas grandes internas o externas o si hay alguna falla mecánica en el mecanismo normal del apoyo de la vasija. Barras de seguridad horizontales deben utilizarse para: • Asegurar la estabilidad de vasijas altas y delgadas o vasijas con equipos pesados montados eccentricamente. • Asegurar la estabilidad de vasijas contra viento o fuerzas sísmicas o peligro por tráfico vehicular. Como está mostrado en la Figura 20-7 (a), para ser lo más eficaces, las barras de seguridad por refrenamiento tienen que estar conectadas al punto de o arriba del centro de gravedad de la vasija cuando llena. Noten que las barras retenedoras llevaran a cabo todas estas mismas funciones y más, pero barras de seguridad son menos críticas a la operación del sistema y entonces no requieren la misma atención a detalle para su instalación exitosa. Se deben utilizar barras de seguridad por refrenamiento: • En toda vasija montada bajo tensión en donde la falla de su suspensión normal permitiría caer a la vasija y así causar herido o daño; vean la Figura 20-7 (b). • En lugar de barras horizontales de retención donde no es práctico utilizarlas para asegurar la estabilidad de vasijas altas y delgadas o las que estarán sujetas a vientos o fuerzas sísmicas, vean la Figura 20-7 (c). Hay que instalar barras verticales de seguridad en un hueco demasiado grande en la abrazadera inferior para que no interfieran de ninguna manera con el movimiento vertical de la vasija.

Figura 20-6.

Cuando están utilizando barras de retención para proveer estabilidad a la vasija, son lo más eficaces cuando conectadas en o arriba del centro de gravedad de la vasija cuando llena. Las barras de retención deben ser hechas lo más largo que sea práctico, dado que esto será de provecho al reducir las fuerzas en la dirección vertical. Se debe enfatizar que las barras tienen que ser horizontales; por este motivo, uno de los puntos de conexión debe ser ajustable en la dirección vertical.

20.5 Barras de seguridad por refrenamiento Para más información, vean la Sección 21.0 en la página 48. (a) (c)

(b)

Figura 20-7.