Blog sobre El estudio optimiza los estándares de diseño de cabezas de buques de presión convexos

En campos de alta tecnología como la exploración en aguas profundas, la industria aeroespacial y la petroquímica, los recipientes a presión que soportan presión externa juegan un papel vital. La seguridad de las tapas convexas, componentes clave de estos recipientes, determina directamente la estabilidad de sistemas completos. Un defecto de diseño que cause pandeo o fallo en la tapa de un sumergible de aguas profundas o en un tanque de combustible de cohete podría llevar a consecuencias catastróficas. Por lo tanto, la investigación en profundidad y la optimización de los métodos de diseño de tapas convexas tienen una importancia práctica significativa.

Cuando se someten a presión externa, las tapas convexas se enfrentan principalmente a dos modos de fallo: pandeo y fluencia. Los diseños de ingeniería suelen emplear factores de reducción basados en la experiencia (KDF) para reducir las presiones teóricas de pandeo por seguridad. Sin embargo, con los avances en la ciencia de los materiales y la fabricación, este enfoque conservador puede llevar al desperdicio de material y al aumento de los costos. En consecuencia, predecir con precisión el comportamiento de pandeo y optimizar los métodos de diseño se han convertido en prioridades de investigación.

El factor de reducción (KDF) se define como la relación entre la presión experimental de pandeo en tapas reales y la presión teórica de pandeo en tapas ideales. Las primeras investigaciones se centraron en determinar los valores de KDF a través de experimentos, pero los resultados mostraron una variabilidad significativa debido a las dificultades para controlar con precisión los defectos. Los recientes avances en la fabricación, particularmente el método de molde esférico recubierto de polímero de Lee et al., han permitido la producción de tapas con defectos controlados, ofreciendo nuevas vías para la predicción precisa de KDF.

• Tipos de Defectos y Rendimiento al Pandeo: Los investigadores han realizado extensos experimentos y simulaciones numéricas sobre varios tipos de defectos. Yan et al. estudiaron cómo los parámetros geométricos de los defectos de espesor afectan al pandeo, mientras que Abbasi et al. encontraron que las protuberancias impactan mínimamente en el pandeo de las tapas esféricas. Derveni et al. examinaron las interacciones entre los defectos.
• Defectos de Fabricación Reales: Otros estudios analizaron tapas hemisféricas que contenían defectos de fabricación reales, proporcionando orientación de ingeniería. Wagner et al. propusieron el uso de muescas como defectos geométricos equivalentes para determinar las presiones de pandeo del límite inferior, introduciendo abolladuras simples mediante desplazamiento controlado.

• Tapas Hemisféricas: Como las tapas convexas más simples, sus métodos de diseño son relativamente maduros. Sin embargo, su mayor profundidad limita ciertas aplicaciones.
• Tapas Esféricas: A pesar de las importantes tensiones de flexión en los bordes en las zonas de transición de la corona, su menor profundidad y su fabricación más sencilla las hacen ampliamente utilizadas. Lu et al. estudiaron el comportamiento de pandeo elastoplástico bajo presión externa mediante análisis de elementos finitos, mientras que Blachut et al. investigaron la estabilidad en tapas esféricas multicapa de metal. Wang et al. analizaron los estados de tensión y las presiones de pandeo en las tapas inferiores de los calentadores de agua.
• Tapas Elipsoidales: Sus transiciones de curvatura más suaves proporcionan una distribución de tensiones más uniforme. Con una profundidad intermedia entre las tapas hemisféricas y esféricas, son más fáciles de fabricar mediante estampado. Zingoni desarrolló teorías para evaluar la distribución de la tensión de la membrana; Li propuso métodos de análisis simplificados para recipientes con tapas elipsoidales axisimétricas; Ross estudió los modos de pandeo en tapas elipsoidales de plástico reforzado con fibra de vidrio.

A pesar de los métodos de diseño emergentes, las reglas fundamentales en las normas de recipientes a presión siguen siendo piedras angulares de la ingeniería. Las potencias económicas mundiales han establecido sus respectivas normas para el diseño de tapas convexas. Este análisis se centra en seis normas clave:

• China: GB/T 150.3, GB/T 4732.3
• Estados Unidos: ASME VIII-1, ASME VIII-2, ASME Code Case 2286-6
• Unión Europea: EN 13445-3

ASME VIII-1 emplea métodos basados en gráficos para determinar las presiones externas permisibles. Estos gráficos, derivados de extensos datos experimentales y análisis teóricos, ofrecen conveniencia pero precisión limitada. ASME VIII-2 (desde 2007) se ha desplazado a métodos basados en fórmulas que incorporan los principios de ASME Code Case N-284 y 2286-6, calculando las tensiones de membrana compresivas circunferenciales permisibles. La edición de 2019 introdujo ecuaciones estandarizadas basadas en modelos de curva tensión-deformación, simulando con precisión las respuestas de los materiales en estados tal como se fabrican para todos los materiales (acero al carbono, acero de baja aleación, aleaciones de alta aleación y aleaciones no ferrosas), reemplazando los métodos anteriores de acero al carbono/baja aleación.

La EN 13445-3 (ediciones 2002-2021) utiliza curvas para determinar las presiones externas permisibles, adoptando curvas de límite inferior derivadas de las normas PD5500 (sucesores de la británica BS5500).

GB/T 150.3 también utiliza métodos de gráficos para el diseño de tapas a presión externa, con algunos gráficos basados en datos experimentales chinos y otros que hacen referencia a ASME Sección II, Parte D. GB/T 4732.3 emplea métodos similares a ASME Code Case 2286-6, con el Apéndice C que proporciona reglas adicionales de cálculo del módulo tangente, incluyendo ecuaciones de ASME Code Case 2286-6 para aceros al carbono/baja aleación y modelos de curva tensión-deformación de ASME VIII-2.

Esta sección detalla las comparaciones de las reglas de diseño de tapas hemisféricas, esféricas y elipsoidales en todas las normas, centrándose en las diferencias en los parámetros clave (por ejemplo, módulo tangente, factores de diseño) y sus impactos.

Módulo tangente (pendiente de la curva tensión-deformación del material a niveles de tensión específicos) influye críticamente en los cálculos de la presión de pandeo, con métodos de cálculo variables en todas las normas. Factores de diseño (coeficientes de margen de seguridad) también difieren, lo que refleja diferentes consideraciones de seguridad.

Dada la complejidad del diseño de las tapas esféricas/elipsoidales, algunas normas utilizan métodos equivalentes que las convierten en tapas hemisféricas para el cálculo. Esta sección compara las ventajas y limitaciones de estos métodos.

Para comparaciones intuitivas de normas, este artículo calcula las presiones de pandeo para varias tapas esféricas/elipsoidales utilizando diferentes normas, contrastando los resultados con las tapas hemisféricas equivalentes.

Casos de ingeniería seleccionados demuestran los cálculos de espesor para tapas utilizando diferentes normas, aclarando la aplicabilidad y las compensaciones de cada norma.

Esta revisión exhaustiva y el análisis comparativo de las reglas de diseño de tapas convexas bajo presión externa proporcionan referencias de ingeniería y orientación de investigación. Las direcciones futuras incluyen:

• Desarrollo de modelos precisos de predicción de pandeo: Aprovechar las técnicas informáticas y experimentales mejoradas para reducir la dependencia de los KDF empíricos.
• Estudio del comportamiento de pandeo de nuevos materiales: Investigar el rendimiento de nuevos materiales bajo presión externa para aplicaciones de ingeniería.
• Optimización de los métodos de diseño: Adaptar los enfoques a aplicaciones específicas, equilibrando la seguridad con la eficiencia de costos.