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• Carla Mishell Perez Ramos

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SEMINARIO TALLER TUBERÍA A PRESIÓN PARA PROCESOS CÓDIGO ASME B31.3 MANEJO Y APLICACIÓN BÁSICA Mayo 2006

Ing. Mina Natchova

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CÓDIGO ASME B31.3

Capitulo III MATERIALES

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GENERALIDADES The American Society for Testing and Materials – ASTM ASTM es encargada a desarrollar los estándares, utilizados voluntariamente en la industria. Los estándares para materiales son publicados en varias secciones. Mayo 2006

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MATERIALES En el Código ASME para Calderas y Recipientes a Presión, ASME BPVC, los materiales son presentados en la Sección II, que contiene 4 partes: Parte A – Materiales ferrosos Parte B – Materiales no ferrosos Parte C – Materiales de soldadura Parte D – Tablas de propiedades Mayo 2006

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MATERIALES • En ASME B31 – Códigos para tuberías, cada sección contiene capítulos de materiales. • Como ASME BPVC, tanto ASME B31, adoptan las especificaciones de ASTM para sus requerimientos y son listados en sus ediciones respectivamente.

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SELECCIÓN DE MATERIALES PARA UNIDADES DE PROCESO Los dos principales objetivos en la selección de materiales son: • Proveer aleaciones apropiadas, para lograr las expectativas del diseño al respecto de la vida útil de la unidad, mediante adecuada protección contra la corrosión. • Proveer estabilidad metalúrgica, para prevenir fallas prematuras por causas de las condiciones de operación Mayo 2006

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SELECCIÓN DE MATERIALES La experiencia es primordial, para que los materiales se desempeñen bien o mal. Es importante enfatizar, que cualquier cambio en las condiciones originales de diseño, puede alterar el comportamiento específico de los materiales.

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SELECCIÓN DE MATERIALES Los materiales seleccionados para la construcción de equipos, deben proveer una vida útil de servicio mínimo, por ejemplo: 20 años – reactores para alta presión 10 años – contenedores, intercambiadores, calentadores, bombas,compresores, y tuberías de materiales de fundición y aleaciones 5 años - tuberías de acero al carbono, set de tubos para intercambiadores, repuestos para equipos rotativos. Mayo 2006

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SELECCIÓN DE MATERIALES Hay muchos factores que contribuyen en la vida de servicio del equipo, algunos de ellos podemos controlar, al realizar diseños acertados. En muchos casos un sobre espesor de corrosión, puede prolongar la vida útil de servicio del equipo.

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Requerimientos para las propiedades de los materiales Resistencia mecánica – los materiales, usados para contener los fluidos del proceso, deben tener suficiente resistencia para cumplir con las condiciones de diseño Resistencia a la corrosión – los materiales deben poseer suficiente resistencia a las diferentes tipos de corrosión o ataques de hidrógeno del medio en que se desarrolla el proceso. Tenacidad – deben ser suficientemente tenaces y resistentes a las fracturas Mayo 2006

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Requerimientos para las propiedades de los materiales Schok térmico - ser razonablemente resistentes a los bruscos cambios de las temperaturas del proceso Resistencia a la abrasión – en algunos procesos los materiales son seleccionados para proveer resistencia a la abrasión de los sólidos Oxidación – ser resistentes a la oxidación, si altas temperaturas son encontradas Fabricación – ser compatibles con todos los procedimientos de fabricación Mayo 2006

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Designación, clasificación y aplicación

Designación • Los materiales, especificados por ASTM , ASME B31.3 llevan el prefacio A • Mientras que son usados por ASME Sec. VIII, llevan SA antes de su número de especificación

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Clasificación y aplicación Aceros al carbono SA-36, SA-283, SA-285, SA-516, - laminas SA-105, SA-181, - forjas SA-53, SA-106, SA-178, - tubos Estos son los materiales más comunes, usados en plantas de proceso y refinerías. Se definen como los aceros completamente desoxidados durante las practicas de maduración. La desoxidación esta acompañada con el uso de aditivos como silicio, manganeso o aluminio, para absorber los gases disueltos, por general oxigeno, durante la solidificación. Esto resulta un acero de mejor calidad, libre de burbujas e inclusiones. Mayo 2006

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Clasificación y aplicación Aceros de baja aleación SA 204 SA-302 Gr. A

( C-1/2 Mo ) - (carbono + 0,5% de molibdeno) ( Mn - Mo) - (manganeso + molibdeno)

Son usados para procesos de mayores temperaturas que los aceros al carbono y mas frecuentemente para temperaturas intermedias. Son resistentes a los ataques del H2 . Mayo 2006

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Clasificación y aplicación SA 387 Gr.12 (1Cr-1/2 Mo) SA 387 Gr.11 (1 ¼ Cr-1/2 Mo) Estas aleaciones son usadas para mayores temperaturas y resistencia al H2 . SA 387 Gr.22 (2 ¼ Cr-1 Mo) SA 387 Gr.21 (3Cr-1 Mo) Tiene mayor resistencia a altas temperaturas e H2 SA 387 Gr.5 (5Cr-1/2Mo) Son usados con mas frecuencia para protección contra ataques combinadas de azufre y temperaturas sobre 550ºF. Su resistencia al hidrógeno es mayor que los (2 ¼ Cr-1Mo) pero la resistencia al H2S es mínima. Mayo 2006

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Clasificación y aplicación Aceros inoxidables ferriticos 12% cromo (tipo 405 y 410S ), estos aceros ferriticos o martenciticos se usan primeramente como recubrimientos. Tienen excelente resistencia al azufre y a temperaturas intermedias. 13% cromo SA-240 tipo 410 – estos aceros inoxidables se usan extensivamente para componentes estandarizados en todos los procesos, como por ejemplo válvulas, bombas; tubos para intercambiadores de calor, componentes de recipientes y otros. Mayo 2006

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Clasificación y aplicación Aceros inoxidables austeniticos Tipo 304 – (SA 240 tipo 304) – este es el acero inoxidable mas barato, presentaciones en laminas o tubos; resistentes al hidrógeno y sus sulfatos y altas temperaturas. Tipo 309 y 310 - usados en servicios de alta temperatura y para soportes de la tubería.

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Clasificación y aplicación Materiales no ferriticos Cobre (Cu) y sus aleaciones Su uso en estado puro es muy limitado en equipos de proceso, por su baja resistencia. Sus aleaciones tienen mejor tolerancia a ácidos, cloridos, corrosión atmosférica o marítima que los aceros.

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Clasificación y aplicación Bronces Son aleaciones del cobre con zinc y pequeñas cantidades de otros elementos. Bronce ADMIRALTY – es utilizado en refinerias para tubos de condensadores cuando no es aplicado tratamientos de agua. Bronces ALUMINUM – son aplicados para tubos de condensadores de agua del mar. Bronce NAVAL - es usado para placas tubulares de intercambiadores de calor. Mayo 2006

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Clasificación y aplicación Otras aleaciones del cobre son usadas para elementos de bombas y equipos rotativos. COBRE-NICKEL – son aleaciones del cobre con nickel (90-10, 80-20, 70-30) y pequeñas cantidades de hierro y manganeso. Son las mas resistentes a la corrosion entre las aleaciones del cobre y se usan en servicios expuestos al agua del mar y acidos minerales y a temperaturas mayores que los bronces. Mayo 2006

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Clasificación y aplicación Nickel y sus aleaciones En estado puro su uso es muy limitado; tiene buena resistencia mecánica y excelente resistencia a ambientes corrosivos a bajas temperaturas. MONEL – 70% Ni, 30% Cu y pequeñas cantidades de Fe y Mn (manganeso). Es resistente a los ataques del cloro y fluor y se utiliza en servicios de agua del mar. Es muy susceptible a la sulfidacion a temperaturas alrededor de 400ºC. Mayo 2006

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Clasificación y aplicación INCONEL - Es una aleación de alto contenido, alrededor de 80% de Ni – Cr – Fe y es aplicada en servicios donde se requiere alta resistencia ala oxidación o en atmosferas reducidas a temperaturas hasta 2000ºF. Es inferior al MONEL en el manejo de acido sulfurico o otros. No es recomendado en ambientes con asufre o sulfidos a temperaturas mayores a 1000ºF. Mayo 2006

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Clasificación y aplicación

INCOLOY - esta aleación es muy similar por sus propiedades a los aceros inoxidables austeniticos, pero por el mayor contenido de Nickel es mas cara. Tiene mayor resistencia a la corrosión por cloro que los aceros inoxidables austeniticos.

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Clasificación y aplicación Aluminium y sus aleaciones Las aleaciones del aluminium no son usadas con frecuencia en las aplicaciones de refinerías, por su baja resistencia mecánica. Su mayor uso es como cubiertas de los aislamientos para los procesos de calor.

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ESPECIFICACIONES Dentro de la lista del apéndice E se pueden obtener listadas las especificaciones • API. Por ejemplo la especificación API 5L – Specificatin for Line Pipe, 41 edision 1995, contiene requerimientos para los distintos grados de presentacion de esta especificación: Mayo 2006

Especificación API 5L A45 A B X42 X46 X52 X56 X60 X70 X80

Grado

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ESPECIFICACIONES Existen dos tipos de especificaciones: El primero cubre los requisitos generales basados en la forma del producto – lamina (plate), tubo (pipe o tube), barra, forja... Por ejemplo: API 5L – especificación para tubos; A-516 – especificación para laminas de acero al carbono; AWS A5 – especificación para electrodos. Mayo 2006

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ESPECIFICACIONES El segundo es especifico para el ítem – por ejemplo: A53 – especificación para tubos de acero al carbono; AWS A5.1 – especificación para electrodos de acero al carbono; Especificaciones para materiales de soldadura – La AWS - American Welding Society – desarrolla las especificaciones de materiales de soldadura y sus designaciones. Mayo 2006

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ESPECIFICACIONES Ejemplo: Especificaciones para electrodos empleados en el proceso de soldadura por arco metálico protegido con electrodo recubierto (SMAW) AWS A5.1 – para electrodos de acero al carbono ( E6010, E7018 ) AWS A5.3 – para electrodos de aluminio y sus aleaciones AWS A5.4 – para electrodos de acero inoxidable AWS A5.5 – para electrodos de acero de baja aleación ( E12018M )

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ESPECIFICACIONES Existen diferentes especificaciones para los distintos procesos de soldadura: AWS A5.9, AWS A5.10, AWS A5.18 – para proceso GMAW ( proteccion con gas, alimentación continua) AWS A5.20 - para proceso FCAW (soldadura por arco con núcleo de fundente).

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ESPECIFICACIONES

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Agrupaciones de los materiales Números P Para reducir el número de calificaciones, requeridas por el procedimiento de soldadura, a los metales base se les han asignado Números P y para los metales base ferrosos, que tienen requerimientos específicos de prueba de Impacto, Números de Grupo, dentro de los Números P. Estas asignaciones son basados esencialmente en las comparables características del metal base, como son la composición química, soldabilidad, propiedades mecánicas.

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Agrupaciones de los materiales Números S Estos materiales, asignados con el Número S, son aceptables para el uso del Código ASME B31 para tuberías a presión, o Casos Código BPVC, pero no son incluidos dentro de las especificaciones de materiales de la Sección II del BPVC. Son agrupados con Números S en grupos, similares a los grupos de Números P. Mayo 2006

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Agrupaciones de los materiales Números F Es agrupamiento de materiales con Números F de electrodos y varillas de soldar, son basadas esencialmente en sus características de uso, que fundamentalmente determina la habilidad de los soldadores para hacer soldaduras satisfactorias con un metal de aporte dado. Mayo 2006

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Pruebas y Ensayos a los Materiales Las especificaciones básicas de los materiales estipulan las pruebas y ensayos requeridos a los materiales. La especificación básica hace referencia a SA-370 para cualquier prueba mecánica, E-30 para el análisis químico, y la especificación general de suministro. Los resultados de cualquier prueba deben ser registrados como lo requiera la especificación.

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Tipos de Pruebas Requeridas por la Sección II

Químicas Mecánicas Hidrostática Ultrasonido Corrientes de Eddy

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Todos los materiales Todos los materiales Productos tubulares Materiales Templados Revenidos Productos tubulares y fundiciones

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Pruebas Mecánicas Requeridas por la Sección II Tensión, Cedencia

Todos excepto algunos aceros al carbón

Dureza Pruebas de doblez Aplastamiento Doblez Guiado

Forjas, tubos y barras

Impacto Charpy

Metales de acero dulce o bajamente aleados

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Productos tubulares y barras Productos tubulares Metales de aporte y productos soldados

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ASME B31.3 – Organización de materiales Como ASME BPVC, tanto ASME B31, adoptan las especificaciones de ASTM para sus requerimientos. En el Capitulo III del ASME B31.3 se encuentran las limitaciones y los requisitos básicos de calificación de los materiales usados en esta sección, basados en sus propiedades inherentes ( & 323 ). Mayo 2006

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ASME B31.3 – Organización de materiales Para la correcta selección del material se deben tomar en cuenta las restricciones del fluido de servicio. Es responsabilidad del diseñador considerar el deterioro del material en servicio. En el apéndice F (& F323 ) se encuentran algunas consideraciones sobre la resistencia al deterioro de los materiales y la seguridad de la tubería.

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ASME B31.3 – Organización de materiales Para fines de uso en cálculos de diseño, esta sección ASME B31.3 contiene tablas con propiedades, ubicadas en los siguientes apéndices. Apéndice A Tabla A -1 – contiene los esfuerzos permisibles para materiales metalicos Tabla A 1A - contiene datos para el Factor de Calidad Ec para fundiciones Tabla A 1B - contiene datos para el Factor de Calidad Ej para juntas soldadas Tabla A -2 - contiene valores para los materiales de pernos. Mayo 2006

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Tabla A -1 – esfuerzos permisibles para materiales metalicos

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Tabla A -1 – esfuerzos permisibles para materiales metalicos

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Factor de calidad de la fundición Ec

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Factor de calidad de la junta soldada Ej tabla A-1B

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Tabla A - 2 Valores para los materiales de pernos

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ASME B31.3 – Organización de materiales Apéndice B – este apéndice contiene tablas para no metales. Apéndice C – contiene tablas de las propiedades de los materiales para tubería como expansión termica y modulos de elasticidad. Apéndice D – contiene tablas con valores del factor de flexibilidad y del factor de concentración de esfuerzos.

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ASME B31.3 – Organización de materiales Apéndice E – contiene referencias para especificaciones y estándares. Apéndice F – consideraciones sobre la resistencia al deterioro de los materiales y la seguridad de la tubería. Apéndice K – contiene tablas con los valores de los esfuerzos permisibles para materiales de uso para servicio de alta presion. Mayo 2006

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ASME B31.3 – Organización de materiales

En el capitulo IV de este código ASME B31.3 se encuentran listados los estándares para componentes de tubería. En estoe estándares se puede obtener información sobre su fabricación, materiales y dimensiones de estos componentes.

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ASME B31.3 – Organización de materiales Tubería metálica Tubería de acero soldada sin costura ............. ASME B36.10M Tubería de acero inoxidable …………………... ASME B36.19M Tubería de acero para agua NPS 6” y mayor … AWWA C200 Válvulas, bridas y empaques – ASME B16 Bridas para tuberías y accesorios bridados……. ASME B16.5 Accesorios de bronce…………………………….. ASME B16.15 Empaques metálicas para bridas…………………ASME B16.20 Empaques no metálicos para bridas……………..ASME B16.21 Bridas de bronce y cobre………………………….ASME B16.24 Bridas de Acero de gran diámetro NPS26 - NPS60 … ASME B16.47 Válvulas de acero para alivio de presión …………….... API 526 Válvulas de compuerta………………………….. ………..API 603 Válvulas metálicas de globo……………………………... APi 608 Bridas de acero para agua…………………………….AWWA C207 Conexiones para Bypass y drenaje…………………. AMSS SP-45. Mayo 2006

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Estándares para componentes de tubería

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Estándares para componentes de tubería

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ASME B31.3 - REQUISITOS GENERALES DE MATERIALES En el Capitulo III de la sección B31.3 del código ASME B31 se subdividen en los siguientes grupos: materiales listados materiales no listados materiales desconocidos materiales usados Mayo 2006

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MATERIALES LISTADOS - & 323.1.1

Los materiales listados son aceptables para el uso en sistemas de tubería. Todos los materiales listados en las tablas del apéndice A, (para materiales metálicos), del apéndice B, (para materiales no metálicos) y en el apéndice E (para otros estándares), son permitidos para uso de esta sección.

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MATERIALES LISTADOS - & 323.1.1 Los datos en las tablas de estos apéndices son clasificados según: su composición química hierro fundido acero al carbono acero de baja y media aleación acero inoxidable aleaciones

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MATERIALES LISTADOS - & 323.1.1 su forma de producto tubos (pipe y tube) tubos (pipe) grado estructural laminas (plates) y hojas (sheets) laminas (plates) y hojas (sheets) estructurales forjas (fogings) y accesorios (fittings) fundiciones (castings) barras

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MATERIALES LISTADOS - & 323.1.1 su numero de especificación, números P o S y grados dentro de los mismos, curvas a las que pertenecen o temperaturas mínimas de diseño, sus esfuerzos permisibles en fluencia y tensión en orden ascendente en función de la temperatura. Asegurase leer las notas aclaratorias correspondientes al material seleccionado. Mayo 2006

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MATERIALES NO LISTADOS & 323.1.2 Los materiales no listados pueden ser usados, si están de acuerdo con una especificación publicada, que cubre las propiedades químicas, físicas, mecánicas, método y proceso de fabricación, tratamiento térmico y control de calidad y que cumpla de otra forma los requisitos del código. Sus esfuerzos permisibles deberán ser determinados de acuerdo con las bases que establecen los esfuerzos permisibles de este código (ver adicionalmente & 304.7) o bases mas conservadoras. Mayo 2006

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MATERIALES DESCONOCIDOS 323.1.3

Los materiales de especificaciones desconocidas no deberán ser usados para partes y componentes a presión.

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MATERIALES RECICLADOS &323.4 • Tubos y otros componentes de materiales reciclados (usados) pueden ser usados si son identificados mediante una especificación listada o publicada y cumplen de otra manera con el código. • Se necesita realizar una limpieza e inspección adecuadas para determinar el espesor mínimo e imperfecciones inaceptables.

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LIMITACIONES DE TEMPERATURA & 323.2

El código enfatiza la responsabilidad del diseñador para asegurar que el material seleccionado es apto para el tipo de servicio y rango de temperatura, y que cumple con las restricciones de temperatura en las tablas A-1 y A-2.

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LIMITACIONES DE TEMPERATURA & 323.2 Limites superiores de temperatura, materiales listados Para los materiales listados, se puede permitir su uso a temperaturas superiores a la máxima, para la cual son asignados valores de esfuerzos permisibles si: • no existe una prohibición en el apéndice A u otra parte del código • si el diseñador verifica que el material es adecuado para servir de acuerdo con & 323.2.4. Mayo 2006

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LIMITACIONES DE TEMPERATURA & 323.2 Limites inferiores de temperatura, materiales listados a) Un material listado puede ser usado a cualquier temperatura no mas baja que la mínima señalada en la tabla A-1 de esta sección B31.3, siempre y cuando el metal base, los depósitos de soldadura y la zona afectada por el calor (HAZ) son calificados como se requiere en la parte correspondiente de la columna A de la tabla 323.2.2. Mayo 2006

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Limites inferiores de temperatura, materiales listados b) para los aceros al carbono una designación de letra en al columna de mínima temperatura de la tabla A-1, la temperatura mínima es definida por la curva aplicable del material y las notas en la Fig. 323.2.2A. • Para una combinación de MDMT ( temperatura mínima de diseño del metal) y el espesor ubicado sobre o arriba la curva, la prueba de impacto no es requerida. Mayo 2006

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Limites inferiores de temperatura, materiales listados c) un material listado puede ser usado a una temperatura mas baja que la mínima tabulada en tabla A-1 o la Fig. 323.2.2A (incluyendo las notas), a no ser que sea prohibido en la tabla 323.2.2 o en otra parte del código, siempre y cuando el metal base, los depósitos de soldadura y la zona afectada por el calor (HAZ) son calificados como se requiere en la parte correspondiente de la columna B de la tabla 323.2.2. Mayo 2006

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Limites inferiores de temperatura, materiales listados, reducción d) cuando la relación de esfuerzos definida en la Fig. 323.2.2B es menos que uno, la Fig. 323.2.2B suministra una base adicional para el uso de los aceros al carbono cubiertos por los & 323 2.2 (a) y (b) sin prueba de impacto, si:

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Limites inferiores de temperatura, materiales listados, reducción 1. para las temperaturas mínimas de diseño de – 48º C ( -55º F) y superiores, la temperatura minima de diseño del metal sin prueba de impacto determinada en el & 323 2.2 (b), para un material y espesor dado , puede ser reducida por la cantidad de reduccion de temperatura según la fig. 323.2.2B. Si la temperatura resultante es mas baja que la MDMT, la prueb de impacto no es recuerida. Donde esto sea aplicado, el sistema de tubería debera tambien cumplir con los siguientes requisitos: Mayo 2006

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Limites inferiores de temperatura, materiales listados, reducción a) la tubería deberá ser sujeta a prueba hidrostática a no menos de 1 ½ veces la presión de diseño. b) excepto la tubería con un espesor nominal de 13mm ( ½” ) o menor, el sistema de tubería debera ser salvaguardado (de acuardo con el apéndice G) de las cargas externas tales como cargas por mantenimiento, cargas por impacto y choque termico. Mayo 2006

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Limites inferiores de temperatura, materiales listados, reducción

2. las temperaturas de diseño mínimas mas bajas de – 48º C ( -55º F), requieren prueba de impacto para todos los materiales, excepto como se indica en la Nota ( 3) de la tabla 323.2.2.

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Limites inferiores de temperatura, materiales listados e) el esfuerzo admisible o el rateo del componente a cualquier temperatura por debajo de la mínima tabulada o reducida, no deberá exceder los valores del esfuerzo o rateos a la mínima temperatura de la tabla A-1 o el estándar del componente.

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Limites inferiores de temperatura, materiales listados, inoxidables f) la prueba de impacto no es requerida para las siguientes combinaciones de metales soldados y temperaturas de diseño mínimas: 1) Para los materiales base de acero inoxidable austeniticos , que tengan un contenido de carbono no excediendo 0,10%, y soldados sin metal de aporte, a temperaturas mínimas de diseño -101 ºC (-150 ºF) y mayores

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Limites inferiores de temperatura, materiales listados, inoxidables 2) Para metal soldado austenitico. a) que tengan un contenido de carbón que no exceda 0,10% y producción con metal de aporte conforme AWS A5.4, A5.9, A5.11, A5.14 o A5.22 a temperaturas de diseño de ----101 ºC (-150 ºF) y mayores o b) que tengan un contenido de carbón que exceda 0,10% y producción con metal de aporte conforme AWS A5.4, A5.9, A5.11, A5.14 o A5.22 a temperaturas de diseño de -48 ºC (-55 ºF) y mayores

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Limites de temperatura, materiales no listados

Un material no listado deberá ser calificado para el servicio a todas las temperaturas dentro del rango establecido, desde la mínima temperatura de diseño hasta la máxima temperatura de diseño.

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Verificación de aptitud para el servicio

Cuando un material no listado vaya a ser usado, o cuando un material listado vaya a ser usado arriba de la mas alta temperatura, para la cual un valor de esfuerzo esta indicado en le apéndice A, el diseñador es responsable por demostrar la validez de los esfuerzos admisibles y otras limitaciones usadas en el diseño.

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Verificación de aptitud para el servicio Los datos para el desarrollo de los limites de diseño deberán ser obtenidos de un programa científico valedero. Los factores que deben ser considerados incluyen: • Aplicabilidad y confiabilidad de los datos • Resistencia del material a los efectos de deterioro • La determinación de los esfuerzos admisibles de acuerdo con ASME B31.3 & 302.3. Mayo 2006

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Métodos para la prueba de impacto y criterios de aceptación Cuando la prueba de impacto sea requerida por ASME B31.3 o la ingeniería de diseño, está deberá ser hecha de acuerdo con la tabla 323.3.1 • Procedimientos - & 323.3.2 La prueba de impacto de cada forma de producto del material para cualquier especificación deberá ser hecha usando los procedimientos y aparatos de acuerdo con ASTM A370 y de acuerdo con lo indicado en este párrafo. Mayo 2006

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Métodos para la prueba de impacto y criterios de aceptación Las probetas de ensayo deben ser de acuerdo con lo descrito en el & 323.3.3 y la temperatura de prueba según & 323.3.4 Criterios de aceptación - & 323.3.5 Excepto los materiales de tortillería, la energía mínima aplicable para los aceros al carbono y bajamente aleados, con esfuerzo mínimo en tensión 95 kpsi, será la indicada en la tabla 323.3.4 Mayo 2006

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