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NORMAS INTERNACIONALES DE DISEÑO DE RECIPIENTES
A PRESIÓN: COMPARACIÓN DE PROCEDIMIENTOS PARA
DETERMINACIÓN DE ESPESOR MÍNIMO REQUERIDO
Luis Alberto Laurens Arredondo
1
1
Académico de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Universidad Católica del Maule, 3480112, Talca, Chile
Mail: llaurens@ucm.cl
Candidato a Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional Experimental Politécnica Antonio José
de Sucre, Venezuela.
Recibido (30/11/18), aceptado (19/01/19)
Resumen:Los recipientes a presión, en muchos casos, son el núcleo del proceso productivo de
incontables industrias a nivel mundial, de allí destaca su importancia y relevancia en el área del
diseño mecánico. Para asegurar su buen funcionamiento y prevenir las fallas catastrócas de estos
equipos, a nivel internacional se han creado y adoptado normativas para establecer los procedimientos
y requisitos mínimos para su diseño, fabricación, inspección, montaje y alteración. El objetivo
principal del presente trabajo es dar a conocer, mediante un ejercicio práctico comparativo, los
principales códigos utilizados en distintos continentes para el dimensionamiento de recipientes
a presión. Para esto se aplica los procedimientos particulares de las normativas seleccionadas en el
caso real de análisis de un tanque de gas de purga, en donde se calcula el espesor mínimo requerido
para las condiciones de diseño, en donde se determinó que ll código que requiere un mayor espesor
fue el Estándar Indio IS 2825:69 (72.77 mm), el cual fue un 81% mayor que la norma alemana
AD-Merkballer (40.22 mm), la cual requiere el menor espesor para el diseño del mismo recipiente.
Palabras Claves: Códigos, Comparación, Espesor, Recipientes a Presión.
INTERNATIONAL STANDARDS FOR PRESSURE
VESSEL DESIGN: COMPARISON OF PROCEDURES FOR
DETERMINATION OF MINIMUM REQUIRED THICKNESS
Abstract: Pressure vessels, in many cases, are the nucleus of the productive process of countless
industries worldwide, hence its importance and relevance in the area of mechanical design. In order
to ensure its proper functioning and to prevent the catastrophic failure of these equipment, regulations
have been created and adopted at the international level to establish the minimum procedures and
requirements for its design, manufacture, inspection, assembly and alteration. The main objective of the
present work is to present, through a practical comparative exercise, the main codes used in different
continents for the dimensioning of pressure vessels. For this, the particular procedures of the selected
standards are applied in the actual case of analysis of a purge gas tank, where the minimum thickness
required for the design conditions is calculated, where it was determined that the code requiring a greater
Thickness was the Indian Standard IS 2825: 69 (72.77 mm), which was 81% higher than the German
standard AD-Merkballer (40.22 mm), which requires the least thickness for the design of the same vessel.
Keywords: Pressure Vessel, Code, Thickness
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I.INTRODUCCIÓN
El diseño de recipientes a presión es un área de cada
vez más importancia dentro del diseño mecánico, esto
debido a que no solo involucra la seguridad de personas
y activos, sino también la estabilidad operativa de im-
portantes empresas a nivel global, por lo que diseñarlos
adecuadamente, más que una necesidad, es una obliga-
ción moral y en la mayoría de los países es también una
obligación legal. Para reducir al mínimo a riesgo de falla
catastrócas se establecen códigos, normas y prácticas
recomendadas, las cuales son escritas por agrupaciones,
asociaciones o institutos especializados en el tema. Para
esto cada país asume un código de diseño propio o se
adhiere al código regional más relevante.
Mundialmente existen distintos códigos para el di-
seño de recipientes a presión, en la tabla I podemos ver
varios de estos según los países en donde fueron elabo-
rados, la mayoría no armonizados entre ellos. En cada
uno de estos se establecen distintos procedimientos para
el diseño y fabricación de los equipos. Normalmente la
elección del código de diseño recae sobre los hombros
del promotor o dueño del recipiente, pero al momento
de diseñar los ingenieros deben por lo menos conocer
las diferencias básicas entre los códigos principales usa-
dos en el mundo, para con esto fundamentar las bases
del criterio profesional de ingeniero especializados a
esta área de estudio.
Tabla I. Principales normativas que regulan el diseño de Recipientes a Presión según países.
Fuente: Propia
País Códi go Institución
US A ASME Boiler & Pressure Vessel Code ASME
Reino Unido BS 5500 Unfired Fusion Welded Pressure Vessel BSI
Alemania AD2000 - Merblatter AD
Italia ANCC ANPCPC
Países Bajos RTOD / Regeis Voor Toestellen DS
Suiza Tryekkarlskommissionen SPVC
Australia AS 1210: Unfired Pressure Vessel SAA
Bélgica IBN Construction Code for Pressure Vessel BSI
Japón JIS B 8265 MITI
Francia CODAP/ SNCT Construction Code for Unfired Pressure SNCTI
China GB 150 SAC
Unión Europea EN 13445 - Directiva 97/23/CE PE
India IS 2825 BIS
Corea Kepic MG KEA
Rusia Gost R 52857 EASC
Nueva Zelanda NZ 1210 NZS
Canadá B5.1-R1 CSA
Existen innumerables aspectos en los cuales pudié-
ramos comparar los distintos códigos, tales como los
procedimientos de diseño, la calicación de soldadores,
certicados de calidad de los materiales, procedimien-
tos de inspección, etc. Entre todos estos aspectos y qui-
zás el menos documentado, pero de mayor relevancia es
el aspecto "económico", el cual siempre será un factor
fundamental a la hora de adoptar un código de diseño.
En este orden de ideas se pudiera establecer enton-
ces una relación entre el cálculo de espesor de un reci-
piente a presión y el costo nal del mismo, dado que a
mayor espesor de un equipo implica mayores costos de
materiales, conformado, fabricación, transportes, insta-
lación y pruebas. Por lo tanto, al comparar los cálcu-
los de espesores para las mismas condiciones de diseño
en distintos códigos se estaría a su vez comparando los
costos asociados a cada código, razón por la cual, en
este trabajo, no se pretende realizar una comparación
detallada de cada uno de los códigos. Sino resumir es-
tas diferencias mediante la aplicación del cálculo de es-
pesor en un caso de estudio particular, los resultados de
los cuales se pueden traducir en códigos más costosos o
códigos más seguros que otros.
II.ANTECEDENTES
Otegui y Rubertis, exponen en su libro Cañerías y
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Recipientes a Presión, que quizás la primera referencia
acerca de recipientes a presión la da Leonardo Da Vinci
en su Codex Madrix I, la cual fue realizada alrededor
de 1495, en donde este último expresó: "Describire-
mos como el aire puede ser forzado bajo el agua para
elevar grandes pesos, es decir, como llenar cueros con
aire una vez que ellos estén asegurados con pesos en el
fondo del agua. Y habrá descripciones de como levan-
tar pesos atándolos a barcos sumergidos llenos de arena
y de cómo remover la arena de estos barcos". En una
denición más actualizada, de lo que es un recipiente a
presión, sería la que es todo recipiente capaz de conte-
ner un uido, que posea un diferencial de presión sig-
nicativo entre su interior y el exterior, independiente
de su uso, forma, dimensión, material de fabricación y
temperatura de operación.
Los recipientes a presión son de amplia utilización
a lo largo de todo el mundo, en especial en la industria
pesada, en donde se pueden encontrar en aplicaciones
como reactores, torres o simples recipientes, de distin-
tos tamaños y formas, pero tiene en común caracterís-
ticas como:
a)Están formados por una envolvente.
b)Poseen dispositivos de sujeción o apoyo
c)Posean bocas de entrada y/o visitas.
d)Poseen elementos internos y accesorios externos
El diseño de estos recipientes, consiste básicamente
en determinar el espesor de pared de las distintas zonas
del recipiente, esto según su geometría particular y te-
niendo siempre en cuenta las condiciones de internas o
externas a las cuales estará sometido el equipo (uido,
presión, temperatura, cargas, corrosión, erosión, cargas,
etc.), con la nalidad de garantizar la seguridad del
equipo a lo largo de toda su vida útil prevista y evitar las
fallas catastrócas que tanto riesgo representan por ser
estos recipientes acumuladores de energía. Cuando se
produce una falla catastróca en un recipiente a presión,
este libera toda la energía acumulada en un periodo de
tiempo muy corto, lo que generalmente ocasiona afecta-
ciones de importancia y perdidas que lamentar.
Muchas de estas fallas ocurrieron a principios del
siglo XIX (Pascuali y Sbuttoni, 2008), por lo que mu-
chos países se vieron en la necesidad de reglamentar el
diseño, fabricación e inspección de estos equipos, razón
por la cual existen distintos códigos a nivel mundial
III.DESARROLLO
Dentro de la metodología a utilizar en la presente in-
vestigación, primero se detallará las condiciones gene-
rales del recipiente a presión a diseñar, el cual se toma
la previsión de revisar que este dentro del alcance de
la cobertura de todos los códigos a analizar, para luego
seguir con una descripción breve de cada código selec-
cionado, en donde se detallará la formula usada para la
determinación del espesor de pared bajo presión interna
en recipientes cilíndricos, para nalmente calcular es-
pesores en las condiciones de diseño particular y según
la metodología propuesta en cada código.
Tabla II. Condiciones de Diseño del Tanque de Gas
de Purga
Fuente: Orinoco Iron, 2012.
Para efectos de este informe unicaremos la simbo-
logía utilizada en las fórmulas de los distintos códigos
a comparar, pero sin que esto implique alguna modi-
cación en el procedimiento interno de cada código en
particular, esto de la siguiente manera:
Laurens et al., Normas internacionales de diseño de recipientes a presión
DATA TECNICA - TANQUE GAS DE PURGA
ITEM DESCRIPCION
Fecha de Instalación 4/22/1999
Material
P355NH A662Gr.C
A516 Gr.70
Fabricante IAG
Sistema al
que
pertenece Servicios
Medio Gas de Purga
Capacidad (m3) 142
Factor
Sísmico
0100 asd 100 2
Carga Cíclica Ninguna
Eficiencia
Joint 1
Permisividad a la corrosión (mm) 0
Temperatura de Trabajo (C) 45
Temperatura de Diseño (C) 60
Presión de Prueba (bar) 78
Presión de trabajo (bar) 50
Presión de Diseño (bar) 60
Carga Muerta (Kg) 84.825
Insulación, Tipo y Espesor Ninguna
Protección Interna Ninguna
Desgaste por oxidación Externa/DIN55928
Protección Interna Ninguna
Tratamiento Térmico Si
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Tabla III. Simbología unicada de fórmulas de diseño
Fuente: Propia
Abreviatura
Significado
d
Diámetro
Interior del Recipiente a Presión
D
Diámetro
Ext e rio r del Recipiente a Presión
P
Pres ión
Interna
S
Esfuerzo Admisible / Diseño @temp.
S
y
Esfuerzo
de Fluencia
t
min
Espesor
de Pared Mínimo Requerido
r
Radio
Interior del Recipiente a Pres ión
E
Eficiencia
de la Junta
c
Tolerancias
F.S
Factor
Seguridad
*Nota: Las unidades serán particulares según cada
reglamento
Códigos Internacionales
ASME Sección VIII – Div.1
La Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos
(ASME) creó un comité en 1911 con el propósito de
formular normas para la construcción de recipientes a
presión, la función de este comité es establecer normas
de seguridad, relativas a la integridad de la presión, que
rigen la construcción de este tipo de recipientes. Este
comité ha aprobado un conjunto de reglas contenidas
en distintos códigos, los cuales se encuentra compiladas
en el ASME Boiler & Pressure Vessel Code, en don-
de la Sección VIII – Div.1, es una de los códigos más
aceptados y utilizados mundialmente para el diseño de
recipientes a presión. En su apartado UG-27 expresa la
fórmula para cálculo de espesores de carcasas bajo pre-
siones internas como se muestra a continuación:
Este código establece en su sección II - Apartado D
las tablas de propiedades mecánicas de los materiales a
distintas temperaturas de trabajos.
AD-Merkblatter
Arbeitgemeinschaft Druckbehalter (AD) - Mer-
kblatter. es un código alemán basado en la normativa
del Deutsches Institut Fur Normung (DIN), el cual es
otro de los códigos internacionales más ampliamente
usados para diseño de recipientes a presión el cual en
su sección B1/W-1, expresa la fórmula para cálculo de
espesores de carcasas bajo presiones internas como se
muestra a continuación:
BS 5500
También llamada PD (Published Document) 5500,
elaborado por the British Standards Institution, evolu-
ciono de la norma BS 1500 de los años 50' y fue pu-
blicado por primera vez en 1976, bajo el nombre de
especicaciones de recipientes a presión no sometidos
a acción de llama y soldados por fusión, el cual es un
código británico que provee reglas para el diseño, fa-
bricación e inspección de estos equipos. Este fue re-
tirado de la lista de normativas británicas por no estar
armonizado con las directivas europeas de recipientes a
presión, y fue reemplazado por EN 13445.
En su sección 3, en el inciso 3.5.1.2 establece la fór-
mula para espesores mínimos de cuerpos cilíndricos so-
metidos a presión interna
Este código en su sección 2 establece que el esfuerzo
admisible del material es el valor menor entre el 67%
del esfuerzo de uencia del material o el 42% del es-
fuerzo último, valores propuestos por la ISO/DIS 2694.
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EN 13445
Fue introducido en 2002 como sustituto de las nor-
mas y códigos nacionales de diseño y construcción de
recipientes a presión de la Unión Europea, la cual esta
armonizada con la directiva de la unión europea de
equipos a presión (97/23/CE y 2014/68/EU).
La norma europea EN 13445 es producto de 10 años
de discusión entre expertos, en donde se logró un con-
senso europeo en el campo de los equipos a presión. La
adopción del primer número de la EN 13445 en mayo
de 2002 fue el primer paso de un proceso continuo de
desarrollo y mejora. Esta nueva norma se benecia de la
contribución de toda la experiencia europea; Como tal,
incluye capacidades innovadoras y suministra solucio-
nes para temas modernos.
Este código en su apartado 7.4.2 establece la fórmu-
la para el cálculo de espesor mínimo para envolventes
que presentan una simetría de revolución sometidas a
presión interna, tal como las cilíndricas:
En su apartado 6.3.2 establece el procedimiento para
calcular la tensión normal de diseño. Se toma el valor
más pequeño entre esfuerzo de uencia a la temperatura
de cálculo y la resistencia a la tracción.
IS 2825:69
Indian Standard (IS), es elaborado por el comité sec-
cional de recipientes a presión no sometidos a llama del
buro de normalización de la India. Fue aprobado por el
consejo de la división de ingeniería mecánica de dicho
país y adoptado por este a partir de 1969. En él se
establecen los requerimientos mínimos para el diseño,
construcción, inspección, pruebas, y certicación de es-
tos equipos
En su apartado 3.3.2.2 expresa la fórmula para es-
pesores mínimos de recipientes a presión para cuerpos
cilíndricos sometidos a presión interna
En su apéndice A expresa el esfuerzo admisible para
distintos tipos de acero
GB 150
Guojia Biaozhun (GB), lo cual signica Estándar
Nacional en mandarín, es un código que establece las
reglas para el diseño, fabricación, inspección y acep-
tación de todos los recipientes a presión construidos o
utilizados en la república popular de china, formulada
por el comité de estandarización de calderas y recipien-
tes a presión del mencionado país, la cual es una organi-
zación de trabajo técnico especializada en esta materia,
y es responsable de la jurisdicción técnica. El Comité
está bajo la dirección directa de la administración de la
república popular de china.
En su sección GB 150.3, en su apartado 3.3 se ex-
presa la fórmula del cálculo de espesor mínimo a tem-
peratura de diseño para cuerpos cilíndricos sometidos a
presión interna.
En su sección GB 150.2 se expresa el esfuerzo admisi-
ble para aceros al carbono a la temperatura de diseño.
RESULTADOS
Para el análisis de los distintos procedimientos esta-
blecidos en los códigos a estudiar se realizó tres casos
de estudios
Caso 1: Procedimientos Regulares
Para el primer caso de estudio se utiliza los datos
de diseño del recipiente a presión seleccionado, y apli-
cando las distintas fórmulas de los códigos analizados,
con sus respectivas unidades de cálculo particulares y
siguiendo con los procedimientos descritos en cada una
para determinar el esfuerzo admisible para el tipo de
acero seleccionado a la temperatura de operación, se
puede realizar la siguiente gráca, en donde se aprecia
las diferencias entre cada uno de los resultados
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Graca 1. Comparación de Valores Espesores Mínimos de Cuerpos Cilíndricos para Distintos Códigos-
Caso 1.
Caso 2: Esfuerzos Admisibles Homologados
Para el segundo caso de estudio se utiliza los datos
de diseño del recipiente a presión seleccionado, y se
iguala todos los esfuerzos admisibles por el propuestos
por la norma ASME, esto con solo nes representativos.
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Caso 3: Esfuerzos Admisibles Homologados y
Variación en Eciencia de la Junta
Para el tercer y último caso de estudio se utiliza los
datos de diseño del recipiente a presión seleccionado,
se iguala nuevamente los esfuerzos admisibles por el
propuesto por la norma ASME, pero adicionalmente se
cambia el valor de la eciencia de la junta original y se
sustituye por 0.85
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IV.DISCUSIÓN DE RESULTADOS
La graca 1 representa la comparación de resulta-
dos de la operación de cálculo de espesores mínimos
requeridos para las condiciones de diseño previstas en
el tanque de gas de purga. Allí se puede apreciar como
la norma India IS 2825:69 exige un espesor mínimo de
72.77 mm mientras la norma alemana AD-Merkballer
exige solo 40.22 mm de espesor para el mismo recipien-
te a presión. Esto nos indica que existe Δ (delta espesor)
de 32.55 mm entre ambas normativas.
En la gráca resumen de resultados se puede obser-
var el comportamiento del resultado para todos los ca-
sos estudiados, así como el valor de esfuerzo admisible
utilizado para el mismo material seleccionado pero de-
terminado según cada normativa en particular, con las
mismas unidades metricas.
De acuerdo a los resultados obtenidos, se puede asu-
mir que el código que implicaría más costos para la fa-
bricación de tanque de gas de purga seleccionado es el
código Indio IS 2825:69 y el más económico el código
Alemán AD-Merkballer. No se puede aun relacionar
directamente a la normativa India como más segura que
el resto, porque faltaría comparar muchos otros ítems
que abarca no solo el diseño, sino fabricación, montaje,
inspección, etc.
Lo que sí se puede asegurar, es que debido a la anti-
güedad del código IS 2825 (1969), de seguro no cuenta
con las experimentaciones y avances en los procedi-
mientos de cálculos realizados hasta la fecha, como sí
es el caso del resto de los códigos en sus versiones más
recientes.
Por otro lado, el hecho de que el código alemán haya
obtenido el menor espesor no signica que sea el in-
ferior a los demás códigos, en términos de calidad o
seguridad, dado que en el diseño mecánico siempre se
persigue como objetivo el desarrollo de ventajas sus-
tanciales tales como reducción de espesores y control
de daños en servicio con aumento de seguridad, asegu-
rando una drástica reducción de costos. De aquí nace la
importancia del diseño como ventaja estratégica de las
empresas para el futuro.
A pesar de que la mayoría de las fórmulas de cálcu-
lo de espesores de los códigos analizados provienen de
las ecuaciones de Lame, existe una diferencia sustancial
entre varios de estos códigos, especialmente de los no
armonizados, esta diferencia se origina en la forma de
determinar el esfuerzo admisible para el acero seleccio-
nado.
Otro factor que determina la diferencia entre los va-
lores de espesores requeridos entre los códigos estudia-
dos es la eciencia de la junta soldada, cada normativa
asume un procedimiento de cálculo propio para los mis-
mos casos de aplicación, reejándose esto directamente
en los cálculos realizados.
V.CONCLUSIONES
1.El código que requirió un mayor espesor fue el IS
2825:69 (72.77 mm), el cual fue un 81% mayor que la
norma alemana AD (40.22 mm), la cual arrojó el menor
espesor para el diseño del mismo recipiente.
2.El espesor promedio entre todas las normativas es
55.32 mm, el cual divide a los códigos analizados en
dos partes, lo que los que requieren espesores mayores
al promedio general y los que requieren espesores me-
nores al promedio general.
3.Las normas que requieren espesores mayores al
promedio son ASME, PD5500, EN 13445, IS 2826.
4.Las normas que requieren espesores menores al
promedio son AD-Merkballer y la GB150.
5.Se puede vincular al Código Indio IS 2825:69
como la normativa que implicaría más costos asociados
a la fabricación del recipiente a presión, y la norma ale-
mana AD-Merkballer como el código más económico
en cuando a la fabricación del mismo recipiente.
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