ASME VIII: La utilización de métodos computacionales en la verificación de normas técnicas


La Norma ASME VIII está dedicada a la definición de los requisitos de proyecto para recipientes a presión. Por más de un siglo las reglas descritas en su ámbito han permitido el desarrollo seguro de calderas, tanques de almacenamiento e, incluso, sistemas de ductos. Aunque más recientemente, los modelos de análisis vía el método de los elementos finitos se han convertido parte importante de la evaluación de acuerdo con las normas del Código ASME. Su utilización está relacionada a dos factores preponderantes en cualquier proceso de desarrollo: agilidad del proyecto y reducción de costos.

Actualmente es posible modelar tridimensionalmente la geometría del recipiente de presión en estudio, generando una malla de elementos finitos en segundos y efectuando la resolución del análisis en pocos minutos. Con un click se presentan la división de los esfuerzos resultantes en tensiones de membrana, flexión y pico. Con la misma rapidez se cambia cualquier espesor de la chapa, evaluando el comportamiento con nuevas condiciones geométricas. Sin embargo, ese avance es el resultado de décadas de progresos en el Código ASME y en el desarrollo computacional.

Y todo comienza, infelizmente, en una tragedia en una fábrica de calzados…

Norma ASME VIII
Beockton, Massachusetts, invierno de 1905. Una explosión destruyó los cuatro pisos de la empresa americana R. B. Grover. El fuego consume restos de los edificios de los alrededores, impidiendo el socorro de los funcionarios atrapados en los escombros. La catástrofe, uno de los mayores desastres de la industria americana, resulto en 58 muertos y 150 heridos. El motivo de la explosión se estableció como una falla en la caldera responsable por la calefacción de la fábrica.

Esta tragedia es el capítulo final de una historia repetida innumerables veces. Entre los años 1880 y 1890, aproximadamente 2.000 explosiones de recipientes de presión ocurrieron solamente en los Estados Unidos. Al inicio del siglo XX mas de 1.600 explosiones causaron una muerte de cerca de 1.200 personas. La reincidencia de estos hechos, ahora sumado a un incidente en escala nunca antes presenciada, era la señal de que alguna medida debería ser tomada para eliminar esos riesgos inminentes. Por lo anterior, en 1911 se crea la ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), una serie de regulaciones que dieron las directrices para la fabricación de componentes de calderas y recipientes de presión.

Consejo del código ASME (1914)
Consejo del código ASME (1914)

La primera edición se lanzó en el año 1915 (Edición 1914) con apenas 114 páginas, pero fue aclamado como un hito en la búsqueda de la protección y seguridad de la población. Avances e incrementos de las normas son realizados en cada actualización del código, resultando a la fecha en 28 libros dedicados a diferentes segmentos de evaluación, tales como, procesos de fabricación, ensayos no destructivos, etc. La versión 2011, por ejemplo, alcanzo una marca de 16.000 páginas directrices, volviéndose la mayor norma ASME disponible.

Dentro del BPVC, la sección VIII División 1 se destaca por ser específica para el cálculo estructural de los recipientes de presión. Con reglas simples y de fácil evaluación, la sección se mantiene como una de las más utilizadas hasta nuestros días. Esa simplicidad, sin embargo, se basa en premisas conservadoras, resultando en productos con un alto factor de seguridad y, consecuentemente, mayores costos de materias primas y de los procesos productivos.

Atenta a las nuevas demandas del mercado, la ASME desarrolló entonces, en 1975, la sección VIII División 2. Esta nueva normativa buscó un balance entre asegurar la integridad del diseño, y la reducción de costos de fabricación, alineando el proceso de evaluación con las nuevas tecnologías desarrolladas durante el siglo XX.

Métodos computacionales en la verificación de la Norma ASME
A pesar de la actualización de la Sección VIII, al final del siglo la ASME se encontró en una encrucijada – ¿Cómo utilizar las herramientas de simulación computacional, que se vuelven cada año más rápidas y eficientes en las evaluaciones estructurales, manteniendo los requisitos estipulados por su código? La respuesta fue la restructuración del Código ASME VIII División 2.

En 2007, después de solamente nueve años de la decisión de reescribir la División 2, se lanzó la versión moderna de la Norma ASME. Usando criterios de ejecución vía el método de los elementos finitos, permite la evaluación de recipientes de presión de manera más profunda. Los resultados se volvieron más complejos y rigurosos, no obstante, su verificación virtual ocurre de manera simple y rápida.

Es evidente también la posibilidad de reducción de costos de fabricación, ya que el criterio de aceptación de tensiones residuales se amplió, haciendo posible, por ejemplo, la reducción de espesor de pared de estos recipientes de presión. El artículo “Investigation into the Benefits of using ASME BPVC Section VIII Division 2 in Lieu of Division 1 for Pressure Vessel Design” publicado en 2013 estipula que la reducción del costo final excede el 10%, en cuanto a la reducción de peso del componente puede llegar a más del 20%!

Resultados obtenidos en el artículo relacionados a la Norma ASME para la acción SA-516-70
Resultados obtenidos en el artículo relacionados a la Norma ASME para la acción SA-516-70

Además, existe la comprensión acerca de la disminución de los costos del proyecto. A través de la optimización del modelo en estudio surge la posibilidad de evaluar simultáneamente diferentes configuraciones virtuales de un mismo producto. En esta fase se busca, en tiempo reducido, la verificación del modelo ideal el cual será definido para posterior validación y fabricación.

En ese aspecto ANSYS Workbench es una de las principales plataformas de simulación computacional utilizadas en todo el mundo, posee excelentes herramientas para la ejecución de toda la etapa de preparación de la geometría a ser analizada. También es eficiente en la generación de malla y la definición de cargas y restricciones impuestas. Por último, posee herramientas específicas de evaluación de linealización de tensiones residuales, requisito fundamental de la verificación de resultados especificados en el Código ASME Sección VIII División 2.

Tanque de almacenamiento evaluado en el software ANSYS conforme a criterios de la ASME VIII Div. 2
Tanque de almacenamiento evaluado en el software ANSYS conforme criterios de la ASME VIII Div. 2

La búsqueda de la excelencia en los proyectos y en el desarrollo de recipientes de presión no cesa. Tres días después del desastre en Brockton, Edwardt H. Keith, prefecto de la ciudad, profirió una frase simbólica: “Quiera Dios que nunca más en toda nuestra historia futura tengamos que ser llamados a presenciar una experiencia tan terrible”. Esta obligación, no obstante, no es divina, pero si una obligación de todo ingeniero, que debe sustentar sus decisiones en normas y softwares reconocidamente eficientes, en la búsqueda incesante por la seguridad, protección y bien estar de la población.

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