INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha DISEÑO DE OXIDISTRIBUIDORES PARA LA INDUSTRIA DE GASES INDUSTRIALES BAJO LA NORMA BCGA Y EIGA CRISTIAN DAVID ECHEVERRY RENDÓN LUIS FERNANDO GONZALEZ CANO JORGE ELIECER NIÑO BERRIO Programa académico INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Director(es) del trabajo de grado Carlos Alberto Acevedo Álvarez, IM INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO FACULTAD DE INGENIERÍAS INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA MEDELLÍN-ANTIOQUIA 2016 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 2 RESUMEN El proceso de soldadura o de corte por oxiacetilénica involucra gases, los cuales son el oxígeno y el acetileno. Mediante la mezcla de estos se genera una combustión entre ellos permitiendo el proceso de soldadura. Este proceso, se ha realizado por más de 170 años y ha mostrado un buen resultado, pero con poca eficiencia, este proceso se realiza utilizando un equipo llamado, equipo de soldadura por oxiacetileno o corte por oxiacetileno. En este proyecto se realiza un diseño de un equipo llamado oxidistribuidor, cuan el cual se pretende ofrecer un proceso de soldadura más eficiente y con una gran ventaja sobre los equipos convencionales. Este proyecto tiene como objetivo la creación de un diseño de un oxidistribuidor, con medidas y cálculos que garanticen un rendimiento suficiente del equipo cuando esté necesite entregar su mayor eficiencia en el trabajo. El primer prototipo de este fue diseñado en la compañía CRYOGAS, este fue construido bajo el diseño de un ingeniero de la compañía para garantizar un trabajo efectivo, y con presiones constantes en la salida de cada banco de trabajo. El prototipo diseñado tiene diferentes características frente al construido antes, estas características son el tipo de material utilizado en la base y en la tubería, lo cual es primordial en el momento de realizar cualquier trabajo que se involucre en estos tipos de procesos. En el proyecto se realizan pruebas de resistencia a los materiales que se utilizaron para el desarrollo de este diseño, además se realizaron pruebas al equipo completo. Todo el sistema de entrada y salida de gas tendrá un sistema de válvulas de seguridad, para controlar la presión de los gases, esto con el fin de no afectar ninguno de los bancos de trabajo, esto se hace con el fin de entregar un proceso de soldadura con estándares de calidad que maneja cada proceso de soldadura. Palabras clave: oxiacetileno, oxidistribuidor, CRYOGAS, resistencia, materiales, prototipo INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 3 RECONOCIMIENTOS En primer lugar, agradecemos a Dios por la salud, sabiduría, sus múltiples bendiciones y por permitirnos lograr una de las metas que nos hemos propuesto en la vida, como tener un título profesional, meta que desafortunadamente muchas personas no pueden lograr, no porque no quieran sino por la falta de oportunidades, recursos económicos, entre otros factores. Agradecemos a nuestras familias, que siempre nos han apoyado en la superación de los obstáculos que se nos han presentado en el transcurso de nuestras vidas y en nuestra carrera profesional. Agradecemos al profesor Carlos Acevedo; asesor de este proyecto, persona a la cual admiramos por su profesionalismo, entrega, compromiso y pasión; sin su guía no hubiera sido posible el desarrollo de este trabajo. Agradecemos a cada uno de los profesores del Instituto Tecnológico Metropolitano por los conocimientos y experiencias que han compartido con nosotros. Agradezco también a nuestros compañeros por sus valores y momentos compartidos porque aportaron un granito de arena para que este proyecto fuera posible. Finalmente, agradecemos a la empresa CRYOGAS grupo Indura porque nos abrieron las puertas para llevar a cabo la realización de este proyecto, además nos prestaron todos los materiales y recursos que necesitamos para hacer posible la realización de pruebas de soldadura y utilización de sus equipos para brindar una mayor confiabilidad del proceso permitiendo así la realización de diferentes tipos de pruebas. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 4 ACRÓNIMOS Símbolo Término Unidad en SI mm Milímetros mm cm Centímetros cm m Metro m T Temperatura °C Fe Hierro Adimensional σ1, σ2, Esfuerzo normal en las direcciones Adimensional Circunferencial y longitudinal, Respectivamente. Se supone que Son constantes a través de la pared Del cilindro y que someten el materia a Tensión P Presión manométrica interna psi Desarrollada por el gas o fluido contenido r radio interior del cilindro mm l Litros L t espesor de la pared (r/t≥10) mm i , j, k Coordenadas de los ejes en el plano cartesiano. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 5 Abreviatura Término EIGA European Industrial Gases Association BCGA British Compressed Gases association NTC Norma Técnica Colombiana NFPA National Fire Protection Association ISO International Organization for Standardization ICONTEC Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificaciones CAD Computer-Aided design (Diseño asistido por computador) ASME The American Society of Mechanical Engineers WPS Welding Procedure Specification PQR Procedure Qualification Record OFW Oxi Fuel Welding ASTM Association for Testing Materials SFA Spent Fuel Assemblies AWS American Welding Society CREO 3.0 software de diseño. CREO SIMULATION 3.0 software para realizar simulaciones OXIACETILENO equipo para soldadura o corte por medio de gases. OXIDISTRIBUIDOR equipo desarrollado para mejor rendimiento en el proceso de soldadura. CRYOGAS compañía de gases. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 6 TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 11 1.1. GENERALIDADES ................................................................................................. 11 1.1.1. Información de antecedentes ..................................................................... 12 1.1.2. Normatividad Vigente ................................................................................. 12 1.1.3. Elementos de conformación en el proyecto ............................................... 17 1.2. OBJETIVOS .......................................................................................................... 18 1.2.1. General ........................................................................................................ 18 1.2.2. Específicos. .................................................................................................. 18 2. MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 20 2.1. HISTORIA DE LA SOLDADURA ............................................................................. 21 2.2. GASES INDUSTRIALES ......................................................................................... 21 2.2.1. Acetileno. .................................................................................................... 22 2.2.2. Oxígeno ....................................................................................................... 25 2.3. OXICORTE ........................................................................................................... 26 2.3.1. Montaje del oxicorte................................................................................... 27 2.4. ELEMENTOS UNA INSTALACIÓN DE SOLDADURA POR ACETILENO. .................. 28 2.4.1. Manorreductores ........................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.4.2. Soplete ........................................................................................................ 28 2.4.3. Válvulas anti retroceso ............................................................................... 29 2.4.4. Conducciones .............................................................................................. 29 2.5. OXIDISTRIBUIDOR. .............................................................................................. 29 2.5.1. Criterios de evaluación del diseño .............................................................. 31 2.6. ASME EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION ........................................ 15 2.7. NORMATIVIDAD INTERNACIONAL ........................ ¡Error! Marcador no definido. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 7 2.7.1. BCGA Acetylene Safety Regulations - SI 2014 No. 1639 ............................. 15 2.7.2. EIGA IGC Doc. 13/12/E ................................................................................ 17 2.8. SOFTWARE PARA DISEÑO Y SIMULACIÓN. ........................................................ 38 2.8.1. Creo parametric 2.0 PTC ............................................................................. 38 2.8.2. Creo Simulation 2.0 ..................................................................................... 42 2.9. MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS (FEM) .......................................................... 36 2.10. ESTADO DEL ARTE ........................................................................................... 46 3. METODOLOGÍA .............................................................................................................. 48 3.1. ETAPAS ............................................................................................................... 48 3.1.1. Etapa 1 ........................................................................................................ 48 3.1.1.1. Diseño del conceptual del oxidistribuidor .............................................. 48 3.1.1.2. Cálculos para el diseño y realización de pruebas del oxidistribuidor ..... 50 3.1.2. Etapa 2 ........................................................................................................ 53 3.1.3. Etapa 3 ........................................................................................................ 55 3.1.4. Etapa 4 ........................................................................................................ 56 3.1.4.1. Diseño del oxidistribuidor ....................................................................... 60 3.1.4.1.1. Base del oxidistribuidor. ....................................................................... 57 3.1.4.1.2. Tubería del oxidistribuidor. .................................................................. 58 3.1.4.1.3. Llaves de paso. ..................................................................................... 61 3.1.4.2. Ensamble del oxidistribuidor. ................................................................. 64 3.1.4.3. Prueba de FEM. ....................................................................................... 65 3.1.4.3.1. Prueba de FEM con temperatura. ........................................................ 72 3.1.4.3.2. Prueba de FEM con aplicación de fuerzas. ........................................... 73 3.1.4.3.3. Prueba de FEM con aplicación de mayas. ............................................ 74 3.1.5. Etapa 5 ........................................................................................................ 75 3.1.6. Etapa 6 ........................................................................................................ 78 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................................ 80 5. CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO ........................................ 82 REFERENCIAS ........................................................................................................................ 83 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 8 APÉNDICE .............................................................................................................................. 87 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 9 TABLA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1 Cilindro de acetileno con especificaciones propias de CRYOGAS ................... 22 Ilustración 2 Tarjeta de emergencia del acetileno propia de CRYOGAS .............................. 23 Ilustración 3 Cilindro de oxigeno con especificaciones propias de CRYOGAS ..................... 24 Ilustración 4 Tarjeta de emergencia del Oxigeno propia de CRYOGAS ................................ 25 Ilustración 5 Elementos principales de una instalación móvil de soldadura por gas ........... 28 Ilustración 6 Oxidistribuidor ................................................................................................. 29 Ilustración 7 Direccionamiento de fuerzas ........................................................................... 32 Ilustración 8 Coordenadas nodales (i,j,k) y desplazamiento de nodos ................................ 36 Ilustración 9 Tabla de consumos de gases según tipo de boquilla. ..................................... 49 Ilustración 10 Diseño base oxidistribuidor ........................................................................... 55 Ilustración 11 Tubería de distribución para oxígeno. ........................................................... 56 Ilustración 12 Tubería de distribución para acetileno .......................................................... 56 Ilustración 13 Diseño del oxidistribuidor en creo 2.0 .......................................................... 57 Ilustración 14 Válvula de entrada de gas en el oxidistribuidor ............................................ 59 Ilustración 15 Valvula de salida de gas ................................................................................. 60 Ilustración 16 Ensamble del oxidistribuidor. ........................................................................ 61 Ilustración 17 Aplicación de fuerzas en la base .................................................................... 62 Ilustración 18 Prueba de resistencia a la base utilizando FEA ............................................. 63 Ilustración 19 Prueba de aplicación de fuerzas a la tubería. ................................................ 66 Ilustración 20 Pruebas con exposición de calor usando FEM .............................................. 68 Ilustración 21 Aplicación de fuerzas en la base .................................................................... 69 Ilustración 22 Prueba de malla con FEA ............................................................................... 71 Ilustración 23 Procedimiento WPS tuberia. ......................................................................... 72 Ilustración 24 Procedimiento WPS base .............................................................................. 73 Ilustración 25 Diseño de banco de baterías para oxidistribuidor ........................................ 75 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 10 Índice de tablas. Tabla 1 Consumo por boquillas referenciado en ilustración 8 ¡Error! Marcador no definido. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 11 1. INTRODUCCIÓN 1.1. GENERALIDADES Los métodos tradicionales de diseño que las empresas de gases colombianas han utilizado para el desarrollo de la tecnología de oxidistribuidores resultan cuestionables, debido al nivel de incertidumbre respecto al comportamiento hidráulico y mecánico, evaluando su desempeño, seguridad y dando como resultado incapacidad de respuesta ante evaluaciones técnicas y/o acontecimientos catastróficos. Lo anterior muestra la necesidad de realizar un proceso de diseño metodológico para los elementos usados en gases como son los oxidistribuidores que permita soportar, con argumentos científicamente correctos, condiciones funcionales y operacionales definidas. Permitiendo así la comercialización de un producto con altos estándares de seguridad y desempeño. Otorgándole a la industria de gases local un extra en calidad. Con el desarrollo de la tecnología se ha podido tener acceso a programas de cómputo los cuales representan una gran herramienta para el desarrollo de nuevos procesos en el ámbito de la simulación, con la cual se brinda seguridad y confiabilidad en el proceso realizado, para nuestro propósito pruebas de comportamiento de temperaturas, presiones, aplicación de fuerzas, y otras pruebas posteriormente nombradas. En la actualidad existen sinnúmero de empresas cuya finalidad es la manufactura de equipos para gases industriales. La variedad y usabilidad de estos equipos ha crecido a medida que emergen necesidades, tanto de procesos como seguridad de los humanos. Dando entonces respuesta a esta demanda decide innovar el diseño del oxidistribuidor, recolectando así información de la siguiente manera: INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 12 1.1.1. Información de antecedentes Caso particular son los denominados “oxidistribuidores” de gases industriales los cuales se usan en la industria metalmecánica en procesos de consumo simultáneo como el oxicorte y la soldadura. Siendo necesario el control adecuado de variables como flujo y presión para disminuir el riesgo generado por la volatilidad del acetileno (Ladino, 2008). En el proceso de acuerdo a la temperatura se puede realizar soldadura de alta, media o baja presión y corte de metales ferrosos de grandes espesores (Limusa, 2001). A pesar de la usabilidad de los oxidistribuidores, estos han sido concebidos en la industria por parámetros comerciales y de mercado, en lugar de conceptos de diseño mecánico. Por lo que se hace difícil cuantificar el comportamiento de las variables de proceso. Se encuentra en operación un oxidistribuidor propiedad de CRYOGAS, en el cual se han encontrado falencias como la pérdida de presión en las salidas lo cual afecta los bancos de trabajo, además el peso de este elemento es considerable, para efectos de manipulación y acceso a partes difíciles. 1.1.2. Normatividad Vigente Las normas para guiar este proyecto son un factor importante para desarrollarlo, tener en cuenta la normatividad ayuda a la seguridad, trasparencia y cumplimiento con estándares de calidad. La normatividad en seguridad y montaje de equipos como el oxidistribuidor, debe cumplir con los estándares de calidad, conceptos y demás normas que rigen nuestro territorio 1.1.2.1 NFPA 51, 51a, 55 y 58 La norma NFPA 51, 51a, 55 y 58, es una recopilación de los numerales de la norma NFPA realizada por CRYOGAS donde se listan muchas normas de seguridad las cuales se tendrán INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 13 en cuenta para este proyecto. La NFPA es una norma reconocida a nivel mundial como una fuente principal de conocimientos técnicos, los cuales son aplicados para el diseño e instalación de sistemas de corte y soldadura, esto se aplica a partir de aleaciones de oxígeno y gases combustibles. Esta norma tiene el objetivo de minimizar el riesgo de un incendio y/o exposición en sistemas de corte y soldadura con oxígeno y un gas inflamable. Esta norma contiene algunas definiciones sobre el acetileno y sus cuidados, los manifold y dispositivos usados en las aplicaciones de soldadura. El alcance de esta normatividad contiene dos aplicaciones de las cuales tiene un estándar que es aplicable en el diseño y la instalación de oxígeno y gas combustible para sistemas de soladura, además se aplica para áreas de almacenamiento, la norma es aplicable para sistemas simples como un solo cilindro, combustibles gaseosos en los cuales no se utiliza el oxígeno y plantas productoras de gases. Esta norma también hace alusión a las condiciones de almacenamiento, los equipos de protección, mangueras, reguladores, generadores y alimentadores. El objetivo de la NFPA 51a es “proporcionar los requisitos de seguridad para el diseño, construcciones, e instalaciones de plantas que recargan cilindros de acetileno proporcionado salvaguardas de protección para la planta, los empleados y el público en general”. Se describen más ítems en esta norma, pero por su descripción no serán usados en este proyecto (NFPA, 2008). Esta recopilación de normas tiene objetivos diferentes por cada uno y diferentes tablas las cuales son aplicadas en los proyectos de realización física de los equipos de soldadura con acetileno, para este proyecto las nombramos y utilizamos materiales de prueba acordes con las tablas que proporciona la norma. 1.1.2.2 NTC 5197 La NTC 5197 es una norma técnica colombiana ratificada por el consejo directivo del instituto Colombiano de Normas Técnicas, tiene el respaldo del Icontec, esta tiene el respaldo del ICONTEC, que rige sobre los cilindros para gas, cilindros transportables para acetileno disuelto, inspección periódica y mantenimiento. Esta norma tuvo una relación INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 14 con la participación de empresas productoras de gases en Colombia en la cual estuvo incluida CRYOGAS, además de otras empresas de sector público que no producen gases pero hacen uso de acetileno. La norma tiene como objetivo y campo de aplicación la inspección y mantenimiento en los cilindros soldados, la inspección se realiza en los cilindros que son fabricados en acero o aleaciones de aluminio, se tiene también una revisión del manejo y su transporte con acetileno para los cilindros que tiene una capacidad de agua hasta 150 L. Todo esto lo realizan independientemente del método de fabricación de la coraza. Esta norma tuvo en cuenta ciertas referencias normativas como son ISO y NTC las cuales están relacionadas con cilindros de acetileno, transporte de cilindros y cilindros para gases. En la norma se definen los cilindros, el acetileno, el personal quien debe hacer utilización del gas, la fabricación de la coraza del cilindro, además de la masa porosa la cual es el material introducido y formado dentro del cilindro, que evita la pérdida del acetileno debido a su porosidad, en la norma hay otras diez definiciones las cuales tiene importancia pero no relevantes este proyecto. En el mantenimiento de los cilindros de acetileno se debe tener en cuenta el intervalo entre inspecciones al cual se deben someter los cilindros, también un modelo de regulaciones y reglamentos que exige la ONU el cual esta descrito en el anexo A de esta norma, la preparación de los cilindros de gas está constituida por cuatro pasos los cuales son eliminación del gas, preparación para la inspección visual externa, retiro de la válvula, retiro de los filtros del cuello y/o canal central (NTC 5197, 2003) En busca de la seguridad y los criterios que se deben tener para realizar este tipo de proyectos se hace referencia al desarrollo de un proceso de diseño mecánico para la consecución de oxidistribuidor con criterios que se encuentran en la BCGA y EIGA. (BCGA, 1966) (EIGA, 2015), Dando con esto así más vigor a nuestro prototipo de diseño. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 15 1.1. ASME EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION Se toma como referencia esta asociación ya que ofrece una gran variedad de artículos sobre procesos de soldadura oxiacetilénica, diseños para procesos soldadura, seguridad en la manipulación y transporte de los gases, información sobre conferencias y eventos que se realizan durante todo el año sobre los procesos donde están involucrados los gases industriales tales como el oxígeno y acetileno. Se referencia a un artículo (EIGA, 2015) sobre el diseño seguro e instalación y operación de las válvulas de seguridad para gases especiales, este tiene en su contenido el manejo del acetileno y oxígeno, mantenimiento de los equipos contenedores de los gases, la normatividad para la seguridad en equipos completos de oxiacetileno. La información contenida en esta publicación hace referencia a válvulas que soportan bajas y altas temperaturas, haciendo enfoque entonces al comportamiento que presenta el oxígeno, además muestra la presentación de cómo se separan las unidades con aires en diferentes aplicaciones. 1.1.1. BCGA Acetylene Safety Regulations - SI 2014 No. 1639 La Asociación de Gases Comprimidos Británica BCGS es una asociación sin fines de lucro comercial, que representa a más de 70 empresas asociadas. Vigila el desarrollo seguro de la tecnología que en la industria de los gases se implementa (BCGA, 1971). La BCGA (Acetylene Safety Regulations - SI 2014 No. 1639) Se tomaron referencias de seguridad de la BCGA contenidos de los casos más destacados que ayudan a la seguridad de trabajo con la soldadura oxiacetilénica, estas para implementarlas en la seguridad que se debe tener en las simulaciones y futura INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 16 construcción de un prototipo del diseño del proyecto, se tendrán en cuenta las siguientes precauciones : 1.1.1.1. Cilindros en fuego Donde se tienen casos ocurridos que involucraron cilindros de acetileno, los cuales son más usados alrededor del mundo para el proceso de la soldadura o corte ya que son más comunes. Este documento también hace referencia entonces también al almacenamiento y transporte de este gas. Este es un producto que lleva más de 160 años en el mercado y todavía continúa teniendo desarrollos e investigaciones sobre los cilindros contenedores después de su vida útil. 1.1.1.2. Problemas con el entorno La minimización de los problemas presentados en la industria tiene algunos efectos sobre las fuentes naturales, además de esto, se tienen en cuenta los futuros problemas en la salud de los operarios de esta mezcla. En este documento también se exponen temas de eficiencia de energía para contribuir con la protección del medio ambiente. Los residuos tales como desechos después del proceso o vida final de los cilindros, se propone y en algunos países se normaliza como responsabilidad de los proveedores, ofreciendo una guía y una educación en reciclaje y la realización de estos desperdicios. 1.1.1.3. Problemas con la soldadura Este es un proceso con alto índice de peligrosidad, pero altamente requerido en la industria manufacturera, por ende se debe tener como un proceso con un factor de seguridad alto en cuanto el manejo, además se debe realizar con personas capacitadas o brindarle la capacitación requerida para cada trabajo, también se debe contar con INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 17 personal que siga las normas y haga buen uso del respectivo instructivo para realizar los procesos de soldadura. 1.1.2. EIGA IGC Doc. 13/12/E La asociación industrial europea de gases (EIGA) es una organización técnica orientada a la seguridad y que presenta un amplio número de compañías europeas y no europeas productoras y distribuidoras de gases industriales, medicinales y para alimentos. La EIGA cuenta con estándares relacionados con la producción, transporte, almacenamiento y aplicación para alcanzar el más alto nivel de seguridad y cuidado ambiental en el manejo de gases. La EIGA IGC Doc. 13/12/ E establece criterios y métodos de diseño para el desarrollo de componentes y redes que operan con oxígeno gaseoso y licuado, siendo esta entonces una parte fundamental del proyecto, esta fue antes mencionada. 1.1.3. Elementos de conformación en el proyecto Para la consecución de este proyecto se planteó una necesidad que requiere la industria con un equipo para los procesos de soldadura, con la ayuda del software CREO 3.0 donde se inicializo la idea del diseño de un oxidistribuidor el cual es un distribuidor de oxígeno y acetileno, del cual se desprenden seis puestos de trabajo. La alimentación de este se realizará con oxígeno y acetileno, entonces se efectuaron consultas sobre el comportamiento que generan los gases al ser consumidos. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 18 Se realiza la consecución de un software en el cual se puedan realizar operaciones de métodos finitos(FEM), los cuales entregan resultados de las máximos y mínimos en diferentes variables que se pueden aplicar al oxidistribuidor, esto conllevo también a realizar estudios de cuál es el material más apropiado para realizar este oxidistribuidor. Incluimos normas nacionales e internacionales en nuestro proceso para hacer los procesos de soldadura con estándares de calidad. Estas normas se estudian también con el fin de tener seguridad en la utilización de gases, las fichas técnicas de los gases son importantes en todos los procesos y se integran las tablas de los procesos que se realizaran con este tipo de soldadura. La compañía CRYOGAS grupo Indura realizó un gran aporte al desarrollo de este proyecto ya que las pruebas físicas se realizaron con el oxidistribuidor que se construyó como propiedad de ellos, y con su ayuda fue posible obtener los recursos de seguridad y muchas normas para hacer este proyecto posible. 1.2. OBJETIVOS 1.2.1. General Diseñar un oxidistribuidor para la industria de gases industriales bajo la norma BCGA y EIGA. 1.2.2. Específicos. 1.2.2.1. Realizar el diseño conceptual de un oxidistribuidor donde se evalúan las ventajas y desventajas del proyecto. 1.2.2.2. Determinar los estados de carga de la estructura principal empleando métodos analíticos. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 19 1.2.2.3. Realizar simulaciones computacionales usando el método de los elementos finitos (FEA) para componentes de manufactura nacional. 1.2.2.4. Establecer criterios de selección de accesorios hidráulicos del oxidistribuidor. 1.2.2.5. Crear procedimientos de soldadura (WPS) adecuados para la construcción del oxidistribuidor. 1.2.2.6. Evaluar la seguridad del diseño del oxidistribuidor batería según las normas vigentes. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 20 2 MARCO TEÓRICO Se busca desarrollar un equipo para el manejo de soldadura que provea un proceso seguro, confiable y estable, que a su vez tenga una gran acogida en la industria, dado que el objetivo de la investigación será reflejado en el proceso final de la soldadura, en este punto se plantean las diferentes teorías de soldadura acetilénica aplicables al equipo de oxidistribuidores y una revisión de los riesgos ocupacionales presentes en dicha labor. Así mismo busca constituirse en soporte conceptual para el abordaje de la problemática de los riesgos presentes en el desarrollo de procesos de soldadura y sus operadores. Para realizar el diseño del oxidistribuidor se realizan los cálculos de las áreas, consumos de gases y demás variables que intervendrán en el proceso del diseño y simulaciones, estos son tomados en cuenta para hacer un diseño y simulación objetiva del proyecto. El proyecto se realiza mediante el uso de CREO 3.0 y CREO SIMULATION 3.0, además de tablas de información de consumo en equipos de acetileno, lo cual es muy importante para referenciarnos y poder realizar los cálculos, de la capacidad de los recipientes de oxígeno y acetileno en el oxidistribuidor, con estos cálculos se pretende buscar mayor efectividad Actualmente CRYOGAS tiene el prototipo del oxidistribuidor, el cual no cuenta con la tecnología ni el tiempo de investigación necesario para brindar una alta confiabilidad y hacer que estos equipos sean altamente eficientes y seguros. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 21 1.3. HISTORIA DE LA SOLDADURA La soldadura puede trazar un desarrollo en la historia. Los primeros ejemplos de la soldadura se mostraron durante la era de bronce, los egipcios y las personas del oriente mediterráneo aprendieron a soldar piezas de hierro. Durante la edad media el arte del herraje fue desarrollado y muchas herramientas fueron construidas por soldadura mediante martillazos que permitían la unión del metal. Diferentes piezas fueron encontradas, las cuales fueron soldadas hace más de 1000 millones de años D.C. En el siglo XVIII se introduce la soldadura por oxicorte como un método para innumerables aplicaciones industriales especialmente para piezas de espesor considerable que permitirían el desarrollo de la industria naval a lo que se conoce en la época actual y el avance industrial de la sociedad. (Hobart, 2006) Desde entonces la ingeniería ha creado estándares que permiten controlar y manipular, de manera eficiente y segura, las variables termo-fluidicas relacionadas con el comportamiento de los gases involucrados en procesos de soldadura (temperatura, densidad, presión, caudal, entre otras). El incumplimiento de los estándares establecidos lleva al mal funcionamiento e incluso fallas catastróficas de los equipos que intervienen en los procesos donde los gases son usados. Hecho que puede devenir en tragedias y pérdidas humanas. (Miller, 1995) 1.4. GASES INDUSTRIALES Los gases industriales son aquellos gases obtenidos del aire los cuales son comercializados para usos en diversas aplicaciones de la industria, se utilizan en procesos como fabricación de aceros, aplicaciones médicas, soldaduras, industria de semiconductores, metalurgia, entre otras. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 22 Los gases industriales se obtienen del aire por medio de una síntesis química o separación y se comercializan en estado comprimido líquido. Algunos gases industriales son: Acetileno, dióxido de carbono, monóxido de carbono, cloro, hidrogeno, cloruro de hidrogeno, propano, oxigeno, nitrógeno, argón (Gases industriales, 2009). Para la realización de este trabajo con un enfoque en el proceso de soldadura oxiacetilénica y oxicorte hay dos gases fundamentales: 1.4.1. Acetileno El acetileno por su capacidad inflamable es el más utilizado en los procesos de oxicorte. El Acetileno es un gas compuesto por Carbono e Hidrógeno (12/1 aprox. en peso). En condiciones normales es un gas un poco más liviano que el aire, incoloro. El Acetileno 100% puro es inodoro, pero el gas de uso comercial tiene un olor característico, semejante al ajo. No es un gas tóxico ni corrosivo. Es muy inflamable. Arde en el aire con llama luminosa, humeante y de alta temperatura. Los limites inferior y superior de inflamabilidad son 2.8 y 93% en volumen de Acetileno en Aire. (INFRASAL, 2015). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 23 ILUSTRACIÓN 1. CILINDRO DE ACETILENO CON ESPECIFICACIONES PROPIAS DE CRYOGAS FUENTE: (CRYOGAS DISTRITO SABANETA, 2016) Como agente calorífico es un combustible de alto rendimiento, utilizado en las aplicaciones oxiacetilénicas. Las temperaturas alcanzadas por esta mezcla varían según la relación Acetileno-Oxígeno, pudiendo llegar a más de 3000°C (ver ilustración 2). En la industria química, por su gran reactividad, es utilizado en síntesis de muchos productos orgánicos. (INFRASAL, 2015) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 24 Ilustración 2. Tarjeta de emergencia Cryogas, (2016). intranet corporativa. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 25 1.4.2. Oxigeno El Oxígeno es el gas que hace posible la vida y es indispensable para la combustión, constituye más de un quinto de la atmósfera (21% en volumen, 23% en peso). Este gas es incoloro, inodoro y no tiene sabor. A presión atmosférica y temperaturas inferiores a -183 °C, es un líquido ligeramente azulado, un poco más pesado que el agua. Todos los elementos (salvo los gases inertes) se combinan directamente con él, usualmente para formar óxidos, reacción que varía en intensidad con la temperatura. (AIR LIQUIDE. 2013). ILUSTRACIÓN 3. CILINDRO DE OXIGENO CON ESPECIFICACIONES PROPIAS DE CRYOGAS FUENTE: (CRYOGAS DISTRITO SABANETA, 2016) El Oxígeno gaseoso, por sus propiedades comburentes, es usado en procesos de combustión para obtener mayores temperaturas. En mezclas con Acetileno u otros gases combustibles, es utilizado en soldadura y corte de metales. Por sus propiedades oxidantes, es utilizado en diversas aplicaciones en siderurgia, industria papelera, electrónica y química. (INFRASAL, 2015) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 26 Ilustración 4. Tarjeta de emergencia Cryogas, (2016). intranet corporativa. 1.5. OXICORTE El oxicorte consta de dos etapas: en la primera, el acero se calienta a alta temperatura (900 °C) con la llama producida por el oxígeno y un gas combustible; en la segunda, una corriente de oxígeno corta el metal y elimina los óxidos de hierro producidos. (Limusa, 2001). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 27 En este proceso se utiliza un gas combustible cualquiera (acetileno, hidrógeno, propano, hulla, tetreno o crileno), cuyo efecto es producir una llama para calentar el material, mientras que como gas comburente siempre ha de utilizarse oxígeno a fin de causar la oxidación necesaria para el proceso de corte. Bien sea en una única cabeza o por separado, todo soplete cortador requiere de dos conductos: A través del cual circule el gas de la llama calefactora (acetileno u otro) y uno para el corte (oxígeno). El soplete de oxicorte calienta el acero con su llama carburante, y a la apertura de la válvula de oxígeno provoca una reacción con el hierro de la zona afectada que lo transforma en óxido férrico (Fe2O3), que se derrite en forma de chispas al ser su temperatura de fusión inferior a la del acero. (Limusa, 2001). 1.5.1. Montaje del oxicorte Para el proceso de oxicorte se dispone de dos botellas móviles que contienen el combustible y el comburente, los elementos principales que intervienen en el proceso de soldadura oxiacetilénica son los manorreductores, el soplete, las válvulas anti retroceso y las mangueras. (Ver ilustración 5). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 28 ILUSTRACIÓN 5. ELEMENTOS PRINCIPALES DE UNA INSTALACIÓN MÓVIL DE SOLDADURA POR GAS FUENTE: (CONSTRU SUR, 2013) 1.6. ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN DE SOLDADURA POR ACETILENO 1.6.1. Soplete Es el elemento de la instalación que efectúa la mezcla de gases. Pueden ser de alta presión en el que la presión de ambos gases es la misma, o de baja presión en el que el oxígeno (comburente) tiene una presión mayor que el acetileno (combustible). Las partes principales del soplete son las dos conexiones con las mangueras, dos llaves de regulación, el inyector, la cámara de mezcla y la boquilla. (Constru Sur, 2013) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 29 1.6.2. Válvulas anti retroceso Son dispositivos de seguridad instalados en las conducciones y que sólo permiten el paso de gas en un sentido impidiendo, por tanto, que la llama pueda retroceder. Están formadas por una envolvente, un cuerpo metálico, una válvula de retención y una válvula de seguridad contra sobrepresiones. Puede haber más de una por conducción en función de su longitud y geometría (Constru Sur, 2013). 1.6.3. Conducciones Las conducciones sirven para conducir los gases desde las botellas hasta el soplete. Pueden ser rígidas o flexibles (Constru Sur, 2013) 1.7. OXIDISTRIBUIDOR Un oxidistribuidor es un equipo que permite la salida homogénea de los gases que contiene oxígeno y acetileno. Un prototipo del oxidistribuidor (ver ilustración 6) fue construido por la compañía CRYOGAS. La elaboración del oxidistribuidor consta de una base de hierro la cual soporta dos contenedores de acero, ubicados paralelos al suelo los cuales sirven para almacenar oxígeno y acetileno. Estos se encuentran a una distancia de 0.10 y 0.50 m, respectivamente del suelo. (Puede verse en la ilustración 6) el recipiente verde que contiene oxígeno y el amarillo acetileno). Cada contenedor tiene seis salidas y una entrada de gas, estas están protegidas por válvulas tipo bola de seguridad fabricada en acero. Los diámetros de cada uno de los seis tubos que facilitan la salida de gas son más pequeños con respecto al diámetro de la entrada. El oxidistribuidor tiene como finalidad la operación simultánea de seis puestos de trabajo para corte o soldadura INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 30 oxiacetilénica. Con este equipo ocurre una mayor optimización en el proceso de soldadura en lugares de trabajo con alimentación de gas fija o móvil. Con este equipo la compañía CRYOGAS, incursiono en el mercado de la industria manufacturera, brindando una solución a las necesidades de presión y flujo homogéneo en varios puestos de trabajo y lograr soldadura de buena calidad simultáneamente. En las aplicaciones móviles del oxidistribuidor para procesos industriales de altos de niveles de consumo, este se alimenta con una batería de cilindros la cual consta, de 12 cilindros conectados en paralelo para poder hacer uso efectivo del oxidistribuidor. En las aplicaciones fijas del oxidistribuidor, la conexión se realiza directamente a una línea de alimentación para cada uno de los gases, la cual es provista por la compañía que esté haciendo uso del oxidistribuidor. ILUSTRACIÓN 6. OXIDISTRIBUIDOR FUENTE:(CRYOGAS S.A, 2012) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 31 1.7.1. Criterios de referencia del diseño Para el diseño del oxidistribuidor se emplearon como criterios de referencia la respectiva normatividad nacional e internacional, estas normas son la NTC 5197 y NFPA 55. Estas dos normas entregan una guía sobre el manejo, seguridad y transporte que involucran los cilindros de oxígeno y acetileno; así como los materiales sugeridos a utilizar para un funcionamiento seguro de estos dos cilindros; también se menciona cuáles son las válvulas para los cilindros, la disposición de los equipos para tener un proceso efectivo. En los contenedores se aplica la teoría recipientes de presión de pared delgada enunciada por R. C. Hibbeler (2006, p 423). “los recipientes cilíndricos o esféricos que sirven como calderas o tanques son de uso común en la industria. Cuando se someten a presión, el material del que están hechos soporta una carga desde todas las direcciones”. Si bien este es el caso que estudiaremos aquí, el recipiente puede ser analizado de manera simple siempre que tenga una pared delgada. En general “pared delgada” se refiere a un recipiente con una relación de radio interior a espesor de pared de 10 o más (r/t≥ 10). Específicamente, cuando r/t=10, los resultados de un análisis de pared delgada predicen un esfuerzo que es casi 4% menor que el esfuerzo máximo real en el recipiente. Para razones r/t mayores, este error será aún menor. Hibbeler (2006, p 423). Cuando la pared del recipiente es “delgada”, la distribución del esfuerzo a través de su espesor t no varía de manera significativa, y por lo tanto se supondrá que es uniforme o constante. Con esta suposición, se analizará ahora el estado de esfuerzo en recipientes de presión cilíndricos y esféricos de pared delgada. En ambos casos se entiende que la presión dentro del recipiente es la presión manométrica, ya que se mide la presión por encima de la presión atmosférica, la que se supone existe tanto en el interior como en el exterior de la pared del recipiente”. (Hibbeler, 2006, p 423) Hibbeler, (2006) afirma que los cilindros que se usan en este proyecto son : INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 32 “Recipientes cilíndricos. Considere que el recipiente cilíndrico tiene un espesor de pared t y un radio interior r como se muestra en la (ilustración 7). Dentro del recipiente, a causa de un gas o fluido de peso insignificante, se desarrolla una presión manométrica p debido a la uniformidad de esta carga, un elemento del recipiente suficientemente alejado del extremo y orientado como se muestra, está sometido a los esfuerzos normales σ1 en la dirección anular o circunferencial y σ2 en la dirección longitudinal o axial. Estas dos componentes de esfuerzo ejercen tensión sobre el material. Queremos determinar la magnitud de cada una de esas componentes en términos de la geometría del recipiente y de la presión interna. Para hacer esto, usamos el método de las secciones y aplicamos las ecuaciones de equilibrio de fuerzas. Para el esfuerzo anular, considere que el recipiente es seccionado por los planos a, b y c. En la ilustración 7 se muestra un diagrama de cuerpo libre del segmento posterior junto con el gas o fluido que contiene. Allí se muestran solo las cargas en la dirección x. Estas cargas se desarrollan por el esfuerzo circunferencial uniforme σ1, que actúa a través de la pared del recipiente y la presión que actúa sobre la cara vertical del gas o fluido seleccionado.” (Hibbeler, 2006, p 225). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 33 ILUSTRACIÓN 7. DIRECCIONAMIENTO DE FUERZAS PARA FIGURA 8 EXPLICACIÓN HIBBELER. FUENTE: (HIBBELER, 2015) Para el desarrollo de problemas de recipientes de presión de pared delgada se tienen las siguientes ecuaciones: la ecuación (1) se muestra la sumatoria de fuerzas en x, con la cual se da paso a una sumatoria de fuerzas representadas en a la ecuación (2), después de despejar esta ecuación, se da paso a la ecuación (3) para determinar esfuerzos normales: Sumatoria de fuerzas en x: Sumatoria de fuerzas representadas: 2[σ1(t dy)]- p(2r dy)=0, donde “σ” es el esfuerzo. Esfuerzos normales: (1) 2[σ1(t dy)]- p(2r dy)=0 (2) (3) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 34 Tenemos para el hallazgo del esfuerzo longitudinal σ2, la realización de la sumatoria de fuerzas en y las cuales se muestran en la ecuación (4), de igual manera se desprende una ecuación (5) la cual tiene las sumatorias de las fuerzas en la figura (b) de la ilustración 5. Después para obtener el esfuerzo longitudinal utilizamos la ecuación (6). (4) σ2(2 πrt)]- p(πr2)=0 (5) (6) Mientras que para la verificación del cumplimiento de esfuerzos y evaluación mecánica y de fluidos de los componentes se empleara la metodología de diseño computacional FEA (Finite Elements Analysis) en el cual se analizan fuerzas realizadas el oxidistribuidor, tolerancias de temperatura, mallas en el cual se verá reflejado en CREO SIMULATION 3.0, con estos análisis de verificación, se da una mayor vigorosidad al proyecto ya que este podrá mostrarnos con cifras de resistencia los puntos más críticos que serán enfrentados en el momento de realizar el proyecto en un nuevo prototipo. Este diseño del oxidistribuidor contó con la evaluación, guía y soporte técnico de la experiencia de un grupo de ingenieros y técnicos, con los cuales cuenta la compañía CRYOGAS, siendo esto un gran aporte al diseño, tomando la experiencia que tienen ellos en el manejo de este tipo de soldadura y la tendencia a mejorar los procesos que contienen este. Las reformas en las medidas de diámetros en la tubería, altura y longitud del oxidistribuidor se tomaron en cuenta como criterio ingenieril para entregar una mayor eficiencia, comodidad y lograr mayor eficacia del proyecto, este se determinó con el grupo de trabajo mencionado y desarrolladores del proyecto. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 35 Con el ánimo de lograr una calificación bajo las normas vigentes en Colombia a este diseño, se realiza una evaluación a los resultados en las simulaciones que se generan, logrando así una semejanza más real con la experiencia basada en el diseño original (Ver ilustración 6) para el diseño, con el fin de mejorar en los aspectos técnicos fundamentales, para que garantice un mayor rendimiento y seguridad en el momento de la construcción de este diseño. 1.8. FEA Finite Elements Analysis El significado del idioma inglés análisis finito de elementos, este es un método que creció en la industria aeroespacial, en la post segunda guerra mundial, ayudo al desarrollo de los misiles y los aviones, este también creció con la necesidad de tener medidas sobre estructuras de peso ligero, además del requerimiento del análisis de cargas, y también este desarrollo de método de análisis ayudo al crecimiento de los equipos computacionales. Es un método numérico para resolver problemas de ingeniería y física matemática, este programa es muy usado para resolver problemas con geometrías complicadas, cargas y propiedades de materiales, este método utiliza donde las soluciones analíticas no pueden ser obtenidas (Tura y Dong, 2014). El propósito de FEA es dar una solución analítica, lo cual toma como propósito del análisis de las cerchas, barras y otras estructuras simples las cuales se llevan a cabo realizando una gran simplificación e idealización del diseño colocando en la masa un centro de gravedad y simplificando las barras como un segmento de línea. Todos los diseños están basados en el cálculo de los resultados de la estructura idealizada y se brinda la experiencia de tener un factor de seguridad de (1.5-3) (Tura y Dong, 2014). FEA diseña geometrías de mucha complejidad y alta de exactitud requerida, esto se realiza para entender comportamientos físicos tales como cargas, transferencia de calor y flujos INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 36 de líquidos entre otros para objetos completos. También se pueden realizar predicciones de las mejoras y comportamientos de un diseño, permitiendo calcular el margen de seguridad e identificar las debilidades en la precisión del diseño, también para identificar el diseño más óptimo con seguridad y confianza (Tura y Dong, 2014). Las aplicaciones comunes de FEA son utilizadas para la ingeniería mecánica, aeroespacial, civil y automovilística, se utilizan en el análisis de cargas estructurales los cuales pueden ser dinámicos o estáticos y linear o no linear, además de las aplicaciones de flujo de fluidos, transferencia de calor, campos electromagnéticos, mecánica de los suelos, la acústica y biomecánica. Con este método se obtienen grandes ventajas en los límites irregulares de las piezas, las cargas generales, la aplicación de simular diferentes materiales, también diferentes variables aplicables a la talla de los elementos, la dinámica aplicativa para las piezas y la corrección de problemas no lineales (geométricos o de materiales) (Tura y Dong, 2014). 1.1. MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS (FEM) El método de elementos finitos es un método numérico para la solución de problemas de ingeniería que involucran geometrías complejas y que por lo general no es posible analizar directamente expresiones matemáticas. Son el recurso a utilizar cuando se tienen situaciones que no están parametrizadas en normas y libros (Valero, 2004) Con este método se tiene una división continua de un número de partes finitas cuyo comportamiento ocurre mediante un número de parámetros que identifican puntos llamados nodos los cuales son puntos de unión de cada elemento. Este método se basa entonces en transformar un cuerpo en diferentes transformaciones que caracterizan el modelo deseado o proyectar. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 37 Se explica el comportamiento inicial de los nodos (ver ilustración 8) con una fórmula matemática que es un vector que define los desplazamientos de cada columna, luego se tienen las coordenadas dadas por i, j y k para indicar el sentido de desplazamiento que tendrán los puntos que indicaran las deformaciones que se realizaran en la prueba. ILUSTRACIÓN 8. COORDENADAS NODALES (I, J, K) Y DESPLAZAMIENTO DE NODOS (VALERO, 2004) El método FEA es un método de aplicación para piezas complejas determinando su resistencia de fuerzas, presiones y termografía, utilizado para finalidades de proyectos como el que estamos realizando, ya que este método permite realizar cálculos los cuales son de difícil análisis. Con las fórmulas de cálculo que FEA integra, se permite la construcción de matrices, realización y sustentación de las propiedades para las formas de las piezas complejas, los teoremas del área bajo la curva son aplicados de manera integrada en la función para determinar los errores que se presentan en los enmallados. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 38 En este documento se proponen unos pasos para realizar FEA de estimación de error y programar controladores para que realicen estas funciones. Para el desarrollo del proyecto contamos con módulo FEA incluido en Creo Simulation 3.0, lo que representa una gran ventaja en el proyecto. Las medidas que ofrece FEA son de resistencia de fuerzas, temperaturas, mayas de fuerza, diferentes tipos de materiales, entregando así dinámica y claridad en los resultados en las pruebas realizadas con el software. 1.2. CAD Computer-Aided Design Existen muchos escenarios de diseño CAD los cuales determinan el nivel de flexibilidad y adaptabilidad en modelos de 2 y 3 dimensiones, este desarrollo es una contribución al proceso de realizar modificaciones o alteraciones en modelos existentes con alta eficiencia y un uso fácil, muchos autores han identificado la habilidad de aplicar sistemas CAD a previos diseños y procesar nuevas situaciones como un factor esencial en la ingeniería moderna. El incremento de la popularidad de los acercamientos de la ingeniería a los modelos-base, donde la mayoría de la información de los diseños se almacena digitalmente con modelos CAD, la reutilización del diseño se ha convertido en una gran dependiente de CAD, los modelos CAD sirven como modelos de punto de desarrollo de un proceso y el principal. 1.3. SOFTWARE PARA DISEÑO Y SIMULACIÓN 1.3.1. PTC product & service advantage La compañía PTC desde 1985, ha servido a las compañías manufactureras que necesitan lograr una mejora continua en sus productos. PTC crea paquetes de software los cuales brindan bases que son fundamentales en los procesos de organización, PTC ofrece un INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 39 servicio para las necesidades empresariales, las cuales les da un valor cuantificable en procesos ejecutivos e ingenieriles. La intención de PTC es crear soluciones para una transformación en la manera de crear y mantener sus productos, esto lo realiza con el conocimiento que manejan en el proceso y las mejoras que realizan en sus prestaciones, para esto ellos cuentan con una plataforma flexible. PTC tiene una gran cadena de servicios los cuales se pueden visualizar visitando su página web (PTC, 2016). 1.3.2. PTC creo PTC creo es una suite de aplicaciones que se pueden utilizar de la forma que se prefiera, este producto toma un concepto digital de los prototipos con eficiencia, precisión y medida de exactitud. Teniendo este una gran ventaja ya que no es necesario trabajarlo con las herramientas que CAD requiere, gracias a que este contiene una tecnología única. Con PTC creo se pueden compartir aplicaciones con un mismo usuario y realizar interfaces de data con otros equipos, todo el paquete PTC creo ofrece una obtención rápida y de valor para realizar diseños CAD en 2D y 3D. PTC creo es una continua mejora para PTC, con el cual suplen las necesidades que surgen en los campos del diseño industrial, diseño conceptual, diseño de sistemas encaminados, y diseño en 3D, además del campo de la simulación, y otros. (PTC creo, 2016). PTC creo ha desarrollado creo 1.0, creo 2.0 y creo 3.0, versiones de su software las cuales han traído paquetes más amplios y con mejores interfaces para el desarrollo de diseños más eficientes. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 40 1.3.3. Creo parametric 3.0 Este producto es el más eficaz y flexible para modelado en 3D, cuando se tienen propósitos para trabajar en la industria, creo parametric 3.0. Trae consigo innovación para el modelado de piezas con alta flexibilidad, este también brinda la interfaz con nuevos dispositivos, tal como las impresoras 3D, centros de mecanizado y otros equipos, además de otros conjuntos de paquete de software con utilidades de análisis que trae la innovación de este producto de PTC. Las actualizaciones y novedades que realizaron en PTC para Creo parametric 3.0 brindaron una serie de funciones las cuales permiten tener: fundamentos, exploraciones del diseño, modelados de piezas, intercambio de datos, diseño de planos, y entre otras novedades más (PTC; 2016). Las funciones de creo parametric 3.0 contienen una ayuda eficaz y con tutorial ofrecido por PTC. Las interfaces que se mostraran en la siguiente tabla (ver tabla 1) son las necesarias para realizar este proyecto. Tabla 1. Funciones de creo parametric 3.0. (Creo parametric 3.0, 2016) Nuevo permite la creación de crear un nuevo esquema, esbozo, pieza, conjunto, mecanizado, plano, formato, informe, diagrama, cuaderno o anotación. Plano esta función permite seleccionar el plano de referencia sobre el cual se creará la pieza o ensamble de un conjunto. Esbozo permite la creación de un nuevo modelo, para esta función se selecciona nuevamente el plano y se despliegan las opciones de dibujo. Línea Cadena de líneas o línea tangente permite la creación de líneas en serie para la creación de modelos. Circunferencia Centro punto, concéntrico, tres puntos y tangente, este comando permite la creación los tipos de círculos mencionados en los títulos, para nuestra aplicación solo utilizamos centro punto. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 41 Spline Spline permite la creación de líneas no rectas, pues esta permite tener cierta curvatura, lo cual facilita el proceso de la creación de la tubería. Aceptar comando que permite finalizar el esbozo realizado, además este se utiliza para la aceptación de cualquiera de las funciones que se realizan. Extruir esta función permite crear una geometría tridimensional del esbozo planteado mediante la proyección bidimensional a una distancia normal al plano del esbozo. Cambiar la profundidad de la extrusión al otro lado del esbozo, este comando permite dar la longitud de la pieza y o el corte de la misma según la función deseada. Revolución esta función permite la revolución de un esbozo alrededor de una línea central, esto quiere decir que la función será girada 180 grados en función de audición o sustracción de material en el esbozo. Redondeo o Redondeo automático, este comando permite realizar funciones de redondeo circular en los cortes transversales. Simetría esta función permite crear una igualdad de la geometría de un esbozo, el cual es simétrico sobre una superficie plana. Cascara: la función cascara es utilizada para darle un espesor de material a las paredes. Montar esta función permite la creación de conjuntos de piezas que se unen para formar el ensamble de una pieza, esta opción permite tener un conjunto flexible, de paquete de inclusión. La función despliega una ventana de la cual se obtendrán las piezas para realizar el ensamble. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 42 Patrón, la función está formada por varias instancias de una función, esto quiere decir que para colocar un patrón se debe definir la cuota y el tipo de patrón que se utilizara, además se debe seleccionar los puntos o el área en los cuales será la colocación de la figura. De la función patrón se despliegan una serie de opciones, de la cual solo seleccionamos relleno. Galería de aspectos visuales permite rellenar superficies de color, esta función contiene una amplia biblioteca de colores, la cual es utilizada por los colores que contiene o permite la creación de nuevos colores. Medir, una de las funciones más importantes para el diseño de piezas, puesto que esta permite realizar la medida de las cutas que necesitamos, esta medidas se dividen en medidas de radio, longitud, distancia, ángulo, área, volumen y transformación. 1.3.4. Creo Simulation 3.0 Creo simulation es una gran estrategia y herramienta desarrollada PTC de fácil uso, además es un producto con un gran desarrollo que tiene la tecnología para ayudar a los ingenieros en la proyección y análisis de diseños. Esta aplicación ayuda a resolver problemas usando FEA con un completo kit de uso de mallas y estructuras, las cuales utilizamos para realizar diferentes pruebas de calor, resistencia de fuerzas y materiales (Brunelli, 2014). Creo simulate para estructuraciones permite a los ingenieros diseñadores evaluar, entender y optimizar las estructuras de un de manera dinámica y estructural con una mejora en los diseños con una similitud mayor al entorno del mundo real. Las estructuras tienen una adaptabilidad única a la rápida respuesta a la solución de tecnología estructural, con soluciones precisas, automáticamente las soluciones ayudan a mejorar la INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 43 calidad de los productos y al decrecimiento de los costos en los diseños, este simulador tiene una gran ventaja ya que resuelve problemas de una manera original, utilizando FEA, el cual se ofrece como especialista en análisis, el cual crea automáticamente mallas asociadas completamente a la tercera parte de los elementos finitos. Las propiedades de los materiales con sus propiedades adecuadas, el control que tiene creo simulation sobre las mallas del modelado hace que se presente una solución de problemas, con esto se puede definir la solución a los problemas de precisión haciendo una cobertura especifica de los orígenes del diseño después de comenzar la simulación, se puede ver como creo simulation 3.0 muestra los errores, los cuales están haciendo obstaculizar la correcta simulación, y dando con un punto de convergencia con información de verificación. En este análisis se muestra la selección de uno o más puntos con parámetros sensibles dando una edad sobre el rango y la comprobación de los gráficos deseados, las salidas de parámetros cargados como funciones de simulación, los diseños óptimos se encuentran mejor logrando la minimización de los costos del diseño o del total de las cargas, por ejemplo se puede reducir la mas de un ensamble mientras que se conserva la misma resistencia en la carga, se guarda una frecuencia modal que sirve como comparación de la frecuencia y el máximo desplazamiento con límites (PTC simulation, 2016). En la tabla 2 se muestran los comandos utilizados para realizar la simulación en este proyecto Tabla 2. comandos utilizados para realizar la simulación de este proyecto Abrir es la primera función encontrada para tener acceso a los diseños que se pretenden simular con Creo INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 44 simulation, estos creados antes en creo parametric. Structure Mode este comando activa el modo estructura, en el cual se pueden encontrar las pruebas que ayudaran a la simulación de fuerzas en las estructuras. Force/moment este comando se utiliza para crear modelos en nativo (función de Creo simulation) o FEA. Se pueden crear cargas con más de una entrada geométrica, dependiendo del tipo de modelo. Pressure esta aplicación se puede utilizar en método nativo y FEA moco estructural, permite crear cargas de presión en las caras de modelos 3D y curvas en modelos 2D, para crear modelos en 2D se seleccionan cargas en límites de una sola cara, en esta aplicación no se pueden escoger datos de la curva, curvas flotando libremente o curvas compartidas con más de una estructura. Temperatura permite crear cargas térmicas en estructuras entregando resultados de cambio sobre la geometría, estas cargas se puede establecer uniformemente cruzando la sección geométrica, esto se realiza usando funciones coordinadas para definir la variación espacial o usando externamente el cálculo en el campo de la temperatura. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 45 Displacement función la cual permite crear el punto de apoyo en contra de la cargas que serán aplicadas, de esta se despliega un cuadra de dialogo en el cual se estarán editando los puntos que servirán de apoyo para la estructura. Materials permite la creación de nuevos materiales, editar o eliminar existentes, esta función despliega una librería de materiales la cual hace parte de los modelos que se realizan en esta función. Material Assignment despliega una caja de dialogo donde se especifica el material a utilizar, este con sus propiedades en la asignación al modelo, se comprueba y se cambia el material existente y se le aplican las nuevas propiedades del material escogido. Analyses and studies permite crear el manejo de los resultados para el modo de análisis FEA, estos análisis permiten la especificación de algunas cargas combinadas en los modelos que se pueden utilizar para calcular la respuesta de los modelos, también al ingresar la información se obtiene la información de los cálculos y reporte de resultados de los estudios plateados. Mesures ayuda a tener control de las medidas de los diseños que estarán en proceso de simulación, este es un comando de ayuda el cual es muy útil mientras se simula o se tiene el modelado. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 46 Results comando que permite la visualización de los estudios realizados para los diseños, en esta función se despliega una nueva ventana donde se pueden observar todos los resultados térmicos, estructurales y demás aplicaciones. Thermal mode esta función tiene herramientas expertas en la simulación y comportamiento de partes ensambladas sujetas a cargas térmicas, esta función provee a FEA diferentes análisis de los límites de la temperatura con la minimización del uso de masas, pero conservando el modelo con la máxima temperatura en sus límites. Model setup función que permite crear el campo de simulación que se quiere trabajar, FEA o modo nativo (entregado por Creo) 1.4. ESTADO DEL ARTE Para la construcción de un oxidistribuidor, tuvimos en cuenta que no era un equipo demasiado complejo ni con mucha tecnología, pero tenemos una ventaja que este dispositivo no puede mostrar resultados similares en el internet. De las primeras etapas que debe desarrollarse dentro de una investigación es la construcción de su estado del arte ya que permite determinar la forma como ha sido tratado el tema, cómo se encuentra el avance de su conocimiento en el momento de realizar una investigación y cuáles son las tendencias existentes en el entorno. El equipo más similar que se encuentra en el mercado son los manifolds que constan de una matriz de válvulas en función del número de elementos a conectar para ser utilizadas. Por esta INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 47 razón tenemos este equipo en consideración pero no es tomado en cuenta por su funcionamiento en gases puesto que maneja una gran incertidumbre en temas de seguridad, porque es más usado en los sistemas neumáticos, por eso no cumplen con los requisitos de seguridad y normatividad de diseño que son requeridos, y por esto nosotros presentaremos el desarrollo de una investigación para lograr una alta eficiencia. Este proyecto puede permitir muchos desarrollos, geometrías y realización de pruebas con FEM. Estas pruebas serán realizadas para lograr un desarrollo que permita avanzar de forma rápida en el desarrollo del proceso de construcción. Las pruebas se realizan con el fin de tener la cantidad exacta de gas en las presiones de operación requeridas. La experiencia técnica de este tema es más extensa en nuestro integrante y compañero Cristian Echeverry, el cual tiene la oportunidad de estar directamente en contacto con los gases ya que labora para la compañía CRYOGAS, por su defecto tiene contacto con el oxidistribuidor que ya está construido. Con la facilidad y el aprovechamiento de tenerlo a él en nuestro equipo nos brinda un gran conocimiento en el campo de la soldadura de oxiacetileno, entregando pues el para nosotros un sin número de cuidados y reglas de seguridad que se debe tener frente a este tipo de equipos, los conocimientos sobre el desarrollo del diseño y los cálculos están siendo desarrollados por los tres para hacer el proyecto avanzar. Este equipo no será nuevo en el mercado de los equipos que trabajan con soldadura de oxiacetileno, porque no se han reportado existencias de la fabricación de estos en otras empresas. Esto explica que no puede considerarse como un producto terminado, sino como una contribución que genera nuevos problemas o nuevas hipótesis de investigación y representa el primer y más importante insumo para dar comienzo a cualquier investigación. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 48 2. METODOLOGÍA El desarrollo de este trabajo de grado se enfocará en el cumplimiento consecutivo de etapas, aunque algunas deben realizarse de forma simultánea de manera que el tiempo que se dispone sea suficiente para el cumplimiento exitoso del proyecto. Las etapas planteadas en el anteproyecto fueron desarrolladas y complementadas con resultados, argumentos, fotografías, y demás elementos que hicieron posible que este proyecto se ejecutara con las condiciones que se deseaban y requerían para lograr la finalidad y efectividad del proyecto. Como se planteó anteriormente las etapas fueron las siguientes: 2.1. ETAPAS 2.1.1. Etapa 1 2.1.1.1. Diseño conceptual del oxidistribuidor La realización del diseño conceptual del oxidistribuidor fue utilizando la metodología de diseño de Pahl & Beitz plantea la necesidad de un enfoque sistemático. Por consiguiente ellos proponen una estrategia para el desarrollo de soluciones, cuyo objetivo es aumentar las probabilidades del éxito técnico y económico en el desarrollo del producto. (Barrientos, 2014). Esto quiere decir según el método de diseño de Pahl & Beitz que todo el ejercicio de diseño se reduce a un ejercicio de lógica. En donde existe un calendario para las etapas de diseño y otro para un proyecto predecible. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 49 Esta idea surge de la necesidad de diseñar un equipo a partir de un enfoque técnico, brindando más que una solución, una propuesta a la comodidad de una estación de trabajo más eficiente y segura, con la estrategia de multiplicar la eficiencia de un equipo de oxicorte ya que en la actualidad y con los equipos convencionales, se limita a que solo trabaje una persona por equipo. El éxito técnico del oxidistribuidor es permitir que varios puntos de trabajo sean utilizados al mismo tiempo desde una batería de cilindros. Basados en esta teoría fueron planteadas varias reformas del prototipo original del oxidistribuidor creado por CRYOGAS (ver ilustración 6), como las reformas en las medidas de la base o soporte de los acumuladores de oxígeno y acetileno, la longitud en las medidas de la tubería de salida del oxígeno y el acetileno. El tipo de material para la construcción también tiene planteamientos de cambio para ofrecer mayor ligereza, seguridad y resistencia en sus materiales y en transporte del equipo por mantenimiento o reubicación, pues la finalidad es tener un banco de trabajo establecido para lograr la mayor optimización del proceso final. Los beneficios que traerá el diseño del oxidistribuidor, son ampliar la capacidad de puestos de trabajo con soldadura oxiacetilénica con una misma fuente, optimización del tiempo en las tareas asignadas con el oxidistribuidor, fácil desarrollo del equipo para su reproducción, eficiencia en los materiales que se utilizaran en este y tiempo para la construcción del equipo. El problema del equipo que se usa actualmente es la limitación de un solo puesto de trabajo, con el oxidistribuidor se busca que esto se minimice el problema anterior teniendo más puestos de trabajo desde una sola fuente, aunque el oxidistribuidor presenta como desventaja, el requerimiento de un buen espacio físico para ser utilizado ya que este utiliza más espacio por la cantidad de puestos de trabajo habilitados, teniendo en cuenta también que el oxidistribuidor puede trabajar desde un solo punto de trabajo hasta su capacidad máxima. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 50 2.1.1.2. Cálculos para el diseño y realización de pruebas del oxidistribuidor Para realizar los cálculos apropiados del oxidistribuidor y tener un rendimiento esperado de nuestro proyecto se tuvo en cuenta que el consumo de gases se marca por los flujos que están indicados en cada una de las tablas (ver ilustración 9) de los catálogos que el proveedor de boquillas ofrece. La duración de presiones del oxígeno y del acetileno, como las presiones de trabajo dependerán también de los tipos de boquillas que se utilicen, además estas dependerán del propósito de utilización, el cual será determinado para corte o para soldadura de acuerdo al material y espesor que este tenga. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 51 ILUSTRACIÓN 9. TABLA DE CONSUMOS DE GASES SEGÚN TIPO DE BOQUILLA. FUENTE: (SMITHEQUIPMENT. 2016) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 52 Se observa entonces como el flujo está en unidades de volumen/tiempo (pie 3/h), cada boquilla tiene un consumo según su número de talla, estas son desde la número 2 hasta el número 7, con este dato y el volumen total del cilindro (contenido) se puede conocer el tiempo que transcurre para consumir el cilindro. Teóricamente cuando se trabaja con soldadura oxiacetilénica la relación es de 2.5 psi de O2 x 1 psi de C2 H2, por la cantidad de presión y volumen de cada producto. En el caso de nuestro proyecto trabajamos con las cantidades de llenado en psi que tiene la compañía CRYOGAS, todos estos llenados con normatividad NFPA y la NTC 5197. Los valores para estos son 300 psi para el acetileno y para el oxígeno 2300 psi (ver ilustración 9). Además de esto es claro anotar que el oxidistribuidor debe conservar un flujo para soportar todos los equipos que se conecten como puntos de trabajo, esto quiere decir que cada equipo de oxicorte según la boquilla requiere un flujo de trabajo que se deberá conservar. Cada fabricante maneja su propio consumo y flujo, pero en general todos los fabricantes de boquillas coinciden en el flujo, ya que este depende del tipo de material y espesor sobre el cual se va a trabajar. De acuerdo a la tabla de boquillas (ver ilustración 9), el máximo flujo que puede requerir una boquilla en oxigeno es de 80 SCFH y en acetileno es de 16 SCFH para espesores de 1”, esto para un solo equipo. Esto quiere decir que para oxigeno se deben garantizar 480 SCFH si se conectan los 6 puntos de forma simultánea al oxidistribuidor, para este flujo se deben garantizar en el cilindro de oxigeno del oxidistribuidor una presión de entrada de 60 psi, lo cual garantiza a la salida un flujo de 1800 SCFH. (Ver ilustración 9) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 53 En el caso del acetileno se deben garantizar máximo una entrada de 15 psi lo que me garantiza una salida de 62 SCFH máximo, esto si todos los puntos de trabajo del oxidistribuidor se cargaran al máximo con materiales de espesor 1”. 2.1.2. Etapa 2 Se realiza el diseño estructural usando las teorías de mecánica de materiales para la determinación de los estados de carga de la estructura principal. Se tomaron conceptos ya definidos como estudio de resistencia, materiales conocidos, flujos, presiones, fichas técnicas del acetileno y el oxígeno, peligros y comportamiento de los gases y comportamiento de las estructuras. Se tomaron en cuenta los conceptos de las cargas axiales las cuales referencian a todas las fuerzas que podrán estar interviniendo a las estructuras que tenemos diseñadas, con esto se ejemplarizaron los esfuerzos bajo condiciones generales de la carga, componentes de los esfuerzo, en este capítulo también se estudió los esfuerzos (ver ilustración 7). Además, se analizan las deformaciones producidas por las cargas axiales los cuales se estudian bajo diagramas de deformación con los cuales se resuelven ejercicios basados en la ley de hook y el módulo de elasticidad que tiene una amplia teoría, también para la aplicación de esfuerzos. Este estudio brinda un gran aparte al proyecto porque en este se sitúan y se analizan problemas de que involucran cambio de temperatura, que es una de nuestras prioridades a investigación. La concentración de los esfuerzos se tuvo en cuenta por los puntos donde nuestra base fue soldada, aunque ahí no están los esfuerzos mayores, se tuvo en cuenta porque son los principales puntos de riesgo para la reacción frente a los esfuerzos (ver ilustración). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 54 La transformación de los esfuerzos fue tomada en cuenta por la teoría de las transformaciones que tiene las fuerzas bajo las condiciones de temperatura y elasticidad de los materiales involucrados en la deformación. Aunque las vigas que se utilizaron en este proyecto no fueron muy extensas se tuvo en cuenta la deflexión de las vigas bajo una carga transversal puesto que nuestra tubería atraviesa los soportes que utilizamos en la base de nuestro oxidistribuidor. Este contenido se enfocó en la deformación, vigas estáticamente indeterminadas y métodos de superposición (ver ilustración). Utilizando la teoría de recipientes de pared delgada, para recipientes cilíndricos, como fue descrito en el apartado 2.5.1, calculamos la dirección anular o circunferencial que será σ1, la cual será resuelta con las ecuaciones (1, 2,3), la dirección longitudinal o axial la cual será σ2, será resuelta con las ecuaciones (4, 5 y 6) con las cuales se calcula la tubería de oxígeno y acetileno. Para el diseño se toman las medidas de r (radio interior de la tubería) para la tubería de 90 mm, con un espesor de pared de 2 mm la cual es medida estándar conseguida comercialmente, está fue instalada también en el prototipo creado por CRYOGAS. Para los cálculos se toma la presión manométrica de 2300 psi a la cual son llenados los cilindros de oxígeno en CRYOGAS, es de 90 mm y tenemos reemplazando en la formula entonces tenemos: (1) La sumatoria de fuerzas en este caso será 0 para que se pueda cumplir el equilibrio mecánico, según los conceptos de resistencia de materiales, donde un sistema mecánico el cual está en equilibrio mecánico las suma de fuerzas sobre las partículas involucradas en el sistema es cero, para la ecuación 2 se aplican los cálculos que esta tiene, se reemplazan INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 55 los valores de la tubería ya planteados y se realiza en procedimiento necesario para darle solución como se muestra seguidamente: 2[σ1(t dy)]- p(2r dy)=0 (2) (3) σ1= 103500 N/m2 Este muestra cual será la resistencia de la pared del cilindro, con este se realizó el cálculo de la fuerza cortante que se ejerce sobre el cilindro (4) σ2(2 πrt)]- p(πr2)=0 (5) (6) Para la tubería de acetileno se tienen las mismas ecuaciones utilizadas en diámetro para el contenedor, cambia la longitud de la tubería ya que este por seguridad se coloca más corto y contiene menos gas que el oxígeno. 2.1.3. Etapa 3 Se realizó una planeación en el inicio del proyecto, sobre los materiales comerciales como el hierro (Fe60) para la base y cobre (Cu) para los contenedores de oxígeno y acetileno, se utilizó acero para las válvulas, con los que se realizaron pruebas las cuales se asemejaran siempre a la posible construcción del diseño del oxidistribuidor. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 56 Estos productos ofrecidos en el comercio brindaran un soporte técnico que garantiza respaldo y confiabilidad en la utilización del producto ya que son de fácil adquisición por la cantidad de fabricantes que ofrece el mercado. Soportado con curvas de durabilidad de los materiales, compatibilidad que estos ofrecen con otros materiales con los que serán ensamblados para su finalidad. No se incurrió en la consecución comercial de dichos materiales ya que nuestro objetivo es realizar el diseño del oxidistribuidor y realizar pruebas con el sistema FEA. Los criterios que se aportan la compra y utilización de estos elementos son la seguridad, esta tiene que ser presentada la marcación respectiva de los sentidos que se deben aplicar para las posiciones en las válvulas abierto y cerrado. Además, estas válvulas traen un sistema de seguridad el cual debe estar bien ajustado y en condiciones de operación para casos que se pueden presentar en una emergencia, además el hierro y el cobre deben tener la respectiva marcación en el momento de la compra. 2.1.4. Etapa 4 Esta es quizás la etapa más importante del proyecto ya que en esta se desarrolla el diseño y las simulaciones del oxidistribuidor. Las simulaciones computacionales se realizaran usando Creo parametric 3.0 y Creo simulation 3.0, con los cuales se evaluaran los componentes del oxidistribuidor. Este diseño tiene la similitud del prototipo del oxidistribuidor (ver ilustración 4) creado antes por CRYOGAS. El oxidistribuidor está conformado por la base la cual soporta los contenedores de oxígeno y acetileno, esta los soporta con cuatro grapas, este también contiene el contenedor de oxígeno y el contenedor de acetileno, las válvulas son un diseño agregado que se coloca al diseño por estética. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 57 2.1.4.1.1. Base del oxidistribuidor La base del oxidistribuidor es una estructura construida con ángulos de hierro, los cuales tienen forma piramidal y soportes de los mismos ángulos en los intermedios que sirven de apoyo para los contenedores de oxígeno y acetileno (ver ilustración 10), esta base será el cuerpo principal del oxidistribuidor, este es primer paso donde se da el ajuste de las piezas y sus mejoras con respecto al prototipo original, usado para mejorar sus condiciones de trabajo y por ende su rendimiento. 2.1.4.1.1.2 Diseño de la base del oxidistribuidor. Se utilizó Creo parametric 3.0 para el diseño de la base, el cual se inicia con un plano de referencia siguiendo los instructivos mencionados anteriormente en la descripción de Creo parametric 3.0, se inicia con una línea posicionada en el plano x, la cual traza la primera columna del oxidistribuidor y se forma el frente del oxidistribuidor, después se utiliza la función extrusión para darle el espesor a las paredes, después de esto se crea un sobre plano, para realizar una simetría de la primera cara y que se realice una similitud en las caras, después se realizan los ángulos para posicionar los contenedores de los gases. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 58 ILUSTRACIÓN 2. DISEÑO BASE OXIDISTRIBUIDOR FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA 1.1.1.1.1. Diseño de la Tubería del oxidistribuidor Las medidas de las tuberías tienen longitudes diferentes, basados en el prototipo de CRYOGAS, por la experiencia que se ha tenido con el oxidistribuidor ya construido, teniendo en cuenta la seguridad de los gases ya que no existen normas técnicas que avalen este prototipo Para los contenedores de los gases, el de oxígeno tiene una longitud de 1.7 m, con la característica que este tubo tiene un diámetro menor en la entrada de 0.05m y se aumenta a 0.18 m, después de la entrada para ofrecer mayor capacidad de almacenamiento de gas en el centro de la tubería, pues esta será la fuente de las salidas de las mangueras la para la mezcla. La tubería utilizada para el acetileno tiene una longitud de 1 m, a esta se le distribuyen también las salidas del gas para la mezcla. El tubo se define con la medida de 1 m para reducir el riesgo que pueda producir el acetileno en INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 59 un contendor más grande, sin un diseño como el que normalmente usa un contenedor de este gas. ILUSTRACIÓN 3. TUBERÍA DE DISTRIBUCIÓN PARA OXÍGENO. FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA) ILUSTRACIÓN 4. TUBERÍA DE DISTRIBUCIÓN PARA ACETILENO FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 60 1.1.1.2. Diseño del oxidistribuidor Para el diseño del oxidistribuidor se tomó en cuenta el software Creo 3.0, el cual fue utilizado en materias de la ingeniería tales como resistencia de materiales y procesos de diseños Así, aprovechamos este conocimiento para realizar este elemento del proyecto. Para hacerlo, fue necesario el uso de aplicativos como curvas, líneas, proyecciones, colores y obstrucciones que permitieron la imagen tridimensional y así mismo la obtención de los planos, las simulaciones y el uso de diferentes materiales a necesidad. ILUSTRACIÓN 13. DISEÑO DEL OXIDISTRIBUIDOR EN CREO 2.0 Las medidas propuestas en el diseño para la base del oxidistribuidor, tuvieron algunas mejoras para brindar mayor comodidad y ligereza en el transporte de oxidistribuidor, además los contenedores de oxígeno y acetileno quedan a una altura mayor con respecto al suelo, básicamente buscando mejor ergonomía del operador y evitar que el contendor de acetileno sea golpeado fácilmente por algo al momento del transporte o de su INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 61 ubicación, Se realiza este entonces con una altura de 1.20 m. esto con el fin de brindar una altura promedia y de cómodo uso para los operadores Se tiene también así que existe un espacio suficiente para la acomodación de la tubería de los gases. Para la distribución de los puntos de salida de gas se tomó una amplitud de 1 m. esto nos brinda un espacio confortable y suficiente para ofrecer distribución y practica de segura de las salidas de cada uno de los gases. El frente de la base tiene un ancho de 0.4 m, ajustados plenamente para la tubería y las válvulas de entrada de gas al oxidistribuidor, sus medidas serán expuestas más adelante. En este paso se realizó una reducción considerable frente al planteamiento inicial, que las pruebas de temperatura y fichas de seguridad mostraron posibilidad y seguridad en el diseño. 1.1.1.2.1. Válvulas de paso Para los criterios de selección de los accesorios hidráulicos se debe tener en cuenta: Los valores normales y limites de presión que soporta el cuerpo de la válvula, dimensionamiento y capacidad de flujo, características de flujo, limites de temperatura, caudal de fuga, perdidas de presiones normales y cuando la válvula está cerrada, compatibilidad de los materiales con el oxigeno, costo y vida útil. Cada proveedor de válvulas suministra al usuario las tablas de selección en función de la aplicación. Para este caso uno de los puntos más relevantes son las características de flujos, ya que este define la relación caudal – apertura del elemento final de control cuando la caída de presión a través de la válvula se mantiene constante. En forma equivalente, la característica de flujo inherente es la relación entre coeficiente de flujo Cv y la apertura. Las características inherentes de flujo típicas son: lineal, igual porcentaje, parabólica y apertura rápida. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 62 Tabla 3. Recomendaciones para elegir la característica de flujo de válvulas de control en lazos de caudal, nivel y presión. (Varun, 2013), (Frans, 2014) Mediante un portal en internet que ofrece una gran variedad de diseños (Varun, 2013), (Frans, 2014) fueron encontradas las válvulas que sirven para realizar el ensamble del oxidistribuidor. La válvula (ver ilustración 14) principal de entrada de los gases tiene una INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 63 medida de 0.21 m esta es pues una medida comercial un con buena adaptabilidad con la tubería que se pretende utilizar ILUSTRACIÓN 14. VÁLVULA DE ENTRADA DE GAS EN EL OXIDISTRIBUIDOR FUENTE: (VARUN, 2013) La válvula de la salida de los gases (ver ilustración 15) tiene un diámetro menor, y un tamaño menor también en su forma, tiene además también un color diferente como es el rojo para indicar prevención, la válvula utilizada en esta aplicación es bastante común en el mercado y ofrece un alto rendimiento. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 64 ILUSTRACIÓN 55. VÁLVULA DE SALIDA DE GAS FUENTE: (FRANS, 2014) 1.1.1.3. Ensamble del oxidistribuidor Se realiza el ensamble de todas piezas involucradas en el anterior ítem, para este paso se utilizó entonces también la ayuda del software Creo 3.0, Los elementos que se ensamblan no son ajustados, no son roscados completamente, solo se presentan como quedaran uno sobre el otro, este ensamble tiene el ajuste y la semejanza con la realidad para futura construcción del oxidistribuidor. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 65 ILUSTRACIÓN 66. ENSAMBLE DEL OXIDISTRIBUIDOR. FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA) 1.1.1.4. Prueba de FEA. 1.1.1.4.1 Prueba para la base de oxidistribuidor Se realizan simulaciones para la base oxidistribuidor primero de resistencia en las bases donde se posicionaran los acumuladores de oxígeno y acetileno (Ver ilustración 17), se realiza la asignación de material para ejecutar las simulaciones, el material que se aplicó a este fue hierro (Fe 60), se nota entonces que las flechas verdes indican la fuerza que se está aplicando para debilitar la resistencia, esta fuerza es de 150 N, las flechas que se notan en azul son las que se proporcionan para la contrafuerza o el amarre de la base, estas fuerzas fueron aplicadas y se aplica la simulación en FEA. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 66 Ilustración 17. Aplicación de fuerzas a la base del oxidistribuidor. Fuente (Elaboración propia) Cuando se quieren entregar los resultados de los análisis es necesario especificar el tipo de estudio que se desea realizar para el oxidistribuidor, los cuales no se puede realizar para todos las funciones que ofrece Creo simulation (ver ilustración 18), en esta ventana se despliegan varias opciones y comandos los cuales permiten realizar el inicio o parada de la simulación, la lectura de los resultados según la forma que se quieran ver estos y otra información utilizada para los resultados que se entregan después de la simulación. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 67 ILUSTRACIÓN 18. PRUEBA DE RESISTENCIA A LA BASE UTILIZANDO FEA FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA) ILUSTRACIÓN 78. PRUEBA DE RESISTENCIA A LA BASE UTILIZANDO FEA FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA) INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 68 Se nota (ver ilustración 18) que los colores de la base se forman más oscuros en la parte superior donde esta aplicada la mayor fuerza que soportara el oxidistribuidor, la cual se calculó con el peso de cada uno de los contendores utilizados en el prototipo de CRYOGAS, se nota que la base tiene una gran resistencia a la aplicación de fuerzas. ILUSTRACIÓN 18. PRUEBA DE RESISTENCIA A LA BASE UTILIZANDO FEA FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA). Se realiza una prueba de desplazamiento también (ver ilustración 18), donde se muestra el mayor desplazamiento que se generara en la estructura teniendo la misma fuerza aplicada de 150N sobre las bases de los contenedores, estas pruebas muestran resultados similares a los de las fuerzas verticales ya que las mayor fuerzas se soportaran en la parte superior. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 69 ILUSTRACIÓN 18. PRUEBA DE RESISTENCIA A LA BASE UTILIZANDO FEA FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA) En la ilustración 18 se muestra tres ilustraciones en la cuales se muestra en la primera la flexibilidad que tendrá la base cuando la fuerzas se apliquen a esta, en la segunda muestra el mayor punto de apoyo en la parte del contenedor de acetileno y en la tercera muestra los puntos que serán más críticos a la aplicación de la fuerza de 150 N. 1.1.1.4.1 Prueba para la tubería del oxidistribuidor Para la tubería se realizan pruebas de resistencia y de temperatura, con las cuales se pretende analizar la resistencia de los contenedores con los cuales serán utilizados sin las válvulas por situaciones anteriormente nombradas, las fuerzas se aplican en la entrada y salida de los contenedores, tenemos el color verde distintivo para el oxígeno y amarillo distintivo para el acetileno. La aplicación de fuerzas para el contenedor (ver ilustración 19) de oxigeno tiene su punto de apoyo (puntos azules) en el cuerpo principal del contenedor, las fuerzas aplicadas de resistencia con 120N se aplican en la entrada y las 6 salidas del contenedor. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 70 ILUSTRACIÓN 19. PRUEBA DE RESISTENCIA EN LA TUBERÍA DE OXIGENO UTILIZANDO FEA FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA). De la prueba de las fuerzas aplicadas de 150 N a la tubería anterior se obtiene que (ver ilustracion19) el punto de resistencia es el cuerpo principal y las fuerzas se aplican a las tuberías en las salidas y la entrada, se nota entonces que el punto mayor de la resistencia se aplica en la entrada de la tubería, la medida de desplazamiento se marca en mm. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 71 ILUSTRACIÓN 8 PRUEBA DE RESISTENCIA EN LA TUBERÍA DE OXIGENO UTILIZANDO FEA FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA). ILUSTRACIÓN 19. PRUEBA DE RESISTENCIA EN LA TUBERÍA DE OXIGENO UTILIZANDO FEA FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 72 1.1.1.4.1. Prueba de FEM con temperatura Utilizando creo simulation 3.0, se realizan pruebas de calor, sin tener muchas variaciones y se define que el equipo puede trabajar a temperaturas ambiente que alcancen los 100 °C y no va a presentar ningún problema, (ver ilustración 20) a las que posiblemente estará expuesta la estructura durante la operación del oxidistribuidor, se toman también como referencias, las temperaturas de experiencia con el trabajo que se ha realizado antes con el prototipo del oxidistribuidor y nunca presento problemas conocidos. ILUSTRACIÓN 20. PRUEBAS CON EXPOSICIÓN DE CALOR USANDO FEA FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA). Se muestra en la (ver ilustración 20) diferentes puntos de calor para hacer el estudio del comportamiento de la estructura a los cambios de temperatura. Se observa que los cambios son mínimos. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 73 1.1.1.4.2. Prueba de FEM con aplicación de fuerzas Se aplican diferentes tipos de fuerzas (ver ilustración 21) equivalentes a los pesos que soportara la base cuando se esté utilizando el oxidistribuidor, estas fuerzas son aplicadas en cada punto de la estructura para observar el comportamiento. Esta prueba se realiza para garantizar simplemente que la base puede soportar el peso de los cilindros, las válvulas y las mangueras que se conecten para el uso del oxidistribuidor, con el prototipo original de la empresa CRYOGAS se conoció un daño en el soporte ya que se fisura el material y se le atribuyo este daño al peso generado por los equipos, sin conocer más detalles. ILUSTRACIÓN 21. APLICACIÓN DE FUERZAS EN LA BASE FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA). INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código Versión Fecha 74 ILUSTRACIÓN 21. PRUEBA DE APLICACIÓN DE FUERZAS A LA TUBERÍA. FUENTE: (ELABORACIÓN PROPIA). 1.1.1.4.3. Prueba de FEM con aplicación de mallas. Con este método de mallas (ver ilustración 22 se logra conocer puntos en la estructura donde se presenta mayor esfuerzo y mayor resistencia a la oposición de fuerzas que interferirán en la unión de las partes de