Diseño de un banco de pruebas hidrostáticas basado en la norma ASME BPVC, para validar la presión de diseño de 500 PSI en la minera Quellaveco

Abstract

La presente tesis tiene como objetivo diseñar un banco de pruebas hidrostáticas con una presión de diseño de 500 psi, conforme a la norma ASME BPVC Sección VIII, División 1. El propósito es garantizar la seguridad y confiabilidad en la evaluación de líneas de tuberías de gran diámetro, como las utilizadas en operaciones mineras, reduciendo riesgos para trabajadores, medio ambiente y equipos. La investigación es de tipo aplicada, con enfoque cuantitativo, nivel descriptivo y diseño experimental. La hipótesis plantea que un diseño basado en la normativa ASME asegura la resistencia mecánica y la operación segura del banco. Se determinaron teóricamente los espesores mínimos de la carcasa, boquillas y refuerzos, empleando materiales como SA-106 Grado B, API 5L-X60 PSL2 y SA-537 Clase 2, mejorando la geometría según criterios de eficiencia estructural. El diseño fue modelado en SolidWorks y validado mediante análisis por elementos finitos (FEA). Incluso bajo una sobrepresión de 600 psi, los esfuerzos no superaron los límites de fluencia de los materiales, confirmando su integridad estructural. Asimismo, se seleccionaron componentes principales como la bomba de pistón, motor, variador de frecuencia, sensores y registrador de datos, considerando condiciones de presión, temperatura y altitud. Finalmente, se desarrolló un esquema de diseño y montaje que puede servir como referencia para futuros proyectos similares. Los resultados validan la viabilidad técnica del banco de pruebas, cumpliendo con los requisitos de la norma y garantizando su desempeño seguro en condiciones reales de operación.

This thesis aims to design a hydrostatic test bench with a design pressure of 500 psi, in compliance with the ASME BPVC Section VIII, Division 1 standard. The purpose is to ensure safety and reliability in the evaluation of large-diameter pipeline systems, such as those used in mining operations, reducing risks to workers, the environment, and equipment. The research is applied in nature, with a quantitative approach, descriptive level, and experimental design. The hypothesis states that a design based on ASME standards ensures the mechanical strength and safe operation of the test bench. Theoretical calculations were carried out to determine the minimum thicknesses of the shell, nozzles, and reinforcements, using materials such as SA-106 Grade B, API 5L-X60 PSL2, and SA-537 Class 2, optimizing the geometry according to structural efficiency criteria. The design was modeled in SolidWorks and validated through finite element analysis (FEA). Even under an overpressure of 600 psi, the stresses did not exceed the yield limits of the materials, thus confirming the structural integrity. Additionally, the main components such as the piston pump, motor, variable frequency drive, sensors, and data recorder, were selected considering pressure, temperature, and altitude conditions. Finally, a design and assembly scheme was developed, which can serve as a reference for future similar projects. The results confirm the technical feasibility of the test bench, meeting standard requirements and ensuring safe performance under real operating conditions.