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CALCULO Y DISEO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE PETROLEO SEGN LA NORMA API-650

CURSO: MAQUINARIA INDUSTRIALINTEGRANTES

CARHUANCHO HINOSTROZA RONALD 052104-BESPEJO OCAMPO JONATHAN052843-JVALERIO HUICHO MOISES052853-E

FECHA: 15 de setiembre del 2010CALCULO Y DISEO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE PETROLEO

INTRODUCCIN.-En la industria petrolera, petroqumica y otras industrias son utilizados distintos tipos de recipientes para almacenar una gran variedad de productos como: crudo y sus derivados, butano, propano, glp, solventes, agua, etc.

CONCEPTOS USADOS EN EL DISEO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO.BOQUILLA: Orificio practicado en un tanque para la entrada y/o salida de un fluido o la instalacin de un instrumento de medicin, generalmente son bridadas o roscadas.BRIDAS: Accesorio para acoplamiento de tuberas, que facilita el armado y desarmado de las mismas.PLACA ANULAR DEL FONDO: Son las placas de la periferia del fondo sobre las que se suelda el anillo inferior del tanque en todo su permetro.CARGA HIDROSTTICA: La presin ejercida por un lquido en reposo.CARGA MUERTA: La fuerza debida al peso propio de los elementos a considerar.CARGA VIVA: La fuerza ejercida por cuerpos externos, tales como: nieve, lluvia, viento, personas y/o objetos en trnsito, etc.PRESIN DE OPERACIN: Presin manomtrica a la cual estar sometido el tanque en condiciones normales de trabajo.

PRESIN DE PRUEBA: Valor de la presin manomtrica que sirva para realizar la prueba hidrosttica o neumtica.TIPOS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO.Los tanques de almacenamiento son generalmente construidos en base de componentes metlicos capaces de almacenar fluidos de manera eficiente. Estos tanques, se pueden clasificar segn:

Por su construccin

Por su forma

Por su capacidad

POR SU CONSTRUCCION:

EMPERNADOS: Son construidos en plantas de produccin donde cuya actividad sea temporal y se necesite el desmantelamiento, que debe ser de un fcil proceso.

SOLDADOS: Estos tanques son de mayor capacidad de almacenamiento, adems de tener la gran ventaja de que las juntas de las planchas soldadas son permanentes, esto nos quiere decir que evita fugas, que se produciran en los tanques unidos a pernos.POR SU FORMA:

CILINDRICOS: Son especiales puesto sirven para el almacenamiento de combustibles como el petrleo que se recolecta a presiones cercanas a la atmosfrica

ESFERICOS: Son usados para el almacenamiento de productos ligeros como gasolina, propano, butano.POR SU CAPACIDAD:

CILINDRICOS HORIZONTALES: Generalmente son de volmenes relativamente bajos, debido a que presentan problemas por fallas de corte y flexin. Por lo general, se usan para almacenar volmenes pequeos

CILINDRICOS VERTICALES: permiten almacenar grandes cantidades volumtricas con un costo bajo. Con la limitante que solo se pueden usar a presin atmosfrica o presiones internas relativamente pequeasCODIGOS APLICABLES AL DISEO DE TANQUESAISC American Institute of Steel Construction (Instituto Americano de Construcciones de Acero).API American Petroleum Institute (Instituto Americano del Petrleo).ASME American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos).ASTM American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales).AWS American Welding Society (Sociedad Americana de Soldadura).CSA Canadian Standards Association (Asociacin Canadiense de Normalizacin).El estndar A.P.I. 650 se cumple para:

Aquellos tanques en los cuales se almacenan fluidos lquidos. Tanques construidos de acero con el fondo uniformemente soportado por una cama de arena, grava, concreto, asfalto, etc. Tanques diseados para soportar una presin de operacin atmosfrica o presiones internas que no excedan el peso del techo por unidad de rea y una temperatura de operacin no mayor de 93 C (200 F). Tanques que no se usen para servicios de refrigeracin.

Este estndar A.P.I. 650 cubre el diseo y clculo del tanque.

A continuacin, mostramos la tabla 1.1 con los diferentes requerimientos de diversos estndares para la fabricacin de tanques de almacenamiento.TABLA 1.1 REQUERIMIENTOS DE DIVERSOS ESTNDARES PARA TANQUES DE FONDO PLANO.

NS = Sin Especificacin CA = Corrosin Permisible RT = Temperatura AmbienteMATERIALES A EMPLEAR EN TANQUES DE ALMACENAMIENTOPara el mejor diseo, clculo y manufactura de tanques de almacenamiento es importante seleccionar el material adecuado dentro de la variedad de aceros que existen en el mercado, por lo que a continuacin listamos los materiales ms usados con su aplicacin.A-36.- ACERO ESTRUCTURAL.

Slo para espesores iguales o menores de 38 mm. (1 1/2 pulg.). Este material es aceptable y usado en los perfiles, ya sean comerciales o ensamblados de los elementos estructurales del tanque.A-131.- ACERO ESTRUCTURAL.

GRADO A para espesor menor o igual a 12.7 mm (1/2 pulg.)GRADO B para espesor menor o igual a 25.4 mm. (1 pulg.)GRADO C para espesores iguales o menores a 38 mm. (1-1/2 pulg.)GRADO EH36 para espesores iguales o menores a 44.5 mm. (1-3/4 pulg.)A-283.- PLACAS DE ACERO AL CARBN CON MEDIO Y BAJO ESFUERZO A LA TENSIN.

GRADO C Para espesores iguales o menores a 25 mm. (1 pulg.).Este material es el ms socorrido, porque se puede emplear tanto para perfiles estructurales como para la pared, techo, fondo y accesorios del tanque.A-285.- PLACA DE ACERO AL CARBN CON MEDIO Y BAJO ESFUERZO A LA TENSIN.

GRADO C Para espesores iguales o menores de 25.4 mm. (1 pulg.). Es el material recomendable para la construccin del tanque (cuerpo, fondo, techo y accesorios principales), el cual no es recomendable para elementos estructurales debido a que tiene un costo relativamente alto comparado con los anteriores. A-516.- PLACA DE ACERO AL CARBN PARA TEMPERATURAS DE SERVICIO MODERADO.

GRADOS 55, 60, 65 y 70. Para espesores iguales o menores a 38mm. (1-1/2 pulg.). Este material es de alta calidad y, consecuentemente, de un costo elevado, por lo que se recomienda su uso en casos en que se requiera de un esfuerzo a la tensin alta, que justifique el costo.A- 53.- GRADOS A Y B. Para tubera en general.

A-106.-GRADOS A Y B. Tubos de acero al carbn sin costura para servicios de alta temperatura. En el mercado nacional, es fcil la adquisicin de cualquiera de estos dos materiales, por lo que puede usarse indistintamente, ya que ambos cumplen satisfactoriamente con los requerimientos exigidos por el estndar y la diferencia no es significativa en sus propiedades y costos.

A-105.- FORJA DE ACERO AL CARBN PARA ACCESORIOS DE ACOPLAMIENTO DE TUBERAS.

A-181.- FORJA DE ACERO AL CARBN PARA USOS EN GENERAL.

A-193.- GRADO B7. Material para tornillos sometidos a alta temperatura y de alta resistencia, menores a 64mm. (2-1/2 (pulg.), de dimetro.

A-194.- GRADO 2H. Material para tuercas a alta temperatura y de alta resistencia.

A-307.- GRADO B. Material de tornillos y tuercas para usos generales.

MATERIALES PARA SOLDADURA:

Para el soldado de materiales con un esfuerzo mnimo a la tensin menor de 5625 Kg /cm2 (80000 lb/pulg2), los electrodos de arco manual deben estar hechos de materiales cuya clasificacin sea AWS: E-60XX y E70XX.

Para el soldado de materiales con un esfuerzo mnimo a la tensin de: 5625- 5976 Kg /cm2 (80000-85000 lb/pulg2), el material del electrodo de arco manual debe ser E80XX-CX.

Tambin podrn ser usados otros materiales que sean recomendados por otros Estndares, Cdigos o Normas como: A.S.T.M.; A.P.I., CSA.

DISEO Y CALCULO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE COMBUSTIBLE SEGN LA NORMA API 650

CONSIDERACIONES USADAS EN EL DISEOPara el diseo y clculo de tanques de almacenamiento, el usuario deber proporcionar los datos y la informacin necesaria para llevar a cabo el proyecto. La informacin mnima requerida (condiciones de operacin y de diseo) es: volumen, temperatura, peso especfico del lquido, corrosin permisible, velocidad del viento, coeficientes ssmicos de la zona, etc. Dado que es el que conoce con exactitud las caractersticas tanto del fluido que desea almacenar y el lugar donde se ha de instalar dicho tanque, por lo que el fabricante no deber suponer estas condiciones, y si as fuera, el fabricante tiene la obligacin de informar al usuario, quien tiene la responsabilidad de autorizar o no las condiciones expuestas por la compaa constructora.El sobre espesor por corrosin que especificar el usuario se incluir en cuerpo, fondo, techo y estructura, y slo se agrega al final del clculo de cada uno de los elementos del tanque, debido a que la agresividad qumica no es lo mismo para el fluido en estado lquido o gaseoso y en algunos casos hasta para los lodos.

El usuario podr especificar el material a utilizar en el tanque, as como el de sus componentes. El fabricante y/o diseador podr sugerir los materiales recomendables en cada caso para que el usuario los apruebe.

El fabricante tiene la obligacin de cumplir con todas las especificaciones y Normas que marca el estndar y que acuerde con el usuario, las cuales sern supervisadas y evaluadas por el personal que designe el usuario.1.- DISEO DEL FONDOEl diseo del fondo de los tanques de almacenamiento depende de las siguientes consideraciones:

Los cimientos usados para soportar el tanque, el mtodo que se utilizar para desalojar el producto almacenado, el grado de sedimentacin de slidos en suspensin, la corrosin del fondo y el tamao del tanque. Lo que nos conduce al uso de un fondo plano, donde la resistencia permisible del suelo deber ser por lo menos de 1,465 Kg/cm2 (3,000 lb/pie2).

Los fondos de tanques de almacenamiento cilndricos verticales son generalmente fabricados de placas de acero con un espesor menor al usado en el cuerpo. Esto es posible para el fondo, porque se encuentra soportado por una base de concreto, arena o asfalto, los cuales soportarn el peso de la columna del producto; adems, la funcin del fondo es lograr la hermeticidad para que el producto no se filtre por la base.Tericamente, una placa delgada de metal calibre 16. (1.52) o menor es capaz de soportar la flexin y la carga de compresin que se genera en la periferia del fondo por el peso del cuerpo que descansa sobre esta seccin, pero para prevenir deformaciones al soldar, se usarn placas que tengan un espesor mnimo nominal de 6.3mm. (1/4 pulg.), 49.8 Kg/m2 (10.2 lb/pie2) excluyendo cualquier corrosin permisible especificada por el usuario.

El fondo tendr que ser de un dimetro mayor que el dimetro exterior del tanque, por lo menos, 51mm. (2 pulg.) ms en el ancho del filete de soldadura de la unin entre cuerpo y el fondo. Las placas con las que se habilite el fondo debern tener preferentemente un ancho de 1,829mm. (72 pulg.) con una longitud comercial que el fabricante obtenga en el mercado, la cual pueda manejar en su taller o en campo sin problemas.El cuerpo del tanque puede estar soportado directamente por el fondo o por una placa anular.

Generalmente los fondos se forman con placas traslapadas, esto se hace con el fin de absorber las deformaciones sufridas por el fondo si las placas fueran soldadas al tope.

Cuando se requiere el uso de la placa anular, sta deber tener un ancho radial (en cm.) de acuerdo a lo que indique la frmula siguiente, pero no menor de 610mm. (24 pulg.) entre el interior del tanque y cualquier cordn de soldadura, dejando de proyeccin exterior 51mm. (2 pulg.).DONDE:tb = Espesor de la placa anular (cm.).H = Nivel mximo de diseo del lquido (cm.).G = Densidad relativa del lquido a almacenar (en ningn caso menor de 1).El espesor de la placa anular no ser menor al listado en la tabla 1.2 ms la corrosin permisible especificada.

La forma exterior de la placa anular debe ser circular y por el interior tendr la forma de un polgono regular con el nmero de lados igual a la cantidad de segmentos que conforman el anillo.

Tabla 2.1 Espesor mnimo del fondo y placa anular (milmetros)

Figura 8.5 Mtodo de preparacin de las placas traslapadas del fondo, debajo de la envolvente del tanque

Unin placas del fondo.Figura 8.4.- Tipos de juntas en el fondo y en el techo.Notas:Los espesores especificados en la tabla son los indicados y estn basados en una cimentacin que proporcione un soporte uniforme debajo de toda la placa anular. La cimentacin debe estar bien compactada para evitar esfuerzos adicionales en la placa anular.El espesor nominal de la placa est en referencia a la construccin del tanque. El espesor especificado est basado en los requerimientos de ereccin.

El tamao de las placas y la localizacin de los cortes de las mismas se determinan mediante el siguiente procedimiento:CONSIDERACIONES USADAS EN EL DISEO

CALCULO DEL DIAMETRO Y ALTURA DEL TANQUEPara tanques grandes y por consideracin de costo se suele utilizar la siguientes relaciones:

DISEO Y CALCULO DEL CUERPOSegn norma API 650:

El espesor requerido del casco ser el espesor mayor de los espesores de diseo del casco, incluyendo cualquier tolerancia de corrosin, o del espesor del casco con pruebas hidrostticas; pero los espesores del casco no debern ser menores que los valores siguientes:

CLCULO DE ESPESORES DEL CUERPO POR MEDIO DEL MTODO DEL PIE.-Para este mtodo, se considera una seccin transversal ubicada a 304.8 mm. (1 pie) por debajo de la unin de cada anillo.Este mtodo slo es aplicable en tanques con un dimetro igual o menor a 60,960m. (200pies).

Se tienen las relaciones:

Espesores por condiciones de hidro-estaticasEspesor por prueba diseo (mm).CLCULO DEL ESPESOR DEL CUERPO POR EL MTODO DE PUNTO DE DISEO VARIABLE.Este mtodo se usa cuando el usuario no especifica el uso del mtodo de un pie, y adems que el tanque tenga un dimetro mayor de 60.960 m (200 pies), teniendo en cuenta que se cumpla con la siguiente relacin:

Donde:

Dimetro nominal del tanque (m)t = Espesor del anillo inferior (mm)H =Nivel de diseo del lquido (m)

Primero se calcula el espesor por condicin de diseo (pd t ) y el de prueba hidrosttica (pt t ), para el primer anillo con las frmulas del mtodo de un pie; posteriormente se determinan los espesores del mismo anillo, para condiciones de diseo ( ld t ) y de prueba hidrosttica ( lt t ) con las siguientes frmulas:

Para obtener el espesor del segundo anillo por condiciones de diseo y de prueba hidrosttica, se calcula la siguiente relacin para el anillo inferior.

h1 =Altura del anillo inferior (cm.).r = Radio nominal del tanque (cm.).t1 = Espesor del anillo inferior excluyendo la corrosin permisible (cm.), usado para clculo t2. Para calcular t2 por condiciones de prueba hidrosttica se puede usar el espesor total t1 incluyendo la corrosin permisible. Si el valor de la relacin es menor o igual que 1.375 entoncest 1= t2

Si el valor de la relacin es mayor o igual a 2.625 entonces:

Si el valor de la relacin es mayor de 1.375 pero menor a 2.625 entonces:

t2 = Espesor mnimo por condiciones de diseo del segundo anillo,descartando cualquier corrosin permisible (cm.).t2a = Espesor del segundo anillo (cm.) usado para calcular el espesor del siguiente anillo.Como se mencion anteriormente, los tanques de almacenamiento pueden clasificarse por el tipo de cubierta en:

1. De techos fijos: (De cono, domo y sombrilla) Soportados (mediante estructura) Auto soportados (para el caso de techos cnicos de tanques de gran dimetro).

De techos flotante.

Los techos son diseados para soportar una carga viva de por lo menos, 1.76Kg/cm2 (25lb /pie2), ms la carga muerta ocasionada por el mismo.Las placas del techo tendrn un espesor mnimo nominal de 4.7 mm.(3/16 pulg.) o lmina calibre 7.

Todos los miembros estructurales internos y externos de techos soportados tendrn un espesor mnimo nominal de 4.32 mm. (0.17 pulg.) en cualquier componente de estos. 4.-DISEO Y CLCULO DEL TECHOTECHO CONICO AUTOSOPORTADO:

son empleados en tanques relativamente pequeos. Este consiste en un cono formado de placas soldadas a tope.

Estos techos son diseados y calculados para tanques que no exceden de un dimetro de 18,288mm. (60 pies), pero es recomendable fabricar estos en un dimetro mximo de 12,192mm (40 pies)

Los techos cnicos auto soportados tendrn como mximo una pendiente de 9:12 (37), y como mnimo 2:12 (9.5), con respecto a la horizontal.El espesor estar determinado por la siguiente expresin, pero no deber ser menor de 4.76 mm. (3/16 pulg.), y no mayor de 12.7 mm. (1/2 pulg.).

Tt = Espesor mnimo requerido (cm.).D = Dimetro medio del tanque (cm.). = ngulo con respecto a la horizontal (grados).

Este espesor ser incrementado en la siguiente relacin, cuando la suma de las cargas muertas ms las cargas vivas excedan 220 Kg /m (45 lb /pie), ms cualquier corrosin permisible.

DONDE:

Cm = Carga muerta (Kg/m2).Cv = Carga viva (Kg /m2).

Para este tipo de techos, se recomienda un espesor de 4.76 mm. (3/16pulg.) a 9.52 mm. (3/8 pulg.), y en base a estos espesores se obtiene la pendiente ms conveniente

El armado del techo sigue los mismos requerimientos y procedimientos que el fondo.

DONDE:D = Dimetro de asientos del cono (cm.).r = D/2R = Radio del disco o hipotenusa del cono (cm.). = Angulo del cono con respecto a la horizontal (grados). = Angulo de corte del disco

Estos techos por sus dimensiones son armados al nivel del piso, para posteriormente ser levantados y colocados sobre el tanque, lo cual puede ser por sectores o totalmente armado.

TECHO TIPO DOMO Y SOMBRILLA:

se caracterizan por ser un casquete esfrico el cual est formado por placas soldadas a traslape o a tope. Los techos de tipo sombrilla son una variedad del tipo domo el cual solo conserva el abombado sobre el eje vertical ya que sobre el eje circunferencial tiene semejanza con el tipo cnicoSe fabrican a partir de gajos para facilitar el abombado de las placas.Este tipo de tapas debern estar diseadas bajo los siguientes requerimientos:

DONDE:

tt = Espesor mnimo requerido (cm.) no menor de 4.76 mm. (3/16 pulg.), no mayor de 12.7 mm. (1/2 pulg.).D = Dimetro nominal del cuerpo del tanque (cm.). rr = Radio de abombado del techo (cm.) Radio mnimo rr = 0.8 D (a menos que el usuario especifique otro radio).Radio mximo rr = 1.2 D

Cuando la suma de las cargas muertas ms las cargas vivas exceda 220 Kg /cm2 (45 lb/pie2), el espesor mnimo deber ser incrementado en la relacin mencionada anteriormente ms cualquier corrosin permisible, usando el mismo procedimiento que para techos cnicos auto soportados.TECHOS CONICOS SOPORTADOS:

Se usan generalmente para tanques de gran dimetro, soportadas por una estructura, compuesta de columnas, trabes y largueros. Las trabes formarn polgonos regulares mltiplos de cinco y en cada arista de estos se colocar una columna.

Las juntas de las placas del techo estarn soldadas a traslape por la parte superior con un filete continuo a lo largo de la unin, la cual tendr un ancho igual al espesor de las placas. La soldadura del techo, con el perfil de coronamiento, se efectuar mediante un filete continuo de 4.76mm. (3/16 pulg.) o menor si la especifica el usuario.

La pendiente del techo deber ser de 6.35 en 304.8mm. (1/4 en 12 pulg.) o mayor si lo especifica el usuario, pero lo recomendable es una pendiente de 19 en305mm. (3/4 en 12 pulg.) menor si la especifica el usuario.

Las columnas para soportar la estructura del techo se seleccionan a partir de perfiles estructurales, o puede usarse tubera de acero. La base de la misma ser provista de topes soldados al fondo para prevenir desplazamientos laterales.ESFUERZOS PERMISIBLES:Todas las partes de la estructura sern dimensionadas con base a los clculos hechos de acuerdo a la suma de los esfuerzos estticos y dinmicos mximos, los cuales no debern exceder los lmites especificados en la AISC (Specification for Structural Steel Buildings) o por el cdigo de diseo del pas donde se construya el tanque:ESFUERZO MXIMO DE TENSIN:

Para placas roladas en su seccin neta, 1,406 Kg /cm2 (20,000lb/pulg2).Para soldadura con penetracin completa en reas de placa delgada, 1266 Kg /cm2 (18000 lb/pulg2).Esfuerzo Mximo de Compresin.Para acero rolado, donde se previene la flexin lateral, 1,406 Kg/cm2 (20,000 lb/pulg2).Para soldadura con penetracin completa en reas de placa delgada 1,406 Kg /cm2 (20,000 lb/pulg2).Para columnas en su rea de seccin transversal, cuando L/r < 120 (segn AISC).

Cuando:Cc L / r 120

DONDE:

Cma = Compresin mxima permisible ( Kg / cm2 ).Cd = Esfuerzo de cedencia ( Kg / cm2).Cc = Relacin de esbeltez limite = E = Mdulo de seccin ( Kg/cm2)L = Longitud sin apoyo de la columna (cm).r = Menor radio de giro de la columna mnimo (cm).Cs= Coeficiente de Seguridad entre 1.67 y 1.92ESFUERZO MXIMO DE CORTE:Para soldaduras de filetes, tapones, ranuras, penetracin parcial, el esfuerzo permitido en el rea de la garganta ser como mximo de 956 Kg /cm2 (13,600 lb/pulg2).En el rea del espesor de alma de vigas y trabes donde el peralte del alma de la viga no sea mayor de 60 veces el espesor de esta o cuando el alma es adecuadamente reforzadas, el esfuerzo no debe exceder de 914 Kg/cm2 (13,000 lb/pulg2). En el rea del espesor de las almas de vigas y trabes que no estn reforzadas o que el peralte del alma de la viga es ms de 60 veces al espesor de esta, el mayor promedio de corte permitido (V/A) ser calculado como sigue:

DONDE:

V = corte total (Kg.).A= rea del alma (cm.).h = Distancia o claro entre almas de vigas (cm.).t = Espesor del alma (cm.).

CALCULO DE VIGAS CON CARGA UNIFORME REPARTIDA

Una viga continua con carga uniforme tiene varios apoyos como la consideracin en la figura 2.1 Se considera una seccin de viga continua con igual espaciamiento (1), un momento Mo existe sobre los soportes.

Momento mximo con carga uniforme y extremos fijos

Momento mximo en el centro de claro donde X =1/2

Flexin mxima en x =

API establece que el espacio mximo entre largueros no ser mayor que 0.6 m [2 ft (6.28 ft)] en el permetro exterior del tanque, y en anillos interiores una separacin mxima de 1.7 m (5 ft).Para nuestro caso la longitud de circunferencia del tanquePara recipientes de gran dimetro, el claro del larguero es reducido mediante trabes soportadas en sus extremos por columnas, formando polgonos regulares. Estas trabes concurren en el centro y limitan su longitud por:(L/b > 13, L/b