ANÁLISIS ESTRUCTURAL EN LA JUNTA TECHO- ENVOLVENTE DE...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

ANÁLISIS ESTRUCTURAL EN LA JUNTA TECHO-ENVOLVENTE DE TANQUES ATMOSFÉRICOS DE

ALMACENAMIENTO DE CRUDO DE 560 BARRILES.

T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA P R E S E N T A: Ing. Alejandro Marquina Chávez

Director de Tesis: Dr. José Martínez Trinidad.

México DF., Octubre del 2006.

TESIS DE MAESTRÍA

ÍNDICE ÍNDICE ..................................................................................................................................................................................................... II ÍNDICE DE TABLAS .............................................................................................................................................................................. IV ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................................................................. V SIMBOLOGÍA......................................................................................................................................................................................... VI SIMBOLOGÍA......................................................................................................................................................................................... VI RESUMEN ............................................................................................................................................................................................ VII ABSTRACT .......................................................................................................................................................................................... VIII INTRODUCCIÓN. ....................................................................................................................................................................................1 OBJETIVO................................................................................................................................................................................................3 JUSTIFICACIÓN. .....................................................................................................................................................................................3 CAPÍTULO 1................................................................................................................................................................................3 GENERALIDADES SOBRE TANQUES ATMOSFÉRICOS DE ALMACENAMIENTO. ...........................................................................3

1.1 ¿Qués el Petróleo (Crudo)?. ...............................................................................................................................................4 1.1.1. La Importancia del Petróleo......................................................................................................................................4 1.1.2. Definición. .................................................................................................................................................................4 1.1.3. Características..........................................................................................................................................................4 1.1.4. Origen del Petróleo (Crudo)......................................................................................................................................5 1.1.5. Clásificación del Petróleo (Crudo). ...........................................................................................................................6 1.1.6. Producción del Petróleo (Crudo). .............................................................................................................................8

1.2 ¿Cómo funciona un Tanque Atmosférico de Almacenamiento de Crudo?. ........................................................................9 1.3 Importancia del Almacenamiento. (Estadísticas). .............................................................................................................12 1.4 Clasificacion General de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento (TAA). ..................................................................13 1.5 Materiales Utilizados para la Construcción de Tanques de Atmosféricos de Almacenamiento........................................14 1.6 Procesos de Contrucción de un Tanque Atmosférico de Almacenamiento. .....................................................................20 1.7 Tipos de Fallas. .................................................................................................................................................................24 1.8 Normatividad. ....................................................................................................................................................................26

1.8.1. Norma API-650. ......................................................................................................................................................26 1.8.2. Norma BS 2654. .....................................................................................................................................................27

1.9 Planteamiento del Problema. ............................................................................................................................................28 1.10 Plan de Trabajo. ................................................................................................................................................................29

1.10.1. Método Científico...............................................................................................................................................29 1.11 Referencias. ......................................................................................................................................................................31

CAPÍTULO 2..............................................................................................................................................................................32 ANÁLISIS DE ESFUERZOS ENFOCADOS AL CASO DE ESTUDIO...................................................................................................32

2.1 Diseño de la Envolvente del Tanque de Almacenamiento................................................................................................33 2.2 Esfuerzos en Recipientes Cilindricos Soldados. ...............................................................................................................34

2.2.1. Análisis de Esfuerzos Circunferenciales.................................................................................................................35 2.2.2. Análisis de Esfuerzos longitudinales. .....................................................................................................................36

2.3 Diseño de la Envolvente de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo. ........................................................37 2.3.1. Diseño de Placas de la Envolvente del Tanque. ....................................................................................................37

2.3.1.1. Cálculos para el Diseño de Espesores de la Envolvente, según API 650. ..................................................38 2.3.1.2. Análisis de los Espesores de Diseño de la Envolvente (Propuesta)............................................................40

2.4 Diseño del Techo la Envolvente de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo. ............................................42 2.4.1. Tipos de Techo. ......................................................................................................................................................42 2.4.2. Diseño del Espesor de la Placa del Techo. ............................................................................................................43

2.4.2.1. Área de Compresión Requerida...................................................................................................................44 2.4.3. Junta de Techo Frágil (Frangible Joint). .................................................................................................................47

2.4.3.1. ¿Qué es un Techo Frágil?............................................................................................................................47 2.4.3.2. ¿Por qué es necesario una Junta Frágil? ....................................................................................................48 2.4.3.3. Criterios para la selección de una Junta Frágil ............................................................................................48 2.4.3.4. Limitaciones de la Fragilidad del Techo. ......................................................................................................48

Análisis de Falla en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo de 560 Barriles II

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2.5 Placas del Fondo de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo. ...................................................................50 2.6 Presión Interna de Diseño, Máxima y de Falla en Tanques de Almacenamiento.............................................................51 2.7 Referencias. ......................................................................................................................................................................53

CAPÍTULO 3..............................................................................................................................................................................49 DISEÑO ANALÍTICO Y NUMÉRICO......................................................................................................................................................49

3.1 Aspectos Generales. .........................................................................................................................................................50 3.1.1 Programa MathCad®. ..................................................................................................................................................50

3.2 Cálculos de Diseño del Espesor de la Envolvente............................................................................................................51 3.2.1 Teoría de Falla (Von Mises).........................................................................................................................................51 3.2.2 Método de “One Foot” (API-650/1998). .......................................................................................................................53 3.2.3 Método del “Apéndice A” (API-650/1998). ...................................................................................................................57 3.2.4 Método del “Punto Variable” (API-650/1998, BS 2645). ..............................................................................................59 3.2.5 Propuesta del Proyecto de Tésis (basado en el método de “One Foot”).....................................................................67

3.3 Cálculos de Diseño del Espesor del Techo.......................................................................................................................69 3.3.1 Cálculo del Area de Compresión Requerida para la Junta Techo – Envolvente (API 650). ........................................69 3.3.2 Cálculo de la Presión Interna de Diseño, la Presión Máxima y la Presión de Falla.....................................................74

3.4 Modelado del Problema por el Analisis del Elemento Finito (ANSYS®). ...........................................................................75 3.4.1 Planeación del modelo de la estructura. ......................................................................................................................75 3.4.2 Elección de los elementos a utilizar en este análisis. ..................................................................................................76

3.4.2.1. Elemento: “PLANE2 - 2-D 6-Node Triangular Structural Solid”....................................................................77 3.4.3 Presión Interna de Diseño en el Tanque. ....................................................................................................................80 3.4.4 Presión Máxima en el Tanque. ....................................................................................................................................80

3.5 Referencias. ......................................................................................................................................................................81 CAPÍTULO 4..............................................................................................................................................................................82 EVALUACIÓN DE RESULTADOS.........................................................................................................................................................82 CONCLUSIONES...................................................................................................................................................................................84 RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS. ........................................................................................................................86 ANEXOS ................................................................................................................................................................................................88 ANEXO A. ..............................................................................................................................................................................................88

A.1 Juntas Soldadas................................................................................................................................................................89 A.1.1. Tipos de Juntas. .....................................................................................................................................................89 A.1.2. Juntas en la Envolvente del TAA............................................................................................................................90

A.1.2.1. Juntas Verticales en la envolvente (Casco). ................................................................................................90 A.1.2.2. Juntas Horizontales en la envolvente (Casco). ............................................................................................91 A.1.2.3. Juntas en el Fondo y en el Techo del TAA. .................................................................................................91 A.1.2.4. Distorsiones permitidas en las juntas...........................................................................................................92 A.1.2.5. Factor de Eficiencia en las juntas.................................................................................................................93

A.1.3. Electrodos utilizados en las juntas de los TAA. ......................................................................................................94 A.1.4. Referencias.............................................................................................................................................................95

ANEXO B. ..............................................................................................................................................................................................96 B.1 Congreso Internacional de Materiales...............................................................................................................................97 B.2 Congreso IPN-MECANICA................................................................................................................................................98

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1-1. Clasificación del Aceite Crudo según API (Fuente: Instituto Mexicano del Petróleo). ......................................7 Tabla 1-2. Grupos de Materiales, unidades en Sistema Internacional. (Fuente: API Standard 650,) ..............................17 Tabla 1-3. Clasificación de los diferentes materiales del Grupo 1. ..................................................................................18 Tabla 1-4. Valores de esfuerzos para materiales utilizados en TAA. (Fuente: API Standard 650, sección. 3.6.2).........19Tabla 2-1. Ecuaciones de los Espesor de placa según API-650. .....................................................................................38 Tabla 2-2. Espesores Nominales para Placas de Envolventes. (Fuente: API Standard 650, sección. 2.6)......................39 Tabla A-1. Factores de Eficiencia de Juntas soldadas Norma (Fuente ASME, Tabla UW-12).........................................93 Tabla A-2. Cargas permisibles para varios tamaños de filetes de soldadura. (Fuente: AWS 5-1) ...................................94

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1. Mezcla de petróleo (negro parte superior) y agua (transparente parte inferior). [1.3] ......................5 Figura 1-2. Yacimiento petrolero. .......................................................................................................................8 Figura 1-3. Proceso de llenado del Tanque desde el Pozo Petrolero. ...............................................................9 Figura 1-4. Diagrama de Flujo de una Batería de Separación. [1.4] ................................................................10 Figura 1-5. Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de 560 barriles de capacidad. ...................................10 Figura 1-6. Mezcla del Crudo contenida en el Tanque.....................................................................................11 Figura 1-7. Clasificación General de los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento. [1.7].............................13 Figura 1-8. Diseño mínimo permisible del material (MDMT), utilizado en envolventes de Tanques de Almacenamiento sin Prueba de Impacto. [1.7]...................................................................................................16 Figura 1-8. Fases de construcción de un Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de crudo. ....................23 Figura 1-9. Fallas en distintos tipos de TAA (Fuente: Colección Steinbrugge. EERC, U.C. Berkeley )............25 Figura 1-10. Evaporización del crudo dentro de un Tanque Atmosférico. ........................................................28 Figura 1-11. Crudo en almacenamiento en el interior de un Tanque Atmosférico de Almacenamiento. ..........29 Figura 1-12. a) Método Científico, b) Aplicación del Método Científico............................................................30 Figura 2-1. Análisis de esfuerzos en un recipiente de pared delgada. .............................................................34 Figura 2-2. Diagrama de cuerpo libre del segmento del recipiente. [2.2] .........................................................35 Figura 2-3. Esfuerzos circunferenciales en el recipiente. [2.2] .........................................................................36 Figura 2-4. Distribución del esfuerzo y la presión en un Tanque Atmosférico de Almacenamiento. [2.5]. .......37 Tabla 2-1. Ecuaciones de los Espesor de placa según API-650. .....................................................................38 Tabla 2-2. Espesores Nominales para Placas de Envolventes. [2.6]................................................................39 Figura 2-5. Tipos de Techos Fijos en Tanques Atmosféricos de Almacenamientos. [2.9].. .............................42 Figura 2-6. Diagrama de cuerpo libre del techo cónico. [2.9]. ..........................................................................43 Figura 2-7. Presión sobre la envolvente y el Techo. ........................................................................................44 Figura 2-8. Detalle de unión estructural techo-envolvente. [2.6]. .....................................................................45 Figura 2-9. Distribución de las Placas de Fondo. [2.5]. ....................................................................................50 Figura 3-1. Comportamiento del Tanque bajo la presión Interna de Diseño. ...................................................80 Figura 3-2. Deformación del Tanque bajo la presión Mávima. .........................................................................80 Figura 3-3. Deformación del Tanque bajo la presión Interna de Diseño. .........................................................81 Figura A-1. Tipos de Juntas (según ANSI/AWS A 3.0-85). ..............................................................................89 Figura A-2. Tipos de Soldaduras (según ANSI/AWS A 3.0-85)........................................................................90 Figura A-3. Tipos de Juntas Verticales en Envolventes. ..................................................................................90 Figura A-4. Tipos de Juntas Horizontales en Envolventes (según API- 650, 3.1.5.3) .....................................91 Figura A-5. Tipos de Juntas en el Fondo y en el Techo (según API- 650)......................................................91 Figura A-6. Distorsión permitida en los diferentes tipos de Juntas en Envolventes. ........................................92

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SIMBOLOGÍA CA Corrosión Permisible, en mm D Diámetro efectiva del Tanque, en mm E Módulo de elasticidad, en GPa G Gravedad Específica, en kg/m3

H Máximo Nivel del Líquido en el diseño, en m Ht Máxima Altura Permisible, en mm h1 Altura de la placa del anillo del fondo, en mm h2 Altura del segundo del anillo, en mm td Espesor de diseño del Tanque, en mm t1 Espesor de la placa del anillo del fondo, en mm t2 Espesor de la placa del tercer anillo, en mm Q Capacidad Requerida, en galones T Temperatura, °C ε Deformación, m/m ρ Gravedad Específica del fluido, σu Resistencia de ruptura, σd Esfuerzo de Diseño, en MPa σy Esfuerzo de cedencia, en Mpa

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RESUMEN

El Instituto Americano del Petróleo (API, siglas en ingles) establece los estándares para el diseño, construcción e inspección de tanques de almacenamiento. El API 650 incluye, además de diversas previsiones importantes de diseño, criterios que gobiernan el diseño de la unión frágil techo- envolvente para aceros soldados en tanques de almacenamiento. La unión frágil es la característica primaria de diseño que asegura la integridad funcional de la evolvente (cascarón cilíndrico) y las uniones en la base y techo, para contener el líquido almacenado en un evento inesperado de sobre-presurización de un tanque. Dada la importancia que representa el diseño de la unión frágil techo-evolvente debido a sus implicaciones en seguridad y ambientales, en este trabajo se realiza el análisis de falla de la unión techo- envolvente de los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de crudo de 560 barriles, basado en la propuesta de una unión frágil . Se realizó el análisis empleando el método de elemento finito utilizando un software comercial. Los resultados obtenidos fueron comparados con los establecidos en la Norma API-650. El trabajo no solo provee de una metodología analítica y numérica; también se pretende en un futuro establecer mejoras potenciales a las regulaciones actuales.

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ABSTRACT

In this work he/she will be carried out the analysis of the flaw in the Roof-encircling Meeting of the Atmospheric storage Tanks of 560 barrels of capacity. They will be carried out the general calculations of the tank (walls and roof), as well as of the roof-encircling union that is the place where the problem is presented. He/she will also be carried out the Frangibilidad of the Meeting Encircling Roof.

Present must be had that the storage tanks used in the oil industry are governed, from its design, production, assembly, and you prove for the code API-650 and against the this norm data were compared that leave requiring through the investigation.

The calculations that will be elaborated will be based on the analysis of efforts focused to the case of the study, with the obtained information they will feed the files to create a model in ANSYS that allows to visualize the behavior of the tanks and knowledge to that pressure the flaws are presented in the Roof-encircling Meeting.

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INTRODUCCIÓN. Petróleos Mexicanos (PEMEX), reportó en su “Anuario Estadístico, PEMEX 2006”, que la producción de petróleo crudo para el 2005, fue de 3.333 millones de barriles diarios, de los cuales se exportaron 1.817 millones de barriles; lo que representó un ingreso de 28,311 millones de dólares en el 2005. Ahora bien, en todas la instalaciones que forman parte del proceso de la extracción, distribución y refinación de PEMEX, se requieren Tanques de Almacenamiento de diferentes capacidades que van desde los 250 hasta los 200,000 barriles de Crudo, en concreto, todo el crudo que se produce, en algún momento debe ser almacenado.

Actualmente, debido a accidentes y fallas que se han presentado, específicamente en la Unión Techo- Envolvente en tanques de almacenamiento menores a 15m de diámetro, específicamente en el área de la Junta Frágil (Joint Frangible) es por lo que se decide hacer un análisis y proponer una solución a este problema. Actualmente, los comités de las Normas relacionadas con el estudio de los techos de Tanques de Atmosféricos de Almacenamiento de crudos, están siendo revisados en sus criterios de diseño, para mejorarlos y con ello aumentar la seguridad en este tipo de estructuras, tan importantes en la Industria Petrolera.

En el capítulo 1, se describirá de una forma general que es el crudo, conceptos, definiciones como se extrae, se almacena y se transporta, esto debido a que es el material que se almacenará en los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento.

En el capítulo 2, Se presenta un Análisis de Esfuerzos aplicado tanto a la envolvente como a la junta techo – envolvente de un Tanque de Atmosférico de Almacenamiento. Posteriormente se describirán los métodos para calcular los espesores de diseño para la construcción de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento y por ultimo se calculará la presión teórica de falla de un tanque de capacidad de 560 barriles de crudo.

En el capítulo 3, Se calculará el espesor de las planchas de los Tanques, por análisis de fallas, por el procedimiento API de y las formulas desarrolladas en el capitulo anterior, utilizando el programa Mathcad® para su calculo. También se analizará por medio del elemento finito las presiones y el comportamiento del Tanque con las presiones calculadas por medio del programa ANSYS®.

Conclusiones, basados en los cálculos del capítulo 3, se procede a realizar un análisis de los resultados encontrados, siguiendo los procedimientos de la Norma API-650/1990, se verificará si están dentro de los

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límites de esfuerzo de diseño según se indican en la norma. Como punto final, comprobaremos dicho cálculos con el programa ANSYS y se cotejarán los resultados para realizar una propuesta de solución al problema

Dentro del Instituto Politécnico Nacional se han encontrado trabajos tales como: “Análisis de la Estabilidad y Comportamiento de Estructuras Cilíndricas de Pared Delgada Utilizando Elementos Finitos”, H. Sánchez Sánchez, 2001 de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación. Dicho trabajo tiene relación con el proyecto que se va a desarrollar.


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OBJETIVO En esta investigación se estudia el comportamiento estructural de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo, estando sometidos a sobrepresiones internas, que traen como consecuencia la expansión del tanque y llegan a presentar fracturas en la unión techo-envolvente. Por lo que el objetivo es determinar teórica y numéricamente la presión de falla de un Tanque de 4.57 m (15´) de diámetro por 5.49 m (18´) de altura total. En este trabajo sólo se realiza el análisis estático en el Tanque de Almacenamiento.

Este caso del estudio solamente se considerará el análisis estático, es decir, la presión interna en el tanque, y no se tomará en cuenta las cargas variables (vientos, sismos, cargas en las uniones de las tuberías de cargas y descarga del tanque, etc).


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JUSTIFICACIÓN. Por la parte económica, en la cual PEMEX generó un ingreso de 28,311 millones de dólares en el 2005 por la producción de petróleo. Y durante todo el proceso, el crudo que se produce debe ser almacenado continuamente en sus diferentes etapas de producción.

Actualmente las compañías que le trabajan a PEMEX, cumplen los requisitos de diseño y construcción establecidos por la API, mas no realizan el estudio completo de Diseño de Tanques, y solamente se basan a las tablas de la Norma y es todo. Otro caso es la prueba hidrostática, la cual solamente verifica que no haya fugas, más no simula las condiciones reales de llenado de crudo y mucho menos la presencia de vapores de los crudos confinados dentro de los tanques.

A principios del 2006, el subcomité de recipientes y Tanques a presión de la API-650, se reunió para realizar propuestas en criterios de diseño de la unión frágil del techo de los Tanques, debido a que no esta totalmente definido este punto para tanques pequeños menores de de 4.57 m (15´) de diámetro. y si ponemos analizar que PEMEX utiliza esta norma para la construcción de sus Tanques de Almacenamiento es una buena oportunidad de realizar el análisis estructural entre la unión envolvente–techo.


CAPÍTULO 1 GENERALIDADES SOBRE TANQUES ATMOSFÉRICOS DE ALMACENAMIENTO.

Se presentan aspectos generales relacionados con Tanques Atmosféricos de Almacenamiento, su clasificación por tipo, uso, cálculos de diseño, materiales para construcción, tipos de techos, como se fabrican y cómo operan.

TESIS DE MAESTRÍA Capítulo 1 Generalidades sobre Tanques Atmosféricos de Almacenamiento

Análisis Estructural en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de

1.1 ¿Qués el Petróleo (Crudo)?.

1.1.1. La Importancia del Petróleo.

Actualmente, la humanidad necesita del petróleo, en una u otra de sus muchas formas lo usamos cada día de nuestra vida. Proporciona fuerza, calor, luz y sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes, objetos de plástico, materiales para la construcción, pinturas, textiles, generar electricidad, lubricar maquinaria, etc. Poca gente llega a ver la materia prima (petróleo crudo), la cual es un líquido oleoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas. Las sociedades industriales modernas lo utilizan sobre todo para lograr un grado de movilidad por tierra, mar y aire desde hace más de 125 años aproximadamente. Con todo ello, el petróleo es la fuente de energía más importante de la sociedad actual.

1.1.2. Definición.

En la industria petrolera, la palabra “crudo” se refiere al petróleo en su forma natural (no refinado), tal como sale de la tierra. La palabra petróleo proviene de “petro” (piedra) y “óleo” (aceite), o sea “aceite de piedra”. En México el vocablo “chapopote” o “chapapote” es castellanización de la palabra náhuatl “chapopoctli” (grasa) y “poctli” (humo). [1.1]

Se ha de hacer mención, que Un barril de crudo, es la unidad de medida de capacidad de los Hidrocarburos Líquidos, que consiste en 42 galones USA (159.02 litros), corregidos a una temperatura de 60°F (15.56°C), a presión del nivel del mar, sin agua, barro u otros sedimentos. En 1920, un barril producía 41.5 lts de gasolina, 20 lts de queroseno, 77 lts de gasóleo y destilados y 20 lts de residuos más pesados. Actualmente, un barril de crudo produce 79.5 lts de gasolina, 1.5 lts de combustible para reactores, 34 lts de gasóleo y destilados, 15 lts de lubricantes y 11.5 lts de residuos más pesados.

1.1.3. Características.

El petróleo (aceite mineral) se encuentra en el interior de la tierra y se compone principalmente de carbono (de 76 a 86%) e hidrógeno (de 10 al 14%); lo cual significa que es un hidrocarburo y no un mineral, ya que procede de sustancias orgánicas. El petróleo es un fluido algo espeso cuyo color varía bastante, así como su composición; a veces se presenta amarillo, en ocasiones verde y otras casi negro. Generalmente, tiene un olor

4Crudo de 560 Barriles



muy desagradable y su densidad está comprendida entre los 0´8 y 0´95, este es siempre menos denso que el agua, por lo que generalmente flota en ella (Figura 1-1). Este crudo es una mezcla de gran variedad de aceites minerales, llamados "hidrocarburos", debido a que sus moléculas están formadas por hidrógeno y carbono de distinto peso y contextura molecular, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre y de oxígeno; el contenido de azufre varía entre un 0.1 y un 5%.

Figura 1-1. Mezcla de petróleo (negro parte superior) y agua (transparente parte inferior). [1.3]

El petróleo contiene elementos gaseosos, líquidos y sólidos. La consistencia del petróleo varía desde un líquido tan poco viscoso como la gasolina hasta un líquido tan espeso que apenas fluye. Por lo general, hay pequeñas cantidades de compuestos gaseosos disueltos en el líquido; cuando las cantidades de estos compuestos son mayores, el yacimiento de petróleo está asociado con un depósito de gas natural. Estos gases son también líquidos, bajo las presiones extremadamente altas que son creadas por la naturaleza en el subsuelo y se le conocen como gas natural. Todos estos hidrocarburos se encuentran generalmente presentes al principio en forma de petróleo crudo líquido.

1.1.4. Origen del Petróleo (Crudo).

El petróleo se forma bajo la superficie terrestre por la descomposición de organismos marinos. Los restos de animales minúsculos que viven en el mar y en menor medida, los de organismos terrestres arrastrados al mar por los ríos o los de plantas que crecen en los fondos marinos. Se mezclan con las finas arenas y limos que caen al fondo en las cuencas marinas tranquilas. Estos depósitos, ricos en materiales orgánicos, se convierten en rocas generadoras de crudo. El proceso comenzó hace muchos millones de años, cuando surgieron los organismos vivos en grandes cantidades, y continúa hasta el presente. Los sedimentos se van haciendo más espesos y se hunden en el suelo marino bajo su propio peso. A medida que se van acumulando depósitos




adicionales, la presión sobre los situados más abajo se multiplica por varios miles, y la temperatura aumenta en varios cientos de grados. El cieno y la arena se endurecen y se convierten en esquistos y arenisca; los carbonatos precipitados y los restos de caparazones se convierten en caliza, y los tejidos blandos de los organismos muertos se transforman en petróleo y gas natural.

1.1.5. Clásificación del Petróleo (Crudo).

Los métodos de clasificación constituyen elementos indicativos de las características generales de un tipo de crudo, dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que integran el petróleo, se tienen diferentes propiedades que los caracterizan y determinan su comportamiento como combustibles, lubricantes, ceras o solventes. Uno de los sistemas más utilizados es el de gravedad específica o grado API. [1.2]

A continuación se menciona conceptos relacionados con este tema que ayudarán a comprenderlo mejor.

Densidad (ρ). La densidad de una sustancia es definida como la masa por unidad de volumen, expresada como gr/cm3, lb/ft3, etc

Gravedad Específica (G). La gravedad específica de una sustancia es la relación de la densidad (ρ) de una sustancia con la densidad de una sustancia (ρref) a condiciones específicas. La sustancia de referencia es comúnmente tomada del agua a 4°C donde ρref es igual a 1000 gr/cm3, esto es 62.43 lb/ft3. Equation Chapter (Next) Section 1

FA

σ = (1.1)

Gravedad API (°API). La gravedad específica del petróleo o productos del petróleo son expresados en términos de “Grados API” en una escala definida por:

141.5 131.5APIG

° = − (1.2)

Donde G es la gravedad específica del líquido a 15.56°C (60°F), con referencia al agua a una temperatura de 15.56°C (60°F). Además, un valor de 10° API corresponden a G= 1




La siguiente tabla muestra de una forma mas concreta la aplicación de las densidades y grados API

Aceite Crudo Densidad ( g/cm3)

Densidad grados API

Extrapesado >1.0 10.0 Pesado 1.0 - 0.92 10.0 - 22.3 Mediano 0.92 - 0.87 22.3 - 31.1 Ligero 0.87 - 0.83 31.1 - 39 Superligero < 0.83 > 39

Tabla 1-1. Clasificación del Aceite Crudo según API. [1.1]

México produce tres tipos de crudo: el Maya-22 pesado (con densidad de 22 grados API, y un peso específico de 0.9199), que constituye casi la mitad del total de la producción. El Istmo-34, ligero, bajo en azufre (con densidad de 33.6 grados API y un peso específico de 0.8535), que representa casi un tercio del total de la producción; y el Olmeca-39, extra ligero (con densidad de 39.3 grados API y un peso específico de 0.8261), aproximadamente la quinta parte del total de la producción. [1.1]

En la región norte del estado de Veracruz, el tipo de crudo que se obtiene es del tipo Istmo y debemos tenerlo presente a la hora de realizar el cálculo del tanque.




1.1.6. Producción del Petróleo (Crudo).

Cundo un pozo petrolero ya sea terrestre o una plataforma marina está siendo perforado, y ha alcanzado la zona del yacimiento petrolero (Figura 1-2), se procede a la puesta en servicio del pozo, y por consiguiente el crudo (petróleo) es extraído. A partir de aquí, el crudo se envía inmediatamente a una Batería de Separación, con finalidad separar gases, aceites, agua y sólidos en suspensión que producen los pozos. Dichas Baterías están formadas por un conjunto de tanques de almacenamiento, tuberías, dispositivos y accesorios que permiten separar, controlar medir y almacenar temporalmente los fluidos producidos por un pozo o un conjunto de pozos petroleros que fluyen a esta.

Figura 1-2. Yacimiento petrolero.

El almacenamiento de lo diferentes tipos de crudos, gases, aceites, agua y sólidos se efectúa normalmente en tanques cilíndricos de fondo plano y techo abovedado (de 560 a 3000 barriles de capacidad), conocidos como Tanques Atmosféricos de Almacenamiento.




1.2 ¿Cómo funciona un Tanque Atmosférico de Almacenamiento de Crudo?.

A partir de la extracción del crudo, este se envía desde el pozo por medio de bombas a las Baterías de Separación (Figura 1-3). Para el crudo, esta operación es sumamente importante, debido a que viene mezclado o emulsionado con agua, con materias en suspensión o sales inorgánicas entre otras, que se puedan decantar gracias a su mayor peso específico (Figura 1-6). El agua acumulada o los líquidos son normalmente drenados o purgados según su tasa de acumulación.

Figura 1-3. Proceso de llenado del Tanque desde el Pozo Petrolero.

Las Baterías de Separación se localizan cerca del cabezal del pozo, o en un lugar donde es tratada la producción de varios pozos a la vez. Una Batería cuenta con colector para la entrada, en ocasiones hasta de de 10, separador de gas, calentadores, tanques de producción general y de control (medición), bombas, separadores de líquidos, etc. (Figuras 1-4 y 1-5).




Figura 1-4. Diagrama de Flujo de una Batería de Separación. [1.4]

Figura 1-5. Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de 560 barriles de capacidad.




En los tanques de producción se realiza la primera recolección y el primer procesamiento de separación, utiliza como carga el petróleo crudo y es el primer paso en la manipulación, previo al envío a la refinación o un sistema de procesamiento de gas. El almacenamiento es por lo general, temporal y de corta duración, pero se debe recordar, como ya se mencionó antes, que durante este periodo el crudo, el agua y el gas natural que fluyen son separados dando como resultado una mezcla lodosa en el interior del Tanque (Figura 1-6). Ahora bien, estos tanques son recipientes cilíndricos verticales diseñados para operar a una presión interna aproximada igual a la atmosférica; la presión del vapor del producto a la temperatura máxima de almacenamiento podrá variar de 0.035 kg/cm2 (0 a 0.5 lb/pulg2) Manométricas, o sea, aproximadamente de 0.035 a 1.068 kg/cm2 (0.5 a 15 lb/pulg2) Absoluta. [1.4]

Figura 1-6. Mezcla del Crudo contenida en el Tanque.




1.3 Importancia del Almacenamiento. (Estadísticas).

Se ha de hacer mención que la mayoría de los tanques existentes en PEP región NORTE, son del tipo techo unión frangible y las diferentes capacidades de los tanques con los que se cuenta son de: 280, 560, 1000, 2000, 3000, 5000, 10 000, 20 000 y 30 000, barriles de petróleo. Tanques de mayores capacidades se localizan en complejos petroquímicos. Como caso de estudio se analizará un tanque con 560 barriles de capacidad que se encuentran principalmente cerca de los pozos de perforación.

Las Baterías de separación cuentan como mínimo con dos tanques de 280, dos de 560, y uno de 1000 bls y pudiera darse el caso de uno de 2000 o 3000 y/o uno de 5000 barriles de petróleo. En la región Norte, las Baterías de Separación existentes son:

1. POZA RICA II, V, VI, VIII, X y XX. 2. SAN ANDRÉS I, II, III y IV. 3. REMOLINO I y II. 4. CHOTE I y II. 5. CERRO DEL CARBÓN 6. CENTRAL DE ALMACENAMIENTO Y BOMBEO (CAB) 7. EL MURO 8. EZEQUIEL ORDÓÑEZ 9. PUNTA DE PIEDRA 10. MIQUETLA I, II. 11. FAJA DE ORO 12. JILIAPA 13. NUEVO PROGRESO 14. SANTA AGUEDA 15. ACUATEMPA 16. ANTARES 17. MIGUEL ALEMAN VII y VIII. 18. NARANJOS 19. TAJIN I, II, III y IV. 20. MOZUTLA 21. PITAL 22. ALLAZGO I y II

23. SOLEDAD I y II




1.4 Clasificacion General de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento (TAA).

En general, se puede clasificar los Tanques de Almacenamiento de la siguiente manera:

POSICIÓN Verticales

Apoyados o superficiales, UBICACIÓN

Soportados

13

Cónicos

Figura 1-7. Clasificación General de los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento. [1.7]

Como se puede apreciar en la Figura 1-7, existen diversos tipos de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento, el tipo de Tanque que se analizará en este proyecto son los del tipo Cilíndricos Verticales de Fondo Plano y Techo Fijo Cónico Autosoportado.

El diseño del tanque cilíndrico vertical, operando a presión atmosférica, consiste de solo cuerpo, cuyo techo cónico fijo no tiene ninguna posibilidad de movimiento. El fondo plano, descansa directamente en una cimentación compuesta de arena, grava o piedra triturada. Posee varias válvulas de venteo, que permiten la salida de los vapores que están formándose continuamente en su interior. Este sistema de válvulas es necesario, debido a que los tanques de este tipo de techo no están preparados para soportar o resistir sobre-presiones. Se construyen de acero, sus placas que la forman están unidas entre sí por medio de soldadura.

En de la industria petrolera y en especial en el activo Poza Rica de PEMEX, los tanques atmosféricos de almacenamiento se utilizan en tres actividades que son: producción general, medición y almacenamiento [1.4].

FORMA

Cilíndricos verticales,

Autosoportado

Domo ó paraguas

Techos Fijos

Cubierta interna flotante Cubierta simple externa Doble cubierta externa

Techos Flotantes

Baja Presión,

P ≤ 2.5 psi

Crudo de 560 Barriles



Tanques de Medición. Son utilizados para medir la cantidad de líquidos que produce un pozo sometido a prueba, su capacidad varía de 280 a 1000 bls. Estos tanques tienen la ventaja de ser fácilmente trasportados a los lugares donde se requiera, sin necesidad de desarmarse. (40 m3)

Tanques de Producción General. Son utilizados para medir y almacenar temporalmente la cantidad de líquidos que produce uno o varios pozos. Su capacidad varía de 1000 a 5000 bls.

Tanques de Almacenamiento. Se consideran como obras permanentes, debido a que su capacidad oscila entre los 5,000 y 10,000 bls; lo cual hace que no se puedan transportar armados. Este tipo de tanque recibe los líquidos de los tanques de producción general y medición y como su nombre lo indica permite almacenar los líquidos que produce los pozos por más tiempo que los anteriores.

Es importante mencionar que la selección del tipo de tanque dependerá de la presión de trabajo de vapor verdadera del producto a la temperatura de almacenamiento, para garantizar que el producto se encuentre en fase líquida y evitar las mermas (perdidas por evaporación).

1.5 Materiales Utilizados para la Construcción de Tanques de Atmosféricos de Almacenamiento.

Un aspecto muy importante en el diseño de un Tanque de Almacenamiento es la selección apropiada del material de las placas que conforman tanto los anillos de la envolvente del tanque, el fondo y el techo del mismo, con el objetivo de prevenir fallas producidas por los esfuerzos del líquido almacenado (crudo) sobre el Tanque. Para la selección del material de las placas, estas se especifican por medio del: Diseño de

Temperatura Mínima del Metal (Minimun Design Metal Temperature MDMT) y depende de la temperatura del líquido almacenado (crudo), la cual gobierna directamente la temperatura de las placas del Tanque [1.5]. Se debe tener presente que la temperatura del crudo almacenado no se debe ajustar a los cambios de la temperatura ambiental. Los aceros al carbón y de baja aleación son usualmente los más utilizados.




Se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones al seleccionar un material para un Tanque Atmosférico de Almacenamiento:

1. Los tanques no contengan líquidos ó gases letales, 2. La temperatura de operación estará entre -28.89°C y 343.33°C, y 3. El espesor de la placa no exceda de 16 mm (5/8 pulg).

Algunas de las propiedades que deben tener los materiales para satisfacer las condiciones de servicio, son:

Mecánicas. Al considerar este tipo de propiedades, es deseable que tenga buena resistencia a la tensión, alto nivel de cedencia, una buena capacidad de alargamiento y mínima reducción de área. Con estas propiedades principales se establecen los esfuerzos de diseño para el material en cuestión.

Físicas. En este tipo de propiedades se buscará que el material deseado tenga un aceptable coeficiente de dilatación térmica.

Químicas. La principal propiedad química que se debe considerar en el material que se utilizará en la fabricación de tanques es su resistencia a la corrosión.

De Soldabilidad. Los materiales utilizados para fabricar Tanques de Almacenamiento deben tener buenas propiedades de soldabilidad, debido a que la mayoría de los componentes son de construcción soldada. Para el caso en que se tengan que soldar materiales diferentes entre él, estos deberán ser compatibles en lo que a soldabilidad se refiere.

Para la selección del material, a continuación se presenta una gráfica donde se agrupan materiales y con base en la temperatura mínima de diseño (MDMT), se selecciona el espesor mínimo de placa.

Se considerará la temperatura ambiente de la región geográfica donde serán montados los Tanques (Figura 1-8). Para el caso de estudio en la región norte del estado de Veracruz, la temperatura media anual oscila entre los 22° y 26°C; y en época de calor oscila entre los 35° y 45°C (95° y 113°F) llegando alcanzar en ocasiones los 47°C (116.60 °F). [1.6]




Temp

eratu

ra de

Dise

ño de

l Meta

l

Espesor utilizado en envolventes de Tanques de Almacenamiento, incluyendo la corrosión permitida

Notas: 1. Para los Grupos II y V, algunas líneas coinciden con espesores menores que 12.5 mm ( ½ in). 2. Los Grupos III y IIIA, todas las líneas coinciden en espesores menores de 12.5 mm ( ½ in), 3. Los materiales para cada grupo están listados en la Tabla 1-2.

Figura 1-8. Diseño mínimo permisible del material (MDMT), utilizado en envolventes de Tanques de Almacenamiento sin Prueba de Impacto. [1.7]

Posteriormente, y basándose en la Norma API-650 [1.7], cuando ha sido seleccionado un grupo, se procede a las Tablas 1-3 y 1-4, para seleccionar un material.

Grupo I Grupo II Grupo III Grupo IIIA

Rolado, semiterminado Rolado, terminado o semiterminado Rolado, terminado. Grano

Fino Normalizado, terminado. Grano fino

Material Notas Material Notas Material Notas Material Notas A 283M C 2 A 31M B 7 A 573-400 A 131M CS A 285M C 2 A 36M 2,6 A 516M-380 A 573M-400 10 A131M A 2 G40.21M-260W A 516M-415 A 516M-380 10 A 36M 2,3 Grado 41 5,8 G40.21M-260W 9 A 516M-415 10 Grado 37 3,5 Grado 41 5,9 G40.21M-260W 9,10 Grado 41 6 Grado 41 5,9,10




Grupo IV Grupo IVA Grupo V Grupo VI

Rolado, semiterminado Rolado, terminado o Grano Fino Normalizado, terminado.

Grano Fino Templado y Revenido, Terminado Grano fino, Reducción de Carbono

Material Notas Material Notas Material Notas Material Notas A 573 M-450 A 662 M C A 573-485 10 A 131M EH36 A 573 M-480 A 573 M-485 11 A 516M-450 10 A 633 M C A 516 M-450 G40.21M-300W 9, 11 A 516M-485 10 A 633 M D A 516 M-485 G40.21M-350W 9, 11 G40.21M-300W 9,10 A 537M-I A 662-M B G40.21M-350W 9,10 A 537M-II 13

G40.21M-300W 9 A 678M-A G40.21M-350W 9 A 678M-B 13

E 275 4,9 A 737M-B E 355 9 A 841 12,13

Grado 44 5, 9 1 La mayoría de los materiales listados se refiere a las especificaciones ASTM (incluyendo Grado o Clase); sin embrago existen algunas

excepciones tales como: G40.21M (incluido el grado) el cual es una especificación canadiense CSA; Los Grados E 275 y E 355(incluyendo la calidad) pertenecen a la Norma ISO 630; y los Grados 37, 41 y 44 están relacionados con Normas Nacionales (es decir, han sido aprobadas por gobiernos de países en las cuales se originaron dichas Normas).

2 Terminado o Semiterminado 3 Espesores ≤ 12.5 mm (1/2 in) 4 Contenido máximo de Manganeso de 1.5 %. 5 Espesores máximos de 20 mm (3/4 in), cuando el rolado es controlado utilizando acero normalizado 6 El contenido de Manganeso deberá contener entre 0.80 y 1.2% para un análisis de temperatura de un espesor mayor a 0.75 in, exacto para cada

reducción de 0.01% abajo del espécimen máximo de carbón, un incremento del 0.06% de manganeso arriba del espécimen máximo deberá ser permitida hasta un máximo de 1.35%. los espesores iguales o menores a 0.5 in deberán tener un contenido de manganeso de 0.8 y 1.2% por análisis de temperatura.

7 Espesores ≤ 25 mm (1 in) 8 Debe ser terminado 9 Debe ser terminado, elaborado por práctica de Grano Fino

10 Debe ser Normalizado 11 Deberán tener una prueba química modificada a un máximo de contenido de carbón de un 20% y un máximo de manganeso de 1.60% 12 Producido por un proceso de control termomecánico (TMCP, por sus sigla en inglés) 13 Para pruebas o simulaciones ara materiales utilizados en ensambles con relevados de esfuerzos.

Tabla 1-2. Grupos de Materiales, unidades en Sistema Internacional. [1.7]

Como se observa en la Figura 1-8, los materiales que se encuentran dentro del Grupo 1, son los que se encuentran operando a la más alta temperatura, si bien, la tabla se limita a 16°C esta temperatura es la más alta y sería la mas cercana para la temperatura de operación en la región norte del estado de Veracruz por lo cual, los materiales del Grupo 1, serán la opción a utilizar en los Tanques de Almacenamiento.




Para realizar una comparación de los materiales recomendados en el Grupo 1, se utilizará de la tabla 1-3 como una guía para tomar la decisión de que material utilizar en la construcción de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento. Un factor muy importante a considerar en la Región Norte del estado de Veracruz como ya se ha mencionado, son las temperaturas altas que se presentan un a lo largo del año, por lo que no habría diferencia de escoger entre un material 283 grado “C” y un 285 grado “C”, la diferencia radica en la tempeatura de operación, el 283 soprta mejor este factor.

Composición Química, Wt en % Material (ASTM)

Esfuerzo de Ced., en MPa

Esfuerzo Ultimo de Tensión, en MPa

Temp. de Operación,

en °C

Elong. %.

C Fe P Mn S Si

A 283 - C 205 380-450 Entre -9 y 343

22 Min. 0.2

100 Máx. 0.04

---- Máx. 0.05

A 285 - C 205 380-515 Entre -55 y 8 27 Máx. 0.28

Min. 98.75

Máx. 0.035

---- Máx. 0.035

A 131 235 400-490 21 Máx. 0.23

Min. 97

Máx. 0.05

2.73 Máx. 0.05

A-36 (planchas)

0.2 98 Máx. 0.04

1.03 Máx. 0.05

0.28

Tabla 1-3. Clasificación de los diferentes materiales del Grupo 1.

Ahora bien, para el acero el ASTM 283-C, el cual tiene una buena ductilidad, fusión de soldadura y son relativamente fáciles de maquinar, la AWS A5.1 o A5.5, recomienda usar para este material, electrodos E60xx, E70xx; sin embargo, su uso es limitado a recipientes con espesores de láminas que no excedan de 16 mm (5/8 in). El acero ASTM 283 C, no es recomendable en aplicaciones con temperaturas por arriba de los 343°C (650 °F). Los valores de esfuerzos para este material y otros utilizados en la construcción de Tanques de almacenamiento atmosféricos están indicados en la Tabla 1-4 y son:




Tabla 1-4. Valores de esfuerzos para materiales utilizados en TAA. [1.7]

Ya seleccionado el material en particular, el valor del esfuerzo mínimo de cedencia, del material se utilizará para determinar el espesor de diseño de la placa.




1.6 Procesos de Contrucción de un Tanque Atmosférico de Almacenamiento.

En esta sección se presentarán los planos técnicos para la construcción del tanque.

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Con la información de los planos se procede a la construcción del Tanque Atmosférico de Almacenamiento. A continuación se muestra gráficamente los pasos de la construcción del mismo.

(a) Se acondiciona la plantilla de la base del tanque nivelándola convenientemente, enseguida se construye el soporte de concreto para la estructura que soportará la cúpula del tanque, el redondel se construye de concreto y sirve para que descansen las paredes del tanque y se impermeabiliza con gravilla y asfalto toda el área donde irá apoyada la base.”

(b) Al mismo tiempo, en el taller, se trabaja en las láminas, placas o planchas que servirán de envolvente al tanque. Se tiene que hacer una diferencia entre láminas y placas, ambas son producto de laminación de sección generalmente rectangular cuya diferencia principal se basa en su espesor, las láminas tienen un espesor hasta de 5 mm (3/16”), y las planchas o placas, tiene un espesor mayor a 5 mm (3/16”), cualesquiera que sean, éstas deben ser roladas, esto es, que se les haya dado previamente la curvatura necesaria con el fin de que las paredes del tanque formen un cilindro regular, soldando a tope todas las placas que forman la envolvente.[1.8]

(c) Una vez acondicionada la base de sustentación, se procede al tendido y soldado de la placa de fondo, cortando la parte sobrante de las láminas exteriores para darle forma circular. El pandeo o alineación de las láminas que forman los anillos de la envolvente, puede efectuarse soldando a las láminas una láminas interiores entre las juntas horizontales de las láminas, pero al proceder de esta forma, las paredes del tanque pueden presentar deformaciones.

(d) Para la colocación de láminas de la envolvente, es necesario auxiliarse de plumas o malacates montados sobre camones, así mismo, de andamios de tablones de madera apoyados en mensuras soldadas al anillo inmediato inferior, las cuales terminada la erección del tanque, se procede a eliminarlas. Las láminas que forman los tanques pueden ir traslapadas o a tope.




(e) Para poder efectuar la construcción del techo, previamente debe haberse construido la estructura interior del tanque. Regularmente consta de una columna tubular al centro. Sobre la placa de la columna central y unos ángulos soldados al casco, se apoyan los polines radiales de fierro comúnmente en canal, los cuales sostienen directamente las láminas de techo, en la unión de las paredes del tanque (envolvente) con las láminas de la base del techo se suelda un ángulo circular.

(g) Se pinta, y se prepara para realizarle la prueba hidrostática. Esta prueba consiste en llenar el tanque con agua natural al 100% de su capacidad, la prueba se considerará efectiva cuando hayan transcurrido un tiempo de 24 horas y no se presenten fugas, al final la prueba solamente verifica que no haya fugas, pero no simula las condiciones reales de operación del Tanque y mucho menos simula la presencia de vapores de los crudos confinados en los tanques.

Figura 1-8. Fases de construcción de un Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de crudo.




1.7 Tipos de Fallas.

Debido a diversos factores tales como, eventos naturales (ciclones, huracanes, terremotos, etc.) y errores humanos (mal diseño, construcción defectuosa, ineficiente mantenimiento, súbitas maniobras de carga y/o descarga del Tanque, etc.), causan fallas que producen serias pérdidas económicas y lo más grave que pueden originar accidentes mortales a los trabajadores que se encuentren alrededor de Tanques de Almacenamiento. Algunos tipos de fallas por los motivos anteriormente mencionados se muestran en la Figura 1-9.

(a) Falla por Pandeo “Pata de Elefante”

Grandes esfuerzos axiales de compresión debidos al comportamiento de “viga en flexión” de la pared del tanque ocasiona la falla por pandeo conocida como “pata de elefante” (elephan-foot) véase Figura. 1-9a. En estudios de hidrodinámica de líquidos en tanques rígidos [3.1], se mostró que parte del líquido tiene un movimiento con un período largo, mientras que el resto se mueve rígidamente con el tanque.

(b) Colapso en el Anillo Superior del Tanque

El efecto del líquido denominado de “sloshing”, determina la altura de las ondas de superficie libre y ocasiona daño al techo y al anillo superior del tanque (Figura 1-9b). El líquido que se mueve cerca de la superficie libre, origina esta falla en el último anillo del tanque.

(c) Falla de los anclajes por levantamiento en la base

Falla entre la Base y la Pared del Tanque. Cuando los vapores inflamables contenidos en los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento explotan, desprendiendo la unión entre la placa del fondo y la envolvente. Estas fallas ocasionan que el tanque se rasgue y, en algunos casos, estos sean lanzados a través del aire. (Figura 1-9c)




(d) Falla en el cimiento del Tanque

Falla por Asentamiento del Suelo. En tanques soportados por pilotes, la falla se presenta en la parte baja del tanque debido al asentamiento del suelo, lo que provoco la ruptura del anillo inferior o de base lo que origino asentamientos diferenciales (Figura 1-9d) el tanque.

(e) Falla por Colapso

Colapso. Según estudios realizados se origina debido al pandeo de las paredes y levantamiento del anclaje. La fuerza cortante en la base puede causar la falla del tanque por deslizamiento. El levantamiento de la base puede ocasionar: (1) ruptura de las conexiones de la tubería que salen del tanque debida a los desplazamientos verticales, y (2) ruptura de la unión de la placa de base con la envolvente del tanque (Figura 1-9e).

(f)Falla en Junta Techo-Envolvente (Fuente: EEMUA)

Falla en la Junta Techo-Envolvente. Son fundamentalmente ocasionadas en las operaciones de llenado y vaciado (pérdidas por movimiento). Su característica es la separación de la unión techo envolvente. Durante el llenado, los vapores en el espacio libre interior del tanque son desalojados al ambiente y luego con el vaciado se succiona aire fresco hacia el interior del tanque, propiciando nueva evaporación. Mas no todos los vapores son desalojados por lo que en cada llenado se genera una acumulación y en un determinado tiempo se genera una sobrepresión en el techo, como consecuencia se llega generar una explosión (Figura 1.9f).

Figura 1-9. Fallas en distintos tipos de TAA (Fuente: Colección Steinbrugge. EERC, U.C. Berkeley )




1.8 Normatividad.

Debido a que el análisis que vamos a realizar, se apoyará tanto en la norma Americana API-650 [1.7] y la norma Británica BS 2654: Part. 1 [1.9], |se considera importante explicar brevemente el concepto de cada norma para así comprender el porque de su uso.

1.8.1. Norma API-650.

La norma: “Welded Steel Tanks for Oil Storage, API Standard 650”, American Petroleum Institute (API), en su decimal coma edición publicada, en Noviembre de 1998. Esta Norma abarca desde el diseño, selección del material, fabricación, construcción, montaje, y requerimientos de Tanques de Almacenamiento verticales, cilíndricos, enterrados en el fondo y cerrado o abiertos del techo, soldados acero en diferentes tamaños y capacidades para presiones interiores que se aproximan la presión atmosférica (presiones interiores que no exceden el peso de las placas del techo)[4.5]. La API-650 sólo aplica a tanques cuyo fondo entero es uniformemente soportado y a los tanques en servicio no refrigerados que tienen una temperatura de funcionamiento máxima de 90°C. (200°F). También abarcan los tanques en los cuales la presión interna excede el peso de las placas del techo más no rebasen los 18 kPa (2 ½ lb/in2).

Los apéndices de esta Norma son:

Apéndice A Bases de Diseño opcionales para Tanques Pequeños. Apéndice B, Cimentaciones. Apéndice C, Techos Flotantes. Apéndice D, Preguntas Técnicas relacionadas con la Norma. Apéndice E, Diseño Sísmico para tanques de Almacenamiento Apéndice F, Diseño para presiones internas pequeñas. Apéndice G, Techos Estructurales de Aluminio Tipo Domo. Apéndice H, Techos Flotantes Internos. Apéndice I, Protección. Apéndice J, Tanques de Almacenamiento Ensamblados en Taller. Apéndice K, Ejemplo del procedimiento alterno para calcular el espesor del casco. Apéndice M, Tanques que operan a temperaturas elevadas. Apéndice N, Uso de materiales sin identificar. Apéndice O, Recomendaciones pare Conexiones en las placas de piso. Apéndice P, Cargas Externa permitidas en Tanques Abiertos. Apéndice S, Tanques de Almacenamiento de Acero Austenítico. Apéndice T, Requerimientos. Apéndice T1, Respuestas Técnicas a Preguntas.




1.8.2. Norma BS 2654.

La Norma Británica: “Vertical Mild Steel Welded Storage Tanks, with Butt- Welded Shells, for the Petroleum

Industry, BS 2654 part. 1 - 1956”, en su prefacio menciona que dicha Norma fue diseñada para proveer a la industria petrolera de Tanques con adecuada seguridad, razonable economía y un rango de capacidad aceptable. La norma se divide en dos partes, la primera relacionada al diseño y la fabricación del Tanque, mientras la segunda parte se relaciona con la colocación, inspección y pruebas del mismo.

Los tipos de Tanques que abarca la presente Norma son:

Tanques no Presurizados de Techo fijo. Deberán ser capaces de trabajar a presión atmosférica, pero serán también diseñados para una presión interna de 0.7465 kPa y una presión de vapor entre el espacio interno del techo limitado a 5.6 kPa y un máximo de vacío de 0.6 kPa. Generalmente son de Techo Fijo (todos los tamaños).

Tanques Presurizados. Deberán ser capaces de trabajar a una presión interna de1.99 kPa y una presión de vacío de 0.622 kPa. Generalmente son de Techo Fijo, hasta 39.0 m de diámetro.

Tanques de Techo abierto. Estos tanques pueden ser diseñados acorde con estas especificaciones, para resistir condiciones de altas presiones y/o vacíos, esta norma provee los esfuerzos permitidos los cuales no deben ser excedidos, fabricados en todos los tamaños.

Esta norma no incluye el diseño ni la construcción de techos flotantes.




1.9 Planteamiento del Problema.

Durante el proceso de trabajo normal de los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento, existen diversas variaciones de presión originadas por diferentes causas. En un tanque, y específicamente de 560 bls, está siendo suministrado y desalojado continuamente. Cada vez que esto sucede, el Tanque se expande y se contrae continuamente; el vapor que se genera dentro del tanque es del líquido (crudo) cuando está almacenado en el interior del Tanque (Figuras 1-10 y 1-11), Los vapores en el espacio libre interior del tanque se concentran en la parte superior del tanque, es decir en el techo, y son desalojados al ambiente, posteriormente, con el vaciado se succiona aire fresco hacia el interior del tanque, propiciando nueva evaporación; cuando se realizan estos procesos se debe controlar la presión interna de los tanques, para lo cual se utiliza una válvula de alivio en la parte superior de los mismos, cuando esta válvula no funciona adecuadamente se originan sobrepresiones.

El acero de media resistencia con el cual está construido las placas del tanque aguanta bien la presión, pero el vapor intenta buscar salida por alguna parte y la encuentra en las válvulas de seguridad (alivio), o en cualquier otra parte que presente menos resistencia a su salida, que al no actuar bajo la presión a que han sido calibradas, origina que en algunos casos se vuelen las tapas de los tanques (el cual es el propósito de este estudio), se colapsen, estallen por el efecto de la sobrepresión o se presenten otros tipos de falla estructural como se mencionó anteriormente.

Figura 1-10. Evaporización del crudo dentro de un Tanque Atmosférico.

Si durante la operación, se manifiesta una falla debido a la presión interna, esta se generará en el punto “más débil”, esto es, en la unión techo envolvente. Por lo que se han diseñado las Juntas frangibles, las cuales tienen como objetivo que en caso de explosión, el tanque no salga despedido, sino solamente se desprenda parcial o totalmente la tapa del mismo (Figura 1-9f). Según la API [1.7], ese es el motivo por el cual de la




denominación de “techo frágil”, pero la misma Norma no tiene totalmente definido estos para todos los tamaños de Tanques. Por lo tanto, se debe primero conocer cuáles son las presiones de operación máxima y de falla, comprobar si los valores de diseño que utilizó la Norma API en Estados Unidos se aplican a condiciones muy diferentes en México y específicamente en la región norte del estado de Veracruz. Es decir, los mismos valores de presión y espesores ¿serán iguales en México que Estados Unidos?

Figura 1-11. Crudo en almacenamiento en el interior de un Tanque Atmosférico de Almacenamiento.

Se ha de hacer mención que en este proyecto, sólo se realizará el análisis estático del Tanque Atmosférico de Almacenamiento.

1.10 Plan de Trabajo.

1.10.1. Método Científico.

La filosofía fundamental de la ciencia y la ingeniería son totalmente diferentes. El científico se cuestiona o pregunta primero el por que de los fenómenos. Mientras que para el ingeniero, uno de sus principales objetivos, es poder disponer y utilizar fenómenos físicos en beneficio de la humanidad. Así, de esta manera, el método científico ha ayudado a evolucionar al ser humano en descubrir y comprender sistemáticamente los fenómenos naturales. El método científico es una propuesta de pasos que serán utilizados para ayudar a




comprender fenómenos no conocidos aún. En la Figura 1-12a, se muestran etapas básicas en un proceso del método científico; el cual es un proceso interactivo y que requiere para su desarrollo de un Plan de Trabajo. Así mismo, dicho Plan necesita tanto del análisis como de la experimentación. Los resultados que se obtengan deberán ser claros y en esencia, se buscará una solución o entendimiento a un fenómeno determinado. Para este proyecto, el problema a resolver se muestra en la figura 1-12b y se plantea cual es el plan de trabajo a desarrollar para resolver el problema de los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudos.

Observar un Fenómeno

Postular una teoría para explicar el

problema

Desarrollar y conducir un

experimento para validar la teoría.

Utilizando los resultados de la

prueba, dibujar las conclusiones para validar la teoría.

Replantear la teoría con base en los

resultados.

Repetir nuevamente cada paso si es

necesario y continuar hasta refinar la teoría.

El tanque de Almacenamiento de Crudo se expande o dilata y causa ruptura entre la envolvente y el techo

Excesiva presión Interna del Tanque, causado por la acumulación de gases dentro del mismo originan que el Tanque se le desprenda el Techo.

1. Comprender como opera y cómo se calcula el Tanque.2. Calcular Envolvente.3. Calcular placa del Techo.4. Calcular la presión de Falla.5. Definir si es una Junta Frangible o no.

Dibujar en ANSYS, un perfil del Tanque utilizando como datos los parámetros anteriormcalculados.

ente

Con los resultados obtenidos, observar cómo se comporta el Tanque y determinar las presiones de operación que causan la ruptura en la unión techo envolvente para validar o replantear la teoría.

Repetir nuevamente cada paso si es necesario y continuar hasta refinar la teoría.

(a) (b) Figura 1-12. a) Método Científico, b) Aplicación del Método Científico.




1.11 Referencias. [1.1] “Los Crudos Mexicanos, sus características”, Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE),

Cuernavaca, Morelos. Boletín mayo -junio 1998.

[1.2] William C. Lyions, “Standard Handbook of Petroleum and Natural Gas Engineering”, Texas, Edit. Gulf Publishing Company, 1996, ISBN 0-88415-642-7 (Vol. 1)

[1.3] “30 Años al Servicio de la Industria Petrolera Nacional”, Instituto Mexicano del Petróleo, México,

1995.

[1.4] “Operación de Baterías”, Petróleos Mexicanos (PEMEX), Exploración y Producción (PEP), Activo de Producción Poza Rica, Operación de Explotación , Primera Edición, Poza Rica, Ver., Junio 2000.

[1.5] Brian D. DiGrado & Gregory A. Thorp, “The Aboveground Steel Storage Tank Hanbook”, New

Jersey, Edit. Wiley-Interscience, 2004, ISBN 0-471-28629-X.

[1.6] Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI), 2004.

[1.7] “Welded Steel Tanks for Oil Storage, API Standard 650”, American Petroleum Institute (API), 10th Edition, Washington, D.C., November 1998.

[1.8] “Diseño de Tanques Atmosféricos, Norma 2.341.01”, Gerencia de Proyectos y Construcción,

Petróleos Mexicanos (PEMEX), 1a. Edición, México, 1979.

[1.9] “Vertical Mild Steel Welded Storage Tanks, with Butt- Welded Shells, for the Petroleum Industry, BS 2654 part. 1 - 1956”, British Standard (BS), UK, 1956.


CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE ESFUERZOS ENFOCADOS AL CASO DE ESTUDIO.

Se presenta un Análisis de Esfuerzos aplicado a la envolvente (casco) de un de un Tanque de Atmosférico de Almacenamiento. Se analiza la geometría del Techo del Tanque y cómo es esta afectada por la presión interna de operación del Tanque. En general se plantean las ecuaciones para calcular los espesores de diseño de las placas de la envolvente, techo y las presiones teóricas máxima y de falla. Todo lo anterior apoyándose en las Normas API-650 Y BS-2645. Se propone un proceso metodológico para todo este proceso.

TESIS DE MAESTRÍA Capítulo 2 Análisis de Esfuerzos Enfocado al Caso de Estudio


2.1 Diseño de la Envolvente del Tanque de Almacenamiento

Para el diseño de la envolvente, deben considerarse diversos aspectos principalmente el liquido a contener y uno de los puntos más importantes, los diversos esfuerzos a los cuales será sometida dicha envolvente cuando se encuentre en operación [2.1]. Los más importantes son:

Esfuerzos Circunferenciales (tensión). Lo mayores esfuerzos en la envolvente son los esfuerzos circunferenciales a tensión, la mas significativa, es por el calor del liquido contenido en el tanque, acompañada por la sobre presión que se forma entre el espacio vacío del mismo liquido y la cúpula del techo fijo de un tanque.

Esfuerzos Axiales (compresión). Estos tipos de esfuerzos se pueden presentar por diversa causas, como pueden ser:

El peso mismo del Tanque, la compresión en la envolvente, el techo, la carga extra en el techo por los accesorios y todos los accesorios alrededor del tanque.

La carga compresiva causada por el vacío interno en el Tanque cuando se descarga tanto el líquido contenido como los gases existentes dentro del Tanque.

La carga del viento que actúa en la evolvente del Tanque y la cual causa un efecto de “aplastamiento” en el lado que golpea el viento, induciendo una carga de compresión.

La misma geografía donde se vaya a colocar el Tanque, el probable esfuerzo de compresión causada por un sismo y la cual se transmita a la envolvente del Tanque.

Pandeo Vertical. La elasticidad del material de la envolvente permite que este se expanda radialmente cuando el tanque se esta llenando del crudo a almacenar; pero esta expansión está restringida en la junta piso envolvente y aun así, en la envolvente se presenta un esfuerzo vertical en esta área de unión en particular.




2.2 Esfuerzos en Recipientes Cilindricos Soldados.

El estudio de las presiones sobre los recipientes de paredes delgadas se centra tanto a presiones internas Pi, como externas P0 o ambas a la vez. Debido que en el tipo de falla que se está analizando, la presión interna tiene una mayor importancia que la presión externa ejercida sobre el Tanque de forma cilíndrica, por lo que se dará un mayor énfasis a su análisis.

Si el recipiente está sometido a la presión interna Pi (manométrica), esta misma se distribuye, de acuerdo al principio de Pascal, axialmente a lo largo del recipiente y radialmente sobre toda su pared cilíndrica, por lo cual la presión es uniforme en magnitud. Esta presión de alguna manera origina que el cilindro se “esponje” o “infle”. Si la presión actúa en sentido contrario, se deberá tener precaución, debido a que el vacío interno, las presiones o cargas externas pueden originar que el cilindro se colapse. [2.2]

En la Figura (2.1a) se observa un recipiente cilíndrico de longitud L, de diámetro interno D = 2r y externo d0 y espesor t de la pared. Si este recipiente está sometido a una presión interna Pi y externa P0, sus paredes soportarán esfuerzos los cuales pueden ser reducidos a un sistema de esfuerzos principales, según muestra la Figura (2.1b), como consecuencia de la uniformidad de este tipo de carga, donde se ha magnificado y orientado un elemento A de la pared del cilindro, y como se puede observar está sometido a los esfuerzos

normales σ1 en la dirección (σa) y σ2 en la dirección longitudinal o axial (σt), ambos esfuerzos ejercen

tensión sobre el material de las paredes del recipiente. Ahora bien, como la geometría es simétrica y la carga

es uniformemente distribuida alrededor de las paredes del cilindro, no hay esfuerzos cortantes por lo cual, σr

será igual a la presión con valor negativo.

Figura 2-1. Análisis de esfuerzos en un recipiente de pared delgada.




Ahora bien, para demostrar cómo se diseña la envolvente del tanque atmosférico de almacenamiento, algunos principios básicos de diseño de ingeniería deberán ser considerados. [2.2] [2.3] [2.4]

A continuación se realizará un análisis de los esfuerzos que se presentan, tanto circunferencial como longitudinalmente en un cilindro de pared delgada y su posterior aplicación en los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento.

2.2.1. Análisis de Esfuerzos Circunferenciales.

Para el esfuerzo circunferencial o anular σ1, se debe considerar que el recipiente esta seccionado junto con la

presión ejercida por el liquido o gas que lo contiene. Aquí solo se muestran las cargas en dirección a las paredes del recipiente. (Figura 2.2)

Figura 2-2. Diagrama de cuerpo libre del segmento del recipiente. [2.2]

Las fuerzas que actúan aquí son las causadas por la presión interna, las cuales son equilibradas por la fuerza originada por el esfuerzo longitudinal. Se debe tener presente que tanto la presión interna, como el esfuerzo, están expresados en unidades de fuerza sobre área. Equation Section 2’

Considerando la figura anterior como una sección de una media caña, su área será igual a:

σ =FA

(2.1)

Despejando F, e igualando

σ= ⋅ 1F A (2.2) σ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ 1(2 )iP L D L t (2.3)

Resultando:

σ ⋅ ⋅⋅ = =

⋅2i i

CP D P r

t t (2.4)




2.2.2. Análisis de Esfuerzos longitudinales.

Ahora bien, considérese que el cilindro se parte a la mitad para analizar los esfuerzos longitudinales σ2

(Figura 2-3).Cuando se analiza la pared del cilindro se asume que el esfuerzo σ2 actúa en paralelo a la

superficie del cilindro y en sentido contrario a la dirección de la presión interna Pi Las fuerzas que actúan aquí son las causadas por la presión interna las cuales son equilibradas por la fuerza causada por el esfuerzo longitudinal.

Figura 2-3. Esfuerzos circunferenciales en el recipiente. [2.2]

La formula del esfuerzo longitudinal se puede escribir como:

σ= ⋅ 2F A (2.5)

El área de la sección circular hueca es:

π π σ⎛ ⎞⋅

⋅ = ⋅ ⋅ ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠

2

2( )4iDP D t (2.6)

Resolviéndole esfuerzo de principal mínimo tendremos:

σ ⋅ ⋅⋅ = =

⋅ ⋅2 4 2i iP D P r

t t (2.7)

Comparando las ecuaciones 2.4 y 2.7, se observa que el esfuerzo circunferencial es 2 veces más grande que el esfuerzo longitudinal, en consecuencia las juntas longitudinales deben diseñarse para soportar dos veces mas esfuerzo que las juntas circunferenciales, por lo cual, ecuación 2.7 es la que servirá de punto de inicio para analizar los esfuerzos de la envolvente en un Tanque de Atmosférico de Almacenamiento.




2.3 Diseño de la Envolvente de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo.

Los espesores de las placas serán calculados a partir de la parte inferior de cada anillo, los cuales están formados de placas de un ancho w. Se requieren de varias placas para formar un anillo y varios anillos para formar un Tanque; la cantidad de anillos dependerá tanto de la altura máxima como del diámetro del Tanque [2.5]. En la Figura 2-4, se muestra como en forma general como se constituye un Tanque, los esfuerzos y presiones sobre el mismo y también la distribución de las placas uniones verticales están relativamente escalonados respecto a las uniones verticales de los anillos adyacentes, los cuales formarán membranas cilíndricas que son diseñados para resistir esfuerzos a tensión.

Figura 2-4. Distribución del esfuerzo y la presión en un Tanque Atmosférico de Almacenamiento. [2.5].

2.3.1. Diseño de Placas de la Envolvente del Tanque.

La pared o envolvente es el componente más grande y por lo tanto tiende a ser el más crítico del Tanque de Almacenamiento, abarca cerca de un 60 % del área total de estos. Para Tanques d Almacenamiento de 560bls, los anillos que forman las paredes de los tanques están constituidos de placas de un ancho w, usualmente alrededor de 1828.8 mm (72 pulg.). Existen cargas, que si las condiciones de la geografía del lugar, climatológicas, u operacionales las requieren deben ser anexadas al diseño siendo las mas importantes la: a) Presión hidrostática por altura de Liquido, b) Fuerzas inducidas por el Viento, c) Cargas Impuestas por Conexión de Tuberías, d) Cargas inducidas por Asentamiento del Tanque y e) Cargas Sísmicas. Estas cargas dinámicas no serán consideradas para el presente proyecto.




2.3.1.1. Cálculos para el Diseño de Espesores de la Envolvente, según API 650.

Ahora bien, para los cálculos de los espesores de diseño de la placas que formarán la envolvente de los tanques, se mencionará que las bases teóricas en las que se basan la información de diseño y construcción a nivel industrial son de la norma API-650 / 1988” [2.6]. En la Tabla 2-1, se presenta un concentrado las ecuaciones para cada método, según norma antes referida.

Método Ecuación del Espesor de las Placas

Diámetros de aplicación

Definición de las Variables

Método de 1 pie

(One Foot)

( ) ρσ

⋅ − ⋅ ⋅= +

4.9 0.3048d

d

H Dt CA

( )σ

⋅ − ⋅=

4.9 0.3048t

t

H Dt

60 m (200 ft) < D td= Espesor de diseño de las placas.

tt= Espesor de prueba hidrostática.

Método del Punto Variable

(Variable Point)

( ) ρσ

⋅ − ⋅ ⋅= +

4.9 /12dx

d

H x Dt CA

( )σ

⋅ − ⋅=

4.9 /12tx

t

H x Dt

D > 60 m (200 ft) x= API, la define usualmente con un valor mayor que 30.48 cm (12 in).

Apéndice A

(Appendix A)

( )( )

ρ⋅ − ⋅ ⋅= +

⋅4.9 0.3048

21,000H

t Cf

DA

15 m (50 ft) < D ρ= No debe ser menor de 1.

f= El valor de la Eficiencia de Junta esta entre 0.7 y 0.85.

(1) Donde: D: Diámetro; H altura de diseño del Líquido; ρ: gravedad Especifica; CA: corrosión admisible; σd: esfuerzo de diseño; σt: Esfuerzo de prueba Hidrostática

(2) Para las ecuaciones incluidas en esta tabla, son para el cálculo de tres anillos o más, la sección 3.6.4 de l API -650 contiene las ecuaciones para los dos primeros anillos.

Tabla 2-1. Ecuaciones de los Espesor de placa según API-650.

Como se puede observar, el valor de Eficiencia de Junta f (Tabla A-1), tanto para el método de “One Foot” como para Método del Punto Variable, es omitida o bien se asume que es igual a 1 o 100%. [2.7]

Los métodos de cálculo indicados en la Tabla 2-1, se describen brevemente a continuación:




Método de un Pie (One Foot). Este método calcula los espesores tomando que el punto de diseño de esfuerzo para el anillo considerado se sitúa a 0.3048 m (1 ft) arriba de la base del anillo en cuestión. Este método no podrá utilizarse para tanques con diámetros mayores a 61 m (200 ft). El valor mínimo a seleccionar es el mayor de los obtenidos de las ecuaciones indicadas en la Tabla 2-2; donde una de las ecuaciones considerará las condiciones de operación (Diseño) y la otra la prueba Hidrostática.

Método del Punto Variable. Se emplea con Tanques de gran Diámetro, este método calcula los espesores en los puntos donde el esfuerzo circunferencial real está muy cerca del admisible. Por tal motivo este método es de aproximación por tanteo. Con el se obtiene una reducción del espesor en comparación con el método de un “One Foot”.

Método del Apéndice “A”. Este método es un procedimiento que utiliza un esfuerzo admisible fijo, obteniéndose espesores mayores que los métodos anteriores. Su aplicación es recomendable para tanques de pequeña capacidad; este método se emplea generalmente en diámetros menores de 15 m (49.21 ft). Los cálculos de los espesores son muy similares al método de 1 ft, aunque existen tres principales diferencias, la primera es el esfuerzo permisible, el cual es aproximadamente igual a 145 Mpa (21,000 kpsi), independientemente del material utilizado, multiplicado por el factor de Junta (véase Tabla A-2). El Segundo, es la gravedad especifica, mínima es igual a 1, sin embargo los cálculos para los espesores para pruebas hidrostáticas del tanque no son requeridos. Y finalmente, los requerimientos del diseño de la materia por temperatura son más simples, ya que los materiales presentados (Figura 1-8), de los grupos I y II son utilizados arriba de los -29°C (-20 °F) y los grupos II y IV son utilizados arriba del -40°C (-40 °F).

En cualquiera de los métodos, para efectos de construcción los espesores mínimos, incluyendo el sobre-espesor por corrosión, pero en ningún caso será menor a los indicados en la Tabla 2-2.

Diámetro Nominal del Tanque Espesor Nominal de las placas (m) (ft) (mm) (in) <15 <50 5 3/16

15 a <36 50 a <120 6 ¼ 36 a 60 120 a 200 8 5/16

>60 >200 10 3/8 Tabla 2-2. Espesores Nominales para Placas de Envolventes. [2.6].




2.3.1.2. Análisis de los Espesores de Diseño de la Envolvente (Propuesta).

Partiendo de la fórmula básica de la presión: fuerza sobre área y sustituyendo la presión Pi en la ecuación 2.7:

σ ⋅=

⋅ ⋅2 4F D

A t (2.8)

La fuerza del líquido es en realidad el peso del mismo, con lo cual la formula quedará como:

σ ⋅=

⋅ ⋅2 4W D

A t (2.9)

Despejando t, y considerando que el peso es el producto del volumen del líquido contenido en el Tanque por su peso específico resultará en:

ρσ

⋅ ⋅=

⋅ ⋅ 24V Dt

A (2.10)

Ahora bien, como el tanque es un recipiente cilíndrico de pared delgada y la capacidad del tanque se mide en barriles de crudo (un barril es igual a 0.1589 m3 (5.61 ft³) [2.8]), igualamos la fórmula del volumen con la capacidad de un barril de crudo:

π⎛ ⎞⋅= ⋅ = ⋅ =⎜ ⎟

⎝ ⎠

230.1589

4DV A H H m (2.11)

Resultando en:

⋅ ⋅ = ⋅24.939 1D H m 3 (2.12)

Esto es, que el volumen de un metro cúbico de crudo dentro del tanque lo podemos definir como:

= ⋅ ⋅24.94V D H (2.13)

Sustituyendo V y despejando el valor del área A, en la ecuación 2.6:

ρπ σ⋅ ⋅ ⋅

=⋅ 2

4.94 Ht D (2.14)

Donde: H = Nivel total diseño del líquido a contener, en m (ft) D = Diámetro Nominal del Tanque, en m (ft) t = Espesor de la pared del cilindro, en mm (in) ρ = Peso específico del material a ser almacenado, en kg/m3 (lb/ft3) σ2 = Esfuerzo axial, en MPa (psi).




Para calcular los espesores mínimos requeridos de diseño de las placas de la envolvente del Tanque y debido a que este es soldado, debemos considerar el Factor de Eficiencia en la Junta f, el cual es una medida de la efectividad de la unión soldada (véase Tabla A-1, Anexo A), y sustituyendo en la formula 2-11 quedará de la siguiente manera:

ρπ σ⋅ ⋅ ⋅

=⋅ ⋅ 2

4.94 Htf

D (2.15)

Por ultimo, el esfuerzo axial se sustituye por el esfuerzo de diseño, por lo cual la formula quedará en forma definitiva como:

ρπ σ⋅ ⋅ ⋅

=⋅ ⋅

4.94d

d

Htf

D (2.16)

Donde: f = Factor de eficiencia de la Junta soldada. td = Espesor de diseño de las placas de la envolvente del tanque, en mm (in). σd = Esfuerzo de diseño, (2/3) σy o (2/5) σt, el que valga menos, en MPa (psi). σy = Esfuerzo de cedencia del material de las placas, en MPa (psi). σt = Esfuerzo de tensión, en MPa (psi). Se considera importante llegar a esta formula debido a que es con la cual Norma API-650 y la Norma Británica BS 2654 realizan el cálculo de diseño del espesor mínimo de las placas para la envolvente de los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento Soldados.




2.4 Diseño del Techo la Envolvente de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo.

2.4.1. Tipos de Techo.

Para los tanques cilíndricos básicamente hay 2 tipos de techos: 1) Autosoportados: tipo sombrilla (Domo) y cónicos; y 2) Soportados por una columna, tipo cónicos (Figura 2-5).

TECHOS FIJOS

(a)

(b)

(c)

(d) Figura 2-5. Tipos de Techos Fijos en Tanques Atmosféricos de Almacenamientos. [2.9].

42

Concretamente, los techos autosoportados, pueden ser estructuras soportadas por si mismo, siempre y cuando su diámetro sea de 30.48 m (100 ft) o menos, y deberán tener su techo totalmente soportado por las paredes del mismo. Para el caso de estudio en cuestión, se utilizarán techos cónicos (figura 2-6), con un

mínimo de pendiente ¾ in por cada 1 ft, es decir, 2/12 ≤ pendiente del techo (θ) ≤ 9/12 para asegurar un

drenaje adecuado.[2.5]




Al diseñar el techo, es importante entender el papel que juega la Presión interna sobre el mismo; esto es, se tiene que tener presente que la presión interna actúa tanto sobre las placas de fondo del Tanque, de la envolvente y del mismo techo. Debido a que la unión entre estos elementos forman un ángulo recto entre sí, originando concentraciones de esfuerzos, que al ir aumentando la presión interna generará incrementos de esfuerzos que pueden ocasionar fallas muy importantes en los Tanques.

2.4.2. Diseño del Espesor de la Placa del Techo.

Para realizar el análisis del espesor de diseño de las placas del techo tipo cónico se debe desarrollar las formulas necesarias basadas en la geometría del techo del Tanque (Figura 2-5).

43

Donde:

D = Diámetro del Tanque, en m (ft) R = Radio de curvatura de la periferia del Cono, en mm (in)

( )θ⋅= 6 DR

sen (2.17)

θ = Angulo de la pendiente del techo cónico con la horizontal, en grados (°).

Figura 2-6. Diagrama de cuerpo libre del techo cónico. [2.9].

θ = ⋅⋅

1000 6

i

t

PDsent

(2.18)

Donde: tt = Espesor de diseño de las placas del techo del tanque, en mm (in). Pi = Presión Interna del Tanque Atmosférico de Almacenamiento, en MPa (psi). El cálculo del espesor para las placas de los techos de los tanques varía de diferentes tipos de cargas, según API, para cargas muertas (su propio peso y los accesorios) es de 7.65 (psi) y cargas vivas (vientos, presiones normales de carga) de 25 psi, y es el valor equivalente para una placa de espesor mínimo de 3/16”[2.9].




θ

=⋅430 tDtsen

(2.19)

Donde: tt = Espesor de diseño de las placas del techo del tanque, en mm (in). D = Diámetro del Tanque, en m (ft).

La Norma API 650 utiliza un valor de:

θ

=⋅400 tDtsen

(2.20)

Como se puede observar, API redondea los valores de la formula.

2.4.2.1. Área de Compresión Requerida. Considérese las presiones sobre el tanque, específicamente entre las paredes de la envolvente y el techo del mismo, tal como se muestran en la Figura 2-7.

Figura 2-7. Presión sobre la envolvente y el Techo. [2.9]. El detalle de la unión techo envolvente se muestra en la figura 2-8.




Figura 2-8. Detalle de unión estructural techo-envolvente. [2.6].

El área de la sección de compresión debido a las presiones (véase figuras 2-7 y 2-8) es:

σ⋅

=⋅2 c

F DA (2.21)

Donde:

A = Área de compresión afectada, en mm2 (in2) D = Diámetro del Tanque, en m (ft) F = Fuerza radial resultado de la presión interna, en N (lbf). σc = Esfuerzo de compresión en el área del anillo superior, en MPa (psi).

Equilibrando las fuerzas que actúan en esta área:

( ) πθ⎛ ⎞⋅

⋅ ⋅ = ⎜ ⎟⎝ ⎠

2

4 iDF D F sen P⋅ (2.22)

Igualando las ecuaciones 2.19 y 2.20:

σ θ

⋅=

⋅

2

8 i

c

P DAsen

(2.23)

API recomienda un esfuerzo de compresión de 27.579 Mpa (4000 psi). Si la presión interna es de 2.172 kPa (0.315 psi), se sustituye esta información en la ecuación 2.21 y se tendrá:

( )

θ

⋅ ⋅=

⋅

2 20.135 144 /815000

D in ftA

sen

2

(2.24)




Resultando en:

θ

=⋅

2

2645 DA

sen (2.25)

API utiliza un valor cerrado para A, es decir,

θ

≈⋅

2

3000 DA

sen (2.26)

El área de compresión requerida deberá ser menor que el valor calculado para A, utilizando las especificaciones de fabricación de API 650. Cuando el área de compresión sea determinada para una junta frágil, el área de compresión deberá ser considerada en el punto de inicio de la elevación del techo.

π= ⋅ ⋅ 2iW P r (2.27)

Donde: r = Radio del Tanque, en m (ft) W = Peso del techo del tanque más la envolvente, en kg (lb) Pi = Presión Interna, en MPa (psi). Sustituyendo el esfuerzo de cedencia σy, el cual API indica de 32,000 psi para el material a utilizar, y

sustituyendo en las ecuaciones 2.24 y 2.26, se tendrá que:

θ

⋅=

⋅0.159

32,000WAtg

(2.28)

Esta nueva área de compresión deberá ser aceptable para una Junta de Techo Frágil. La norma API -650 utiliza un valor de:

θ

⋅=

⋅0.153

30,800WAtg

(2.29)

Donde: A = Área de participación de la Junta Techo Envolvente (Fig. 2-8) W = Peso del techo del tanque más la envolvente, en kg (lb) θ = Ángulo de la pendiente del techo, en grados (°)




2.4.3. Junta de Techo Frágil (Frangible Joint).

2.4.3.1. ¿Qué es un Techo Frágil? Frágil es una palabra que significa simplemente fácil de romper. Sin embargo, en el contexto de Tanques de Almacenamiento, la palabra tiene otra connotación bien definida para la API-650. Un techo frágil es la junta o unión entre la envolvente y el techo unidad por medio de un ángulo de refuerzo y este conjunto preferentemente deberá fallar en el momento que exista una sobrepresión dentro del Tanque. De esta manera, la unión fallará antes de que ocurra una falla en otro componente del Tanque, como podría ser la misma envolvente, el fondo del Tanque, la Junta Envolvente-Piso, lo cual podrá permitirá que estos elementos permanezcan intactos. Al final el probable daño en el techo será de menor consecuencia que si se presentará en otra parte del Tanque (Figura 2-9)

Figura 2-9. Explosión en un Tanque sin Techo Frágil [2.9].




2.4.3.2. ¿Por qué es necesario una Junta Frágil? Como se observa en la Fig. 2.9, el tanque que sale “volando” como consecuencia de una explosión originada por una sobrepresión interna. La Junta Techo-Envolvente comienza a separarse en función de la cantidad de gas o vapores que pueda ser generado antes y durante el evento de falla.

En la práctica, compañías petroleras y complejos petroquímicos por mencionar algunos; tiene como norma la Junta Frágil como una opción de emergencia. Mas es necesario aclarar que el costo de este tipo de unión no debe ser considerando dentro del rubro de dispositivos de emergencia. La experiencia ha demostrado que los tanques con Juntas Frágiles han mantenido la integridad de la envolvente del Tanque y su piso durante eventos, tales como: ventilación de emergencia, explosiones e incendios [2.9].

2.4.3.3. Criterios para la selección de una Junta Frágil La sección 3.10.2.5 de la norma API-650, define los criterios de fragilidad del techo:

1. El techo deberá ser del tipo cónico que no exceda una pendiente de ¾ pulg por cada 1 ft, es decir, 2/12 ≤ pendiente del techo.

2. La soldadura utilizada en las entre las placas del techo y el ángulo de refuerzo (figura 2.8) no deberá exceder 3/16 de pulg.

3. La sección transversal de la región de compresión en la junta techo-envolvente no deberá exceder el área por la ecuación 2.29.

4. Los detalles del techo frágil deberán ser acordes a la Norma API-650

2.4.3.4. Limitaciones de la Fragilidad del Techo. Aunque es deseable tener techos frágiles en todos los Tanques de Almacenamiento, esto no es posible. La experiencia los techos frágiles no son viables en tanques de diámetros pequeños. [2.9]

Para comprender el efecto del diámetro en la fragilidad del techo, obsérvese la figura 2-10. Nótese la altura requerida para incrementar la fragilidad en tanques de diámetros pequeños. Aun con la pendiente mínima del techo para tanques menores de 9.14 m (30 ft), la altura de la envolvente es impráctica y sin embargo, no es posible tener una Junta Frágil. En la gráfica 2-10, muestra la altura mínima requerida para satisfacer el




requerimiento de la junta frágil de la API-650; se observa que para incrementar la pendiente del techo se debe incrementa la altura del tanque.

Altur

a míni

ma, e

n ft

Diámetro del Tanque, en ft

Figura 2-10. Requerimientos de altura para Techos Frágiles. [2.9]. Para la figura anterior se utilizó como base un espesor de placa de la envolvente de 3/16”, 3/16” del techo, un ángulo de refuerzo de 2”x2”x ¼” y no se considera el del techo.




2.5 Placas del Fondo de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo.

Como el análisis de este trabajo no abarca el cálculo de las placas de fondo del tanque, solamente se mencionará que estas placas deben de soportar el peso del líquido a contener y a su vez estas realizan la presión sobre el suelo que las soporta. Las placas deberán tener como mínimo 6 mm (1/4 pulg.), excluyendo el sobre-espesor por corrosión. El ancho de estas placas son igual o mayor a 1800 mm y su distribución o arreglo debe ser tal que ningún caso la distancia entre nodo y la pared del Tanque sea menor de 305 mm. La proyección mínima exterior del fondo (a) es de 25.4 mm (Figura 2-11a) y deberán ser soldadas a traslape como se indican en la Figura 2-11b. La formula para calcular el espesor mínimo de las placas de fondo es:

( )ρ

⋅=

⋅ 0.5215 b

pftt

H (2.30)

(a) (b) Figura 2-11. Distribución de las Placas de Fondo. [2.5].




2.6 Presión Interna de Diseño, Máxima y de Falla en Tanques de Almacenamiento.

Para desarrollar la presión de diseño donde un tanque ha sido construido, un factor de seguridad (η) deberá

ser seleccionado. Reconociendo que el acero tiene una gravedad específica de 7.9 veces (8 para efecto de cálculo) [2.8], que el agua y restándole la presión interna para encontrar la fuerza neta hacia arriba, se tendrá que:

( ) πη

⎛ ⎞⋅− ⋅ =⎜ ⎟

⎝ ⎠

2

84iDP t W (2.31)

Donde: Pi = Presión Interna, en MPa (psi). t = Espesor de la placa del techo, en mm (ft) η = Factor de seguridad.

( )πη

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⋅⋅ ⋅ ⋅ − =⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

2 2 2

2 2/ 1440.03603 8i

lb in in D WP tinWC ft ft

(2.32)

Resolviendo, se tiene:

( )η

⋅ − =24.0738 8iWD P t (2.33)

Y despejando el peso W:

( )η= ⋅ ⋅ −24.0738 8iW D P t (2.34)

π σ θ

=⋅ ⋅ ⋅2

WAtg

(2.35)

Sustituyendo el valor del peso del techo del tanque, ecuación 2.32 en 2.38, se tendrá:

( )ηπ σ θ

⋅ ⋅ ⋅ −=

⋅ ⋅ ⋅

24.0738 82

iD P tA

tag (2.36)

Considerando un factor de seguridad η = 1.6 y un valor de esfuerzo permisible de 137.896 MPa (20,000 psi)

resultará:




( )σ θ⋅ −

= ⋅⋅

2 81.0385 i

y

D P tA

tg (2.37)

Sustituyendo el valor del esfuerzo de cedencia y despejando la presión interna, se obtiene:

θ⋅ ⋅= +2

30,800 t 8iA gP

Dt (2.38)

Siendo la ecuación anterior, la formula de la presión interna efectiva del tanque.

Para limitar el valor de la presión interna del tanque y que no exceda el valor de la presión interna efectiva, además de considerar una altura de 1 ft, y utilizando la ecuación 2.33,

⋅= + =

⋅ 2 20.24558

4.0738iWP t

D D+ 8W t (2.39)

Si se considera un factor de seguridad η=1, en la ecuación 2.33 la presión de falla de un tanque puede ser

determinada. Para diseño, se considera un factor de seguridad η=1.6, esto es:

( )π

⋅⋅ ⋅ − =

⋅ 241.6 12.8i

WP D tD

(2.40)

Para una presión de falla, el factor de seguridad será de η=1 y:

π

⋅= +

⋅ 24 8f

WPD

t (2.41)

Y esta es la ecuación que API utiliza para determinar la presión de falla.




2.7 Referencias.

[2.1] Bob Long & Bob Gardner, “Guide to Storage Tanks and Equipment”, UK, Edit. John Wiley and Sons, 2004, ISBN 1-86058-431-4

[2.2] R. C. Hibbeler, “Mecánica de Materiales”, Sexta edición en Español, México, Pearson-Prentice Hall, 2006. ISBN 970-26-0654-3

[2.3] Merhyle Franklin Spoots & Terry E. Shoup, “Design of Machine Elements”, 7th ed., USA, Edit. Prentice-Hall, 1998, ISBN 0-13-726167-5

[2.4] Joseph E. Shigley & Charles R. Mischke, “Diseño en Ingeniería Mecánica”, Sexta edición en Español, México, Pearson-Prentice Hall, 2002. ISBN 970-10-3646-8

[2.5] Edwin H. Gaylord, Charles N. Gaylord & James E. Stallmeyer, “Structural Engineering Handbook”, 4th Ed, USA, Mc Graw Hill, 1997. ISBN 0-07-023724-7.

[2.6] “Welded Steel Tanks for Oil Storage, API Standard 650”, American Petroleum Institute (API), 10th Edition, Washington, D.C., November 1998.

[2.7] Brian D. DiGrado & Gregory A. Thorp, “The Aboveground Steel Storage Tank Handbook”, New Jersey, Edit. Wiley-Interscience, 2004, ISBN 0-471-28629-X.

[2.8] Theodore Baumeister, Eugene A. Avallone, Theodore Baumeister III, “Mark’’s Manual del Ingeniero Mecánico, Vol. 2”, 2da. Edición en Español, México, Mc Graw Hill, 1984.

[2.9] Philip E. Myers, “Aboveground Storage Tanks”, USA, Mc Graw Hill, 1997, ISBN 0-07-044272-X.


CAPÍTULO 3 DISEÑO ANALÍTICO Y NUMÉRICO.

Se calculará el espesor de las planchas de los Tanques, por análisis de fallas, procedimiento API y las formulas desarrolladas en el capitulo anterior, utilizando el programa MathCad®. También se analizará por medio del Método del Elemento Finito las presiones y el comportamiento del Tanque con las presiones calculadas con la ayuda del programa de computo ANSYS®.

TESIS DE MAESTRÍA Capítulo 3 Diseño Analítico y Numérico.


3.1 Aspectos Generales.

Como se ha mencionado a lo largo del trabajo, si bien se ha descrito que es lo que sucede en la envolvente del tanque, desde su cálculo de diseño hasta como se comporta durante su operación, la falla a analizar se centra exactamente en la unión techo-envolvente por lo que se concentrarán los cálculos a realizar.

Se necesita conocer ¿cuál es el espesor de diseño de la envolvente?, por que en función de esto, podremos conocer los espesores de las placas que se requieren tanto en fondo del tanque como en el techo. Primeramente se realizarán los cálculos los espesores de diseño utilizando el criterio de Falla de la Teoría de

Deformación Máxima – Von Mises; por los métodos de “One Foot”,”Punto Variable” y del Apéndice “A” de la Norma API-650 y por la fórmula propuesta durante el desarrollo del trabajo. En segundo término, se procede a calcular el espesor de diseño de las placas del techo del Tanque de Almacenamiento. Posteriormente, se calculan los valores de las presiones de Diseño, Máxima y la presión de Falla de del Tanque, para saber como se comporta éste, al ser sometido a las presiones anteriormente mencionadas. Todos los cálculos matemáticos a realizar para se trabajará con el programa MathCad®.

Con los datos de espesores y presiones, además de los datos del material seleccionado para las placas, se modelará el Tanque en el programa ANSYS®. ¿Qué se espera obtener?, primero, cómo se comporta el Tanque construido con diferentes espesores de la envolvente y bajo las diferentes presiones que ya se han mencionado y por último saber teóricamente en qué momento falla el Tanque y si esta falla se manifiesta donde se considero el análisis.

3.1.1 Programa MathCad®.

Mathcad® es un software de cálculo técnico utilizado en la industria. Este programa es versátil y permite elaborar desde ecuaciones sencillas, matrices, integrales, graficas hasta programar. La hoja de trabajo del programa permite trabajar de ecuaciones, texto, gráficos, y otros artículos.

La ventaja de utilizar este programa radica en que ya elaborado todo el procedimiento que se requiere, posteriormente solo con cambiar los valores de entrada y todo el calculo se actualiza automáticamente. También permite ingresar los valores en un sistema de unidades y que “entregue” el resultado en un diferente, esta es una ventaja cuando se necesita comparar resultados en dos sistemas de unidades al mismo tiempo.




3.2 Cálculos de Diseño del Espesor de la Envolvente

3.2.1 Teoría de Falla (Von Mises).

51




3.2.2 Método de “One Foot” (API-650/1998).




3.2.3 Método del “Apéndice A” (API-650/1998).




3.2.4 Método del “Punto Variable” (API-650/1998, BS 2645).




3.2.5 Propuesta del Proyecto de Tésis (basado en el método de “One Foot”).




3.3 Cálculos de Diseño del Espesor del Techo.

3.3.1 Cálculo del Area de Compresión Requerida para la Junta Techo – Envolvente (API 650).




70




3.3.2 Cálculo de la Presión Interna de Diseño, la Presión Máxima y la Presión de Falla.




3.4 Modelado del Problema por el Analisis del Elemento Finito (ANSYS®).

El análisis del Método del Elemento Finito (FEM, Finite Element Method), es una poderosa herramienta para determinar los esfuerzos y deformaciones en una estructura que puede ser muy compleja mediante su análisis clásico. Esencialmente, la técnica consiste en dividir la estructura geométricamente en elementos más pequeños, permitiendo que sus características de esfuerzos y deflexión puedan ser definidas más fácilmente.

El FEM se basa en arreglos de ecuaciones de grandes matrices, sin embargo, el método consiste fundamentalmente en conceptos simples que envuelven básicamente ecuaciones de rigidez y deflexión. El FEM no esta restringido solamente a determinar los esfuerzos y deformaciones, además con el apoyo de programas comerciales pueden resolverse análisis de: Problemas de Estática, Análisis de Frecuencia Natural, Análisis de Transitorios Dinámicos, Análisis de Respuestas Harmónicas, Análisis de Transferencia de Calor, etc.

Este método puede parecer complicado debido a que el modelo de una estructura puede tener cientos o miles de elementos, cada uno con un determinado numero de ecuaciones. Por lo cual, y debido al gran número de ecuaciones y datos correspondientes que envuelven al análisis, actualmente el FEM es resuelto con programas comerciales tales como: ANSYS, COSMOS, ASTRA, NASTRAN, SAP, etc. En la mayoría de los casos estos programas requieren que el usuario solamente conozca como mínimo, el saber preparar correctamente los datos de entrada. Específicamente las instrucciones de entrada varían de programa a programa, pero todos requieren que la estructura deba ser modelada.

3.4.1 Planeación del modelo de la estructura.

Como primer paso se dibuja el perfil del tanque, el cual en forma general se divide en tres partes igura 4.1, las cuales son el piso del Tanque, la Envolvente, y el techo del mismo borde de ataque. Estos tres grandes componentes son los que en conjunto soportan las presione internas que se generan cuando está en operación el Tanque de Almacenamiento.

Primeramente, se tendrán las medidas físicas del un Tanque de 4.57 m (15´) de diámetro por 5.49 m (18´) de altura total, el espesor de las placas del piso será aprox. de 6 mm, para el espesor de la envolvente se utilizarán valors de: 3.25, 4.75, 6 y 6.25 mm, el espesor de las placas de techo de 5mm y el ángulo de refuerzo




será de …………….... A partir de esta dimensión se procede a dibujar la sección en ANSYS®. Se dibujará el perfil del tanque con los valores ya mencionados, y servirán para realizar el análisis que se necesita.

Figura 3-1. Explosión en un Tanque sin Techo Frágil [2.9].

3.4.2 Elección de los elementos a utilizar en este análisis.

Los Elementos y nodos en las coordenadas de los elementos son numerados e introducidos al programa. Adicionalmente, las propiedades del material tales como el Modulo de Young, Relación de Poisson y la densidad son requeridos junto con las condiciones de frontera como son los desplazamientos, cargas aplicadas, presiones y velocidades (donde sea aplicable). Algunos programas sofisticados requieren solamente de la descripción del modelo. Los datos de entrada tales como los números de nodos y de elementos y la aplicación de las fuerzas distribuidas son automáticamente generados. Los datos son procesados y la computadora muestra resultados de desplazamiento nodal y de rotación donde fueron aplicados; también resultados de esfuerzo de tensión y esfuerzos cortantes son entregados.

El programa de ANSYS® proporciona una gran variedad de elementos a utilizar, no todos estos se pueden emplear en un estudio, este programa cuenta con la opción de ejecutar diferentes tipos de análisis, como por ejemplo análisis térmico, estructural, de flujo, eléctrico, entre otros, para trabajar en dos y tres dimensiones, de acuerdo a las necesidades de cada proyecto. Para éste análisis estructural se cuenta con una amplia variedad de elementos a utilizar, el elemento que cumplió con las características del análisis es el “SHELL61”, el cual se describirá a continuación:




3.4.2.1. Elemento: “SHELL61 – Axisymmetric – Harmonic Structural Shell”.

El SHELL61 es un elemento que tiene cuatro grados de libertad en cada nodo: t traslación en la dirección

nodal x, y y z y rotación con respecto a los ejes nodales z. las cargas pueden ser axisimétricas o no

axisimétricas. La orientación en los extremos cónico del elemento resulta en un elemento cilíndrico o un elemento de disco anular. Este tipo de elementos pueden tener una variedad de espesores lineales.

Datos de Ingreso. La geometría, localización de nodos y el sistema de coordenadas para este elemento se muestran en la Figura 3-2. El elemento es definido por dos nodos, dos espesores, un numero de ondas harmónicas, una condición de simetría y las propiedades ortotrópicas del material. Las direcciones ortotrópicas del material corresponden a las direcciones de las coordenadas del elemento 3.2.

Figura 3-2. Geometría y localización de los nodos para el elemento SHELL61. [2.9]. Sdemás de los nodos, el elemento incluye datos de espesores (solamente si KEY OPT(3) =3) y las propiedades orthotropicas del material. Las direcciones corresponden al matrial orthotropico y estas a las direcciones de coordenadas del elemento. El sistema de coordenadas de orientación del elemento están descritas en el sistema de coordenadas.

Las presiones pueden ser introducidas en las cargas superficiales, como se muestra en los numeros dentro del circulo en la fugura 3-2. ñas presiones positivas actuan dentro del elemento. Se puede especificar las temperaturas y fluencias como carga del cuerpo del elemento y los nodos. El nodo I temeprarura T(I) es fenido por TUNIF. Si las demás temperaturas no son especificadas, por definicón son iguales a T(I). si las esquinas de los nodos son especificadas, en cada punto medio de cada nodo se deberdio de cada nodo adhisente uno



Análisis Estructural en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de 78

de otro. Para la fluencia ocurre algo similar excepto que el cero deberá ser indicado para TUNIF. Un resumen de los datos de ingreso del elemento se da en la tabla 3.1

Nombre del elemento. PLANE2 Nodos. I, J ,K, L, M, N Grados de libertad. UX, UY

Constantes reales. Ninguna, si KEYPOT (3)= 0,1 o 2 THK, espesores si KEYPOT (3)=3

Propiedades del material. EX, EY, EZ, PRXY, PRXZ o (NUXY, NUYZ, NUXZ), ALPX, ALPY, ALPZ (o CTEX, CTEY o THSX, THSY, THSZ), DENS, GXY, DAMP

Cargas de superficie Presión: Cara 1 (J-I), Cara 2 (K-J), Cara 3 (I-K),

Cargas de cuerpo. Temperaturas: T(I), T(J), T(K), T(L), T(M), T(N) Fluencia: FL(I), FL(J), FL(K), FL(L), FL(M), FL(N)

Rasgos especiales. Plasticidad, Creep, Swelling, Esfuerzo rígido, grandes deflecciones, grandes deformaciones, Birth and death, adapticvidad descendiente e importantes esfuerzos iniciales.

Tabla 3-1. Datos de ingreso para el elemento viga que en éste caso se adoptó [39].

Datos de Salida. La solución obtenida asociada con el elemento está en dos formas:

• Desplazamientos nodales incluidos en la solución nodal total. • Obtención de elementos adicionales como se muestra en la figura 3-3.

Figura 3-3. Esfuerzos de Salida del elemento PSHELL61. [2.9].




Las direcciones de los esfuerzos del elemento son paralelas al sistema de coordenadas del elemento. Los esfuerzos en la superficie están disponibles en alguna cara teniendo específicamente una presión diferente de cero. Los esfuerzos en la superficie están definidos paralela y perpendicularmente a la línea de la cara (por ejemplo, la línea I-J) y a lo largo del eje Z para un plano de análisis o una dirección circunferencial para un análisis axissimétrico.

Algunas propiedades que se pueden obtener en este tipo de elemento se muestran en la tabla 3-2

Nombre Definición EL Número de elemento

NODES Nodos de las esquinas( I, J, y K)

MAT Número de material

THICK Espesor promedio del Elemento

CENT: X, Y, Zb Localización global X, Y, Z

PRES Presión P1 en los nodos I, J, K, L; P2 en I, J, K, L; P3 en J, I; P4 en K, J; P5 en L, K; P6 en I, L

TEMP Temperaturas T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8

T (X, Y, XY) En el plano del elemento X, Y y fuerzas XY

M (X, Y, XY) Elemento X, Y y momentos XY

FOUND.PRESS Presión fundada (si no vale cero)

LOC Arriba, en medio o abajo

S: X, Y, Z, XY Esfuerzos de membrana combinados y esfuerzos flectores

S: 1, 2, 3 Esfuerzos principales

S: INT Intensidad de esfuerzos

S:EQV Esfuerzos equivalentes




3.4.3 Presión Interna de Diseño en el Tanque.

Figura 3-1. Comportamiento del Tanque bajo la presión Interna de Diseño.

3.4.4 Presión Máxima en el Tanque.

Figura 3-2. Deformación del Tanque bajo la presión Máxima.




Figura 3-3. Deformación del Tanque bajo la presión Interna de Diseño.

3.5 Referencias. [3.1] T. Baumeister, E. A Avallone, T. Baumeister III. Mark’s Manual del Ingeniero Mecánico Vol. 1.

2da. Edición en Español, Edit. Mc GrawHill. México. ISBN 0-07-004123-7

[3.2] Welded Steel Tanks for Oil Storage, API Standard 650, American Petroleum Institute (API), 10th Edition, Washington, D.C., November 1998.

[3.3] Welded Steel Tanks for Oil Storage, API Standard 650, American Petroleum Institute (API), 10th

Edition, Washington, D.C., November 1998.


CAPÍTULO 4 EVALUACIÓN DE RESULTADOS.

Se mostrarán y comparan los resultados obtenidos en el capítulo anterior. Mostrándose además de una manera gráfica las diferencias encontradas entre estas y con la Norma API-650.

TESIS DE MAESTRÍA Capítulo 4 Evaluación de Resultados


Con base en los resultados obtenidos, y los cuales se muestra a continuación:

Criterios de Análisis

Espesor, en mm

Área de Compresión,

en mm2

Presión de Diseño, en KPa

Presión de Máxima, en

KPa

Presión de Fractura, en

KPa Método de “One

Foot” 3.88 15,040 17.03 16.55 20.69

Método del Punto Variable 3.96 15,149 17.048 16.61 20.76

Método del Apéndice “A” 3.95 15,135 17.043 16.60 20.75

Valor Recomen-dado por API 4.76 16,306 17.52 17.21 21.52

Valor Recomen-dado por BS-

2654 5.01 16,663 17.67 17.40 21.75

Teoría de Falla de Von Mises 5.87 18,059 18.24 18.13 22.67

Análisis Propuesto 3.22 14,184 16.66 16.11 20.14

Valores Propuestos 6.00 18,277 18.33 18.24 22.81


CONCLUSIONES.

Se mencionarán las conclusiones de este proyecto.

TESIS DE MAESTRÍA Conclusiones


Este estudio incluye un análisis estructural estático en la junta Techo- Envolvente y un modelo del Tanque.

Con respecto de los resultados derivados de la aplicación de los diferentes criterios de diseño de la Norma API-650/1988, se puede decir:

Metodo de 1 ft describir los resultados obtenidos en cada caso.

Metod

Metodo

Basados en los diferentes métodos de la API, que el espesor de diseño ha utilizar en Tanques de menores de 15m de diámetro, es de 5 mm calculados por el del Apéndice A, que es muy similar al recomendado por la Norma (Tabla 1-1), y es el que también utiliza la Norma BS-2654 y la API-650.

Al utilizar este valor de espesor de diseño de 5 mm, se encontró que los valores de Presión Máxima (17.4 kPa) y Presión de Falla (21.01 kPa) están por debajo alrededor un 9.5% de los recomendados por la misma Norma API, lo que origina que teóricamente la presión de Falla se presente antes de lo previsto.

La presión de falla calculada utilizando API-650, es significativamente menor que la predicha utilizando el análisis del elemento finito.

4. Con los resultados obtenidos, una propuesta, es aumentar el espesor de diseño mínimo que propone el API-650 de 4.765 mm a 6 mm, en la práctica el espesor inmediato superior comercial existente es de 6.3 mm (0.25”)

utiliza un valor de espesor de diseño de 6 mm, y con este espesor de placas se dan exactamente los mismos valores de Presión Máxima (18.25 kPa) y de la Presión de Falla (22.81 kPa) que recomienda API y es en esta ultima presión donde se presenta la fractura en la unión Techo-Envolvente.

El diseño de las juntas de techos frágiles para Tanques de Techo cónico autosoportados con un diámetro menor de 9.14 m (30 ft) no es viable.


RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS.

Primero se calculará el espesor de las planchas de los

Tanques, por diferentes métodos y procedimientos,

posteriormente comparar resultados y posteriormente con

toda la información aplicarla al programa ANSYS para

observar los resultados.

TESIS DE MAESTRÍA Recomendaciones para Trabajos a Futuro


Con base en la información obtenida durante la elaboración de este proyecto, así como de los resultados obtenidos durante el mismo, se recomienda como continuación y complemento a este trabajo:

• El análisis detallado de cargas dinámicas como por ejemplo debido a fuertes vientos, las originadas por sismos, en las mismas uniones de las tuberías de cargas y descargas a los tanques.

• Un estudio detallado de Mecánica de la Fractura precisamente en la unión Techo-Envolvente del Tanque de Almacenamiento, con el objetivo de conocer cómo se forma la grieta que a la larga generará la separación del Techo con el ángulo de refuerzo del mismo

• Investigar más acerca de la Junta Frágil, actualmente se están realizando estudios a nivel Internacional para replantear los criterios de diseño en esta Junta.

•


ANEXOS ANEXO A.

En este anexo se presentan aspectos generales relacionados

con la soldadura a utilizar en las Juntas de las placas que

conforman los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento.

TESIS DE MAESTRÍA Juntas Soldadas.


A.1 Juntas Soldadas.

En este punto es necesario aclarar, que no se desea hacer una descripción detallada de lo que es la soldadura, pero si mencionar aspectos importantes relacionadas para el realización de este proyecto

A.1.1. Tipos de Juntas.

Las cargas en un diseño de acero soldado se trasfieren de un elemento a otro mediante soldaduras aplicadas en uniones soldadas. Se deberá especificar el tipo de Junta (Figura A-1) y el tipo de soldadura (Figura A-2). Esto permitirá conocer los esfuerzos a que será sometida tanto la soldadura como el material base.

(a) Junta a tope (Envolvente). (b) Junta en Esquina (anillo de

refuerzo). (c) Junta a Traslape (piso)

(d) Junta a traslape (e) Junta Tipo T (Junta

Envolvente –piso)

Figura A-1. Tipos de Juntas (según ANSI/AWS A 3.0-85) [A.??].




Figura A-2. Tipos de Soldaduras (según ANSI/AWS A 3.0-85) [A.??].

A.1.2. Juntas en la Envolvente del TAA.

A.1.2.1. Juntas Verticales en la envolvente (Casco). Las juntas verticales deberán estar a tope, con fusión y penetración completa, lo cual se podrá lograr con soldadura doble, de tal forma que se obtenga la misma calidad del metal depositado en el interior y el exterior de las partes soldadas para cumplir con los requerimientos del procedimiento de soldaduras. Las juntas verticales no deberán ser colineales, pero deben ser paralelos entre sí en una distancia mínima de 5 veces el espesor de la placa (5t). (Figura A-3).

(a) Junta a tope con bisel sencillo en V.

(b) Junta a tope con bisel sencillo en U.

(c) Junta a Tope con bisel doble en V

(d) Junta a tope con ranura rectangular

(e) Junta a tope con bisel doble en U

Figura A-3. Tipos de Juntas Verticales en Envolventes. [A.??]




A.1.2.2. Juntas Horizontales en la envolvente (Casco). Este tipo de juntas tendrán fusión y penetración completa en una longitud mínima de 76 mm (3 in) a cada lado de las juntas verticales, excepto la que se realiza entre el ángulo de coronamiento y el cuerpo. (Figura A-4).

(a) Junta a tope con penetración completa en el ángulo con la envolvente.

(b) Alternativa de Junta del ángulo con la envolvente

(c) Junta a Tope con penetración completa en bisel sencillo

(d) Junta a tope con penetración completa con ranura rectangular

(e) Junta a tope con penetración completa en bisel doble.

(f) Junta a tope con penetración parcial en bisel doble

Figura A-4. Tipos de Juntas Horizontales en Envolventes (según API- 650, 3.1.5.3) [A.??]

A.1.2.3. Juntas en el Fondo y en el Techo del TAA.

(a) Junta traslapada en las planchas del techo. (b) Juntas del techo con la envolvente.

(c) Junta a Traslape de filete completo y soldadura sencilla (planchas de fondo)

(d) Junta de la envolvente con el fondo

Figura A-5. Tipos de Juntas en el Fondo y en el Techo (según API- 650) [A.??]




A.1.2.4. Distorsiones permitidas en las juntas. La distorsión que se permite en el momento de unir las placas muestra en la figura A-6.

Figura A-6. Distorsión permitida en los diferentes tipos de Juntas en Envolventes. [A.??]




A.1.2.5. Factor de Eficiencia en las juntas.

Factor de Eficiencia de la Junta, E Cuando la Junta es Tipo de Junta Descripción de la Junta a.

Radiografiada Totalmente

b. Examinada por

Zonas

c. No examinada

1

Juntas a tope hecha por doble cordón de soldadura o por otro medio con el que se obtenga la misma calidad de metal de soldadura depositada sobre las superficies interior y exterior de la pieza. Si se emplea placa de respaldo, debe quitarse esta después de terminar la soldadura.

1.00 0.85 0.70

2

Junta a tope de un solo cordón con ira de respaldo que queda en su lugar después de soldar

0.90 0.80 0.65

3

Junta a tope de un solo cordón sin tira de respaldo

___ ___ 0.60

4

Junta a traslape de doble filete completo ___ ___ 0.55

5

Junta a traslape de un solo filete completo con soldaduras de tapón

___ ___ 0.50

6

Junta a traslape de un solo filete completo sin soldaduras de tapón.

___ ___ 0.45

Tabla A-1. Factores de Eficiencia de Juntas soldadas Norma (Fuente: ASME, Tabla UW-12) [A.??].




A.1.3. Electrodos utilizados en las juntas de los TAA.

La AWS – A 5.1, establece que para materiales sometidos a esfuerzos de tensión iguales o menores a 550 MPa (80 Kpsi), los electrodos a utilizar son manuales de arco eléctrico conforme a la clasificación E60XX y E70XX. Las características de estos electrodos se muestran en la Tabla A-2.

Nivel de Esfuerzo de la soldadura (Electrodo) E-60XX E-70XX E-80XX E-90XX E-100XX E-110XX E-120XX

Esfuerzo cortante permisible (1000 lb/in2), en filete de soldadura

τ = 18 21 24 27 30 33 36

Esfuerzo cortante permisible (1000 lb/in2), en filete de soldadura

f = 12.73*w 14.85*w 16.97*w 19.09*w 21.21*w 23.33*w 25.45*w

Long. w, en pulg. Fuerza por unidad de longitud, (1000 lb/in2)/in

1 12.73 14.85 16.97 19.09 21.21 23.33 25.45

7/8 11.14 12.99 14.85 16.70 18.57 20.41 22.27

3/4 9.55 11.14 12.73 14.32 15.92 17.50 19.09

5/8 7.96 9.28 10.61 11.93 13.27 14.58 15.91

1/2 6.37 7.42 8.48 9.54 10.61 11.67 12.73

7/16 5.57 6.50 7.42 8.35 9.28 10.21 11.14

3/8 4.77 5.57 6.36 7.16 7.95 8.75 9.54

5/16 3.98 4.64 5.30 5.97 6.63 7.29 7.95

1/4 3.18 3.71 4.24 4.77 5.30 5.83 6.36

3/16 2.39 2.78 3.18 3.58 3.98 4.38 4.77

1/8 1.59 1.86 2.12 2.39 2.65 2.92 3.18

1/16 0.795 0.930 1.06 1.19 1.33 1.46 1.59

Tabla A-2. Cargas permisibles para varios tamaños de filetes de soldadura. (Fuente: AWS 5-1) [A.??]




A.1.4. Referencias.

[A.1] Welded Steel Tanks for Oil Storage, API Standard 650, American Petroleum Institute (API), 10th Edition, Washington, D.C., November 1998.

[A.2] Welded Steel Tanks for Oil Storage, API Standard 650, ASME, 10th Edition, Washington,

D.C., November 1998.

[A.3] Welded Steel Tanks for Oil Storage, API Standard 650, AWS MARK´s, 10th Edition, Washington, D.C., November 1998.


ANEXO B.

Constancia de la memoria en el Congreso de Materiales.

TESIS DE MAESTRÍA Anexos Constancias de Congresos.


B.1 Congreso Internacional de Materiales.


TESIS DE MAESTRÍA Anexos Constancias de Congresos.


B.2 Congreso IPN-MECANICA.


ANÁLISIS ESTRUCTURAL EN LA JUNTA TECHO- ENVOLVENTE DE...

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