[ALMACENAMIENTO DE

]Docente: Ing. Rene Quiroz

2014

Universidad privada domingo savio

UsuarioRafael Mendoza Maigua

Objetivo general

Diseñar tanques de almacenamientos de GNL

Objetivo especifico

Obtener conocimiento sobre el diseño de tanques de almacenamiento de GNL

Conocer las normas de fabricación de los tanques de almacenamiento de GNL

Tener conocimiento sobre los distintos tipos de materiales que se ocupan para fabricar los tanques de almacenamiento de GNL

INTRODUCCION

ASPECTOS GENERALES

1. ¿Qué es el gas natural?El gas natural es un combustible compuesto por un conjunto de hidrocarburos livianos, el principal componente es el metano (CH4).Se puede encontrar como "gas natural asociado" cuando está acompañando de petróleo, o bien como "gas natural no asociado" cuando son yacimientos exclusivos de gas natural.

2. ¿Qué componentes tiene el gas natural?

La composición del gas natural varía según el yacimiento:

Componente Nomenclatura Composición (%) Estado Natural

Metano (CH4) 95,08 gas

Etano (C2H6) 2,14 gas

Propano (C3H8) 0,29 gas licuable

Butano (C4H10) 0,11 gas licuable

Pentano (C5H12) 0,04 líquido

Hexano (C6H14) 0,01 líquido

Nitrógeno (N2) 1,94 gas

Gas carbónico (CO2) 0,39 gas

Impurezas como son, helio, oxigeno, vapor de agua.Las propiedades del gas natural según la composición del cuadro anterior son:Densidad relativa: 0,65 Poder calorífico: 9,032 kcal/m³Cp (presión Cte): 8,57 cal/mol.°C Cv (volumen Cte): 6,56 cal/mol.°C.GLP

3.- ¿Dónde se encuentra el gas natural?

Se encuentra en la naturaleza bajo tierra en los denominados reservorios de gas.Su formación es similar al de la formación de petróleo.

Reservorio de petróleo

4.- ¿Cómo se extrae el gas natural?

El gas natural se extrae de los reservorios que se encuentran bajo tierra a profundidades que van desde los 500 m hasta los 3500 m.

5.- ¿Cómo se procesa el gas natural?

El gas natural una vez extraído de los reservorios se somete a un proceso de separación.

Proceso de separaciónMediante este proceso se obtiene:Gas natural seco (metano y etano) que se transporta por gasoductos a los centros de consumo.Líquidos de gas natural (propano, butano, pentano y más pesados) que se transporta por poliductos hasta una planta de fraccionamiento.Otros componentes: Agua, azufre y otras impurezas que no tiene valor comercial.Proceso de fraccionamiento es un proceso que consiste en separar los líquidos del gas natural (GNL) en gas licuado de petróleo (GLP) y gasolina natural.

6. ¿Cómo se transporta el gas natural?

El gas natural se transporta principalmente a través de gasoductos y como gas natural licuado (GNL) en los llamados buques metaneros y camiones criogénicos, asimismo se puede transportar en cilindros de alta presión (como gas natural comprimido-GNC).

7. ¿Qué es el gas natural licuado (GNL)?

Se trata de gas natural (principalmente metano) reducido o licuado mediante un proceso criogénico donde se disminuye su temperatura a – 160°C, reduciendo su volumen unas seiscientas veces y de esta forma facilitando su almacenamiento y el transporte a través de buques metaneros hasta las plantas de regasificación

8.- ¿Es posible almacenar el gas natural?

El gas natural puede ser almacenado reservorios en el subsuelo que generalmente son cavernas de sal y también como gas natural licuado- GNL (en buques metaneros y tanques de gran capacidad). Como otra forma de almacenaje puede considerarse a los cilindros de GNC donde se almacena gas natural a alta presión para uso automotor.Tanques de almacenamiento de GNC Tanque de almacenamiento de GNL

Marco teórico

Tema 1

Historia del GNL

Los orígenes de la tecnología de licuefacción del GNL aparecen alrededor de 1920 cuando se desarrollaron las primeras técnicas de licuefacción del aire. El primer uso de GNL fue para recuperar helio del gas natural. El proceso se basaba en la licuefacción de los hidrocarburos que contenían helio, dejando este último en fase gaseosa; después de la extracción del helio, el GNL se vaporizaba y se vendía como combustible.

En el pasado, el gas natural se consideraba un subproducto sin valor asociado con la extracción petróleo crudo, hasta que en 1920 se hizo evidente que era una valiosa fuente de combustibles como el propano y el butano.

1941 – Primera planta de licuefacción en Cleveland, Ohio. 1959 – Primer envío de GNL por buque. 1960 – Primera planta de licuefacción con carga de base en Argelia. 1964 – Comercio a gran escala entre Argelia y Europa. 1969 – Transporte de GNL de Alaska a Japón. 2008 - Primera planta de Reserva de GNL en Quintero, Chile

Cadena del procesamiento del GNL

Un proyecto de GNL es altamente complejo tanto desde el punto de vista técnico así como del comercial. El proyecto debe tener en cuenta todos los aspectos de la cadena de producción desde el yacimiento, el tratamiento preliminar en los pozos, el transporte por tubería a la planta de licuefacción, el llenado de barcos, el transporte a las unidades de re vaporización y, finalmente, la venta y distribución del gas ya sea como gas natural o en la forma de electricidad.

Los proyectos de GNL son proyectos que representan varios miles de millones de dólares de inversión, por lo que requieren la participación de compañías integradas (que tengan unidades de exploración, producción y distribución de gas) de alta solvencia económica y entidades financieras que contribuyan el capital de inversión. Todos estos factores han creado una industria en la cual el riesgo de inversión sea bajo y requiere que tanto los contratos de compra y venta de gas sean a largo plazo, en este caso 20 años con reservas mínimas en el orden de 12 billones de pies cúbicos por proyecto (12 TCF en el argot internacional.)

Proceso de licuefacción

Cuando se extrae el gas natural de los yacimientos subterráneos, a menudo contiene otros materiales y componentes que deben ser eliminados antes de que pueda ser licuado para su uso:

Helio por su valor económico y por los problemas que podría producir durante el licuado;

Azufre, corrosivo a equipos, dióxido de carbono que se solidifica en las condiciones de licuefacción, y mercurio, que puede depositarse en instrumentos y falsificar las mediciones;

Agua, que al enfriar el gas se congelaría formando hielo o bien hidratos que provocarían bloqueos en el equipo si no se eliminaran;

Hidrocarburos pesados, llamados condensado, que pueden congelarse al igual que el agua y producir bloqueos del equipo y problemas en la combustión del gas.

El GNL producido debe ser usado en procesos de combustión y por lo tanto hay que extraer algunos hidrocarburos para controlar su poder calorífico y el índice de Wobbe. Dependiendo del mercado final, la remoción de etano, propano y otros hidrocarburos debe estar controlada mediante una unidad de remoción de líquidos que puede estar integrada en el proceso de licuefacción.

Proceso de enfriamiento

Para convertir el gas natural en líquido, se enfría el gas tratado hasta aproximadamente -161 °C, que es la temperatura a la cual el metano —su componente principal— se convierte a forma líquida. El proceso de licuefacción es similar al de refrigeración común: se comprimen los gases refrigerantes produciendo líquidos fríos, tales como propano, etano / etileno, metano, nitrógeno o mezclas de ellos, que luego se evaporan a medida que intercambian calor con la corriente de gas natural. De este modo, el gas natural se enfría hasta el punto en que se convierte en líquido. Una vez que el gas ha sido licuado se somete a un proceso de Joule Thompson o expansión con extracción de trabajo para poderlo almacenar a presión atmosférica. El GNL producido se almacena en tanques especiales para ser luego transferido a buques tanques especiales de transporte.

El diseño de estas plantas está gobernado por normas estrictas, en la industria de GNL hay cuatro diseñadores de plantas que se usan industrialmente: proceso con intercambiados de tubos en espiral de Air Products (APCI y APX), la cascada optimizada de Phillips, el triple ciclo refrigerante de Linde y el proceso de caja fría con mezcla refrigerante de Black and Veatch (PRICO).

Todos estos procesos son usados en la industria y competencias de diseño son realizadas para seleccionar el proceso que va a generar el proyecto más rentable a lo largo de toda su vida útil.

Almacenamiento del GNL

El GNL se almacena a -161 °C y a presión atmosférica en tanques criogénicos especiales para baja temperatura. El típico tanque de GNL tiene doble pared: una pared externa de hormigón armado, recubierto con acero al carbono, y una pared interna de acero niquelado al 9%. La seguridad y la resistencia son las consideraciones de diseño primarias al construir estos tanques, los cuales se diseñan para soportar terremotos y fuertes vientos.

Transporte del GNL

El GNL se transporta a presión atmosférica en buques especialmente construidos con casco doble. El sistema de contención de carga se diseña y construye utilizando

materiales especiales para el aislamiento y tanque, para asegurar el transporte seguro de esta carga criogénica.

El GNL en los tanques de carga del buque se mantiene a su temperatura de saturación (-161 °C) a lo largo de toda la navegación, pero se permite que una pequeña cantidad de vapor se disipe por ebullición, en un proceso que se denomina "autor refrigeración". El gas evaporado se utiliza para impulsar los motores del buque.

Aproximadamente 40% de los buques de GNL actualmente en servicio cuentan con sistemas de contención de carga del tipo de membrana, de modo que tienen un aspecto muy similar al de otros cargueros. El resto de los buques tienen un sistema de contención de carga más particular, que incluye cuatro o más tanques esféricos grandes. Ambos tipos de sistema de contención poseen antecedentes de operación extremadamente seguros y confiables.

Almacenamiento del GNL

Diseño del Tanque

Diseño Conceptual de los Tanques de Almacenamiento

Varias características de los diseños de ingeniería proporcionan seguridad a los tanques de almacenamiento de GNL El GNL típicamente se almacena bajo presión atmosférica en tanques de doble pared. El tanque de almacenamiento es un tanque dentro de otro tanque con aislantes entre las paredes de ambos tanques. En los tanques de contención sencilla, el tanque Source: Shell (where required by code) (where required by code) Sistemas de Seguridad y Protección de GNL - 33 – exterior se compone generalmente de acero ordinario que no ofrece protección en casos de fallas al tanque interno, únicamente mantiene al aislante en su lugar. El tanque interno que hace contacto con el GNL líquido se elabora de materiales adecuados para el servicio criogénico, y cuenta con un fondo metálico plano y una pared cilíndrica de metal elaborados con materiales apropiados para temperaturas criogénicas (normalmente con el nueve por ciento de acero de níquel). También se han utilizado el concreto y aluminio reforzados para construir los tanques internos. El fondo del tanque interno descansa sobre material aislante rígido, como el vidrio espumoso. La estructura del tanque debe soportar la carga hidrostática de GNL, y la cabeza hidrostática determina el espesor de las paredes laterales del tanque interno. Los tanques tienen una capa de aislante con una cubierta suspendida y bajo un techo externo en forma de cúpula con barrera de vapor y una pared externa (frecuentemente elaborado de acero ordinario). Todos los diseños nuevos incluyen tuberías instaladas en el techo del tanque para evitar que el contenido completo del tanque se escape.

Tanques de Contención Sencilla

El tanque de contención sencilla es un sistema de contención compuesto por un tanque interno y otro externo. En cuanto al almacenamiento del producto, el diseño de ingeniería requiere que únicamente el tanque interno llene los requisitos de ductilidad a temperaturas bajas. Compuesto por un tanque de contención sencilla, el contenedor sirve principalmente para sujetar al aislante y retener el vapor, ya que no fue diseñado para contener derrames de GNL provenientes del tanque interno. Los tanques de almacenamiento también pueden ser de contención doble o completa, como se describe en la siguiente sección sobre Contención Secundaria. En los casos de contención doble o completa, el tanque exterior se emplea para contener el volumen total del tanque interior cuando ocurra una falla del mismo.

El diseño de ingeniería en materia de seguridad también se aplica a los buques deGNL. El sistema de contención a bordo almacena el GNL bajo presión atmosférica (para evitar que el aire entre al tanque) y a -256°F (-160°). Los sistemas de contención actuales para buques de GNL reflejan uno de tres diseños, que hasta junio del 2003 son:• Diseño esférico (Moss) que representa el52 por ciento de los buques existentes,• Diseño de membrana que representa aproximadamente el 46 por ciento, y• Diseño de prisma con estructura de auto sostén que representa aproximadamente el2 por ciento.

Tanque Esférico

Los buques de tanque esférico son los más comúnmente identificados como buques de GNL debido a que las cubiertas de dichos tanques son visibles Sin embargo, muchos de los buques bajo construcción actualmente son los de tipo membrana. Los buques de membrana y los de prisma se parecen más a los buques de petróleo en los cuales la estructura de los tanques son menos visibles.

Contención secundaria

La contención secundaria proporciona una mayor protección a la contención primaria, tanto en los tanques de almacenamiento en terminales receptoras y de regasificación como en los buques de GNL. Un dique, berma o represa de dique normalmente rodea al tanque de contención sencilla en tierra para poder contener cualquier derrame en el caso improbable de que ocurriera alguna falla en el tanque. Este sistema permite el control y aislamiento de cualquier derrame deGNL. Los diques fueron diseñados para contener del 100 al 110 por ciento del volumen del tanque, y son lo suficientemente altos para permitir que la trayectoria de un derrame en el nivel superior del tanque no sobrepase el borde del dique. La mayoría de los tanques existentes en las instalaciones de “peakshaving” y las de importación marítima en los Estados Unidos son de contención sencilla, y se proporciona la contención secundaria por medio de represas.

Tanques de Contención Doble

Un tanque de contención doble (ilustrado en la Fig. 17) se diseña y construye con el fin de que, tanto el tanque interior como el tanque exterior tengan capacidad independiente para contener el líquido refrigerado. El tanque interior contiene el GNL bajo condiciones normales de operación, mientras que el tanque o pared exterior sirve para contener cualquier derrame de GNL proveniente del tanque interior, así como el gas vaporizado13. La mayoría de los tanques de almacenamiento construidos recientemente alrededor del mundo fueron diseñados como tanques de doble contención o de contención completa.

Tanques de Contención Completa

Los tanques de contención completa son similares a los tanques de contención doble, y fueron diseñados y construidos para que, tanto el tanque interior como el exterior tuvieran capacidad para contener el GNL almacenado. El tanque interno contiene el GNL bajo condiciones normales de operación. El tanque o pared exterior, con aproximadamente tres pies de espesor de concreto, queda de uno a dos metros de distancia del tanque interno. El tanque externo apoya el techo exterior y tiene como objeto la contención de GNL14. Los tanques fueron diseñados con apego a los códigos de GNL (EMMUA 14715, EN 1473). El tanque de contención completa es menos susceptible a daños causados por fuerzas externas, y los que se construyen con paredes y techos de concreto reforzado pueden encontrarse en el Japón, Corea, Grecia, Turquía y Portugal (véase la Fig. 18). Cameron LNG, LLC ha propuesto un sistema de tanques de contención completa para la terminal de GNL en Hackberry, Louisiana.El historial mundial de seguridad en cuanto a instalaciones de GNL en tierra demuestra que la contención primaria de tanques de GNL es segura porque los sistemas de contención secundaria de derrames instalados alrededor de todos los tanques nunca han tenido que retener el líquido. Los operadores de GNL también deben proporcionar diseño de sistemas mecánicos de contención contra derrames de GNL.

Esquema del tanque de contención total

Diseño de tanque de contención total de GNL

Normativa

La normativa a seguir para el diseño de este tipo de tanques es:EN 1473 Instalación y equipamientos para gas natural licuado. Diseño de instalaciones en tierra.

ES 14620

Diseño y fabricación de sitio construido, vertical, cilíndrico, de fondo plano de acero tanques para el almacenamiento de, gases licuados refrigerados con la operación temperaturas entre -5 ° C y -165 ° C.

EN 206-1

Hormigón. Pliego de condiciones, el rendimiento, la producción y la conformidad.

EN 1991-1-1

Euro código 1. Acciones en estructuras. General de las acciones. Densidad, peso propio, las cargas impuestas por los edificios

EN 1991-1-2

Euro código 1. Acciones en estructuras. General de las acciones. Acciones en estructuras expuestos al fuegoEN 1991-1-3

Euro código 1. Acciones en estructuras. General de las acciones. Cargas de nieve

EN 1991-1-4

Euro código 1. Acciones en estructuras. General de las acciones. Acciones del viento

EN 1991-1-5

Euro código 1. Acciones en estructuras. General de las acciones. Acciones térmicas

EN 1991-1-6

Euro código 1. Acciones en estructuras. General de las acciones - Las acciones en ejecución

EN 1992-1-1

Euro código 2. Diseño de estructuras de hormigón. Reglas generales y reglas para edificios

EN 1992-1-2

Euro código 2. Diseño de estructuras de hormigón. Normas generales. Incendios estructurales diseño.

EN 1997-1

Euro código 7. Diseño geotécnico. Normas generales

EN 1998-1

Euro código 8. Diseño de estructuras sismo resistentes. Reglas generales, acciones sísmicas y reglas para edificación

EN 1998-4

Euro código 8. Diseño de las disposiciones de resistencia a los terremotos de las estructuras. Silos, tanques y tuberías

API 2000

De ventilación de baja presión los tanques de almacenamiento y de la Atmosfera.

ANSI / API RP 520

El calibrado, selección e instalación de dispositivos para aliviar la presión en las refinerías

UNE-EN 13480-1a8

Tuberías metálicas industriales

Para el diseño del tanque interior se han utilizado las normas Americanas equivalentes, API-620 y API-650 debido a que las normas europeas han sido imposibles de consultar.

Descripción básica

Los tanques de GNL de contención total están formados por dos tanques.- Tanque interior: es el tanque que contiene al GNL en su interior. Es un depósito cilíndrico el cual el techo está suspendido. Esta hecho de acero con un 9% de Níquel.

- Tanque exterior: es cilíndrico con el techo en forma de cúpula. Está formado por un muro de hormigón con armado pretensado, la cúpula de metal con un recubrimiento de hormigón.

Estos son los dos elementos estructurales básicos del tanque aunque también hay que mencionar:- Las cimentaciones- El sistema de calefacción del terreno- Protección en la esquina- Anillo de compresión- Aislamiento térmico de los tanques- Sistema de tuberías- Instrumentación

Especificaciones generales para el diseño del tanque de 150.000 m3

Diseño del tanque exterior

El tanque exterior del depósito está formado por una estructura de hormigón que consta de tres partes principalmente: jácena anular, pared anular y cúpula.

Cúpula

La cúpula del tanque está formada una estructura metálica de acero con una capa de hormigón armado.El techo de concreto deberá estar provisto de un revestimiento resistente al agua, independientemente del tipo concreto utilizado.Uno de los parámetros básicos de su diseño es el radio de curvatura.Típicamente en los tanques de GNL el este parámetro coincide con el diámetro de la pared del tanque. Un criterio que se suele utilizar para cúpulas es dar una radio de curvatura de 1/8 respecto al diámetro de la estructura sustentadora ya que es óptima para soportar el su propio peso y las posibles sobrecargas. En los tanques de GNL interesa aumentar este radio porque así se puede soportar la misma presión interna (acción de carga importante en el tanque) con una reducción de tensiones.No hay ninguna norma específica para el radio de curvatura pero se puede seguir la API650 que indica que dicho radio ha de estar comprendido entre 08d y 1,2d. Si hubiese problemas estructurales se podría aumentar el grosor de la chapa.

Boquillas en cúpula

Para conectar el tanque interior con el exterior se realizan una serie de perforaciones las cuales solo están permitidas en la parte de la superior (cúpula) a excepción de la apertura en la parte baja del tanque para la elevación de la cúpula. Cada perforación tiene destinada una función y unas dimensiones especificadas, para ver el detalle ver plano 5- DISPOSICION

DE BOQUILLAS EN CUPULA.

Viga anular

La viga anular se encuentra en la articulación del techo y la pared. La función principal de esta viga es soportar y transmitir al muro los esfuerzos que ve la cúpula. Las dimensiones de la viga y su armado tienen una estrecha relación con la forma de la cúpula. En esta viga va unido el anillo de compresión que es el que hace de sellado entre la cúpula y la pared.

Anillo de compresión

La construcción de la cúpula se realiza al nivel del suelo y será elevada por medio de aire comprimido hasta hacer tope con el anillo de compresión.Una vez la cúpula está en su sitio es soldada al anillo de compresión.Este elemento estructural consiste en un aro metálico que se construye en la parte superior-interior del tanque exterior. Se diseña para que soporte primeramente toda la

presión de la cúpula en el momento de soldadura entre ella y el anillo y después soportara cierta carga de la cúpula.

Pared

El hormigón de la pared del tanque exterior deberá tener un armadoPretensado en sentido horizontal. La unión del muro con la base ha de diseñarse como un conjunto fijo (estructura monolítica). La unión entre la losa y la pared tendrá un tramo en forma de tronco-cono. En la parte superior de la pared se encuentra la viga anular. También la unión pared techo se ha de hacer como una construcción monolítica. Techo y pared tendrán espesor uniforme o un espesor que varía de forma gradual.En el diseño de la armadura y los sistemas de pre-tensado, se tendrá debidamente en cuenta los posibles temperaturas más bajas después de un error (en parte) del tanque interno.El tanque exterior deberá estar equipado con un forro de metal en el interior, que deberá crear una barrera de vapor para evitar condensaciones y como consecuencia evitar que la zona de aislamiento con perlita expandida aumente la humedad existente. Las soldaduras de dicha capa metálica que actuara de barrera han de ser comprobadas con un examen de tinte permanente.El gran problema en el diseño es que el espesor de la pared es exagerado por lo que generalmente se introduce una armadura también en sentido vertical y se utiliza un hormigón de muy alta calidad.Para el diseño del tanque se tienen en cuenta un espesor de la pared de hormigón de 1 m de ancho. Habrá un armado pretensado en sentido horizontal y se utilizara un hormigón de muy alta calidad.

Especificaciones del cálculo

La estructura de hormigón en su conjunto (losa, pared anular y cúpula) deberá ser analizada para situaciones ordinarias y extraordinarias de diseño utilizando una modelización de elementos finitos en tres dimensiones. El análisis deberá comprobar el Estado Limite Ultimo y el Estado Limite.Criterios de diseño: la estructura de hormigón será diseñada para el estado limite ultimo y el de servicio para condiciones normales como para condiciones de emergencia como es en al caso de una fuga del líquido en el tanque interior.Cargas a considerar en el diseño:- Peso propio de la estructura del tanque (tanque interno de hormigón, revestimientos de acero, cubierta suspendida)- Pretensado- Llenado del tanque interior de GNL- La presión de gas- Prueba hidrostática del tanque interno- Presión de prueba neumática- Tuberías y la instalación en el techo- Carga viva en la cúpula

- Viento- Nieve- Temperatura de operación- Terremoto OBE- SSE terremoto- Fuga de gas natural licuado

Diseño del tanque interno del 9%de ni

La norma que se sigue para la realización del tanque interno es la EN-14620 (alternativa posible API 620). Esta nos marca que toda la estructura ha de estar contener un 9% de Níquel y para el cálculo ver tabla 5.

Tabla 5. Cálculos a utilizar según API 620

Nota: fu resistencia a la tracción; fy limite elástico; D diámetro del tanque;

Las partes ha dimensionar son la altura, el diámetro y el espesor de la capa.Para el tanque interior solo hay que comprobar que el espesor de la placa sea el seguro para resistir los esfuerzos.Diseño estático: hay que hacer el cálculo del espesor de la chapa para el nivel máximo de GNL y para la prueba hidráulica equivalente a 1,25 la altura máxima del tanque. Compresión de la chapa de las paredes (API 620Anejo L sección L.5.1.)La nueva generación de tanques tiene espesores que varían progresivamente. Por lo tanto se realizara el cálculo para tener una pared de espesores variables.

Techo suspendido

El techo será de aluminio. El techo suspendido ha de ser diseñado para soportar cargas permanentes y temporales. Ha de ser capaz de soportar una fuerza puntual de 1,5 kN en cualquier punto. Hay que diseñar también los diferentes orificios tanto para las tuberías y detectores como para mantener una presión entre el tanque interior y exterior estable

Protección esquina inferior

En la parte inferior de la pared anular del tanque se realizara una protección especial. En el supuesto de que el tanque interior tenga perdidas de fluido instalando dicha protección se evitaría el colapso de la estructura de hormigón debido a la diferencia de temperaturas consiste en colocar una el suelo para evitar de esta temperaturas. Dicha protección placa anular de mayor espesor que la utilizada en manera cualquier tipo de fuga

Descripción de la cimentación

El sistema de cimentación será diseñado para limitar las deformaciones delExterior (e interior) del tanque a los límites permisibles para todos los casosDe carga creíble, tanto durante la construcción como en la fase de operación. La interacción entre el tanque y la cimentación debe ser tomada en cuenta en el análisis estructural y de suelosTípicamente se utiliza una losa de cimentación para que no haya problemas con los sismos y con los terrenos ya que son terrenos que se encuentran tocando al mar. En algunos casos se ha optado por pilotaje.En el diseño de nuestro tanque se opta por una cimentar la estructura con una losa de 1 m de profundidad.Para intentar reducir al mínimo el diferencial de los asentamientos previamente se hará una precarga sobre el terreno para aumentar la rigidez de las capas de cimentación.Hay que tener en cuenta en el diseño de la cimentación un drenaje para las aguas pluviales.Para evitar una posible congelación del terreno se instalara un sistema de calefacción formado por resistencias eléctricas. Dicho sistema estará situado en el punto medio de la profundidad de la cimentación.

Aislamiento térmico del tanque interior

Bases de cálculo

El tanque interior ha de ser aislado en suelo, pared y techo. Se considera el techo y el suelo como placas planas por lo tanto la formulación utilizada es:

El aislamiento de la pared de consideran como capas circulares, por lo tanto se utilizaran la siguiente metodología:

Siendo:

q = densidad del flujo de calor, W/m2 (se ha considerado de -20) Ti=temperatura interior de la pared, ºC.

Te =temperatura exterior de la pared, ºC.

R’ =resistencia térmica, (m2—K )/W

dj =espesor de la pared plana j-essima, m

λj =conductividad térmica del material, W/(m �K)

ql =densidad lineal del flujo de calor, W/m (se ha considerado de-15000)

Dext. j = Diámetro exterior de la capa j-essima, m

Dint. j = Diámetro interior de la capa j-essima, m

Los cálculos realizados han sido en base a que el volumen máximo de vaporización del GNL es del 0,065% por día del volumen total.

Observaciones: solo se ha hecho el cálculo del aislante térmico teniendo en cuenta solo la transmisión de calor por conducción. Un apunte importante es que se ha aplicado un factor de seguridad 3 considerando este un factor elevado y que nos permite tomar los resultados obtenidos como válidos.

Aislamiento del suelo

El suelo del tanque tiene una protección térmica compuesta por una serie de capas materiales aislantes (FOAMGLASS®, arena y betún)

Gráfica 1. Aislamiento térmico (suelo)

Aislamiento de pared

El espacio vacío entre los dos tanques está relleno de perlita expandida, en la parte exterior del tanque interior se encuentra una capa de fibra de vidrio. En la parte superior del espacio anular se hará una reserva de perlita porque así cuando el tanque interior se contraiga se llenara el vació con perlita. La perlita expandida debe cumplir la ASTM C -349 que como mínimo ha de cumplir que

-la conductividad térmica no sea superior a 0.44 w/m/k a 0ºc

-la densidad ah de estar comprendida entre 50y 65 kg/m3

-La humedad máxima admisible en peso es de 0.5%

Resultados aislamiento pared

1. Tanque interior 2.Manta de fibra de vidrio

Ti -168,00

Te -167,99

R1 0,00

Dext 71,36

Dint 71,35

Ti -167,99

Te -108,30

R1 0,00

Dext 71,49

Dint 71,36

Cond. Térmica 28,22 Cond. Térmica 0,07

3. Perlita expandida 4. Pared de hormigón

Ti -108,30

Te 15,06

R1 0,01

Dext 73,13

Dint 71,49

Cond. Térmica 0,44

Ti 15,06

Te 40,00

R1 0,00

Dext 74,13

Dint 73,13

Cond. Térmica 1,30

Aislamiento térmico (pared)

En la cubierta suspendida se dispondrá de una tolva de reservas de perlita para cuando haya una contracción del tanque interior el espació vacío que dejaría sea rellenado con es con esta reserva que se ha diseñado. El volumen total de perlita en la tolva es de 811 m3 (altura exceso de 2m) esta cantidad de volumen no permitiría una reducción de la altura y el diámetro del tanque de 9,5

Aislamiento térmico del techo suspendido

El techo suspendido se aislara con varias capas de fibra de vidrio

Resultados aislamiento pared

Aislamiento térmico tuberías

Para el aislamiento térmico de toda la red de tuberías por las que circula elGNL se opta por la instalación de un aislante tipo coquilla de FoamglassR.Según proveedor de este tipo de coquilla con un espesor de 120 mm una tubería que transporte GNL y de diámetro 1 metro es suficiente para asegurar el correcto aislamiento térmico.Instalación de llenado/vaciado de GNL del depósito

Una de las instalaciones básicas del depósito a diseñar es la forma de llenado y vaciado de GNL del tanque es la red de tuberías de aportación y extracción.Todas las tuberías de, como mínimo, han de cumplir con EN-13480Apartados del 1 al 8 “Tuberías metálicas industriales” siendo la base del diseño de tuberías. Toda la instalación ha de ser diseñada de tal forma quePueda ser posible una marcha gradual o una futura parada.LlenadoEn la fase de llenado el GNL es impulsado vapor un grupo de bombas des de la planta de regasificación. El caudal de entrada se diseña a razón de0,83 m3/s. Para el llenado del tanque se disponen dos tuberías ambas con un diámetro de 36 pulgadas (914 mm).Una de ellas hace el llenado a una distancia de 5m del suelo y la otra a 25 m.La razón por la que se hace el llenado a distintas alturas es que el gas natural que llega a los tanques suelen tener densidades distintas haciendo posible el fenómeno de “chapoteo”. Si se hace el llenado por la parte inferior con un gas natural licuado de densidad menor al GNL ya almacenado hará que el nuevo gas licuado tenga tendencia a subir por la diferencia de densidades. Esta dinámica del fluido facilitara la formación de burbujas creando borboteo en el líquido, esto implica un riesgo de accidente en el tanque. Esta medida adoptada se realiza debido a que en el año 1971 en Italia hubo en un tanque en el que apareció la problemática explicada y tuvo un accidente.EmisiónLa emisión de GNL del tanque se realiza colocando las bombas en el fondo del tanque. Se instalaran tres bombas, dos de servicio más una de recambio. Los pozos de la bomba deberán estar equipados con todos los dispositivos auxiliares que permiten la recuperación de una bomba sin válvula de pie y sin necesidad de cerrar la operación del tanque.Las bombas que se instalaran serán centrifugas multietapa de motor sumergido con un caudal unitario de 350 m3/h y una altura diferencial mínima de 180 metros, exactamente se ha optado por el modelo AC/TC -1 de la empresa ACVD CRYO .Las tuberías de emisión tendrán un diámetro de 24 pulgadas (609 mm).

Instrumentación

Para garantizar la seguridad hay que dotar al tanque de una serie de sensores que permitan el control y supervisión del tanque.Hay que hacer especial mención a la detección de fuego y fugas. Este sistema es de gran importancia ya que un error en el sistema contra incendios acarrearía unas consecuencias nefastas.Una centralita de comunicaciones recibe toda la información proveniente de los diferentes sensores instalados. La central gestiona las posibles alarmas y planes de reacción frente a peligros.

Los principales sensores y controladores que se instalaran son: medición de nivel del GNL, medición de temperaturas, medición de presión y puntos de muestreo del GNL.

Medición de nivel

El sistema de medición de nivel es un elemento esencial en la protección del tanque contra el exceso de llenado.Para la medición de nivel del GNL se disponen de dos aparatos de medida para saber en todo momento el nivel de GNL con un error admisible de +/-1 mm. Uno de ellos tendrá una medición automática y continua.Exactamente se escoge el modelo Servo Gauge 854 ATG de HopewellEnraf empresa fabricante (para características técnicas ver anexo).Se dispondrá un dispositivo que se encarga de hacer saltar una alerta si el nivel de gas licuado sobre pasa el límite permitido.

La indicación se realizara directamente en la parte superior de la cisterna de uno de los indicadores de nivel. Todas las señales serán transmitidas por líneas independientes para la sala de control.Todos los instrumentos utilizados para medir la densidad de gas natural licuado, los niveles y para controlar el nivel limite deberá ser diseñado para ser fácil de quitar del tanque para fines de mantenimiento sin suspender el funcionamiento normal de la cisterna de almacenamiento de GNL. Los indicadores se encuentran a más de 20 grados de desplazamiento de la plataforma de la bomba. Los indicadores de nivel deberán estar equipados con una calibración de cámara para permitir la inspección y verificación.

Las mediciones de temperatura

El tanque de almacenamiento de GNL deberá estar provisto de sondas de temperatura para permitir un control preciso de la temperatura del tanque interno. Los sensores de temperatura también se encuentran en lugares clave en el tanque externo, como un medio de detección de fugas tempranas.

Las temperaturas se registrarán:- A lo largo de la parte inferior de la pared del tanque interior en 4 puntos, con90 grados de separación.- A lo largo de la pared del tanque interno en un punto en una línea vertical con intervalos de 5 m.- En el espacio de vapor justo debajo de la cubierta suspendida.- En la cúpula del tanque exterior, encima de la cubierta suspendida.

- En la parte inferior del espacio anular contra la pared del tanque externo en 4 puntos, con 90 grados de compensación.- En el centro del fondo del tanque exterior.- En la parte inferior de la base de losa de concreto, para controlar el sistema de calefacción inferior (mínimo 15 puntos).- En el techo del tanque de GNL en la línea de llenado.

Mediciones de presión

El tanque de almacenamiento de GNL estarán provistos de medidores de presión para que el control de la presión de los siguientes elementos:- Zona de presión de gas.- Bomba de presión de descarga de GNL.Hay que especificar que se instalaran 4 válvulas interruptoras de vacío (reguladoras de presión “a la baja”. También se instalaran hasta 6 válvulas reguladoras de presión que pueden actuar como controladoras de sobre presión.

Fuego y detección de gas

El tanque de almacenamiento de GNL estará equipado con un sistema de detección de fugas que utiliza sensores de temperatura en el interior del tanque. Fuera del tanque ubicado estratégicamente detectores de frio, en combinación con detectores de gases inflamables (por lo menos 4 por la plataforma de la bomba) permitirá una detección precoz de fugas.De protección contra incendios interruptores de presión, detectores de calor y pulsadores para alarma manual actuara como la detección temprana de un fuego en las áreas críticas de la cubierta del tanque, tales como la plataforma principal de la bomba o las tuberías.

CÁLCULO DEL TANQUE INTERIOR DEL 9% DE Ni

Las partes a calcular del tanque interior son la pared y el techo suspendido.

Diseño y cálculo del cuerpo del tanque interior

El cuerpo del tanque i interior está formado por una serie de anillos de acero con un 9% de níquel (Ni) se calculara el espesor de la chapa a distintos niveles con el fin de ahorrar material, el grosor de todo el tanque no es uniforme.Explicación teórica del cálculo del espesor del cuerpo

El espesor de la pared del cuerpo requerido para resistir la carga hidrostática será mayor que el calculado por condiciones de diseño o por condiciones de prueba hidrostática

El espesor de la pared por condición de diseño, se calcula con base al nivel del líquido, tomando la densidad relativa del fluido establecido por el usuario. El espesor por condiciones de prueba hidrostática se obtiene considerando el mismo nivel de diseño, pero ahora utilizando la densidad relativa del agua.Cuando sea posible, el tanque podrá ser llenado con agua para la prueba hidrostática, pero si esto no es posible y el cálculo del espesor por condiciones de prueba hidrostática es mayor que el calculado por condiciones de diseño, deberá usarse el obtenido por condiciones de prueba hidrostática.El esfuerzo calculado de la carga hidrostática para cada anillo no deberá ser mayor que el permitido por el material y su espesor no será menor que el de los anillos subsecuentes. Típicamente para el cálculo del espesor de la chapa de la pared de un tanque para almacenaje se utiliza el método de un pie (s/ API 650). En el presente caso se aplicara el método del punto de diseño variable ya que se cumplen las dos condiciones siguientes:

- Diámetro (71,35 m) mayor a 60,90 m.

71,35 > 60,90 OK

12L/H < 2

0,35 ≤ 2 OK

Dónde:

L= (0.05*D*t) 0.5

D = Diámetro nominal del tanque (cm)- t = espesor del anillo inferior (mm)Se hace una primera hipótesis que más tarde tendrá que ser comprobada con el espesor real. Se considerara un espesor de40mm.- H = nivel de diseño del liquidoPara el uso de este método, primero se calcula el espesor por condición de diseño (tpd ) y el de prueba hidrostática (tpt ), para el primer anillo con la fórmula del método del pie. Formula de método del pie:

Dónde:- td = espesor por condiciones de diseño (mm)- tt = espesor por prueba hidrostática (mm)- Ca = corrosión permisible (mm)- G = densidad relativa del líquido a almacenar (para la prueba hidrostática vale 1)- Sd* = esfuerzo admisible por condiciones de diseño (kg/cm2)- St* = esfuerzo admisible por prueba hidrostática (kg/cm2)Una vez obtenemos un primer grosor por el método de un pie se determinan los espesores del mismo anillo, para condiciones de diseño (tld ) y de prueba hidrostática (tlt ) con las siguientes formulas:

Se hace notar que para condiciones de diseño es necesario que tld no sea mayor a tlt.

Haciendo notar que para condiciones de prueba hidrostática es necesario que tlt no sea mayor que tpt.Para obtener el espesor del segundo anillo por condiciones de diseño y dePrueba hidrostática, se calcula la siguiente relación para el anillo inferior.

Dónde:- h1 = altura del anillo inferior (cm).Los anillos tendrán una altura de 5 m a excepción del anillo superior que será de 4,53 m.- r = radio nominal del tanque (cm)- t1 = espesor del anillo inferior excluyendo la corrosión permisible(cm) usado para el cálculo t2. Para calcular t2 por condiciones de prueba hidrostática se puede usar el espesor total t1 incluyendo la corrosión permisible.Si el valor de la relación es superior a 2,625 (nuestro caso) se debe determinar un valor preliminar y hacer el cálculo con la fórmula del método de un pie pero pensando q en este caso la altura ira variando. Para saber la altura que hay que tomar se tomara el valor menor obtenido de las siguientes expresiones:

Dónde:- tu = Espesor preliminar del anillo superior a la junta circunferencial(cm.).- t1 = Espesor del anillo inferior a la junta circunferencial (cm.).- H = Nivel de diseño del líquido (cm.).

El espesor mínimo para este punto determinado por (X), es calculado por condiciones de diseño (tdx) y por condiciones de prueba hidrostática (ttx), con las siguientes ecuaciones:

Los espesores obtenidos (tdx y ttx), serán usados para repetir los pasos descritos, igualando estos valores a (tu), hasta que la diferencia de los espesores sea mínima (tres cálculos se consideran suficientes), el espesor obtenido se iguala a (t2) para calcular el espesor requerido por el siguiente anillo.Nota: Repitiendo los pasos se localiza el punto de diseño con mayor exactitud y en consecuencia un espesor más confiable y menor.

CALCULO DEL TECHO SUSPENDIDO

El techo suspendido ha sido diseñado y calculado a partir de tres elementos estructurales: chapa, perfiles y cables sustentadores.

Previo al cálculo del techo se procede a definir cada una de las placas y de los perfiles del techo.Nomenclatura placas

Nomenclatura barras techo suspendido:

Denominación de los perfiles techo suspendido

Calculo del espesor de la chapa del techo suspendido

Para el caculo del espesor de la chapa de aluminio aleado de bajo magnesio (0,8%) según EN 485-2 del suelo suspendido se utilizaráKirchhoff ya que es más exacto que el método de Markus el método de en el que los valores entre comprobación de tensión y flecha son más dispares. La chapa se comprobará para una carga uniforme repartida por la superficie de la placa. También para una carga concentrada del mismo valor que es el caso extremo. La carga que vería la chapa sería una carga concentrada en las distintas superficies de contacto como es el caso de un operario desplazándose por encima del techo.Los datos que se utilizaran para los distintos cálculos son:

Dimensiones de cada placa

Nota: el área que se toma en las placas es la aproximación por exceso a un rectángulo.Calculo del espesor respecto a la tensión sobre la chapa bajo carga concentrada (ELU)

El cálculo que se hace a continuación es para una carga de 1,5 kN concentrada en una superficie máxima comprendida en un cuadrado de0,25 m de costado.El método de Kirchhoff indica que la tensión sobre la chapa bajo carga concentrada se obtiene con las siguientes formulas:

Y con la comprobación:

mmax = max (mx,max ; my,max )t ≡ espesor de la chapa del sueloα ≡ medio lado de la superficie concentrada, 0,25 si Lx > 0,5 sino es Lx/2β ≡ medio lado de la superficie concentrada, 0,25 si Ly > 0,5 sino es Ly/2

Espesores de placa segun ELU carga concentrada

Se observa que con los datos obtenidos en la comprobación de tensión sobre la chapa bajo carga concentrada el espesor mínimo para que el aluminio resista es de:t = 2,92 mmLa placa 15 es la más desfavorable según los cálculos realizados con un momento máximo de 418,12 N.m y requiriendo un espesor de 2,92 mm.

Espesor de chapa del techo suspendido

Después de realizar el cálculo del espesor para cuatro condición es para todas las placas obtenemos que el espesor mínimo que cumple todas las condiciones es de 4,95 mm.Por lo tanto el espesor real de la chapa de aluminio del techo suspendido del tanque interior es de:

treal = 5mmCálculos espesor placas techo suspendido

Cálculo de la perfilaría del techo suspendido

Para el reparto de la carga sobre los perfiles se han seguido los siguientes pasos:Calculo de la carga superficial a aplicar. Se supondrá el peso de la chapa más el peso de la fibra de vidrio más una carga extraordinaria.

Calculo el área que ‘absorbe’ cada barra utilizando el método de las bisectrices y haciendo la aproximación de que el área final que se va a utilizar es un rectángulo que contenga el área obtenida del método de las bisectrices.

Planta con las bisectrices necesarias ya que el resto de formas se repiten a lo largo de toda la estructura.

Conclusión

Gracias a esta monografía es podido aprender los procedimientos de cómo se diseña un tanque de almacenamiento de GNL (gas natural licuado) desde los cimientos diámetros de las tuberías los techos tanque interno como externo y sus características de cada uno de ellos además se logró aprender conceptos generales de gas natural