JUNTA FRAGIL EN TANQUES.pdf

8/11/2019 JUNTA FRAGIL EN TANQUES.pdf

1/115

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA ELCTRICASECCIN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIN

ANLISIS ESTRUCTURAL EN LA JUNTA TECHO-ENVOLVENTE DE TANQUES ATMOSFRICOS DE

ALMACENAMIENTO DE CRUDO DE 560 BARRILES.

T E S I SPARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIASCON ESPECIALIDAD EN

INGENIERA MECNICA

P R E S E N T A:Ing. Alejandro Marquina Chvez

Director de Tesis: Dr. Jos Martnez Trinidad.

Mxico DF., Octubre del 2006.


2/115


3/115


4/115

TESIS DE MAESTRA

NDICE

NDICE .....................................................................................................................................................................................................IINDICE DE TABLAS .............................................................................................................................................................................. IVNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................................................................. VSIMBOLOGA......................................................................................................................................................................................... VISIMBOLOGA......................................................................................................................................................................................... VIRESUMEN ............................................................................................................................................................................................ VIIABSTRACT.......................................................................................................................................................................................... VIIIINTRODUCCIN. ....................................................................................................................................................................................1OBJETIVO................................................................................................................................................................................................3JUSTIFICACIN. .....................................................................................................................................................................................3CAPTULO 1................................................................................................................................................................................3GENERALIDADES SOBRE TANQUES ATMOSFRICOS DE ALMACENAMIENTO. ...........................................................................3

1.1 Qus el Petrleo (Crudo)?. ...............................................................................................................................................4

1.1.1. La Importancia del Petrleo......................................................................................................................................41.1.2. Definicin..................................................................................................................................................................41.1.3. Caractersticas..........................................................................................................................................................41.1.4. Origen del Petrleo (Crudo)......................................................................................................................................51.1.5. Clsificacin del Petrleo (Crudo). ...........................................................................................................................61.1.6. Produccin del Petrleo (Crudo). .............................................................................................................................8

1.2 Cmo funciona un Tanque Atmosfrico de Almacenamiento de Crudo?. ........................................................................91.3 Importancia del Almacenamiento. (Estadsticas). .............................................................................................................121.4 Clasificacion General de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento (TAA). ..................................................................131.5 Materiales Utilizados para la Construccin de Tanques de Atmosfricos de Almacenamiento........................................141.6 Procesos de Contruccin de un Tanque Atmosfrico de Almacenamiento. .....................................................................201.7 Tipos de Fallas..................................................................................................................................................................241.8 Normatividad.....................................................................................................................................................................26

1.8.1. Norma API-650.......................................................................................................................................................26

1.8.2. Norma BS 2654. .....................................................................................................................................................271.9 Planteamiento del Problema. ............................................................................................................................................281.10 Plan de Trabajo.................................................................................................................................................................29

1.10.1. Mtodo Cientfico...............................................................................................................................................291.11 Referencias.......................................................................................................................................................................31

CAPTULO 2..............................................................................................................................................................................32ANLISIS DE ESFUERZOS ENFOCADOS AL CASO DE ESTUDIO...................................................................................................32

2.1 Diseo de la Envolvente del Tanque de Almacenamiento................................................................................................332.2 Esfuerzos en Recipientes Cilindricos Soldados................................................................................................................34

2.2.1. Anlisis de Esfuerzos Circunferenciales.................................................................................................................352.2.2. Anlisis de Esfuerzos longitudinales. .....................................................................................................................36

2.3 Diseo de la Envolvente de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de Crudo. ........................................................372.3.1. Diseo de Placas de la Envolvente del Tanque. ....................................................................................................37

2.3.1.1. Clculos para el Diseo de Espesores de la Envolvente, segn API 650. ..................................................382.3.1.2. Anlisis de los Espesores de Diseo de la Envolvente (Propuesta)............................................................402.4 Diseo del Techo la Envolvente de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de Crudo. ............................................42

2.4.1. Tipos de Techo. ......................................................................................................................................................422.4.2. Diseo del Espesor de la Placa del Techo. ............................................................................................................43

2.4.2.1. rea de Compresin Requerida...................................................................................................................442.4.3. Junta de Techo Frgil (Frangible Joint). .................................................................................................................47

2.4.3.1. Qu es un Techo Frgil?............................................................................................................................472.4.3.2. Por qu es necesario una Junta Frgil? ....................................................................................................482.4.3.3. Criterios para la seleccin de una Junta Frgil ............................................................................................482.4.3.4. Limitaciones de la Fragilidad del Techo.......................................................................................................48

Anlisis de Falla en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de Crudo de 560 Barriles II


5/115

TESIS DE MAESTRA

2.5 Placas del Fondo de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de Crudo. ...................................................................502.6 Presin Interna de Diseo, Mxima y de Falla en Tanques de Almacenamiento.............................................................512.7 Referencias.......................................................................................................................................................................53

CAPTULO 3..............................................................................................................................................................................49DISEO ANALTICO Y NUMRICO......................................................................................................................................................49

3.1 Aspectos Generales..........................................................................................................................................................50

3.1.1 Programa MathCad...................................................................................................................................................503.2 Clculos de Diseo del Espesor de la Envolvente............................................................................................................51

3.2.1 Teora de Falla (Von Mises).........................................................................................................................................513.2.2 Mtodo de One Foot (API-650/1998). .......................................................................................................................533.2.3 Mtodo del Apndice A (API-650/1998). ...................................................................................................................573.2.4 Mtodo del Punto Variable (API-650/1998, BS 2645). ..............................................................................................593.2.5 Propuesta del Proyecto de Tsis (basado en el mtodo de One Foot).....................................................................67

3.3 Clculos de Diseo del Espesor del Techo.......................................................................................................................693.3.1 Clculo del Area de Compresin Requerida para la Junta Techo Envolvente (API 650). ........................................693.3.2 Clculo de la Presin Interna de Diseo, la Presin Mxima y la Presin de Falla.....................................................74

3.4 Modelado del Problema por el Analisis del Elemento Finito (ANSYS)............................................................................753.4.1 Planeacin del modelo de la estructura.......................................................................................................................753.4.2 Eleccin de los elementos a utilizar en este anlisis. ..................................................................................................76

3.4.2.1. Elemento: PLANE2 - 2-D 6-Node Triangular Structural Solid....................................................................773.4.3 Presin Interna de Diseo en el Tanque. ....................................................................................................................803.4.4 Presin Mxima en el Tanque. ....................................................................................................................................80

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

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

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

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

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

Anlisis de Falla en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de Crudo de 560 Barriles III


6/115

TESIS DE MAESTRA

NDICE DE TABLAS

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

Anlisis de Falla en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de Crudo de 560 Barriles IV


7/115

TESIS DE MAESTRA

NDICE DE FIGURAS

Figura 1-1. Mezcla de petrleo (negro parte superior) y agua (transparente parte inferior). [1.3] ......................5Figura 1-2. Yacimiento petrolero........................................................................................................................8Figura 1-3. Proceso de llenado del Tanque desde el Pozo Petrolero. ...............................................................9Figura 1-4. Diagrama de Flujo de una Batera de Separacin. [1.4] ................................................................10Figura 1-5. Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de 560 barriles de capacidad. ...................................10Figura 1-6. Mezcla del Crudo contenida en el Tanque.....................................................................................11Figura 1-7. Clasificacin General de los Tanques Atmosfricos de Almacenamiento. [1.7].............................13Figura 1-8. Diseo mnimo permisible del material (MDMT), utilizado en envolventes de Tanques deAlmacenamiento sin Prueba de Impacto. [1.7]...................................................................................................16Figura 1-8. Fases de construccin de un Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de crudo. ....................23Figura 1-9. Fallas en distintos tipos de TAA (Fuente: Coleccin Steinbrugge. EERC, U.C. Berkeley )............25Figura 1-10. Evaporizacin del crudo dentro de un Tanque Atmosfrico.........................................................28Figura 1-11. Crudo en almacenamiento en el interior de un Tanque Atmosfrico de Almacenamiento. ..........29Figura 1-12. a) Mtodo Cientfico, b) Aplicacin del Mtodo Cientfico............................................................30Figura 2-1. Anlisis de esfuerzos en un recipiente de pared delgada..............................................................34Figura 2-2. Diagrama de cuerpo libre del segmento del recipiente. [2.2] .........................................................35Figura 2-3. Esfuerzos circunferenciales en el recipiente. [2.2] .........................................................................36Figura 2-4. Distribucin del esfuerzo y la presin en un Tanque Atmosfrico de Almacenamiento. [2.5]. .......37Tabla 2-1. Ecuaciones de los Espesor de placa segn API-650. .....................................................................38Tabla 2-2. Espesores Nominales para Placas de Envolventes. [2.6]................................................................39Figura 2-5. Tipos de Techos Fijos en Tanques Atmosfricos de Almacenamientos. [2.9].. .............................42Figura 2-6. Diagrama de cuerpo libre del techo cnico. [2.9]...........................................................................43Figura 2-7. Presin sobre la envolvente y el Techo. ........................................................................................44Figura 2-8. Detalle de unin estructural techo-envolvente. [2.6]. .....................................................................45Figura 2-9. Distribucin de las Placas de Fondo. [2.5].....................................................................................50Figura 3-1. Comportamiento del Tanque bajo la presin Interna de Diseo. ...................................................80Figura 3-2. Deformacin del Tanque bajo la presin Mvima. .........................................................................80Figura 3-3. Deformacin del Tanque bajo la presin Interna de Diseo. .........................................................81Figura A-1. Tipos de Juntas (segn ANSI/AWS A 3.0-85). ..............................................................................89Figura A-2. Tipos de Soldaduras (segn ANSI/AWS A 3.0-85)........................................................................90Figura A-3. Tipos de Juntas Verticales en Envolventes. ..................................................................................90Figura A-4. Tipos de Juntas Horizontales en Envolventes (segn API- 650, 3.1.5.3) .....................................91Figura A-5. Tipos de Juntas en el Fondo y en el Techo (segn API- 650)......................................................91

Figura A-6. Distorsin permitida en los diferentes tipos de Juntas en Envolventes. ........................................92

Anlisis de Falla en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de Crudo de 560 Barriles V


8/115

TESIS DE MAESTRA

SIMBOLOGA

CA Corrosin Permisible, en mmD Dimetro efectiva del Tanque, en mmE Mdulo de elasticidad, en GPa

G Gravedad Especfica, en kg/m3

H Mximo Nivel del Lquido en el diseo, en mHt Mxima Altura Permisible, en mmh1 Altura de la placa del anillo del fondo, en mmh2 Altura del segundo del anillo, en mmtd Espesor de diseo del Tanque, en mmt1 Espesor de la placa del anillo del fondo, en mmt2 Espesor de la placa del tercer anillo, en mmQ Capacidad Requerida, en galonesT Temperatura, C

Deformacin, m/mGravedad Especfica del fluido,

u Resistencia de ruptura,d Esfuerzo de Diseo, en MPay Esfuerzo de cedencia, en Mpa

Anlisis de Falla en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de Crudo de 560 Barriles VI


9/115

TESIS DE MAESTRA

RESUMEN

El Instituto Americano del Petrleo (API, siglas en ingles) establece los estndares para el diseo,

construccin e inspeccin de tanques de almacenamiento. El API 650 incluye, adems de diversas previsiones

importantes de diseo, criterios que gobiernan el diseo de la unin frgil techo- envolvente para aceros

soldados en tanques de almacenamiento. La unin frgil es la caracterstica primaria de diseo que asegura la

integridad funcional de la evolvente (cascarn cilndrico) y las uniones en la base y techo, para contener el

lquido almacenado en un evento inesperado de sobre-presurizacin de un tanque. Dada la importancia que

representa el diseo de la unin frgil techo-evolvente debido a sus implicaciones en seguridad y ambientales,

en este trabajo se realiza el anlisis de falla de la unin techo- envolvente de los Tanques Atmosfricos de

Almacenamiento de crudo de 560 barriles, basado en la propuesta de una unin frgil . Se realiz el anlisis

empleando el mtodo 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 metodologa analtica

y numrica; tambin se pretende en un futuro establecer mejoras potenciales a las regulaciones actuales.

Anlisis de Falla en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de Crudo de 560 Barriles VII


10/115

TESIS DE MAESTRA

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.

Anlisis de Falla en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de Crudo de 560 Barriles VIII


11/115

TESIS DE MAESTRA

INTRODUCCIN.Petrleos Mexicanos (PEMEX), report en su Anuario Estadstico, PEMEX 2006, que la produccin de

petrleo crudo para el 2005, fue de 3.333 millones de barriles diarios, de los cuales se exportaron 1.817millones de barriles; lo que represent un ingreso de 28,311 millones de dlares en el 2005. Ahora bien, en

todas la instalaciones que forman parte del proceso de la extraccin, distribucin y refinacin 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 algn momento debe ser almacenado.

Actualmente, debido a accidentes y fallas que se han presentado, especficamente en la Unin Techo-

Envolvente en tanques de almacenamiento menores a 15m de dimetro, especficamente en el rea de la

Junta Frgil (Joint Frangible) es por lo que se decide hacer un anlisis y proponer una solucin a este

problema. Actualmente, los comits de las Normas relacionadas con el estudio de los techos de Tanques de

Atmosfricos de Almacenamiento de crudos, estn siendo revisados en sus criterios de diseo, para

mejorarlos y con ello aumentar la seguridad en este tipo de estructuras, tan importantes en la Industria

Petrolera.

En el captulo 1, se describir 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 almacenar en los Tanques

Atmosfricos de Almacenamiento.

En el captulo 2, Se presenta un Anlisis de Esfuerzos aplicado tanto a la envolvente como a la junta techo

envolvente de un Tanque de Atmosfrico de Almacenamiento. Posteriormente se describirn los mtodos para

calcular los espesores de diseo para la construccin de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento y por

ultimo se calcular la presin terica de falla de un tanque de capacidad de 560 barriles de crudo.

En el captulo 3, Se calcular el espesor de las planchas de los Tanques, por anlisis de fallas, por el

procedimiento API de y las formulas desarrolladas en el capitulo anterior, utilizando el programa Mathcad

para su calculo. Tambin se analizar 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 clculos del captulo 3, se procede a realizar un anlisis de los resultados

encontrados, siguiendo los procedimientos de la Norma API-650/1990, se verificar si estn dentro de los

Anlisis de Falla en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de Crudo de 560 Barriles 1


12/115


13/115

TESIS DE MAESTRA

OBJETIVOEn esta investigacin se estudia el comportamiento estructural de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento

de Crudo, estando sometidos a sobrepresiones internas, que traen como consecuencia la expansin deltanque y llegan a presentar fracturas en la unin techo-envolvente. Por lo que el objetivo es determinar terica

y numricamente la presin de falla de un Tanque de 4.57 m (15) de dimetro por 5.49 m (18) de altura total.

En este trabajo slo se realiza el anlisis esttico en el Tanque de Almacenamiento.

Este caso del estudio solamente se considerar el anlisis esttico, es decir, la presin interna en el tanque,

y no se tomar en cuenta las cargas variables (vientos, sismos, cargas en las uniones de las tuberas de

cargas y descarga del tanque, etc).



14/115

TESIS DE MAESTRA

JUSTIFICACIN.Por la parte econmica, en la cual PEMEX gener un ingreso de 28,311 millones de dlares en el 2005 por la

produccin de petrleo. Y durante todo el proceso, el crudo que se produce debe ser almacenadocontinuamente en sus diferentes etapas de produccin.

Actualmente las compaas que le trabajan a PEMEX, cumplen los requisitos de diseo y construccin

establecidos por la API, mas no realizan el estudio completo de Diseo de Tanques, y solamente se basan a

las tablas de la Norma y es todo. Otro caso es la prueba hidrosttica, la cual solamente verifica que no haya

fugas, ms 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 subcomit de recipientes y Tanques a presin de la API-650, se reuni para realizar

propuestas en criterios de diseo de la unin frgil del techo de los Tanques, debido a que no esta totalmente

definido este punto para tanques pequeos menores de de 4.57 m (15) de dimetro. y si ponemos analizar

que PEMEX utiliza esta norma para la construccin de sus Tanques de Almacenamiento es una buena

oportunidad de realizar el anlisis estructural entre la unin envolventetecho.



15/115

CAPTULO 1

GENERALIDADES SOBRE TANQUESATMOSFRICOS DE ALMACENAMIENTO.

Se presentan aspectos generales relacionados con Tanques

Atmosfricos de Almacenamiento, su clasificacin por tipo, uso,

clculos de diseo, materiales para construccin, tipos de

techos, como se fabrican y cmo operan.


16/115

TESIS DE MAESTRA Captulo 1

Generalidades sobre Tanques Atmosfricos de Almacenamiento

Anlisis Estructural en la Junta Techo-Envolvente de Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de

1.1 Qus el Petrleo (Crudo)?.

1.1.1. La Importancia del Petrleo.

Actualmente, la humanidad necesita del petrleo, en una u otra de sus muchas formas lo usamos cada da de

nuestra vida. Proporciona fuerza, calor, luz y sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes,

objetos de plstico, materiales para la construccin, pinturas, textiles, generar electricidad, lubricar maquinaria,

etc. Poca gente llega a ver la materia prima (petrleo crudo), la cual es un lquido oleoso de origen natural

compuesto por diferentes sustancias orgnicas. Las sociedades industriales modernas lo utilizan sobre todo

para lograr un grado de movilidad por tierra, mar y aire desde hace ms de 125 aos aproximadamente. Con

todo ello, el petrleo es la fuente de energa ms importante de la sociedad actual.

1.1.2. Definicin.

En la industria petrolera, la palabra crudo se refiere al petrleo en su forma natural (no refinado), tal como

sale de la tierra. La palabra petrleo proviene de petro(piedra) y leo (aceite), o sea aceitede piedra. En

Mxico el vocablo chapopote o chapapotees castellanizacin de la palabra nhuatl chapopoctli (grasa) y

poctli (humo). [1.1]

Se ha de hacer mencin, que Un barril de crudo , es la unidad de medida de capacidad de los Hidrocarburos

Lquidos, que consiste en 42 galones USA (159.02 litros), corregidos a una temperatura de 60F (15.56C), a

presin del nivel del mar, sin agua, barro u otros sedimentos. En 1920, un barril produca 41.5 lts de gasolina,

20 lts de queroseno, 77 lts de gasleo y destilados y 20 lts de residuos ms pesados. Actualmente, un barril

de crudo produce 79.5 lts de gasolina, 1.5 lts de combustible para reactores, 34 lts de gasleo y destilados, 15

lts de lubricantes y 11.5 lts de residuos ms pesados.

1.1.3. Caractersticas.El petrleo (aceite mineral) se encuentra en el interior de la tierra y se compone principalmente de carbono (de

76 a 86%) e hidrgeno (de 10 al 14%); lo cual significa que es un hidrocarburo y no un mineral, ya que

procede de sustancias orgnicas. El petrleo es un fluido algo espeso cuyo color vara bastante, as como su

composicin; a veces se presenta amarillo, en ocasiones verde y otras casi negro. Generalmente, tiene un olor

4Crudo de 560 Barriles


17/115




muy desagradable y su densidad est comprendida entre los 08 y 095, 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 molculas estn formadas por hidrgeno y carbono

de distinto peso y contextura molecular, aunque tambin suelen contener unos pocos compuestos de azufre yde oxgeno; el contenido de azufre vara entre un 0.1 y un 5%.

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

El petrleo contiene elementos gaseosos, lquidos y slidos. La consistencia del petrleo vara desde un

lquido tan poco viscoso como la gasolina hasta un lquido tan espeso que apenas fluye. Por lo general, hay

pequeas cantidades de compuestos gaseosos disueltos en el lquido; cuando las cantidades de estos

compuestos son mayores, el yacimiento de petrleo est asociado con un depsito de gas natural. Estos

gases son tambin lquidos, 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 petrleo crudo lquido.

1.1.4. Origen del Petrleo (Crudo).

El petrleo se forma bajo la superficie terrestre por la descomposicin de organismos marinos. Los restos de

animales minsculos que viven en el mar y en menor medida, los de organismos terrestres arrastrados al marpor los ros 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 depsitos, ricos en materiales orgnicos, se convierten

en rocas generadoras de crudo. El proceso comenz hace muchos millones de aos, cuando surgieron los

organismos vivos en grandes cantidades, y contina hasta el presente. Los sedimentos se van haciendo ms

espesos y se hunden en el suelo marino bajo su propio peso. A medida que se van acumulando depsitos



18/115




adicionales, la presin sobre los situados ms 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 petrleo y gas natural.

1.1.5. Clsificacin del Petrleo (Crudo).

Los mtodos de clasificacin constituyen elementos indicativos de las caractersticas generales de un tipo de

crudo, dependiendo del nmero de tomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que integran el

petrleo, se tienen diferentes propiedades que los caracterizan y determinan su comportamiento como

combustibles, lubricantes, ceras o solventes. Uno de los sistemas ms utilizados es el de gravedad especfica

o grado API. [1.2]

A continuacin se menciona conceptos relacionados con este tema que ayudarn a comprenderlo mejor.

Densidad ().La densidad de una sustancia es definida como la masa por unidad de volumen, expresada

como gr/cm3, lb/ft3, etc

Gravedad Especfica (G).La gravedad especfica de una sustancia es la relacin de la densidad () de una

sustancia con la densidad de una sustancia (ref) a condiciones especficas. La sustancia de referencia es

comnmente tomada del agua a 4C donde ref es igual a 1000 gr/cm3, esto es 62.43 lb/ft3.Equation Chapter (Next) Section 1

F

A= (1.1)

Gravedad API (API). La gravedad especfica del petrleo o productos del petrleo son expresados en

trminos de Grados API en una escala definida por:

141.5

131.5API G = (1.2)

Donde G es la gravedad especfica del lquido a 15.56C(60F), con referencia al agua a una temperatura de

15.56C(60F). Adems, un valor de 10 API corresponden a G= 1



19/115




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

Aceite Crudo Densidad( g/cm3)

Densidadgrados API

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

Tabla 1-1. Clasificacin del Aceite Crudo segn API. [1.1]

Mxico produce tres tipos de crudo: el Maya-22pesado (con densidad de 22 grados API, y un peso especfico

de 0.9199), que constituye casi la mitad del total de la produccin. El Istmo-34, ligero, bajo en azufre (con

densidad de 33.6 grados API y un peso especfico de 0.8535), que representa casi un tercio del total de laproduccin; y el Olmeca-39, extra ligero (con densidad de 39.3 grados API y un peso especfico de 0.8261),

aproximadamente la quinta parte del total de la produccin. [1.1]

En la regin norte del estado de Veracruz, el tipo de crudo que se obtiene es del tipo Istmoy debemos tenerlo

presente a la hora de realizar el clculo del tanque.



20/115




1.1.6. Produccin del Petrleo (Crudo).

Cundo un pozo petrolero ya sea terrestre o una plataforma marina est 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 (petrleo) es extrado. A partir de aqu, el crudo se enva inmediatamente a una Batera de Separacin,

con finalidad separar gases, aceites, agua y slidos en suspensin que producen los pozos. Dichas Bateras

estn formadas por un conjunto de tanques de almacenamiento, tuberas, 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 slidos se efecta normalmente en

tanques cilndricos de fondo plano y techo abovedado (de 560 a 3000 barriles de capacidad), conocidos como

Tanques Atmosfricos de Almacenamiento.



21/115




1.2 Cmo funciona un Tanque Atmosfrico de Almacenamiento deCrudo?.

A partir de la extraccin del crudo, este se enva desde el pozo por medio de bombas a las Bateras de

Separacin (Figura 1-3). Para el crudo, esta operacin es sumamente importante, debido a que viene

mezclado o emulsionado con agua, con materias en suspensin o sales inorgnicas entre otras, que se

puedan decantar gracias a su mayor peso especfico (Figura 1-6). El agua acumulada o los lquidos son

normalmente drenados o purgados segn su tasa de acumulacin.

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

Las Bateras de Separacin se localizan cerca del cabezal del pozo, o en un lugar donde es tratada la

produccin de varios pozos a la vez. Una Batera cuenta con colector para la entrada, en ocasiones hasta de

de 10, separador de gas, calentadores, tanques de produccin general y de control (medicin), bombas,separadores de lquidos, etc. (Figuras 1-4 y 1-5).



22/115


23/115




En los tanques de produccin se realiza la primera recoleccin y el primer procesamiento de separacin,

utiliza como carga el petrleo crudo y es el primer paso en la manipulacin, previo al envo a la refinacin o un

sistema de procesamiento de gas. El almacenamiento es por lo general, temporal y de corta duracin, pero se

debe recordar, como ya se mencion antes, que durante este periodo el crudo, el agua y el gas natural quefluyen son separados dando como resultado una mezcla lodosa en el interior del Tanque (Figura 1-6). Ahora

bien, estos tanques son recipientes cilndricos verticales diseados para operar a una presin interna

aproximada igual a la atmosfrica; la presin del vapor del producto a la temperatura mxima de

almacenamiento podr variar de 0.035 kg/cm2 (0 a 0.5 lb/pulg2) Manomtricas, 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.



24/115




1.3 Importancia del Almacenamiento. (Estadsticas).

Se ha de hacer mencin que la mayora de los tanques existentes en PEP regin NORTE, son del tipo techo

unin 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 petrleo. Tanques de mayores capacidades se

localizan en complejos petroqumicos. Como caso de estudio se analizar un tanque con 560 barriles de

capacidad que se encuentran principalmente cerca de los pozos de perforacin.

Las Bateras de separacin cuentan como mnimo 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 petrleo. En la regin Norte, las

Bateras de Separacin existentes son:

1. POZA RICA II, V, VI, VIII, X y XX.2. SAN ANDRS I, II, III y IV.

3. REMOLINO I y II.

4. CHOTE I y II.

5. CERRO DEL CARBN

6. CENTRAL DE ALMACENAMIENTO Y BOMBEO (CAB)

7. EL MURO

8. EZEQUIEL ORDEZ

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



25/115


26/115




Tanques de Medicin.Son utilizados para medir la cantidad de lquidos que produce un pozo sometido a

prueba, su capacidad vara de 280 a 1000 bls. Estos tanques tienen la ventaja de ser fcilmente trasportados

a los lugares donde se requiera, sin necesidad de desarmarse. (40 m3)

Tanques de Produccin General. Son utilizados para medir y almacenar temporalmente la cantidad de

lquidos que produce uno o varios pozos. Su capacidad vara 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 lquidos de los tanques de produccin general y medicin y como su nombre lo indica permite almacenar

los lquidos que produce los pozos por ms tiempo que los anteriores.

Es importante mencionar que la seleccin del tipo de tanque depender de la presin de trabajo de vapor

verdadera del producto a la temperatura de almacenamiento, para garantizar que el producto se encuentre en

fase lquida y evitar las mermas (perdidas por evaporacin).

1.5 Materiales Utilizados para la Construccin de Tanques deAtmosfricos de Almacenamiento.

Un aspecto muy importante en el diseo de un Tanque de Almacenamiento es la seleccin 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 lquido almacenado (crudo) sobre el

Tanque. Para la seleccin del material de las placas, estas se especifican por medio del: Diseo de

Temperatura Mnima del Metal(Minimun Design Metal Temperature MDMT) y depende de la temperatura del

lquido 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 carbn y de baja aleacin son usualmente los ms utilizados.



27/115




Se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones al seleccionar un material para un Tanque

Atmosfrico de Almacenamiento:

1.Los tanques no contengan lquidos gases letales,

2.La temperatura de operacin estar entre -28.89C y 343.33C, y3.El espesor de la placa no exceda de 16 mm(5/8pulg).

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

Mecnicas.Al considerar este tipo de propiedades, es deseable que tenga buena resistencia a la tensin, alto

nivel de cedencia, una buena capacidad de alargamiento y mnima reduccin de rea. Con estas propiedades

principales se establecen los esfuerzos de diseo para el material en cuestin.

Fsicas.En este tipo de propiedades se buscar que el material deseado tenga un aceptable coeficiente de

dilatacin trmica.

Qumicas. La principal propiedad qumica que se debe considerar en el material que se utilizar en la

fabricacin de tanques es su resistencia a la corrosin.

De Soldabilidad.Los materiales utilizados para fabricar Tanques de Almacenamiento deben tener buenas

propiedades de soldabilidad, debido a que la mayora de los componentes son de construccin soldada. Para

el caso en que se tengan que soldar materiales diferentes entre l, estos debern ser compatibles en lo que asoldabilidad se refiere.

Para la seleccin del material, a continuacin se presenta una grfica donde se agrupan materiales y con base

en la temperatura mnima de diseo (MDMT), se selecciona el espesor mnimo de placa.

Se considerar la temperatura ambiente de la regin geogrfica donde sern montados los Tanques (Figura

1-8). Para el caso de estudio en la regin norte del estado de Veracruz, la temperatura media anual oscila

entre los 22 y 26C; y en poca de calor oscila entre los 35 y 45C (95 y 113F) llegando alcanzar enocasiones los 47C(116.60 F). [1.6]



28/115




TemperaturadeDiseodelMetal

Espesor utilizado en envolventes de Tanques de Almacenamiento, incluyendo la corrosin permitidaNotas:1. Para los Grupos II y V, algunas lneas coinciden con espesores menores que 12.5 mm( in).2. Los Grupos III y IIIA, todas las lneas coinciden en espesores menores de 12.5 mm( in),

3. Los materiales para cada grupo estn listados en la Tabla 1-2.Figura 1-8. Diseo mnimo permisible del material (MDMT), utilizado en envolventes de Tanques deAlmacenamiento sin Prueba de Impacto. [1.7]

Posteriormente, y basndose 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, semiterminadoRolado, terminado o

semiterminado

Rolado, terminado. Grano

Fino

Normalizado, terminado.

Grano finoMaterial 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



29/115




Grupo IV Grupo IVA Grupo V Grupo VI

Rolado, semiterminadoRolado, terminado o Grano

FinoNormalizado, terminado.

Grano Fino

Templado y Revenido,Terminado Grano fino,Reduccin de Carbono

Material Notas Material Notas Material Notas Material NotasA 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 mayora de los materiales listados se refiere a las especificaciones ASTM (incluyendo Grado o Clase); sin embrago existen algunexcepciones tales como: G40.21M (incluido el grado) el cual es una especificacin canadiense CSA; Los Grados E 275 y E 355(incluyendo calidad) pertenecen a la Norma ISO 630; y los Grados 37, 41 y 44 estn relacionados con Normas Nacionales (es decir, han sido aprobadas pogobiernos de pases en las cuales se originaron dichas Normas).

2 Terminado o Semiterminado3 Espesores 12.5 mm (1/2 in)4 Contenido mximo de Manganeso de 1.5 %.5 Espesores mximos de 20 mm (3/4 in), cuando el rolado es controlado utilizando acero normalizado6 El contenido de Manganeso deber contener entre 0.80 y 1.2% para un anlisis de temperatura de un espesor mayor a 0.75 in, exacto para cad

reduccin de 0.01% abajo del espcimen mximo de carbn, un incremento del 0.06% de manganeso arriba del espcimen mximo deber sepermitida hasta un mximo de 1.35%. los espesores iguales o menores a 0.5 in debern tener un contenido de manganeso de 0.8 y 1.2% poanlisis de temperatura.

7 Espesores 25 mm (1 in)8 Debe ser terminado9 Debe ser terminado, elaborado por prctica de Grano Fino

10 Debe ser Normalizado11 Debern tener una prueba qumica modificada a un mximo de contenido de carbn de un 20% y un mximo de manganeso de 1.60%12 Producido por un proceso de control termomecnico (TMCP, por sus sigla en ingls)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 ms alta temperatura, si bien, la tabla se limita a 16 Cesta temperatura es la ms

alta y sera la mas cercana para la temperatura de operacin en la regin norte del estado de Veracruz por lo

cual, los materiales del Grupo 1, sern la opcin a utilizar en los Tanques de Almacenamiento.



30/115




Para realizar una comparacin de los materiales recomendados en el Grupo 1, se utilizar de la tabla 1-3

como una gua para tomar la decisin de que material utilizar en la construccin de Tanques Atmosfricos de

Almacenamiento. Un factor muy importante a considerar en la Regin Norte del estado de Veracruz como ya

se ha mencionado, son las temperaturas altas que se presentan un a lo largo del ao, por lo que no habradiferencia de escoger entre un material 283 grado C y un 285 grado C, la diferencia radica en la

tempeatura de operacin, el 283 soprta mejor este factor.

Composicin Qumica, Wt en %Material(ASTM)

Esfuerzode Ced.,en MPa

EsfuerzoUltimo deTensin,en MPa

Temp. deOperacin,

en C

Elong.%.

C Fe P Mn S Si

A 283 - C 205 380-450 Entre -9 y343

22 Min.0.2

100 Mx.0.04

---- Mx.0.05

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

Min.98.75

Mx.0.035

---- Mx.0.035

A 131 235 400-490 21 Mx.0.23

Min.97

Mx.0.05

2.73 Mx.0.05

A-36(planchas)

0.2 98 Mx.0.04

1.03 Mx.0.05

0.28

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

Ahora bien, para el acero el ASTM 283-C, el cual tiene una buena ductilidad, fusin de soldadura y son

relativamente fciles 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 lminas 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 343C

(650 F). Los valores de esfuerzos para este material y otros utilizados en la construccin de Tanques de

almacenamiento atmosfricos estn indicados en la Tabla 1-4y son:



31/115




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

Ya seleccionado el material en particular, el valor del esfuerzo mnimo de cedencia, del material se utilizar

para determinar el espesor de diseo de la placa.



32/115




1.6 Procesos de Contruccin de un Tanque Atmosfrico deAlmacenamiento.

En esta seccin se presentarn los planos tcnicos para la construccin del tanque.



33/115


34/115




Con la informacin de los planos se procede a la construccin del Tanque Atmosfrico de Almacenamiento. A

continuacin se muestra grficamente los pasos de la construccin del mismo.

(a) Se acondiciona la plantilla de la base del tanque

nivelndola convenientemente, enseguida seconstruye el soporte de concreto para la estructuraque soportar la cpula del tanque, el redondel seconstruye de concreto y sirve para que descansenlas paredes del tanque y se impermeabiliza congravilla y asfalto toda el rea donde ir apoyada labase.

(b) Al mismo tiempo, en el taller, se trabaja en laslminas, placas o planchas que servirn deenvolvente al tanque. Se tiene que hacer una

diferencia entre lminas y placas, ambas sonproducto de laminacin de seccin generalmenterectangular cuya diferencia principal se basa en suespesor, las lminastienen un espesor hasta de 5mm (3/16), y las planchas o placas, tiene unespesor mayor a 5 mm (3/16), cualesquiera quesean, stas deben ser roladas, esto es, que se leshaya dado previamente la curvatura necesaria conel fin de que las paredes del tanque formen uncilindro regular, soldando a tope todas las placasque forman la envolvente.[1.8]

(c) Una vez acondicionada la base de sustentacin,se procede al tendido y soldado de la placa defondo, cortando la parte sobrante de las lminasexteriores para darle forma circular. El pandeo oalineacin de las lminas que forman los anillos dela envolvente, puede efectuarse soldando a laslminas una lminas interiores entre las juntashorizontales de las lminas, pero al proceder deesta forma, las paredes del tanque puedenpresentar deformaciones.

(d) Para la colocacin de lminas de la envolvente,es necesario auxiliarse de plumas o malacatesmontados sobre camones, as mismo, de andamiosde tablones de madera apoyados en mensurassoldadas al anillo inmediato inferior, las cualesterminada la ereccin del tanque, se procede aeliminarlas. Las lminas que forman los tanquespueden ir traslapadas o a tope.



35/115




(e) Para poder efectuar la construccin del techo,previamente debe haberse construido la estructurainterior del tanque. Regularmente consta de unacolumna tubular al centro. Sobre la placa de la

columna central y unos ngulos soldados al casco,se apoyan los polines radiales de fierrocomnmente en canal, los cuales sostienendirectamente las lminas de techo, en la unin delas paredes del tanque (envolvente) con las lminasde la base del techo se suelda un ngulo circular.

(g) Se pinta, y se prepara para realizarle la pruebahidrosttica. Esta prueba consiste en llenar eltanque con agua natural al 100% de su capacidad,la prueba se considerar efectiva cuando hayan

transcurrido un tiempo de 24 horas y no sepresenten fugas, al final la prueba solamenteverifica que no haya fugas, pero no simula lascondiciones reales de operacin del Tanque ymucho menos simula la presencia de vapores delos crudos confinados en los tanques.

Figura 1-8. Fases de construccin de un Tanques Atmosfricos de Almacenamiento de crudo.



36/115




1.7 Tipos de Fallas.

Debido a diversos factores tales como, eventos naturales (ciclones, huracanes, terremotos, etc.) y errores

humanos (mal diseo, construccin defectuosa, ineficiente mantenimiento, sbitas maniobras de carga y/odescarga del Tanque, etc.), causan fallas que producen serias prdidas econmicas y lo ms 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 compresin debidos alcomportamiento de viga en flexin de la pared del

tanque ocasiona la falla por pandeo conocida comopata de elefante (elephan-foot) vase Figura. 1-9a. Enestudios de hidrodinmica de lquidos en tanquesrgidos [3.1], se mostr que parte del lquido tiene unmovimiento con un perodo largo, mientras que el restose mueve rgidamente con el tanque.

(b) Colapso en el Anillo Superior del Tanque

El efecto del lquido denominado de sloshing,

determina la altura de las ondas de superficie libre yocasiona dao al techo y al anillo superior del tanque(Figura 1-9b). El lquido que se mueve cerca de lasuperficie libre, origina esta falla en el ltimo anillo deltanque.

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

Falla entre la Base y la Pared del Tanque. Cuandolos vapores inflamables contenidos en los Tanques

Atmosfricos de Almacenamiento explotan,desprendiendo la unin entre la placa del fondo y laenvolvente. Estas fallas ocasionan que el tanque serasgue y, en algunos casos, estos sean lanzados atravs del aire. (Figura 1-9c)



37/115




(d) Falla en el cimiento del Tanque

Falla por Asentamiento del Suelo. En tanquessoportados por pilotes, la falla se presenta en la parte

baja del tanque debido al asentamiento del suelo, loque provoco la ruptura del anillo inferior o de base loque origino asentamientos diferenciales (Figura 1-9d) eltanque.

(e) Falla por Colapso

Colapso. Segn estudios realizados se origina debidoal 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 basepuede ocasionar: (1) ruptura de las conexiones de latubera que salen del tanque debida a losdesplazamientos verticales, y (2) ruptura de la unin dela placa de base con la envolvente del tanque (Figura1-9e).

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

Falla en la Junta Techo-Envolvente. Sonfundamentalmente ocasionadas en las operaciones dellenado y vaciado (prdidas por movimiento). Su

caracterstica es la separacin de la unin techoenvolvente. Durante el llenado, los vapores en elespacio libre interior del tanque son desalojados alambiente y luego con el vaciado se succiona aire frescohacia el interior del tanque, propiciando nuevaevaporacin. Mas no todos los vapores sondesalojados por lo que en cada llenado se genera unaacumulacin y en un determinado tiempo se generauna sobrepresin en el techo, como consecuencia sellega generar una explosin (Figura 1.9f).

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



38/115




1.8 Normatividad.

Debido a que el anlisis que vamos a realizar, se apoyar tanto en la norma Americana API-650 [1.7] y la

norma Britnica BS 2654: Part. 1 [1.9], |se considera importante explicar brevemente el concepto de cadanorma para as 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 edicin publicada, en Noviembre de 1998. Esta Norma abarca desde el diseo, seleccin del

material, fabricacin, construccin, montaje, y requerimientos de Tanques de Almacenamiento verticales,

cilndricos, enterrados en el fondo y cerrado o abiertos del techo, soldados acero en diferentes tamaos ycapacidades para presiones interiores que se aproximan la presin atmosfrica (presiones interiores que no

exceden el peso de las placas del techo)[4.5]. La API-650 slo aplica a tanques cuyo fondo entero es

uniformemente soportado y a los tanques en servicio no refrigerados que tienen una temperatura de

funcionamiento mxima de 90C. (200F). Tambin abarcan los tanques en los cuales la presin interna

excede el peso de las placas del techo ms no rebasen los 18 kPa(2 lb/in2).

Los apndices de esta Norma son:

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



39/115




1.8.2. Norma BS 2654.

La Norma Britnica: 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 diseada para proveer a la

industria petrolera de Tanques con adecuada seguridad, razonable economa y un rango de capacidad

aceptable. La norma se divide en dos partes, la primera relacionada al diseo y la fabricacin del Tanque,

mientras la segunda parte se relaciona con la colocacin, inspeccin y pruebas del mismo.

Los tipos de Tanques que abarca la presente Norma son:

Tanques no Presurizados de Techo fijo. Debern ser capaces de trabajar a presin atmosfrica, pero sern

tambin diseados para una presin interna de 0.7465kPay una presin de vapor entre el espacio interno del

techo limitado a 5.6 kPa y un mximo de vaco de 0.6 kPa. Generalmente son de Techo Fijo (todos los

tamaos).

Tanques Presurizados. Debern ser capaces de trabajar a una presin interna de1.99 kPay una presin de

vaco de 0.622kPa. Generalmente son de Techo Fijo, hasta 39.0 mde dimetro.

Tanques de Techo abierto. Estos tanques pueden ser diseados acorde con estas especificaciones, para

resistir condiciones de altas presiones y/o vacos, esta norma provee los esfuerzos permitidos los cuales no

deben ser excedidos, fabricados en todos los tamaos.

Esta norma no incluye el diseo ni la construccin de techos flotantes.



40/115




1.9 Planteamiento del Problema.

Durante el proceso de trabajo normal de los Tanques Atmosfricos de Almacenamiento, existen diversas

variaciones de presin originadas por diferentes causas. En un tanque, y especficamente de 560 bls, estsiendo 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 lquido (crudo) cuando est

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

evaporacin; cuando se realizan estos procesos se debe controlar la presin interna de los tanques, para lo

cual se utiliza una vlvula de alivio en la parte superior de los mismos, cuando esta vlvula no funciona

adecuadamente se originan sobrepresiones.

El acero de media resistencia con el cual est construido las placas del tanque aguanta bien la presin, pero el

vapor intenta buscar salida por alguna parte y la encuentra en las vlvulas de seguridad (alivio), o en cualquier

otra parte que presente menos resistencia a su salida, que al no actuar bajo la presin a que han sido

calibradas, origina que en algunos casos se vuelen las tapas de los tanques (el cual es el propsito de este

estudio), se colapsen, estallen por el efecto de la sobrepresin o se presenten otros tipos de falla estructural

como se mencion anteriormente.

Figura 1-10. Evaporizacin del crudo dentro de un Tanque Atmosfrico.

Si durante la operacin, se manifiesta una falla debido a la presin interna, esta se generar en el punto ms

dbil, esto es, en la unin techo envolvente. Por lo que se han diseado las Juntas frangibles, las cuales

tienen como objetivo que en caso de explosin, el tanque no salga despedido, sino solamente se desprenda

parcial o totalmente la tapa del mismo (Figura 1-9f). Segn la API [1.7], ese es el motivo por el cual de la



41/115




denominacin de techo frgil, pero la misma Norma no tiene totalmente definido estos para todos los

tamaos de Tanques. Por lo tanto, se debe primero conocer cules son las presiones de operacin mxima y

de falla, comprobar si los valores de diseo que utiliz la Norma API en Estados Unidos se aplican a

condiciones muy diferentes en Mxico y especficamente en la regin norte del estado de Veracruz. Es decir,los mismos valores de presin y espesores sern iguales en Mxico que Estados Unidos?

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

Se ha de hacer mencin que en este proyecto, slo se realizar el anlisis esttico del Tanque Atmosfricode Almacenamiento.

1.10Plan de Trabajo.

1.10.1. Mtodo Cientfico.

La filosofa fundamental de la ciencia y la ingeniera son totalmente diferentes. El cientfico se cuestiona o

pregunta primero el por que de los fenmenos. Mientras que para el ingeniero, uno de sus principales

objetivos, es poder disponer y utilizar fenmenos fsicos en beneficio de la humanidad. As, de esta manera, el

mtodo cientfico ha ayudado a evolucionar al ser humano en descubrir y comprender sistemticamente los

fenmenos naturales. El mtodo cientfico es una propuesta de pasos que sern utilizados para ayudar a



42/115


43/115




1.11Referencias.

[1.1] Los Crudos Mexicanos, sus caractersticas, Instituto de Investigaciones Elctricas (IIE),Cuernavaca, Morelos. Boletn 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 Aos al Servicio de la Industria Petrolera Nacional, Instituto Mexicano del Petrleo, Mxico,1995.

[1.4] Operacin de Bateras, Petrleos Mexicanos (PEMEX), Exploracin y Produccin (PEP), Activode Produccin Poza Rica, Operacin de Explotacin , Primera Edicin, Poza Rica, Ver., Junio 2000.

[1.5] Brian D. DiGrado & Gregory A. Thorp, The Aboveground Steel Storage Tank Hanbook,NewJersey, Edit. Wiley-Interscience, 2004, ISBN 0-471-28629-X.

[1.6] Instituto Nacional de Estadstica Geografa e Informtica (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] Diseo de Tanques Atmosfricos, Norma 2.341.01, Gerencia de Proyectos y Construccin,Petrleos Mexicanos (PEMEX), 1a. Edicin, Mxico, 1979.

[1.9] Vertical Mild Steel Welded Storage Tanks, with Butt- Welded Shells, for the Petroleum Industry, BS2654 part. 1 - 1956, British Standard (BS), UK, 1956.



44/115

CAPTULO 2

ANLISIS DE ESFUERZOS ENFOCADOS ALCASO DE ESTUDIO.

Se presenta un Anlisis de Esfuerzos aplicado a la envolvente

(casco) de un de un Tanque de Atmosfrico de Almacenamiento.

Se analiza la geometra del Techo del Tanque y cmo es esta

afectada por la presin interna de operacin del Tanque. En

general se plantean las ecuaciones para calcular los espesores

de diseo de las placas de la envolvente, techo y las presiones

tericas mxima y de falla. Todo lo anterior apoyndose en lasNormas API-650 Y BS-2645. Se propone un proceso

metodolgico para todo este proceso.


45/115


Anlisis de Esfuerzos Enfocado al Caso de Estudio


2.1 Diseo de la Envolvente del Tanque de Almacenamiento

Para el diseo de la envolvente, deben considerarse diversos aspectos principalmente el liquido a contener y

uno de los puntos ms importantes, los diversos esfuerzos a los cuales ser sometida dicha envolventecuando se encuentre en operacin [2.1]. Los ms importantes son:

Esfuerzos Circunferenciales (tensin). Lo mayores esfuerzos en la envolvente son los esfuerzos

circunferenciales a tensin, la mas significativa, es por el calor del liquido contenido en el tanque, acompaada

por la sobre presin que se forma entre el espacio vaco del mismo liquido y la cpula del techo fijo de un

tanque.

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

pueden ser:

El peso mismo del Tanque, la compresin 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 vaco interno en el Tanque cuando se descarga tanto el

lquido contenido como los gases existentes dentro del Tanque.

La carga del viento que acta en la evolvente del Tanque y la cual causa un efecto de

aplastamiento en el lado que golpea el viento, induciendo una carga de compresin.

La misma geografa donde se vaya a colocar el Tanque, el probable esfuerzo de compresin

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 expansin est restringida en la junta piso

envolvente y aun as, en la envolvente se presenta un esfuerzo vertical en esta rea de unin en particular.



46/115




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 P0o ambas a la vez. Debido que en el tipo de falla que se est analizando, la presin internatiene una mayor importancia que la presin externa ejercida sobre el Tanque de forma cilndrica, por lo que se

dar un mayor nfasis a su anlisis.

Si el recipiente est sometido a la presin interna Pi (manomtrica), esta misma se distribuye, de acuerdo al

principio de Pascal, axialmente a lo largo del recipiente y radialmente sobre toda su pared cilndrica, por lo

cual la presin es uniforme en magnitud. Esta presin de alguna manera origina que el cilindro se esponje o

infle. Si la presin acta en sentido contrario, se deber tener precaucin, debido a que el vaco interno, las

presiones o cargas externas pueden originar que el cilindro se colapse. [2.2]

En la Figura (2.1a) se observa un recipiente cilndrico de longitud L, de dimetro interno D= 2ry externo d0y

espesor tde la pared. Si este recipiente est sometido a una presin interna Pi y externa P0,sus paredes

soportarn esfuerzos los cuales pueden ser reducidos a un sistema de esfuerzos principales, segn 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 est sometido a los esfuerzos

normales 1en la direccin (a) y 2en la direccin longitudinal o axial (t), ambos esfuerzos ejercen

tensin sobre el material de las paredes del recipiente. Ahora bien, como la geometra es simtrica y la carga

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

ser igual a la presin con valor negativo.

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



47/115




Ahora bien, para demostrar cmo se disea la envolvente del tanque atmosfrico de almacenamiento, algunos

principios bsicos de diseo de ingeniera debern ser considerados. [2.2] [2.3] [2.4]

A continuacin se realizar un anlisis de los esfuerzos que se presentan, tanto circunferencial como

longitudinalmente en un cilindro de pared delgada y su posterior aplicacin en los Tanques Atmosfricos de

Almacenamiento.

2.2.1. Anlisis de Esfuerzos Circunferenciales.

Para el esfuerzo circunferencial o anular1, se debe considerar que el recipiente esta seccionado junto con la

presin ejercida por el liquido o gas que lo contiene. Aqu solo se muestran las cargas en direccin a las

paredes del recipiente. (Figura 2.2)

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

Las fuerzas que actan aqu son las causadas por la presin interna, las cuales son equilibradas por la fuerza

originada por el esfuerzo longitudinal. Se debe tener presente que tanto la presin interna, como el esfuerzo,

estn expresados en unidades de fuerza sobre rea.Equation Section 2

Considerando la figura anterior como una seccin de una media caa, su rea ser igual a:

=F

A (2.1)

Despejando F, e igualando

= 1F A (2.2)

= 1(2 )iP L D L t (2.3)

Resultando:

= =2

i iC

P D P r

t t (2.4)



48/115




2.2.2. Anlisis de Esfuerzos longitudinales.

Ahora bien, considrese que el cilindro se parte a la mitad para analizar los esfuerzos longitudinales 2

(Figura 2-3).Cuando se analiza la pared del cilindro se asume que el esfuerzo 2 acta en paralelo a lasuperficie del cilindro y en sentido contrario a la direccin de la presin interna PiLas fuerzas que actan aqu

son las causadas por la presin 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:

= 2F A (2.5)

El rea de la seccin circular hueca es:

=

2

2( )4iDP D t (2.6)

Resolvindole esfuerzo de principal mnimo tendremos:

= =

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 ms

grande que el esfuerzo longitudinal, en consecuencia las juntas longitudinales deben disearse para

soportar dos veces mas esfuerzo que las juntas circunferenciales, por lo cual, ecuacin 2.7 es la queservir de punto de inicio para analizar los esfuerzos de la envolvente en un Tanque de Atmosfrico de

Almacenamiento.



49/115




2.3 Diseo de la Envolvente de Tanques Atmosfricos deAlmacenamiento de Crudo.

Los espesores de las placas sern calculados a partir de la parte inferior de cada anillo, los cuales estnformados 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 depender tanto de la altura mxima como del dimetro 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 tambin la distribucin de las placas uniones verticales estn relativamente

escalonados respecto a las uniones verticales de los anillos adyacentes, los cuales formarn membranas

cilndricas que son diseados para resistir esfuerzos a tensin.

Figura 2-4. Distribucin del esfuerzo y la presin en un Tanque Atmosfrico de Almacenamiento.[2.5].

2.3.1. Diseo de Placas de la Envolvente del Tanque.

La pared o envolvente es el componente ms grande y por lo tanto tiende a ser el ms crtico del Tanque de

Almacenamiento, abarca cerca de un 60 % del rea total de estos. Para Tanques d Almacenamiento de

560bls, los anillos que forman las paredes de los tanques estn constituidos de placas de un ancho w,

usualmente alrededor de 1828.8 mm (72 pulg.). Existen cargas, que si las condiciones de la geografa del

lugar, climatolgicas, u operacionales las requieren deben ser anexadas al diseo siendo las mas importantes

la: a) Presin hidrosttica por altura de Liquido, b) Fuerzas inducidas por el Viento, c) Cargas Impuestas por

Conexin de Tuberas, d) Cargas inducidas por Asentamiento del Tanque y e) Cargas Ssmicas. Estas cargas

dinmicas no sern consideradas para el presente proyecto.



50/115




2.3.1.1. Clculos para el Diseo de Espesores de la Envolvente, segn API 650.

Ahora bien, para los clculos de los espesores de diseo de la placas que formarn la envolvente de los

tanques, se mencionar que las bases tericas en las que se basan la informacin de diseo y construccin 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 mtodo, segn norma antes referida.

MtodoEcuacin del Espesor de las

PlacasDimetros de

aplicacinDefinicin de las

Variables

Mtodo de 1 pie

(One Foot)

( )

= +

4.9 0.3048d

d

H Dt CA

( )

=

4.9 0.3048t

t

H Dt

60 m(200 ft) 60 m(200 ft) x= API, la defineusualmente con un valormayor que 30.48 cm (12in).

Apndice A

(Appendix A)

( )( )

= +

4.9 0.3048

21,000

Ht C

f

DA

15 m(50 ft) < D= No debe ser menorde 1.

f= El valor de laEficiencia de Junta estaentre 0.7 y 0.85.

(1) Donde: D: Dimetro; Haltura de diseo del Lquido; :gravedad Especifica; CA: corrosin admisible; d: esfuerzo dediseo; t: Esfuerzo de prueba Hidrosttica

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

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

Como se puede observar, el valor de Eficiencia de Junta f(Tabla A-1), tanto para el mtodo de One Foot

como para Mtodo del Punto Variable, es omitida o bien se asume que es igual a 1 o 100%. [2.7]

Los mtodos de clculo indicados en la Tabla 2-1, se describen brevemente a continuacin:



51/115




Mtodo de un Pie (One Foot). Este mtodo calcula los espesores tomando que el punto de diseo de

esfuerzo para el anillo considerado se sita a 0.3048 m (1 ft) arriba de la base del anillo en cuestin. Este

mtodo no podr utilizarse para tanques con dimetros mayores a 61 m(200 ft). El valor mnimo a seleccionar

es el mayor de los obtenidos de las ecuaciones indicadas en la Tabla 2-2; donde una de las ecuacionesconsiderar las condiciones de operacin (Diseo) y la otra la prueba Hidrosttica.

Mtodo del Punto Variable.Se emplea con Tanques de gran Dimetro, este mtodo calcula los espesores

en los puntos donde el esfuerzo circunferencial real est muy cerca del admisible. Por tal motivo este mtodo

es de aproximacin por tanteo. Con el se ob

JUNTA FRAGIL EN TANQUES.pdf

Documents

Transcript of JUNTA FRAGIL EN TANQUES.pdf