ANALISIS DE LOS FACTORES PARA EL DISEÑO DE ALMACENAMIENTO DE HIDROCARBUROS LIQUIDOS El código de la norma API 650 está basado en el conocimiento y la experiencia acumulada de fabricantes y usuarios de tanques de almacenamiento de petróleo soldados, de varios tamaños y capacidades, con una presión manométrica interna que no exceda de 2.6 psi, reconocido por su uso generalizado en todo el mundo y aceptado por todos los países dedicados a esta industria, es aplicado en nuestro país por empresas constructoras dedicadas al diseño y construcción de tanques para la industria petrolera.
La Norma API 650, son los procedimientos, que rigen el diseño, fabricación, levantamiento, inspección y soldadura, para tanques de almacenamiento de petróleo. Los puntos que desarrolla esta norma, rigen para el diseño de tanques atmosféricos bajo ciertas condiciones:
La presión de diseño es aproximadamente la presión atmosférica equivalente a 1atm, o 101,3 Kpa o 14,7 psi, con un alcance de una presión interna de hasta 18 KPa o 2.6 psi.
La temperatura de operación máxima del tanque es de 93 ºC (200 ºF). Sin embargo el Apéndice M provee requerimientos para tanques que operen a una temperatura de diseño mayor a 93 ºC, pero que no excedan los 260 ºC (500º F).
De esta manera la Norma API 650, proporciona tanques seguros y de razonable costo para el cliente, cumpliendo con las necesidades de acuerdo a sus especificaciones. A pesar de que esta Norma ha sido utilizada como una fuente muy confiable para el diseño de tanques, claramente señala que los tanques diseñados deben cumplir con ciertos aspectos mínimos y deja a criterio del diseñador la ingeniería de detalle del mismo. Las normas API son establecidas siempre para tratar problemas de naturaleza general, son revisadas, modificadas, reafirmadas o eliminadas al menos cada 5 años. Los estándares API son publicados para facilitar una amplia aplicación de buenas prácticas comprobadas de ingeniería y operación. Estos estándares no tienen la intensión de obviar la necesidad de la aplicación de los criterios de la buena ingeniería.
La intención de la norma es servir como una especificación de compra para tanques en la industria petrolera. El comprador o usuario deberá especificar ciertos requisitos básicos para la compra y podrá modificar, eliminar o ampliar los requerimientos del código, pero no podrá exigir certificación de que se cumplieron los requisitos de la norma, a menos que se hayan cumplido los requisitos mínimos o que no se hayan excedido sus limitaciones, es decir que las reglas de diseño establecidas en el código son requerimientos mínimos, se pueden especificar reglas más restrictivas por el cliente o ser dadas por el fabricante, cuando han sido acordadas previamente entre el comprador y el fabricante.
El código no aprueba, recomienda o respalda ningún diseño en específico y tampoco limita el método de diseño o fabricación. El código trae especificaciones en unidades del sistema común de unidades de Estados Unidos (US customary) y estándares norteamericanos además de unidades del sistema internacional de medidas (SI sistema métrico) y estándares ISO aplicables, cuando se presenten conflictos entre las unidades, mandará el sistema US customary. Está conformado por 8 secciones, y más 18 apéndices los cuales son:
SECCIONES
Sección 1. Alcance de La Norma.
Sección 2. Materiales
Sección 3. Diseño.
Sección 4. Procesos de fabricación.
Sección 5. Procedimientos de montaje.
Sección 6. Procedimientos de inspección.
Sección 7. Procedimientos de soldadura y calificación de soldadores.
Sección 8. Identificación de tanque.
APENDICES
Apéndice A. Diseño opcional para pequeños tanques.
Apéndice AL. Tanques de almacenamiento de aluminio.
Apéndice B. Especificaciones de diseño y construcción de bases de tanques.
Apéndice C. Techos Flotantes externos
Apéndice D. Relacionado con posibles consultas que se pueda hacer sobre aspectos técnicos.
Apéndice E. Menciona los factores sísmicos que deben de ser considerados en el diseño de un tanque.
Apéndice EC. Comentario del apéndice E.
Apéndice F. Diseño de tanques sometidos a pequeñas presiones.
Apéndice G. Techos de aluminio soportados estructuralmente.
Apéndice H. Techos flotantes internos.
Apéndice I. Detección de fugas en la parte inferior de tanques y protección de fundaciones.
Apéndice J. Ensamble en taller de tanques de almacenamiento.
Apéndice K. Ejemplo de aplicación para determinar el espesor de la lámina de un tanque por el método de punto variable.
Apéndice L. Hojas de datos para tanques atmosféricos según La Norma API 650.
Apéndice M. Requerimientos para tanques que operen a temperaturas entre 200ºF y 500ºF.
Apéndice N. Condiciones para el uso de materiales que no hayan sido perfectamente identificados.
Apéndice O. Recomendaciones para conexiones ubicadas en el fondo.
Apéndice P. Cargas externas permisibles en las aberturas del cuerpo del tanque.
Apéndice R. Cargas Combinadas
Apéndice S. Tanques de acero inoxidable.
Apéndice SC. Tanques de almacenamiento con materiales mixtos, en acero al carbón y acero inoxidable.
Apéndice T Resumen de Requerimientos.
Apéndice U Pruebas de Ultrasonido en lugar de Pruebas Radiográficas para cordones de soldadura.
Apéndice V Diseño de un Tanque de almacenamiento para presión externa.
Apéndice W Recomendaciones comerciales y documentación.
Apéndice X Tanques de almacenamiento de acero inoxidable dobles.
Apéndice Y Monograma API.
ALCANCE DEL CÓDIGO DE LA NORMA API 650 La norma API 650 es la que fija la construcción de tanques soldados en sitio para el almacenamiento de petróleo y derivados, determinando también la presión interna a la que pueden llegar a ser sometidos (15 psig.) y temperatura de operación (90º C). Cubre requerimientos para materiales, diseño, fabricación, montaje y pruebas de tanques soldados verticales cilíndricos, no enterrados con extremo superior abierto o cerrado en varios tamaños y capacidades, para presiones internas aproximadas a la atmosférica (no deben exceder el peso de las láminas del techo). El código aplica para tanques en los cuales la totalidad del fondo del tanque está soportado uniformemente y para tanques en servicio no refrigerado con temperaturas de servicio máximas de 200 º F (90 º C). Está diseñado para construir tanques con seguridad adecuada y costos razonables para almacenamiento de petróleo y sus derivados comúnmente usados y almacenados por la industria petrolera. El código no establece tamaños específicos de tanques y por el contrario se puede escoger cualquier tamaño que sea necesario. Su intención es ayudar a los clientes y a los fabricantes a comprar, fabricar y montar los tanques y no pretende prohibir la compra o fabricación de tanques que cumplan con otras especificaciones. Los apéndices dan un número de opciones de diseño que requieren decisiones del Comprador, requerimientos estándar e información que suplementes la norma básica. Los apéndices se vuelven requerimientos obligatorios solamente cuando el cliente o el comprador especifiquen una opción cubierta por uno de ellos.
LIMITACIONES DEL ALCANCE DEL CÓDIGO Las reglas del código de la norma no son aplicables más allá de los siguientes límites en las tuberías conectadas interna o externamente al techo, cuerpo o fondo del tanque: • La cara de la primera brida en conexiones bridadas, excepto cuando se suministren tapas o bridas ciegas. • La primera superficie de sello en accesorios o instrumentos. • La primera junta roscada en conexiones roscadas. • La primera junta circunferencial en conexiones soldadas, si no están soldadas a una brida. CUMPLIMIENTO El fabricante es el responsable del cumplimiento de todos los requerimientos del código de la norma. La inspección por el inspector del comprador no le quita al fabricante la obligación de suministrar el control de calidad y la inspección necesarias para garantizar tal cumplimiento. ESTÁNDARES REFERENCIADOS Los estándares, códigos, especificaciones y publicaciones citados en el código de la norma API 650, se deben utilizar en su última edición publicada a menos que se indique otra cosa en el código. La siguiente es una lista de los principales códigos y estándares referenciados: API
STD 620 Diseño y construcción tanques grandes de baja presión. STD 650 Diseño y construcción de tanques de almacenamiento atmosférico. RP651 Protección Catódica. RP652 Recubrimientos de los fondos de tanques.
ASME Código de calderas y recipientes a presión.
SECCION V Ensayos no destructivos. SECCION VIII Recipientes a presión. SECCION IX Calificación de soldaduras.
SNT-TC-1A Calificación y certificación de personal de ensayos no destructivos.
ACI
318 Requerimientos de construcción con concreto reforzado. 350 Ingeniería ambientadle estructuras de concreto.
AISC
Manual de construcción de acero. Diseño por esfuerzos admisibles – ASD.
AISI
A-1 Diseño de estructuras en lámina – información útil.
ASCE
STD 7-93 Cargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras.
MATERIALES Se deben utilizar los materiales utilizados en la sección 2 de materiales, sujetos a las modificaciones y limitaciones indicadas en el código API 650. Se pueden utilizar materiales producidos de acuerdo con especificaciones no listadas si se certifica que el material cumple con todos los requisitos de una especificación aceptada y su uso es aprobado por el comparador. Se puede utilizar materiales que no estén listados o que no estén completamente identificados, siempre y cuando los materiales pasen todas las pruebas establecidas en el apéndice N. LÁMINAS Se pueden pedir las láminas para fondo, cuerpo y techo sobre la base de espesores en el borde en pulgadas (in) o mm o sobre la base de peso por unidad de área en lb/ft 2 o kg/mm 2. El espesor ordenado no debe ser menor que el espesor calculado o el espesor mínimo permitido. El peso ordenado debe ser suficientemente grande para dar un espesor que no debe ser menor que el espesor calculado o el espesor mínimo permitido. En cualquiera de los caso, el espesor real medido no puede estar más de 0.01 in (0.25 mm) por debajo del espesor calculado o el espesor mínimo permitido. El espesor máximo de lámina por API 650 es de 1.75 in (45 mm), excepto para láminas usadas como insertos o bridas, las cuales pueden ser más gruesas. Láminas de más de 1.5 in deben ser normalizadas o revenidas, fabricadas con método de grano fino y con pruebas de impacto.
APÉNDICES El código también tiene 18 apéndices que cubren diferentes aspectos del diseño y construcción de los tanques que requieren decisiones del comprador, requerimientos estándar e información que suplementa la norma básica.
Los apéndices se vuelven requerimientos obligatorios solamente cuando el cliente o el comprador especifiquen una opción cubierta por uno de ellos, los apéndices serán resumidos a continuación:
APÉNDICE A: BASES DE DISEÑO OPCIONAL PARA TANQUES PEQUEÑOS Este apéndice tiene requerimientos para tanques montados en campo, de capacidades relativamente pequeñas (hasta aproximadamente 100.000 barriles), en los cuales los componentes sometidos a esfuerzos tienen un espesor nominal de 12.5 mm (1/2 in) incluyendo la tolerancia de corrosión. Este apéndice da solamente los requerimientos que difieren de la norma básica en el código cuando no se establecen diferentes requerimientos en el apéndice, se deben seguir las normas básicas. El máximo esfuerzo de tensión usado, antes de aplicar el factor de eficiencia de la junta es 145 Mpa (21000 psi). APÉNDICE B: RECOMENDACÓNES PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA FUNDACIÓN CIVIL PARA TANQUES DE ALMACENAMIENTO SOBRE LA SUPERFICIE Este apéndice tiene importantes consideraciones para el diseño y construcción de la fundación civil de tanques con fondos planeos. Las recomendaciones se dan para indicar la buena práctica y para puntualizar algunas precauciones que se deben considerar en el diseño y construcción de la fundación civil. APÉNDICE C: TECHOS FLOTANTES EXTERNOS Este apéndice tiene requerimientos mínimos que aplican a los techos tipo plato (pantype), los de tipo pontón (pontoon-type) y los de tipo pontón de doble cubierta (doubledeck-type). La intención de este apéndice es la de limitar solamente aquellos factores que afectan la seguridad y la durabilidad de la instalación y que son considerados consistentes con los requerimientos de calidad del código.
APÉNDICE D: CONSULTAS TÉCNICAS Este apéndice da las indicaciones para hacer las consultas técnicas a los comités encargados de la elaboración del código incluye algunas respuestas seleccionadas a solicitudes de interpretación del código. APÉNDICE E: DISEÑO SISIMICO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO En este apéndice los requerimientos mínimos que pueden ser especificados por el comprador para el diseño de tanques de almacenamiento sujetos s cargas de sismo. Estos requerimientos representan la práctica aceptada para la aplicación en tanques de fondo plano, cualquier desviación de los requerimientos del apéndice debe ser por acuerdo entre el comprador y el fabricante. APÉNDICE F: DISEÑO DE TANQUES PARA PRESIONES INTERNAS PEQUEÑAS Este apéndice permite el incremento de la presión interna en tanques de techo fijo hasta la máxima permitida, cuando se cumplen los requerimientos adicionales allí establecidos, este apéndice aplica para tanques no refrigerados. La máxima presión interna de diseño permitida por este apéndice es de 18 kPa (2.6 psi). APÉNDICE G: TECHOS DE TIPO DOMO DE ALUMINIO ESTRUCTURALMENTE SOPORTADOS Este apéndice establece los criterios mínimos para el diseño, fabricación y montaje de este tipo de techos. Un techo tipo domo de aluminio es una estructura triangular completa en el espacio en la que las vigas están unidas en puntos cuyo arreglo caen en la superficie de una esfera, el techo está unido y soportado al tanque en puntos de montaje igualmente espaciados en el perímetro del tanque. APÉNDICE H: TECHOS FLOTANTES INTERNOS Este apéndice da los requerimientos mínimos que aplican a tanques con techo flotantes internos y fijos en la parte superior del tanque. APÉNDICE I: DETECCIÓN FUGAS POR DEBAJO DEL TANQUES Y PROTECCIÓN DEL SUELO Este apéndice da detalles de construcción aceptables para la detección de fugas a través del fondo de los tanques sobre la superficie y también da guías para los tanques soportados en rejillas. APÉNDICE J: TANQUES DE ALMACENAMIENTO ENSAMBLADOS EN PLANTA
Este apéndice da los requerimientos mínimos para el diseño y fabricación de tanques verticales en tamaños que permiten la fabricación completa en planta y ser enviados al sitio de instalación en una sola pieza, los tanques diseñados con este apéndice no deben exceder de 6 m (20 ft) de diámetro.
APÉNDICE K: EJEMPLOS DE APLICACIÓN DEL MÉTODO DE DISEÑO DE PUNTO VARIABLE PARA DETERMINAR EL ESPESOR DE LAS LÁMINAS DEL CUERPO En este apéndice podremos encontrar ejemplos de aplicación, para la elaboración de los cálculos de espesores de las láminas utilizando un método alternativo, los ejemplos son prácticos y explicativos de manera que su comprensión se garantiza.
APÉNDICE L: HOJAS DE DATOS (DATA SHEETS) PARA TANQUES CÓDIGO API 650 Este apéndice da las hojas de datos que deben ser usadas por el comprador cuando ordena y por el fabricante cuando cotiza la construcción de un tanque de almacenamiento. APÉNDICE M: REQUERIMIENTOS TEMPERATURAS ELEVADAS
PARA
TANQUES
QUE
OPERAN
A
Este apéndice especifica los requerimientos adicionales para tanques con una temperatura máxima de operación que excede de 90 º C (200 º F). APÉNDICE N: USO DE NUEVOS MATERIALES QUE NO ESTAN IDENTIFICADOS Este apéndice da las indicaciones necesarias para el uso de láminas o chapas nuevas o no usadas y de tubos con o sin costura que no están completamente identificados cumpliendo con una de las especificaciones permitidas por el código. APÉNDICE O: RECOMENDACIONES PARA CONEXIONES POR DEBAJO DEL FONDO Este apéndice contiene recomendaciones para ser usadas en el diseño y construcción de estas conexiones en el tanque. Se deberá hacer referencia al apéndice B para las consideraciones que involucran la fundación civil y el suelo. APÉNDICE P: CARGAS EXTERNAS PERMISIBLES EN CONEXIÓNES DEL CUERPO Este apéndice presenta dos procedimientos diferentes para tratar con las cargas en el cuerpo de los tanques, está basada en los esfuerzos permisibles.
APÉNDICE S: TANQUES DE ALMACENAMIENTO EN ACERO INOXIDABLE Este apéndice cubre los requerimientos de materiales, diseño, fabricación y prueba de tanques de almacenamiento verticales, cilíndricos, sobre superficie, con extremo superior abierto o cerrado, soldados y construidos de aceros inoxidables tipo 304, 304l, 316, 316l, 317 y 317l. El apéndice no cubre láminas de acero inoxidable ni construcción con recubrimiento con plantillas. NORMAS API 650 Y API 620 EN EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TANQUES DE TECHO FIJO Y TANQUES DE TECHO FLOTANTE. Las normas API 650 Y API 620, utilizadas en el diseño y construcción de tanques de techo fijo y tanques de techo flotante, son aquellas que permiten un alto grado de flexibilidad en lo relacionado con los detalles de diseño. Por esta razón, en muchos casos los diseños se registran como propiedad particular, por lo tanto, varían de una manera apreciable entre los diversos fabricantes y países. Estas normas están relacionadas, e indican lo siguiente:
Espesor mínimo del techo.
Esfuerzos permisibles.
Carga de diseño.
Otras características.
Por lo general, en algunos países las normas son más exigentes que la API 650 y la API 620, ya que en tales países se requiere un número mayor de detalle. En el diseño de los techos fijos se han registrado muy pocos problemas. Sin embargo, se han producido varias fallas en algunos tanques de diámetros superiores a los 200 pies. En forma general, esto ha sido atribuido a diseños inadecuados, en consecuencia, demuestra la importancia de hacer una buena selección. Estas fallas también indican la necesidad de prestarle atención a diseños debidamente comprobados como eficientes, especialmente cuando se trata de techos de pontón simple en tanques de diámetros superiores a los 200 pies. Para el diseño de tanques con techos de doble cubierta, se deben tomar una serie de consideraciones, entre las que se destacan:
El API 650 requiere que el volumen del pontón mantenga el techo a flote sobre un líquido cuyo peso específico es 0.7
El drenaje de emergencia no debe permitir que el líquido almacenado fluya hacia el techo.
En forma general la norma API 650 indica que el techo debe soportar una carga viva equivalente a 25 libras por cada pie cuadrado de superficie, mientras que la norma API 620 es un poco más exigente que la anterior. La descripción de la norma AWWA D-100, permite calcular estanques de acero soldado para el almacenamiento de agua, ya sea potable o de procesos, que trabajen a presión atmosférica y que no necesiten servicio de refrigeración. El uso de esta norma permite calcular estanques de fondo plano apoyados en el suelo, y estanques elevados sobre una torre estructural. Respecto a la aplicación, la norma API 650 es más estricta en los procedimientos de cálculo que la norma AWWA D-100, ya que está diseñada para almacenar combustibles. La norma API 650 tiene la ventaja de entregar los resultados de las fórmulas en unidades del sistema internacional y del sistema inglés paralelamente. Se destaca en la comparación de las normas, el estudio económico de los costos directos asociados a la fabricación del estanque. La norma AWWA D-100, tiene un costo de acero bruto total menor, comparado con la API 650, siendo un 6.3% mas económica.
Paralelamente se desarrolló el costo directo asociado al tamaño de plancha utilizada, su espesor y el trabajo de soldadura requerida para la fabricación, siendo la plancha de 3000x12000 mm., la medida óptima para utilizar en la fabricación de estanques.
CONCLUSIONES
La aplicación correcta de los cálculos que la norma API 650, son esenciales para garantizar una larga vida útil al tanque ya que determinan el espesor de las láminas de cada parte del tanque: fondo, cuerpo, techo ciñéndose al sobre dimensionamiento estándar de los materiales.
Es importante exigir a cualquier fabricante el Dossier de fabricación que incluye además de los materiales utilizados en la obra, los planos definitivos al término del montaje.
Es necesario elaborar los planos de fabricación y montaje del tanque tal como se ejecutaron en el proceso de la obra, una vez concluido todo el proceso del montaje se elaboraran los planos llamados AS BUILT donde se muestren la variaciones y cambios efectuados durante el proceso de montaje.
Se deben cumplir al pie de la letra los permisos y reglamentaciones ambientales, estipuladas en los contratos y emitidas por la ARCH. La buena comprensión de estos reglamentos nos permitirá realizar un trabajo de condiciones adecuadas y que cumpla con toda la reglamentación necesaria.
La impermeabilización del suelo base es muy importante, podemos utilizar productos geocintéticos, concreto, arcillas que tengan una permeabilidad de10 – 7 cem/seg.
Es importante un trabajo de planificación de contingencias inicial que garantice un procedimiento adecuado en caso de presentarse riesgos en la elaboración del tanque.
La selección del tipo y forma de tanque tiene que incluir el estudio de la clasificación de Almacenamiento de Hidrocarburos Líquidos.
El uso de la norma garantiza la calidad del tanque construido y es flexible en la aplicación de sus apéndices.
No se podrán aceptar construcciones que no basen su trabajo en la aplicación de la norma API 650 total o parcialmente.
Todas las características de diseño del tanque serán estrictamente definidas por el dueño del mismo.
Es indispensable que todas las pruebas solicitadas por el dueño del tanque sean realizadas por personal capacitado y con experiencia.
