CALCULO Y DISEÑO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE PETROLEO PETROLEO SEGÚN LA NORMA API-650
En la industria petrolera, petroquímica y otras industrias son utilizados distintos tipos de recipientes para almacenar una gran variedad de productos como: crud rudo y sus derivados, butano, propano, glp, solventes, agua, etc.
BOQUILLA: Orificio practicado en un tanque para la entrada y/o salida de un fluido o la instal talación de un inst nstrum rumento nto de medición, gen generalmente nte son bridadas o rosca scadas. BRIDAS: Accesorio para acoplamiento de tuberías, que facilita el armado y desarma rmado de las mismas.
PLACA ANULAR DEL FONDO: Son las placas de la periferia del fondo sobre las que se suelda el anillo inferior del tanque en todo su perímetro.
CARGA HIDROSTÁTICA : La presión ejercida por un líquido en reposo. CARGA MUERTA : La fuerza debida al peso propio de los elementos a considerar.
CARGA VIVA : La fuerza ejercida por cuerpos externos, tales como: nieve, lluvia, viento, personas y/o objetos en tránsito, etc. etc.
PRESIÓN DE OPERACIÓN: Presión manométrica a la cual estará sometido el tanqu en condiciones normales de trabajo. PRESIÓN DE PRUEBA: Valor Valor de la presión manométrica que sirva sir va para realizar realizar la prueba hidrostática o neumática.
Los tanques de almacenamiento son generalmente construidos en base de componentes metálicos capaces de almacenar fluidos de manera efici iciente. Estos tanques, se pueden clasifica icar según: •Por su construcción •Por su forma •Por su capacidad
POR SU CONSTRU TRUCCION: EMPERNADOS: Son construidos en plantas de producción donde cuya actividad sea temporal y se necesite el desmantelamiento, que debe ser de un fácil proceso. SOLDADOS: Estos tanques son de mayor capacidad de almacenamiento, además de tener la gran ventaja de que las juntas de las planchas soldadas son perma rmanentes, esto nos quiere decir que evita fugas, que se producirían en los tanques unidos a perno rnos.
POR SU FORMA:
•CILINDRICOS: Son especiales puesto sir ven para el almacenamiento de combustibles como el petróleo que se recolecta a presiones cercanas a la atmosférica •ESFERICOS: Son usados para el almacenamiento de productos liger geros como ga gassolina, propano, butan tano.
POR SU CAPACIDA IDAD: CILI LIN NDRIC DRICOS OS HORI HORIZO ZONT NTAL ALES ES: Generalmente •CI son de volúmenes relativamente bajos, debido a que presentan problemas por fallas de corte y flexión. Por lo gen general, se usan para almacenar volúmenes pequeños CILI LIND NDRI RICO COSS VER VERTICAL TICALES ES: permi •CI rmiten almacenar gra grandes cantidades volumétricas con un costo bajo. Con la limitante que solo se pueden usar a presión atmosférica o presiones interna rnas relativ tivamente pequeñas
AISC API
American Institute of Steel Construction (Instituto Americano de Construcciones de Acero). American Petroleum Petroleum Institute (Instituto Americano del Petróleo). Petróleo).
ASME
American Society of Mechanical Engineers Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos).
ASTM
American Society for Testing Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales).
AWS CSA
American Welding Welding Society (Sociedad Americana de Soldadura). Canadian Standards Association (Asociación Canadiense de Normalización).
El estándar A.P.I. 650 se cumple para: Aquellos tanques en los cuales se almacenan fluidos líquidos. líquidos. Tanques Tanques construidos constr uidos de acero con el fondo uniformemente unifor memente soportado por una cama de arena, na, gra grava, conc oncreto, asfa sfalto, to, etc. tc. Tanques Tanques diseñados para soportar una presión de operación atmosférica o presiones internas que no excedan el peso del techo por unidad de área y una temperatura de operación no mayor de 93 °C (200 °F). Tanques Tanques que no se usen para servicios ser vicios de refrigeración. •
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Este estándar A.P.I. 650 cubre el diseño y cálculo del tanque. A continuación, mostramos la tabla 1.1 con los diferentes requerimientos de diversos estándares para la fabricación de tanques de almacenamiento.
TABLA TABLA 1.1 REQUERIMIENTOS REQUERIMIENTOS DE DIVERSOS DIVERSOS ESTÁNDARES PARA TANQUES DE FONDO PLANO.
NS = Sin Especificación
CA = Corrosión Corros ión Permisible
RT = Temperatura Ambiente
MATERIALES A EMPLEAR EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO Para el mejor diseño, cálculo y manufactura de tanques de almacenamiento es importante seleccionar el material adecuado dentro de la variedad de aceros que existen en el mercado, por lo que a continuación listamos los mater teriales más usados con su apli plicac cación. ón. A-36. A-36 .- AC ACER ERO O ES ESTR TRUC UCTU TURA RAL. L. Sólo para espe spesores iguales o menores de 38 mm. (1 1/2 pulg.). Este ste mater terial es acepta eptabble y usad sado en los los perf perfiiles les, ya sean sean come comerrcial ciales es o ensam nsambl blad ados os de los los elem lementos ntos estru struct ctur ural alees del tanque.
A-131. A-131 .- AC ACER ERO O ES ESTR TRUC UCTU TURA RAL. L. GRADO A para espesor menor o igual a 12.7 mm (1/2 pulg.) GRADO B para espesor menor o igual a 25.4 mm. (1 pulg.) GRADO C para espesores iguales o menores a 38 mm. (1(1-1/2 pulg.) GRAD GRADO O EH36 EH36 par para espes spesor ores es igu iguales ales o meno menorres a 44.5 4.5 mm. (1-3 (1-3/4 /4 pulg pulg.) .)
A-283.- PLACAS DE ACERO AL CARBÓN CON MEDIO Y BAJO A-283. ESF SFU UER ERZO ZO A LA TE TENS NSIÓ IÓN N. GRADO C Para espesores igua guales o menores a 25 mm. (1 pulg.). Este material es el más socorrido, porque se puede emplear tanto para perfiles estru strucctur turales ales com como par para la pare pared, d, tec techo, fond fondoo y acce acceso sorrios ios del del tan tanque que.
A-285.- PLACA DE ACERO AL CARBÓN CON MEDIO Y BAJO A-285. ESF SFU UER ERZO ZO A LA TE TENS NSIÓ IÓN N. GRADO C Para espesores iguales o menores de 25.4 mm. (1 pulg.). Es el material recomendable para la construcción del tanque (cuerpo, fondo, techo y accesorios prin princi cipa pale les) s),, el cual cual no es reco recome mend ndab able le par para elem elemen ento toss estr estruuctu cturales ales debid bido a que tie tiene un costo costo rela relatitiva vame ment ntee alto alto comp compar arad adoo con con los los ante anteri rior ores es..
A-516.- PLACA DE ACERO AL CARBÓN PARA TEMPERATURAS DE A-516. SERVICIO SER VICIO MODERA MODERADO DO.. GRADOS 55, 60, 65 y 70. Para ara espes spesor ores es igua iguale less o menor nores a 38m 38mm. (1-1 (1-1//2 pulg pulg..). Este Este mate aterial ial es de alta alta cali calida dadd y, conse onsecu cueentem ntemen ente te,, de un costo osto elev levado ado, por lo que se recomienda su uso en casos en que se requiera de un esfuerzo a la tensión alta, que que just justif ifiq ique ue el cost costoo.
A- 53 53..- GRADOS A Y B. Para ara tube tuberí ríaa en gene genera ral.l. A-106.-GRADOS A Y B. Tubos A-106. Tubos de acero al carbón sin costura para servicios de alta temperatura. En el mercado nacional, es fácil la adquisición de cualquiera de estos dos materiales, por lo que puede usarse indistintamente, ya que ambos cumplen satisfactoriamente con los requerimientos exigidos por el estándar y la diferencia no es sign signif ific icat atiiva en sus sus prop propie ieda dade dess y cost costos os..
A-105.- FORJA DE ACERO AL CARBÓN PARA ACCESORIOS DE A-105. ACOPLAMIENTO DE TUBERÍAS. A-181. A-181 .- FORJA DE ACERO AL CARBÓN PARA USOS EN GENERAL. A-193.- GRADO B7. Material para tornillos sometidos a alta temperatura y de alta A-193. resi resist sten enci cia, a, meno menore ress a 64mm 64mm.. (2-1 (2-1/2 /2 (pul (pulgg.), .), de diám diámet etro ro.. A-194..- GRADO 2H. Mate A-194 Materi rial al para para tue tuercas cas a alta alta temp tempeeratu atura y de alta alta resi resist steencia ncia.. A-307..- GRADO B. Mate A-307 Materi rial al de torn torniilllloos y tue tuercas rcas par para usos sos gen general eralees.
MATE MA TERI RIAL ALES ES PAR ARA A SO SOLD LDADU ADURA RA:: Para el soldado de materiales con un esfuerzo mínimo a la tensión menor de 5625 Kg /cm 2 (80000 lb/pulg 2 ), los electrodos de arco manual deben estar hechos de materiales cuya uya cla clasificación sea AWS: WS: E-60 -60XX y E70 E70XX. Para el soldado de materiales con un esfuerzo mínimo a la tensión de: 5625- 5976 Kg /cm 2 (800 (80000 00-8 -850 5000 00 lb/p lb/pul ulg g 2 ), el mater terial del elec electtrodo de arco manual debe ser ser E80X 80XX-C -CX X. También También podrán ser usados otros materiales que sean recomendados por otros Estándares, Códigos o Nor mas como como:: A. A.SS.T.M .T.M.;.; A. A.P P.I., .I., CSA. CSA.
Para el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, el usuario deberá proporcionar los datos y la informa rmación necesaria para llevar a cabo el proyecto. La informa rmación mínima requerida (condiciones de operación y de diseño) es: volumen, temperatura, peso específico del líquido, corrosión permi rmisible, velocidad del viento, coeficientes sísmicos de la zona, etc. Dado que es el que conoce con exactitud las características tanto del flu fluido que desea almacenar y el lugar donde se ha de instalar dicho tanque, por lo que el fabricante no deberá suponer estas condiciones, y si así fuera, el fabricante tiene la obligación de infor mar al usuario, quien tiene la responsabilidad de autorizar o no las condiciones expuestas por la compañí compañíaa constructo constructora. ra.
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El sobre espesor por corrosión que especificará el usuario se incluirá en cuerpo, fondo, techo y estructura, y sólo se agrega al final del cálculo de cada uno de los elementos del tanque, debido a que la agresividad química no es lo mismo para el fluido en estado líquido o gas gaseoso y en algunos casos hasta para los lodos. El usuario podrá especificar el material a utilizar en el tanque, así como el de sus componentes. El fabricante y/o diseñador podrá sugerir los materiales recomendables en cada caso para que el usuario los aprue ruebe. El fabricante tiene la obligación de cumplir con todas las especificaciones y Norma rmas que marca el estándar y que acuerde con el usuario, las cuales serán supervi rvisadas y evaluadas por el personal que desi design gnee el usua usuari rioo.
El diseño del fondo de los tanques de almacenamiento depende de las las sigu siguie iente ntess consi conside dera raci cione ones: s:
Los cimientos usados para soportar el tanque, el método que se utilizará para desalojar el producto almacenado, el grado de sedimentación de sólidos en suspensión, la corrosión del fondo y el tamaño del tanque. Lo que nos conduce al uso de un fondo plano, donde la resistencia per misible del suelo deberá ser por lo menos de 1,465 Kg/cm2 (3,000 lb/pie2 ).
Los fondos de tanques de almacenamiento cilíndricos verticales son generalmente fabricados de placas de acero con un espesor menor al usado en el cuerpo. Esto es posible para el fondo, porque se encuentra soporta rtado por una base de concreto, arena o asfalto, los cuales soporta rtarán el peso de la columna del producto; además, la función del fondo es logra grar la herme rmeticidad para que el producto no se filtre por la base .
Teóricamente, Teóricamente, una placa delgada de metal calibre 16. (1.52) o menor es capaz de soportar la flexión y la carga de compresión que se genera en la periferia del fondo por el peso del cuerpo que descansa sobre esta sección, pero para prevenir deforma rmaciones al soldar, se usarán placas que tengan un espesor mínimo nominal de 6.3mm. (1/4 pulg.), 49.8 Kg/m2 (10.2 lb/pie2 ) excluyendo cualquier corr corros osiión permi permisi sibl blee espe especi cifi fica cadda por por el usua usuarrio. io.
El fondo tendrá que ser de un diámetro mayor que el diámetro exte exteri rior or del del tan tanque que, por lo menos, 51mm. (2 pulg.) más en el ancho del filete de soldadura de la unión entre cuerpo y el fondo. Las placas con las que se habilite el fondo deberán tener preferentemente un ancho de 1,829mm. (72 pulg.) con una longitud comercial que el fabricante obtenga en el mercado, la cual pueda manejar en su taller o en campo sin problemas.
El cuerpo rpo del tanque puede estar soporta rtado directamente por el fondo o por una placa anular. Generalmente los fondos se forma rman con placas traslapadas , esto se hace con el fin de absorber las deforma rmaciones sufridas por el fondo si las placas fueran soldadas al tope.
Cuando se requiere el uso de la placa anular, ésta deberá tener un ancho radial (en cm.) de acuerdo a lo que indique la fórmu rmula siguiente, pero no menor de 610mm. (24 pulg.) entre el interior del tanque y cualquier cordón de soldadura, dejando de proyección exterior 51mm 51mm.. (2 pulg pulg.).)..
DONDE: tb = Espesor de la placa anular (cm.). H = Nivel máximo de diseño del líquido (cm.). G = Densidad relativa del líquido a almacenar (en ningún caso menor de 1). •
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El espesor de la placa anular no será menor al listado en la tabla 1.2 más la corrosión permisible especificada. La forma exterior de la placa anular debe ser circular y por el interior tendrá la forma de un polígono regular con el número de lados igual a la cantidad de segmentos que conforman el anillo.
Tabla 2.1 Espesor mínimo del fondo y placa anular (milímetros) (milímetros)
Figura 8.5 Método de preparación de las placas traslapadas traslapadas del fondo, debajo de la envolvente del tanque
Unión placas del fondo.
Figura 8.4.‐ Tipos de de juntas juntas en el fondo y en el techo.
Notas: •
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Los espesores especificados en la tabla son los indicados y están basados en una cimentación que proporcione un soporte unifor me debajo de toda la placa anular. La cimentación debe estar bien comp compac acta tada da par para evit evitar ar esfu esfuer erzo zoss ad adic icio iona nale less en la plac placaa anula ular. El espesor nominal de la placa está en referencia a la construcción del tanque. El espesor especificado está basado en los requerimientos de erección. El tamaño de las placas y la localización de los cortes de las mismas se dete determi rmina nann medi median ante te el sigu siguie ient ntee proc proced edim imie ient nto: o:
Para tanques grandes y por consideración de costo se suele utilizar la siguientes relaciones:
Según norma API 650: El espesor requerido del casco será el espesor mayor de los espesores de diseño del casco, casco, incluyendo cualquier tolerancia de corrosión, cor rosión, o del espesor del casco con pruebas hidrostáticas; pero los espesores del casco no deberán ser menores que los valores siguientes:
CÁLCULO DE ESPESORES DEL CUERPO POR MEDIO DEL MÉTODO DEL PIE.Para este método, método, se considera una sección transversal ubicada a 304.8 mm. (1 pie) por debajo de la unión de cada anillo. Este método sólo es aplicable en tanques con un diámetro diámet ro igual o menor a 60,960m. (200pies). Se tienen las relaciones:
t d
Espesor por prueba diseño (mm).
t t
Espesores por condiciones de hidro-estaticas
CÁLCULO DEL ESPESOR DEL CUERPO POR EL MÉTODO DE PUNTO DE DISEÑO VARIABLE. Este método se usa cuando el usuario no especifica el uso del método de un pie, y además que el tanque tenga un diámetro diámetro mayor mayor de 60.960 60.960 m (200 (200 pies), teniendo teniendo en cuenta cuenta que se cumpla con la siguiente relación:
Donde: L (500 Dt ) 0.5
Diámetro nominal del tanque (m) t = Espesor del anillo inferior (mm) H =Nivel =Nivel de diseño del líquido lí quido (m)
D
Primero se calcula el espesor por condición de diseño ( pd t ) y el de prueba hidrostática ( pt t ), para el primer anillo con las fórmulas fór mulas del método de un pie; posteriormente se determinan los espesores del mismo anillo, anillo, para condiciones de diseño ( ld t ) y de prueba hidrostática ( lt t ) con las siguientes fórmulas: fór mulas:
Para obtener el espesor del segundo anillo anill o por condiciones de diseño y de prueba hidrostática, se calcula la siguiente relación para el anillo inferior. h1 =Altura del anillo inferior (cm.). r = Radio Radio nominal del tanque (cm.). t1 = Espesor del anillo inferior excluyendo excluyendo la corrosión permisible (cm.), usado para cálculo t2. Para calcular t2 por condiciones de prueba hidrostática se puede usar el espesor total t1 incluyendo la corrosión permisible. Si el valor de la relación es menor o igual que 1.375 entonces t 1= t2
Si el valor de la relación es mayor mayor o igual a 2.625 entonces:
Si el valor de la relación es mayor mayor de 1.375 pero menor a 2.625 entonces:
t2 = Espesor mínimo por condiciones de diseño del segundo anillo, descartando cualquier corrosión permisible (cm.). t2a = Espesor del segundo anillo (cm.) usado para calcular el espesor del siguiente anillo. anillo.
Como se mencionó anteriormente, los tanques de almacenamiento pueden clasificarse por el tipo de cubierta en: 1. De techos fijos: (De cono, domo y sombrilla) Soportados (mediante estructura) Auto soportados (para el caso de techos cónicos de tanques de gran diámetro). 2. De te techos flo flotant tantee. Los techos son diseñados para soportar una carga viva de por lo menos, (25lb / pie 2), más la carga muerta ocasionada por el 1.76Kg 1.76Kg /cm 2 ó (25lb mismo. Las placas del techo tendrán un espesor mínimo nominal de 4.7 mm. (3/16 pulg.) o lámina calibre 7.
Todos Todos los miembros estructurales estr ucturales internos y externos de techos soportados sop ortados tendrán un espesor mínimo nominal de 4.32 mm. (0.17 (0. 17 pulg.) en cualquier componente de estos.
TECHO CONICO AUTOSOPORTADO:
son empleados en tanques relativamente pequeños. Este consiste en un cono formado de placas soldadas a tope. Estos techos son diseñados y calculados para tanques que no exceden de un diámetro de 18,288mm. (60 pies), pero es recomendable fabricar estos en un diámetro máximo de 12,192mm (40 pies) Los techos cónicos auto soportados tendrán como máximo una pendiente de 9:12 (37°), y como mínimo 2:12 (9.5°), con respecto a la horizontal. El espesor estará determinado por la siguiente expresión, pero no deberá ser menor de 4.76 mm. (3/16 pulg.), y no mayor de 12.7 mm. (1/2 pulg.). Tt = Espesor mínimo requerido (cm.). D = Diámetro medio del tanque (cm.). θ = Ángulo con respecto a la horizontal (grados). Este espesor será incrementado en la siguiente relación, cuando la suma de las cargas muertas más las cargas vivas excedan 220 Kg /m (45 lb / pie ), más cualquier corrosión permisible.
DONDE: Kg /m 2). Cm = Carga muerta ( Kg 2). Kg /m 2). Cv = Carga Carga viv viva ( Kg 2).
Para Para este tipo de techos, se recomienda un espesor de 4.76 mm. (3/16pulg.) a 9.52 mm. (3/8 pulg.), y en base a estos espesores se obtiene la pendiente más conveniente El armado del techo sigue los mismos requerimientos y procedimientos que el fondo.
DONDE: D = Diámetro de asientos del cono (cm.). r = D/2 R = Radio del disco o hipotenusa del cono (cm.). θ = Angulo del cono con respecto a la horizontal (grados). β = Angulo de corte del disco Estos techos por sus dimensiones son armados al nivel del piso, para posteriormente ser levantados y colocados sobre el tanque, lo cual puede ser por sectores o totalmente armado. TECHO TIPO DOMO Y SOMBRILLA:
se caracterizan por ser un casquete esférico el cual está formado por placas soldadas a traslape o a tope. top e. Los techos de tipo sombrilla son una variedad del tipo domo el cual solo conserva el abombado sobre el eje vertical ya que sobre el eje circunferencial tiene semejanza con el tipo cónico
Se fabrican a partir de gajos para facilitar el abombado de las placas. Este tipo de tapas deberán estar diseñadas bajo los siguientes requerimientos:
DONDE: tt = Espesor mínimo requerido (cm.) no menor de 4.76 mm. (3/16 pulg.), no mayor de 12.7 mm. (1/2 pulg.). D = Diámetro nominal del cuerpo del tanque (cm.). rr = Radio de abombado del techo (cm.) Radio mínimo rr = 0.8 D (a menos que el usuario especifique otro radio). Radio máximo rr = 1.2 D Cuando la suma de las cargas gas muertas más las cargas gas vivas exceda 220 Kg /cm 2 (45 lb / pie 2), el espesor mínimo deberá ser incrementado en la relación mencionada anteriorme rmente más cualquier corro rrosión permi rmisible, usando el mismo procedimiento que par para tec techos hos cónico nicoss auto sopor oporttados.
TECHO TECHOSS CONI CONICO COSS SOPO SOPOR RTADOS: ADOS:
Se usa usan gene generralmente para tanques ues de gra gran diámetr etro, sop soporta ortaddas por una estru strucctura ura, comp ompuest esta de col columnas, tra trabes y largueros eros.. Las trabes bes form ormarán polígono gonoss regul egulaares múltiplos de cinco y en cada arista de estos se colocará una columna. Las juntas de las placas del techo estarán soldadas a traslape por la parte superior con un filete continuo a lo largo de la unión, la cual tendrá un ancho igual al espesor de las placas. La soldadura del techo, con el perfil de coronamiento, se efectuará mediante un filete continuo de 4.76mm. (3/16 pulg.) o menor si la especifica el usuario. La pendiente del techo deberá ser de 6.35 en 304.8mm. (1/4 en 12 pulg.) o mayor si lo especifica el usuario, pero lo recomendable es una pendiente de 19 en 305mm. (3/4 en 12 pulg.) ó menor si la especifica el usuario. Las columnas para soporta rtar la estruc ructura del techo se seleccionan a parti rtir de perfiles estru struct ctuurales, o puede ede usarse tuberí ería de acer cero. La base de la misma será provista de topes soldados al fondo para prevenir desplazamien desplazamientos tos laterales laterales..
ESFUERZOS PERMISIBLES:
Todas Todas las partes de la estructura estr uctura serán dimensionadas con base a los cálculos hechos de acuerdo a la suma de los esfuerzos estáticos y dinámicos máximos, los cuales no deberán exceder los límites especificados en la AISC (Specification for Struc ructural Steel Buildings) o por el código de diseño del país donde se construy ruya el tanque: ESFUERZO MÁXIMO DE TENSIÓN:
• Para placas roladas en su sección neta, 1,406 Kg /cm 2 (20, (20,00 0000lb / pu lg2). lg2). • Para soldadura con penetración completa en áreas de placa delgada, 1266 Kg /cm 2 (18000 lb / pu lg2). lg2). • Esfuerzo Máximo de Compresión. • Para acero rolado, donde se previene la flexión lateral, 1,406 Kg /cm 2 (20,000 lb / pu lg2). lg2). • Para soldadura con penetración completa en áreas de placa delgada 1,406 Kg /cm 2 (20, (20,00 0000 lb / pu lg2). lg2). • Para columnas en su área de sección transversal, cuando L/r < 120 (seg (según ún AISC AISC).).
C ma
( L ) 2 C r )( d ) (1 2 CS 2C c
Cuando: Cc ≤ L / r ≤ 120 Cma
5.15 F ( L ) 2 r
DONDE: C ma Cd Cc L r Cs
= Compresión máxima permi rmisible ( Kg / cm 2 ). = Esfuerzo de cedencia ( Kg / cm 2). 2). = Relación de esbeltez limite = E = Módulo de sección ( Kg /cm 2 ) = Longitud sin apoyo de la columna (cm). = Menor radio de giro de la columna mínimo (cm). = Coeficiente de Seguridad entre 1.67 y 1.92
ESFUERZO MÁXIMO DE CORTE:
Para sold soldaadu dura rass de file filete tess, tapo tapone ness, ran ranuras uras,, pene penetr trac ació iónn parc parcia ial,l, el esfu esfuer erzo zo per mitido en el área de la garganta será como máximo de 956 Kg /cm 2 (13,600 lb / pu lg2). lg2). En el área del espesor de alma de vigas y trabes donde el peralte del alma de la viga no sea mayor de 60 veces el espesor de esta o cuando el alma es adecuadamente reforzadas, el esfuerzo no debe exceder de 914 Kg /cm 2 (13,000 lb / pu lg2). lg2). En el área del espesor de las almas de vigas y trabes que no estén reforzadas o que el peralte del alma de la viga es más de 60 veces al espesor de esta, el mayor promedio de corte permi rmitido (V/A) será calculado como sigue: V A
1370 h2
1
506t 2
DONDE: V = corte total (Kg.). A= Área del alma (cm.). h = Distancia o claro entre almas de vigas (cm.). t = Espesor del alma (cm.). CALCULO DE VIGAS CON CARGA UNIFORME REPARTIDA
Una viga continua con carga unifor me tiene varios apoyos como la consideración en la figura 2.1 Se considera una sección de viga continua con igual espaci paciaamiento (1), un mome omento Mo exist xistee sobre bre los sopo oportes rtes..
Momento máximo con carga uniforme y extremos fijos
Mo w
Momento máximo en el centro de claro donde X =1/2
Flexión máxima en x = ½
1/ 2
M
y
l 2 12
w
l 2 24
wl 4 384 EI
API establece que el espacio máximo entre largueros no será mayor que 0.6π m [2 π ft (6.28 ft)] en el perímetro exterior del tanque, y en anillos interiores una separación máxima de 1.7 m (5 ½ ft). Para nues uestro tro caso la longitud tud de circunfe nferencia cia del tanque
Para recipientes de gran diámetro, el claro del larguero es reducido mediante trabes soportadas en sus extremos por columnas, formando polígonos regulares. Estas trabes concurren en el centro y limitan su longitud por: (L/b > 13, L/b <40). Las trabes son diseñadas para absorber las cargas concentradas que producen los largueros que pueden ser consideradas como carga uniforme siempre y cuando existan cuatro o más largueros en cada trabe. Esta carga se puede determinar de la siguiente manera: ' ln)/ L w = ( w w'ln)/ DONDE: w = Carga uniformemente unifor memente repartida repar tida sobre la trabe ( Kg ). Kg /m o lb / pie w’ = Carga máxima sobre un larguero incluyendo incluy endo el peso propio del larguero más pesado ( Kg /m o lb / pie ). l = La mitad de la longitud del larguero (m o pie). n = Número de largueros que se apoyarán sobre la trabe. L = Longitud de la trabe (m. o pie).
Las trabes siguen la misma secuencia de cálculo que los largueros para obtener el módulo de sección requerido, las cuales pueden no ser del mismo peralte entre polí olígon gonos, os, por lo que que cada pol polígono gono debe ser ser cal calcula ulado indep ndepen enddientem ntemeente. te. En tanques localizados en zonas sísmicas, se deberán proveer de redondos de 19mm. (3/4 pulg.) de diámetro ubicados entre largueros (como tensores), los cuales serán colocados en el anillo exterior. Dichos redondos pueden ser omitidos si se usan secciones “I” o “H” como largueros. CALCULO DE COLU OLUMNA BAJO CARGA AXI AXIAL:
Los miembros estruc ructurales bajo compresión axial tienden al pandeo, causado por una fuerza axial (p), en la longitud de la columna (l), el momento de flexión M, igual a P por brazo de palanca (y), induce un esfuerzo de flexión igual a Mc/I, al cual se le suma el esfuerzo de compresión, P/A. f = Mc / I + P / A = PyC / I + P /A
Por definición: definic ión: donde r = radio de giro f = P / A (1+ yC / r 2 )
La columna puede ser comparada con una viga simplemente apoyada con carga uniformemente, o sea que: f = Mc / I ;
Entonces: Donde C2 depende del material, la carga y el método de soporte. No se conoce ningún método para calcular teóricamente la constante C2 y esta se determina por experimentación. El investigador Gordon Rankine encontró por experimentación que C2 puede ser de 1/18,000 para columnas circulares y 1/36,000 para columnas cuadradas. cuadradas. Para Para valores de l/r entre 60 y 200, por lo que se recomienda el uso de la siguiente fórmula fór mula para columnas de acero. acero.
Para columnas que tienen valores valores l/r entre 0 y 60, no se utiliza esta ecuación, pero se especifica un valor máximo del esfuerzo de compresión igual a 1,055 Kg /cm 2. 2.
Para Para valores valores l/r mayores mayores de 200 se usa la fórmula: fór mula: La constante C2 es especificada por el American Institute Of Steel Construction. DONDE: l = Longitud no soportada (cm.). b = Ancho de la sección de compresión. Esta fórmula está limitada por las condiciones en las cuales 1 > 15 b. Pero 1 < 40 b.
El valor de 1,406 Kg /cm 2 especificado en el numerador de la ecuación anterior es permi rmitido porque el esfuerzo de fle flexión máximo existe sólo en las fibras exter teriore ores combina binaddo con con el esf esfuerz erzo de comp ompresión.
Para columnas en su área de sección transversal, cuando L/r < 120 (Según AISC).
DISEÑO Y CÁLCULO DEL PERFIL DE CORONAMIENTO:
Este elemento de los tanques es de suma importancia porque, además de soporta rtar el eso del techo, rigidiza al cuerpo evitando una posible deforma rmación u ovalamiento en la parte superior del cuerpo, además de logra grar un sello entre el cuerpo y el techo. A
21765W 30800Tg
Donde: W= Θ=
Peso total del techo (Kg) Ángulo del techo con respecto a la horizontal (gra grados).
1. Para tanques tanques de de 10,668m 10,668mm. m. (35 pies pies)) o menores menores de de diámet diámetro ro un ángul ánguloo de 50.8 x 50.8 x 4.76mm. (2 x 2 x 3/16 pulg.). 2. Para tanqu tanques es mayo mayores res de 10,66 10,668mm 8mm.. (35 pies) pies) pero pero menores menores o igual iguales es a 18,288mm. (60 pies) de diámetro un ángulo de 76 x 76 x 9.52mm. (3 x 3 x 3/8 pulg.).
DISEÑO DE TECHO FLOTANTE:
Los techos flotantes tienen como objeto la finalidad de eliminar la cámara de aire comprendida entre el espejo de líquido y el techo, con la finalidad de que el fluido no se evapore, causando riesgos tanto para la seguridad del tanque como para el medio ambiente, así como un decremento considerable en el volumen almacenado en el tanque. Los materiales considerados podrán ser: Acero al carbón, aluminio conforme confor me a los requerimientos de la sección dos del ANSI/ASME B96.1, acero inoxidable (ASTM A-240 acero austenítico); el impermeabilizante y cubierta plástica deben tener un espesor no mayor de 0.100 pulgadas de acuerdo con ASTM E84 En el caso de que el sello sea una zapata metálica en contacto con el cuerpo del tanque, tendrá que estar galvanizada si ésta es de acero al carbón con un espesor mínimo nominal del calibre 16 y G90 de revestimiento. Todo Todo techo flotante interno estará flotando f lotando para soportar por lo menos men os dos veces su peso muerto. muerto. Los techos sotechados, doble plataforma, y híbridos serán se rán capaces de flotar si adicionar daños después que cualquiera de dos compartimientos y la plataforma sean pinchados.
Constan de una membrana solidaria al espejo de producto que evita la formación for mación del espacio vapor, minimizando pérdidas por evaporación al exterior y reduciendo el daño medio ambiental y el riesgo de formación de mezclas explosivas en las cercanías del tanque. El techo flotante puede ser interno (existe un techo fijo colocado en el tanque) o externo (se encuentra a cielo abierto). En cualquier caso, entre la membrana y la envolvente del tanque, debe existir un sello. sello. Los nuevos techos internos se construyen en aluminio, y se coloca un domo geodésico como techo fijo del tanque. Las ventajas que presenta el domo con respecto a un techo convencional son: •Es un techo auto soportante, es decir, no necesita columnas que lo sostenga. Esto evita el tener que perforar la membrana. •Se construye constr uye en aluminio, lo cual lo hace más liviano. liviano. •Se construyen en el suelo y se montan armados mediante una grúa, evitando trabajos riesgosos en altura.
Cuando se coloca un techo interno flotante, no se colocan VPV, sino que se practican ventanas en la parte superior de la envolvente contra el techo.
Estructura techo flotante interno
Techo domo con techo flotante interno
Pontones: son son cilindros esta estanc ncos os que flot flotaan sobre el espejo de producto y sustentan al techo. No deben ser un componente estruc ructural del techo sometidos a esfuerzos, ya que esto produciría su pinchadura y posteri posterior or hundimi hundimiento ento.. Membranas: como alternativa a los pontones, se pueden colocar membranas de contacto total. Estas evitan el espacio vapor que queda entre el líquido y el techo flotante con pontones. Pueden ser de aluminio o polímer polímeros os patenta patentados dos..
•Sellos: se encargan de minimizar las fugas de vapores en la unión entre el techo flo flotante y la envolvente del tanque. Hay distintos tipos y para obtener buenos resultados se coloca un sello primario y uno secundario. El sello primario, que es indispensable, puede ser del tipo pantográ gráfico de zapata o de espuma montada en fase líquida. El sello secundario se monta sobre el primario y puede tener rodamientos que apoyen contra la pared del tanque.
Tanques verticales –techo flotante f lotante Sellos Sello primario de espuma Sello secundario
ESTIMACION RAPIDA DEL PRECIO DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENT AL MACENAMIENTO O ESTIMACION DEL PESO PE SO DEL TANQUE: TANQUE:
El peso de un tanque de almacenamiento en acero al carbono es función fundamentalmente del tipo de tanque y de sus dimensiones. En este estudio hemos considerado tanques de las siguientes características: •Forma constructiva: constr uctiva: techo cónico. cónico. •Norma de fabricación: API 650. •Materiales: CS 283 GRC. El peso para volúmenes de tanque inferiores a 1.500 m3 se puede calcular con la expresión: W = 2,93 x L + 0,14 x D A2 - 0,28 x D - 7,9 Y para volúmenes de tanque superiores a 1.500 m3 con: W = 2,74 x L + 0,26 x D A2 - 0,8 0,84 x D - 14,12 ,12 Donde: W= Peso estimado del tanque (t). D = Diámetro del tanque (m). L = Altura del tanque (m).
ESTIMACION DEL PRECIO DEL TANQUE:
El precio de suministro y montaje en obra de un tanque de acero al carbono expresado en pta/kg ,sin la pintura, puede obtenerse aproximadamente por la fórmula : Y = 807,41 x X -0,25
(1)
DONDE: Y = Precio del tanque (pta/kg). X = Peso del tanque (t). Por lo que el precio del tanque será: Z = 0,80741 x X 0,75
(2)
DONDE: Z = Precio del tanque (millones de pesetas). X = Peso del tanque (t). Factores Factores de ajuste:
Según el tipo de diseño y material empleado, deben introducirse en la fórmula anterior unos factores de ajuste de acuerdo con la siguiente escala:
Siendo entonces el precio total: MM Pta. = ((0,80741 x X0,7508) x (Fd+Fm)) x F escalación MM Pta. : Millones de pesetas Sabemos que 1peso = 0.08 dólares
Grafico de precios:
El precio del suministro y montaje en obra de un tanque de almacenamiento puede también estimarse grá gráficamente, utilizando para ello los gráficos de las figuras 1, 2 y 3 cuando se trata de tanques de acero de carbono sin pintar. Las figuras 1 y 2 permiten obtener el coste total del tanque en función del peso del mismo. La figura 3 proporciona el coste en pta/kg también en función del peso eso del tanque. ue.
EJERCICIO EJERCICIOSS PROPUE PROPUESTOS STOS.. A continuación presentamos una serie de problemas de aplicación a lo que se refiere el diseño y el cálculo de tanques de almacenamiento de petróleo, usando como base de informa rmación la norma rma API- 650 PROBLEMA Nº01 CALCULO DE ESPESOR DE TANQUE DATOS ENTREGAS POR EL USUARIO Diámetro interior (D) =1,967.8 cm. Altura (H) = 978.2 cm. Corrosión permisible (C.A.) = 0.16 cm. Material = A-283-C Esfuerzo de diseño (Sd) = 1,410 Kg / cm 2 . Esfuerzo de prueba hidrostática (St) = 1,580 Kg / cm 2 . Fluí Fluído do = Petro etrole leoo Crudo Crudo Densidad relativa (G) = 0.85 (85,000 Kg / cm 3 ). Dimensiones de las placas a usar: Ancho: 182.9 cm. Largo: 609.6 cm.
PROBLEMA Nº 02
CÁLCULO Y SELECCIÓN DE TECHO DE TANQUES Considerando que el tanque tiene un diámetro considerable, el techo a colocar será cónico soportado. Tomando Tomando que el techo soportado soport ado tendrá un espesor de 4.76mm. (37.4 Kg / cm 2 ) y una pendiente de 19:305 (3.6 ° ). ). CALCULAR LA GEOMETRIA TOTAL DEL TECHO MENCIONADO PROBLEMA Nº03
ESTIMACION DEL PESO DEL TANQUE. Considerando el material del tanque de acero al carbono, tomando como base del diseño los siguientes valores: Techo Techo cónico Norma de fabricación: api-650 Volumen Volumen del tanque: 1.5 m3 Se pide calcular el peso p eso del tanque, además del precio de la oferta presentada p resentada al usuario. Al evaluar el precio del tanque no considerar el trabajo de realización de pintura.
PROBLEMA Nº04
CALCULO PARA TANQUE DE 5000 BARRILES PARA ALMACENAMIENTO DE PETROLEO CRUDO BASES DEL DISEÑO DADAS POR EL USUARIO PRODUCTO CRUDO CODIGO DE DISEÑO API-650 TIPO DE TECHO FLOTANTE CON BOY BOYAS PRESION DEL VIENTO 170 Kg/m2 NUMERO DE ANILLOS 7 DE PLACA Y UNO DE ANGULO DE CORONA ALTURA ALTURA DE ANILLO 6 DE 2425 mm, 1 DE 2160 mm DENSIDAD RELATIVA MAX. 0.85 DIAMETRO INTERIOR 85306 mm ALTURA ALTURA TOTAL TOTAL 16786 mm MATERIAL DEL CUERPO ASTM A-36 Sobre espesor para corrosión interna o externa igual a 1.6mm Hacer el diseño para el e l fondo de tanque, tanque, espesor de tanque y diseñar el techo dado.
