Tesis diseño de tanque de almacenamiento

UNIVERSIDAD VERACRUZANA F A C U L TA TA D D E I N G E N I E R Í A

DISEÑO DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO ATMOSFÉRICO DE 20 000 BLS DE CAPACIDAD

TESIS QUE COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL TÍTULO DE :

INGENIERO CIVIL PRESENTA:

JIMÉNEZ ANTONIO CARLOS ALBERTO DIRECTOR DE TESIS:

M.I. FRANCISCO DE JESÚS TREJO MOLINA

COATZACOALCOS, VER.

ENERO 2012

DISEÑO Y CALCULO DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE 20,000 BLS

DEDICATORIA Primeramente doy gracias a dios por permitirme tener vida y terminar mi carrera con mucha ilusión y satisfacción. En segundo lugar a mis seres amados: mi madre, Sra Hilda Jiménez Antonio mi novia, Srita. Lizbeth del Rocío Figueroa Martínez, mis suegros, la Sra. María del Carmen Martínez Sánchez y el Sr. Domingo Figueroa Zetina que siempre me apoyaron desde el inicio de este proyecto de vida, con sus consejos y apoyos incondicionales dándome fuerzas y motivándome cuando ya no podía. También dar las gracias a todos mis maestros de la carrera de ingeniería civil y en especial al M.I. Francisco de Jesús Trejo Molina que con su asesoramiento y consejos pude terminar este presente trabajo.

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ÍNDICE 1. Introducción .. 2. Planteamiento del problema ....................................................................................... 3. Objetivos . 4 Justificación 5 Alcances y limitaciones . 6 Hipótesis ... … …… …… … …… …… …… … …… …… … ……… …… …… … …… ……

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Capítulo I Generalidades 1.1 Recipientes a presión .. 14 1.2 Clasificación de recipientes a presión ...................................................................... 14 1.3 tanques cilíndricos verticales 15 1.3.1 Clasificación de los tanques de cilíndricos verticales 16 1.4. Materiales para la fabricación de un tanque de almacenamiento . 17 1.4.1 Propiedades químicas del acero .... 18 1.4.2 Tipos de aceros estructurales respecto a las propiedades químicas . 19 1.5 Perfiles y placas comerciales para la fabricación de tanques de almacenamiento. 21 1.6 Soldadura en el tanque de almacenamiento .. 23 1.6.1 Tipos de procesos para soldar en el tanque de almacenamiento . 25 1.6.2 Tipos de soldadura en un tanque de almacenamiento . 28 1.7. Tipos de Inspecciones en un tanque de almacenamiento 29 1.8. Códigos aplicables 32 … …… …… … …… …… …… … …… …… … ……… …… ……

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Capítulo II Características y Partes que constituyen el Tanque de Almacenamiento ...

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2.2 Fondo del tanque de almacenamiento ... 2.3 Envolvente o cuerpo del tanque de almacenamiento .. 2.4 Boquillas en tanques de almacenamiento .... 2.5 Bridas para boquillas ........................................................................................... 2.6.Entradas hombre vertical y horizontal . 2.7 Puerta de limpieza ... 2.8 Drenaje del tanque de almacenamiento ..... 2.9 Escaleras y plataformas del tanque de almacenamiento .....................................

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2.1 Techo del tanque de almacenamiento

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Capítulo III Estudio del fluido a almacenar 3.1 Tipos de fluidos

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3.3 comportamiento de los fluidos 3.4 Presión hidrostática ................................................................................................ 3.5 Descripción del fluido a almacenar . ......

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3.2 Propiedades químicas y físicas de los fluidos

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Capítulo IV Consideraciones para el diseño de un tanque de almacenamiento 4.1 Estimación de cargas

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4.2. Diseño del fondo del tanque de almacenamiento

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4.3 Diseño del cuerpo del tanque de almacenamiento

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4.3.1 Método de diseño por un pie 4.4 Diseño y cálculo del techo del tanque de almacenamiento

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4.5 Diseño de largueros

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4.6 Diseño de trabes

4.7 Diseño de columna central

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4.7.1 Procedimiento de diseño

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4.8 Cálculo de perfil de coronamiento para techos soportados 4.9 Diseño sísmico

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4.9.1 Momento de volteo sísmico 4.9.2 Resistencia a la volcadura 4.9.3 Compresión del cuerpo 4.10 Diseño por viento

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4.10.1 Momento de volteo por viento......................................................................

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Capítulo V Ejemplo de diseño del tanque de almacenamiento de 20 000 Bls 5.1 Calculo de los anillos del tanque de almacenamiento

5.2 Calculo de la capacidad del tanque de almacenamiento 5.3 Calculo de los espesores del cuerpo 5.4 Calculo de los espesores del fondo 5.5 Calculo del espesor del techo

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5.7 Calculo del perfil estructural para largueros 5.8 Calculo del perfil estructural para la trabe

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5.9 Calculo del perfil estructural para la columna 5.11 Resultados

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5.6 Calculo de la estructura del tanque de almacenamiento

5.10 Revisión por sismo y viento

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5.12 Presupuesto del tanque de almacenamiento .......................................................

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Conclusión

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Bibliografía Glosario

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INTRODUCCIÓN En el ámbito de la ingeniería, se conoce con el nombre de estructura a toda construcción destinada a soportar su propio peso y la presencia de acciones exteriores como fuerzas sísmicas, fuerzas del viento, etc. sin perder las condiciones de funcionalidad para las que fue concebida. Dentro de las estructuras podemos considerar a los recipientes a presión interna, estas estructuras son creadas con la finalidad de almacenar diferentes tipos de fluidos, como por ejemplo: el agua, los hidrocarburos, petróleo crudo, refinado, y sobre todo son creados con la finalidad de soportar grandes concentraciones de presiones que son originadas por del líquido que ocupa su volumen, y por los factores climatológicos que imperan en la región. Las construcciones y diseños de recipientes a presiones internas, son conocidas generalmente en la industria petrolera, como el caso de la empresa más importante de México (PEMEX), Esta es una de las compañías más importante que construye tanques de almacenamiento, debido a la actividad a la que se dedica. El diseño de recipientes a presión es algo muy complejo y además el estudio es demasiado amplio porque en el intervienen diferentes ramas de la ingeniería como por ejemplo, la química, la física, la instrumentación, la biología, la ecología etc., por citar algunas. En el presente trabajo se menciona, la clasificación de los recipientes a presión, pero solo se limita a mencionar recipientes con forma cilíndricas, como los tanques de almacenamiento verticales. En el primer capítulo se abordan las generalidades sobre el diseño de un tanque de almacenamiento, se mencionan los diferentes tipos de tanque de almacenamiento que existen en la industria petrolera y los materiales con la cual se construyen. En el capítulo denominado “Características y partes que constituyen el tanque de almacenamiento”, se da a conocer las partes del tanque cilíndrico, y los accesorios que se requieren para que opere correctamente.

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En el tercer capítulo se describen las principales características del fluido que contendrá el tanque , como la densidad, el peso específico, entre otras, en el cuarto capítulo,” consideraciones para el diseño de tanque de almacenamiento se describe el procedimiento de diseño del tanque de acuerdo a la normas internacionales API 650 ( American Petroleum Institute, normas que especifica el diseño de los tanques cilíndricos verticales) y a las normas nacionales de México , como es la CFE (comisión federal de electricidad) , en el quinto y último capítulo se analiza y diseña con un ejemplo, las partes del tanque de almacenamiento de pared vertical y cúpula fija de 20 000 Bls. terminando con un presupuesto de las partes diseñadas en la tesis. Es muy importante que el diseño del tanque de almacenamiento se apegue a las normas, procedimientos y códigos de seguridad adecuadas que permitan llevar un control de calidad que asegure el correcto funcionamiento del tanque para evitar riesgos que pongan en peligro a la planta industrial y personas alrededor.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Minatitlán es un municipio de Veracruz, situado entre los municipios de Coatzacoalcos y cosoleacaque, es una zona donde se encuentra una de las pocas refinerías más importantes de México. La refinería Gral. Lázaro Cárdenas. Actualmente la refinería se encuentra en la reconfiguración y ampliación de toda su planta y depósitos, debido a los aumentos de producción, y a lo deteriorado que se encuentra sus instalaciones. Enunciado del problema Dentro de los aumentos de producción y deterioro de las instalaciones se requieren la construcción de depósitos que puedan almacenar grandes volúmenes del producto refinado, y sobre todo se requieren depósitos que cumplan con el grado de seguridad, idóneo, debido a que se consideran riesgosas para la vidas humanas y se pueden tener pérdidas económicas considerables debido al producto que almacena en su interior si llegara a ocurrir una catástrofe. Así mismo se requieren depósitos económicos que satisfagan dichas necesidades y sobre todo que vayan de acuerdo al producto a almacenar. Existen muchos depósitos de almacenamiento dependiendo del producto que se pretenda almacenar, en la refinería se está aumentando la producción de gasolina, y en el ante penúltimo proceso de la producción, que es la fabricación de nafta existen pocos depósitos, y el depósito que actualmente se encuentra es muy pequeño, por lo tanto se requiere lo más pronto posible la construcción de un depósito de almacenamientos que pueda almacenar 20 000 Bls de nafta. Formulación del problema ¿Qué deposito seria el conveniente diseñar para almacenar la nafta en buenas condiciones y con grado de seguridad aceptable?

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OBJETIVOS Objetivos Generales Proporcionar el diseño un tanque de almacenamiento cilíndrico vertical de acuerdo a las normas API, las NRF de Petróleos Mexicanos y las normas de la Comisión federal de electricidad. Objetivos Particulares 

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Proporcionar una información amplia sobre el diseño de los tanques de almacenamientos de cúpula fija. Mencionar las normas más importantes que existen en nuestro país y a nivel internacional. Diferenciar los tipos de tanque de almacenamiento que se diseñan debido al producto que contienen en su interior. Propuesta de dimensionamiento de las partes importantes que conforman a los tanques de almacenamiento. Presupuestar el diseño propuesto del tanque de almacenamiento.

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JUSTIFICACIÓN Veracruz es una zona industrial donde se encuentran yacimientos de petróleos considerables, donde existen complejos petroquímicos y refinerías donde transforman el petróleo en diferentes productos para el bienestar del país. Estos productos generalmente son almacenados en tanques, debido a la cantidad de producto que se pueden almacenar en su interior. Por eso los tanques de almacenamiento deben ser diseñados con un grado de seguridad adecuado para evitar riesgos que pongan en peligro la vida humana y las instalaciones industriales que se encuentre alrededor. Por este motivo el presente trabajo se realiza para proporcionar información sobre el diseño de estas estructuras, para que los interesados conozcan la importancia que debe presentar el diseño en zonas industriales.

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ALCANCES Y LIMITACIONES El presente trabajo trata el diseño de los tanques atmosféricos cilíndricos verticales de cúpula fija y establece los métodos para el cálculo de las diferentes partes que lo integran, así como presenta el dimensionamiento que debe tener el tanque de almacenamiento, por lo tanto, se omite todo cálculo para tanques cilíndricos de cúpula flotantes, tanque tipo esféricos y tanque horizontales, debido a que estos no se consideran tanques atmosféricos, porque presentan presiones elevadas en su interior.

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HIPOSTESIS Diseñar un tanque de almacenamiento cilíndrico vertical de cúpula fija de 20 000 bls es el adecuado para almacenar la nafta que se origina en la Refinería Gral. Lázaro cárdenas, Minatitlán Veracruz.

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CAPITULO I GENERALIDADES

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1.1

Recipientes a presión

Se considera como recipientes o deposito a presión cualquier objeto cerrado que sea capaz de almacenar un fluido a presión manométrica, ya sea presión interna o presión externa, independiente de su forma y dimensiones. (Manual del ingeniero químico, 1995)

1.2

Clasificación de recipientes a presión

Existen diferentes tipos de recipientes a presión, pero generalmente son clasificados de la siguiente manera: De almacenamiento Por su uso De proceso Recipientes a presión

horizontal Cilíndricos Por su forma

vertical Esféricos

Recipientes a presión por su uso Por su uso los podemos dividir en recipientes de almacenamiento y en recipientes de proceso. Los recipientes de almacenamiento son llamados tanques o depósitos, cuya función principal se usan para contener una reserva suficiente de algún producto para su uso posterior y/o comercialización ya sea como almacenamiento inicial, intermedio o final del proceso. Estos tanques, de acuerdo a su servicio son conocidos como tanques de almacenamiento, tanques de día, tanques acumuladores. Los recipientes a presión de proceso tienen múltiples y muy variados usos entre ellos podemos citar los cambiadores de control, reactores, torres fraccionadoras, torres de destilación etc.

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Por su forma Por su forma los podemos dividir en recipientes cilíndricos y en recipientes esféricos. a) Los recipientes cilíndricos generalmente son divididos en dos tipos: tanques Cilíndricos Horizontales y en tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano.

I.

Los Tanques Cilíndricos Horizontales, generalmente son de volúmenes relativamente bajos, debido a que presentan problemas por fallas de corte y flexión. Por lo general, se usan para almacenar volúmenes pequeños.

II.

Los Tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano nos permiten almacenar grandes cantidades volumétricas con un costo bajo. Con la limitante que solo se pueden usar a presión atmosférica o presiones internas relativamente pequeñas.

b) Los recipientes esféricos se utilizan generalmente como tanques de almacenamientos y se recomiendan para almacenar grandes volúmenes de fluidos a altas presiones. Puesto que la forma esférica es la forma natural que toman los cuerpos al ser sometidos a presión, esta sería la forma más idónea para almacenar fluidos a presión, sin embargo la fabricación de este tipo de recipientes es mucho más cara en comparación con los recipientes cilíndricos. Este tipo de tanques generalmente en la industria del petróleo es utilizado para productos gaseosos, como amoniaco, gas butano, isopropanos, etc, entre otros. Debido a su forma la presión se distribuye excelentemente en todo su interior.

1.3. Tanques cilíndricos verticales Como se mencionó anteriormente un tanque de almacenamiento cilíndrico vertical es un depósito que contiene presiones internas y externas , cuyas funciones de operación estén dentro de más o menos unas cuantas libras por pie cuadrado de presión atmosférica, generalmente esta cerca de los 14 kg/cm2. La principal función de estos tanques es contener una reserva suficiente de algún producto petrolífero para su uso posterior y/o comercialización.

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Y sirve ya sea como un depósito inicial, intermedio o final del proceso por donde circula el fluido, estos tanques son los más utilizados en los complejos petroquímicos debido a su facilidad de construcción así como se pueden almacenar grandes barriles de capacidad y el costo de construcción y reparación es bajo comparado con los otros tanques de almacenamiento. 1.3.1 Clasificación de los tanques de almacenamiento cilíndricos verticales Existen una variedad de tanques de almacenamientos y son llamados de acuerdo al tipo de techo y material con las cuales con el cual son diseñados, dentro de esta diversidad se pueden mencionar los siguientes tanques más importantes y que generalmente son los más construidos: 1. Tanques Elevados. 2. Tanques abiertos. 3. Tanques a presión.

Tanques elevados Este tipo de depósitos pueden proporcionar un flujo elevado, según las necesidades de la población, siempre y cuando la capacidad de bombeo no sea superior a la de flujo promedio del sistema, este tipo de tanques no necesitan bombas para poder llegar el fluido a su destino. Debido a la presión que se obtiene por su altura sobre el nivel de terreno, generalmente es usado para distribución de agua potable en las comunidades, ya que sirve como medio de depósito y distribución hacia un determinado lugar. Tanques abiertos Estos tipos de depósitos se emplean para almacenar materiales que no son susceptibles de daños por agentes atmosféricos, como agua, vientos, clima o contaminación atmosférica. Generalmente este tipo de tanques almacena fluidos como: el agua pura, el agua residual, agua para contra incendios, etc.

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Tanques a presión. Los tanques a presión presentan techos con cúpulas escalonadas y son denominados así, debido a que sus presiones son internas o manométricas, este tipo de tanque se debe tener mucho cuidado cuando se diseñe, ya que las fuerzas hidrostáticas que presenta en su interior en ocasiones impactan en el techo y estas se transmiten al cuerpo, provocando un colapso de la estructura. Por lo tanto este tipo de tanques deberá tener un espesor idóneo en el cuerpo que lo conforma, para resistir las fuerzas, si no es así la fuerza ascendente que actúa sobre el cuerpo del tanque, originaria una catástrofe. Por eso para evitar este tipo de problemas, debe contar con una buena cimentación y un sistema de anclas para que no se colapse y provoque daño alguno.

1.4. Materiales para la fabricación de un tanque de almacenamiento Para el mejor diseño, cálculo y manufactura de tanques de almacenamiento, Es importante seleccionar el material más idóneo, seguro y económico. En la actualidad existe una variedad de materiales con la cual se construyen tanques de almacenamiento, dentro de los más importantes materiales usados en la fabricación se encuentra la soldadura, y el acero, debido a todas las ventajas que tienen con respecto a otros materiales. La supuesta perfección del acero, tal vez el más versátil de todos los materiales estructurales, parece más razonable utilizarlo, cuando se considera su poco peso, facilidad de fabricación, precios relativamente bajo, así como la facilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos y permitir una construcción rápida por las propiedades de ser soldable. La soldabilidad depende mucho del grado de contenido de carbono que se presente en la aleación, a mayor cantidad se dificulta la soldadura, pero entre menos carbono contenga mayor será la facilidad de soldado de las estructuras.

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1.4.1 Propiedades químicas del acero Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las cantidades presentes de carbono y añadiendo otros elementos como silicio, níquel, manganeso y cobre. Un acero que tenga cantidades considerables de estos últimos elementos se denomina acero aleado. Aunque esos elementos tienen un gran efecto en las propiedades del acero, las cantidades de carbono y otros elementos de aleación son muy pequeños. Por ejemplo; el contenido de carbono en el acero es casi siempre menor que el 0.5% en peso y es muy frecuente que sea de 0.2 a 0.3%. La composición química del acero es de suma importancia en sus propiedades tales como la soldabilidad, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la fractura, etc. La ASTM (American Society for Testing and Materials (sociedad americana de pruebas y materiales) especifica los porcentajes exactos máximos de carbono, manganeso, silicio, etcétera, que se permiten en los aceros estructurales. Aunque las propiedades físicas y mecánicas de los perfiles de acero las determinan principalmente su composición química, también influye en ellas, hasta cierto punto, en el proceso de laminado, la historia de sus esfuerzos y el tratamiento térmico aplicado. En la actualidad el acero es el material más utilizado en la industria y en diferentes construcciones, por eso debido a la demanda del metal es necesario fabricar aceros más fuertes, aceros con mayor resistencia a la corrosión, con mejores propiedades de soldabilidad y diversas características. Las investigaciones realizadas por la industria acerera durante estos periodos de demanda han proporcionado varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchas de las necesidades de la industria, de manera tal que actualmente existe una gran cantidad de aceros clasificados por la ASTM e incluidos en las especificaciones LRFD (Manual de diseño de acero según el método de factores de cargas y resistencias).

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1.4.2 Tipos de aceros estructurales respecto a las propiedades químicas Los aceros estructurales se agrupan generalmente según varias clasificaciones principales de la ASTM de acuerdo a sus propiedades químicas: 1. Aceros al carbón (A529, A-36, A-283).- Estos aceros tienen como principales elementos de resistencia al carbono y al manganeso en cantidades cuidadosamente dosificadas. Los aceros al carbono son aquellos que tienen los siguientes elementos con cantidades máximas de 1.7% de carbono, 1.65% de manganeso, 0.60% de silicio y 0.60% de cobre. Estos aceros se dividen en cuatro categorías dependiendo del porcentaje de carbono, como sigue:

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Acero de bajo contenido de carbono entre 0.05% y 0.30% Acero dulce al carbono 0.30 a 0.45%. Acero de medio carbono, estos oscilan entre 0.30 a 0.59%. Acero con alto contenido de carbono 0.60 a 1.70%.

2. Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (A572). Existe un gran

número de aceros de este tipo clasificados por la ASTM. Esto aceros obtienen sus altas resistencias y otras propiedades por la adición, aparte del carbono y manganeso, de uno o más agentes aleantes como el Columbio, vanadio, cromo, silicio, cobre níquel y otros. Se incluyen aceros con esfuerzos de fluencia comprendidos entre 40 ksi y 70 ksi. Estos aceros generalmente tienen mucha mayor resistencia a la corrosión atmosférica que los aceros al carbono. El termino baja aleación se usa para describir arbitrariamente aceros en los que el total de elementos aleantes no excede el 5% de la composición total. ( McCormac, mayo 2006)

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3. Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la

corrosión atmosférica. (A242 Y A588).- Cuando los aceros se alean con pequeños porcentajes de cobre, se vuelven más resistentes a la corrosión. Cuando se exponen a la atmosfera, las superficies de esos aceros se oxidan y se les forma una película adhesiva muy comprimida, que impide una mayor oxidación y se elimina así la necesidad de pintarlos. Estos aceros tienen gran aplicación en estructuras con miembros expuestos y difíciles de pintar como puentes, torres de trasmisión, etcétera, sin embargo, no son apropiados para usarse en lugares donde quedan expuestos a brisas marinas, niebla o a humos industriales corrosivos; tampoco son adecuados para usarse en condición sumergida (agua dulce o salada) o en áreas muy secas ( McCormac, 2006) 4. Aceros templados y revenidos (A514 Y A852).- Estos aceros tienen agentes

aleantes en exceso, en comparación con las cantidades usadas en los aceros al carbono, y son tratados térmicamente (templados y revenidos) para darles dureza y resistencia con fluencias comprendidas entre 70 ksi y 110 ksi. El revenido consiste en un enfriamiento rápido del acero con agua o aceite, cambiando la temperatura de por lo menos 1650 ºF a 300 a 400 ºF. En el templado el acero se recalienta por lo menos 1 150 ºF y luego se deja enfriar., Estos aceros no muestran puntos bien definidos de fluencia como lo hacen los aceros al carbono y los aceros de alta resistencia y baja aleación. En vista de ello su resistencia a la fluencia se define en función del esfuerzo asociado a una deformación del 0.2%. Los aceros templados y revenidos para placas y barras son designados A852 con un esfuerzo de fluencia 70 ksi y A514 con esfuerzos de fluencia de 90 ksi a 100 ksi, según el espesor. (McCormac,2006) Como se observa existe una gran variedad de aceros constituidos de diferentes metales que aportan mayor resistencia y durabilidad durante muchos años. Pero los que generalmente son más usados en la fabricación de un tanque de almacenamiento según la norma API se presentan en el siguiente tema.

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1.5 Perfiles y placas comerciales para la fabricación de tanques Dentro de la división de placas comerciales, existen una variedad y características de los principales aceros que utilizan para las construcciones de los tanque de almacenamiento se presentan a continuación. Acero estructural A-36. Este acero al carbón calidad estructural es usado en todo tipo de Construcciones estructurales. Producto de la más avanzada ingeniería, es fabricado con un punto mínimo de cadencia de 36,000 psi. Es ampliamente recomendable para diseñar y construir estructuras y equipo menos pesado. Según la API 650 En la fabricación de tanques de almacenamientos sólo se usan espesores iguales o menores de 38 mm. (1 1/2 pulg.). Este material es aceptable y usado en los perfiles, ya sean comerciales o Ensamblados de los elementos estructurales del tanque. con un costo relativamente caro, pero excelente material para fabricación. Acero estructural. A-131 Este tipo de acero estructural generalmente es usado según la norma API 650, en el fondo del tanque de almacenamiento dependiendo del espesor a utilizar, por ejemplo, dentro de los principales espesores que se usan para este tipo de placa se pueden encontrar en el mercado comercial divididos en grados como los siguientes: 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 1/2 pulg.) GRADO EH36 para espesores iguales o menores a 44.5 mm. (1 3/4 pulg.) A-283.- placas de acero al carbón con medio y bajo esfuerzo a la tensión. La placa de acero calidad estructural A-283 fue diseñada, para cubrir propósitos generales. De menor costo y resistencia, tiene como características sobresalientes su facilidad de soldado y de rolado con un punto de cedencia menor, siendo esta de 33 000 psi, por tal se usa en el diseño y construcción del tanque por la características de bajo contenido de carbono. 21


Esta placa es usada con un GRADO C Para espesores iguales o menores a 25 mm. (1 pulg.) Según la norma API 650. Este material A-283 es el más socorrido, porque se puede emplear tanto para perfiles estructurales, como para la pared, techo, fondo y accesorios del tanque de almacenamiento. A-285 Placa de acero al carbón con medio y bajo esfuerzo a la tensión.- Este modelo de placa de mediana resistencia es ideal para recipientes estacionarios, acumuladores, calentadores y calderas. Disponible, hasta un grosor de 2 ", tiene excelente rolado y facilidad de soldado. Este tipo de acero tiene un punto mínimo de cedencia de 30 000 psi, en la construcción de los tanques es usado con frecuencia este acero con GRADO C recomendable para la construcción del tanque (cuerpo, fondo, techo y accesorios principales), el cual no es recomendable para elementos estructurales debido a que tiene un costo relativamente alto comparado con los anteriores. A-516.- Placa de acero al carbón para temperaturas de servicio moderado. Diseñada especialmente para temperaturas moderadas donde se requiere, Excepcional dureza. Esta placa tiene estructura de grano fino. Disponible en rollo o en placa y con tratamiento de normalizado cuando así se requiera. Generalmente es usado Para espesores iguales o menores a 38mm. (1-1/2 pulg.). Este material es de alta calidad y, consecuentemente, de un costo elevado, por lo que se recomienda su uso en casos en que se requiera de un esfuerzo a la tensión alta, que justifique el costo. A-53 y A-106 grados en grados A y B.-Este tipo de acero es usado para las tuberías en general, ya que es idóneo para la construcción de las boquillas que se utilizan en el tanque de almacenamiento, así como la tubería que transporta el producto al tanque. Estos tubos de acero al carbón sin costura son usados para servicios de alta temperatura. En el mercado, es fácil la adquisición de cualquiera de estos dos materiales, por lo que puede usarse indistintamente, ya que según la NRF015 de Pemex ambos cumplen satisfactoriamente con los requerimientos exigidos y la diferencia no es significativa en sus propiedades y costos. 22


A-105.- forja de acero al carbón para accesorios como bridas de acoplamientos en las tuberías. 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 resistencia, menores a 64mm. (2-1/2 (pulg.), de diámetro. A-194 GRADO 2H. Material para tuercas a alta temperatura y de alta resistencia. A-307.- GRADO B. Material de tornillos y tuercas para usos generales.

1.6 Soldadura en el tanque de almacenamiento La soldadura es un proceso en el que se unen partes metálicas mediante el calentamiento de sus superficies a un estado plástico, permitiendo que las partes fluyan con o sin la adicción de otro metal fundido. Esta propiedad de la soldadura se debe a la constitución atómica de un metal. Ya que dicha constitución atómica se encuentra dividida por diferentes tamaños de granos que a su vez, tiene un arreglo de átomos, por todo su alrededor. Entonces cuando la soldadura es aplicada en las partes a unir de las piezas, estas tienden a acelerar sus átomos y dispersarse por todo la parte soldada, originando enlaces entre átomos, para que se tenga como resultado la formación de una pieza. Ventajas de la Soldadura Actualmente es posible aprovechar las grandes ventajas que la soldadura ofrece, ya que los temores de fatiga e inspección se han eliminado casi por completo. Algunas de las muchas ventajas de la soldadura, se mencionan a continuación: 1. La primera ventaja está en el área de la economía, porque el uso de la soldadura permite grandes ahorros en el peso del acero utilizado. Las estructuras soldadas permiten eliminar un gran porcentaje de las placas de unión y de empalme, tan necesarias en las estructuras remachadas o atornilladas, En algunas estructuras es posible ahorrar un considerable porcentaje de acero con el uso de soldadura.

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2. La soldadura tiene una zona de aplicación mayor que los remaches o los tornillos. una conexión remachada o atornillada puede resultar imposible, en lugares dé poca área, pero una conexión soldada presentara pocas dificultades. Por el espacio que la soldadura ocupa en la estructura. 3. Las estructuras soldadas son más rígidas, porque los miembros por lo general están soldados directamente uno a otro. Las conexiones con remaches o tornillos, se realizan a menudo a través de ángulos de conexión o placas que se deforman debido a la transferencia de carga, haciendo más flexible la estructura completa. Pero también hay que prestar atención si se requiere este movimiento en la estructura y no realizar una estructura muy rígida. 4. El proceso de fusionar las partes por unir, hace a las estructuras realmente continuas. Esto se traduce en la construcción de una sola pieza y puesto que las juntas soldadas son tan fuertes o más que el metal base, Esta ventaja de la continuidad ha permitido la erección de un sin fin de estructuras de acero estáticamente indeterminadas, esbeltas y agraciadas, en todo el mundo. 5. Resulta más fácil realizar cambios en el diseño y corregir errores durante el montaje (y a menor costo). 6. Otro detalle que es importante es lo silenciosos que resulta soldar. 7. Se usan menos piezas y, como resultado, se ahorra tiempo en detalle, fabricación y montaje de la obra.

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1.6.1 Tipos de procesos para soldar en el tanque de almacenamiento Según la norma AWG Existen diferentes tipos de procesos para soldar como las siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Soldadura eléctrica por arco Soldadura por arco sumergido Soldadura por arco con alambre tubular Soldadura MIG / MAG Soldadura por gas o oxiacetilénica Entre otras.

Estos tipos de procesos para soldar son muy importantes mencionarlos, ya que para la fabricación de estructuras, es importante saber seleccionar cual es el más idóneo, porque ambos proporciona diferentes propiedades a la estructura a unir. Debido a que la clasificación de los procesos para soldar son muy extensos solo se mencionara, el proceso que generalmente es el más utilizado en la fabricación de tanque de almacenamiento, este proceso es la soldadura por arco eléctrico. Soldadura por arco eléctrico La soldadura por arco eléctrico es un proceso por la cual la unión de las piezas, es realizada por el calor generado por el arco eléctrico, sin aplicación de presión, con o sin aporte al metal, la energía eléctrica es producida al crear un circuito cerrado, dicha energía se transforma en energía térmica. Pudiendo llegar a una temperatura aproximadamente a 4000 °C. Cuando existe una pequeña ruptura dentro del circuito eléctrico, lo electrones saltan generando una pequeña chispa, dándoles mayor velocidad y presión, lo que origina, un arco eléctrico fundiendo los metales entre si. Por lo tanto el arco eléctrico, es un flujo continuo de electrones, a través de un medio gaseoso produciendo luz y calor. (Manual de soldadura, 2005)

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Fig. 1.1 elementos del proceso de soldadura por arco eléctrico

Materiales de aporte para Soldadura Los materiales de aporte son los electrodos, la varillas, alambre etc. Técnicamente según la normas API 650, es muy difícil especificar qué tipo de aporte se deberá recurrir, debido a la marca y procesos que se empleen al soldar. Pero generalmente en la construcción de un tanque de almacenamiento, que es nuestro estudio, se utiliza electrodos dependiendo de la resistencia que el diseño requiera , ya que este material está constituido por un núcleo y por un revestimiento químico, el núcleo es una varilla metálica con una definida composición química, para cada material que está definida el electrodo, los diversos elementos que componen el núcleo como el hierro, el carbono, manganeso, silicio, fosforo, azufre y otros proporcionan diferentes propiedades a las juntas soldadas. El revestimiento que se encuentra alrededor del núcleo esta, definido químicamente por el tipo de electrodo a utilizar. Normas para la Soldadura Existen diferentes normas como la AWS de estados unidos, la DIN de Alemania, la JIS de Inglaterra, la BS de Rusia, pero la norma de mayor difusión y aplicación para las soldaduras es la AWS (American Welding Society), esta norma específica los materiales de aporte de cada electrodo deposita en la unión soldada así como la nomenclatura para poder seleccionar un electrodo, que proporcione diversos propiedades al soldara las piezas.

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Nomenclatura de los Electrodos. Los electrodos para la soldadura por arco protegido se designan como E60XX, E70XX, etc. En este sistema de clasificación la letra E significa electrodo y los dos primeros dígitos como 60, 70, 80, 90, 100 o 110, indican la resistencia mínima de la resistencia de la soldadura en Ksi. Los dígitos restantes especifican el tipo de recubrimiento. Así como el penúltimo especifica el tipo de corriente y polaridad necesaria para poder efectuar la soldadura. Para la construcción de los tanques de almacenamiento, Los electrodos como E70XX, E80XX o simplemente E70, E80, etc. Son los más usuales ya que los electrodos E70 se usan para aceros como valores de Fy de entre 36 y 60 Ksi, mientras que los E80 se usan cuando Fy= 65 Ksi. Tabla 1.1 Clasificación de los electrodos según la AWS

Clasificación AWS

Posición de soldeo según AWS

Corriente eléctrica

Alta celulosa, sodio, Alta celulosa, potasio

F,v,oh,h

Cc (+), Ca o cc (+) Ca, cc (-), Ca, cc (+) o cc (-) Ca, cc (-), Ca, cc (+) Ca, cc (+) o cc (-) Cc (+)

Tipos de revestimiento

E 6010 E 6011 E 6012 E 6013 E 6020 E 7014 E 7015

Alto titanio, sodio, Alto titanio, potasio

F,v,oh,h

Alto oxido de hierro Hierro en polvo , titanio, Bajo hidrogeno, sodio

h-filete f

E 7016 E 7018

Bajo hidrogeno, potasio, Bajo hidrogeno, potasio, hierro, en polvo

F,v,oh,h

Ca o cc (+), Ca o cc (+)

Bajo hidrogeno, hierro en polvo Hierro en polvo, titanio

F,v,oh,h h-fillete, f h-filete f

Cc (+), Ca, cc (+) o cc (-) Ca, cc (-), Ca, cc (+) o cc (-) Ca o cc (+)

E 7018M E 7024 E 7027 E 7028 E 7048

Alto oxido de hierro, hierro en polvo Bajo hidrogeno, potasio, Hierro en polvo Bajo hidrogeno, potasio, Hierro en polvo

F,v,oh,h

h-filete, f F,v,oh,,h Fv,oh,hv-descen.

Ca o cc (+)

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1.6.2 Tipos de soldadura en un tanque de almacenamiento Los tipos de soldaduras más comunes usadas en la fabricación de un tanque son: las soldaduras de filete y la de tope. Las soldaduras de filete son aquellos tipos de soldaduras, que se aplica en los miembros de aceros donde se tenga que exista un traslape, esta soldadura tienes una forma de triángulo y por lo general la mayoría de las conexiones usadas en el tanque se soldán por esta forma, (aproximadamente el 80%). Aparte este tipo de soldadura es utilizada debida a que el costo de su fabricación es relativamente bajo, entre un 50% y un 70% del costo de la soldadura de ranuras. Las soldaduras a tope se usan cuando los miembros que se conectan están alineados en el mismo plano. Usarlas en cualquier situación implicaría un ensamble perfecto de los miembros por conectar, sin embargo, resultaría ser costosa. La soldadura a tope son bastantes comunes en muchas conexiones tales como empalmes de columna y las conexiones de patines de vigas a columnas, tuberías , envolvente y el anillo anular del tanque de almacenamiento. Las soldaduras de ranura comprenden alrededor de 15% de la soldadura estructurales. Dicha soldaduras de dividen en dos tipos: Las soldaduras a tope pueden ser de penetración completa o de penetración parcial la primera se puede entender que la soldadura se extiende sobre todo el espesor de las partes conectadas y la segunda se extiende solo se extiende en el ángulo biselado de las partes a conectar.

Fig. 1.2 Representación de las soldaduras comúnmente utilizadas en un tanque de almacenamiento a) soldadura de filete, b) soldadura a tope

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1.7 Tipos de inspecciones en el tanque de Almacenamiento Las inspecciones en el tanque de almacenamiento son de suma importancia, ya que a través de estas se puede comprobar si la construcción fue la correcta o lo que se tendrá que reparar. Pero Cuando se siguen los procedimientos establecidos por la AWS, la ASME (American Society of Mechanical Engineers (sociedad americana de ingenieros mecánicos) y el AISC (instituto americano de construcciones de acero ) para inspección de tanques y cuando se utilizan los servicios de buenos soldadores, que previamente hayan demostrado su habilidad, es probable que se obtengan buenos resultados; sin embargo, la seguridad total se tendrá cuando se utilicen inspectores capaces, calificados y por pruebas como las que a continuación se presentan. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Inspección visual a la soldadura. Inspección por líquidos penetrantes a la soldadura. Inspección por partículas magnéticas. Pruebas ultrasónicas a soldaduras. Procedimientos radiográficos al envolvente. Pruebas hidrostáticas.

Inspección visual Un factor que ayudara a los soldadores a realizar un mejor trabajo, es la presencia de un inspector que se considere apreciar un buen trabajo cuando vean lo realizado. Para hacer un buen inspector, es conveniente que haya soldado y que haya dedicado bastante tiempo a observar el trabajo de buenos soldadores. A partir de esta experiencia, será capaz de saber si un soldador está logrando la fusión y penetración satisfactorias. También debe reconocer buenas soldaduras en su forma, dimensiones y apariencia general. Por ejemplo, el metal en una buena soldadura se aproximara a su color original después de enfriarse. Si se ha calentado demasiado, tendrá un tono con apariencia rojiza.

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La inspección visual de un hombre capaz, probablemente dará una buena indicación de la calidad de las soldaduras, pero no es una fuente de información perfecta por lo que hace a la condición interior de la soldadura. Es seguramente el método de inspección más económico y es particularmente útil para soldadura de un solo pase. Sin embargo, este método es solo bueno para detectar imperfecciones superficiales. Existen diversos métodos para determinar la calidad interna o sanidad de una soldadura. Estos métodos incluyen: tinturas penetrantes y partículas magnéticas, ensayos con ultrasonido y procedimientos radiográficos, los permiten descubrir defectos internos tales como porosidades, falta de fusión o presencia de escorias. (McCormac, 2006). Líquidos penetrantes Diversos tipos de tinturas pueden extenderse sobre las superficies de soldadura; estos líquidos penetraran en cualquier defecto como grietas que se encuentran en la superficie y sean pocos visibles; después de que la tintura ha penetrado en las grietas, se limpia el exceso de esta y se aplica un polvo absorbente, el cual hará que la tintura salga a la superficie y revelara la existencia de la grieta, delineándola en forma visible al ojo humano. Una variante de este método consiste en usar un líquido fluorescente, que una vez absorbido se hace brillante visible bajo el examen con luz negra. Este método nos permite detectar grietas abiertas a la superficie igual que la inspección visual. (McCormac, 2006). Partículas magnéticas En este proceso, la soldadura por inspeccionar se magnetiza eléctricamente, los bordes de las grietas superficiales o cercanas a la superficie se vuelven polos magnéticos (norte y sur a cada lado de la grieta) y si se esparce polvo seco de hierro o un líquido con polvo en suspensión, el fantasma magnético es tal que queda detectada la ubicación, forma y aun tamaño de la grieta. Solo grietas, costuras, inclusiones, etc. Aproximadamente a 1/!0 pulg de la superficie pueden localizarse por este método.(McCormac ,2006).

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Prueba ultrasónica En años recientes, la industria del acero ha aplicado el ultrasonido a la manufactura del acero; si bien el equipo es costoso, el método es bastante útil también en la inspección de soldadura. Las ondas sónicas se envían a través del material que va a probarse y se reflejan desde el lado opuesto de este: la onda reflejada se detecta en una en un tubo de rayos catódicos; los defectos en la soldadura afectan el tiempo de transmisión del sonido y el operador puede leer el cuadro del tubo, localizar las fallas y conocer que tan importantes son. La prueba ultrasónica puede usarse con éxito para localizar discontinuamente con aceros al carbón y de baja aleación, pero no funciona muy bien para algunos aceros con grano extremadamente grueso. (McCormac, 2006). Procedimientos radiográficos Los métodos radiográficos, que son más costosos, pueden utilizarse para verificar soldaduras en la envolvente y fondo del tanque. Mediante estas pruebas es posible realizar una buena estimación del porcentaje de soldaduras malas en el tanque. El uso de máquinas de rayos-X-portátiles, donde el acceso no es un problema y el uso de radio o cobalto radiactivo para tomar fotografías, son métodos de prueba excelentes pero costosos. Resultan satisfactorios en soldaduras a tope pero no son satisfactorios para soldaduras de filete, ya que las fotografías son difíciles de interpretar. Una desventaja adicional de estos métodos es el peligro de la radiactividad. Deben utilizarse procedimientos cuidadosos para proteger tanto a los técnicos como a los trabajadores cercanos. En el trabajo de las construcciones normales, este peligro posiblemente requiera la inspección. (McCormac, 2006).

Pruebas hidrostáticas Se realizan estas pruebas llenando de agua hasta una altura de 3/4h, y reposando el líquido por 24 hrs, esto con el fin de conocer el estado de las juntas que fueron soldadas en el tanque de almacenamiento, y verificar si existe alguna que sea necesario su cambio o reparación. 31


1.8 Códigos Aplicables Las normas son aquellos estándares que se deben de seguir conforme a la letra ya que estos proporcionan una seguridad a cualquier estructura que se pretenda construir, En los Estados Unidos de Norteamérica y en muchos países del mundo, incluyendo México, el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, se basa en las normas del "Instituto Americano del Petróleo", a esta norma generalmente se le conoce como: estándar A.P.I. 650 y A.P.I. 653 ", para tanques de almacenamiento a presión. “

Las normas A.P.I. 650, API 653 , sólo cubre aquellos tanques en los cuales se almacenan fluidos líquidos y están construidos de acero con el fondo uniformemente soportado por una cama de arena, grava, concreto, asfalto, etc., 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), Este estándar cubre el diseño y cálculo de los elementos del tanque. Proporciona las recomendaciones para construirlo así como los procedimientos de soldaduras, lineamientos para su operación Y pruebas necesarias para inspección del tanque. Los códigos aplicables en nuestro país no solo es la API, ya que esta norma, hace referencia a las normas de los materiales de la ASTM y también se toma en cuenta la ASME, así como la N.F.P.A, para poder tener un diseño idóneo y seguro en todos los sentidos.

32


CAPITULO II CARACTERISTICAS Y PARTES QUE CONSTITUYEN EL TANQUE DE ALMACENAMIENTO

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Un tanque de almacenamiento, está formado por elementos estructurales capaces de soportar presiones internas y externas que originen en el transcurso de su vida útil, dentro de las principales partes que conforman un tanque de almacenamiento, se encuentra: a) el techo, b) El fondo, c) la envolvente o cuerpo del tanque , d) las boquillas para recibo de producto o succión , e) las escaleras de acceso y plataformas de inspección, y f) las puertas de limpieza y entradas hombres para cuestiones de operación y seguridad del tanque. Estas partes son muy importantes en un tanque de almacenamiento porque, permiten tener un buen funcionamiento y un factor de seguridad alto dentro de su vida productiva.

2.1 Techo del tanque de almacenamiento El techo es aquella parte de un tanque de almacenamiento capaz de soporta las cargas de diseño que se originen en el transcurso de la vida útil de tanque, tiene el objetivo para soportar e impedir que sustancias peligrosas puedan ocasionar daños a la estructura del tanque y puedan contaminar al producto almacenado , este elemento se encuentra en la parte superior del tanque y está conformado por placas traslapadas entre sí, con el objetivo de evitar daños que por algún aumento de presión mayor dentro del recipiente pueda afectar en su operación. En ocasiones la cúpula es diseñada, de diferentes formas, con pendientes diversas, que van desde el 5° hasta los 30° con respecto a la horizontal del tanque , estás formas y pendientes depende mucho del producto que contenga, y de las presiones internas que se origen en el interior. Dentro de la variedad de techos para los tanques de almacenamientos los más importantes que son utilizados se describen en los siguientes párrafos. Tipos de techos para tanques La norma estándar A.P.I. 650, clasifica a los tanques de acuerdo al tipo de techo con la cual son diseñados, esta los divide en techos fijos y techos flotantes y los explica de la siguiente forma.

34




Techo fijo

Los techos fijos suelen presentar formas de cúpula o formas escalonadas, los tanques de gran capacidad suelen tener generalmente un techo escalonado, traslapado de placas entre sí, con soportes intermedios, que son capaces de soportar cargas vivas de diseño como la nieve, viento y cargas humanas. Estos tipos de techos se emplea para contener productos no volátiles o de bajo contenido de inflamables como: agua, diesel, asfalto, petróleo crudo, nafta etc. Dentro de los techos fijos tenemos tres tipos: cónicos, de domo y de sombrilla, los cuales pueden ser auto soportados por la envolvente o soportados por estructura en el interior del tanque de almacenamiento. El techo cónico es una cubierta con la forma y superficie de un cono una pendiente de Angulo > 9 soportado por el cuerpo del tanque o por las columnas en su interior. El tipo domo es un casquete con forma esférica soportado directamente sobre la envolvente, y el de tipo sombrilla, es un polígono regular curvado por el eje vertical soportado por la envolvente con una forma semejante a la sombrilla. Los techos auto soportados ya sean tipo cónico, domo, o sombrilla, tiene la característica de estar apoyados únicamente en su periferia por el cuerpo del tanque, calculados y diseñados para que su forma geométrica, en combinación con el espesor mínimo requerido, absorban la carga generada por su propio peso más las cargas vivas, a diferencia de los techos soportados que contarán con una estructura (columna) que soporte dichas cargas y las transmite al fondo del tanque y este ala cimentación. 

Techos flotantes

Estos tipos de techos se emplean para almacenar productos con alto contenido de volátiles como son: alcohol, gasolinas y combustibles en general. Este tipo de techo fue desarrollado para reducir o anular la cámara de aire, o espacio libre entre el espejo del líquido y el techo, por la constante evaporación que sufren los fluidos dentro del tanque de almacenamiento.

35


Estos tipos de techos proporcionar un medio aislante para la superficie del líquido, reduciendo la velocidad de transferencia de calor al producto almacenado durante los periodos en que la temperatura ambiental es alta, evitando así la formación de gases (evaporación). Cuando el líquido sufre evaporación de forma continua se pierden cuantiosas sumas millonarias para la industria petrolera y consecuentemente, la contaminación del medio ambiente, por lo que con este tipo de techo se reducen los riesgos por almacenar productos inflamables. Estos techos son de tipo elevador, los que origina que la cubierta presente un movimiento oscilante hacia arriba y hacia abajo, dependiendo de la adición o sustracción de liquido almacenado, estos techos están constituidos por un sello anular mediante una membrana flexible, así como una cámara de expansión de tela alojada en un compartimiento sobre la parte superior del techo del tanque, permitiendo asi variaciones de volumen. Este movimiento oscilante la realiza gracias a un motor capaz de subir o bajar el peso del techo. Este tipo de depósitos contiene un sello situado entre el techo y el cuerpo del tanque, en caso en que no vayan protegidos mediante techos fijos, deberán presentar sistemas de drenaje para la eliminación de agua y el cuerpo del tanque. por lo tanto deberá estar fijado con tirantes contra el viento, con el fin de evitar las distorsiones o colapso que puedan dañar la estructura del mismo y anclado ala superficie de su cimentación.

Fig. 2.1 tipos de tanques de acuerdo a el tipo de techo

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2.2 Fondo del tanque de almacenamiento El fondo de los tanques de almacenamiento cilíndricos verticales son generalmente fabricados de placas de acero al carbón con un espesor menor al usado en el cuerpo. Esto es posible para el fondo, porque se encuentra soportado por una base de concreto, arena o asfalto, los cuales soportan el peso de la columna del producto; además, la función del fondo es lograr la hermeticidad para que el producto no se filtre por la base. Según la API 650 se usan placas que tiene un espesor mínimo nominal de 6.3mm. (1/4 pulg.), 49.8 Kg / m2 (10.2 lb / pie2) excluyendo cualquier corrosión permisible especificada por el tipo de lugar o el tipo de sustancia a almacenar. Generalmente estos fondos se forman con placas traslapadas entre si con una longitud de traslape de aproximadamente 1 ½”, esto c on el fin de absorber las deformaciones sufridas por el fondo de la cimentación. El fondo en un tanque de almacenamiento, según la API 650, siempre tendrá que ser de un diámetro mayor que el diámetro exterior del tanque, por lo menos, 51 mm. (2 pulg.) Más en el ancho del filete de soldadura de la unión entre cuerpo y el fondo. Las placas con las que se habiliten el fondo deberán tener preferentemente un ancho de 1,829 mm o 2348 mm con una longitud comercial que se obtenga en el mercado, la cual se pueda manejar en el taller o en campo sin problema alguno.

2.3 Envolvente o cuerpo del tanque de almacenamiento El envolvente también conocido como el cuerpo del tanque, es una parte importante del tanque de almacenamiento debido que delimita, la cantidad de fluido que se ocupara en su interior y es el responsable de soportar las presiones que el fluido presente sobre las partes que lo integran. La envolvente es diseñado por diferentes tipos de espesores de placas comerciales, dichos espesores, se determinan así por las variaciones de presiones que existen desde fondo del tanque hasta la superficie del mismo. 37


Esta parte del tanque basa su cálculo en los principios de las leyes de la de la hidrostática, por tal, el diseño de los espesores de las placas, es diferente, aunque también se hace de esta forma por economizar el costo de su construcción. Pero cabe mencionar que los espesores jamás serán en ningún caso, menor a lo que se muestra en la siguiente tabla (API 650 edición 7, 2008). Tabla 2.1 Espesores de tanques como mínimo, dependiendo su diámetro.

Diámetro nominal en metros

Espesor mínimo en milímetros

< 15.24 15.24 < 36.576 36.576 < 60.96 > 60.96

4.76 6.35 7.93 9.52

El espesor de la pared del tanque por condición de diseño, se calcula con base al nivel del líquido, tomando la densidad relativa establecida por las propiedades del fluido, y por las dimensiones que se pretenda construir. este tema será mencionado posteriormente. En esta tabla solo se definen los espesores mínimos que deberá tener el tanque de almacenamiento según la API 650.

2.4 Boquillas en tanques de almacenamiento Las boquillas son aberturas que se realizan al cuerpo del tanque de almacenamiento, con la finalidad de que este pueda tener llegada de líneas de tuberías para la descarga o succión de producto a almacenar y también para conectar instrumentos capaces de monitorear el tanque desde un cuarto de control y este pueda tener un funcionamiento idóneo. Dentro de las partes principales de una boquilla, encontramos las tuberías de acero al carbón de cedula 80 aproximadamente, placas roladas al cuerpo y bridas, que sirven de acoplamiento para una tubería existente o para un instrumento de control del tanque. Dentro las principales boquillas que debe de tener un tanque (según las especificaciones generales de petróleos mexicanos de 1988) como mínimo se mencionan a continuación:

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1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Entrada (s) de producto (s). Salida (s) de producto (s) Drene (con o sin sumidero). Registro de entrada hombre Muestreo (s). Venteo Drenaje del tanque Entrada (s) hombre.

9. Cámara de espuma 10. Indicador de nivel 11. Gas de vapor 12. Entrada de vapor

Tabla 2.2 tipos de boquillas para tanques de almacenamiento de cúpula fija

Cap. en Bls 500 1000 2000 3000 5000 10000 15000 20000 30000 40000 55000

1

2

o s e c o r p e d o t n e i m i r e u q e r a o d r e u c a e d a n o i s n e m i d e s


3

4

5

6

7

8

9

24”

24”

8”

4”

2 de 4”

1 de 8”

24”

24”

8”


4”

2 de 4”

1 de 8”

24”

24”

8”

24”

24”

8”

24”

24”

8”

24”

24”

8”

24”

24”

8”

24”

24”

8”

24”

24”

8”

24”

24”

8”

24”

24”

8”

4” 4”

2 de 4”

2 de 4”

2 de 4”

3 de 4”

3 de 4”

3 de 4”

4 de 4”

2 de 4”

1 de 8”

2 de 4”

1 de 8”

2 de 4”

1 de 8”

2 de 4”

1 de 8”

2 de 8”

1 de 8”

2 de 8”

1 de 8”

2 de 10”

1 de 8”

2 de 10”

1 de 8”

2 de 10”

1 de 8”

10

11

1 de

1 de 3”

24” x 24”

1 de 3”/4”

1 de

1 de 3”

24” x 24”

1 de 3”/4”

1 de

1 de 3”

24” x 24”

1 de 3”/4”

1 de

1 de 3”

24” x 24”

1 de 3”/4”

1 de

1 de 3”

24” x 24”

1 de 3”/4”

1 de

1 de 3”

24” x 24”

1 de 3”/4”

1 de

1 de 3”

24” x 24”

1 de 3”/4”

1 de

1 de 3”

24” x 24”

1 de 3”/4”

1 de

1 de 3”

24” x 24”

1 de 3”/4”

1 de

1 de 3”

24” x 24”

1 de 3”/4”

1 de

1 de 3”

24” x 24”

1 de 3”/4”

12


39


En la tabla 2.2 se especifica la cantidad de boquillas que se requieren, por tanque de almacenamiento, ya que dependiendo de la capacidad que este almacenara, será el número de boquilla y diámetro de la misma, la columna número uno de la tabla 2.2 especifica la capacidad del tanque y las otras columnas, especifican las boquillas q puede instalarse al tanque, así por ejemplo, en un tanque de 20 000 BLS, se necesita una entrada hombres una en el cuerpo y una en la cúpula, así como una cámaras de espuma, etc. Las boquillas como minimo deberán ser 12 en total para que el tanque funcione adecuadamente y se encuentre monitoreado perfectamente para evitar daños peligrosos. Boquillas en las paredes del tanque De acuerdo al tanque de almacenamiento que se pretenda diseñar, este puede tener una o varias boquillas de las antes mencionadas, para la instalación de una boquilla, en un recipiente a presión, es necesario definir la ubicación en todo el perímetro del tanque y realizar un agujero en el cuerpo dependiendo el diámetro de la boquilla que se pretenda construir. Cuando se realiza el agujero se está quitando área del cuerpo, y el esfuerzo por la presión que impactaban a dicha área, ahora pasaran a impactar el agujero que se realizó. Por tal motivo la realización de un agujero en el tanque de almacenamiento debe de diseñarse adecuadamente y evitar fallas en la periferia de este, por lo tanto bajo estas cuestiones es necesario poner un refuerzo alrededor de dicha boquilla, para contra restar el agujero realizado y darle mayor resistencia, al área extraída. La API 650 considera las dimensiones de boquillas, de cualquier diámetro perforado, Y especifica los requisitos que este diseño debe contener, por ejemplo: en concordancia con el código A.S.M.E. Establece que todas las boquillas mayores de 3 pulgadas de diámetro, instaladas en los recipientes a presión, deberán contener placa de refuerzo en la periferia de sí mismo, y se localizara en la unión del cuello de la boquilla con el recipiente. Así como se realizara un barreno a la placa de refuerzo de ¼” de diamtreo, esto con la finalidad de poder sacar el gas almacenado en el interior de la boquilla, cuando se le aplique la soldadura.

40


Las dimensiones y detalles especificados en la norma API 650 se presentan en las siguientes figuras y tablas.

Fig. 2.2 representación de las boquillas en el cuerpo del tanque

La nomenclatura de la Fig. 2.2 Esta referenciada a la tabla 2.3, 2.4 y 2.5 donde se en listan todos los diámetros de boquillas existentes, en la cual se especifican las longitudes de los tubos, placa que debe tener como mínimo, con respecto al cuerpo del tanque. En estas tablas también se especifican los espesores que deben tener, las bridas que se utilizaran en la boquilla, sea hechiza a través de placa o de fábrica, dependiendo donde se encuentre la boquilla en el envolvente. Esta figura se encuentra en la norma API 650 en ella se especifican claramente cada nota que presenta la figura 2.2 y describe una forma más clara la información antes mencionada. 41


Figura 2.3.- Dimensiones que debe tener una placa de refuerzo dependiendo del diámetro de la tubería.

En la figura 2.3 se representa la placa de refuerzo, que debe de tener la boquilla con respecto al agujero que se haya realizado, dicha placa de refuerzo, es diseñada con dos figuras diferentes, una representa la forma de un diamante y la segunda solo es un círculo, según la norma API 650, establece que la placa de refuerzo para boquillas en el envolvente serán de tipo diamante, para que este se adhiera de forma correcta al tanque adoptando su forma y su radio de curvatura, las boquillas que se encuentren en el techo del tanque la placa de refuerzo serán tipo circular, debido a que las presiones en ese punto son muy débiles y casi no se requiere refuerzo en sus alrededores. Las dimensiones de las boquillas, como se menciono anteriormente ya se encuentra estandarizado por la norma API 650, y en la tabla 2.3 que continuación se presenta, ahí se ve claramente las medidas mínimas, que las boquillas debe de tener respecto al agujero que se haya realizado, y establece el tipo de espesor que la brida, el tubo o la placa, que debe de tener, para poder soportar dichas concentraciones de presiones en el área que se haya extraído.

42


Tabla 2.3. 2.3. Espesores de placas, dimensión de abertura y ancho de soldadura

Espesores del cuerpo y placa refuerzo tyT 4.76 6.35 7.39 9.52 11.11 12.7 14.28 15.87 17.46 19.05 20.63 22.22 23.81

Espesor mínimo de pared de tubos de boquillas brindadas n 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7

Diámetro máximo (dp) igual al diámetro exterior de tubo mas 15.87 15.87 15.87 15.87 15.87 15.87 19.05 19.05 19.05 19.05 19.05 19.05 19.05

Ancho del filete de soldadura b 4.76 6.35 7.93 9.52 11.11 12.7 14.28 15.87 17.46 19.05 20.63 22.22 23.81

Ancho del filete de soldadura (A) Boquillas mayores 2 pulg. L-DO 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 7.93 7.93 7.93 9.52 9.52 9.52

Boquillas de 2 pulg o menores W 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 7.93 7.93 7.93 7.93 7.93 7.93 7.93 7.93

La tabla 2.3 especifica los espesores de las placas de refuerzo que van instalada sobre el cuerpo del tanque, por ejemplo: la columna 1 específica el espesor que la placa de refuerzo debe tener, ya que especifica el espesor de la placa del envolvente donde se encuentre la boquilla, y la norma API especifica que la placa de refuerzo tendrá el mismo espesor del cuerpo donde se haya realizado el agujero de la boquilla, como mínimo para poder soportar la presión que encontrara en ese lugar, de acuerdo a estos datos se procede a dimensionar dichas boquillas de interés. Las dimensiones de la tabla 2.3 están especificadas en milímetros y los detalles especificados en la figura 2.2 y 2.3 están relacionados con esta. Un punto muy importante la tabla tabla 2.3 es para boquillas instaladas con con sus ejes perpendiculares a las placas del tanque. Cuando las boquillas son instaladas con un ángulo diferente de 90º respecto a las placas del tanque en el plano vertical, estarán provistas de una placa de refuerzo que tenga un ancho de acuerdo a lo especificado en las tablas 2.4 2.4 (W o Do), y esta deberá incrementar de acuerdo al corte de las placas del tanque que tengan diferente ángulo.

43


Tabla 2.4. 2.4. Dimensionamiento de la boquilla y placa de refuerzo

Elevación Espesor Diámetro Longitud. Ancho mínima al nominal Lado o interior diámetro de la Protección centro de Tamaño Diámetro de la de la placa Exterior boquilla de exterior boquilla de la placa de de Mínimo boquilla del tubo pared placa Tipo Tipo (J) del tubo refuerzo refuerzo refuerzo regular baja (Dr) (W) (n) (L-DO) (HN) (C) 1219 1219 E 1222 2457 2972 406 1321 1229 1168 1168 E 1171 2356 2845 406 1270 1178 1117 1117 E 1121 2254 2724 381 1219 1127 1067 1067 E 1070 2153 2604 381 1168 1076 1016 1016 E 1019 2051 2483 381 1118 1025 965 965 E 968 1949 2356 356 1097 974 914 914 E 917 1848 2235 330 1016 924 864 864 E 867 1746 2114 330 965 873 813 813 E 816 1645 1994 305 914 822 762 762 E 765 1543 1867 305 864 771 711 711 E 714 1441 1746 305 813 720 660 660 E 663 1340 1625 305 762 670 610 610 12.7 613 1257 1524 279 711 629 559 559 12. 562 1156 1403 279 660 578 508 508 12.7 511 1054 1283 279 610 527 457 457 12.7 460 952 1162 254 559 476 406 406 12.7 409 851 1035 254 508 425 356 356 12.7 359 749 924 254 457 375 305 324 12.7 327 685 838 229 432 343 254 273 12.7 276 584 717 229 381 392 203 219 12.7 222 483 590 203 330 241 152 168 11 127 400 495 203 279 200 102 114 8.5 117 305 397 178 229 152 76 89 7.6 92 267 343 178 203 133 51 60 5.55.1 63 (---) (---) 152 178 89 38 48 Cople 51 (---) (---) 152 152 76 76 102 Cople 105 286 362 (---) 229 143 51 73 Cople 76 (---) (---) (---) 178 76 38 56 Cople 59 (---) (---) (---) 152 76 25 40 Cople 43 (---) (---) (---) 157 76 19 33 Cople 36 (---) (---) (---) 102 76

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Las figura 2.2 hace referencia al espesor de las bridas, de la cual la tabla 2.5 especifica los diferentes espesores que existen para fabricarla, aunque esta tabla no especifica qué tipo de brida necesita ser instalada en la boquilla. Tabla 2.5. 2.5. Dimensionamiento de bridas para boquillas

tamaño de boquill a

espesor mínimo de brida (q)

diámetro exterior de la brida ( a)

diámetro de la cara realizada (d)

1219 1168 1117 1067 1016 965 914 864 813 762 711 660 610 559 508 457 406 356 305 254 203 152 102 76 51 38

69.85 68.26 66.67 66.67 63.5 60.32 58.73 57.15 54.05 52.38 50.8 47.62 46.03 42.86 39.68 47.62 34.92 31.75 30.16 28.57 25.4 23.81 23.81 23.81 19.05 17.46

1511 1450 1403 1346 1239 1238 1168 1111 1060 984 927 870 813 749 698 635 597 533 483 406 343 279 229 190 152 127

1359 1295 1245 1194 279 1073 1022 959 908 857 794 743 692 641 584 533 470 413 381 324 270 216 157 127 92 73

diámetro de circulo de barrenos (c ) 1422 1365 1314 1257 1200 1149 1085 1029 978 914 864 806 749 692 635 577 540 476 432 362 298 241 190 152 121 98

numero de agujeros

diámetro del agujero

diámetro de los tornillos

44 40 40 36 36 32 32 32 28 28 28 24 20 20 20 16 16 12 12 12 8 8 8 4 4 4

41.27 41.27 41.27 41.27 41.27 41.27 41.27 41.27 41.27 34.92 34.92 34.92 34.92 34.82 31.75 31.75 28.57 28.57 25.4 25.4 22.22 22.22 19.05 19.05 19.05 15.87

38.1 38.1 38.1 38.1 38.1 38.1 38.1 38.1 38.1 31.75 31.75 31.75 31.75 31.75 28.57 28.57 25.4 25.4 22.22 22.22 19.05 15.87 15.87 15.87 15.87 12.7

NOTAS: Como se observa en la tabla 2.4 las boquillas mayores de 76 mm (3 pulg.) se requieren placa de refuerzo en todo el perímetro del agujero extraído. Así mismo lo especifica la tabla las boquillas bridadas o roscadas de 51 mm (2 pulg.) de diámetro menor no requieren placa de refuerzo refuerzo (De); será el diámetro de la boquilla en el cuerpo y la soldadura (A).

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Boquillas en la Cúpula del tanque Las boquillas en el techo generalmente son instaladas para acoplarlas a instrumentos capaces de monitorear el tanque del almacenamiento, ya sea para poder medir temperatura, o para poder controlar el tanque desde una cuarto de control, estas se construyen de la misma forma que las boquillas que se encuentran el cuerpo del tanque, solo que los diámetros están limitados hasta 12” de diámetro, excepto la entrada hombre que generalmente se utiliza de 24”. También difieren de la placa de refuerzo que se le adiciona, ya que esta solo es utilizada a partir de 6” de

diámetro, debido a que las presiones en lo alto del tanque, no es tan relevante como en las del cuerpo. Por lo tanto se podrá poner refuerzo siempre y cuando se ha especificado. Para poder comprender mejor esto la siguiente figura 2.4 y tabla 2.6. Especifican el dimensionamiento mínimo que este debe de tener cuando se pretenda construir. Tabla 2.6. Dimensionamiento de boquillas para techo

Dimensión nominal de boquilla

Diámetro exterior del tubo

305 254 203 157 102 76 51 38

324 273 219 168 114 89 60 48

Diámetro de agujero del techo y placa de refuerzo Dp 330 279 225 171 117 92 64 51

Proyección mínima de la Boquilla Hn

Diámetro exterior de la placa Dr

152 152 152 152 152 152 152 152

610 559 457 381 279 229 178 127

46


Fig. 2.4 Esquema de Boquillas en el techo

2.5 Bridas para boquillas Las bridas son accesorios para acoplamiento de tuberías, que facilita el armado y Desarmado de la misma estas pueden ser de diferentes diámetros y de diferentes formas, que dependen del libraje del servicio que prestara. Tipos de bridas Dentro de la variedad de bridas que existen en el mercado las más comunes que se utilizan en las boquillas de un tanque de almacenamiento son las siguientes: I. II. III. IV. V.

Bridas de cuello soldable. Bridas deslizables. Bridas roscadas. Brida de enchufe soldable. Bridas ciegas.

47




Bridas de cuello soldable (Welding neck) Se distinguen de las demás por su cono largo y por su cambio gradual de espesor en la región de la soldadura que las une al tubo. El cono largo suministra un refuerzo importante a la brida desde el punto de vista de resistencia, este tipo de brida se prefiere para todas las condiciones severas de trabajo, ya sea que esto resulte de altas presiones o de temperaturas elevadas o menores de cero, ya sea también para condiciones de carga que sean sustancialmente constantes o que fluctúen entre límites amplios. Las bridas de cuello soldable se recomiendan para el manejo de fluidos explosivos, inflamables o costosos, donde una falla puede ser acompañada de desastrosas consecuencias



Bridas deslizables (Slip-on) Estas bridas se prefieren sobre las de cuello soldable, debido a su costo bajo, menor precisión requerida al cortar los tubos, mayor facilidad de alineamiento en el ensamble ya que su costo de instalación final es menor que las bridas de cuello soldable. Su resistencia calculada bajo presión interna, es del orden de 2/3 de las anteriores y su vida bajo condiciones de fatiga es aproximadamente 1/3 de las últimas. Por estas razones, las bridas deslizables en presiones de 1,5000 libras/pulgada2 y no existen en presiones de 2,500 libras / pulgada2.



Bridas roscadas Generalmente se instala en tuberías de diámetros de hasta 2”, usadas como toma muestras de producto del tanque, asi como purgas de líneas, su ensamble no es costoso, pero al momento de colocarlo, se le debe de realizar rosca a la tubería para poder ensamblar la pieza, correctamente.

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Bridas de enchufe soldable (socket Welding) Cuando se manejan fluidos tóxicos, altamente explosivos, muy corrosivos o aquellos que al existir fugas provocarían gran riesgo, debemos usar bridas de este tipo. También es recomendable usarlas en tuberías que trabajan a muy altas presiones. Estas bridas también se les conocen como cajas soldables debido a que la soldadura se realiza como si estuviera en una caja. 

Bridas ciegas (blind) Se usan para cerrar los extremos de boquillas, tuberías y válvulas. Desde el Punto de vista de presión interna y fuerzas ejercidas sobre los pernos, estas bridas, principalmente en tamaños grandes, son las que están sujetas a esfuerzos Mayores. Al instalar las bridas ciegas debe tomarse en consideración la temperatura y el golpe de ariete, si existiera. 

Fig. 2.5 Tipos de bridas comerciales. A) Brida Deslizable, b) Brida Roscable, c) Brida de Cuello Soldable, d) Brida Ciega

49


2.6 Entradas Hombre Vertical y Horizontal del tanque de almacenamiento Los tanques de almacenamientos verticales, deben de contar, por lo menos con una entrada hombre en el cuerpo o en el techo, Esta entrada como su nombre lo indica es diseñada para que un trabajador ingrese al tanque cilíndrico, con la finalidad de poder realizar limpieza, revisiones o reparaciones en el interior del tanque, etc. Existen diferentes medidas de la entradas desde 508 milímetros, 610mm etc., aunque en esta tesis solo se mencionara la entrada de 610mm )24” de diámetro(. Las entradas hombre contarán con una placa de refuerzo según lo muestra la figura 2.6, la cual tendrá dos barrenos de 6.3 mm. de diámetro con cuerda NPT para prueba hidroneumática, quedando éstos sobre las líneas de centro verticales u horizontales y abiertos a la atmósfera. Las entradas hombres serán fabricadas de acuerdo a las figuras 2.6 y tabla 2.6 o en su defecto a la tabla 2.4

Fig. 2.6 Entrada hombre del cuerpo y cúpula del tanque

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Tabla 2.7 Entrada hombre en el cuerpo y techo a m e i x u á q m n a t a r l u e t l d A

6400 8230 9754 12192 1316 16459 19812 22860

a c ) n i t 2 ó á i t m s s / c e r o g r k P d ( i h

0.64 0.82 0.97 1.21 1.37 1.64 1.98 2.28

Espesor mínimo de la tapa plana

Espesor mínimo del cuello y brinda del registro

o r 8 t s 0 5 i g e e d R



o r 4 t s 9 i g e e d R





7.93 9.52 9.52 11.11 12.7 12.7 14.28 15.87

9.52 11.11 11.11 12.7 14.28 14.28 15.87 17.46

11.11 12.7 14.28 15.87 15.87 17.46 19.05 20.63

12.7 14.28 15.87 17.46 19.05 20.63 22.22 23.81

6.35 6.35 6.35 7.93 9.52 9.52 11.11 12.7

6.35 7.93 7.93 9.52 11.11 11.11 12.7 14.28

7.93 9.52 11.11 12.7 12.7 14.28 15.87 17.46

9.52 11.11 12.7 14.28 15.87 17.46 19.05 20.63

La tabla 2.7 y figura 2.6 especifica claramente los espesores mínimos que deben de tener las placas que se utilizan para fabricar cada una de sus partes que componen la entrada hombre. Cuando se realiza la entrada hombre sobre el techo o la envolvente del tanque, el procedimiento de instalación es el mismo procedimiento al de las boquillas, aunque esta es una boquilla, pero de gran tamaño para que entre una persona, esta área también requiere una placa de refuerzo para absorber las presiones que impactaran en el área extraída, así que también, se deberá colocar una placa con las características que muestra la tabla 2.8. Esta tabla cubre las entradas de la cúpula y la del cuerpo, solo varían los espesores de las placas para fabricarlo así como la cantidad de espárragos (tabla 2.8) que se instalan en la brida y puerta de la entrada. La forma que la placa tendrá. Ya sea circular o tipo diamante. Estas especificaciones de acuerdo a la figura 2.6 ya que allí se encuentra la nomenclatura de las medidas para poder fabricarla.

51


Tabla 2.8 Detalle de la placa de refuerzo

placa de refuerzo

Espesor mínimo del cuello del registro y placa de refuerzo. (T yt)

radio aproxima do (r)

4.76 6.35 7.93 9.52 11.11 12.7 14.28 15.87 17.46 19.05 20.63 22.22 23.81 25.4 26.98 28.57 30.16 31.75 33.33 34.92 36.51 38. 1

4.76 6.35 7.93 9.52 11.11 12.7 14.28 15.87 17.46 19.05 19.05 22.22 22.22 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4 25.4

Longitud diámetro (l=Do)

Ancho w

1372 1372 1365 1359 1359 1352 1346 1340 1333 133 1327 1327 1327 1340 1340 1346 1346 1352 1352 1359 1359 1365

1651 1644 1638 1625 1625 1613 1600 1594 1581 1581 1314 1568 1568 1581 1581 1587 1587 1593 1593 1600 1600 1606

diámetro interior de armado del registro diámetro diámetro constante constante del del anillo anillo macho hembra (IDP) ( IDR ) 676 610 667 610 670 610 667 610 663 610 660 610 657 610 654 610 574 610 648 610 644 610 641 610 638 610 635 610 632 610 629 610 625 610 616 610 619 610 619 610 613 610 610 610

espesor mínimo del cuello ensamblado 4.76 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 7.93 11.11 11.11 11.11 12.7 14.28 14.28 15.87 15.87 17.46 19.05

Tabla 2.9 Detalle de Espárragos y placa de refuerzo

Diámetro Diámetro interior del nominal cuello ID

Diámetro Diámetro exterior circulo Numero de la de de tapa barrenos tornillos plana (Db)

Diámetro del empaque

Diámetro Diámetro del exterior agujero de la en el placa de Interior Exterior techo y refuerzo placa de ( DR) refuerzo

610

610

762

698

20

610

762

625

1168

508

508

660

597

16

508

660

524

1067

52


NOTA: La tabla 2.9 especifica la cantidad de espárragos, que necesita, la entrada hombre de la cúpula y está de relacionado de acuerdo al diámetro de la abertura que tiene la entrada al tanque. La cantidad de espárragos vienen señalados en la figura 2.6. para el caso de la entrada a la envolvente.

2.7 Puerta de Limpieza del tanque de almacenamiento La puerta de limpieza es aquella parte del tanque de almacenamiento que permite ingresar al interior del tanque de almacenamiento para poder extraer y desazolvar los residuos peligrosos que se acumulan. La puerta de limpieza se encuentra conecta con un drenaje y una válvula separadora de fase que permiten tener, de forma continua limpieza del fondo y drenajes en el tanque de almacenamiento. Al fabricar una puerta de limpieza, debe cumplir, las especificaciones que la norma API 650 determina. Dicha norma establece una serie de restricciones y atraves de una tabla específica los espesores mínimos que se utilizan y así poder diseñar una puerta de limpieza segura y económica. Esa tabla se muestra a continuación. Tabla 2.10 espesores de la puerta de limpieza según la API 650

Espesor mínimo del cuello y brinda del Altura Espesor mínimo de la tapa plana registro máxima del Registro Registro Registro Registro Registro Registro Registro Registro tanque de 508 de 610 de 762 de 94 de 508 de 610 de 762 de 914 6400

7.93

9.52

11.11

12.7

6.35

6.35

7.93

9.52

8230

9.52

11.11

12.7

14.28

6.35

7.93

9.52

11.11

9754

9.52

11.11

14.28

15.87

6.35

7.93

11.11

12.7

12192

11.11

12.7

15.87

17.46

7.93

9.52

12.7

14.28

1316

12.7

14.28

15.87

19.05

9.52

11.11

12.7

15.87

16459

12.7

14.28

17.46

20.63

9.52

11.11

14.28

17.46

19812

14.28

15.87

19.05

22.22

11.11

12.7

15.87

19.05

22860

15.87

17.46

20.63

23.81

12.7

14.28

17.46

20.63

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La puerta de limpieza que se ocupa para un tanque de 20 000 bls, según la tabla 2.2, es aquella puerta que tenga medidas de 24” largo x 24” de ancho, por lo tanto se busca con esta medida en la tabla 2.10 y 2,11 donde especifica las dimensiones que marcan con respecto a la figura 2.7.

Fig. 2.7 representación de la medidas de la puerta de limpieza

Esta figura donde se idealiza perfectamente la puerta de limpieza donde se especifican la nomenclatura de los datos importantes que se encuentran en las tablas 2.11 para su construcción. En La tabla 2.11 las dimensiones de las partes que la puerta deberá tener en ellas se especifica dimensiones como el tamaño de la puerta de limpieza que se requiera en el tanque de almacenamiento y el ancho que debe de tener esta, así como específica, el tamaño que la placa de refuerzo tendrá y la cantidad de espárragos, que la brida en la puerta se necesita para soportar las presión internas del fluido.

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Tabla 2.11 especificaciones de las dimensiones de la brida y placa de refuerzo

Altura de la puerta ( h )

Tamaños estándar de puerta de limpieza para tanque de almacenamiento 200 (S) 600(24) 900(36) 1200(48)

Ancho de la puerta( b)

400(16)

600(24)

1200(48)

1200(48)

Longitud de la placa de refuerzo (w)

1170(46)

1830(72)

2700(106)

3200(125)

Radio de esquina ( r1 )

100(4)

300(12)

450(18)

600(24)

360(14)

740(12)

1040(41)

1310(1/2)

32(1/4)

40(1/2)

40(1/2)

40(1/2)

100(4)

100(4)

115(1/2)

115(1/2)

Ancho de la brida F2

90(1/2)

95(3/4)/

120(3/4)

125(5)

Espacio entre agujero

80(1/4)

95(3/4)

120(3/4)

125(1/2)

Números de agujeros

22

36

46

52

Diámetro de los espárragos

20(3/4)

20(3/4)

24(1)

24(1)

Características

Radio de la esquina de la placa de ref.(r2) distancia de los agujeros Ancho de la brida excepto el fondo

2.8 Drenaje del tanque de almacenamiento El colector o drenaje, es el encargado de limpiar los residuos de mayor densidad generados por el producto que contiene el tanque. El colector generalmente está constituido por una tubería de acero al carbón y por una boquilla que esta acoplado con un instrumento de control que contiene una válvula separadora de fase liquida y una bomba que ayudan a desazolvar los lodos en el interior del tanque, este registro en la norma API 650 desglosa el material mínimo que debe de contener cuando se fabrique. El material está sustentado con cálculos los cuales se omiten en este trabajo, por los datos que se requieren, pero la API 650 estandariza distintos diámetros de drenajes en el fondo, y esta estandarización depende mucho de la capacidad del tanque a diseñar.

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El drenaje de un tanque de almacenamiento se encuentra entre la cimentación y la placa del fondo, por lo general cuando se instala el depósito en el fondo se debe tener una buena compactación y evitar que el producto busque salidas de fuga y contamine el suelo donde se desplanta. Según la API 650 especifica en la tabla 2.12 los diámetro de la tubería de succión tendrá, de acuerdo a la capacidad que el tanque y las dimensiones de las placas que conforman al colector, por ejemplo: un tanque de 20 000 Bls, requiere dos sistemas de drenaje con una boquilla de 4 ” de diámetro conectadas a un instrumento capaz de desazolvar lodos peligrosos, tubería cedula 80 interna en el tanque y placa de acero al carbón con espesores iguales a la placa del fondo.

FIG.2.8 representación de la nomenclatura del drenaje para tanques cilíndricos

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Tabla 2.12 medidas estandarizadas para fabricación de drenajes

Diametro nominal del tubo

Diametro del sumidero A

Profundidad del sumidero B

152 102 76 51

1524 1219 914 610

914 610 457 305

Distancia del centro del tubo de la pared del tanque (mm) C 2590 2057 1524 1067

Espesor de las placas del sumidero t 11.11 9.52 9.52 7.93

Espesor mínimo del tubo

Espesor mínimo de la boquilla

6.35 6.35 6.35 5.54

10.97 8.56 7.62 5.54

2.9. Escaleras y Plataformas del tanque de almacenamiento Las escaleras y plataformas son partes de los accesorios en un tanque de almacenamiento estas sirven para poder llegar a la cúpula, donde existen entradas y boquillas que verifican el comportamiento del fluido almacenado. Las escaleras, generalmente son helicoidales, fabricadas de ángulos, soleras y parillas tipo Irving. Con una altura y longitud dependiendo la altura del tanque, Estas brindan protección y seguridad al personal que sea el encargado de realizar inspecciones y reparaciones en el techo del tanque. Las plataformas son otro medio que proporciona seguridad al personal para apoyarse y darle un mantenimiento a una boquilla que se encuentre en el cuerpo del tanque, por ejemplo generalmente las plataformas se encuentran sobre las cámaras de espumas, estas deben de estar con una inspección constante ya que si llegara a suceder alguna catástrofe o incendio, estas puedan disipar dicho problema llenando de espuma todo el tanque. Debido a que estas partes del tanque son importantes la API 650 establece requerimientos para escaleras y plataformas que se pretendan construir. 1.- Todas las partes de la escalera serán metálicas. 2.- El ancho mínimo de las escaleras será de 610mm. (24 pulg.). 3.- El ángulo máximo entre las escaleras y una línea horizontal será de 50º. 4.- El ancho mínimo de los peldaños será de 203mm. (8 pulg.). La elevación será uniforme a todo lo largo de la escalera. 5.- Los peldaños deberán estar hechos de rejilla o material antiderrapante.

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6.- La superior de la reja deberá estar unida al pasamano de la plataforma sin margen y la altura, medida verticalmente desde el nivel del peldaño hasta el borde del mismo de 762 a 864mm. (30 pulg. a 34 pulg.). 7.- La distancia máxima entre los postes de la rejilla medidos a lo largo de la elevación de 2,438mm. (96 pulg.). 8.- La estructura completa será capaz de soportar una carga viva concentrada de 453 Kg. (1,000 lb), y la estructura del pasamano deberá ser capaz de soportar una carga de 90Kg. (200 lb), aplicada en cualquier Dirección y punto del barandal. 9.- Los pasamanos deberán estar colocados en ambos lados de las escaleras rectas; éstos serán colocados también en ambos lados de las escaleras circulares cuando el claro entre cuerpo-tanque y los largueros de la escalera excedan 203mm. (8 pulg.). 10.- Las escaleras circunferenciales estarán completamente soportadas en el cuerpo del tanque y los finales de los largueros apoyados en el piso. 11.- La distancia máxima entre los postes del barandal deberá ser de 1168mm. (46 pulg.). Para la plataforma.

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CAPITULO III ESTUDIO DEL FLUIDO A ALMACENAR

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3.1Tipos de fluidos Generalmente en la industria petrolera existen diferentes tipos de fluidos, que son procesados y almacenados para posteriormente comercializarlos, dentro de estos fluidos, los más comunes en clasificarlos son los líquidos y gases. 

líquidos y gases

Un fluido es líquido cuando este se almacena en un recipiente, y adopta la forma de éste, cubriendo el fondo y las paredes lateral, la superficie, en contacto con la atmósfera, mantiene un nivel uniforme y cuando el contenedor se inclina, el líquido tiende a derramarse. Un fluido es gas si en un recipiente cerrado, tiende a expandirse y llenarlo por completo. Si el recipiente se abriera, el gas tendería a expandirse aún más y a escapar de él. Estas definiciones nos llevan a entender con mucha claridad el tipo de depósito que se ocupara para la nafta que se extraen en la refinería Gral. Lázaro Cárdenas , por ejemplo: para un gas solo se podrá contener en un tanque esférico y horizontal debido a su forma y distribución de la presión que actuaran sobre él, y un fluido liquido se almacenara en un tanque vertical, con cúpula, ya sea fija, flotante etc. Dependiendo del estudio químico que se haya obtenido se diseñara u optara el tipo de techo. Por lo tanto se deduce que el depósito a utilizar para almacenar la nafta será el tanque cilíndrico vertical.

3.2 Propiedades químicas y físicas de los fluidos Las propiedades de los fluidos, son aquellas que definen y proporciona las características importantes, del fluido en estudio, estas propiedades en el diseño de un tanque de almacenamiento son muy importantes ya que debido a ellas proporcionan el dimensionamiento y la resistencia que debe tener las partes que integraran al tanque de almacenamiento.

60


Las propiedades que se mencionaran a continuación definen las posibles reacciones que el fluido pueda presentar debido a los cambios constantes de presiones o temperaturas, así como los daños que le pudieran ocurrir al tanque de almacenamiento si no se lleva un estudio muy cuidadoso. 

Densidad del fluido

En un estudio químico del fluido, es importante la densidad o masa específica ya que permite calcular el peso propio del elemento de volumen que se considera almacenar, Para un elemento dV ubicado en algún punto del fluido y que contenga una masa dM. La densidad  en ese punto se define mediante la ecuación y se define de la siguiente forma: Densidad: es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. (Mott, Robert, 2006)  = dM / dV

Donde V es el volumen de la sustancia que tiene masa m. las unidades de la densidad son kilogramos por metro cúbico. 

Peso específico

Otra propiedad del fluido muy importante, para el cálculo del tanque de almacenamiento es el peso específico y esta se define de la siguiente forma: Peso específico: es la cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia. Si se denota el peso específico con la letra griega  )gamma(, entonces,  = W / V

Con estas dos propiedades mencionadas se obtiene la fórmula para calcular el peso específico de la sustancia que contendrá el tanque atmosférico.  = * g

Donde  es la densidad de una sustancia que tiene peso w. las unidades del peso específico son los newton sobre metro cúbico (N/m3) en el SI, (Mott, Robert, 2006)

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Conviene, con frecuencia, indicar el peso específico o la densidad de un fluido común. Tomando como referencia el agua a 4°C. Ya que tiene mayor densidad precisamente a esa temperatura. Relativamente a 1000 kg/cm²,



Viscosidad

Al hablar de la viscosidad de un fluido nos referimos a la facilidad que tiene, para fluir, sobre el medio en que se encuentra, Esta propiedad es muy importante ya que se conoce la facilidad de movimiento que el fluido en estudio tendrá para pasar por un sistema de tubería cerca del tanque atmosférico. 

Grado de corrosión:

La corrosión se considera como un desgaste no deseado, originado por la reacción química entre el fluido contenido en el tanque de almacenamiento y el material de construcción del tanque, este grado de corrosión se deberá tener en cuenta porque será el desgaste máximo que deberá tener las placas que constituyen el tanque de almacenamiento, para evitar consecuencias graves cuando se encuentre operando el tanque de almacenamiento. 

Explosividad

La explosividad es la propiedad del fluido que define si este, puede liberar energía con el mínimo esfuerzo provocado ya sea accidentalmente, esta propiedad nos define qué tipo de techo se utiliza para almacenar el fluido en el interior del tanque de almacenamiento, ya que si el fluido a almacenar es volátil, se requiere un techo flotante para disipar la energía liberada por la adición o extracción de fluido, pero si este no es explosivo el techo fijo es el idóneo para su construcción. Existen otras propiedades que generalmente son incluidas en un estudio químico ya que definen el comportamiento del líquido de una forma más clara que tendrá en el trascurso de la vida del tanque de almacenado.

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3.3 Comportamiento de los fluidos Cualquier tipo de fluido presenta diversos comportamientos que en ocasiones si no son tomas en cuenta pueden presentar fallas estructurales considerables sobre el tanque de almacenamiento y esto pondrían en un posible colapso a dicho recipiente. La mecánica de fluido es la encargada de estudiar el comportamiento de los fluidos, ya sea que se encuentren en movimiento también conocido como: dinámicas de fluidos o hidrodinámica, o que se encuentren en reposo, con una velocidad relativamente baja, conocidos como estática de fluidos o hidrostática. 

Hidrodinámica

La hidrodinámica estudia el comportamiento de los fluidos líquidos en movimiento. Normalmente el movimiento de los líquidos es debido a su propio peso, siguiendo las leyes de la dinámica de newton, Esta rama de la hidráulica se caracteriza más por el estudio de la velocidad de deformación de los fluidos, como la viscosidad, así como los esfuerzos tangenciales que existen en el trascurso de su desplazamiento. Por lo tanto estudia la relación que existe entre la fuerza aplicada al fluido, y la velocidad con que se produce la deformación propia cuando este de desplaza de un lugar a otro. Generalmente se encarga de estudiar al fluido dentro de un sistema de transporte, ya sea un sistema de agua potable o una red de contraincendios. Pero en este trabajo no se meterá de forma profunda con el tema debido a que el fluido en estudio se encontrara, en equilibrio, porque el tanque de almacenamiento se encontrara como medio de partida del fluido para trasladarse a otro recipiente donde se encontrara en movimiento para poder producir el octanaje idóneo de combustible 

Hidrostática

El término hidrostática se refiere al estudio de los fluidos en reposo. Los fluidos son substancias, idealizadas como un medio continúo de masa, donde su forma puede cambiar fácilmente por escurrimiento debido a la acción de fuerzas pequeñas, que pueden actuar sobre una porción de fluido.

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Se consideran dos tipos de fuerzas que impactan sobre el fluido: las causadas por agentes exteriores, típicamente el peso de él y las causadas por el fluido que está en su exterior mediante contacto. Es conveniente distinguir la parte de esa última fuerza que actúa normal a la superficie, llamadas fuerzas debidas a la presión. Estas fuerzas son importantes ya que dentro del estudio que se realiza al fluido en reposo, es la parte de mayor importancia para el diseño del tanque de almacenamiento, ya que este define el correcto dimensionamiento del tanque, y proporcionara el espesor adecuado que debe tener las placas con las cuales se formar el envolvente del recipiente. Por lo tanto su estudio se requiere que sea muy cuidadoso y muy preciso.

3.4 Presión hidrostática Si una superficie se coloca en contacto con un fluido en equilibrio, el fluido, gas o líquido, ejerce fuerzas normales sobre la superficie y fuerzas normales distribuidas en forma continua, como se indica en la figura.

Fig 3.1. Representación de las presiones sobre una superficie

La presión se define como: la cantidad de fuerza que se ejerce sobre una unidad de área de una sustancia, sobre una superficie, plana o curvas. Esta definición se comprende mejor con la siguiente ecuación. P=F/A

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De donde: P= presión que hay en el recipiente (Kg /cm 2) F= fuerza que ejerce el fluido uno sobre el otro (kg) A= área de la superficie en contacto (cm 2) El fluido ejerce una fuerza que actúa en forma perpendicular a la superficie de interés, en este caso al cuerpo del tanque, según la definición fundamental de presión. En la figura la presión se encuentra actuando sobre algún punto de ella, como la fuerza por unidad de área que actúa sobre la superficie. Esta puede ser variable o constante de punto en punto de la superficie. Debido a que la presión en un fluido en equilibrio aumenta con la profundidad, de modo que las presiones serán uniformes sólo en superficies planas horizontales. Por lo tanto el concepto de presión hidrostática, se considera que el agua que está en el fondo del tanque de almacenamiento, está soportando sobre si el peso de la que tiene encima y las presiones de estas se encuentran sobre la envolvente del tanque

Fig. 3.2. Representación de la superficie de estudio en el fondo de un tanque

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Supongamos, una zona horizontal situada en cualquier punto del interior del tanque con agua, la superficie de esta zona es “S”. La profundidad a que se halla se llama h. el volumen de agua que está soportando en esta zona valdrá: V= S * h Por lo tanto recordando que el peso específico de cualquier fluido es la relación que existe entre el peso del mismo y el volumen que ocupa. =W/V

Entonces el peso (W) que tiene este prisma será: Peso del fluido = (peso específico)*(volumen) Sustituyendo nos queda la siguiente ecuación. Peso del fluido = () * (S*h) Por último la presión en cualquier punto se calcula con la fórmula: P= F/ A Área de la sección = S Sustituyendo la ecuación encontramos la presión que debe de existir en cualquier punto dentro del tanque de almacenamiento. P = (* S*h) / (S) Eliminando términos nos queda: P=*h En esta fórmula nos damos cuenta de que la presión es independiente del área considerada, pero es dependiente de la profundidad h vertical, sin importar donde se encuentre la superficie libre, el fondo o la forma del recipiente donde se deposita el fluido. Pero si se ejerce una fuerza en un punto determinado horizontalmente estamos hablando del principio de pascal que dice: se ejerce una presión cualquiera sobre la superficie de un líquido en equilibrio esta presión se transmite en todos los puntos, es decir en las moléculas de la que se conforma.”, (Mott, Robert ,2006). “Si

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En el diseño del cuerpo del tanque estos principios, son tomado en cuenta ya que debido a las presiones que se ejercen en el interior de este, se va colocando diferentes espesores de placas, en todo la altura del tanque, empezando con un espesor grande en el fondo del envolvente y terminando con un espesor relativamente pequeño, donde la presión es muy baja con respecto a la presión del fondo del envolvente.

3.5 Descripción del fluido a almacenar En el presente trabajo el fluido a almacenar en el interior del tanque de almacenamiento es un producto denominado nafta. Normalmente se considera nafta a la fracción del petróleo cuyo punto de ebullición se encuentra aproximadamente entre 28 y 177 ºC. Este producto se subdivide en nafta ligera y nafta pesada. La nafta ligera es uno de los componentes de la gasolina, con unos números de octano en torno a 70. La nafta pesada no tiene la calidad suficiente como para ser utilizada para ese fin, y su destino es la transformación mediante reformado catalítica (proceso químico por el cual se obtiene hidrógeno, a la vez que se aumenta el octanaje de la gasolina). (Wikipedia.Com.mx. 19 de noviembre 2011). La nafta se considerar que es el resultado del antepenúltimo proceso de obtención de la gasolina después de ser refinada, pero, sin tener el octanaje necesario para poder utilizarla como combustible y distribuirla por toda la región. Dentro de sus características más importantes que se utilizan para el diseño del tanque atmosférico podemos conocer el peso específico, la densidad relativa, el punto de evaporación, ebullición, condensación así como la corrosión permisible que tiene sobre los materiales al estar en contacto en el interior del depósito. Y la explosividad que presenta debido a los cambios de temperatura.

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Datos obtenidos del estudio químico del producto La nafta fue sometido a un análisis químico teniendo propiedades químicas como densidad relativa de 0.8, con un grado de corrosión permisible de 1/16”, y se obtuvo un a explosividad relativamente baja teniendo como resultado que el tanque tendrá un techo fijo, y descartando un techo flotante, porque el techo fijo soportara las presiones que se origine debido al producto. Estos datos generalmente son los más utilizados para el diseño de los tanque de almacenamiento y en el capítulo 5 se observara atraves del ejemplo su utilización.

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CAPITULO IV CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO

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4.1 Estimación de cargas Quizá la tarea más importante y difícil que debe enfrentar un diseñador de estructuras es la estimación de las cargas que recibirá cualquier estructura durante su vida útil. Dentro de las posibles cargas que se pueden presentar en una estructura como un tanque de almacenamiento se puede clasificar en dos tipos: cargas vivas y en cargas muertas. Cargas muertas Las cargas muertas son cargas de magnitud constante que permanecen fijas en un mismo lugar. Estas son el peso propio de la estructura y otras cargas permanentemente unidas a ellas. Para diseñar una estructura es necesario estimar los pesos o cargas muertas de sus componentes .estas no se conocen hasta que se hace análisis estructural y se seleccionan los miembros de la estructura. Cargas vivas Las cargas vivas que se presentan en el tanque son aquellas que pueden cambiar de lugar y magnitud. Dicho simplemente, todas las cargas que no son muertas, son vivas. Las cargas que se mueven bajo su propio impulso como por ejemplo: los trabajadores que realizarán inspecciones al tanque, instrumentos instalados en el techo, cargas causadas al construir, cargas de viento, lluvia, sismo, suelos, cambios de temperatura y la carga del líquido que contendrá el tanque, se consideran cargas vivas y se deben de considerar y estudiar cuidadosamente porque pueden ocasionar severos problemas en la operación del tanque.

4.2 Diseño del fondo del tanque de almacenamiento El fondo de un tanque de almacenamiento cilíndrico vertical de cúpula fija es generalmente fabricado de placas de acero al carbón con espesor menor que el usado en la envolvente o cuerpo del mismo. Según la norma API 650 establece que el espesor de placa usada para el fondo, sea de ¼” y que deberán estar constituidas por placas, traslapadas, esto para evitar las deformaciones que se pueda presentarse en la cimentación. 70


La norma especifica que si el tanque lleva placas anulares en todo el perímetro sea de un espesor de 3/8” como mínimo, estos espesores de placas son posibles definirlos para el fondo, porque se encuentra soportado por una base de concreto, arena o asfalto, los cuales soportarán el peso de la columna del producto; y la función del fondo es lograr la hermeticidad para que el producto no se filtre por la base y cause problemas para el tanque. El fondo de un tanque de almacenamiento está constituido de placas con longitudes y anchos comerciales las cuales tiene un ancho aproximadamente de 1829 mm o 2438 mm (6 o 8 pies) y un largo de 6096 mm o 9144 (20 pies o 30 pies), esto con la finalidad de hacer la distribución de placas como lo indica la figura 4.1 de una forma sencilla y económica. Por lo tanto cuando se distribuyen las placas por toda el área del tanque, generalmente se utilizan los siguientes procedimientos: 1.- área del fondo del tanque. Afondo = ( x D 2) /4 De donde: D = Diámetro del tanque. Afondo = Área del fondo. 2.- Área de las placas comerciales por la cual se hay adoptado. Aplacas = b x h De donde: b = ancho de la placa comercial h = altura de la placa comercial Por lo tanto la cantidad requerida de placas solo es calculada usando una pequeña división de los resultados que nos hayan dado en las ecuaciones anteriores. Con estas fórmulas se obtienen las cantidades de placas que conforman el tanque de almacenamiento.

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Nplacas = Afondo / Aplacas B

B B

B

B

B

B

B

B

B

B

B R18296

B

B

B

B

B

B

B

B B

B

Fig.4.1 Representación de la distribución de placas del fondo

Después de haber obtenido las placas necesarias con el espesor marcado por La API 650, se distribuyen por toda el área a partir del centro del tanque, colocando primeramente las placas enteras que se hayan seleccionado y dejar las pequeñas partes del fondo a lo último y así hasta formar el rompecabezas y satisfacer el área requerida por el tanque. Dicha distribución de las placas tiene la finalidad de reducir el espacio de cada placa, y obtener un fondo simétrico respetando sus traslapes de unión y evitando que las juntas de las placas se encuentren sobre la misma dirección.

4.3 Diseño del cuerpo del tanque de almacenamiento El cuerpo un tanque de almacenamiento es el más importante de todos los elementos que conforma el recipiente, ya que es el responsable de soportar las concentraciones de presiones hidrostáticas que se tengan en el interior. Por lo tanto El espesor de la placa del cuerpo deberá ser lo suficientemente resistente para poder almacenar un producto con una seguridad confiable. El espesor del cuerpo se calcula con base al nivel del líquido, tomando la densidad relativa del fluido, la resistencia y propiedad química del acero a utilizar. 72


Para calcular correctamente el cuerpo de un tanque de almacenamiento Existen tres métodos de cálculo, los cuales están sustentados en el API 650 y son los siguientes: 1.- Método por cálculo del espesor del cuerpo por el método de punto de diseño variable. 2.- Cálculo de espesores del cuerpo por el método de un pie. 3.- Método de análisis elástico El primer método se utiliza cuando el tanque tiene un diámetro mayor aprox. de 60,960 milímetros (200 pies), y el cálculo de partida lo realiza basándose en el método de diseño por pie, pero para poder realizar este método debe de cumplir la siguiente relación: 1βL / H ≤ 2 L = (0.05 D t) 0.5 (cm.). D = Diámetro nominal del tanque (cm.). t = Espesor del anillo inferior (mm.). H = Nivel de diseño del líquido (cm.). Si este método no cumple con las relaciones que marca se procederá a utilizar el método de análisis elástico donde la relación de la altura del tanque con respecto al diámetro (L/H) es mayor que 2, en estos dos métodos de diseños están descritos de una forma más clara en la norma API 650, en la presente tesis no se describe con profundidad ya que el método de diseño que se utilizara en el transcurso del trabajo será el de diseño de espesores por un pie. Si el lector está interesado en estos temas tendrá que ver la norma API 650, en la página 65 de los temas 3.6.4.

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4.3.1 Método de diseño por un pie El método de diseño de un pie, calcula el espesor requerido de la pared del tanque, por condiciones de diseño y de prueba hidrostática, considerando 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 igual o menor a 60,960mm. (200pies). Y las fórmulas que se ocupan son las siguientes.

td = ((0.0005 D (H - 30.48) G) / Sd) + C.A tt = (0.0005 D (H - 30.48) / Sd) + C Donde: td = Espesores por condiciones de diseño (mm.). tt = Espesor por prueba hidrostática (mm.). D = Diámetro nominal del tanque (cm.) H = Altura de diseño del nivel del líquido (cm.). G = Densidad relativa del líquido a almacenar CA = Corrosión permisible (mm). Sd = Esfuerzo permisible por condiciones de diseño (Kg / cm2). Ver tabla 4.1 St = Esfuerzo permisible por condiciones de prueba hidrostática (Kg / cm2). Todos los datos antes mencionados, deberán de ser obtenidos del producto a almacenar ya que atraves de estos podemos especificar la densidad del fluido, la altura y diámetro del tanque. Así como también se debe conocer las especificaciones del material a usar, para el caso del acero se deberá conocer los esfuerzos permisibles, esfuerzos de cedencia, esfuerzos de tensión entre otros. La API 650 específica una tabla donde se muestran las especificaciones de materiales de las placas a utilizar, esta tabla es mostrada a continuación.

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Tabla 4.1 Especificaciones de materiales de aceros al carbón comunes

Especificación

Grado

A-283 A-285 A-131 A-36 A-131 A-442 A-442 A-573 A-573 A-573 A-516 A-516 A-516 A-516 A-662 A-662 A-537 A-537 A-633 A-678 A-678 A-737

C C A,B,C,S EH36 55 60 58 65 70 55 60 65 70 B C 1 2 C,D A B B

Esfuerzo en punto de cedencia 2110 2110 2390 2530 2580 2110 2250 2250 2460 2953 2110 2250 2460 2670 2810 3020 3510 4220 3510 3510 4220 3510

Esfuerzo a la tensión

Esfuerzo de diseño

Esfuerzo de prueba

3870 3870 4080 4080 4990 3870 4220 4080 4570 4920 3870 4220 4570 4920 4570 4920 4920 5620 4920 4920 5620 4920

1410 1410 1600 1630 1200 1410 1500 1500 1640 1970 1410 1500 1640 1780 1830 1970 1970 2250 1970 1970 2250 1970

1580 1580 1750 1750 2140 1580 1630 1690 1850 2110 1580 1690 1850 2000 1960 2110 2110 2410 2110 2110 2410 2110

Una vez que se haya obteniendo los datos necesarios de la placa que se pretende utilizar como material para el cálculo de los espesores del cuerpo se sustituyen en las formulas anteriormente mencionado. y se obtendrá los espesores que son óptimos para soportar las presiones originadas por el fluido. Cabe recalcar que el espesor calculado debe tener como mínimo el espesor que la API 650 menciona en su norma a través de una tabla, que relaciona el diámetro del tanque y el espesor del anillo. Dicha tabla a continuación se presenta.

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Tabla 4.2 Espesores mínimos para un tanque de almacenamiento según la API 650.

Diámetro nominal en metros < 15.24 15.24 < 36.576 36.576 < 60.96 > 60.96

Espesor mínimo en milímetros 4.76 6.35 7.93 9.52

4.4 Diseño y cálculo del techo del tanque de almacenamiento El diseño del techo de un tanque de almacenamiento, es otra parte del tanque que también requiere un estudio cuidadoso ya también depende mucho del producto que se vaya a almacenar, porque atraves de este se conoce si se requiere un techo fijo, flotante o si realmente no lo requiere. Como se había mencionado en el capítulo 2, los tanques de almacenamiento pueden Clasificarse por el tipo de cubierta en: De techos fijos, de techos flotantes y sin techo. En la presente investigación se mencionara solo el cálculo de un techo fijo tipo cónico con un Angulo de inclinación de 5° con respecto a la horizontal, soportado por una columna en el interior del tanque, y sobre esta largueros (canales) por todo el perímetro del tanque. Distribuidos a la misma distancia entre sí.

Diseño de techos cónicos Los techos cónicos soportados se usan generalmente para tanques de diámetro >12 192mm (40 pies), los cuales consisten en un cono formado a partir de placas soldadas a traslape, soportadas por una estructura, compuesta de columnas, trabes y largueros, el uso de una estructura capaz de soportar al techo. Ayuda a que el techo sea lo suficiente fuerte y evitar que este se colapse. Las placas que conforman el techo están 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. Para poder calcular el espesor de la cúpula del tanque de almacenamiento la API 650 especifica una fórmula que determina el espesor idóneo para poder utilizarlo sobre el tanque. y este a continuación se muestra: 76


Tt = (D/ 48000 sen) Donde: Tt = Espesor mínimo requerido (cm.). D = Diámetro medio del tanque (cm.)  = Ángulo con respecto a la horizontal (grados). .

Fig. 4.2 Representación del techo fijo tipo cónico

El espesor calculado será incrementado cuando la suma de las cargas muertas más las cargas vivas excedan 220 Kg /m (45lb / pie), pero si no excede será multiplicado por el factor y el espesor disminuirá. ((Cm + Cv)/ 220)1/2 Donde: Cm = Carga muerta (Kg /m2). Cv = Carga viva (Kg /m 2). (aprox. 122 kg/cm2). El espesor determinado por la expresión anterior, no deberá ser menor de 4.76 mm. (3/16 pulg.), y no mayor de 12.7 mm. (1/2 pulg.). Por lo que la soldadura del techo, con el perfil de coronamiento, se efectuará mediante un filete continuo de 4.76mm. (3/16 pulg.) O dependiendo el espesor de la placa. Posteriormente de obtener el espesor del techo, se distribuyen las placas sobre el área de la cúpula, y esta distribución sigue el mismo procedimiento de distribución que se utilizo en el cálculo del fondo, mediante placas rectangulares, traslapadas entre sí, aunque con una pendiente especificada. Por la forma cónica que se pretenda construir.

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Cuando se coloque las placas del techo estas deberán tener instaladas sobre el tanque de almacenamiento, una estructura capaz de soportar las cargas muertas y vivas originadas por él, esta estructura se encuentra compuesta de largueros, trabes y columnas, que en esta tesis son mencionadas a continuación.

4.5 Diseño de largueros Los largueros son los elementos que cargaran parte del peso de la cúpula estos elementos estructurales se diseñan con cargas uniformemente repartidas y extremos libres como lo indica la siguiente figura.

Fig. 4.3 Representación de las cargas distribuidas uniformemente sobre largueros Consideraremos cualquier punto x, entre los soportes R1 y R2 en una viga con carga uniforme (w). Las fuerzas calculadas en la viga a la izquierda del punto x producen un momento de flexión M, el cual puede evaluarse por la suma de momentos en x. Para una carga uniforme en una viga, simplemente apoyada, las reacciones son iguales (R1= R2). ∑m1= 0 R2L – L (L/2) = 0 R2= L (L/2L) Eliminando (L) nos queda: R2= L /2 Por lo tanto el momento flexionante que generan este tipo de vigas con cargas distribuidas es el siguiente:

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Fig. 4.3 Representación de momentos flexionante de los largueros.

M = (Lx / 2) − (x2 / 2) Sustituyendo X= L/2 M= L2 / 8 Por lo tanto la flexión máxima que la viga tendrá cuando se le apliquen las cargas será calculada con la siguiente ecuación, por el método de la carga unitaria o virtual. ∫ Mm / EI

De donde: M= momento flexionante máximo de la viga. m = momento virtual de la viga (unitario). El momento unitario se calcula suponiendo una carga unitaria sobre la viga con un claro L entre las reacciones supuestas. Resolviendo tenemos R1= 1/2, por lo tanto el momento virtual es el siguiente: m = R1(X) m = (1/2) (X)

Aplicando la formula se obtiene que: 2∫ Mm / EI y = 2 ∫ ((Lx / 2) − (x2 / 2)) (x/2) Resolviendo la ecuación se tiene la flexión máxima que podrá sufrir la estructura: 79


噺

捜創靴ぷ惣掻想櫛掘

Cuando se realiza el cálculo de largueros se considera que cada uno soporta las placas del techo más una carga viva que se extienden sobre sus lados con respecto a la línea de centro del mismo, se considera que cada larguero soporta una área tributaria igual a la longitud del larguero por el promedio de la separación entre dos largueros consecutivos, Una vez determinada la carga que absorberán los diferentes largueros así como sus longitudes, se calculará el momento máximo, para que con este valor se proceda a determinar el módulo de sección óptimo y buscar un perfil en el manual AHMSA ( altos hornos de México, 2008 ) que satisfaga restricciones de seguridad , si este no cumple se recalcular el perfil propuesto pero ahora considerando el peso propio del larguero, haciendo esto repetidamente hasta lograr el equilibrio y poder determinar el módulo de sección que satisfaga las cargas generadas por el techo del tanque. el cálculo del larguero siempre se realiza sobre el más crítico (generalmente el exterior), para que todos los largueros, ya sean exteriores y/o interiores, tengan el mismo peralte y misma longitud. Cuando los tanques cilíndricos tienen, diámetros grandes, el claro del larguero es reducido mediante trabes que se encuentran soportadas en sus extremos por columnas compuestas por perfiles, debido a que las dimensiones de perfiles estructurales generalmente son de longitudes pequeñas, y es así como se forman polígonos regulares que soportaran las cargas. Espacio entre largueros y números de largueros Debido a que los largueros son distribuidos por todo el perímetro del tanque la norma internacional API establece que el espacio máximo entre largueros sea de 2ヾ pies (1,915 mm. ó 75.39 pulg.) en el perímetro exterior del tanque, y en anillos interiores una separación máxima de 5.5 pies (1,676 mm. ó 66 pulg.).

80


El número mínimo de largueros usados entre dos trabes adyacentes o entre la pared del tanque y la trabe, está basado en el perímetro del círculo donde está circunscrito el polígono exterior o del cuerpo, por lo que primero se determina el número de polígonos y, por consecuencia, el diámetro en el que se encuentra el polígono. La norma API especifica una formula con la cual se obtiene el número mínimo de largueros que se ocuparan en el perímetro del tanque, dichos largueros generalmente son múltiplos del número de lados del polígono para mantener un arreglo simétrico: n = N D (sen 360 / 2N) / L DONDE: n = Número de largueros. L = Espacio máximo entre largueros (cm.). N = Número de lados del polígono. D = Diámetro del círculo donde está circunscrito el polígono o diámetro nominal del tanque en (cm.).

4.6 Diseño de trabes Las trabes son diseñadas para absorber las cargas concentradas que producen los largueros del tanque distribuidos en forma simétrica, estos en el cálculo son considerados como cargas uniformes siempre y cuando existan cuatro o más largueros en cada trabe. Esta carga se puede determinar de la siguiente manera: 

= ('ln) / L

DONDE: W = Carga uniformemente repartida sobre la trabe (Kg /m o lb / pie). ’ = Carga máxima sobre un larguero incluyendo 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).

81


Las trabes siguen la misma secuencia de cálculo que los largueros, ya que se obtiene los módulos de sección y se busca un perfil que satisfaga dichas cargas y no genere riesgos alrededor y provoque un colapso estructural.

4.7 Diseño de columna central Una vez que se han calculado y seleccionado los largueros y trabes, se procede al cálculo de las columnas. La columna es el elemento estructural vertical empleado para sostener la cargas que se origine en el techo, este elemento es fundamental en el esquema de estructuración del tanque. La adecuada selección de su tamaño, forma, espaciamiento y composición influyen de manera directa en su capacidad de carga ya que se encuentran bajo los comportamientos de la compresión axial que 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 . obteniendo la siguiente relación (diseño de tanques atmosféricos , la inglesa, 2005.) : Mc / I + P / a = PyC / I + P / a Por definición: I = a r2 donde r = radio de giro Sustituyendo y simplificando los términos: f = P / a (1+ yc / r 2 ) La columna puede ser comparada con una viga simplemente apoyada con carga uniformemente y con un momento máximo que se determina con la siguiente expresión. M= L2 / 8. Por lo tanto la flexión máxima de este tipo de vigas se obtiene con la siguiente expresión: 桂噺

捜創靴ぷ惣掻想櫛掘

82


Estos términos pueden usarse en la expresión siguiente para poder, resolver el producto yc en la ecuación, y poder determinar, las constantes que Gordon, Rankine, filósofo matemático que propuso estas constantes para el cálculo de columnas circulares y columnas rectangulares, así que sustituyendo en la ecuación de la escuadría tenemos: f = Mc / I Despejando c de la ecuación y sustituyendo tenemos: I f / M = c

M= L2 / 8 C= 8 If / L2 

 

Sustituyendo las expresiones nos queda: yc = (8 If / L2)

  (  ) 

5l 2 f / 48E = C 1 L2 P/ a = f / (1+ C 1( L2/ r2) Donde C2 depende del material, la carga y el método de soporte. No se conoce ningún método para calcular teóricamente la constante C1 y esta se determina por experimentación, El investigador Gordon Rankine encontró por experimentación que C1 puede ser de 1/18,000 para columnas circulares y 1/36,000 para columnas cuadradas. Para valores de L / r entre 60 y 200, se recomienda el uso de la siguiente fórmula para columnas de acero. fp = 1265 / (1 + ( l 2 /18000r 2 ))

Esta fórmula determina la carga de compresión axial permisible que debe tener la columna y la cual se podrá comparar y determinar si el área de la columna propuesta es la idónea, este procedimiento de diseño, tiene que respetar todas las restricciones necesarias que continuación se mencionan.

83


a) el área obtenida de la formula de Gordon-Rankine debe ser menor a el área del perfil propuesto, si no lo es se tendrá que buscar otro perfil que cumpla esta restricción. b) Para acero rolado, donde se previene la flexión lateral, el esfuerzo permisible será de 1,406 Kg / cm2. c) Para columnas en su área de sección transversal, cuando L/r < 120 (Según AISC).deberá de tener un esfuerzo máximo de compresión.

Cma = (1 – ((L/r)2 / 2Cc2)) (Cd/Cs) Cuando Cc ≤ L/r < 200 Cma = (5.15E) / (L/r) 2

Cma = Compresión máxima permisible (Kg / cm2). Cd = Esfuerzo de cedencia (Kg / cm2). Cc E L r

= = = =

Relación de esbeltez limite =  . Módulo de sección (Kg / cm2) Longitud sin apoyo de la columna (cm). Menor radio de giro de la columna mínimo (cm.). Cs=

 

   

   

Cs = Coeficiente de seguridad Para miembros principales de compresión L/r no deberá exceder 120, y para otros miembros secundarios L/r no debe exceder 180.

84


4.7.1 Procedimientos de diseño El procedimiento del cálculo de la columna inicia con la relación de esbeltez, que de acuerdo con la API para una columna larga, la relación de esbeltez es de 120, y conociendo la longitud de la columna podremos obtener el radio de giro que cumpla con la relación siguiente: r = l k /120 Por lo tanto se busca un perfil que cumpla con el radio de giro mayor tanto en el eje “x – x” Como en el eje “y – y”, y se obtiene el área de la sección transversal. Posteriormente se Calcula el esfuerzo de compresión permisible para la columna con la formula siguiente respetando las restricciones necesarias aplicadas en el cálculo. f p = 1265 /

(1+ (l

2

/18000 r 2 ))

Teniendo el esfuerzo de compresión permisible y sabiendo que el esfuerzo actuante es P/a, igualamos las ecuaciones obteniendo el área de la sección transversal la cual tendrá que ser menor o igual a la de los perfiles combinados que se seleccionaron con anterioridad. Si esto no se cumple, se tendrá que seleccionar otro perfil que tenga por, lo menos, el área transversal requerida y recalcular la columna con esta nueva relación de esbeltez, hasta que el área de la columna satisfaga la igualdad, cuidando que la relación de esbeltez sea mayor de 40 y menor de 120. Una vez definida la sección transversal de la columna que cumpla con lo Anterior, se calcula el esfuerzo de compresión máximo permisible (Cma) el cual tendrá que ser mayor o igual que el calculado por el procedimiento anterior. Si esto no es logrado, se tomará este esfuerzo Máximo de compresión y se igualará a P/a. Despejando obtendremos el área de la sección transversal, empezando de nuevo la rutina hasta que se haya cumplido el equilibrio.

4.8 Cálculo de perfil de coronamiento para techos soportados El perfil de coronamiento para tanques cilíndricos es aquel formado por perfiles ligeros generalmente de ángulos de lados iguales, que son soldados por todo el perímetro del tanque en el último anillo que conforman la envolvente. 85


El diseño de estos elementos se realiza con la fórmula que la API 650 especifica, pero también la norma establece dimensiones de ángulos de acuerdo al diámetro del tanque. A= (21765 W / 30800 tgø) Donde: W = Peso total del techo (Kg)  = Ángulo del techo con respecto a la horizontal (grados). Para techos soportados, las dimensiones mínimas del perfil de coronamiento serán las siguientes: a).- Para tanques de 10,668mm. (35 pies) o menores de diámetro un ángulo de 50.8 x 50.8 x 4.76mm. (2 x 2 x 3/16 pulg.). b).- Para tanques mayores de 10,668mm. (35 pies) pero menores o iguales a 18,288mm. (60 pies) de diámetro un ángulo de 76 x 76 x 9.52mm. (3 x 3 x 3/8 pulg.).

4.9 Diseño sísmico Los movimientos sísmicos son uno de los peligros al que están expuestas las construcciones. Para tomar en cuenta el peligro sísmico, frecuentemente se recurre al uso de espectros de diseño que dependen, entre otros aspectos, de la cercanía del sitio a las fuentes generadoras de temblores y de las condiciones locales del terreno. Cuando se habla de estos movimientos, dentro del diseño de tanques verticales de almacenamiento, generalmente se estudian debido a que provocan dos tipos de reacciones sobre el tanque, las cuales son:

86


a) Cuando la alta frecuencia relativa provoca un movimiento lateral del terreno sobre el que está situado el tanque, posteriormente la cantidad de líquido que el recipiente contiene, se mueve al unísono con el cuerpo del tanque. b) Cuando la baja frecuencia relativa amplificada provoca un movimiento de la masa del líquido contenido, ocasionando oleaje dentro del tanque. El movimiento lateral de las masas, genera fuerzas que actúan en el centro de gravedad del tanque, ocasionando la inestabilidad del conjunto, que multiplicado por el brazo de palanca respecto del fondo, originan un momento de volcadura, produciendo una compresión longitudinal, provocando la deformación del cuerpo. Y es por eso que en la presente investigación se diseñara para que el tanque pueda resistir este fenómeno. 4.9.1 Momento de volteo sísmico El momento de volteo según la norma internacional API 650 deberá determinarse mediante la siguiente expresión, efectuando los cálculos respecto a la base del tanque. M = ZI (C 1 Ws Xs + C1 Wr Ht +C 1 W1 X1 + C2 W2 X2) Dónde: M = Momento de volteo (Kg − m.). C = Coeficiente sísmico (Ver Figura 5.1, 5.2. y Tabla 5.1.).= Z I = Factor de rigidez = 1 para todos los tanques. C1, C2 = Coeficiente de fuerza lateral sísmica. Ws = Peso total del cuerpo del tanque (Kg.). Xs =Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centro de gravedad de este (m) Wr = Peso total del techo del tanque más una carga viva (Kg.) Ht = Altura total del cuerpo del tanque (m.) W1 = Peso de la masa efectiva contenida en el tanque que se mueve al unísono con el cuerpo del tanque (Kg.) 87


X1 = Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centroide de la fuerza lateral sísmica aplicada a W1 (m.). W2= Peso efectivo de la masa contenida por el tanque que se mueve en el primer oleaje (Kg.). X2= Altura desde el fondo del tanque al centroide de la fuerza sísmica lateral aplicada a W2 (m.). Coeficientes de diseño sísmicos de la República Mexicana Los coeficientes sísmicos de diseños son obtenidos de acuerdo al espectro de diseño que se considere dentro de la republica mexicana e indicando el tipo de importancia estructural de la construcción como lo menciona la tabla 5.1. Cabe mencionar que la construcción de un espectro de diseño como lo indica el manual de la comisión federal de electricidad 2008, se inicia con determinar el peligro sísmico que estará expuesta la estructura, dicho peligro sísmico es la aceleración máxima del terreno, y los factores con que se toman en cuenta en las condiciones del terreno. Posteriormente se determinan los factores de corrección y se calculan los coeficientes de diseño para toda la republica mexica de acuerdo al tipo de estructura que se pretenda construir. El manual de la comisión federal de electricidad presenta una figura donde se representa las aceleraciones máximas del terreno en toda la republica mexicana, con un periodo de retorno aproximadamente 6, 500 y 30 000 años. Y de la misma forma establece unos coeficientes de diseños para estructuras tipo A como lo especifican las figuras 4.5 y 4.6

88


Fig. 4.5 Aceleraciones máximas del terreno (g) producidas por la acción de Sismos máximos periodo de retorno 6 500 años

Fig. 4.6 Coeficientes de diseño óptimos para estructuras del grupo A 89


Tabla 4.3 Grupos de estructuras según su destino.

GRUPO

DESCRIPCION Las estructuras de “gran importancia”, o del Grupo A+, son estructuras en que se

A+

requiere un grado de seguridad extrema. Su falla es inadmisible porque, si se presenta, conduciría a la pérdida de miles de vidas humanas, a un grave daño ecológico, económico o social, o bien, impediría el desarrollo nacional o cambiaría el rumbo del país. Son estructuras de importancia extrema, como las grandes presas y las plantas nucleares. Estructuras en que se requiere un grado de seguridad alto. Construcciones cuya falla estructural causaría la pérdida de un número elevado de vidas o pérdidas económicas o culturales de magnitud intensa o excepcionalmente alta, o que constituyan un peligro significativo por contener sustancias tóxicas o inflamables, así como construcciones cuyo funcionamiento sea esencial a raíz de un sismo. Tal es el

A

caso de puentes principales, sistemas de abastecimiento de agua potable, subestaciones eléctricas, centrales telefónicas, estaciones de bomberos, archivos y registros públicos, monumentos, museos, hospitales, escuelas, estadios, templos, terminales de trasporte, salas de espectáculos y hoteles que tengan áreas de reunión que pueden alojar un número elevado de personas, gasolineras, depósitos de sustancias inflamables o tóxicas y locales que alojen equipo especialmente costoso. Se incluyen también todas aquellas estructuras de plantas de generación de energía eléctrica cuya falla por movimiento sísmico pondría en peligro la operación de la planta. Estructuras en que se requiere un grado de seguridad convencional. Construcciones cuya falla estructural ocasionaría pérdidas moderadas o pondría en peligro otras

B

construcciones de este grupo o del grupo A, tales como naves industriales, locales comerciales, estructuras comunes destinadas a vivienda u oficinas, salas de espectáculos, hoteles, depósitos y estructuras urbanas o industriales no incluidas en el grupo A, así como muros de retención, bodegas ordinarias y bardas. También se incluyen todas aquellas estructuras de plantas de generación de energía eléctrica que en caso de fallar por temblor no paralizarían el funcionamiento de la planta.

90


Pesos efectivos en el tanque Los Pesos efectivas W1 y W2 se determinarán multiplicando Wt por las relaciones W1/ Wt y W2/ Wt respectivamente obtenidas de la Figura 4.7. Y de la relación D/H. Donde: Wt = Peso total del fluído del tanque (Kg). D = Diámetro nominal del tanque (cm). H = Altura de diseño del líquido (cm). Las alturas desde el fondo del tanque a los centroides de las fuerzas sísmicas laterales, aplicadas a W1 y W2, ( X1 y X2 ), se determinan multiplicando H por las relaciones X1/ H y X2 / H respectivamente obtenidas de la Figura 4.8. y de la relación D/H.

Fig. 4.7 Pesos efectivos.

Fig. 4.8 Centroides de la fuerza sísmica.

91


Coeficientes de fuerzas laterales El coeficiente de fuerza lateral C1 según la API 650 establece que para cuestiones de diseño sísmico del tanque se deberá utilizar a C 1= 0.60, pero si T cumple la restricción siguiente utilizar la formula que a continuación se describe. Cuando T < 4.5 C1= 0.3S /T El coeficiente C2 de la fuerza lateral será determinado por la función del periodo natural T y las condiciones del terreno donde se sitúa el tanque. Cuando T > 4.5 C2 = 1.35S /T Dónde: S = factor de amplificación Tabla 4.9. T = periodo natural de la ondulación en segundos = K D 0.5 K = factor determinado en la Figura 4.10 y la relación D/H. El movimiento del suelo en sitios de terreno blando es muy diferente del que ocurre en terreno firme debido a la amplificación dinámica por efectos locales que sufren las ondas sísmicas al propagarse a través de formaciones de suelos blandos. Las interfaces entre estratos y las fronteras laterales producen un fenómeno de difracción múltiple que genera interferencias constructivas y destructivas que a su vez originan amplificaciones del movimiento. La amplificación de sitio como lo muestra la tabla 4.9 que experimenta el movimiento sísmico constituye un efecto fundamental del cual depende la caracterización de los depósitos de suelo para fines de microzonificación sísmica. La respuesta de un depósito de suelo ante excitación sísmica es función de varios factores que están relacionados con la irregularidad de la geometría y la heterogeneidad de los materiales que definen el depósito donde se construirá.

92


Tabla 4.4 Factores de amplificación del suelo

Tipo

S1 S2 S3 S4

Terreno Un contorno de terreno con: a) un material de roca viva caracterizada por una velocidad de onda de corte mayor que 760m/ seg. b) condiciones de terreno duro 0 denso donde la profundidad del terreno es menor que 60m Un contorno de terreno con condiciones de terreno duro o denso donde la profundidad del terreno excede 60 m Un contorno de terreno de 12 m o más en profundidad conteniendo más de 6m de arcilla media, dura, o blanda pero mayores que 12 metros de arcilla blanda. Un contorno de terreno con más de 12 metros de arcilla blanda

Factor s

1.0 1.2 1.5 2.0

Fig. 4.9 Valor del factor K.

4.9.2 Resistencia a la volcadura La resistencia al momento de volcadura respecto del fondo del tanque podrá ser prevenido por el peso del cuerpo del tanque y mediante anclaje. Para tanques sin anclaje, el peso de la porción del líquido contenido puede ser usado para resistir la volcadura. WL = 0.29369 Tb (Fby GH)1/2 Siempre y cuando WL no exceda 0.000186 GHD.

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Dónde: WL= peso máximo del líquido contenido en el tanque que puede ser usado para resistir la volcadura (Kg − m.), de la circunferencia del cuerpo. Tb = espesor de la placa del fondo bajo el tanque (cm.). Fby = esfuerzo mínimo de cedencia especificado del fondo (Kg / cm2). G = Densidad relativa del líquido. 4.9.3 Compresión del cuerpo. Para tanques sin anclaje la fuerza máxima de compresión en el fondo del cuerpo, puede determinarse mediante lo siguiente: Cuando (M/D2 ( Wt +WL ) ) es menor o igual a 0.785. b= (Wt ) +1.273M / D2 Cuando (M/D2 ( Wt +WL)) es mayor o igual a 0.785 pero menor o igual a 1.5, b puede ser calculada del valor obtenido a partir de la figura 4.11. 1.48791 (b +WL) / (Wt +WL) Cuando (M/D2 ( Wt +WL)) es mayor de 1.5 pero menor o igual a 1.57 (b +W) / (Wt +W L) = 1.49 / ( 1 – (0.637M / D2 (Wt +WL) ) )2 Dónde: b = Fuerza máxima de compresión en el fondo del cuerpo (Kg / m) en la circunferencia del cuerpo) Wt = Peso del cuerpo del tanque y la porción de techo soportado por el techo (Kg. Por metro de circunferencia del cuerpo). Cuando ( M/D2 (Wt +WL) ) es mayor de 1.57, el tanque es estructuralmente inestable y por lo tanto requiere ser anclado, la fuerza máxima de compresión longitudinal en el fondo del cuerpo, será determinada por: b =W t + (12731M / D 2)

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fig. 4.10 fuerza de compresión

Compresión máxima permisible del cuerpo El esfuerzo máximo de compresión longitudinal en el cuerpo será determinado de acuerdo a lo siguiente: 



Cuando 0.0002278GHD2 / t2 es mayor o igual a 10 6. El valor de: Fa = 170676000t / D Cuando 0.0002278GHD2 / t2 es menor a 10 6. El valor de: Fa = 68270400t / D +1546 (GH)1/2

Dónde: t = Espesor del anillo inferior del tanque sin corrosión permisible (cm.). Fa = Esfuerzo máximo de compresión longitudinal permisible (Kg / cm2), (Menor de 0.5 Fty). Fty = Esfuerzo mínimo de cadencia especificado del anillo inferior (Kg / cm2) Siempre y cuando 2.02333 b/t no exceda el esfuerzo máximo permisible de compresión, el tanque se considera estructuralmente estable, por lo que es capaz de resistir un movimiento sísmico, pero si esto no fuese cumplido, es necesario tomar alguna de las siguientes medidas:

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a).- Incrementar el espesor del cuerpo (t). b).- Reducir la relación de esbeltez, incrementado el diámetro y reduciendo la altura, c).-Anclar el tanque. Cuando se decida el uso de anclas, éstas tendrán un diámetro mínimo de 25.4 y el esfuerzo máximo permisible para cualquier pieza del conjunto de las anclas, no debe exceder de los siguientes valores: Para anclas, el esfuerzo será de 0.8 veces el esfuerzo de cedencia (el esfuerzo de cedencia mínimo de 0.6 multiplicado por 1.33).

4.10 Diseño por viento Las fuerzas del viento resultan difícil de evaluar, debido a lo complejidad del fenómeno y a la incertidumbre de los datos estadísticos vigentes, de vientos máximos, que se han utilizado como parámetros en un diseño. Esencialmente el viento, es un volumen de aire en movimiento, por lo que las fuerzas generadas son dinámicas, en el sentido que son producidas por un flujo en movimiento, sin embargo, bajo las detalladas circunstancias, es válido suponer estas fuerzas como cargas estáticas. Todos los tanques de almacenamiento se diseñarán y calcularán para lograr una estabilidad total con las fuerzas estáticas que impactaran en la estructura. La carga del viento, generalmente se deberá de considerar de por lo menos 146 Kg /m2, en la superficie del plano vertical, 88 Kg /m2, en las áreas, proyectadas de las superficies del cilindro y 73 Kg /m2, en áreas proyectadas de superficies cónicas y doble curvadas. Lo que se determina en base a una velocidad de viento de 161 Km/ h. En el caso de que el tanque se localice en una zona geográfica con una velocidad mayor, se ajustarán las presiones multiplicando el valor especificado por el resultado de la siguiente relación: ( V /161)2 Dónde: V = velocidad del viento (Km/ h).

96


Pero si las ráfagas de viento son mayores a la que se propone en esta tesis, se recomienda calcular los empujes y o succiones sobre el tanque y se podrán emplear el método estático aplicando las presiones de diseño de la expresión siguiente: Pv = 0.048Cp (VD)2 Dónde: Pv = Presión de viento (Kg /m2). CP = Coeficiente local de presión que depende de la forma de la estructura, este valor se obtiene con la siguiente formula Cp= Ks * CPC. VD = Velocidad de diseño a la altura h, VD = FT F VR FT = factores correctivos debido a la topografía, ver tabla 5,4 y 5.5 F = factores de variación de velocidad con la altura 5.6 VR = velocidad regional de la zona ver figura 5.7 Ks = 1.0 para CPC > -0.15 Ks = 1.0 – 0.55 (CPC + 0.15) log10 (he/b) CPC < -0.15 CPC = -0.5+ 0.4 cos + 0.8 cos2 + 0.3 cos3 – 0.1 cos4 – 0.05 cos5,  = ángulo entre la dirección Del viento y un punto sobre la pared del tanque circular ver figura 5.7 y 5.8 Tabla 4.5 Factores Correctivos Debido a la Topografía del Terreno

Sitios Protegidos Normales Expuestos

Ejemplo de topografía local Valles cerrados Terreno prácticamente plano: campo abierto, ausencia de cambio topográfico importantes, con pendientes menores de 5% Terraplenes: peñascos, acantilados, precipicios, diques, presas

FT 0.9 1.0 1.25

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Tabla 4.6 Clasificación de terreno con Respecto a la Altura.

Cat

Descripción

Ejemplos

Limitaciones

1

Terreno abierto, prácticamente plano, sin obstrucciones y superficies de agua

Franjas costeras planas, zonas de pantanos o de lagos, campos aéreos pastizales y tierras de cultivo sin setos om bardas alrededor, superficies nevadas planas

2

Terreno plano u ondulado con pocas obstrucciones

Campos de cultivos o granjas con pocas obstrucciones tales como setos o bardas arboles y construcciones dispersas

3

Terreno cubierto por numerosas obstrucciones, estrechamente espaciadas

Áreas urbanas, suburbanas y de bosques o cualquier terreno con numerosas obstrucciones, estrechamente espaciadas, el tamaño de las construcciones corresponde a casa y viviendas

4

Terrenos con numerosas obstrucciones, altas y estrechamente espaciadas

Centro de grandes ciudades y complejos industriales bien desarrollados

La longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser de 2000 m o 10 veces la altura de la construcción por diseñar, la que sea menor Las obstrucciones existentes presentan alturas de 3 a 5 m. la longitud mínima debe ser mayor entre 1500 m o 10 veces la altura de la construcción por diseñar Las obstrucciones existentes presentan alturas de entre 3 a 5 metros, la longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser 500 o 10 veces las alturas de las nuevas construcciones la que sea mayor. Por lo menos el 50% de los edificios tiene una altura de 20 m, las obstrucciones miden de 10 a 30 metros de altura, la longitud de este terreno con respecto al viento debe ser mayor entre 400 o 10 veces la alturas de las nuevas construcciones

Tabla 4.7 Factores de Variación con Respecto a la Altura

Categoría del terreno 1

g

)m ( 

c

0.099

245

1.137

2

0.128

315

1.000

3

0.156

390

0.881

4

0.170

455

0,815

98


Estos factores son utilizados de acuerdo a las siguientes formulas, y restricciones. F =

c

si z ≤ 10

F = c (/10) F = c



(Z/10) 

si z > si 10 < z < 

Fig. 4.11 Velocidades Regional donde según la CFE

Fig. 4.12 Dirección del viento que impacta a la estructura

99


Fig. 4.13 Coeficientes de Presión Exterior

4.10.1 Momento de volteo por viento El momento de volteo producido por el viento se considera una carga uniformemente repartida sobre una viga empotrada en un extremo, por lo que el momento se determina con la siguiente ecuación propuesta en la norma API 650: 650: M = ( PV DMAX ( Ht )2 / 2) Dónde: = Momento de volteo (Kg − m). M Dmáx. = Dmáx. = Diámetro exterior del tanque incluyendo líneas de tuberías (m.) = altura total del tanque incluyendo el techo (m.) Ht Para tanques que no estén anclados, el momento de volteo por presión de viento no debe exceder de la siguiente expresión: M < 2/3 ( W D/2)

100


Dónde: W = Peso muerto del tanque disponible para resistir el levantamiento (Kg.), menos cualquier corrosión permisible, menos simultáneamente el levantamiento por condiciones de presión interna sobre el techo. D = diámetro nominal del tanque (m.).

101


CAPITULO V EJEMPLO DE DISEÑO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE 20 000 BLS

102


Con la finalidad de hacer más claro y específico lo expuesto en los capítulos anteriores, se diseña un tanque de almacenamiento para almacenar nafta, con una capacidad nominal de 20 000 BLS. El cual será instalado en el Estado de Veracruz, en la Refinería Gral. Lázaro Cárdenas Dicho tanque operará a presión atmosférica y temperatura ambiente. Cabe mencionar que en este ejemplo se utilizara los pasos para realizar un diseño de acuerdo a la Norma API. ETAPAS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL

NECESIDAD

ESTRUCTURACION

ANALISIS DE CARGAS

ANALISIS DE COSTO

ANALISIS ESTRUCTURAL

CONSTRUCCION

Fig. 5.1 Etapas del diseño estructural

Se proponen los siguientes datos para diseñar el tanque de almacenamiento de 20 000 Bls. Que contendrá nafta en su interior. Tabla 5.1 Datos de diseño para el tanque

DATOS DE DISEÑO Producto Densidad relativa del producto.(G) Código de diseño Diámetro interior Altura Material del cuerpo Corrosión permisible (C.A) Esfuerzo de diseño ( Sd)

NAFTA 0.8 API 650 18.5 12.192 SA-283 GR C 0.16 CM 1410 kg/cm

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5.1 Calculo de los anillos del tanque de almacenamiento En el mercado comercial se vende placas de diferentes tamaños, que como medida comercial utilizan el pie. Las placas que se utilizaran en el diseño del tanque, marcaran la pauta para determinar el volumen, altura y diámetro posible del tanque, así como lo muestra la siguiente tabla. Tabla 5.2 Dimensionamiento del tanque

1.- Se propone las dimensiones de placas en función de eso se calculan los anillos del tanque Dimensiones de placa comercial No.

Ancho(cm)

Largo(cm)

1

243.84

609.6

Numero de anillo del Altura propuesta (cm) tanque 5

Diámetro (cm)

1219.2

1850

5.2 Calculo de la capacidad del tanque de almacenamiento Una vez que se haya seleccionado las medidas de las placas y estás hayan proporcionado, la altura del tanque y diámetro, ahora se determinara el volumen y verificar que este cumpla con la capacidad requerida del tanque. la capacidad deberá ser igual o mayor a la capacidad para la cual se pretende construir. Tabla 5.3 Calculo de la Capacidad del tan que

Capacidad del tanque Diámetro (cm)

Altura (cm)

Área (cm2)

Volumen (cm3)

Capacidad (1 barril) cm3

Capacidad del tanque

1850

1219.2

2688031.5

3277248005

159000

20611.62267

En este caso es correcto las dimensiones ya que se considera que puede almacenar los 20 000 Bls de nafta, que refinaran del petróleo. Cumpliendo así con lo solicitado por petróleos mexicanos.

104


5.3 Calculo de los espesores del cuerpo Ya se conoce que el tanque tendrá 5 anillos y que la capacidad de almacenaje es apta. Ahora se calcula que espesores de placas conformaran el cuerpo del tanque y que estos soporten las presiones generadas por el producto a almacenar. La tabla 4.2 menciona que como mínimo un tanque de almacenamiento, con respecto a su diámetro el espesor mínimo para formar el primer anillo sea de 6.35, por lo tanto el espesor del primer anillo que se calculara deberá ser igual o menor al indicado, por tal se utilizara el método del pie. Tabla 5.4 Calculo de espesores de la envolvente

Calculo de espesores del envolvente

No de anillos 1 2 3 4 5

D (CM)

H cm

G

C.A( CM)

1850 1850 1850 1850 1850

1219.2 975.36 731.52 487.68 243.84

0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

1/6 1/6 1/6 1/6 1/6

Sd (KG/CM2) 1410 1410 1410 1410 1410

td calculado

td verdadero

0.78 0.66 0.53 0.40 0.27

3/8 3/8 1/4 1/4 1/4

Como se observa en la tabla, estos serán los espesores de las placas que conformaran el cuerpo del tanque son mayores a los propuestos en la tabla 4.2.lo cual se considera correcto los espesores en el cuerpo del tanque. Ahora se calcula cuantas placas se utilizan para formar totalmente el cuerpo del tanque de almacenamiento. Anillo por anillo.

105


Tabla 5.5 Cantidades 5.5 Cantidades de placas de la envolvente

Numero de Placas de 1 Placas de Peso de placas por medida ajuste de placa Peso (ton) anillo de 609.6 medida (kg/m2)

No de anillos

td

Perímetro

1

3/8

5811.96

9.5340551

9

325.56

74.74

2 3 4 5

3/8 1/4 1/4 1/4

5811.96 5811.96 5811.96 5811.96

9.5340551 9.5340551 9.5340551 9.5340551

9 9 9 9

325.56 325.56 325.56 325.56

74.74 50 50 50

10.5920656 10.5920656 7.08594163 7.08594163 7.08594163

Nota: las placas de ajuste se determinan en campo

5.4 Calculo de los espesores del fondo El espesor del fondo de un tanque de almacenamiento según la API 650 650 es el Espesor mínimo especificado en la tabla 4.2 que es de ¼” y que el espesor del anillo anular del tanque sea de 3/8”,por si se llegara a utilizar con en la construcción del

fondo del tanque. Entonces debido a que el fondo del tanque solo soporta el peso total del liquido y del tanque, y debido a que no soporta directamente las presiones del fluido, por el contrario con una cimentación que soporta dichas cargas. Por lo que bajo esa consideración el espesor utilizado para el fondo del tanque sea de ¼” de esp. Y Las placas que conformaran el fondo del tanque se distribuirán como la figura 4.1, y eso se hace por el siguiente método. Tabla 5.6 Números 5.6 Números de placas para distribuir en el fondo

Medida del fondo

Medidas de la placa a utilizar

Placas

D

Área

Largo

Ancho

Área

No. de placas

1850

2688031.5

609.6

182.6

111312.96

25

Peso de placa (kg/m2) 50

Peso (ton) 13.95

106


5.5 Calculo del espesor del techo El techo de este tanque tendrá una pendiente, con un Angulo de 3.6 grados con respecto a la horizontal, Debido a que el tanque tiene un diámetro considerable, se propone cónico soportado. El diseño de este se basa proponiendo un espesor con la formula, calcular la carga muerta y la carga viva para poder determinar si el espesor que se propuso es el adecuado. En este ejemplo el techo soportado deberá tener un espesor de mínimo de 4.76 mm. (37.4 Kg / m2) de acuerdo al API 650. Por lo tanto primero se deberá conocer el diámetro, del techo, para poder calcular el espesor que soportara las cargas de diseño. Tabla 5.7 Calculo 5.7 Calculo del diámetro del techo

=

D/2

Tan 

L

R

Diámetro del techo

925

0.0629

58.1825

926.83

1853.66

3.6

Tabla 5.8 Calculo 5.8 Calculo del espesor de la Cúpula

Tt =

(D/ 4800sen)

Restricciones: Espesor de la Cúpula No D  1 1853.66 3.6 Calculo del peso x m2 Restricciones: Espesor de la Cúpula CM (kg/m2) 37.4 CM +CV= 159.4

CV (kg/m2) 122 FACTOR 0.8512024

W' TOTAL 159.4 Tt 0.52

3/16 < Tt <1/2" Tt Sen  0.06279 0.615031609 SI CM +CV= 220 Se incrementa el espesor Se requiere aumentar el espesor. ya que 226>220

107


Como se observa en la tabla el espesor no llega ni a un milímetro, lo que se utiliza el espesor mínimo especificado por la API 650, que es de 3/16”. Después de haber encontrado el espesor del techo se deberá conocer cuántas placas se distribuirán por todo el área de la cúpula. Y esto se obtiene de la misma forma que se obtuvo las placas del fondo del tanque. Tabla 5.9 Números 5.9 Números de placas para distribuir sobre el techo.

Medida del techo

Medidas de la placa a utilizar

D

Largo

Ancho

Área

No. de placas

609.6

182.6

111312.96

24

Área

1853.7 2698666.455

Placas Peso de placa (kg/m2) 37.4

Peso (ton) 10.10

5.6 Calculo de la estructura del tanque de almacenamiento El tanque tendrá una estructura como la Fig.5.2, formada por un polígono compuesto de trabes soportadas sop ortadas por columnas columna s distribuidas a 72° grados entre sí. Tabla 5.10 Calculo del diámetro del pentágono

r taque 925

2/3D= r Pentágono 616.67

D Pentágono 1233.33

Largo (Li) 616.67

Largo ( Le) 308.33

Fig. 5.2 Representación 5.2 Representación de la estructura interna del tanque de almacenamiento

108


Fig 5.3 Representación de las columnas de soporte.

El polígono de la figura 5.2 está inscrito por un círculo de radio igual a la dos tercera parte del radio nominal del tanque de almacenamiento. En este caso el radio nominal del tanque es de 9.25 m, por lo que el circulo donde estará el pentágono inscrito será de 6.16 M, y su diámetro será de 12.33 M. Entonces una vez determinado esto se procede a conocer que estructura estará soportando el peso de las cargas del techo. Y conocer como se distribuirán sobre el tanque de almacenamiento. Con el diámetro propuesto se calcula el número de largueros que estarán sobre el pentágono y se utiliza la separación mínima que permite la API 650, en la cual establece que el espacio máximo entre largueros será de 2ヾ pies (1,915 mm. ó 75.39 pulg.) en el perímetro exterior del tanque, y en anillos interiores una separación máxima de 5.5 pies (1,676 mm. ó 66 pulg.). Por lo tanto se obtiene lo siguiente utilizando también la formula. Tabla 5.11 Calculo de los largueros

n= numero de largueros para soportar el techo D Interior 1233.33 D Exterior 1850 Restricciones Separación Separación mínima según API mínima api 650 (Li) 650 (Le) 191.5 167.6

N

n Exterior

n Interior

Li Verdadera

Le Verdadera

5

48

36.5

165.296476

191.12405

109


Por lo tanto se utilizaran 37 largueros distribuidos a cada 165.29 cm. apoyados sobre el polígono formado por trabes, y 48 largueros distribuidos a cada 191.12 cm apoyados sobre el cuerpo del tanque. Después de esto ahora se determina que medidas tendrá el larguero y verificar que perfil estructural será utilizado para soportar el peso del techo.

5.7 Calculo del perfil estructural para los largueros Para determinar el perfil estructural de los largueros es necesario conocer el peso (w) que soportaran los largueros. Dichas cargas, están conformadas por el peso de la placa (w´) que se distribuirán entre un área tributaria, y el peso de la carga viva que estará soportando. Por lo tanto el peso por metro lineal será como se determina en la siguiente tabla. Tabla 5.12 Calculo de cargas en los largueros.

Área tributaria (AM) w' Total(kg/m2) Ancho Medio Larguero( m) 159.4

1.65

Longitud del Larguero (m) 6.17

(B+H/2)*h

Ancho Medio Larguero( m)

Área tributaria (m2)

w total(kg/m)

2.09

11.5531

299

Conociendo el peso total que estará distribuido sobre el techo se determina el momento flexionante de la viga, que soportara las cargas, y con eso determinar el módulo de sección para buscar en el manual AHMSA. Un perfil que soporte esta carga. Tabla 5.13 Calculo de los momentos máximos

Sx= Mx/fb

2

M= L / 8 W 298.63

2

L 38.027778

MX 1419.544103

fy Fb 1266

2110.00 Sx 112.1282862

110


Fig 5.4 Representación del perfil a utilizar como larguero

Tabla 5.14 Calculo del perfil a utilizar

Datos del perfil estructural d(cm) 20.32

W Perfil

17.11

KG/M

Sx

fb

112.8

1258.461084

tf(cm)

tw (cm)

b(cm)

área Aw (cm2)

0.991

0.77

5.74

15.6464

Restricciones b/t < 1590/√fy b/t 1590/ fy 5.792129162 34.61432736

R1 920.78

Fv < fy*0.4 fv FV Permitido 58.8496628 844

Como se observa en la tabla 5.14 se busca un perfil estructural, que tenga un módulo de sección, mayor al que se calculó y de este resultado se obtuvo que el perfil estructural tipo canal de 203.2 mm x 17.11 kg/m, es el idóneo, debido a que cumple todo los especificado por las normas, cabe mencionar que si este perfil no se encuentra en el mercado, será necesario calcular de nuevo todo y proponer un perfil que se encuentre en el mercado y que satisfaga las cargas que se tiene sobre la estructura.

111


5.8 Calculo del perfil estructural para la trabe La trabe es el elemento estructural que forman el polígono de la estructura, donde descansan los largueros, esta se determina con las formula que se muestra en la tabla, pero para poder determinar qué perfil es, se tendrá que conocer la longitud de este, con una formula trigonométrica, y seguir los pasos descritos en capitulo anterior, pero de forma resumida se anexa la siguiente tabla para su mayor compresión. Tabla 5.15 Calculo de los números de trabes que soportan los largueros

W = ('ln) / L

W Cargas

W Perfil

298.63

17.11

W total que soportan las trabes 315.74

Longitud media del larguero (l)

(n) Numero de largueros (l) Longitud apoyados de trabe (m) sobre la trabe 16.88

3.08

( W ) Que soportaran las trabes(kg/m)

7.249351445

2266.80

Después de haber obtenido el peso que soportara la trabe se procede a realizar el cálculo del momento máximo y determinar que perfil es el adecuado para que soporte todas las cargas. Tabla 5.16 Calculo del momento máximo de la trabe

Sx= Mx / fb M= L2 / 8

fy

2110.00

W Trabes ( KG/M)

L2

MX

Fb

Sx

2266.80

52.553096

14890.92592

1266

1176.218477

112


Con el momento máximo se determina el módulo de sección y se busca el perfil a utilizar en el manual AHMSA y con ello determinar si es correcto el perfil propuesto o se tiene que modificar, hasta que satisfaga sus restricciones.

Fig 5.5 Representación del perfil a utilizar como trabe

Tabla 5.17 Calculo de trabes propuestas del manual

d(cm) 46.1

tf(cm) 1.382

tw (cm) 1.21

b/t < 1590/√fy

Area b(cm) Aw(cm2) 22.3 55.781 RESTRICCIONES fv< fy*0.4

sx 2322

FV b/t 1590/√fy R1 fv PERMITIDO 18.42975207 34.61432736 8216.4183 147.2977945 844

fb 641.2974125 W PERFIL W PERFIL( KG/M) 47.32

Como se observa se obtuvo que el perfil estructural tipo IPR de 18 X 8 ¾” x 144.32 kg/m, y es el apto, debido a que cumple todo los especificado por las normas, cabe mencionar que si este perfil no se encuentra en el mercado, será necesario calcular de nuevo todo y proponer un perfil que se encuentre en el mercado y que satisfaga las cargas que se tiene sobre la estructura.

113


5.9 Calculo del perfil estructural para la columna Una vez que se han calculado y seleccionado los largueros y trabes, se procede al cálculo de las columnas. Teniendo el número de trabes y largueros que soportara la columna, se calcula la carga axial que será transmitida a la columna, para poder determinar el perfil estructural adecuado para soportar dicha carga. Cabe mencionar que las cargas axiales es la suma de las reacciones que generan las trabes o largueros que estarán apoyados, sobre ella. Como lo explica la siguiente tabla. Tabla 5.18 Calculo de la columna central del tanque

Columna central

Columna exterior

RL= Reacción generada por los largueros

Rt= Reacción generada por las trabes

Perfil Reacciones LARGUEROS Rl trabes Rt

n 37 2

W P Axial 920.785364 34069.05847 2381.50 4763.001846

Posterior al cálculo de las reacciones de las trabes y largueros sobre las columnas, se determina el perfil estructural que soporte dichas cargas, dicho cálculo inicia con la relación de esbeltez de la estructura, esta relación debe ser menor a lo establecido en la norma de diseño de estructura de acero. Por lo tanto con esta relación y con la longitud de la columna se puede obtener un radio de giro y proponer el perfil utilizando el manual AHMSA, como lo indica la tabla.

114


Tabla 5.19 Propuesta del perfil estructural

L

Restricción.

rx

12.77

120

10.64

Se busco un perfil para la columna en el manual AHMSA y no paso ninguno asi que se opto por utilizar un perfil compuesto Datos de diseño de la columna compuesta Perfil

d

b

tw

tf

Area del perfil

14” x 8” Semi pesada

351

204

8.6

15.1

8919.68

12” x 4” pesada

313

102

6.6

10.88

4141.704

Area total

13061.384

  

  

Fig 5.6 Unión de los perfiles compuestos.

Como se observa en la tabla anterior se propone un perfil compuesto, con IPR DE 12X4” Y DE 14X8” debido a que los perfiles en forma individual no satisfacen la restricción de que sean menor que 120, se tiene que optar y formar una columna compuesta y calcular los datos de diseño, como el centroides, así como los momentos de inercia y calcular los radios de giros permitidos, esto se realiza con la finalidad de que posteriormente se verifique si el perfil compuesto es el indicado.

115


Tabla 5.18 Centroides de la figura

Figura 1 2 3 4 5 6

X (mm) 5.44 343.45 175.5 175.5 175.5 175.5

Y (mm) 317.3 317.3 317.3 307.56 156.5 5.44 TOTAL DE AREA

Area (mm2) 3080.4 3080.4 2758.88 1109.76 1922.184 1109.76

AX 16757.376 1057963.38 484183.44 194762.88 337343.292 194762.88

AY 977410.92 977410.92 875392.624 341317.7856 300821.796 6037.0944

13061.384

2285773.248

3478391.14

x y

175.0023771 266.3110693

El centroide del perfil compuesto con respecto a x se determinó que sea 175 mm y con respecto a “y” se determinó que sea 266.3. Después de este cálculo se procede a calcular los radios de giros en “x” y “y” y se determina que los radios cumplen con la relación de esbeltez permitido en la norma. Tabla 5.19 Cálculo del Radio de giro en el eje “x”

Fig.

b(mm)

h( mm)

1 2 3 4 5 6

8.6 15.1 320.8 102 6.6 102

204 204 8.6 10.88 291.24 10.88

Área (mm2) 1754.4 3080.4 2758.88 1109.76 1922.184 1109.76

Z(mm) 50.98893067 50.98893067 50.98893067 41.24893067 120.6910693 260.8710693

Ix (mm4)

Io(mm4)

Ix( mm4)

6084259.2 4561213.771 10645472.97 10682827.2 8008642.784 18691469.98 17003.89707 7172732.244 7189736.141 10947.26451 1888228.098 1899175.363 13586755.39 27999174.57 41585929.96 10947.26451 75523290.55 75534237.82 TOTAL DE Ix 155546022.2 rx 10.913

116


Tabla 5.20 Cálculo del Radio de giro en el eje “y”

Figura 1 2 3 4 5 6

B (mm) 204 204 8.6 10.88 291.24 10.88

h( mm) 8.6 15.1 320.8 102 6.6 102

Área (mm2) 1754.4 3080.4 2758.88 1109.76 1922.184 1109.76

Z(mm) 167.95 167.95 0 0 0 0

Iy (mm4) 10812.952 58530.167 23660302.02 962161.92 6977.52792 962161.92

Io (mm4) 49486716.07 86889466.58 0 0 0 0

Iy( mm4) 49497529.02 86947996.75 23660302.02 962161.92 6977.52792 962161.92

TOTAL ry

162037129.2 11.138

Tabla 5.21 Cálculo de la relación de esbeltez de la columna

rx

L

10.91

12.77

ry

L

11.14

12.77

Cma 1337. 4 1368. 4

L/r < 120

Cc

117.0539588 136.784329 L/r < 120

Cc

114.6854415 136.784329

RESTRICCIONES Cma /CS FA ADM fp 700.490904 91493.8069 1265 9 7 717.390402 93701.1153 1265 9 1

Cd 2110.00 Cd 2110.00

CS

E

Área 130.6138 1.909239403 2000000 4 CS E AREA 130.6138 1.907405668 2000000 4

Área 26.9320623 2 26.9320623 2

Se observa que el perfil propuesto de un ipr de 14" x8 soldada de perfil con un ipr de 12 x 4 " si satisface la carga de toda la estructura

Como se demuestra en los cálculos el perfil compuesto por un IPR de 14” x 8” soldado como se muestra en la fig. , con un IPR de 12” x 4” satisface la carga de

toda la estructura, por lo tanto es el perfil correcto para su construcción.

117


5.10 Revisión por sismo y viento Los fenómenos naturales no se pronostican, son fenómenos que impactan directamente a cualquier estructura que se requiera diseñar, si requerimos que la estructura diseñada soporte tales fenómenos en un futuro, este debe de ser supuesto con los datos obtenidos estadísticamente del fenómeno más catastrófico que se haya originado en la refinería Gral. Lázaro cárdenas donde se construirá el tanque de almacenamiento. Por lo tanto a continuación se revisa si la estructura propuesta cumple con esto, si no lo cumple se redimensionara toda. Hasta que cumpla con las restricciones propuestas por las normas y se considere una estructura segura. En este caso la estructura se considera que se encuentra en la zona b, con un tipo de suelo III, presentando un coeficiente sísmico de Z= 0.6. y calculando aproximadamente el peso total del líquido que contendrá el tanque será de Wt = 2622 ton. Sabiendo que el líquido que contendrá el tanque y su capacidad se procede a calcular el momento de volteo que originaría el líquido sobre el tanque, si llegara a ocurrir un sismo con gran intensidad.

A.- Calculo por sismo Tabla 5.22 Cálculo de peso que afecta la estructura

Z

Peso especifico ( kg/m3)

H

D

WT ( KG)

D/H

W 1 / WT

W2 / WT

0.60

800

1219.2

1850

2621798.40

1.52

0.3

0.8

Con estos datos obtenidos en la tabla se procede a calcular por medio de grafica Los pesos efectivos que estarán presentes en el tanque y los centroides de fuerzas sísmicas donde se encuentran las masas. Y los coeficientes de fuerzas sísmicas. PESOS

KG

W1

786539.5212

W2

2097438.723

118


D/H 1.52

X1/H 0.40

X2/H 0.50

X1 487.68

X2 609.60

Tabla 5.23 Cálculo de los coeficientes sísmicos y del factor k

D/H 1.52

K 0.59

C1 0.6

T 25.37686

S 1.2

C2 0.0025

WS(kg)

Wr

42441.956 10093.01254

XS

HR

925

1277.38

Tabla 5.24 Cálculo del momento de volteo

M = ZI C1 Ws Xs + C1 Wr Ht +C1 W1 X1 + C2 W2 X2 Z

C1

0.60

0.60

MOMENTO DE VOLTEO( kgcm)

C2

WS

XS

Wr

W1

W2 0.0025 42441.956 925 10093.01254 786539.5212 2097438.72 3 158793029.9

Después de esto se calcula la compresión que sufrirá el tanque con respecto al fluido y peso del mismo. Y determinar si es viable diseñar esta estructura por sismo. Restricción; si m/ (W tanque*d2) es menor que 0.785 utilizar la formula. b= (Wt ) +1273M / D2 Wt = peso del tanque. 119


Tabla 5.25 Cálculo del peso total del tanque.

Peso del tanque (kg) CUERPO CUPULA LARGUEROS TRABES COLUMNA Total =

42441.956 10093.01254 6528.978459 4157.503054 383.21475 63604.6648

M (KG-CM) 158793029.9

Compresión del tanque D2 Wtanque 3422500 63604.665

COMPRESION 0.000729456

RESTRICCION; SI M/ (Wtanque*D2) ES MENOR QUE 0.785 SE PONDRAN ANCLAS AL TANQUE

Tabla 5.26 fuerza máxima de compresión.

FUERZA MAXIMA DE COMPRESION b= (Wt ) +1.273M / D2 Wtanque 63604.6648

M 158793029.9

COMPRESION ADMISIBLE t 9.53

D 1850

D2 3422500

b 122667.7845

Fa = 170676000t / D Fa 878750.76

Por lo tanto se demuestra que la estructura es segura por fenómenos sísmicos.

B.- Calculo por viento Los vientos son otros fenómenos que se tiene que cuidar debido a las velocidades que imperan en la refinería Gral. Lázaro cárdenas. Generalmente en la refinería se han tenido de hasta 180 km/h y al topografía que presenta se considera como zona 4 de acuerdo a norma de comisión federal y se considera un sitio protegido en la zona industrial.

120


Tabla 5.27 Cálculo por viento del tanque .

Pv = 0.048Cp (VD)2 CPC he 12.192 0.401018551

b 18.5



10º

KS 0.974997743

CP 0.39099218

Tabla 5.28 Velocidad regional de diseño

Velocidad de diseño FT 0.9

Fg 0.8429

VR 180

Presión del viento

VD 136.5542953

CP -0.3909922

PV -349.9613169

Tabla 5.29 Calculo del momento de volteo por viento

Momento de volteo

Momento permisible

M = ( PV DMAX ( Ht )2 / 2) PV

Dmax

H

-349.9613

18.5000

12.773 8

M < 2/3 ( W D/2) M W M 2685403.068 16559985.590 528206.448 6 0 6

Por lo tanto se observa que el tanque propuesto de 20 000 Bls, soporta las ráfagas de vientos que predominan por la zona, y por lo tanto el tanque es el idóneo para almacenar nafta, sin que presente algún riesgo estructural cuando se construya.

121


5.11 Resultados Con el objetivo de resumir y hacer mas explicito el trabajo investigado, se proporcionan las medidas y pesos de las partes más importantes del tanque de almacenamiento propuesto de 20 000 Bls. Datos Capacidad del tanque producto Altura Diametro

20 000 Bls Nafta 12.192 metros 18.50 metros

Envolvente Anillos 1 2 3 4 5 Peso Total

Espesor 3/8” 3/8” 1/4" 1/4" 1/4" 43 ton Fondo y techo

Descripción

Espesor

Fondo

¼”

Cúpula

3/16”

Peso total

24.4 ton

Descripción largueros trabes Columna Peso total

estructura espesor canal de 203.2 mm x 17.11 kg/m, IPR de 18 X 8 ¾” x 144.32 kg/m

Vigas Tipo I De        11.2 ton

Ahora lo que prosigue es determinar si el diseño propuesto es económico cuando se pretenda construirlo, por lo tanto a continuación se presenta un presupuesto de las partes diseñadas anteriormente.

122


5.12 Presupuesto del tanque de almacenamiento de 20 000 Bls Como parte del procedimiento de diseño del tanque de almacenamiento se realiza un presupuesto de los principales elementos del tanque, para determinar si el diseño propuesto es económico o si resulta costosa su posible construcción.

PRESUPUESTO PART

1 2 3 4

DESCRIPCION

Suministro y fabricación de estructuras metálicas, incluye todos los herrajes necesarios , con perfiles ligeros hasta 12 kg/m. Idem al anterior pero con perfiles s emi-pes ada de 12.01 a 60.00 kg/m Suministro, maquila y escuadrado de placa de acero al carbó n A-283 Gr. C.,en placas del fondo. De ¼" y 8´ x 20´. Suministro, maquila, rolado, escuadrado y biselado de placas de acero al carbón A-283 Gr. C., para tanque atm os férico, en la envolvente.

CANTIDAD

UNIDAD

PRECIO UNITARIO

IMPORTE

6.7

TON

$16,745.50

$112,194.85

4.5

TON

$15,847.10

$71,311.95

14.2

TON

$19,537.30

$277,429.64

43

TON

$16,494.09

$709,245.78

5

Suministro, maquila y escuadrado y biselado de placas de acero al carbón A-283 Gr. C., en placas del techo, de 3/16".

10.2

TON

$18,591.67

$189,634.99

6

Montaje de estructuras m etálicas has ta 15 mts. de altura con perfiles ligera has ta 12 kg/m.

6.7

TON

$4,705.66

$31,527.92

4.5

TON

$3,074.13

$13,833.58

14.2

TON

$3,283.68

$46,628.21

7 8

dem al anterior pero con perfiles s emi-pes ada de 12.01 a 60.00 kg/m. Manejo, tendido, armado, conformado, nivelado, punteo y soldadura, de placas de acero al carbón en placas del fondo.

9

Montaje, conform ado, plom eo, nivelado, punteo y soldadura, de placas de acero al carbón, hasta 15 mts. de altura, placas de la envolvente.

63

TON

$3,021.44

$190,350.78

10

Montaje, tendido, armado, conformado, nivelado, punteo y soldadura, de placas de acero al carbón, hasta 15 m ts. de altura, en placas d e cúpula fija.

10.2

TON

$5,136.24

$52,389.60

1

PRUEBA

$36,073.02

$36,073.02

1

PRUEBA

$49,883.76

$49,883.76

1.5

TON

$57,928.67

$86,893.00

60

PLACAS

$400.50

$24,030.09

1

TANQUE

$39,397.50

$39,397.50

11

12

13

14

15

Prueba hidroneumática en fondo de tanque con murete de tabique, incluye las líneas provisionales para el llenado, Pemex-Refinación proporciona agua. Prueba hidrostática del tanque de 20,000 bls. de cúpula fija, incluye las líneas provisionales para el llenado, de acuerdo a la normatividad de Pemex y a lo señalado en el API-653 Pemex-Refinación proporciona agua. um n s ro, m aqu a e ns a ac n e puer a e limpieza en acero A-283-C para tanque de almacenam iento con capacidad de 20 000 BLS. dimens ión de la puerta 48" X 48" de acuerdo a plano H-190, y lo indicado en el código API-650. Inspección radiográfica a soldaduras del tanque de acuerdo a l o indicado en el códig o API-ESTANDAR 650, tamaño de las placas de 7X43, hasta 12 m ts. de altura, incluye colocación de andamios y escaleras. Calibración volumétrica y elaboración de tablas de volumen del tanque, utilizando el método óptico y/o el método húm edo para el cálculo de las tablas, en tanques atmosféricos.

TOTAL

$1,930,824.68

123


CONCLUSIÓN Debido a la demanda de producción y deterioro de las instalaciones de la refinería Gral. Lázaro Cárdenas, se necesitan depósitos para almacenar grandes volúmenes de producto, que cumplan con los grados de seguridad requerida para que opere adecuadamente, La investigación realizada tuvo como parámetro principal, resolver el problema sobre, ¿Qué deposito seria el conveniente diseñar para almacenar la nafta en buenas condiciones y con grado de seguridad aceptable? Relacionando, investigando y definiendo las principales características de los diferentes depósitos de almacenamiento que existen en la industria petrolera, se propuso con fundamento en las normas un tanque de almacenamiento de cúpula fija con las dimensiones que se necesitan para almacenar el producto, atraves de esta propuesta el diseño se realizo con las normas API, las NRF de Petróleos Mexicanos y las de la comisión federal de electricidad. Siendo la API 650 la más utilizada por ser la norma que se utiliza para diseñar los tanques cilíndricos verticales. La hipótesis planteada al inicio de este trabajo es : “diseñar un tanque de almacenamiento cilíndrico vertical de cúpula fija de 20 000 Bls es el adecuado para almacenar la nafta que se origina en la Refinería Gral. Lázaro cárdenas, Minatitlán Veracruz”. La cual con una revisión cuidadosa, proponiendo los materiales adecuados y verificando con las normas para que no presente problema alguno en su vida productiva, se obtuvo la afirmación de esta hipótesis, ya que el diseño realizado y plasmado en esta trabajo indico que construir un tanque de almacenamiento de cúpula fija, con techo tipo cónico, con un una envolvente formada por 5 anillos de diferentes espesores que van desde 3/8” hasta ¼” y con capacidad de 20 000 Bls para almacenar la nafta, es el adecuado, seguro y económico. Debido a que cumple con todas las recomendaciones y restricciones especificadas, por las normas: API 650, Comisión Federal de Electricidad y las NRF de petróleos mexicanos.

124


Por lo tanto el tanque de almacenamiento se considera viable para su construcción, ya que el presupuesto y seguridad del tanque de almacenamiento, satisfacen las necesidades que petróleos mexicanos requieren. Esta tesis cumplió con los objetivos generales y objetivos particulares propuestos, pero cabe mencionar que el tanque fue diseñado de material de acero al carbón, lo que deja abierto a realizar investigaciones futuras sobre su diseño y construcción con diferentes materiales, así como proponer o adicionar elementos tecnológicos para aumentar la seguridad en estos tipos de estructuras.

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BIBLIOGRAFIA Dictamen normativo sobre especificaciones de diseño de tanques a cargo de petróleos mexicanos (1990) Minatitlán, Veracruz, México.

Elías Ayub, Alfredo; Aboyes García, Florencio; Moreno, Néstor; Hernández Ayala Luis Carlos, Sicilia peña Noé, (2008) Manual de diseño de obras civiles , diseño por sismo y viento , México. Institute American petroleum (2007) Welded Steel tank for oil storage, API 650 , Washington, USA. León Estrada, Juan Manuel (2001) diseño y cálculo de recipientes a presión, edit. Alfa-omega, México

Mott, Robert L. (2006) Mecánica de fluidos , edit. Pearson educación, México McCormac, Jack C. (2002) Diseño de estructuras de acero , edit. Alfa omega, México. Perry, Robert H. (1995) Manual del ingeniero químico , edit. McGraw Hill, México Suarez Salazar, Carlos (1990) Costos y tiempo en edificaciones edit.Limusa, México. Velazco Gonzales, Carlos (2008) el ABC del analista de precios unitarios , edit. Limusa, México.

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GLOSARIO Boquilla.- orificio practicado en un tanque para la entrada y/o salida de un fluido o la instalación de un instrumento de medición, generalmente son formadas con tubos o placas, dependiendo el tamaño de la boquilla, es el espesor del tubo o la placa y por lo regular son bridadas o roscadas. Brida.- accesorio para acoplamiento de tuberías, que facilita el armado y desarmado de las mismas estas pueden ser de diferentes diámetros y de diferente libraje dependiendo el servicio que prestara. 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. Código.- conjunto de mandatos dictados por una autoridad competente. Corrosión.- desgaste no deseado, originado por la reacción química entre el fluido contenido y/o procesado y el material de construcción del equipo en contacto con el mismo. Envolvente.- es el cuerpo que forma el tanque fabricado de acero, y generalmente está formado por diferentes tipos de espesores de pendiendo de la presión ejercida del producto. Fluido.- es un medio de material continuo, deformable, de provisto de rigidez, capaz de “fluir” , es decir de sufrir grandes variaciones de forma bajo la acción de fuerzas, y puede adoptar la forma del medio en el que se encuentra. Norma.- conjunto de reglas para el dimensionamiento y cálculo de accesorios.

127

Tesis diseño de tanque de almacenamiento

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