Tanque metálico para depósito de agua en Brasil: un estudio de la aplicación parcial de API 650

ARTÍCULO ORIGINAL

RASI, José Roberto ^[1], CAUNETTO, Donizete ^[2], BROETTO, Jonathan Figueiredo ^[3]

RASI, José Roberto. CAUNETTO, Donizete. BROETTO, Jonathan Figueiredo. Tanque metálico para depósito de agua en Brasil: un estudio de la aplicación parcial de API 650. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Año 05, Ed. 05, Vol. 01, págs. 33-62. Mayo de 2020. ISSN: 2448-0959, Enlace de acceso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/ingenieria-civil/tanque-metalico-para-deposito

RESUMEN

Con la creciente demanda de reserva de agua y la falta de normas técnicas para los depósitos de metal en Brasil, varios fabricantes de reservorios han utilizado parcialmente API 650 para dimensionar y verificar estos embalses. En este trabajo, se realizaron estudios para verificar la aplicación parcial e integral de API 650, método 1 pie, a través del dimensionamiento de 7 tanques metálicos con el mismo volumen que una función de diferentes relaciones de altura/diámetro (H/D). Analiza las tensiones circunferenciales en ambos casos y el tamaño previsto en API 650 y determina las relaciones de altura/diámetro más económicas para el almacenamiento de agua.

Palabras clave: Tanque metálico, estándar API 650, tamaño, optimización.

1. INTRODUCCIÓN

Los tanques cilíndricos son estructuras comúnmente utilizadas para el almacenamiento de agua, residuos industriales, residuos petroquímicos, aceites, granos y etc. (HECKE, 2010).

Según Barros (2010), son equipos pesados de calderas, sujetos a una presión atmosférica aproximadamente, generalmente en el rango de 0 a 0,5 psi y destinados principalmente al almacenamiento de petróleo y sus derivados.

Roncetti (2011) afirma que hubo un aumento en la demanda de almacenamiento de graneles líquidos en diversas actividades económicas y también el aumento de la demanda de actividades intermedias como saneamiento, tratamiento de residuos, refrigeración y otros procesos de fabricación, donde es necesario almacenar graneis líquidos. La Figura 1 ilustra los diversos tipos de tanques de almacenamiento que son comúnmente utilizados por las industrias (KUAN, 2009).

Figura 1 – Tipos de tanques de almacenamiento.

El diseño y construcción de tanques cilíndricos atmosféricos implica una serie de cuidados especiales y requiere el conocimiento de las normas técnicas y materiales adecuadas para cada tipo de aplicación, ya que las fallas en estos equipos pueden causar grandes pérdidas financieras o incluso pérdidas de vida (NUNES, 2013).

En Brasil, existe un estándar para la construcción de estos equipos. El estándar NBR 7821 – Tanques Soldados para almacenamiento de petróleo y derivados – publicado por la Asociación Brasileña de Normas Técnicas (ABNT). Sin embargo, el estándar más utilizado en las industrias en general es la Norma Regulatoria Americana API 650 – Welded Steel Tanks for Oil Storage – del American Petroleum Institute (API), ambos destinados a la reserva de petróleo y derivados (SATO, 2015).

Según Barros (2010), API 650 cubre las especificaciones sobre el material, diseño, fabricación, montaje y prueba de tanques de almacenamiento verticales, cilíndricos, no enterrados, con la parte superior cerrada o abierta, construcción soldada, con diversas dimensiones y capacidades, para servicio no refrigerado, con temperatura máxima de diseño de 260 ^oC y aproximadamente presión interna atmosférica (no superior a 2,5 psig).

Según Azzumi y Guzey (2015), de acuerdo con API 650, los tres métodos para determinar el espesor del depósito de tanques de almacenamiento de acero cilíndricos diseñados de acuerdo con API 650 son:

El método de un pie (1FM), el método de punto de diseño variable (VDM) y el análisis lineal. Comparamos los diseños de la carcasa basados en estos tres métodos para diferentes propiedades del tanque: diámetro, altura y tensión permitida.

El método de un pie (1FM), que se basa en la teoría de la membrana ”. El espesor requerido de la placa de pelado para cada carrera de pelado se calcula utilizando la tensión circunferencial en un punto de 0,3 m (1 pie) por encima de la costura horizontal de la soldadura inferior de la casú rodadura debido a la presión hidrostática del líquido almacenado. El 1FM se utiliza con éxito para la mayoría de los tanques. Sin embargo, los proyectos basados en 1FM pueden llegar a ser conservadores y prohibitivos en costos para tanques de mayor diámetro. Por lo tanto, API 650 limita la aplicabilidad de este método a tanques de hasta 61 m (200 pies) de diámetro.

El segundo método para calcular el espesor requerido de la placa de vaciado es el método de punto de diseño variable (VDM) que también se basa en la “teoría de la membrana”. El VDM fue propuesto por Zick y McGrath en 1968 y más tarde adoptado por API 650 como un método refinado para calcular el espesor requerido de la placa del casco, especialmente para tanques de más de 61 m (200 pies) de diámetro. El VDM tiene en cuenta la restricción proporcionada por las placas inferiores del tanque para la primera tirada de la férula y la restricción proporcionada por cada férula inferior para la trayectoria de la férula superior. El VDM utiliza una distancia variable en lugar de una distancia fija de 0,3 m (1 pie), como se utiliza en 1FM, por encima de la soldadura circunferencial (costura) para cada corrida, para calcular la tensión circunferencial máxima debida a la presión hidrostática.

El tercer método proporcionado en API 650 es el cálculo del espesor del vaciado mediante el análisis lineal. En este enfoque, las condiciones límite para el análisis deben ser un momento plástico relacionado con el rendimiento de la placa bajo la cáscara y el movimiento radial totalmente restringido a la parte inferior de la cáscara. API 650 no describe un método de análisis lineal específico. En este estudio, desarrollamos un nuevo método utilizando la teoría de la corteza fina para realizar un análisis lineal del grosor de la corteza de cálculo. En este método, estamos utilizando la rigidez exacta – relaciones de flexibilidad y funciones exactas de la forma que se originan a partir de la llamada solución ”cáscara corta’ de las ecuaciones que rigen a partir de la teoría de la cáscara elástica fina.

Había poca información literaria para calcular un depósito metálico para la reserva de agua y la falta de normas técnicas específicas para los tanques soldados para el almacenamiento de agua en Brasil.

Debido a la falta de una norma técnica específica, se ha utilizado como parámetro de cálculo para depósitos metálicos destinados a la reserva de agua, API 650 en su totalidad o sólo parcialmente, específicamente con respecto a la determinación de espesores de las costas del agua y tensiones permisibles, ya que los criterios de seguridad para incendios y explosiones del material almacenado no se aplicarían al agua.

2. MATERIAL Y MÉTODO

El objetivo principal de este trabajo es verificar el diseño de tanques de metal abierto, sin hogar, con el mismo volumen y diferente H/D, según API 650, por el método de un pie (1FM), en dos etapas, la primera considerando sólo los espesores calculados por la ecuación descrita en el punto 5.6.3.2 de esa norma;

Dónde:t_d – espesor del diseño, en mm;

D – diámetro nominal del tanque, en m;

H – nivel de diseño de líquido, en m;

G – peso líquido específico en el caso de agua: 1;

CA – sobreescción de corrosión, especificado por el comprador, en mm;

S_d – tensión admisible (tabla 5-2 API 650), en Mpa.

Y en la segunda etapa, además de la verificación de espesor calculada por la Ecuación 1, también se adoptan los espesores mínimos, como se describe en el punto 5.6.1.1 y se muestra en la tabla 1.

Tabla 1 – Espesor mínimo de hebra

Como objetivo complementario, determinar el rango de relación H/D que es el más viable económicamente, con el menor peso de construcción del tanque soldado.

El criterio para determinar la relación entre la altura (H) y el diámetro (D) de los modelos es el volumen del depósito, mantenido constante, con 660,00 m3 y diámetro máximo inferior a 15,00 m según el punto 5.6.1.1 – API 650, que se muestra en la tabla 1. Como resultado, para el volumen constante ₍V0) y consideró las relaciones altura / diámetro (H/D) entre 0,25 y 4,0.

Definido: H – altura del cilindro; D – diámetro y volumen de V-

Las dimensiones de los diámetros, alturas y proporciones entre ellos se describen en la Tabla 2 y la Figura 2.

Tabla 2 – Relaciones de altura / diámetro al volumen constante de 660,00 m3

Figura 2 – Modelos geométricos de reservorios cilíndricos estudiados

El acero utilizado es ASTM A36, caracterizado por un módulo de elasticidad (E) igual a 205.000 Mpa, relación de Poisson (µ) igual a 0,30, densidad (γ) de 77.000 N / mm³, límite elástico f_y = 250 .00 Mpa y último voltaje f_u = 400.00 Mpa. De acuerdo con la tabla 5-2 Permissible Plate Materials and Allowable Stresses de API 650, la tensión admisible para el acero ASTM A36 es 160,00 Mpa (tabla 3).

Tabla 3 – Materiales planos permitidos y tensiones permisibles

El espesor de las placas del cuerpo del depósito se considera variable a lo largo de la altura del depósito (figura 3).

Figura 3 – Variación de la placa a lo largo de la altura del depósito

Teniendo en cuenta la ausencia de fricción debido al material almacenado (agua), el estado del depósito está completamente lleno, la no aplicación del viento y las condiciones del espesor de las placas de los cuerpos de los depósitos (virolas), resultados sólo 1(un) caso de análisis (Figura 4):

Figura 4 – Tanque con espesor de pared líquido y variable sobre la altura

El flujo de cálculo de los espesores de los jefes de guerra de los tanques soldados minses el diagrama que se muestra en la Figura 5.

Figura 5 – Diagrama de caudal del cálculo de los espesores de los laca de agua de los tanques

Los pesos de los 7 tanques propuestos en este trabajo se calcularon en dos etapas. El primer paso calculó el peso de los fondos del depósito, considerando los fondos con placas anulares (Figura 6), según el punto 5.4.1 de API 650 (Botton Plates), que prescribe el espesor mínimo de 6,00 mm (1/4). Se consideró la superposición de placas de alrededor del 2,26% en el peso de los fondos del embalse.

Figura 6 – Disposición típica de placas inferiores con placas anulares.

También se consideraron los pesos de los perfiles de ángulo de refuerzo del borde superior, como se especifica en la Tabla 4 prescrita en API 650 artículo 5.1.5.9 –  Roof and Top-Angle Joints“, superpuesta en el último anillo (ferrule) del lado, con solapa horizontal orientada hacia el lado externo del tanque.

Tabla 4 -Refuerzo del borde superior del lateral.

El peso de las hebras se determinó después de determinar el espesor de cada placa que compone las latas de agua de los tanques para cada relación H/D, teniendo en cuenta los espesores calculados sólo con la ecuación 1 y los espesores teniendo en cuenta los espesores mínimos prescritos por API 650 (Tabla 5). Se utilizó el método de un pie (1FM), con una eficiencia de soldadura de 1,00 (100%) y sin tener en cuenta el sobrethness de corrosión y las fuerzas resultantes de la acción de los vientos no se aplicaron. Los espesores utilizados para el dimensionamiento de las virolas fueron (en milímetros): 2,00; 2,25; 2,65; 3,00; 3,35; 3,75; 4,25; 4,75 y 6,35, todas con una anchura de 1.500,00 mm.

Tabla 5 – Espesor de la placa de las hebras y pesos de los tanques estudiados.

3. ANÁLISIS DEL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS

Para el análisis por el método de elementos finitos (MEF) de los 7 tanques con capacidad de 660,00 m³ y dimensiones descritas en la Tabla 2, se utilizó el software AUTODESK SIMULATION MECHANICAL 2018, con discretización de la malla a 150 x 150 mm (Figuras 7 y 8 ).

Figura 7 – Discretización del depósito H/D 1.00 – diámetro y altura 9.43m.

Figura 8 – Aplicación del depósito de carga de agua H/D 1.00

4. RSULTADOS

Siga los resultados del análisis utilizando los métodos de elementos finitos – MEF, de los 7 tanques propuestos, utilizando el software AUTODESK SIMULATION MECHANICAL 2018

4.1 TANQUE H/D A 4.00 – DIÁMETRO14.98 M Y ALTURA 3,75 M

Las figuras 9 y 10 muestran las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados de acuerdo con la Ecuación 1 y asumidos como 2.00 mm. El voltaje de vibración máxima 1 fue de 147,81 Mpa, inferior a la tensión admisible del acero ASTM A36 de 160,00 Mpa, según la tabla 5-2 de API 650.

Figura 9 – Tensiones circunferenciales H/D 4.00 en 3D – espesores calculados

Figura 10 – Tensiones circunferenciales H/D 4.00 en 2D – espesores calculados

La Figura 11 muestra las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados según los espesores mínimos de API 650, en caso de 4,75 mm. La tensión máxima era de 60,27 MPa.

Figura 11 – Tensiones circunferenciales H/D 4.00 en espesores 2D- minimas

La Figura 12 muestra las curvas de tensiones circunferenciales, dependiendo del grosor de las férulas y la altura de carga del agua.

Figura 12 – Curvas de las circunferencias del tanque H/D 4.00

4.2 TANQUE H/D A 3.00 – DIÁMETRO 13,61 M Y ALTURA 4,54 M

Las figuras 13 y 14 muestran las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados de acuerdo con la Ecuación 1 y asumidos como ferrule 1 con 2,25 mm y el otro con 2,00 mm. La tensión máxima de la regla 1 fue de 146,67 Mpa, inferior a la tensión admisible del acero ASTM A36 de 160,00 Mpa, según la tabla 5-2 de API 650.

Figura 13 – Tensiones circunferenciales H/D 3.00 en 3D – espesores calculados

Figura 14 – Tensiones circunferenciales H/D 3.00 en 2D – espesores calculados

La Figura 15 muestra las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados según los espesores mínimos de API 650, en este caso 4,75 mm. La tensión máxima era de 68,17 MPa.

Figura 15 – Tensiones circunferenciales H/D 3.00 en espesores 2D- minimas

La Figura 16 muestra las curvas de tensiones circunferenciales, dependiendo del grosor de las férulas y la altura de carga del agua.

Figura 16 – Curvas de las tensiones circunferenciales del tanque H/D 3.00

4.3 TANQUE H/D A 2.00 – DIÁMETRO 11,89 M Y ALTURA 5,94 M

Las figuras 17 y 18 muestran las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados de acuerdo con la Ecuación 1 y asumidos como ferrule 1 con 2,65 mm y el otro con 2,00 mm. El voltaje de vibración máxima 1 fue de 144,65 Mpa, inferior a la tensión admisible del acero ASTM A36 de 160,00 Mpa, según la tabla 5-2 de API 650.

Figura 17 – Tensiones circunferenciales H/D 2.00 en 3D – espesores calculados

Figura 18 – Tensiones circunferenciales H/D 2.00 en 2D – espesores calculados

La Figura 19 muestra las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados según los espesores mínimos de API 650, en caso de 4,75 mm. La tensión máxima era de 80,26 MPa.

Figura 19 – Tensiones circunferenciales H/D 2.00 en espesores 2D- minimas

La Figura 20 muestra las curvas de tensiones circunferenciales, dependiendo del grosor de las férulas y la altura de carga del agua.

Figura 20 – Curvas de las tensiones circunferenciales del tanque H/D 2.00

4.4 TANQUE H/D A 1.00 – DIÁMETRO 9,43 M Y ALTURA 9,43 M

Las figuras 21 y 22 muestran las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados según la Ecuación 1 y asumidos como férula 1 con 3,35 mm, férula 2 con 2,65 mm, férula 3 con 2,25 mm y la otra con 2,00 mm. El voltaje de vibración máxima 1 fue de 146,39 Mpa, inferior a la tensión admisible del acero ASTM A36 de 160,00 Mpa, según la tabla 5-2 de API 650.

Figura 21 – Tensiones circunferenciales H/D 1.00 en 3D – espesores calculados

Figura 22 – Tensiones circunferenciales H/D 1.00 en 2D – espesores calculados

La Figura 23 muestra las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados según los espesores mínimos de API 650, en este caso 4,75 mm. La tensión máxima era de 104,02 MPa.

Figura 23 – Tensiones circunferenciales H/D 1.00 en espesores 2D- minimas

La Figura 24 muestra las curvas de tensión circunferenciales, dependiendo del grosor de las férulas y la altura de carga del agua.

Figura 24 – Curvas de tensiones circunferenciales del tanque H/D 1.00

4.5 TANQUE H/D A 0,50 – DIÁMETRO 7,49 M Y ALTURA 14,98 M

Las figuras 25 y 26 muestran las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados según la Ecuación 1 y asumidos como férula 1 con 4,25 mm, férula 2 con 3,75 mm, férula 3 con 3,35 mm, férula 4 con 3,00, ferrule 5 con 2,65 mm y la otra con 2,30 mm. El voltaje máximo de vibración 1 fue de 146,86 Mpa, inferior a la tensión admisible del acero ASTM A36 de 160,00 Mpa, según la tabla 5-2 de API 650.

Figura 25 – Tensiones circunferenciales H/D 0,50 en 3D – espesores calculados

Figura 26 – Tensiones circunferenciales H/D 0,50 en 2D – espesores calculados

La Figura 27 muestra las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados según los espesores mínimos de API 650, en caso de 4,75 mm. La tensión máxima era de 132,09 MPa.

Figura 27 – Tensiones circunferenciales H/D 0,50 en espesores 2D- minimas

La Figura 28 muestra las curvas de tensiones circunferenciales, dependiendo del grosor de las férulas y la altura de carga del agua.

Figura 28 – Curvas de las tensiones circunferenciales del tanque H/D 0,50

4.6 TANQUE H/D A 0,25 – DIÁMETRO 5,94 M Y ALTURA 23,77 M

Las figuras 29 y 30 muestran las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados de acuerdo con la Ecuación 1 y asumidos como ferrule 1 con 6,35 mm, férula 2 con 4,75 mm, férula 3 con 4,25 mm, férula 4 con 4,25, férula 5 con 3,75 mm, férula 6 con 3,75 mm, férula 7 con 3,35 mm, férula 8 con 3,00 mm , férula 9 con 2,65 mm, férula 10 con 2,25 mm y la otra con 2,00 mm. El voltaje de vibración máxima 1 fue de 129,72 Mpa, inferior a la tensión admisible del acero ASTM A36 de 160,00 Mpa, según la tabla 5-2 de API 650.

Figura 29 – Tensiones circunferenciales H/D 0,25 en 3D – espesores calculados

Figura 30 – Tensiones circunferenciales H/D 0,25 en 2D – espesores calculados

La Figura 31 muestra las tensiones circunferenciales con los espesores del tanque calculados según los espesores mínimos de API 650, en este caso 6,35 mm. La tensión máxima era de 129,72 MPa.

Figura 31 – Tensiones circunferenciales H/D 0.25 en espesores 2D- minimas

La Figura 32 muestra las curvas de tensiones circunferenciales, dependiendo del grosor de las férulas y la altura de carga del agua.

Figura 32 – Curvas de las circunferencias del tanque H/D 0.25

4.7 PESO COMPLETO ÓPTIMO X CURVA DE BANDA H/D

La Figura 33 muestra las curvas de peso típicas en función de H/D, para tanques sin hogar, de espesores variables, dimensionados según la prescripción de API 650, con aplicación de la Ecuación 1 (curva roja) y espesores mínimos (curva azul).

El rango óptimo, para ambos criterios de dimensionamiento, está entre H/D =  0,75 y H/D =  2,25.

Figura 33 – Curvas de peso típicas de los tanques sin hogar en función de la relación H/D

5. CONCLUSIÓN

A partir de los resultados presentados, se concluye que es posible, para la reserva de agua, establecer relaciones óptimas de H/D que apunten a un peso mínimo del tanque, incluso teniendo en cuenta los 2 criterios de dimensionamiento, es decir, espesores con sólo la aplicación de la Ecuación 1 y espesores teniendo en cuenta los espesores mínimos prescritos por API 650.

Para el dimensionamiento de tanques metálicos para la reserva de agua, cuando no se apliquen los criterios de seguridad para incendios y explosiones, el uso de dimensionamiento con sólo los espesores determinados por la Ecuación 1 puede ser aceptable, porque las tensiones de circunferencia determinadas por el MEF  (Método de elementos finitos) siempre fueron inferiores a la tensión admisible establecida en el Cuadro 5-2 de la API 650.

REFERENCIAS

AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API Standard 650: Welded steel tanks for oil storage. 12 th ed. Washington DC, 20013.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7821 – Tanques soldados para armazenamento de petróleo e derivados. Rio de Janeiro. 1983.

AZZUMI, E., GUZEY, S. Comparison of the shell design methods for cylindrical liquid storage tanks. Engineering Structures 101. 2015.

BARROS, S. M. Tanques de armazenamento. Universidade Petrobras. Rio de Janeiro. 2010.

HECKE, M. B. Elementos finitos aplicados à engenharia de estruturas. Reservatórios cilíndricos e silos metálicos. Universidade Federal do Paraná. Curitiba. 2010.

KUAN, S. Y. Design, Construction and Operation of the Floating Roof Tank. University of Soutthern Queensland. Queensland. 2009.

NUNES, C. P. Uma metodologia de projetos de tanques atmosféricos verticais para armazenamento de petróleo e seus derivados. Monografia. Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre. 2013.

RONCETTI, L. Otimização estrutural e econômica de tanques de armazenamento construídos em aço. Anais do 66º Congresso Anual da Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais – ABM. São Paulo. 2011.

SATO, A. K. Projeto de um tanque de armazenamento atmosférico com teto flutuante para estocagem de gasolina. Trabalho de graduação. Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, UNESP. Guaratinguetá, 2015.

ZICK L.P., MCGRATH R.V. Design of large diameter cylindrical shells. Proc. Division Refining, AMERICAM PETROLEUM INSTITUTE. New York. 1968.

^[1] Máster en Estructuras y Construcción Civil; Especialización en Construcciones Industriales; Especialización en Ingeniería Ambiental; Especialización en Ingeniería de Seguridad; Ingeniero Civil e Ingeniero de Operaciones Mecánicas.

^[2] Especialización en Ingeniería Estructural e Ingeniería Civil.

^[3] Ingeniero Civil.

Enviado: Abril, 2020.

Aprobado: Mayo, 2020.