ANALISIS ESTRUCTURAL EN EL JUNTA TECHO-ENVOLVENTE DE TANQUES ATMOSFERICOS DE ALMACENAMIENTO DE CRUDO DE 560 BARRILES

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

ANÁLISIS ESTRUCTURAL EN LA JUNTA

TECHO-ENVOLVENTE DE TANQUES ATMOSFÉRICOS DE

ALMACENAMIENTO DE CRUDO DE 560 BARRILES.

T E S I S

PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS

CON ESPECIALIDAD EN

INGENIERÍA MECÁNICA

P R E S E N T A:

Ing. Alejandro Marquina Chávez

Director de Tesis: Dr. José Martínez Trinidad.

ÍNDICE

ÍNDICE ...II ÍNDICE DE TABLAS ... IV ÍNDICE DE FIGURAS ... V SIMBOLOGÍA... VI SIMBOLOGÍA... VI RESUMEN ... VII ABSTRACT ... VIII

INTRODUCCIÓN. ...1

OBJETIVO...3

JUSTIFICACIÓN. ...3

CAPÍTULO 1...3

GENERALIDADES SOBRE TANQUES ATMOSFÉRICOS DE ALMACENAMIENTO. ...3

1.1 ¿Qués el Petróleo (Crudo)?. ...4

1.1.1. La Importancia del Petróleo...4

1.1.2. Definición. ...4

1.1.3. Características...4

1.1.4. Origen del Petróleo (Crudo)...5

1.1.5. Clásificación del Petróleo (Crudo). ...6

1.1.6. Producción del Petróleo (Crudo). ...8

1.2 ¿Cómo funciona un Tanque Atmosférico de Almacenamiento de Crudo?. ...9

1.3 Importancia del Almacenamiento. (Estadísticas). ...12

1.4 Clasificacion General de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento (TAA). ...13

1.5 Materiales Utilizados para la Construcción de Tanques de Atmosféricos de Almacenamiento...14

1.6 Procesos de Contrucción de un Tanque Atmosférico de Almacenamiento. ...20

1.7 Tipos de Fallas. ...24

1.8 Normatividad. ...26

1.8.1. Norma API-650. ...26

1.8.2. Norma BS 2654. ...27

1.9 Planteamiento del Problema. ...28

1.10 Plan de Trabajo. ...29

1.10.1. Método Científico...29

1.11 Referencias. ...31

CAPÍTULO 2...32

ANÁLISIS DE ESFUERZOS ENFOCADOS AL CASO DE ESTUDIO...32

2.1 Diseño de la Envolvente del Tanque de Almacenamiento...33

2.2 Esfuerzos en Recipientes Cilindricos Soldados. ...34

2.2.1. Análisis de Esfuerzos Circunferenciales...35

2.2.2. Análisis de Esfuerzos longitudinales. ...36

2.3 Diseño de la Envolvente de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo. ...37

2.3.1. Diseño de Placas de la Envolvente del Tanque. ...37

2.3.1.1. Cálculos para el Diseño de Espesores de la Envolvente, según API 650. ...38

2.3.1.2. Análisis de los Espesores de Diseño de la Envolvente (Propuesta)...40

2.4 Diseño del Techo la Envolvente de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo. ...42

2.4.1. Tipos de Techo. ...42

2.4.2. Diseño del Espesor de la Placa del Techo. ...43

2.4.2.1. Área de Compresión Requerida...44

2.4.3. Junta de Techo Frágil (Frangible Joint). ...47

2.4.3.1. ¿Qué es un Techo Frágil?...47

2.4.3.2. ¿Por qué es necesario una Junta Frágil? ...48

2.4.3.3. Criterios para la selección de una Junta Frágil ...48

2.5 Placas del Fondo de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo. ...50

2.6 Presión Interna de Diseño, Máxima y de Falla en Tanques de Almacenamiento...51

2.7 Referencias. ...53

CAPÍTULO 3...49

DISEÑO ANALÍTICO Y NUMÉRICO...49

3.1 Aspectos Generales. ...50

3.1.1 Programa MathCad®. ...50

3.2 Cálculos de Diseño del Espesor de la Envolvente...51

3.2.1 Teoría de Falla (Von Mises)...51

3.2.2 Método de “One Foot” (API-650/1998). ...53

3.2.3 Método del “Apéndice A” (API-650/1998). ...57

3.2.4 Método del “Punto Variable” (API-650/1998, BS 2645). ...59

3.2.5 Propuesta del Proyecto de Tésis (basado en el método de “One Foot”)...67

3.3 Cálculos de Diseño del Espesor del Techo...69

3.3.1 Cálculo del Area de Compresión Requerida para la Junta Techo – Envolvente (API 650). ...69

3.3.2 Cálculo de la Presión Interna de Diseño, la Presión Máxima y la Presión de Falla...74

3.4 Modelado del Problema por el Analisis del Elemento Finito (ANSYS®_)...75

3.4.1 Planeación del modelo de la estructura...75

3.4.2 Elección de los elementos a utilizar en este análisis. ...76

3.4.2.1. Elemento: “PLANE2 - 2-D 6-Node Triangular Structural Solid”...77

3.4.3 Presión Interna de Diseño en el Tanque. ...80

3.4.4 Presión Máxima en el Tanque. ...80

3.5 Referencias. ...81

CAPÍTULO 4...82

EVALUACIÓN DE RESULTADOS...82

CONCLUSIONES...84

RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS. ...86

ANEXOS ...88

ANEXO A. ...88

A.1 Juntas Soldadas...89

A.1.1. Tipos de Juntas. ...89

A.1.2. Juntas en la Envolvente del TAA...90

A.1.2.1. Juntas Verticales en la envolvente (Casco). ...90

A.1.2.2. Juntas Horizontales en la envolvente (Casco)...91

A.1.2.3. Juntas en el Fondo y en el Techo del TAA. ...91

A.1.2.4. Distorsiones permitidas en las juntas...92

A.1.2.5. Factor de Eficiencia en las juntas...93

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

A.1.4. Referencias...95

ANEXO B. ...96

B.1 Congreso Internacional de Materiales...97

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1-1. Clasificación del Aceite Crudo según API (Fuente: Instituto Mexicano del Petróleo). ...7

Tabla 1-2. Grupos de Materiales, unidades en Sistema Internacional. (Fuente: API Standard 650,) ...17

Tabla 1-3. Clasificación de los diferentes materiales del Grupo 1. ...18

Tabla 1-4. Valores de esfuerzos para materiales utilizados en TAA. (Fuente: API Standard 650, sección. 3.6.2)...19

Tabla 2-1. Ecuaciones de los Espesor de placa según API-650. ...38

Tabla 2-2. Espesores Nominales para Placas de Envolventes. (Fuente: API Standard 650, sección. 2.6)...39

Tabla A-1. Factores de Eficiencia de Juntas soldadas Norma (Fuente ASME, Tabla UW-12)...93

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1. Mezcla de petróleo (negro parte superior) y agua (transparente parte inferior). [1.3] ...5

Figura 1-2. Yacimiento petrolero. ...8

Figura 1-3. Proceso de llenado del Tanque desde el Pozo Petrolero. ...9

Figura 1-4. Diagrama de Flujo de una Batería de Separación. [1.4] ...10

Figura 1-5. Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de 560 barriles de capacidad. ...10

Figura 1-6. Mezcla del Crudo contenida en el Tanque...11

Figura 1-7. Clasificación General de los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento. [1.7]...13

Figura 1-8. Diseño mínimo permisible del material (MDMT), utilizado en envolventes de Tanques de Almacenamiento sin Prueba de Impacto. [1.7]...16

Figura 1-8. Fases de construcción de un Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de crudo. ...23

Figura 1-9. Fallas en distintos tipos de TAA (Fuente: Colección Steinbrugge. EERC, U.C. Berkeley )...25

Figura 1-10. Evaporización del crudo dentro de un Tanque Atmosférico...28

Figura 1-11. Crudo en almacenamiento en el interior de un Tanque Atmosférico de Almacenamiento. ...29

Figura 1-12. a) Método Científico, b) Aplicación del Método Científico...30

Figura 2-1. Análisis de esfuerzos en un recipiente de pared delgada. ...34

Figura 2-2. Diagrama de cuerpo libre del segmento del recipiente. [2.2] ...35

Figura 2-3. Esfuerzos circunferenciales en el recipiente. [2.2] ...36

Figura 2-4. Distribución del esfuerzo y la presión en un Tanque Atmosférico de Almacenamiento. [2.5]. ...37

Tabla 2-1. Ecuaciones de los Espesor de placa según API-650. ...38

Tabla 2-2. Espesores Nominales para Placas de Envolventes. [2.6]...39

Figura 2-5. Tipos de Techos Fijos en Tanques Atmosféricos de Almacenamientos. [2.9].. ...42

Figura 2-6. Diagrama de cuerpo libre del techo cónico. [2.9]. ...43

Figura 2-7. Presión sobre la envolvente y el Techo. ...44

Figura 2-8. Detalle de unión estructural techo-envolvente. [2.6]. ...45

Figura 2-9. Distribución de las Placas de Fondo. [2.5]. ...50

Figura 3-1. Comportamiento del Tanque bajo la presión Interna de Diseño. ...80

Figura 3-2. Deformación del Tanque bajo la presión Mávima. ...80

Figura 3-3. Deformación del Tanque bajo la presión Interna de Diseño. ...81

Figura A-1. Tipos de Juntas (según ANSI/AWS A 3.0-85). ...89

Figura A-2. Tipos de Soldaduras (según ANSI/AWS A 3.0-85)...90

Figura A-3. Tipos de Juntas Verticales en Envolventes. ...90

Figura A-4. Tipos de Juntas Horizontales en Envolventes (según API- 650, 3.1.5.3) ...91

Figura A-5. Tipos de Juntas en el Fondo y en el Techo (según API- 650)...91

SIMBOLOGÍA

CA Corrosión Permisible, en mm

D Diámetro efectiva del Tanque, en mm

E _{Módulo de elasticidad, en} GPa

G _{Gravedad Específica, en kg/m}3

H Máximo Nivel del Líquido en el diseño, en m Ht Máxima Altura Permisible, en mm

h1 Altura de la placa del anillo del fondo, en mm

h2 Altura del segundo del anillo, en mm

td Espesor de diseño del Tanque, en mm

t1 Espesor de la placa del anillo del fondo, en mm

t2 Espesor de la placa del tercer anillo, en mm

Q Capacidad Requerida, en galones

T Temperatura, °C

ε Deformación, m/m

ρ Gravedad Específica del fluido,

σu Resistencia de ruptura,

σd Esfuerzo de Diseño, en MPa

RESUMEN

El Instituto Americano del Petróleo (API, siglas en ingles) establece los estándares para el diseño,

construcción e inspección de tanques de almacenamiento. El API 650 incluye, además de diversas previsiones

importantes de diseño, criterios que gobiernan el diseño de la unión frágil techo- envolvente para aceros

soldados en tanques de almacenamiento. La unión frágil es la característica primaria de diseño que asegura la

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

líquido almacenado en un evento inesperado de sobre-presurización de un tanque. Dada la importancia que

representa el diseño de la unión frágil techo-evolvente debido a sus implicaciones en seguridad y ambientales,

en este trabajo se realiza el análisis de falla de la unión techo- envolvente de los Tanques Atmosféricos de

Almacenamiento de crudo de 560 barriles, basado en la propuesta de una unión frágil . Se realizó el análisis

empleando el método de elemento finito utilizando un software comercial. Los resultados obtenidos fueron

comparados con los establecidos en la Norma API-650. El trabajo no solo provee de una metodología analítica

ABSTRACT

In this work he/she will be carried out the analysis of the flaw in the Roof-encircling Meeting of the Atmospheric

storage Tanks of 560 barrels of capacity. They will be carried out the general calculations of the tank (walls and

roof), as well as of the roof-encircling union that is the place where the problem is presented. He/she will also

be carried out the Frangibilidad of the Meeting Encircling Roof.

Present must be had that the storage tanks used in the oil industry are governed, from its design, production,

assembly, and you prove for the code API-650 and against the this norm data were compared that leave

requiring through the investigation.

The calculations that will be elaborated will be based on the analysis of efforts focused to the case of the study,

with the obtained information they will feed the files to create a model in ANSYS that allows to visualize the

INTRODUCCIÓN.

Petróleos Mexicanos (PEMEX), reportó en su “Anuario Estadístico, PEMEX 2006”, que la producción de

petróleo crudo para el 2005, fue de 3.333 millones de barriles diarios, de los cuales se exportaron 1.817

millones de barriles; lo que representó un ingreso de 28,311 millones de dólares en el 2005. Ahora bien, en

todas la instalaciones que forman parte del proceso de la extracción, distribución y refinación de PEMEX, se

requieren Tanques de Almacenamiento de diferentes capacidades que van desde los 250 hasta los 200,000

barriles de Crudo, en concreto, todo el crudo que se produce, en algún momento debe ser almacenado.

Actualmente, debido a accidentes y fallas que se han presentado, específicamente en la Unión Techo-

Envolvente en tanques de almacenamiento menores a 15m de diámetro, específicamente en el área de la

Junta Frágil (Joint Frangible) es por lo que se decide hacer un análisis y proponer una solución a este

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

Atmosféricos de Almacenamiento de crudos, están siendo revisados en sus criterios de diseño, para

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

Petrolera.

En el capítulo 1, se describirá de una forma general que es el crudo, conceptos, definiciones como se extrae,

se almacena y se transporta, esto debido a que es el material que se almacenará en los Tanques

Atmosféricos de Almacenamiento.

En el capítulo 2, Se presenta un Análisis de Esfuerzos aplicado tanto a la envolvente como a la junta techo –

envolvente de un Tanque de Atmosférico de Almacenamiento. Posteriormente se describirán los métodos para

calcular los espesores de diseño para la construcción de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento y por

ultimo se calculará la presión teórica de falla de un tanque de capacidad de 560 barriles de crudo.

En el capítulo 3, Se calculará el espesor de las planchas de los Tanques, por análisis de fallas, por el

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

para su calculo. También se analizará por medio del elemento finito las presiones y el comportamiento del

Tanque con las presiones calculadas por medio del programa ANSYS®.

Conclusiones, basados en los cálculos del capítulo 3, se procede a realizar un análisis de los resultados

límites de esfuerzo de diseño según se indican en la norma. Como punto final, comprobaremos dicho cálculos

con el programa ANSYS y se cotejarán los resultados para realizar una propuesta de solución al problema

Dentro del Instituto Politécnico Nacional se han encontrado trabajos tales como: “Análisis de la Estabilidad y

Comportamiento de Estructuras Cilíndricas de Pared Delgada Utilizando Elementos Finitos”, H. Sánchez

Sánchez, 2001 de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación. Dicho trabajo tiene relación con el

OBJETIVO

En esta investigación se estudia el comportamiento estructural de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento

de Crudo, estando sometidos a sobrepresiones internas, que traen como consecuencia la expansión del

tanque y llegan a presentar fracturas en la unión techo-envolvente. Por lo que el objetivo es determinar teórica

y numéricamente la presión de falla de un Tanque de 4.57 m (15´) de diámetro por 5.49 m (18´) de altura total.

En este trabajo sólo se realiza el análisis estático en el Tanque de Almacenamiento.

Este caso del estudio solamente se considerará el análisis estático, es decir, la presión interna en el tanque,

y no se tomará en cuenta las cargas variables (vientos, sismos, cargas en las uniones de las tuberías de

JUSTIFICACIÓN.

Por la parte económica, en la cual PEMEX generó un ingreso de 28,311 millones de dólares en el 2005 por la

producción de petróleo. Y durante todo el proceso, el crudo que se produce debe ser almacenado

continuamente en sus diferentes etapas de producción.

Actualmente las compañías que le trabajan a PEMEX, cumplen los requisitos de diseño y construcción

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

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

fugas, más no simula las condiciones reales de llenado de crudo y mucho menos la presencia de vapores de

los crudos confinados dentro de los tanques.

A principios del 2006, el subcomité de recipientes y Tanques a presión de la API-650, se reunió para realizar

propuestas en criterios de diseño de la unión frágil del techo de los Tanques, debido a que no esta totalmente

definido este punto para tanques pequeños menores de de 4.57 m (15´) de diámetro. y si ponemos analizar

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

CAPÍTULO 1

GENERALIDADES SOBRE TANQUES

ATMOSFÉRICOS DE ALMACENAMIENTO.

Se presentan aspectos generales relacionados con Tanques

Atmosféricos de Almacenamiento, su clasificación por tipo, uso,

cálculos de diseño, materiales para construcción, tipos de

1.1

¿Qués el Petróleo (Crudo)?.

1.1.1.

La Importancia del Petróleo.

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

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

objetos de plástico, materiales para la construcción, pinturas, textiles, generar electricidad, lubricar maquinaria,

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

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

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

todo ello, el petróleo es la fuente de energía más importante de la sociedad actual.

1.1.2.

Definición.

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

sale de la tierra. La palabra petróleo proviene de “petro” (piedra) y “óleo” (aceite), o sea “aceite de piedra”. En

México el vocablo “chapopote” o “chapapote” es castellanización de la palabra náhuatl “chapopoctli” (grasa) y

“poctli” (humo). [1.1]

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

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

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

20 lts de queroseno, 77 lts de gasóleo y destilados y 20 lts de residuos más pesados. Actualmente, un barril

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

lts de lubricantes y 11.5 lts de residuos más pesados.

1.1.3.

Características.

El petróleo (aceite mineral) se encuentra en el interior de la tierra y se compone principalmente de carbono (de

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

procede de sustancias orgánicas. El petróleo es un fluido algo espeso cuyo color varía bastante, así como su

muy desagradable y su densidad está comprendida entre los 0´8 y 0´95, este es siempre menos denso que el

agua, por lo que generalmente flota en ella (Figura 1-1). Este crudo es una mezcla de gran variedad de aceites

minerales, llamados "hidrocarburos", debido a que sus moléculas están formadas por hidrógeno y carbono

de distinto peso y contextura molecular, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre y

de oxígeno; el contenido de azufre varía entre un 0.1 y un 5%.

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

El petróleo contiene elementos gaseosos, líquidos y sólidos. La consistencia del petróleo varía desde un

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

pequeñas cantidades de compuestos gaseosos disueltos en el líquido; cuando las cantidades de estos

compuestos son mayores, el yacimiento de petróleo está asociado con un depósito de gas natural. Estos

gases son también líquidos, bajo las presiones extremadamente altas que son creadas por la naturaleza en el

subsuelo y se le conocen como gas natural. Todos estos hidrocarburos se encuentran generalmente

presentes al principio en forma de petróleo crudo líquido.

1.1.4.

Origen del Petróleo (Crudo).

El petróleo se forma bajo la superficie terrestre por la descomposición de organismos marinos. Los restos de

animales minúsculos que viven en el mar y en menor medida, los de organismos terrestres arrastrados al mar

por los ríos o los de plantas que crecen en los fondos marinos. Se mezclan con las finas arenas y limos que

caen al fondo en las cuencas marinas tranquilas. Estos depósitos, ricos en materiales orgánicos, se convierten

en rocas generadoras de crudo. El proceso comenzó hace muchos millones de años, cuando surgieron los

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

adicionales, la presión sobre los situados más abajo se multiplica por varios miles, y la temperatura aumenta

en varios cientos de grados. El cieno y la arena se endurecen y se convierten en esquistos y arenisca; los

carbonatos precipitados y los restos de caparazones se convierten en caliza, y los tejidos blandos de los

organismos muertos se transforman en petróleo y gas natural.

1.1.5.

Clásificación del Petróleo (Crudo).

Los métodos de clasificación constituyen elementos indicativos de las características generales de un tipo de

crudo, dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que integran el

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

combustibles, lubricantes, ceras o solventes. Uno de los sistemas más utilizados es el de gravedad específica

o grado API. [1.2]

A continuación se menciona conceptos relacionados con este tema que ayudarán a comprenderlo mejor.

Densidad (ρ). La densidad de una sustancia es definida como la masa por unidad de volumen, expresada como gr/cm3_{, lb/ft}3_{, etc}

Gravedad Específica (G). La gravedad específica de una sustancia es la relación de la densidad (ρ) de una sustancia con la densidad de una sustancia (ρref) a condiciones específicas. La sustancia de referencia es

comúnmente tomada del agua a 4°C donde ρref es igual a 1000 gr/cm3, esto es 62.43 lb/ft3.

Equation Chapter (Next) Section 1

F A

σ = (1.1)

Gravedad API (°API). La gravedad específica del petróleo o productos del petróleo son expresados en

términos de “Grados API” en una escala definida por:

141.5

131.5

API G

° = − (1.2)

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

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

Aceite Crudo Densidad

( g/cm3_{) grados API}Densidad Extrapesado >1.0 10.0 Pesado 1.0 - 0.92 10.0 - 22.3 Mediano 0.92 - 0.87 22.3 - 31.1 Ligero 0.87 - 0.83 31.1 - 39 Superligero < 0.83 > 39

Tabla 1-1. Clasificación del Aceite Crudo según API. [1.1]

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

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

densidad de 33.6 grados API y un peso específico de 0.8535), que representa casi un tercio del total de la

producción; y el Olmeca-39, extra ligero (con densidad de 39.3 grados API y un peso específico de 0.8261),

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

En la región norte del estado de Veracruz, el tipo de crudo que se obtiene es del tipo Istmo y debemos tenerlo

1.1.6.

Producción del Petróleo (Crudo).

Cundo un pozo petrolero ya sea terrestre o una plataforma marina está siendo perforado, y ha alcanzado la

zona del yacimiento petrolero (Figura 1-2), se procede a la puesta en servicio del pozo, y por consiguiente el

crudo (petróleo) es extraído. A partir de aquí, el crudo se envía inmediatamente a una Batería de Separación,

con finalidad separar gases, aceites, agua y sólidos en suspensión que producen los pozos. Dichas Baterías

están formadas por un conjunto de tanques de almacenamiento, tuberías, dispositivos y accesorios que

permiten separar, controlar medir y almacenar temporalmente los fluidos producidos por un pozo o un conjunto

de pozos petroleros que fluyen a esta.

Figura 1-2. Yacimiento petrolero.

El almacenamiento de lo diferentes tipos de crudos, gases, aceites, agua y sólidos se efectúa normalmente en

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

1.2

¿Cómo funciona un Tanque Atmosférico de Almacenamiento de

Crudo?.

A partir de la extracción del crudo, este se envía desde el pozo por medio de bombas a las Baterías de

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

mezclado o emulsionado con agua, con materias en suspensión o sales inorgánicas entre otras, que se

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

normalmente drenados o purgados según su tasa de acumulación.

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

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

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

de 10, separador de gas, calentadores, tanques de producción general y de control (medición), bombas,

Figura 1-4. Diagrama de Flujo de una Batería de Separación. [1.4]

En los tanques de producción se realiza la primera recolección y el primer procesamiento de separación,

utiliza como carga el petróleo crudo y es el primer paso en la manipulación, previo al envío a la refinación o un

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

debe recordar, como ya se mencionó antes, que durante este periodo el crudo, el agua y el gas natural que

fluyen son separados dando como resultado una mezcla lodosa en el interior del Tanque (Figura 1-6). Ahora

bien, estos tanques son recipientes cilíndricos verticales diseñados para operar a una presión interna

aproximada igual a la atmosférica; la presión del vapor del producto a la temperatura máxima de

almacenamiento podrá variar de 0.035 kg/cm2 _{(0 a 0.5 lb/pulg}2_{) Manométricas, o sea, aproximadamente de}

0.035 a 1.068 kg/cm2 _{(0.5 a 15 lb/pulg}2_{) Absoluta. [1.4]}

1.3

Importancia del Almacenamiento. (Estadísticas).

Se ha de hacer mención que la mayoría de los tanques existentes en PEP región NORTE, son del tipo techo

unión frangible y las diferentes capacidades de los tanques con los que se cuenta son de: 280, 560, 1000,

2000, 3000, 5000, 10 000, 20 000 y 30 000, barriles de petróleo. Tanques de mayores capacidades se

localizan en complejos petroquímicos. Como caso de estudio se analizará un tanque con 560 barriles de

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

Las Baterías de separación cuentan como mínimo con dos tanques de 280, dos de 560, y uno de 1000 bls y

pudiera darse el caso de uno de 2000 o 3000 y/o uno de 5000 barriles de petróleo. En la región Norte, las

Baterías de Separación existentes son:

1. POZA RICA II, V, VI, VIII, X y XX.

2. SAN ANDRÉS I, II, III y IV.

3. REMOLINO I y II.

4. CHOTE I y II.

5. CERRO DEL CARBÓN

6. CENTRAL DE ALMACENAMIENTO Y BOMBEO (CAB)

7. EL MURO

8. EZEQUIEL ORDÓÑEZ

9. PUNTA DE PIEDRA

10. MIQUETLA I, II.

11. FAJA DE ORO

12. JILIAPA

13. NUEVO PROGRESO

14. SANTA AGUEDA

15. ACUATEMPA

16. ANTARES

17. MIGUEL ALEMAN VII y VIII.

18. NARANJOS

19. TAJIN I, II, III y IV.

20. MOZUTLA

21. PITAL

22. ALLAZGO I y II

1.4

Clasificacion General de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento

(TAA).

En general, se puede clasificar los Tanques de Almacenamiento de la siguiente manera:

POSICIÓN Verticales

Apoyados o superficiales,

UBICACIÓN

Soportados _Cónicos

Figura 1-7. Clasificación General de los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento. [1.7]

Como se puede apreciar en la Figura 1-7, existen diversos tipos de Tanques Atmosféricos de

Almacenamiento, el tipo de Tanque que se analizará en este proyecto son los del tipo Cilíndricos Verticales

de Fondo Plano y Techo Fijo Cónico Autosoportado.

El diseño del tanque cilíndrico vertical, operando a presión atmosférica, consiste de solo cuerpo, cuyo techo

cónico fijo no tiene ninguna posibilidad de movimiento. El fondo plano, descansa directamente en una

cimentación compuesta de arena, grava o piedra triturada. Posee varias válvulas de venteo, que permiten la

salida de los vapores que están formándose continuamente en su interior. Este sistema de válvulas es

necesario, debido a que los tanques de este tipo de techo no están preparados para soportar o resistir

sobre-presiones. Se construyen de acero, sus placas que la forman están unidas entre sí por medio de soldadura.

En de la industria petrolera y en especial en el activo Poza Rica de PEMEX, los tanques atmosféricos de

almacenamiento se utilizan en tres actividades que son: producción general, medición y almacenamiento [1.4]. FORMA Cilíndricos _verticales,

Autosoportado _{Domo ó paraguas}

Techos Fijos

Cubierta interna flotante

Cubierta simple externa

Doble cubierta externa Techos Flotantes

Tanques de Medición. Son utilizados para medir la cantidad de líquidos que produce un pozo sometido a

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

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

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

líquidos que produce uno o varios pozos. Su capacidad varía de 1000 a 5000 bls.

Tanques de Almacenamiento. Se consideran como obras permanentes, debido a que su capacidad oscila

entre los 5,000 y 10,000 bls; lo cual hace que no se puedan transportar armados. Este tipo de tanque recibe

los líquidos de los tanques de producción general y medición y como su nombre lo indica permite almacenar

los líquidos que produce los pozos por más tiempo que los anteriores.

Es importante mencionar que la selección del tipo de tanque dependerá de la presión de trabajo de vapor

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

fase líquida y evitar las mermas (perdidas por evaporación).

1.5

Materiales Utilizados para la Construcción de Tanques de

Atmosféricos de Almacenamiento.

Un aspecto muy importante en el diseño de un Tanque de Almacenamiento es la selección apropiada del

material de las placas que conforman tanto los anillos de la envolvente del tanque, el fondo y el techo del

mismo, con el objetivo de prevenir fallas producidas por los esfuerzos del líquido almacenado (crudo) sobre el

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

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

líquido almacenado (crudo), la cual gobierna directamente la temperatura de las placas del Tanque [1.5]. Se

debe tener presente que la temperatura del crudo almacenado no se debe ajustar a los cambios de la

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

Atmosférico de Almacenamiento:

1. Los tanques no contengan líquidos ó gases letales,

2. La temperatura de operación estará entre -28.89°C y 343.33°C, y

3. El espesor de la placa no exceda de 16 mm (5/8 pulg).

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

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

nivel de cedencia, una buena capacidad de alargamiento y mínima reducción de área. Con estas propiedades

principales se establecen los esfuerzos de diseño para el material en cuestión.

Físicas. En este tipo de propiedades se buscará que el material deseado tenga un aceptable coeficiente de

dilatación térmica.

Químicas. La principal propiedad química que se debe considerar en el material que se utilizará en la

fabricación de tanques es su resistencia a la corrosión.

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

propiedades de soldabilidad, debido a que la mayoría de los componentes son de construcción soldada. Para

el caso en que se tengan que soldar materiales diferentes entre él, estos deberán ser compatibles en lo que a

soldabilidad se refiere.

Para la selección del material, a continuación se presenta una gráfica donde se agrupan materiales y con base

en la temperatura mínima de diseño (MDMT), se selecciona el espesor mínimo de placa.

Se considerará la temperatura ambiente de la región geográfica donde serán montados los Tanques (Figura

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

entre los 22° y 26°C; y en época de calor oscila entre los 35° y 45°C (95° y 113°F) llegando alcanzar en

Temperatu

ra de

Diseño del Metal

Espesor utilizado en envolventes de Tanques de Almacenamiento, incluyendo la corrosión permitida

Notas:

1. Para los Grupos II y V, algunas líneas coinciden con espesores menores que 12.5 mm ( ½ in). 2. Los Grupos III y IIIA, todas las líneas coinciden en espesores menores de 12.5 mm ( ½ in), 3. Los materiales para cada grupo están listados en la Tabla 1-2.

Figura 1-8. Diseño mínimo permisible del material (MDMT), utilizado en envolventes de Tanques de Almacenamiento sin Prueba de Impacto. [1.7]

Posteriormente, y basándose en la Norma API-650 [1.7], cuando ha sido seleccionado un grupo, se procede a

las Tablas 1-3 y 1-4, para seleccionar un material.

Grupo I Grupo II Grupo III Grupo IIIA

Rolado, semiterminado Rolado, terminado o semiterminado

Rolado, terminado. Grano Fino

Normalizado, terminado. Grano fino

Material Notas Material Notas Material Notas Material Notas

A 283M C 2 A 31M B 7 A 573-400 A 131M CS

A 285M C 2 A 36M 2,6 A 516M-380 A 573M-400 10

A131M A 2 G40.21M-260W A 516M-415 A 516M-380 10

A 36M 2,3 Grado 41 5,8 G40.21M-260W 9 A 516M-415 10

Grado 37 3,5 Grado 41 5,9 G40.21M-260W 9,10

Grupo IV Grupo IVA Grupo V Grupo VI

Rolado, semiterminado Rolado, terminado o Grano Fino

Normalizado, terminado. Grano Fino

Templado y Revenido, Terminado Grano fino, Reducción de Carbono

Material Notas Material Notas Material Notas Material Notas

A 573 M-450 A 662 M C A 573-485 10 A 131M EH36

A 573 M-480 A 573 M-485 11 A 516M-450 10 A 633 M C A 516 M-450 G40.21M-300W 9, 11 A 516M-485 10 A 633 M D A 516 M-485 G40.21M-350W 9, 11 G40.21M-300W 9,10 A 537M-I

A 662-M B G40.21M-350W 9,10 A 537M-II 13

G40.21M-300W 9 A 678M-A

G40.21M-350W 9 A 678M-B 13

E 275 4,9 A 737M-B

E 355 9 A 841 12,13

Grado 44 5, 9

1 La mayoría de los materiales listados se refiere a las especificaciones ASTM (incluyendo Grado o Clase); sin embrago existen algunas excepciones tales como: G40.21M (incluido el grado) el cual es una especificación canadiense CSA; Los Grados E 275 y E 355(incluyendo la calidad) pertenecen a la Norma ISO 630; y los Grados 37, 41 y 44 están relacionados con Normas Nacionales (es decir, han sido aprobadas por gobiernos de países en las cuales se originaron dichas Normas).

2 Terminado o Semiterminado

3 Espesores ≤ 12.5 mm (1/2 in)

4 Contenido máximo de Manganeso de 1.5 %.

5 Espesores máximos de 20 mm (3/4 in), cuando el rolado es controlado utilizando acero normalizado

6 El contenido de Manganeso deberá contener entre 0.80 y 1.2% para un análisis de temperatura de un espesor mayor a 0.75 in, exacto para cada reducción de 0.01% abajo del espécimen máximo de carbón, un incremento del 0.06% de manganeso arriba del espécimen máximo deberá ser permitida hasta un máximo de 1.35%. los espesores iguales o menores a 0.5 in deberán tener un contenido de manganeso de 0.8 y 1.2% por análisis de temperatura.

7 Espesores ≤ 25 mm (1 in)

8 Debe ser terminado

9 Debe ser terminado, elaborado por práctica de Grano Fino

10 Debe ser Normalizado

11 Deberán tener una prueba química modificada a un máximo de contenido de carbón de un 20% y un máximo de manganeso de 1.60%

12 Producido por un proceso de control termomecánico (TMCP, por sus sigla en inglés)

13 Para pruebas o simulaciones ara materiales utilizados en ensambles con relevados de esfuerzos.

Tabla 1-2. Grupos de Materiales, unidades en Sistema Internacional. [1.7]

Como se observa en la Figura 1-8, los materiales que se encuentran dentro del Grupo 1, son los que se

encuentran operando a la más alta temperatura, si bien, la tabla se limita a 16°C esta temperatura es la más

alta y sería la mas cercana para la temperatura de operación en la región norte del estado de Veracruz por lo

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

como una guía para tomar la decisión de que material utilizar en la construcción de Tanques Atmosféricos de

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

se ha mencionado, son las temperaturas altas que se presentan un a lo largo del año, por lo que no habría

diferencia de escoger entre un material 283 grado “C” y un 285 grado “C”, la diferencia radica en la

tempeatura de operación, el 283 soprta mejor este factor.

Composición Química, Wt en % Material

(ASTM)

Esfuerzo de Ced., en MPa

Esfuerzo Ultimo de Tensión, en MPa

Temp. de Operación,

en °C

Elong. %.

C Fe P Mn S Si

A 283 - C 205 380-450 Entre -9 y 343 22 Min. 0.2 100 Máx. 0.04 ---- Máx. 0.05

A 285 - C 205 380-515 Entre -55 y 8 27 Máx. 0.28 Min. 98.75 Máx. 0.035 ---- Máx. 0.035

A 131 235 400-490 21 Máx.

0.23 Min. 97 Máx. 0.05 2.73 Máx. 0.05 A-36 (planchas)

0.2 98 Máx.

0.04

1.03 Máx. 0.05

0.28

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

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

relativamente fáciles de maquinar, la AWS A5.1 o A5.5, recomienda usar para este material, electrodos E60xx,

E70xx; sin embargo, su uso es limitado a recipientes con espesores de láminas que no excedan de 16 mm

(5/8 in). El acero ASTM 283 C, no es recomendable en aplicaciones con temperaturas por arriba de los 343°C

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

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

Ya seleccionado el material en particular, el valor del esfuerzo mínimo de cedencia, del material se utilizará

1.6

Procesos de Contrucción de un Tanque Atmosférico de

Almacenamiento.

Con la información de los planos se procede a la construcción del Tanque Atmosférico de Almacenamiento. A

continuación se muestra gráficamente los pasos de la construcción del mismo.

(a) Se acondiciona la plantilla de la base del tanque nivelándola convenientemente, enseguida se construye el soporte de concreto para la estructura que soportará la cúpula del tanque, el redondel se construye de concreto y sirve para que descansen las paredes del tanque y se impermeabiliza con gravilla y asfalto toda el área donde irá apoyada la base.”

(b) Al mismo tiempo, en el taller, se trabaja en las láminas, placas o planchas que servirán de envolvente al tanque. Se tiene que hacer una diferencia entre láminas y placas, ambas son producto de laminación de sección generalmente rectangular cuya diferencia principal se basa en su espesor, las láminas tienen un espesor hasta de 5 mm (3/16”), y las planchas o placas, tiene un espesor mayor a 5 mm (3/16”), cualesquiera que sean, éstas deben ser roladas, esto es, que se les haya dado previamente la curvatura necesaria con el fin de que las paredes del tanque formen un cilindro regular, soldando a tope todas las placas que forman la envolvente.[1.8]

(c) Una vez acondicionada la base de sustentación, se procede al tendido y soldado de la placa de fondo, cortando la parte sobrante de las láminas exteriores para darle forma circular. El pandeo o alineación de las láminas que forman los anillos de la envolvente, puede efectuarse soldando a las láminas una láminas interiores entre las juntas horizontales de las láminas, pero al proceder de esta forma, las paredes del tanque pueden presentar deformaciones.

(e) Para poder efectuar la construcción del techo, previamente debe haberse construido la estructura interior del tanque. Regularmente consta de una columna tubular al centro. Sobre la placa de la columna central y unos ángulos soldados al casco, se apoyan los polines radiales de fierro comúnmente en canal, los cuales sostienen directamente las láminas de techo, en la unión de las paredes del tanque (envolvente) con las láminas de la base del techo se suelda un ángulo circular.

(g) Se pinta, y se prepara para realizarle la prueba hidrostática. Esta prueba consiste en llenar el tanque con agua natural al 100% de su capacidad, la prueba se considerará efectiva cuando hayan transcurrido un tiempo de 24 horas y no se presenten fugas, al final la prueba solamente verifica que no haya fugas, pero no simula las condiciones reales de operación del Tanque y mucho menos simula la presencia de vapores de los crudos confinados en los tanques.

1.7

Tipos de Fallas.

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

humanos (mal diseño, construcción defectuosa, ineficiente mantenimiento, súbitas maniobras de carga y/o

descarga del Tanque, etc.), causan fallas que producen serias pérdidas económicas y lo más grave que

pueden originar accidentes mortales a los trabajadores que se encuentren alrededor de Tanques de

Almacenamiento. Algunos tipos de fallas por los motivos anteriormente mencionados se muestran en la Figura

1-9.

(a) Falla por Pandeo “Pata de Elefante”

Grandes esfuerzos axiales de compresión debidos al comportamiento de “viga en flexión” de la pared del tanque ocasiona la falla por pandeo conocida como “pata de elefante” (elephan-foot) véase Figura. 1-9a. En estudios de hidrodinámica de líquidos en tanques rígidos [3.1], se mostró que parte del líquido tiene un movimiento con un período largo, mientras que el resto se mueve rígidamente con el tanque.

(b) Colapso en el Anillo Superior del Tanque

El efecto del líquido denominado de “sloshing”, determina la altura de las ondas de superficie libre y ocasiona daño al techo y al anillo superior del tanque (Figura 1-9b). El líquido que se mueve cerca de la superficie libre, origina esta falla en el último anillo del tanque.

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

(d) Falla en el cimiento del Tanque

Falla por Asentamiento del Suelo. En tanques soportados por pilotes, la falla se presenta en la parte baja del tanque debido al asentamiento del suelo, lo que provoco la ruptura del anillo inferior o de base lo que origino asentamientos diferenciales (Figura 1-9d) el tanque.

(e) Falla por Colapso

Colapso. Según estudios realizados se origina debido al pandeo de las paredes y levantamiento del anclaje. La fuerza cortante en la base puede causar la falla del tanque por deslizamiento. El levantamiento de la base puede ocasionar: (1) ruptura de las conexiones de la tubería que salen del tanque debida a los desplazamientos verticales, y (2) ruptura de la unión de la placa de base con la envolvente del tanque (Figura 1-9e).

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

Falla en la Junta Techo-Envolvente. Son

fundamentalmente ocasionadas en las operaciones de llenado y vaciado (pérdidas por movimiento). Su característica es la separación de la unión techo envolvente. Durante el llenado, los vapores en el espacio libre interior del tanque son desalojados al ambiente y luego con el vaciado se succiona aire fresco hacia el interior del tanque, propiciando nueva evaporación. Mas no todos los vapores son desalojados por lo que en cada llenado se genera una acumulación y en un determinado tiempo se genera una sobrepresión en el techo, como consecuencia se llega generar una explosión (Figura 1.9f).

1.8

Normatividad.

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

norma Británica BS 2654: Part. 1 [1.9], |se considera importante explicar brevemente el concepto de cada

norma para así comprender el porque de su uso.

1.8.1.

Norma API-650.

La norma: “Welded Steel Tanks for Oil Storage, API Standard 650”, American Petroleum Institute (API), en su

decimal coma edición publicada, en Noviembre de 1998. Esta Norma abarca desde el diseño, selección del

material, fabricación, construcción, montaje, y requerimientos de Tanques de Almacenamiento verticales,

cilíndricos, enterrados en el fondo y cerrado o abiertos del techo, soldados acero en diferentes tamaños y

capacidades para presiones interiores que se aproximan la presión atmosférica (presiones interiores que no

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

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

funcionamiento máxima de 90°C. (200°F). También abarcan los tanques en los cuales la presión interna

excede el peso de las placas del techo más no rebasen los 18 kPa (2 ½ lb/in2_).

Los apéndices de esta Norma son:

Apéndice A Bases de Diseño opcionales para Tanques Pequeños. Apéndice B, Cimentaciones.

Apéndice C, Techos Flotantes.

Apéndice D, Preguntas Técnicas relacionadas con la Norma. Apéndice E, Diseño Sísmico para tanques de Almacenamiento Apéndice F, Diseño para presiones internas pequeñas.

Apéndice G, Techos Estructurales de Aluminio Tipo Domo. Apéndice H, Techos Flotantes Internos.

Apéndice I, Protección.

Apéndice J, Tanques de Almacenamiento Ensamblados en Taller.

Apéndice K, Ejemplo del procedimiento alterno para calcular el espesor del casco. Apéndice M, Tanques que operan a temperaturas elevadas.

Apéndice N, Uso de materiales sin identificar.

Apéndice O, Recomendaciones pare Conexiones en las placas de piso. Apéndice P, Cargas Externa permitidas en Tanques Abiertos.

Apéndice S, Tanques de Almacenamiento de Acero Austenítico. Apéndice T, Requerimientos.

1.8.2.

Norma BS 2654.

La Norma Británica: “Vertical Mild Steel Welded Storage Tanks, with Butt- Welded Shells, for the Petroleum

Industry, BS 2654 part. 1 - 1956”, en su prefacio menciona que dicha Norma fue diseñada para proveer a la

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

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

mientras la segunda parte se relaciona con la colocación, inspección y pruebas del mismo.

Los tipos de Tanques que abarca la presente Norma son:

Tanques no Presurizados de Techo fijo. Deberán ser capaces de trabajar a presión atmosférica, pero serán también diseñados para una presión interna de 0.7465 kPa y una presión de vapor entre el espacio interno del

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

tamaños).

Tanques Presurizados. Deberán ser capaces de trabajar a una presión interna de1.99 kPa y una presión de vacío de 0.622 kPa. Generalmente son de Techo Fijo, hasta 39.0 m de diámetro.

Tanques de Techo abierto. Estos tanques pueden ser diseñados acorde con estas especificaciones, para resistir condiciones de altas presiones y/o vacíos, esta norma provee los esfuerzos permitidos los cuales no

deben ser excedidos, fabricados en todos los tamaños.

1.9

Planteamiento del Problema.

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

variaciones de presión originadas por diferentes causas. En un tanque, y específicamente de 560 bls, está

siendo suministrado y desalojado continuamente. Cada vez que esto sucede, el Tanque se expande y se

contrae continuamente; el vapor que se genera dentro del tanque es del líquido (crudo) cuando está

almacenado en el interior del Tanque (Figuras 1-10 y 1-11), Los vapores en el espacio libre interior del tanque

se concentran en la parte superior del tanque, es decir en el techo, y son desalojados al ambiente,

posteriormente, con el vaciado se succiona aire fresco hacia el interior del tanque, propiciando nueva

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

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

adecuadamente se originan sobrepresiones.

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

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

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

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

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

como se mencionó anteriormente.

Figura 1-10. Evaporización del crudo dentro de un Tanque Atmosférico.

Si durante la operación, se manifiesta una falla debido a la presión interna, esta se generará en el punto “más

débil”, esto es, en la unión techo envolvente. Por lo que se han diseñado las Juntas frangibles, las cuales

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

denominación de “techo frágil”, pero la misma Norma no tiene totalmente definido estos para todos los

tamaños de Tanques. Por lo tanto, se debe primero conocer cuáles son las presiones de operación máxima y

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

condiciones muy diferentes en México y específicamente en la región norte del estado de Veracruz. Es decir,

los mismos valores de presión y espesores ¿serán iguales en México que Estados Unidos?

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

Se ha de hacer mención que en este proyecto, sólo se realizará el análisis estático del Tanque Atmosférico

de Almacenamiento.

1.10

Plan de Trabajo.

1.10.1.

Método Científico.

La filosofía fundamental de la ciencia y la ingeniería son totalmente diferentes. El científico se cuestiona o

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

objetivos, es poder disponer y utilizar fenómenos físicos en beneficio de la humanidad. Así, de esta manera, el

método científico ha ayudado a evolucionar al ser humano en descubrir y comprender sistemáticamente los

comprender fenómenos no conocidos aún. En la Figura 1-12a, se muestran etapas básicas en un proceso del

método científico; el cual es un proceso interactivo y que requiere para su desarrollo de un Plan de Trabajo.

Así mismo, dicho Plan necesita tanto del análisis como de la experimentación. Los resultados que se obtengan

deberán ser claros y en esencia, se buscará una solución o entendimiento a un fenómeno determinado. Para

este proyecto, el problema a resolver se muestra en la figura 1-12b y se plantea cual es el plan de trabajo a

desarrollar para resolver el problema de los Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudos.

Observar un Fenómeno

Postular una teoría para explicar el

problema

Desarrollar y conducir un experimento para

validar la teoría.

Utilizando los resultados de la prueba, dibujar las conclusiones para validar la teoría.

Replantear la teoría con base en los

resultados.

Repetir nuevamente cada paso si es

necesario y continuar hasta refinar la teoría.

El tanque de Almacenamiento de Crudo se expande o dilata y causa ruptura entre la envolvente y el techo

Excesiva presión Interna del Tanque, causado por la acumulación de gases dentro del mismo originan que el Tanque se le desprenda el Techo.

1. Comprender como opera y cómo se calcula el Tanque. 2. Calcular Envolvente. 3. Calcular placa del Techo. 4. Calcular la presión de Falla. 5. Definir si es una Junta Frangible o no.

Dibujar en ANSYS, un perfil del Tanque utilizando como datos los parámetros anteriorm

calculados. ente

Con los resultados obtenidos, observar cómo se comporta el Tanque y determinar las presiones de operación que causan la ruptura en la unión techo envolvente para validar o replantear la teoría.

Repetir nuevamente cada paso si es necesario y continuar hasta refinar la teoría.

(a) (b)

1.11

Referencias.

[1.1] “Los Crudos Mexicanos, sus características”, Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), Cuernavaca, Morelos. Boletín mayo -junio 1998.

[1.2] William C. Lyions, “Standard Handbook of Petroleum and Natural Gas Engineering”, Texas, Edit. Gulf Publishing Company, 1996, ISBN 0-88415-642-7 (Vol. 1)

[1.3] “30 Años al Servicio de la Industria Petrolera Nacional”, Instituto Mexicano del Petróleo, México, 1995.

[1.4] “Operación de Baterías”, Petróleos Mexicanos (PEMEX), Exploración y Producción (PEP), Activo de Producción Poza Rica, Operación de Explotación , Primera Edición, Poza Rica, Ver., Junio 2000.

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

[1.6] Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI), 2004.

[1.7] “Welded Steel Tanks for Oil Storage, API Standard 650”, American Petroleum Institute (API), 10th Edition, Washington, D.C., November 1998.

[1.8] “Diseño de Tanques Atmosféricos, Norma 2.341.01”, Gerencia de Proyectos y Construcción, Petróleos Mexicanos (PEMEX), 1a. Edición, México, 1979.

CAPÍTULO 2

ANÁLISIS DE ESFUERZOS ENFOCADOS AL

CASO DE ESTUDIO.

Se presenta un Análisis de Esfuerzos aplicado a la envolvente

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

Se analiza la geometría del Techo del Tanque y cómo es esta

afectada por la presión interna de operación del Tanque. En

general se plantean las ecuaciones para calcular los espesores

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

teóricas máxima y de falla. Todo lo anterior apoyándose en las

Normas API-650 Y BS-2645. Se propone un proceso

2.1

Diseño de la Envolvente del Tanque de Almacenamiento

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

uno de los puntos más importantes, los diversos esfuerzos a los cuales será sometida dicha envolvente

cuando se encuentre en operación [2.1]. Los más importantes son:

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

circunferenciales a tensión, la mas significativa, es por el calor del liquido contenido en el tanque, acompañada

por la sobre presión que se forma entre el espacio vacío del mismo liquido y la cúpula del techo fijo de un

tanque.

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

pueden ser:

9 El peso mismo del Tanque, la compresión en la envolvente, el techo, la carga extra en el techo

por los accesorios y todos los accesorios alrededor del tanque.

9 La carga compresiva causada por el vacío interno en el Tanque cuando se descarga tanto el

líquido contenido como los gases existentes dentro del Tanque.

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

“aplastamiento” en el lado que golpea el viento, induciendo una carga de compresión.

9 La misma geografía donde se vaya a colocar el Tanque, el probable esfuerzo de compresión

causada por un sismo y la cual se transmita a la envolvente del Tanque.

Pandeo Vertical. La elasticidad del material de la envolvente permite que este se expanda radialmente

cuando el tanque se esta llenando del crudo a almacenar; pero esta expansión está restringida en la junta piso

2.2

Esfuerzos en Recipientes Cilindricos Soldados.

El estudio de las presiones sobre los recipientes de paredes delgadas se centra tanto a presiones internas Pi,

como externas P0 o ambas a la vez. Debido que en el tipo de falla que se está analizando, la presión interna

tiene una mayor importancia que la presión externa ejercida sobre el Tanque de forma cilíndrica, por lo que se

dará un mayor énfasis a su análisis.

Si el recipiente está sometido a la presión interna Pi (manométrica), esta misma se distribuye, de acuerdo al

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

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

“infle”. Si la presión actúa en sentido contrario, se deberá tener precaución, debido a que el vacío interno, las

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

En la Figura (2.1a) se observa un recipiente cilíndrico de longitud L, de diámetro interno D = 2r y externo d0 y

espesor t de la pared. Si este recipiente está sometido a una presión interna Pi y externa P0, sus paredes

soportarán esfuerzos los cuales pueden ser reducidos a un sistema de esfuerzos principales, según muestra

la Figura (2.1b), como consecuencia de la uniformidad de este tipo de carga, donde se ha magnificado y

orientado un elemento A de la pared del cilindro, y como se puede observar está sometido a los esfuerzos

normales

σ

tensión sobre el material de las paredes del recipiente. Ahora bien, como la geometría es simétrica y la carga es uniformemente distribuida alrededor de las paredes del cilindro, no hay esfuerzos cortantes por lo cual, σr

será igual a la presión con valor negativo.

Ahora bien, para demostrar cómo se diseña la envolvente del tanque atmosférico de almacenamiento, algunos

principios básicos de diseño de ingeniería deberán ser considerados. [2.2] [2.3] [2.4]

A continuación se realizará un análisis de los esfuerzos que se presentan, tanto circunferencial como

longitudinalmente en un cilindro de pared delgada y su posterior aplicación en los Tanques Atmosféricos de

Almacenamiento.

2.2.1.

Análisis de Esfuerzos Circunferenciales.

Para el esfuerzo circunferencial o anular σ1, se debe considerar que el recipiente esta seccionado junto con la presión ejercida por el liquido o gas que lo contiene. Aquí solo se muestran las cargas en dirección a las

paredes del recipiente. (Figura 2.2)

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

Las fuerzas que actúan aquí son las causadas por la presión interna, las cuales son equilibradas por la fuerza

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

están expresados en unidades de fuerza sobre área.Equation Section 2’

Considerando la figura anterior como una sección de una media caña, su área será igual a:

σ =F

A (2.1)

Despejando F, e igualando

σ

= ⋅ ₁

F A (2.2)

σ

⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅(2 ) ₁ i

P L D L t (2.3)

Resultando: σ ⋅ = ⋅ = ⋅ ⋅ 2 i i C

P D P r

2.2.2.

Análisis de Esfuerzos longitudinales.

Ahora bien, considérese que el cilindro se parte a la mitad para analizar los esfuerzos longitudinales σ2

(Figura 2-3).Cuando se analiza la pared del cilindro se asume que el esfuerzo σ2 actúa en paralelo a la

superficie del cilindro y en sentido contrario a la dirección de la presión interna Pi Las fuerzas que actúan aquí

son las causadas por la presión interna las cuales son equilibradas por la fuerza causada por el esfuerzo

longitudinal.

Figura 2-3. Esfuerzos circunferenciales en el recipiente. [2.2]

La formula del esfuerzo longitudinal se puede escribir como:

σ

= ⋅ ₂

F A (2.5)

El área de la sección circular hueca es:

π _{π σ} ⎛ ⋅ ⎞ ⋅_{⎜ ⎟}= ⋅ ⋅ ⋅ ⎝ ⎠ 2 2 ( ) 4 i D

P D t (2.6)

Resolviéndole esfuerzo de principal mínimo tendremos:

σ ⋅ = ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅

2

4 2

i i

P D P r

t t (2.7)

2.3

Diseño de la Envolvente de Tanques Atmosféricos de

Almacenamiento de Crudo.

Los espesores de las placas serán calculados a partir de la parte inferior de cada anillo, los cuales están

formados de placas de un ancho w. Se requieren de varias placas para formar un anillo y varios anillos para

formar un Tanque; la cantidad de anillos dependerá tanto de la altura máxima como del diámetro del Tanque

[2.5]. En la Figura 2-4, se muestra como en forma general como se constituye un Tanque, los esfuerzos y

presiones sobre el mismo y también la distribución de las placas uniones verticales están relativamente

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

cilíndricas que son diseñados para resistir esfuerzos a tensión.

Figura 2-4. Distribución del esfuerzo y la presión en un Tanque Atmosférico de Almacenamiento. [2.5].

2.3.1.

Diseño de Placas de la Envolvente del Tanque.

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

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

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

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

lugar, climatológicas, u operacionales las requieren deben ser anexadas al diseño siendo las mas importantes

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

Conexión de Tuberías, d) Cargas inducidas por Asentamiento del Tanque y e) Cargas Sísmicas. Estas cargas