Diseño de una hoja Excel para un tanque de almacenamiento de gasóleo de automoción

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(1)ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINAS Y ENERGÍA. Titulación: Grado en Ingeniería de los Recursos Energéticos Combustibles y Explosivos. Proyecto fin de grado. DISEÑO DE UNA HOJA EXCEL PARA UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE GASÓLEO DE AUTOMOCIÓN. JAVIER MANZANERO SÁNCHEZ. JULIO 2015.

(2) ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINAS Y ENERGÍA. Titulación: Grado en Ingeniería de los Recursos Energéticos Combustibles y Explosivos. DISEÑO DE UNA HOJA EXCEL PARA UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE GASÓLEO DE AUTOMOCIÓN. Realizado por: Javier Manzanero Sánchez Dirigido por: Luis Jesús Fernández Gutiérrez del Álamo.

(3) AGRADECIMIENTOS. Quisiera agradecer el apoyo y comprensión de mi familia, que siempre ha estado ahí cuando la he necesitado. Asimismo expresar mi especial agradecimiento a mi tutor de Proyecto Fin de Grado, Luis Jesús Fernández, por su incondicional ayuda, dedicación y disponibilidad sin escatimar en nada. Al igual que al profesor Enrique Querol que en todo momento ha dedicado su tiempo en todo lo que he necesitado. Por último he de mencionar a mis amigos que han estado junto a mí todo este tiempo..

(4) ÍNDICE Documento 1: Memoria 1. Objetivos y alcance del proyecto ............................................. 5 2. Antecedentes .............................................................................. 6 2.1 Evolución del petróleo 2.2 Obtención del gasóleo en las refinerías 2.3 Almacenamiento y manipulación de productos de refinería 2.4 Características del petróleo 2.5 Características del gasóleo almacenado 3. Ubicación ................................................................................. 12 4. Códigos aplicables .................................................................. 13 5. Tipos de tanques ..................................................................... 14 6. Características básicas de diseño ......................................... 16 6.1 Vida útil de diseño 6.2 Sobrecargas del tanque 7. Dimensionamiento del tanque ............................................. 18 7.1 Diseño de la carcasa o envolvente 7.2 Diseño del fondo 7.3 Diseño del techo 7.4 Diseño del cubeto 8. Cálculo del peso del tanque .................................................. 33 8.1 Cálculo de peso para la envolvente 8.2 Cálculo del peso del techo 8.3 Cálculo del peso del fondo 8.4 Cálculo del peso total aproximado. 1.

(5) 9. Análisis de la estabilidad del tanque ................................ 35 9.1 Estabilidad del tanque debido a la acción sísmica 9.2 Estabilidad del tanque debido a la acción del viento 10. Criterios de diseño de las líneas ...................................... 39 10.1 Disposición de las tuberías 10.2 Cálculo del diámetro de las tuberías 11. Manual para la ficha Excel ................................................. 42 11.1 Datos de diseño 11.2 Datos de carcasa 11.3 Datos de fondo 11.4 Datos de techo 11.5 Conexiones y accesorios 11.6 Calidad de los materiales 11.7 Peso del tanque. Documento 2: Estudio económico 12. Presupuesto ......................................................................... 59. Documento 3: Anexos Anexo A: Listado de materiales ............................................... 61 A.1 Materiales de construcción de tanques bajo la normativa API 650 A.2 Materiales de construcción de tanques bajo la normativa EN 14015 Anexo B: Soldaduras en el tanque de almacenamiento ...... 68 B.1 Juntas verticales del cuerpo B.2 Juntas horizontales B.3 Soldadura del fondo B.4 Junta de la placa anular del fondo. 2.

(6) B.5 Junta del cuerpo-fondo B.6 Juntas para anillos anulares B.7 Juntas de techo y perfil de coronamiento B.8 Recomendaciones de soldadura Anexo C: Accesorios del tanque .......................................... 75 C.1 Boquillas en las paredes del tanque C.2 Manhole para el cuerpo o bocas de hombre C.3 Boquillas y bridas para el cuerpo del tanque C.4 Tipos de soldadura para bridas C.5 Boquillas en las paredes del tanque C.6 Elementos de conservación de energía dentro del tanque C.7 Escaleras y plataformas C.8 Tomas a tierra Anexo D: Medidas de seguridad ......................................... 85 D.1 Protección contra la contaminación D.2 Protección contra incendios D.3 Medidas de seguridad e higiene Anexo E: Sistemas de instrumentación y control ............ 93 E.1 Medidor de nivel mediante radar E.2 Instrumento LTD E.3 Medidor de nivel mediante flotador E.4 Sensores de presión E.5 Válvulas de control de presión E.6 Medidores de caudal E.7 Medidores de temperatura. 3.

(7) DISEÑO DE UNA HOJA EXCEL PARA UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE GASÓLEO DE AUTOMOCIÓN. DOCUMENTO 1: MEMORIA. 4.

(8) 1. OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO El presente proyecto, consiste en el diseño básico de una hoja Excel para un tanque de almacenamiento de gasóleo de automoción (gasóleo A). El presente tanque se ha situado en el parque de almacenamiento de Loeches (Comunidad de Madrid). Se han realizado los cálculos necesarios para el diseño de todas las partes de dicho tanque, la envolvente, el fondo de tanque y el techo. Al igual que el cálculo de peso de éste, y un listado de accesorios adicionales necesarios para su puesta en marcha. Se ha desarrollado la programación en Excel, de una ficha para calcular los parámetros principales del tanque diseñado. Se ha llevado a cabo el diseño y fabricación de un tanque de acero, vertical, cilíndrico, de fondo plano, no enterrado, soldados, para el almacenamiento de líquidos a temperatura ambiente. La capacidad del tanque es de un volumen nominal de 25.000 m 3 y una altura de 20 metros, se almacenará gasóleo de automoción, con una densidad de 835 kg/m3. Este tipo de gasóleo es el producto derivado del petróleo más consumido en España.. ABSTRACT This project consists of the basic design of an Excel spreadsheet to a storage tank of diesel fuel (oil A). This tank is located in the storage yard Loeches (Madrid). It have been made the necessary calculations for the design of all parts of the tank, the envelope, the tank bottom and roof. As the weight calculation thereof, and a list of additional accessories required for its implementation and location. It has been developed programming Excel, a record key parameters to calculate tank designed. It has been carried out the design and manufacture of a steel tank, vertical, cylindrical, flat bottom, not buried, soldiers, for storing liquids at room temperature. The tank capacity is of a nominal capacity of 25,000 m3 and a height of 20 meters, diesel fuel is stored, with a density of 835 kg/m3. This type of oil is the oil product most consumed in Spain.. 5.

(9) 2. ANTECEDENTES 2.1 Evolución del petróleo La palabra petróleo (Petroleum) viene del latín, petra que significa roca y de la palabra griega óleum que significa aceite. El petróleo es un líquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas, al que también se le conoce como crudo petrolífero o simplemente crudo. Durante mucho tiempo se empleó para el calafateado de barcos, la impermeabilización de tejidos o la fabricación de antorchas. En la época del Renacimiento, se empezó a destilar el petróleo para obtener lubricantes y productos medicinales; sin embargo la auténtica explotación del petróleo no comenzó hasta el siglo XIX con la Revolución Industrial. En 1852, el físico y geólogo canadiense Abraham Gessner obtuvo una patente para producir a partir de petróleo crudo, un combustible para las lámparas relativamente limpio y barato, el queroseno. Tres años más tarde el químico estadounidense Benjamín Silliman publicó un informe que indicaba la amplia gama de productos útiles que se podía obtener mediante la destilación del petróleo (gasolinas, gasóleos, querosenos y productos pesados). El aumento del consumo energético en el siglo XX, no hubiese sido posible sin el aprovechamiento del petróleo, y el mercado petrolífero se transformó en un mercado global como consecuencia de la Segunda Guerra Mundial.. 2.2 Obtención del gasóleo en las refinerías La obtención del gasóleo en las refinerías se conseguirá mediante una serie de procesos que se explicarán a continuación. 2.2.1 Propósito y principios La destilación atmosférica del crudo es la primera etapa importante en una refinería. El crudo es calentado a elevada temperatura y sometido a destilación fraccionada bajo presión atmosférica, separando las diversas fracciones de acuerdo a su rango de ebullición. La fracción más pesada obtenida por fondo de columna, la cual no ha vaporizado, puede ser posteriormente separada por destilación al vacío. La creciente demanda de productos ligeros y la simultánea reducción en la de fuelóleo pesado han conducido a que las refinerías conviertan al residuo atmosférico en fracciones de menor temperatura de ebullición, pero más valiosas, tales como nafta, queroseno y destilados medios. La destilación al vacío consiste simplemente en separar fracciones petrolíferas a muy baja presión para aumentar la volatilidad y separación, evitando pirolisis.. 6.

(10) 2.2.2 Materias primas y productos El crudo y residuos pesados contienen cantidades variables de componentes inorgánicos como sales hidrosolubles, arena, óxido de hierro y otros sólidos que en conjunto son caracterizados como sedimentos, que lógicamente hay que eliminar como paso previo al destilado. La sal en el crudo está fundamentalmente en forma disuelta o cristales suspendidos en el agua emulsionada. Estas impurezas, especialmente las sales, podrían conducir al ensuciamiento y corrosión de los intercambiadores de calor y sistemas de la cabeza de la torre de destilación atmosférica. La alimentación de crudo es suministrada desde los tanques de almacenamiento después de desalado. Normalmente todo el crudo que entra en una refinería pasa a través de una unidad de destilación atmosférica. En adición a esto, es una práctica común que los productos fuera de especificación sean reprocesados en esta unidad. Las producciones, desde los cortes más volátiles a los más pesados son: nafta y componentes ligeros (temperatura de ebullición menor de 180 °C; C1-C12; ligeros, nafta y gasolina), queroseno (punto de ebullición 180-240 °C, C8-C17), gasóleo ligero (rango de ebullición aproximado 240-300 °C; C12-C25), gasóleo pesado (rango aproximado 300-360 °C; C20-C25) y residuo atmosférico (punto de ebullición >360 °C; C22+).. 2.2.3 Descripción del proceso 2.2.3.1 Destilación atmosférica La destilación implica el calentamiento, vaporización, fraccionamiento, condensación y enfriamiento de la carga. El crudo desalado es calentado a 300-400 °C y alimentado a una columna de destilación a presión próxima a la atmosférica donde parte se evaporiza. Los hidrocarburos más ligeros son dirigidos hacia la parte superior de la columna, condensando entre 30 y 50 platos de fraccionamiento, cada uno correspondiente a una diferente temperatura de condensación. En la torre de destilación atmosférica, los componentes con punto de ebullición decreciente son separados en cuatro o cinco extracciones laterales correspondientes a sucesivos platos de la torre. Los hidrocarburos más ligeros, se obtienen en equilibrio con componentes pesados, que deben ser eliminados. Para conseguirlo, cada extracción lateral se envía a una pequeña torre de agotamiento que tiene de 4 a 10 platos e inyección de vapor por debajo del plato inferior. El vapor arrastra los componentes ligeros devolviéndolos a la torre principal sobre el correspondiente plato de extracción. Las condiciones de operación de la torre son función de las propiedades del crudo y rendimiento y calidad de los productos deseados. Para maximizar los destilados, se minimiza la presión, y se aumenta al máximo la temperatura simultáneamente. 7.

(11) Cada refinería tiene una unidad de destilación diseñada para un determinado crudo. Por tanto, existen muchas configuraciones de destilación de crudos con amplia variación en el corte de los productos e integración térmica.. Imagen 1: Diagrama de la destilación atmosférica.. 2.2.3.2 Destilación al vacío El residuo atmosférico se calienta hasta 400 °C, y vaporiza parcialmente (30-70% en peso) en la base de la columna de destilación a presión de entre 0,04 y 0,1 bar. La presión del fraccionador se mantiene mediante eyectores, bombas de vacío, y condensadores barométricos o de superficie. La inyección de vapor recalentado en la base de la columna reduce más aún la presión parcial de los hidrocarburos en la torre, facilitando vaporización y separación. La parte no vaporizada de la alimentación forma el producto de fondo, y su temperatura es controlada a aproximadamente 355 °C para minimizar la formación de coque. Los gases desprendidos suben a través de la columna en contacto con componentes previamente condensados, que separan cualquier líquido arrastrado, coque y metales. El vapor lavado se condensa en dos o tres secciones principales de rociado: en la inferior el gasóleo pesado (GOPV) y opcionalmente un corte intermedio; mientras que en la superior el gasoil ligero (GOLV). Los componentes más ligeros (incondensables) y el vapor de agua salen por cabeza de columna y condensan y almacenan en un depósito de cabeza que separa los gases, algo de gasóleo líquido y fase acuosa. El aspecto más importante de la operación de una unidad de vacío es la calidad del gasóleo pesado, en especial cuando este es alimentado a una unidad de hidrocraqueo. 8.

(12) Imagen 2: Diagrama de destilación a vacío.. 2.3 Almacenamiento y manipulación de productos de refinería El petróleo crudo, materias intermedias y derivados finales entran y salen de las refinerías a través de terminales marítimos, vía oleoductos o vehículos por carretera o ferrocarril. Entre esos movimientos, son almacenados en tanques. Tanques de almacenamiento o cavernas se usan en todas las etapas de refino para guardar crudo, otras materias primas y alimentaciones intermedias a las unidades. Los productos acabados también permanecen en tanques de almacenamiento antes del transporte al exterior. Igualmente son necesarios depósitos para acomodar las corrientes procedentes de operaciones de las unidades de refino, o unir procesos continuos con otros discontinuos. Consecuentemente, el almacenamiento es una parte esencial de la refinería. Sistemas de mezcla también se utilizan en las refinerías para preparar corrientes de alimentación a las unidades y formular derivados acabados para la venta. Los recipientes para hidrocarburos pueden dividirse en: -Depósitos presurizados: Se usan normalmente para almacenar gases a alta presión. -Tanques de techo fijo: Pueden estar abiertos a la atmósfera o presurizados, con diferentes categorías de diseño, desde baja presión a alta presión. Los tanques presurizados están equipados con válvulas de seguridad de presión o de vacío para prevenir explosiones e implosiones.. 9.

(13) -Tanques de techo flotante: Se construyen en tal forma que el techo flota sobre el líquido y se mueve según su nivel. -Los depósitos subterráneos se emplean con mucha menos frecuencia, principalmente para almacenar “in situ” combustible para calderas o vehículos, también para recoger líquidos en los puntos de drenaje de menor nivel. -Cavernas: Se utilizan en algunos países europeos para guardar crudo y productos. La formulación puede realizarse en línea o por lotes en tanques de mezclado. Un sistema de formulación en línea consiste en un conjunto de tuberías donde las corrientes individuales son mezcladas bajo control de caudal, y las proporciones son normalmente controladas y optimizadas vía informática. Cuando se planifica un cierto volumen de una cantidad dada, el ordenador, por medio de modelos de programación lineal para optimizar la formulación, selecciona los componentes para conseguir el volumen requerido del producto especificado a menor coste. La formulación discontinua, por lotes, implica mezclar las corrientes en un tanque de mezcla del cual son alimentadas las unidades de proceso. Lo mismo se aplica a las corrientes de materias intermedias, las cuales son primero enviadas a depósitos de almacenamiento intermedio, desde los que posteriormente son dirigidas a los tanques de productos finales. El sistema de tanques y depósitos, junto con las tuberías que los unen, más toda clase de elementos accesorios (válvulas bridas, purgas, recuperadores, etc.) forman un conjunto de gran importancia en las refinerías, siendo uno de los elementos a vigilar con más cuidado debido a la relativamente alta probabilidad de originar fugas.. 2.4 Características del petróleo La composición del petróleo es variable en función del yacimiento del cual se extraiga. Dependiendo de la zona donde se forma el crudo tendremos más proporción de unos compuestos u otros. Es importante saber su composición, puesto que según su composición podremos obtener del crudo unos productos u otros. Sin embargo, sea cual sea la procedencia del crudo, se va a mantener constante el contenido en C y H2, aunque tengan distintos compuestos hidrocarbonados (siempre dentro de una familia de crudos). Los compuestos de naturaleza inorgánica son los que contienen N, S, O2 y elementos metálicos. Se encuentran en diferentes proporciones, las cuales van a depender de la naturaleza del crudo. Es interesante conocer la composición en elementos orgánicos, porque dependiendo de esta, someteremos al crudo a uno u otro tratamiento, y obtendremos unos productos u otros.. 10.

(14) En la siguiente tabla se encuentran los rangos de los elementos, en la composición del petróleo. Elemento C H S O N Metales (V+Ni) Agua y sedimentos Sales minerales. % m/m 84-87 11-14 0,04-6 0,1-0,5 0,1-1,5 0,005-0,015 (50-150g/t) 0,1-0,6% v/v 20-200 g/t. Tabla 1: Composición del petróleo.. El petróleo puede clasificarse en función a diferentes parámetros. Entre otros parámetros tenemos el contenido de hidrocarburos, según la densidad (grados API), por el factor Kuop (es un valor que permite identificar o caracterizar el tipo de crudo en cuanto a su composición química, base parafinica, mixta, naftenica o aromática) y la viscosidad.. 2.5 Características del gasóleo almacenado El gasóleo obtenido en la refinería, y que almacenaremos, tiene que tener unas características determinadas comprendidas en la siguiente tabla, para poder cumplir la normativa vigente.. Densidad Viscosidad Tensión a vapor Contenido en azufre. 835 kg/m3 a 15 °C 3,5 Cp a 15 °C 0,01 kg/cm2 0,2 % p/p. Tabla 2: Características del gasóleo del tanque.. 11.

(15) 3. UBICACIÓN Con objeto de realizar un análisis de diferentes parámetros del tanque, la ubicación del mismo se sitúa en Loeches (Comunidad de Madrid). Loeches se sitúa en la cuenca del Henares, entre Arganda del Rey y Alcalá de Henares. Tiene una disposición geográfica clave, pues aquí se sitúa la red nacional de oleoductos. El parque de almacenamiento, se sitúa exactamente en la carretera M-206, que une Loeches con Torrejón, en el kilómetro 3,2. Este parque de almacenamiento tiene una capacidad de aproximadamente 180.000 m3, de los cuales 90.000 m3 están destinados al almacenamiento de gasóleos.. Imagen 3: Vista aérea de la ubicación del tanque.. 12.

(16) 4. CÓDIGOS APLICABLES En España y en todos los países de nuestro entorno, el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, se base en la publicación que realiza el Instituto Americano del Petróleo. Esta institución designa como ESTÁNDAR API 650, la norma para tanques de almacenamiento a presión atmosférica. El estándar API 650 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, asfalto, etc. Son 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 no mayor de 93 °C , y que no se usen para servicios de refrigeración. Este estándar cubre el diseño y cálculo de los elementos que constituyen el tanque. También se ha tenido en cuenta la norma europea UNE-EN 14015, la cual están obligados a adoptar gran número de países europeos. Esta norma europea refleja la práctica actual de la industria del petróleo, petroquímica y química, de la alimentación y de almacenamiento de líquidos en masa general, tanto en Europa como en el mundo. La práctica está basada en la teoría de las tensiones de diseño y tensiones admisibles.. 13.

(17) 5. TIPOS DE TANQUES El almacenamiento de hidrocarburos refinados, petroquímicos, petróleo crudo, agua así como otros productos líquidos, se lleva a cabo mediante el empleo de diferentes tipos de recipientes, siendo los más utilizados los tanques de almacenamiento atmosférico, ya que representan para la industria petrolera y petroquímica activos de vital importancia. De acuerdo a la normativa, clasificaremos los tanques de acuerdo al tipo de techo, lo que nos proporcionará el servicio recomendable para estos. Los tanques de almacenamiento se usan como depósito para contener alguna reserva suficiente de algún producto, para su uso posterior y/o comercialización. Los tanques de almacenamiento se clasifican en: - Cilíndricos horizontales. - Cilíndricos verticales de fondo plano. Los tanques cilíndricos horizontales, generalmente son de volúmenes relativamente bajos, debido a que presentan problemas por fallas de corte y flexión. Los tanques cilíndricos verticales de fondo plano, nos permiten almacenar grandes cantidades volumétricas con un coste bajo. Tienen como limitación que sólo se pueden usar a presión atmosférica o presiones relativamente pequeñas. El tanque a emplear en cada caso, dependerá del producto que se desee almacenar en su interior, ya que dependiendo del peso del contenido, se formarán en mayor o menor medida compuestos orgánicos volátiles. Los tanques cilíndricos verticales se clasifican en: - De techo fijo - De techo flotante. - Sin techo. 5.1 Techo fijo Se emplean para contener productos no volátiles o de bajo contenido de ligeros (no inflamables) como el agua, diesel, petróleo crudo, etc, debido a que al disminuir la columna del fluido, se va generando una cámara de aire que facilita la evaporación del fluido, lo que es altamente peligroso.. Los de techo fijo se clasifican a su vez en: 14.

(18) - Techo autosoportado. - Techo soportado. 5.2 Techo flotante Se emplea para almacenar productos con alto contenido de volátiles como alcohol, gasolinas y combustibles en general. Este tipo de techo, fue diseñado para anular o reducir la cámara de aire, o espacio libre entre el espejo del líquido y el techo, además de proporcionar un medio aislante para la superficie del líquido, reducir la velocidad de transferencia de calor al producto almacenado durante aquellos periodos en los que la temperatura ambiental es alta, evitando así la formación de gases (evaporación), y como consecuencia la contaminación del ambiente y, al mismo tiempo se reducen los riesgos de almacenar productos inflamables. 5.3 Tanque sin techo Se usan para almacenar productos en los cuales no es importante que éste se contamine o se evapore a la atmósfera, como el caso del agua cruda, residual, y agua contra incendios. Destacar que el diseño de este tipo de tanque requerirá el diseño especial del anillo de coronamiento. 5.4 Conclusiones Para el almacenamiento de gasóleos se emplean normalmente tanques de techo fijo, debido a su baja presión de vapor. La baja volatilidad de los gasóleos en las condiciones de almacenamiento, hace innecesario el uso de techos flotantes, ni de sistemas de recuperación de vapor.. Imagen 4: Tipos de techos en tanques.. 15.

(19) 6. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE DISEÑO Para el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, tendremos que contar con la información necesaria para llevar a cabo el proyecto. La información mínima requerida será el volumen del tanque, la temperatura, el peso específico del líquido, corrosión permisible, la velocidad del viento y los coeficientes sísmicos de la zona. Según el reglamento de Seguridad de Refinerías y Parques de Almacenamiento, los hidrocarburos que tienen un punto de inflamación comprendido entre los 55 °C y los 100 °C, como el gasoil o fueloil, son de tipo C. En este proyecto el combustible a almacenar será gasóleo de automoción (gasóleo A). El tanque objeto del presente proyecto es un tanque de acero construido en el lugar de emplazamiento, vertical, cilíndrico, de fondo plano, no enterrado, para el almacenamiento de gasóleo de automoción (gasóleo A) a temperatura ambiente. Es capaz de almacenar y trasegar un volumen nominal de 25.000 m3 de gasóleo a una temperatura ambiente de 15 °C y una altura de 20 metros. En este caso, al tratarse de gasóleo de automoción, la solución más aceptada es el almacenamiento a presión atmosférica mediante tanques fijos verticales, ya que así se podrá controlar de forma más efectiva los aspectos de seguridad, preventivos y correctivos, ligados a riesgos asociados a accidentes graves. Además, su construcción sobre el nivel del terreno minimiza el movimiento de tierras. En los tanques de almacenamiento, existen dos alternativas de los materiales a emplear: -Aceros al carbono. -Aceros inoxidables. El listado completo de materiales figura en el Anexo A. La utilización del acero inoxidable, supone un ahorro de la imprimación y de la no consideración del sobre-espesor de corrosión. Por el contrario, el acero inoxidable requiere un mayor espesor de la pared para soportar la misma presión, y lo que es más relevante, su precio es sensiblemente más caro al del acero al carbono. En este proyecto el tanque diseñado se empleará acero al carbono.. En la siguiente tabla, se especifican las características básicas de diseño del presente tanque:. 16.

(20) Tipo de tanque Disposición Techo Volumen útil Volumen nominal Presión de diseño Temperatura de diseño. Cilíndrico Superficial Cúpula 25.000 m3 26.042 m3 Atmosférica (15 kPa) Ambiente (15 °C). Densidad máxima producto almacenado. 835 kg/m3. Tabla 3: Características generales del tanque.. El tanque se diseña de acuerdo a la norma EN-14015. 6.1 Vida útil de diseño La vida útil mínima de diseño del tanque es de 50 años. Pasado ese tiempo, el tanque puede someterse a una remodelación que permita alargar la vida útil del tanque. El equipamiento y componentes del tanque están sujetos a sus respectivos ciclos de mantenimiento y de vida útil que deberán ejecutarse según lo establecido por el fabricante de los equipos y/o componentes, sustituyéndolos en cada caso necesario para alcanzar la vida útil del tanque. En el diseño del tanque habrá que tener en cuenta que éste tendrá que soportar una serie de cargas tanto internas debido al contenido, como externas como consecuencias de aspectos ambientales. 6.2 Sobrecargas del tanque 6.2.1 Cargas de almacenamiento Como carga de almacenamiento se entiende, la carga que ejerce el peso del líquido almacenado sobre las paredes del tanque. Supondremos como densidad relativa la del agua 1.000 kg/m3. 6.2.2 Cargas del viento y de acción sísmica Cuando se pretende diseñar un tanque, habrá que tener en cuenta las cargas ejercidas por la acción sísmica y la acción del viento. Más adelante, se realizan los cálculos necesarios para tener en cuenta estas consideraciones. 6.2.3 Cargas de exteriores Estas cargas estarán aplicadas sobre el techo, debido a la acción ejercida sobre él, como consecuencia de la nieve o agua. 17.

(21) 7. DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE El presente tanque tiene un volumen nominal de 25.000 m3 y una altura de 20 metros. Sin embargo el volumen real del tanque, debido a un margen de seguridad establecido, es:. Por lo que obtenemos que R=20,36 m. Volumen nominal Volumen real Altura Radio Diámetro. D=2· π · R=40,72 m. 25.000 m3 26.041 m3 20 m 20,358 m 40,717 m. Tabla 4: Parámetros generales del tanque.. Aplicando el caso más desfavorable, para un tanque con la parte superior cerrada sin presión, la presión de diseño debe de ser de 10 mbar, mientras que la presión negativa interna de diseño es de 5 mbar. Presión de diseño (mbar). ≤. Presión negativa interna de diseño (mbar). ≤5. Tabla 5: Presión de diseño.. 7.1 Diseño de carcasa o envolvente El cuerpo de los tanques se fabrica a partir de virolas o rebanadas de cuerpo cilíndrico, constituidas por chapas soldadas de 1,8 m o 2,4 m de altura, en función si el diámetro del tanque es superior o inferior a 20 m. En el diseño del presente tanque las virolas serán de 1,8 m de altura. Los espesores de las chapas de cada virola del cuerpo del tanque, se calcularon con lo establecido en la norma API 650. Este cálculo se basó en el que el tanque esté lleno de líquido, en este caso gasóleo de densidad 835 kg/m3. Para los espesores de prueba hidráulica, el cálculo se basa en que esté lleno de agua de densidad 1.000 kg/m3. 18.

(22) Cada grupo de chapas, dependiendo de la altura a la que se encuentre, deberá tener un espesor determinado, no solo para la sujeción y estabilidad del tanque, sino para evitar, en medida de lo posible, la acción y consecuencias de la corrosión (para este tanque, consideraremos que la acción de la corrosión es de 2 mm). El espesor mínimo de la carcasa dependerá del diámetro, tal como se presenta en la siguiente tabla:. Diámetro (m) D<4 ≤D< ≤D< 5 5≤D<3 3 ≤D< 5 5≤D< ≤D< ≤D. Espesor nominal mínimo especificado de la carcasa (mm) Aceros C y C-Mn Aceros inoxidables 5 2 5 3 5 4 6 5 8 6 8 10 12 Tabla 6: Espesor mínimo de carcasa.. En este caso, el espesor mínimo de carcasa es de 8 mm, tal como se observa en la tabla. A continuación se calcula, el número de virolas, la disposición y número de anillos de refuerzo en la carcasa para soportar las rachas de viento de 50m/s. Los datos de partida conocidos serán: Diámetro (D) Límite elástico Tensión de diseño (S) Densidad gasóleo (W) Corrosión (c) Rachas de viento (Vw) Altura (H). 40,72 m 275 N/mm2 183,33 N/mm2 0,835 kg/dm3 2 mm 50 m/s 20 m. Tabla 7: Datos conocidos para el diseño.. Según la normativa, la altura de cada virola tiene que ser de 1,8 metros.. ,. ,. virolas 19.

(23) Siendo: - H la altura del tanque (m).. Para calcular la presión ejercida sobre las paredes del tanque: 35. ,. 3. ,. 3. Siendo: -. la densidad del producto (m3/kg).. - g la gravedad (m/s2). - H la altura del tanque (m).. 7.1.1 Cálculo de número y espesores de virola Para calcular el espesor de las virolas: (. ). Siendo: - D el diámetro del tanque (m). - S es el límite elástico del material (N/mm2). - W es la densidad del producto (kg/dm3). - Hc es la distancia desde el fondo de la virola considerada, hasta la altura definida (m). - p es la presión (mbar). - c es el margen de corrosión considerado.. Los espesores de cada virola son:. 20.

(24) e1 e2 e3 e4 e5 e6 e7 e8 e9 e10 e11. 20,173 mm 18,538 mm 16,903 mm 15,267 mm 13,631 mm 11,996 mm 10,360 mm 8,724 mm 8 mm 8 mm 8 mm. Tabla 8: Espesores de las virolas.. Como consecuencia de que los espesores obtenidos desde la virola 9 hasta la 11 son menores al espesor mínimo, se ha diseñado con el espesor mínimo especificado anteriormente, de acuerdo con la normativa. Cada virola estará formada por 12 tapas cada una de ellas con una longitud de:. Longitud de tapa = 10,667 m. Imagen 5: Virolas del tanque.. Las dimensiones circunferenciales mínimas de una chapa de carcasa deben de ser exactamente de 1 m.. 21.

(25) Imagen 6: Separación de virolas.. Siendo: - a Distancia mínima entre uniones verticales en virolas adyacentes. - b Dimensión circunferencial mínima de la chapa de carcasa. El tanque debe diseñarse para tener todas sus virolas verticales. La distancia mínima entre uniones verticales en virolas adyacentes debe de ser: Espesor de carcasa. Distancia (a). e ≤ 5 mm. 100 mm. e > 5 mm. 300 mm. Tabla 9: Distancia mínimas entre uniones verticales en virolas adyacentes.. 7.1.2 Anillos de refuerzo intermedios Para calcular los anillos de refuerzo necesarios, para soportar unas rachas de viento de 50 m/s, se aplica: (. ). ,. ( ). Siendo: - He la altura estable equivalente de cada virola a emin (m). - h la altura de cada virola considerada por debajo de cualquier anillo de refuerzo primario. 22.

(26) Los resultados obtenidos están adjuntados en la siguiente tabla: He1 He2 He3 He4 He5 He6 He7 He8 He9 He10 He11 HE = Σhei. 0,179 m 0,223 m 0,281 m 0,364 m 0,485 m 0,672 m 0,976 m 1,513 m 1,818 m 1,818 m 1,818 m 10,148 m. Tabla 10: Altura equivalente de cada virola.. Siendo HE, la altura estable equivalente de la carcasa completa a emin en metros. El factor k, necesario para el cálculo del espaciado máximo permitido entre anillos, se calcula mediante la fórmula:. 5 3,5 3. ,. 5. 5. Siendo: - Vw la velocidad del viento, en la condición más desfavorable (m/s). - Pv es la presión de vacío del tanque. Al ser un tanque sin presión Pv = 5 mbar. A continuación, se calcula Hp, que es el espaciado máximo permitido de los anillos de refuerzo secundario sobre las carcasas de espesor mínimo en metros.. (. ). ,. 5. (. ,. ). 5,. Como Hp< He<2Hp, se necesitará un anillo de refuerzo situado en la mitad del tanque. El diseño de nuestro tanque, necesitará un anillo de refuerzo situado en la mitad del tanque, de dimensiones según la siguiente tabla.. 23.

(27) Diámetro de tanque (m) D≤ 20<D≤3 36≤D≤48 48<D. Dimensiones de los ángulos mm x mm x mm 100x65x8 120x80x10 150x90x10 200x100x12. Tabla 11: Dimensiones del anillo de refuerzo.. El anillo secundario será de dimensiones 150 mm x 90 mm x 10 mm. En esta imagen, se observa claramente las virolas, durante la construcción del tanque.. Imagen 7: Disposición de virolas en el tanque.. 7.2 Diseño del fondo El tanque se diseñará con un único fondo. Este fondo estará apoyado sobre una capa de aglomerado asfáltico con base inferior de gravilla de bajo contenido en finos y compactado. Debajo, se dispone de una lámina de polietileno, protegida con geotextiles, para proteger el suelo en caso de que se produzcan fugas. El diseño del fondo de los tanques de almacenamiento depende de las siguientes consideraciones: los cimientos usados para soportar el tanque, el método que se utiliza para desalojar el producto almacenado, el grado de sedimentación de sólidos en suspensión, la corrosión del fondo y el tamaño del tanque, lo que conduce al uso de un 24.

(28) fondo plano, donde la resistencia permisible del suelo debe ser por lo menos de 1,465 kg/cm2 (145 MPa). Los fondos de tanques de almacenamiento cilíndricos verticales son generalmente fabricados de placas de acero con un espesor menor al usado en el cuerpo. Esto es posible para el fondo, ya que se encuentra soportado por una base de cemento, 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. Los fondos de tanque mayores de 12,5 m de diámetro deben tener un anillo a base de chapas anulares. Según las dimensiones de las chapas, estas se dispondrán en el fondo de tanque mediante un esquema mostrado en la siguiente figura.. Imagen 8: Chapas anulares del fondo.. Las chapas de fondo son rectangulares, con el mayor largo posible compatible con el despiece de las chapas. El espesor nominal especificado para las chapas rectangulares del fondo y las chapas marginales del fondo no debe ser menor que el especificado en la siguiente tabla excluyendo el margen de corrosión.. Material Aceros al C y al C-Mn Aceros inoxidables. Fondo soldadura solape 6 mm 5 mm. Fondo soldadura a tope 5 mm 3 mm. Tabla 12: Espesor de las chapas de fondo.. Las placas del fondo tendrán un espesor mínimo de 6 mm, pues todas las chapas del fondo han de soldarse con solape, y un material de acero al carbono.. 25.

(29) Imagen 9: Solape de las chapas del fondo.. El solape de las chapas de fondo, se llevará a cabo según la imagen anterior.. Imagen 10: Disposición del fondo del tanque.. Siendo: - 1 Chapa de carcasa. - 2 Chapa anular. - 3 Chapa de fondo. - 4 Banda de refuerzo. La anchura mínima la como se muestra en la figura anterior debe de ser:. ea. 3. √. 3. ea. 3. √. , 3 3. ,. ,. 5. ,. mm. 26.

(30) Siendo: - ea es el espesor de la chapa anular (mm). - e1 es espesor de la primera virola en mm (virola del fondo). - H la altura del tanque (m). La distancia Id desde la superficie exterior de la chapa de la carcasa hasta el borde exterior de las chapas de fondo o chapas anulares no debe ser menor de 50 mm ni superior a 100 mm. Para el soldeo de chapas del fondo y el soldeo de fondo a chapas anulares, se deben emplear bandas de refuerzo (permanentes o temporales). Cuando se empleen bandas de refuerzo permanentes debe tenerse en cuenta, el efecto del movimiento térmico y si procede, del tipo de cimentación. Para tanques con chapas anulares, las costuras radiales que conectan los extremos de las chapas anulares, deben soldarse a tope con penetración completa.. Imagen 11: Unión entre las chapas del fondo.. - 1 Chapa de carcasa. - 2 Chapa anular. - 3 Banda de refuerzo.. 27.

(31) La unión entre el borde inferior de la virola más baja de las chapas de la carcasa y las chapas del fondo o chapas anulares, debe hacerse por medio de cordones continuos de soldadura en ángulo en ambas chapas de la chapa de la carcasa. El espesor mínimo de cuello de cada cordón de soldadura en ángulo debe ser igual al espesor de la chapa marginal o de chapa anular, excepto si el espesor de cuello especificado no necesita superar 9,5 mm. Cuando el espesor de la chapa de la carcasa es menor que el espesor de la chapa del fondo o de la chapa anular, el espesor de cuello especificado no necesita superar el valor proporcionado en la siguiente tabla.. Espesor de chapa de la carcasa (mm) <5 5 >5. Espesor de cuello del cordón de soldadura en ángulo (mm) 100x65x8 120x80x10 150x90x10. Tabla 13: Espesor del cuello del cordón de soldadura.. El diámetro del fondo de tanque tiene que ser ligeramente superior al diámetro exterior de la envolvente, por lo menos 50 mm superior. Aunque es conveniente utilizar las placas más largas disponibles en el mercado para construir el fondo, ya que resultan ser más económicas, se tiene que tener en cuenta que una placa demasiado grande es mucho más complicado de manipular y es más propensa a deformarse a causa de su propio peso, además que las deformaciones térmicas son mayores. La parte inferior no llevará más aberturas que las correspondientes a las bocas de inspección, limpieza y conexiones de entrada y salida de productos, así como de purga y drenaje.. 7.3 Diseño del techo Como se menciona anteriormente, los tanques de almacenamiento pueden clasificarse por el tipo de cubierta en: de techo fijo, de techo flotante y sin techo. Dentro de los techos fijos tenemos tres tipos: de domo, cónicos y de sombrilla. El techo tipo domo es un casquete esférico. El techo cónico es una cubierta con la forma y superficie de un cono recto, y el de tipo sombrilla es de forma piramidal. Independientemente de la forma o el método de soporte, los techos son diseñados para soportar una carga viva de al menos 1,2 kPa, más la carga muerta ocasionada por el mismo. 28.

(32) Tal como se ha hecho referencia anteriormente, se dispondrá un techo fijo en forma de domo o cúpula (techo abovedado). El techo se ha diseñado para resistir las solicitaciones indicadas anteriormente y están soportados por estructuras portantes que transmiten las cargas a la periferia del tanque. El espesor especificado para todo el chapeado del techo no debe ser menor que los valores de la siguiente tabla, excluyendo cualquier margen de corrosión.. Material Aceros al C y al C-Mn Aceros inoxidables. Espesor de techo 5 mm 3 mm. Tabla 14: Espesor del techo del tanque.. En este caso, el espesor de las chapas de techo será de 5 mm. El radio de curvatura de los techos abovedados debe estar comprendido entre 0,8 y 1,5 veces el diámetro del tanque. 7.3.1 Anillo de coronamiento Todos los tanques deben contar con un perfil o anillo de coronamiento ubicado en la parte superior del cuerpo. Éste es de suma importancia porque, además de soportar el peso del techo, da rigidez al cuerpo, evitando una posible deformación u ovalamiento en la parte superior, además de lograr un sello entre cuerpo y techo. Su misión es compensar los esfuerzos horizontales que transmite la cúpula al muro.. Diámetro del tanque m D≤ <D≤ <D≤3 3 <D≤ 48<D. Dimensiones de los ángulos mm x mm x mm 60 x 60 x 6 60 x 60 x 8 80 x 80 x 10 100 x 100 x 12 150 x 150 x 12. Tabla 15: Tamaño mínimo del anillo de la esquina superior.. El perfil de coronamiento para tanques que tengan un techo soportado es, de acuerdo al mostrado en la siguiente figura, y se considera como una junta frágil, que no es capaz de resistir la presión interna, por lo que tiene un venteo según lo especifica la norma API 2000. 29.

(33) Imagen 12: Detalles de perfiles de coronamiento.. 7.4 Diseño del cubeto 7.4.1 Dimensionamiento del cubeto El tanque constará de un cubeto, delimitado por diques en el terreno seleccionado, y compactado, y revestido con mortero proyectado y mallado. Según la norma utilizada para el diseño de cubetos de retención, cuando un cubeto tiene solo tanque, su capacidad se mide considerando que tal tanque no existe, es decir será el volumen líquido que pueda quedar retenido dentro del cubeto incluyendo el del tanque hasta el nivel del líquido en el cubeto. Por lo que si nuestro tanque tiene un volumen de 25.000 m3, la capacidad del cubeto aplicando un coeficiente de seguridad de 1,1 sería de: 5. ,. 27.500 m3. Según la normativa la altura mínima del cubeto ha de ser de 1 metro. Para este tanque el cubeto tendrá una altura de diseño h de 4 metros, por lo que para conocer la longitud L del cubeto aplicaremos la siguiente fórmula: 30.

(34) √. La longitud del cubeto L. ,. 5. 3m. El cubeto será de forma cuadrada con los lados iguales. La distancia mínima d comprendida entre la pared del cubeto y la pared del tanque será:. Se obtiene que: d = 21,15 m.. En la siguiente imagen podemos ver un cubeto, que es un recipiente estanco para retener productos almacenados en caso de rotura del continente o de un funcionamiento incorrecto de la instalación.. Imagen 13: Cubeto de un tanque.. 31.

(35) 7.4.2 Disposición y características del cubeto La altura de los muretes, referida al nivel exterior de las vías de acceso al cubeto, no puede sobrepasar los 3 m. Para evitar roturas en caso de incendio, las paredes del cubeto están construidas por diques de tierra o muros de material no combustible y resistente a la presión de los hidrocarburos eventualmente derramados. Se componen de hormigón con mallado interior y de espesor 0,5 m. La unión de la pared del cubeto con el suelo de éste no debe ser en ángulo recto, sino que debe formar un pequeño arco de circunferencia y de esta manera tratar que el impacto del combustible con la pared sea lo menos brusco posible y así evitar la aparición de chispas debido a la creación de electricidad estática, produciéndose así riesgo de incendio. Las paredes laterales y su fondo son impermeables. El fondo del cubeto tiene una pendiente del 2% cuya parte más baja se dirige hacia el sumidero de drenaje de forma que todos los posibles derrames corran hacia éste. El sumidero dispone de una rejilla para la recogida de sólidos. El cubeto de nuestra instalación debe disponer de un sistema de drenaje, que consiste en una tubería de 300 mm de diámetro que atraviesa el murete del cubeto en el punto más bajo, consta de una válvula en la parte exterior del cubeto que normalmente suele estar cerrada para poder retener un derrame antes de que pase para el alcantarillado, y permite la evacuación de las aguas de lluvia y las de refrigeración de los tanques a la red de aguas limpias. Las bombas para el trasiego deben estar situadas al exterior de los cubetos de retención y está prohibido el uso permanente de mangueras flexibles en el interior del cubeto.. 32.

(36) 8. CÁLCULO DEL PESO DEL TANQUE Con motivo de calcular la cantidad de acero necesaria que tendremos que demandar para la construcción del tanque, se ha calculado el peso asociado a cada parte del tanque (envolvente, techo y fondo). 8.1 Cálculo de peso para la envolvente Virola 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11. Espesor (mm) 20,173 18,538 16,903 15,267 13,631 11,996 10,36 8,724 8 8 8. Altura (m) 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8. Longitud (m) 127,9 127,9 127,9 127,9 127,9 127,9 127,9 127,9 127,9 127,9 127,9. Volumen (m3) 4,645 4,268 3,892 3,515 3,138 2,762 2,385 2,009 1,842 1,842 1,842. Densidad (kg/ m3) 7.850 7.850 7.850 7.850 7.850 7.850 7.850 7.850 7.850 7.850 7.850 TOTAL. Peso (kg) 36.461 33.506 30.551 27.594 24.637 21.682 18.725 15.768 14.459 14.459 14.459 252.300. Tabla 16: Peso del cuerpo del tanque.. ∑. 8.2 Cálculo del peso del techo La pendiente de un techo sostenido por una columna debe de ser 1:16, por lo que la altura del techo debe de ser: , Para calcular el volumen del casquete esférico, supondré que el volumen del techo, es equivalente al volumen de un cilindro de altura la mitad del casquete esférico real.. 33.

(37) Espesor (mm) Altura (m) Longitud (m) Volumen (m3) Densidad (kg/ m3) Peso (kg) 5 0,636 127,913 0,407 7.850 3.193 Tabla 17: Peso del techo.. 8.3 Cálculo del peso del fondo Espesor (mm) Radio (m) Área (m2) 6 20,358 1.302. Volumen (m3) 7,812. Densidad (kg/ m3) Peso (kg) 7.850 61.326. Tabla 18: Peso del fondo.. 8.4 Cálculo del peso total aproximado El peso total del tanque sería la suma parcial del peso de cada parte del tanque: Peso envolvente (kg) 252.300 Peso techo (kg). 3.193. Peso fondo (kg). 61.326. Peso total (kg). 316.819. Tabla 19: Peso total del tanque.. ∑(. ). 34.

(38) 9. ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD DEL TANQUE El efecto de la interacción fluido-estructura, las presiones hidrodinámicas entre otros se deben considerar en el diseño de tanques de almacenamiento de líquidos, los cuales pueden llegar a estar sometidos a acciones accidentales tales como sismo o viento. 9.1 Estabilidad del tanque debido a la acción sísmica Los movimientos sísmicos del terreno provocan una serie de reacciones sobre el tanque: - Pandeo en las placas de las paredes del casco y del fondo del tanque, donde se espera que aparezcan los máximos esfuerzos de compresión axial, como resultado de la fuerza que general el momento de volteo. El pandeo se presenta de forma más frecuentemente, por presencia de grandes deformaciones de las paredes del tanque, hacia el exterior de este y en el fondo de las placas del mismo, extendiéndose parcial ó completamente alrededor del tanque. - Daños en el techo, situados muy cerca de las placas del último anillo del tanque y en columnas de soporte interno del techo, debido al chapoteo del líquido en el contenido del tanque. - Cuando la alta frecuencia relativa amplificada provoca un movimiento lateral del terreno sobre el que está situado el tanque, posteriormente la cantidad de líquido que contiene el recipiente se mueve al unísono con el cuerpo del tanque. - Cuando baja la frecuencia relativa amplificada provoca, un movimiento de la masa del líquido contenido, ocasionando oleaje dentro del tanque. - Daño en tuberías y otros accesorios conectados al tanque durante un movimiento de suelo. El movimiento lateral de las masas genera fuerzas que actúan en el centro de gravedad del tanque, ocasionando la inestabilidad del conjunto y originando movimiento de volcadura, produciendo una compresión longitudinal que provoca la deformación del cuerpo. Debido a ello se diseña el tanque para poder resistir este fenómeno. Las bases de diseño están basadas en la norma API-650 y la norma sísmica NCSE-02. Esta norma tiene por objeto proporcionar los criterios que han de cumplirse dentro del territorio nacional para la consideración de la acción sísmica en el proyecto, construcción, reforma y conservación de aquellas edificaciones y obras a las que sea aplicable.. 35.

(39) En este caso, la construcción fue clasificada como de importancia especial pues es una construcción para instalaciones básicas de las poblaciones (depósitos de agua, gas, combustible, estaciones de bombeo, redes de distribución, centrales eléctricas). Sin embargo, para el emplazamiento del tanque en las instalaciones de Loeches, no es necesario el cálculo de la estabilidad del tanque debido a la acción sísmica, ya que cuando la aceleración sísmica básica ab es inferior a 0,04 g (siendo g la gravedad), se considera despreciable. En la siguiente imagen, aparece la acción sísmica en España, según la norma NCSR-02.. Imagen 14: Mapa sismográfico de la Península Ibérica.. 9.2 Estabilidad del tanque debido a la acción del viento El tanque se diseña para lograr una estabilidad total. El momento de volteo producido por la constante carga del viento, en este caso se ha determinado una velocidad de viento de 50 m/s (180 km/h). Se determinará en base a una velocidad de viento de 160 km/h, por lo que el caso en que el tanque se localice en una zona geográfica distinta a la de referencia, se han de ajustar las presiones multiplicando por la siguiente relación (v/160)2. Siendo v la velocidad del viento.. 36.

(40) Como hemos mencionado anteriormente, el tanque se ha diseñado para soportar una presión interna de 10 mbar, que es 101,97 kg/m2. Pv = 88 (180/160)2 = 111,38 kg/m2 El momento de volteo producido por el viento se considera una carga uniforme repartida sobre una viga empotrada en un extremo, por lo que el momento se calcularía según la siguiente fórmula:. (. ). Donde: - M es el momento de volteo (kg·m). - Pv es la presión del viento (kg/m2). - Dmáx es el diámetro exterior del tanque (m). - Ht es la altura total del tanque (m). El momento de volteo resultante sería:. ,3. (. ,. ,. 3). El momento de volteo por presión de viento, deberá ser menor a la siguiente expresión: <. 3. Siendo: - Ws el peso muerto del tanque disponible para resistir el levantamiento en kg.. Por tanto:. 37.

(41) <. 3. ,. 5. ,. 3. Como: MTANQUE =. <. kg · m. No ha sido necesario anclar nuestro tanque, pues resiste perfectamente la presión que ejerce el viento sobre él.. 38.

(42) 10. CRITERIO DE DISEÑO DE LAS LÍNEAS En este apartado se especifican aspectos relacionados a la hora de diseñar y seleccionar las distintas clases de tuberías. Las especificaciones de las tuberías estarán reguladas por las condiciones máximas de trabajo para presión, temperatura, corrosión admisible, y la compatibilidad con el fluido que se trate. En general, todos los accesorios (codos, reductores, etc…), seguirán los requisitos establecidos para las tuberías respecto a la resistencia, espesor, y tipo de extremos. Las especificaciones de material de construcción de tuberías particulares para cada proyecto regirán en cualquier caso sobre los criterios de selección y utilización de los elementos a emplear en los sistemas de tuberías. En este proyecto se estudian las tuberías relativas al llenado y vaciado de los tanques de gasoil. Las tuberías ligadas al transporte de hidrocarburos generalmente están diseñadas de acero en tramos de mayor longitud posible, para así evitar uniones, siendo estas del tipo de bridas para conseguir un montaje más rápido, además de que en caso en que se produzca un fallo en un tramo o tener que reemplazar la tuberías, evitar tener que cortar las mismas, con el peligro de que si no se hubiera realizado una buena desgasificación podría dar lugar a incendios u otros problemas.. 10.1 Disposición de las tuberías - Todas las tuberías se diseñan procurando conseguir los recorridos más cortos posibles y el menor número de accesorios, respetando las limitaciones dadas por la expansión y flexibilidad inherentes a su diseño. - Todas las tuberías situadas dentro de las unidades discurrirán agrupadas y apoyadas en soportes elevados. Se instalarán de forma que permita el fácil y completo acceso a los equipos de operación y mantenimiento. - Los trazados de tuberías se diseñan de forma que se eliminen las bolsas de acumulación de líquido y gases. Se evitan las líneas de fluidos de dos fases y líneas de vapores condensables. - Las líneas verticales en recipientes se instalan preferentemente próximas a la pared de estos. - Cuando una tubería atraviese suelos, tejados o paredes, se colocan pasamuros con un tamaño suficiente que permite el movimiento por dilataciones.. 39.

(43) 10.2 Cálculo del diámetro de las tuberías Existen diferentes tipos de flujos que podemos encontrar a la hora de dimensionar una tubería: - Flujo incompresible: el fluido fluye con densidad constante. En general los líquidos se consideran incompresibles, excepto a temperaturas próximas a la temperatura crítica. Se pueden considerar los gases cuando la variación de su densidad con la presión es inferior al 10%. - Flujo compresible: caso de gases para los que la variación de la densidad es superior al 10% con cambios de velocidad relativamente importantes. - Flujo adiabático: un gas que fluye por una tubería de diámetro constante disminuye su densidad al disminuir la presión por efecto de las pérdidas de fricción, con lo cual su velocidad aumenta, y al mismo tiempo su temperatura disminuye. Cuando la caída de presión es grande, la velocidad puede llegar al valor de la velocidad crítica en el propio gas que fluye. Esta velocidad es la máxima que puede alcanzar un fluido en una tubería. Para conocer el diámetro de las tuberías a través de las cuales circulan los hidrocarburos, tendremos que conocer en un primer lugar la velocidad a la cuál circulan estos. Según la normativa, para fluidos viscosos como el gasóleo la velocidad recomendada es entre 1-2 m/s. Para el diseño de este tanque se toma la velocidad máxima recomendada.. (. ). Siendo: - Q el caudal del fluido m3/s. - V la velocidad del fluido m/s. - R el radio de la tubería m. - D el diámetro de la tubería m.. Luego obtenemos que: 40.

(44) (. 3. ). ,. Como se acaba de calcular, las tuberías de transporte de hidrocarburos tendrán un diámetro de 188 mm.. 41.

(45) 11. MANUAL PARA LA FICHA EXCEL. Se ha desarrollado en Excel una ficha para el diseño y cálculo de los parámetros del tanque de almacenamiento. Para ello habrá que introducir una serie de parámetros conocidos (diámetro, densidad del producto, etc.) que variarán para cada tanque en cuestión. El objetivo de esta ficha es que nos proporcione las condiciones de diseño para cualquier tipo de tanque.. 11.1 Datos de diseño Procederé a la explicación de la ficha Excel, para completar los datos necesarios del diseño del tanque a partir de los datos conocidos. Los datos facilitados por el fabricante, por el cliente o por el emplazamiento de dicho tanque serán: Altura. 20 m. Volumen útil. 25.000 m. Densidad contenido. 835 kg/m3. Corrosión. 2 mm. Temperatura de diseño. 15 °C. Velocidad viento. 50 m/s. En la ficha de diseño, las celdas de los parámetros conocidos a priori irán rellenados en verde, para diferenciarlos de los que no lo son. En Excel quedaría tal que así:. 42.

(46) Para calcular el resto de campos en blanco, insertaremos una serie de fórmulas:. √. (. ). Quedando la tabla resultante de forma tal que:. Como comentario he de mencionar que a las celdas las he asignado un nombre determinado, y en las fórmulas he introducido el nombre en vez de asignar su posición dentro de la tabla; ya que en el caso de introducir una fila o columna intermedia con algún parámetro necesario (debido a alguna modificación) si en las fórmulas hubiese introducido la posición de celda, el resultado se modificaría automáticamente.. 43.

(47) Por ejemplo el valor del radio en vez de introducirlo con el valor de “c5” que sería su posición en la tabla lo he llamado con el nombre de radio, así si introduzco una fila por encima de la 5, las fórmulas que tengan el nombre radio no se verían afectadas.. 11.2 Datos de carcasa Para poder abrir el programador de Excel, tendremos que abrir la pestaña del programador VBA, que se sitúa en la parte superior izquierda de la pantalla:. 44.

(48) Los datos de carcasa que conocemos a priori serán: El límite elástico de material vendrá dado por el fabricante, en función a unas demandas del cliente por motivos de seguridad o simplemente por una cuestión económica.. El espesor mínimo de carcasa vendrá dado en función del diámetro por lo que en función de las tablas adjuntadas en el punto 7.1, lo introduciremos en el programador mediante la siguiente función:. 45.

(49) Para calcular las dimensiones del anillo de refuerzo situado en la carcasa:. Para poder ejecutar las órdenes introducidas en el programador VBA, con el cursor seleccionando alguna línea dentro de la función que queramos que se cumpla; seguidamente seleccionaremos el icono de play tal como se observa en la siguiente imagen.. 46.

(50) Sin embargo no será necesario ejecutar las macros dándole al play, pues se ha diseñado de manera que se ejecuten automáticamente.. La tensión de diseño será dos tercios del límite elástico del material suministrado por el fabricante:. 3. í. Como consecuencia de las dimensiones de nuestro tanque, la altura de cada virola según la normativa será de 1,8 metros; por lo que para calcular el número de virolas de nuestro tanque redondearemos al número entero del cociente según:. La longitud de tapa será:. 47.

(51) La altura de diseño será:. altura de virola. En la celda reservada para introducir el material anotaremos el material impuesto por el fabricante, en este caso sería S 275-JR. El espesor de cada virola lo calculará de dos formas: - La primera forma será mediante la introducción en la ventana general del Excel, de la fórmula del espesor de virola:. Esa fórmula corresponde a la virola de fondo, para calcular la siguiente, únicamente habría que cambiar “E ” por “E ”, siendo E E que indica la numeraci n de las virolas, y así sucesivamente.. 48.

(52) Resultando que:. - La segunda forma sería mediante la programación en VBA, con el espesor rectificado al mínimo de aquellas virolas que no cumplan la normativa. En el programador VBA primero introduciremos la fórmula con todas sus variables:. A continuación, programaré para que de manera automática calcule el espesor de cada virola en la celda correspondiente, mediante una serie de órdenes:. 49.

(53) 50.

(54) Comparando el resultado de ambas maneras:. Los resultados de la derecha corresponden a los resultados obtenidos mediante el programador en VBA, y la columna de la izquierda corresponde a los resultados introducidos en la hoja Excel. Podemos comprobar que está bien programado pues los resultados mediante ambos métodos coinciden los resultados obtenidos. Para que el número de virolas se modifique en función de la altura del tanque:. Se ha programado de manera que redondee al número entero más próximo al hacer el cociente.. 51.

(55) 11.3 Datos de fondo. Lo programaré de tal forma que al seleccionar el tipo de soladura que puede ser “Solape” o “A tope” se introduzca autom ticamente el espesor del fondo seg n:. El espesor de la chapa anular ea y la anchura la serán:. 3. 3. √. 52.

(56) 11.4 Datos de techo El presente tanque tiene un techo en forma de cúpula o domo, soportado por una viga radial y con una pendiente 1 a 16 tal como se refleja en la ficha Excel.. 11.5 Conexiones y accesorios Tal y como se ha hecho referencia en todo los anterior es necesario una serie de conexiones y accesorios en el tanque, para su correcto diseño y funcionamiento.. 53.

(57) 11.6 Calidad de los materiales A partir de una serie de estudios económicos y de viabilidad del proyecto diseñaremos las diferentes partes del tanque con los siguientes materiales.. 54.

(58) 11.7 Peso del tanque Para calcular el peso total de diseño se ha calculado parcialmente el peso de cada una de las partes del tanque:. 11.7.1 Peso de carcasa. 11.7.2 Peso de fondo. 55.

(59) 11.7.3 Peso de techo. Todos los campos que son conocidos (“rellenados en verde”) los introduciremos en el programador para que al cambiar uno de ellos en esta hoja de cálculo, para que nos cambie automáticamente el peso de cada una de las partes del tanque que se verían afectadas:. 56.

(60) Toda la programación que se ha desarrollado para esta ficha está incluida dentro del módulo 4 del programador.. 57.

(61) DISEÑO DE UNA HOJA EXCEL PARA UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE GASÓLEO DE AUTOMOCIÓN. DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONÓMICO. 58.

(62) 12. PRESUPUESTO A continuación se calculará de forma aproximada lo que cuesta la fabricación del tanque. Estimaremos el precio est ndar del acero en € kg Como se ha hecho referencia anteriormente, el peso total del tanque aproximado es de 316.819 kg, lo que resulta un precio estimado de: € kg x 316.819 = 33 3 € A parte del coste de fabricación, la construcción llevará implícito una serie de costes adicionales:. Tipo de inversión Construcción del tanque Equipos y accesorios Montaje Protección contra incendio Ingeniería y supervisión Seguridad y salud TOTAL. Precio (€) 633.638 135.000 225.000 150.000 27.000 450.000 1.620.638. 59.

(63) DISEÑO DE UNA HOJA EXCEL PARA UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE GASÓLEO DE AUTOMOCIÓN. DOCUMENTO 3: ANEXOS. 60.

(64) ANEXO A: LISTADO DE MATERIALES. 61.

(65) A.1 Materiales de construcción de tanques bajo la normativa API 650 Para el mejor diseño, cálculo y manufactura de tanques de almacenamiento es importante la selección del material adecuado dentro de la variedad de aceros que existen en el mercado, por lo que a continuación se listan los materiales más usados con su aplicación. . A-36 Acero estructural. S lo para espesores iguales o menores de 3 mm ( ½”), este material es aceptable y usado en los perfiles, ya sean comerciales o ensamblados de los elementos estructurales del tanque. . A-131 Acero estructural. GRADO A. Para espesor menor o igual a , mm ( ½”) GRADO B. Para espesor menor o igual a 25,4 mm (1”) GRADO C. Para espesores iguales o menores a 38 mm (1”) GRADO EH36. Para espesores iguales o menores a 44,5 mm (1-3 . ”). A-283 Placa de acero al carbón con medio y bajo esfuerzo a la tensión. G ADO C Para espesores iguales o menores a 5 mm ( ”) Este material es el más socorrido, porque se puede emplear tanto para perfiles estructurales como para la pared, techo, fondo y accesorios del tanque. . A-285 Placa de acero al carbón con medio y bajo esfuerzo a la tensión. GRADO C. Para espesores iguales o menores a 5, mm ( ”) Es el material m s recomendable para la construcción del tanque (cuerpo, techo, fondo y accesorios), 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. GRADOS 55, 60, 65 y 70. Para espesores iguales o menores a 38 mm (1”) 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 alta tensión que lo justifique.. . A-53. GRADOS A y B. Para tubería general 62.

(66) . A-106. GRADOS A y B. Para tubos de acero al carbón sin costura, para servicios de alta temperatura. En el mercado nacional, es fácil la adquisición de cualquiera de estos dos materiales, por lo que puede usarse indistintamente, ya que ambos cumplen satisfactoriamente con los requerimientos exigidos por el estándar y la diferencia no es significativa en sus propiedades y costes. . A-105 Forja de acero al carbón para accesorio de acoplamiento de tubería.. . A-181 Forja de acero al carbón para usos en general.. . A-193. GRADO B7. Material para tornillos sometidos a altas temperaturas y de alta resistencia, menores a 64 mm (2”) de di metro. . A-194. GRADO 2H. Material para tuercas sometidas a altas temperaturas y de alta resistencia. . A-307. GRADO B. Material de tornillo y tuercas para usos generales. Por lo que cualquier material que utilicemos en la construcción del tanque, debe estar sujeto a las especificaciones de este anexo, y cumplir la norma indicada API 650. En cualquier caso, si las bases de diseño y construcción de tanques, justifica el uso de mejores materiales, se puede utilizar cualquier material que aparece en la siguiente tabla, quedando sujetos a las limitaciones y modificaciones indicadas en esta norma de referencia.. 63.

(67) Tabla 20: Listado de materiales para la construcción del tanque.. A.2 Materiales de construcción de tanques bajo la normativa EN 14015 La lista de materiales asociado a la norma UNE-EN 14015, aparecerán en la siguiente tabla. En el diseño del presente tanque se ha decidido llevar a cabo con un acero al carbono o al carbono manganeso de límite elástico de 275 N/mm2, siempre y cuando cumpla los requisitos que impone la normativa.. 64.

(68) 65.

(69) Tabla 21: Listado de materiales para la construcción del tanque.. 66.

(70) En las tablas anteriores: - Opción 1: debe informarse del proceso de la fabricación del acero. - Opción 2: CEV de análisis de colada ≤ , para chapas de espesor superior a mm - Opción 19a: Debe realizarse un ensayo por choque Charpy en cada chapa de espesor superior a 20 mm.. 67.

(71) ANEXO B: SOLDADURAS EN EL TANQUE DE ALMACENAMIENTO. 68.

(72) El estándar API 650, se auxilia del Código ASME sección IX, para hacer referencia a los alineamientos que han de seguirse en la unión y/o soldado de materiales. En este código, se establece que toda junta soldada deberá realizarse mediante un procedimiento de soldadura de acuerdo a la clasificación de la junta y que, además, el operador deberá contar con un certificado que lo acredite como un soldador cualificado, el cual le permitirá realizar cierto tipo de soldaduras de acuerdo con la clasificación de ella. Una vez se ha llevado a cabo las soldaduras, se someterán a una serie de ensayos o pruebas para comprobar que no existe peligro de riesgo de fugas. Antes de aplicar cualquier cordón de soldadura, es necesario presentar los procedimientos de soldadura para su aprobación y estudio, para cada caso en particular. Este procedimiento debe indicar la preparación de los elementos a soldar, así como la temperatura a la que se deberá precalentar tanto el material de aporte (electrodo, si lo hubiera), como los materiales a unir. Todas las soldaduras serán aplicadas mediante el proceso de arco eléctrico sumergido, arco con gas inerte o electrodos recubiertos. Estos procesos pueden ser manuales o automáticos. En cualquiera de los dos casos, deberán tener penetración completa, eliminando la escoria dejada al aplicar un cordón de soldadura antes de aplicar sobre este el siguiente cordón.. La cara ancha de las juntas en “V” y en “U” podr estar en el e terior o en el interior del cuerpo del tanque dependiendo de la facilidad que se tenga para realizar el soldado de la misma. El tanque deberá ser diseñado de tal forma que todos los cordones de soldadura sean verticales, horizontales y paralelos, para el cuerpo y fondo, mientras que en el caso del techo podrán ser radiales o circunferenciales. B.1 Juntas verticales del cuerpo - Las juntas verticales deberán ser de penetración y fusión completa, lo cual se podrá lograr con soldadura doble, de tal forma que se obtenga la misma calidad del metal depositado en el interior y el exterior de las partes soldadas. - Las juntas verticales no deberán ser colineales, pero deben ser paralelas entre sí en una distancia mínima cinco veces el espesor de la placa (5t). En la siguiente imagen se aprecia de forma gráfica los tipos de soldadura en juntas verticales más comunes que existen.. 69.

(73) Imagen 15: Tipos de soldadura en juntas verticales.. B.2 Juntas horizontales - Las juntas horizontales, deberán ser de penetración y fusión completa, excepto la que se realiza entre el ángulo de coronamiento y el cuerpo, la cual puede ser unida por doble soldadura a solape, cumpliendo con el procedimiento de soldadura. - A menos que otra cosa sea especificada, la junta a tope con o sin bisel, deberán tener una línea de centros o fibra media común.. 70.