API 650 Tanques de Almacenamiento- Diseño y Análisis - Notas Del Seminario (1)

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API 650 Tanques de Almacenamiento

Diseño y Análisis Notas del Seminario

Temario TANK Capítulo 1

Introducción

Propósito del Seminario Estructura del Seminario Elementos de un Tanque Código API-650 Arreglo del Código Materiales de Construcción Permisibles Grado de Tenacidad - Tenacidad - Fractura Frágil Esfuerzos permisibles de diseño y prueba para tanques de acero al carbón Consideraciones para presión interna

Capítulo 2

Un Poco de Teoría Básica

Introducción Esfuerzos en un Tanque de Cascaron Cilíndrico por Presión Interior Ejemplo de Calculo de Espesor de un Tanque Cilíndrico API 650 Derivación de los requerimientos de espesor del techo

Capítulo 3

Tank

Acerca del y Obtener el Programa e Iniciar Menú Principal Menú de Entrada Salida Herramientas

Capítulo 4

Primer Análisis con Tank

Primer análisis Carga por Viento Efectos de la presión interna en el tanque Techo soportado Método del punto Variable

Capítulo 5 Conceptos Básicos Apéndice P API 650 Ejemplo de aplicación

Boquillas

Capitulo 6

Asentamientos

Capítulo 7

Sismo

Conceptos Básicos Apéndice E API 650 Ejemplo 1 de aplicación Ejemplo 2 de aplicación

Introducción

Capitu

1 Introduccion

En Este Capítulo Propósito del Seminario del Seminario Código API-650 Arreglo del Código

acero al "", ..lhAn

Seminario TANK

SEMINARIO

que memorizar

normas exactas

API 650 para el

ESTRUCTURA DEL SEMINARIO En otras

Nuestro

con el proceso Necesitamos entender los programa Tank hace por nosotros y '~"H~'''CV lo que necesitamos "c>rw,,",nfl"" a una bicicleta", asentados estos tres de diseño en API 650

con

Estructura de un tanque una estructura ... ""tcl1ntp SHELL (CASCARON)

Se compone de cuatro "¡",me"",",",,,

El cascarón cilíndrico que es

""t"{",r'7 fuerzÁlS que actúan de la manera:

No consideremos el cascarón de un tanque: Considere el cascarón del tanque mostrado a la derecha, llenado con líquido. La presión está actuando hacia el exterior (radial mente ) del cascarón.

Observando el pequeño elemento que hemos removido, consideramos las fuerzas que actúan (en este elemento)

df/2 Ahora:

Equi

\ df! es un p~queijo ángulq (en radianes) R es el racho del cascaron de tanque s es el esfuerzo circunferencial t es el espesor del cascarón del tanque P es la presión interior

por~l>zli!f:fá!li'cMftljcalm!?'te¿:'JI'!¡l~",'erf!O'i1ir tl:::!: Llmi!> :he fílli",{ heígh::. any odler Je;-e: ¡¡peoified by die PW;ChE€r.

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die F~cha;¡er.

Un Poco de Teoría Básica en

como

t :

2-5

= 2,6 D eH -

1) G

t:

=..f...Q..

5d

25

No se ven como parecen. Pero en realidad, son las mismas fónnulas. Podemos ver esto razonamientos. Todo lo que necesitamos es la cifra de la parte de presión, y la fónnula será

Cómo son las fórmulas derivadas en API 650 párrafo 5,6.3.2? La fórmula básica para el espesor del aro de esfuerzo en un cilindro es: Espesor:

t :

= ..f...Q.. 2.5

Donde: P = Presión D = Diámetro 5 = Aro de esfuerzo (admiSible) t = Cálculo del espesor del cascarón Pero, Aquí es donde API 650 mezcla las unidades teniendo que introducir un factor de conversión de 2.6 para Imperiales, y 4.9 para Métricas. Este puede ser el origen de problemas: API 650 Párrafo 5.6.3.2 utiliza la siguiente fórmula: Fórmula Imperial:

t:

= 2,6 D CH - 1) G

Note el factor

5d

Fórmula Métrica:

t:

= 4,9 D eH -1) G

Note el factor

5d

La fórmula estándar del Aro de Esfuerzo es: t:

=..f...Q.. 25

Ahorg consideremos UNIDADES IMPERIALES API 650 tiene: Diámetro D en ~ Altura de Líquido H en pies

Arriba falta el término de Presión!

2-6

Semingrio TANK

eSCles()r t en pulgadas H p

aguo a presión en psi es dada por:

foot [~J

Pongamos ahora todos los valores en la ecuación del Aro de Esfuerzo como se muestra arriba: H [feet] x O.43lpSi] x D [feet]x 12rinsJ

lfootj

lfoo~

t= 2 x 5 [psi]

Esta se convierte: 2

Así,

valor de 2.6 tiene unidades que API no explica

Podemos realizar un procedimiento similar para derivar la fórmula Métrica utilizada en API 650. es como: Ahora consideremos UNIDADES METBICAS API 650 tiene: Diámetro D en metros Altura H de Líquido en metros Esfuerzo S en Mpa (mismo que .l:L ) Cálculo de Espesor t en mm Presión hidráulica del agua a profundidad H de la superficie libre La presión en psi es dada por:

P [Mpa] = H [m] x 0.0098

~J

Ahora vamos a poner todos los valores en la ecuación del Aro de Esfuerzo como se muestra arriba: .. MPo l-i [m]

[m]

0.433 !TI

t= 2

S [MPa]

mm

Un Poco de Teoría Básica

se rn"'\I'"

,,4.9 [ - - -

H [mlx D ¡mI

de 4.9 tiene ~""JU~'~J Las ecuaciones se """,tn para otros 1141"''''''J;> CA.

Ejemplo de Calculo de Espesor de un Tanque Cilíndrico API 650 Como un mostrado

ahora vamos a '"U'vU'U! el espesor """,,"""'U'A

cascarón cilíndrico

La solución se muestra a

Cálculo en Unidades Imperiales:

Cálculo en Unidades Métricas

Para simplificar, asumiremos que hay solamente un anillo de envolvente, que es 64ft (19,5072m) de altura. D = 100 ft D =30.48 m H = 50 ft H = 15.24 m G= 1.150 G= 1.15 Sd = 25300 psi Sd = 174.437 Mpa

2-8

Seminario TAIVK

usado

MPa)

::

~ 2 j

Lft t:: 0.704 in

mm

Si adicionamos una presión interior por encima de la superficie libre de líquido, debemos convertir esta presión a una altura equivalente de agua en pies (cálculo Imperial) o metros (cálculo Métrico) Cálculo en Unidades Imperiales: P =2.5 psi

Cálculo en Unidades Métricas

P = 17.237 kPa Hw::

P

Hw=

0.0098Mpg m Hw =1.759 m

0.433i2ái

ft Hw

p

=5.771 ft

Ahora observe como las fórmulas son modificadas para dar cabida a la presión interior adiciona! Cálculo en Unidades Imperiales:

t=

t

~/nJ

...

.u..:..--=-..I.........;....,¡..:.:.::..,¡:,.= +

Cálculo en Unidades Métricas

t=

CA

D CH - 0,3 m ... Hw) G +

Sd

=0.772 in

t:: 19,617 mm

Ahora supongamos que queremos determinar la altura MAXIMA "H" del producto que el cascarón pudiera a la sustentar en otras cuál es la mayor altura que dar al para el norma. Todo lo que tenemos que hacer es trasponer la formulación de la fórmula, Intentemos esto nuevamente como un Hmax::

(t - CA) Sd + 1 ft 2.6 D G

La

es la

(no haciendo caso a la presión interior se convierte en: Hmax :: 55.774 ft)

Derivación de los requerimientos de espesor del techo La norma tiene lo que parece ser una fórmula críptica para la derivación del espesor del techo. La formula parece no dar ninguna pista de dónde proviene. En la norma, se ve así:

Básica

Un 5.10.5.1

+ CA.

D

=

mm

1101l11lla¡ d13l11f'teI

T=

(kPa)

oí

elements

hOfuolltal

El método se explica en el libro: Proceso del Diseño de Equipo por Brownell and Young6 • El método se la tendencia del a pandearse bajo su propio peso. Brownell & lo de la AHORA CONSIDEREMOS EL CONO DEL TECHO APOYADO EN SI MISMO,

La viene de "Brownell and • modificada para derivar el resultado en PULGADAS Imperiales (INCH) en unidades LBE

El esfuerzo de compresión en el techo siendo básicamente el aro de techo de la presión exterior (cargas vivas y muertas) y el peso por si mismo. De la ecuación del aro de esfuerzo normal; f:

EL

pero: r

en

2-10

Seminario TANK

fcrit : :=:

donde E

sin embargo, se han realizado sobre la vJ'UV''''-'uu del apoyo indican que el crítico real es cerca de 12

f:=

conicos

los

pero como

j

f:

las ecuaciones ( 1

( 2 ), obtenemos:

El espesor

t:=

está

la

mismo peso del y una carga extra 25 en API 650 está basado en una techo

3/16" de espesor. la carga

Por

Kegr~~Sem()s

tanto P:

+

este valor ecuación ( 3 ),

en

P

es tr.l1nó>rló>

0.226

para el acero

Vale la pena este clásico libro y es una de 1959, contiene una gran cantidad de información sobre una serie de temas. Actualmente solo está disponible en una y tiene un costo de de

6

Un Poco

Teoría Básica

1

t:=--o--

5153

la unidad para D son debemos t

1 5153

UWlrY1l1'ICl

anterior esta ¡';U1'-""'"

en pulgadas. Para el manera:

1

D

D t:=----

--DI2---

APl650 t:=----

t:=----

?>"'-trl}""" de este cálculo el cual debemos realizar en ya que el techo ser del

Metric

de

tm:=------

4.8tm= 5.646

Tank

Tan

Capítulo

DEL SOFT\VARE acerca de un para darle los y después le da los por cada uno de estructura Si errores o problemas con el diseño, estos también son reportados. Si graves no realizará un trabajo de cálculo, y reportará un error fatal que el usuario deberá reparar programa realice el análisis. +~~~n,~'¡',~

ALCANCE Y LIMITACIONES DEL CODIGO Tanto el Código API 650 como el programa Tank tienen Por de las tuberías de conexión que introducen locales en el cascarón. de acceso que se conectan al tanque, tales como pasillos y escaleras de diseño especial. Por lo Por en caso de de momentos, podría tener que usar otros métodos de el usuario puede tener acceso a softwares suministrados por COADE, como PVElite o CodeCalc. Con este es posible evaluar y los para tuberías de carga usando WRCl G si el usuario un método de el software de Tank lo realizará rápidamente con un en el de ser 11"'''''''''''

ta"4uc;,

ser eOltal::toS por al programa de Tank en que se basa la norma.

y tn~,nrnH'

y

ser enviados insertados en otros documentos. pero antes de

MS Word

consideremos

OBTENER EL PROGRAMA E INICIAR Existen

maneras de empezar Tank, la primera es ésta:

Haga en el botón de Inicio, seleccione Se deberá ver como esta pantalla:

y recorra la

de programas hasta que

Tank.

Alternativamente, si tiene el ícono de Tank en su escritorio de Windows, simplemente de doble click en el ícono y el programa El ícono se ve así:

WRC 107, Investigación de Soldadura Boletín 107 "Esfuerzos Locales en Cascarones debido a Cargas Externas" por Wichman, Hopper & Mershon.

y Cilíndricos

PD 5500: Norma Británica de Diseño de Recipientes a Presión. El Apéndice G considera las cargas locales de los acoplamientos.

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3-3

Una breve introducción al Tank m-""*~~tr.re

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'J1,,.,,,1',, 5.9.7.1 para tener mas detalles del calculo de La presión de viento

p

ft.

ft)

5.2.l[k]).

=LO f« (2I!egmy II m'C¡!:1'"re$. far expoS!lI1! (.

zar :nt+·¡¡¡rd drng 00 opeu-tq:l Si usamos la velocidad base de viento de 120 como sugiere el párrafo 5.9.7.1, podemos calcular la presión

4-8

Seminario TANK

la

cortante y

como

momento

muestra "rrmt.m

10% nos da: 25.6 x l. de .07

=O~¿ J2

WF

Pws

WF 31.070

Pwr

1.070

Factor

40.60 ft2

As

de viento

WF = 1.56250

viento en

Pws

48.54688

viento en techo de cono

Pwr

48.54688

Areade! Area de techo

Ar

ft

2 Areade

Ar

A

2507. 8000

para

TAN K

Pws: Pwr:

Pws Pwr

53.40156 53.40156 ft

M:

ft Pws

M

4 9855L5ft

Ar

Fuerza de viento Fw:

Pws

~o 5.~59jft

Pwr

cortante en Pwr

de

del

Fw = 133887.329471bf

MOMENTO DE VOLTEO POR VIENTO

el de Se está tratando de volcar el Si tomamos momentos de la momento

a la es el peso del no,1pnnornpe,w

EnJa

entre los dos cascarones,

cascarón. esfuerzos actuando como ésto:

momento de parlCleo, y

cortante.

existe un poco de

9

Primer Análisis con Tank en el

tensión

,.5I""'