Diseño de Tanques según API 650

3.0 DISEÑO DE TANQUE DE 160000 GALONES DE PETROLEO

3.1 DISEÑO DEL CUERPO DEL TANQUE

El cuerpo o envolvente del tanque se forma con la unión de anillos hasta lograr la altura requerida. Estos anillos se construyen, soldando láminas roladas formando el perímetro del tanque. Es por esto, que el cuerpo es el componente más grande y crítico de los tanques, representando aproximadamente el 70% de la construcción, por este motivo el cálculo de los espesores se debe hacer de la manera más minuciosa para obtener los espesores óptimos que permitan tener un tanque seguro y de costos razonables.

Entre las condiciones de diseño requeridas dadas por el cliente, para tanques con las características antes mencionadas se tiene:

Temperatura del metal, basado en la temperatura ambiente Capacidad del tanque y localización en Estación Petrolera Gravedad específica del líquido a almacenarse Sobre espesor de corrosión Velocidad del viento Localización geográfica

Existen condiciones y restricciones que son propias para el diseño de este tipo de tanques, mencionadas anteriormente que constan en el estándar API 650, como son: Temperatura máxima de operación 93 ºC o 200F (ítem. 1.1.19) Presión externa de diseño 0.25 KPa.

Presión interna máxima para tanques cerrados indicada en el apéndice F del estándar API 650, no mayor a 18 KPa.

Los espesores de las planchas para la conformación de los anillos no deben ser menores a los indicados en la tabla 3.1 (item. 5.6.1.1).

Tabla 3.1Espesor Mínimo para Planchas de Tanques

DIÁMETRO NOMINAL DEL TANQUE

ESPESOR NOMINAL DE PLANCHA

Metros

Pies

Milímetros

Pulgadas

60

> 200

10

3/8

Según esta tabla para el diámetro de tanque que tenemos, nos corresponde una plancha con un espesor mínimo de 5 mm o 3/16”. Los esfuerzos máximos permisibles para diseño y prueba hidrostática (Sd) y (St) respectivamente, utilizados para los cálculos de espesores, se encuentran tabulados en la Tabla 5-2 de la Norma API 650 (Ver tabla 3.2). Así como también la mínima resistencia a la fluencia y a la tracción (Fy) y (Ftr) respectivamente. Existen dos métodos utilizados para el cálculo de espesores de las láminas que conforman los diferentes anillos, que son:

Método de punto fijo o un pie Método de punto variable

Tabla 3.2 Esfuerzos Permisibles de Materiales para Planchas

3.1.1 MÉTODO DE PUNTO FIJO O UN PIE

Se lo utiliza para tanques cuyo diámetro es menor a 60m (200ft). El método Un Pie, calcula el espesor en puntos de diseño que se encuentran a Un pie sobre el borde inferior de cada anillo que conforma el cuerpo del tanque.

3.1.2 MÉTODO DE PUNTO VARIABLE

Este método se utiliza para el cálculo de tanques con diámetros mayores a 60m (200ft). Este procedimiento proporciona una ligera reducción en el espesor de las placas que conforman los anillos, como consecuencia de esto se tiene una disminución en el peso total del material. Un limitante a la hora de realizar los cálculos de diseño es el espesor máximo de las láminas que existen en el mercado.

Este método calcula espesores de plancha en puntos de diseño en donde los esfuerzos calculados (esfuerzos circunferenciales aproximados) son de relativa proximidad al esfuerzo circunferencial real de la carcasa, por tal motivo es un método de aproximación por tanteo.

3.2 PLANTEAMIENTO

El presente capítulo de diseño, está desarrollado en base a la Norma API 650, décima primera edición de junio del 2007, con apéndice 1 noviembre 2008 y apéndice 2 Noviembre 2009, fecha efectiva Mayo 2010.

Para el diseño del tanque de 160000 galones de capacidad para almacenamiento de petróleo, se utilizara el Método de Punto fijo o De Un Pie.

Las dimensiones preliminares del tanque en base al volumen requerido de almacenamiento y en base a los diámetros y alturas sugeridos por el estándar API 650, se toma de la tabla 3.3.

Tabla 3.3 Tamaños típicos de diseño y Capacidades Nominales correspondientes para tanques con anillos de 1.80 m de alto por plancha

10

78.5

785

De donde se puede obtener la siguiente información: Datos propuestos: Diámetro tanque: 10.00 m Altura tanque: 10.00 m Numero de anillos: 6 (5 de 1.80 + 1 de 1.00) Alto de plancha: 1.80 m 3.3 VERIFICACIÓN DEL VOLUMEN DEL TANQUE

Según la Norma API 650, y en base a la Tabla A-3a, la capacidad del tanque de almacenamiento es: C=0.785D2H Donde: C= Capacidad del tanque en m3. D= Diámetro del Tanque en m. H= Altura del Tanque en m. Y se verifica que: C=0.785 D2H C = 0.785 * (10)2 * (10) C= 785 m3

=

207 375.06 galones

Se observa que dicho volumen es superior al volumen nominal del tanque, cuya capacidad de almacenamiento es 160 000 galones, con la cual las dimensiones del tanque quedan establecidas.

Para obtener el espesor de plancha sugerido, recurrimos a la Tabla 3.4. del API 650. Tabla 3.4 Espesor de placa para tamaños típicos de tanques con anillos de 1.80 m de alto

10

5.0

Espesor de plancha sugerido: 5mm o 3/16 pulgadas

3.4 RESUMEN DE DATOS GENERALES DEL DISEÑO Y CONDICIONES

.

•

Altura total del Tanque H= 10.00 m.

•

Diámetro D = 10.00 m.

•

Capacidad C =785 m3 = 207 375.06 galones

•

El diseño para espesores del cuerpo será por el Método Punto Fijo.

•

Presión de diseño: Atmosférica equivalente a 14.7Psia o 101.352 Kpa o 1 atm.

•

Gravedad especifica del liquido a almacenarse G = 1. (Prueba Hidrostática)

•

Corrosión Admisible CA = 1/8” (3,175 mm) para el cuerpo.

•

Espesor mínimo especificado 5mm, (3/16”).

•

Temperatura máxima de operación 93ºC.

•

Material para planchas del tanque, A-36.

•

Esfuerzo para prueba de diseño Sd =160 Mpa.

•

Esfuerzo prueba hidrostática

•

Esfuerzo de fluencia del material Fy = 250 Mpa.

St=171 Mpa.

3.5 CÁLCULOS DEL DISEÑO DEL CUERPO DEL TANQUE MÉTODO PUNTO FIJO O UN PIE.

3.5.1. CÁLCULO DE ANILLOS.

En base a la norma API 650, item. 5.6.3.2 determinaremos el espesor del primer anillo mediante las siguientes fórmulas (Método de Un Pie): El requerimiento mínimo de espesor de plancha para el diseño y construcción del tanque, será el mayor valor calculado de las formulas mencionadas, en base al item. 5.6.3.2 de la Norma API 650.

CÁLCULO PREVIO DE LA ALTURA EFECTIVA DEL LÍQUIDO A SER ALMACENADO: Tomando en cuenta que el tanque corresponde geométricamente a un cilindro, la altura efectiva del líquido almacenado se calcular con la siguiente expresión: DATOS: D : Diametro nominal del tanque

D  10

V: Volumen almacenado

V  605.67 m

He 

4 V 2

 D

 7.71 m

m 3

3.5.1.1 CÁLCULO DE PLANCHA DE PRIMER ANILLO (h=7.71 m) td 

tt 

4.9 D ( H  0.3)  G Sd 4.9 D  ( H  0.3) St

 CA  5.44

 2.12

mm

mm

Usar:

Planchas de: 6 mm o 1/4"

3.5.1.2 CÁLCULO DE PLANCHA DE SEGUNDO ANILLO (h=5.91 m) td 

tt 

4.9 D ( H  0.3)  G Sd 4.9 D  ( H  0.3) St

 CA  4.89

 1.61

mm

mm

Usar:

Planchas de: 5 mm o 3/16"

3.5.1.3 CÁLCULO DE PLANCHA DE TERCER ANILLO (h=4.11 m)

td 

tt 

4.9 D ( H  0.3)  G Sd 4.9 D  ( H  0.3) St

 CA  4.34

 1.09

mm

mm

Usar tmin: Planchas de: 5 mm o 3/16"

3.5.1.3 CÁLCULO DE PLANCHA DE CUARTO, QUINTO Y SEXTO ANILLO Del cálculo anterior se observa que para estos anillos se adoptara el espesor mínimo según el diámetro del tanque establecidos en el ítem. 5.6.1.1 o el espesor mínimo por capacidad del tanque establecido en la Tabla A-3a. Usar tmin: Planchas de: 5 mm o 3/16"

Tabla 3.5 Espesores del cuerpo Resumen: Anillo

Espesor Diseñado (mm)

1

5.44

2

4.89

3

4.34

4

3.79

5

3.24

6

__

Espesor Minimo (in) 3 16 3 16 3 16 3 16 3 16 3 16

Espesor Adoptado (mm) 6.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00

Espesor Adoptado (in) 1 4 3 16 3 16 3 16 3 16 3 16

3.6 DISEÑO DEL FONDO DEL TANQUE. 3.6.1 PLANCHA DE FONDO Todas las láminas del fondo deberán tener un espesor nominal mínimo de 6mm (¼ in) [70 kPa (10.2 lb/ft2)] sin incluir ninguna tolerancia de corrosión especificada. A menos que se acuerde otra cosa con el Comprador, todas las láminas rectangulares y del borde del fondo (“sketch plates”, aquellas láminas del fondo en las cuales descansa el cuerpo y que tienen un extremo rectangular) deben tener un ancho mínimo de 1800 mm (72 in o 6 ft).

El fondo del tanque debe proyectarse para formar una ceja de 50 mm (2 plg) como mínimo desde el filo del fondo del tanque, en base al item. 5.4.2 de la Norma API 650. Esta ceja que se formará alrededor del perímetro del tanque servirá para posteriormente perforar orificios que permitan colocar pernos de anclaje para la fijación del mismo a la base de hormigón.

A menos que sea especificado de otra forma en la hoja de datos, línea 12, los fondos de los tanques que requieran inclinación deberán tener una pendiente mínima de 1:120 subiendo hacia el centro del tanque.

Sin embargo para alargar la vida útil del tanque de almacenamiento y contrarrestar la corrosión que se enfoca en el fondo del tanque, principalmente porque es ahí en donde se depositan los sólidos del producto almacenado, provocando de esta manera un mayor desgaste en esta zona, se tomara para el diseño, un espesor de 9mm para las planchas del fondo.

3.6.1 PLANCHA ANULAR DEL FONDO El espesor de las láminas anulares del fondo no debe ser menor que el mayor espesor determinado usando la Tabla 5-1 para diseño por producto (más cualquier tolerancia de corrosión especificada) o para diseño por prueba hidrostática. La Tabla 5-1 es aplicable para una altura efectiva de producto de H x G _ 23 m (75 ft). Más allá de esta altura se deberá hacer un análisis elástico para determinar el espesor de la lámina anular del fondo.

Tabla 3.6.- Espesores Mínimos del Fondo del Tanque.

Product Stress = (5.44/6)*160 = 145.07 Mpa Hydrostatic Test Stress = (2.12/6)*171 = 60.42 Mpa

Tomando en cuenta la tabla 3.6 con los esfuerzos calculados anteriores para el Material A-36 y que el espesor de diseño para el primer anillo es de 6 mm. Entonces el espesor mínimo de la plancha según tabla será de 1/4" o 6,35 mm.

Sin embargo para alargar la vida útil del tanque de almacenamiento y contrarrestar la corrosión que se enfoca en el fondo del tanque, se tomara para el diseño, un espesor de 9mm para la plancha anular del fondo. El ancho radial para este anillo, es de 600 mm. Con una proyección fuera de la junta del cuerpo de por lo menos 50mm. Para un ancho radial mayor, se debe calcular con la siguiente fórmula:

215 tb

Ar 

( He  G)

0.5

 696.8

mm

Usar:

Ar: 700 mm

Donde: tb: espesor de la plancha anular. he: nivel máximo de líquido almacenado. G: gravedad especifica del líquido almacenado.

La plancha de fondo y de fondo anular se ubicarán sobre una base de hormigón uniforme previamente construida bajo los parámetros de diseño que indica el API650.

3.7 DISEÑO DEL TECHO DEL TANQUE. DISEÑO DE PLANCHA DE TECHO CONICO SOPORTADO Se diseñara según los siguientes ítems. del API 650: - Ítem. 5.10.2.2, espesor mínimo 5mm (3/16"), no incluye corrosión. - Ítem. 5.10.2.3, las planchas de este tipo de techo no se fijaran sobre los elementos estructurales de soporte. - Ítem. 5.10.4.1, la pendiente será 1:16 (6.3%) o mayor

 1   100  20   5

Pendiente  

%

Ok cumple

Usar : Planchas de: 5 mm o 3/16" DISEÑO DE VIGUETAS Se diseñara según los siguientes ítems. del API 650: - Item. 5.10.3.2, el espesor mínimo de cualquier elemento estructural incluyendo la tolerancia de corrosión en el lado expuesto, no será menor de ¼” para columnas, soportes, vigas o refuerzos que por diseñe estén para resistir fuerzas compresivas de 0.17”H2O. - Ítem. 5.10.4.4, los centros de las vigas deben estar espaciadas en el anillo exterior a no más de 1.88 m medido a lo largo de la circunferencia del tanque. En el anillo interior no será mayor de 5-1/2 ft (1.7 m). Se propone: canal C4"x7.25 NºViguetas  Espac iadas 

 D 1.88  D 18

 17

Se propone Nº viguetas =18

 1.75

DISEÑO DE COLUMNA Se diseñara según los siguientes ítems. del API 650: - Ítem. 5.10.3.2, el espesor mínimo de cualquier elemento estructural incluyendo la tolerancia de corrosión en el lado expuesto, no será menor de ¼” para columnas, soportes, vigas o refuerzos que por diseñe estén para resistir fuerzas compresivas de 0.17”H2O. - Ítem. 5.10.3.3, los radios máximos de ligereza de los elementos estructurales para columnas L/rc no debe exceder 180. Para otros elementos a compresión el valor L/r no debe exceder 200. Se propone: 2canal C8"x13.75 CALCULO DEL PERFIL DE CORONAMIENTO Para tanques de 10,668mm. (35 pies) o menores de diámetro un ángulo de 50.8 x 50.8 x 4.76mm. (2 x 2 x 3/16 pulg.). Se propone: L2"x2"x3/16"