8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

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1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 ANÁLISIS DE ESFUERZOS DE LA JUNTA TECHO-ENVOLVENTE DE TANQUES ATMOSFÉRICOS DE ALMACENAMIENTO DE CRUDO DE HASTA 60 ft DE DIÁMETRO Marquina Chávez A.*, Anzelmetti Zaragoza J.*, Martínez Trinidad J.**, Campos Silva I.** * Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Campus Poza Rica, Veracruz, México, ** Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIME-Zacatenco, México D. F * amarquina@uv.mx, janzelmetti@uv.mx ** jomartinezt@ipn.mx, icampos@ipn.mx RESUMEN. En este trabajo se realizó el análisis de esfuerzos en la Junta Techo-Envolvente de Tanques de Almacenamiento Atmosféricos con diámetros menores de 60 ft. Los tanques de almacenamiento empleados en la industria petrolera están regidos por estándares como el API-650. Por lo que, con base en ésta, se calcularon los parámetros requeridos para los espesores de diseño de las placas de la envolvente y del techo; además, de las diferentes presiones involucradas en el estudio. Se utilizó el método del Elemento Finito a través de un programa comercial tanto para validar los resultados obtenidos, como para realizar las simulaciones correspondientes y visualizar mejor el comportamiento del tanque a diferentes presiones para determinar, con una mayor precisión, la presión que conduce a la falla de la junta techo envolvente. La unión frágil, como es mejor conocida la Junta techo-envolvente, tiene la característica de que en el momento de presentarse un evento inesperado de sobre-presurización en el interior de un tanque esta unión falle y no el tanque. Con esto, se asegura la integridad funcional de la envolvente y en la unión base-envolvente. Además, también se cubren aspectos relacionados en materia de seguridad industrial y ambiental. PALABRAS CLAVE: Análisis de esfuerzo, elemento finito, tanques atmosféricos, API. código

2 INTRODUCCIÓN. Petróleos Mexicanos (PEMEX), reportó en su Anuario Estadístico, PEMEX 2006, que la producción de petróleo crudo para el 2005, fue de millones de barriles diarios, de los cuales se exportaron millones de barriles; lo que representó un ingreso de 28,311 millones de dólares en el 2005 [1]. 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, 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 [2]. No obstante se han reportado accidentes y fallas, específicamente en la Unión Techo- Envolvente en tanques de almacenamiento menores a 15 m de diámetro, conocida también como el área de la Junta Frágil (Joint Frangible) como puede observarse en la. Fig. 1. Fig. 1. Falla en la Junta Techo-Envolvente de un Tanque de Almacenamiento. (Tuxpan, Ver., México) En la primera etapa del estudio se centra en el comportamiento estructural de Tanques Atmosféricos de Almacenamiento de Crudo, estando sometidos a sobrepresiones internas, las cuales traen como consecuencia la expansión del tanque y pueden llegar a ocasionar fracturas en la unión techo-envolvente (Fig. 1). En el presente trabajo se determina teórica y numéricamente la presión de falla de un Tanque de 4.57 m (15 ft) de diámetro por 5.49 m (18 ft) de altura total. En esta investigación sólo se realiza el análisis estático en el Tanque de Almacenamiento. Posteriormente se ampliará con el estudio dinámico. METODOLOGÍA DE ANÁLISIS. Análisis Analítico Primeramente se selecciona el material de diseño a utilizar para las placas tantas del piso, envolventes y techo del tanque, véase la Tabla I. Tabla 1: Constantes reales del Material, ASTM A283 Gdo. C Posteriormente se realizó un análisis de esfuerzos aplicado tanto a la envolvente como a la junta techo-envolvente de un tanque atmosférico de almacenamiento, con el propósito de calcular los espesores de diseño de las placas que conforman el tanque. Dichos cálculos, se efectuaron de acuerdo a las Normas (API-650 [3] y el estándar británico B.S [4]), por sus diferentes métodos (método de One Foot, apéndice A, el criterio de falla de Von Mises y un análisis propuesto). Los espesores calculados, se utilizaron para determinar las áreas de compresión junta techo- 2

3 envolvente (lugar donde se manifiesta la falla), además del peso del tanque (incluidos sus accesorios); toda esta información fué necesaria para calcular las presiones de diseño, máxima y de falla (la cual origina la fractura en la junta techo-envolvente). Los resultados se presentan en la Tabla 2, y a partir de estos se define el espesor de Diseño a utilizar. Para todos los cálculos realizados se requirió un programa, que permitiera agilizar el proceso, utilizando el programa comercial MathCad para tal fin. [5] Tabla 2: Resultados de los cálculos analíticos Los resultados anteriores para una mejor compresión se muestran en la Figura 1. Fig. 1. Presiones contra espesores encontrados. 3

4 Con toda la información obtenida, tanto de materiales, espesores, áreas de compresión y las diferentes presiones (Tablas 1 y 2) se procede a realizar el análisis por medio del elemento finito, para lo cual fue utilizado el programa comercial ANSYS [6], para validar lo obtenido anteriormente. Simulación Numérica. Primero se realizó el modelo físico del Tanque de Almacenamiento. Posteriormente se seleccionó el elemento Shell61. Con dicho elemento fueron mallados las placas para la discretización de continuo de la envolvente, base y techo, introduciendo las propiedades del material de dichas placas y las constantes reales en el modelo del elemento finito. Finalmente se establecieron las condiciones de frontera y se resolvió el problema. (Fig. 2) Fig. 2. Discretización del tanque de almacenamiento Los valores obtenidos con el programa ANSYS, se muestran en la tabla 3. Lo que se obtuvo con el elemento finito fueron los valores tanto de los esfuerzos como de las deformaciones debidas a las diferentes presiones que se fueron introduciendo en el programa. Tabla 3: Resultados de los cálculos numéricos 4

5 ANÁLISIS DE RESULTADOS. La construcción del modelo de elemento finito se realizó utilizando un espesor de diseño de 6 mm el cual resultó ser el mayor de todos los que se calcularon, además de que es el cumple las condiciones de presiones establecidas por la API-650. Con este espesor se analizó el comportamiento del Tanque bajo Presión Interna, partiendo por la presión de Diseño de kpa. (Véase Fig. 3). Fig. 3. Condiciones de Presión de Diseño Cada vez que se aumentó la presión interna dentro del Tanque, este se expande o dilata alrededor de su punto medio y los esfuerzos comenzaron a concentrarse y aumentar en las esquinas del Tanque, específicamente en el área de la junta Techo-Envolvente (se comprime y comienzan a aumentar los esfuerzos) y en la Junta Envolvente-Piso. Este comportamiento se manifiesto cuando el tanque se encuentra con una Presión Máxima de kpa aproximadamente, esto es, que la resistencia de fluencia en tensión y compresión del material comenzó a ceder (Fig. 4). Fig. 4. Condiciones de Frontera. Cuando la presión interna en el Tanque no es controlada y aumenta paulatinamente, se corre el riesgo de llegar a los niveles críticos de Presión de Falla (22.81 kpa), la dilatación de la envolvente del Tanque provoca concentración de esfuerzos en los puntos más débiles del Tanque, siendo el más crítico el Techo sobre el ángulo de la envolvente provocando con ello que se desprenda literalmente el techo de su apoyo. En las Figs. 5, 6 y 7, se muestran los resultados gráficos obtenidos con ANSYS. [7] 5

6 Fig. 5. Con una Presión interna de kpa, se manifiesta la falla en el Tanque. (Vista de detalle) Fig. 6. Vista de sección de la falla en el tanque. Fig. 7. Vista de isométrica de la falla. 6

7 En la práctica, es preferible que falle esta Junta Techo-Envolvente (Fig. 8), a que se llegue a presentar un siniestro y llegase a explotar todo el tanque, y es cuando se denomina a esta junta como Unión Frágil. Fig. 7. Falla real en una Junta Techo-Envolvente. (fuente: Collection Steinbrugge, University of California at Berkeley). CONCLUSIONES. Con respecto de los resultados derivados Métodos y Criterios: API establece que para un Tanque de las características que en éste proyecto de analizó, los valores de Presión Máxima (18.24 kpa) y Presión de Falla (22.81 kpa) se obtiene con un espesor de mm. En este trabajo se obtuvo, que para llegar a los valores antes mencionados de Presiones el valor del espesor de la envolvente debe ser de 6.00 mm. Con los resultados obtenidos, una propuesta, es aumentar el espesor de diseño mínimo que propone el API-650 de mm a 6 mm, en la práctica el espesor inmediato superior comercial existente es de 6.3 mm (0.25 ). Referente a los datos obtenidos con ANSYS, se concluye: El uso del Elemento Shell61, se debió para el ahorro de recursos de cómputo en la fase de solución del Problema, además por el manejo de diferentes espesores se realizó los análisis de una forma más dinámica. Los resultados obtenidos con ANSYS, validan los resultados obtenidos con las distintas Normas y Métodos. Además, los modelos obtenidos permiten simular el comportamiento del Tanque a diferentes espesores y presiones de la Envolvente, lo que en la práctica es difícil de realizar pruebas que permitan ver estos comportamientos. 7

8 REFERENCIAS 1 Anuario Estadístico, PEMEX 2006 Petróleos Mexicanos, México, George L. Morovich (SG Design), AGENDA ITEM: FRANGIBLE ROOF Part II, USA, Revision: 1 January 18, 2006, API-650 Addendum 4 3 Welded Steel Tanks for Oil Storage, API Standard 650, Vertical Mild Steel Welded Storage Tanks, With Butt-Welded Shells, for the Petroleum Industry, Part. 1, Design and fabrication, B.S Manual of MathCad Industry Standard Calculation Software Package (ver. 2001) Manual of Ansys Finite Analysis Software Package (ver. 9.0)