API TANQUES DE ALMACENAMIENTO, Parte III: Techo Flotante, Techo Fijo, Estructura Interna, Acciones Sísmicas, Pernos de anclaje.

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1 API TANQUES DE ALMACENAMIENTO, Parte III: Techo Flotante, Techo Fijo, Estructura Interna, Acciones Sísmicas, Pernos de anclaje. NOTAS DE ESTUDIO Instructor: Javier Tirenti training@arvengtraining.com

2 Índice 1. Aspectos generales Cargas en techos de tanques ) Peso propio ) Cargas vivas ) Viento ) Cargas de construcción Techo fijo ) Configuración ) Techo auto-soportado ) Techo soportado ) Estructura para techos soportados Techo flotante ) Selección de techos flotantes ) Techo flotante externo ) Diseño de techos flotantes externos ) Techo flotante interno Acciones sísmicas ) Respuestas a un sismo ) Cargas de diseño ) Resistencia a cargas de diseño Pernos de anclaje ) Caso sismo ) Consideraciones sobre pernos Fabricación de tanques Información complementaria ) Manejo de chapas ) Soldadura ) Ensayos no destructivos ) Pruebas ) Inspección, alteración y reparación de tanques Bibliografía TANQUES DE ALMACENAMIENTO, PARTE III Instructor Javier Tirenti Pág. 2

3 1. Aspectos generales Los tanques de almacenamiento pueden clasificarse por el tipo de techo en tanques de techo fijo y tanques de techo flotante. A continuación, se muestran esquemas de estas configuraciones: Tanque de techo fijo (izquierda) y tanque de techo flotante (derecha). Los tanques de techo fijo se emplean para el almacenamiento de un gran número de productos, por lo general fluidos no volátiles a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente. Se puede decir que la mayor cantidad de aplicaciones en la industria utilizan tanques de techo fijo. Dentro del grupo de tanques de techo fijo, existen tres configuraciones: cónicos, de domo y de sombrilla. Los techos de estos tanques pueden ser autosoportados, soportados por estructura con o sin columnas internas. Cuando el fluido a ser almacenado es un producto que tiende a evaporarse a la temperatura de operación del tanque, se genera una cámara de vapor entre el nivel del líquido y el techo fijo del tanque. Si el tanque es atmosférico, la evaporación y venteo del fluido se traduciría en una disminución considerable en el volumen de producto almacenado y una potencial contaminación ambiental. Si el tanque se encuentra presurizado (válvula de presión y vacío), la evaporación conllevaría a aun aumento de la presión, con el consiguiente riesgo tanto para la seguridad del tanque como para la integridad de la instalación. Para eliminar la cámara de aire entre el nivel del líquido y techo, se utilizan dispositivos flotantes que descansan sobre el líquido. Existen dos tipos de techos flotantes: los internos, aquellos que no están en contacto directo con la radiación solar y precipitaciones pluviales; y los techos flotantes externos, los cuales se apoyan sobre el líquido almacenado y están en contacto con el medio ambiente. TANQUES DE ALMACENAMIENTO, PARTE III Instructor Javier Tirenti... Pág. 3

4 2. Cargas en techos de tanques A continuación, se describen las consideraciones de diseño sobre las cargas sobre el techo de tanques. 2.1) Peso propio El peso propio de las chapas y estructura del techo se debe determinar en función de los espesores no corroídos. El código API 650 requiere una verificación de los largueros por peso propio sin el beneficio de arriostramiento lateral de las chapas del techo. 2.2) Cargas vivas El código API 650 en su punto f requiere una carga viva mínima de 1 kpa en el área horizontal proyectada del techo. Las condiciones locales (o códigos) pueden requerir que la carga viva se incremente en áreas de fuertes nevadas. Las especificaciones del cliente deben definir los requisitos de carga de diseño. 2.3) Viento El viento no se considera en el diseño de la estructura de techos fijos debido a la pequeña superficie proyectada involucrada. Sin embargo, un viento fuerte (240 Km/h 3-second-gust ) puede crear suficiente elevación para hacer que las chapas del techo reboten en la estructura. Cuando se especifica una velocidad del viento superior a este valor, los elementos de la estructura deben verificarse con una carga de dos veces el peso de las chapas del techo. 2.4) Cargas de construcción Se requiere una carga mínima de construcción de diseño uniforme para la seguridad durante la construcción. En base a distintas especificaciones de clientes y experiencias de constructores, la carga mínima de construcción es de 0,72 kpa para chapas de techo de 5mm de espesor y 1 kpa para chapas de techo mayores a 7mm de espesor. Esta carga viva mínima supone que no se apilarán más de dos chapas de techo adicionales en una ubicación en un techo parcialmente completado. TANQUES DE ALMACENAMIENTO, PARTE III Instructor Javier Tirenti... Pág. 4

5 3. Techo fijo Los tanques de almacenamiento con techo fijos se emplean para almacenar productos no volátiles o de bajo contenido de productos livianos (no inflamables) como son el agua, diésel, asfalto, petróleo crudo, etc. Los techos fijos pueden adoptar distintas configuraciones en función de numerosos aspectos. Las configuraciones permitidas por el código API 650 para techos fijos son: Techos cónicos: cubierta con la forma y superficie de un cono recto Techos tipo domo: sección de un cabezal esférico Techos tipo sombrilla: polígono regular curvado por el eje vertical Independientemente de la forma del techo, estos se apoyan sobre la pared del tanque y son soportados de distintas formas. La forma en la que los techos se soportan se clasifica en: Techos auto-soportados: las chapas del techo se apoyan sobre la pared del tanque. Techos soportados: las chapas del techo descasan sobre una estructura o marco, que a su vez se apoya sobre la pared del tanque. Dependiendo del peso del conjunto, los techos soportados pueden diseñarse con o sin columnas internas. Definir la configuración y tipo de soporte para el techo de un tanque de almacenamiento es una tarea que requiere un profundo conocimiento del proceso y de las cargas que debe soportar el tanque. Esta tarea debe ser desarrollada en forma conjunta por el departamento de procesos y el departamento mecánico. A modo de referencia, se incluyen algunas prácticas habituales para seleccionar el tipo de suportación utilizada en distintos proyectos: Para tanques de diámetro 16m los techos pueden ser auto-soportados. Para tanques de diámetro entre 16m < D < 22m los techos deben diseñarse con estructura o marco. Para tanque con diámetros > 22m los techos se apoyan en estructuras soportadas por columnas internas. Nota: los criterios indicados anteriormente representan solamente una guía para la selección del techo de un tanque. No debe adoptarse como un criterio de diseño. Las chapas del techo deben unirse al ángulo superior del tanque (perfil de coronamiento), con un cordón de soldadura continuo sólo por la parte superior. En los apartados siguientes se describirán las configuraciones de techos fijos aceptadas por el código API 650. No obstante, las reglas mencionadas no cubren todos los detalles de diseño y construcción de este tipo de techos. Con la aprobación del cliente, el diseño de techos fijos puede variar respecto a lo TANQUES DE ALMACENAMIENTO, PARTE III Instructor Javier Tirenti... Pág. 5

6 indicado en el código, siempre y cuando se garantice que los diseños propuestos presentan la misma o incluyo mayor seguridad que los diseños del código. TANQUES DE ALMACENAMIENTO, PARTE III Instructor Javier Tirenti... Pág. 6

7 3.1) Configuración Los techos fijos pueden adoptar distintas configuraciones según las dimensiones del tanque, el fluido a almacenar, el material del tanque y el método de fabricación entre otras cosas. A continuación, se describen las tres configuraciones admitidas por el código API ) Techos cónicos Los techos cónicos se caracterizan por su fácil construcción. La configuración de este tipo de techos es una cubierta con la forma y superficie de un cono recto. El ángulo de inclinación de techos cónicos con respecto a la horizontal está comprendido entre 9,5 y 37º. Reemplazo del fondo de tanques de techo fijo tipo cónico 3.1.2) Techos tipo domo Los techos tipo domo son menos usados que los casos anteriores debido a que tienen un proceso de fabricación laborioso, ya que cada chapa y segmento tienen que conformarse con el radio de curvatura, incrementado de esta manera su costo y complejidad. Por su parte, de acuerdo al punto , el radio de curvatura te techos tipo domo debe estar comprendido entre 0,8 y 1,2 veces del diámetro nominal del tanque. TANQUES DE ALMACENAMIENTO, PARTE III Instructor Javier Tirenti... Pág. 7

8 Training Construcción de un tanque con techo tipo domo 3.1.3) Techo tipo sombrilla Los techos de tipo sombrilla son una variedad del tipo domo, el cual solo conserva la curvatura sobre el eje vertical ya que sobre el eje circunferencial tiene semejanza con el tipo cónico. El radio de curvatura te techos tipo sobrilla se rige por los mismos valores que los techos tipo domo. Reemplazo del fondo de un tanque con techo tipo sombrilla TANQUES DE ALMACENAMIENTO, PARTE III Instructor Javier Tirenti... Pág. 8

9 3.1.4) Techo Frangible De acuerdo al punto del código API 650, un techo se considera frangible si la unión techo-pared fallaría primero que la unión pared-fondo en el caso de una presión interior excesiva. Es una medida de seguridad para aquellos tanques de techo fijo donde un incremento de la presión interior es posible. Cuando un tanque se diseña con techo frangible se deben cumplir las siguientes premisas: a) Para tanques de 15m de diámetro y mayores: 1) La pendiente del tanque en el perfil de coronamiento no excede 2:12 2) Las chapas del techo no deben soldarse a los elementos estructurales (marco). 3) Las chapas del techo se unen al perfil de coronamiento superior por medio de un filete de soldadura sólo en la parte superior de no más de 5mm. 4) La unión del techo y el perfil de coronamiento se limita a las configuraciones a hasta e de la figura F2 del anexo F. 5) Todos los elementos en la región de la unión pared-techo incluyendo anillos de aislamiento se consideran contribuyentes al área transversal de la unión A. Donde A debe ser menor que el límite indicado a continuación: Dónde: A: área transversal resistente a las fuerzas de compresión, según lo indicado en la figura F.2, mm2. D LS : peso nominal de las chapas de la pared del tanque y cualquier estructura del techo, sin considerar el peso de las chapas, N. Fy: tensión de fluencia mínima de los materiales de la unión pared-techo, MPa. : ángulo entre el techo y un plano horizontal en la zona de la unión pared-techo, grados. b) Para tanques auto-soportados (sin pernos de anclaje) con diámetro: 9m Diámetro < 15m TANQUES DE ALMACENAMIENTO, PARTE III Instructor Javier Tirenti... Pág. 9

10 1) La altura del tanque será 9m o mayor. 2) Se deben cumplir los puntos 2 a 5 del apartado anterior 3) La pendiente del tanque en el perfil de coronamiento no excede 3/4:12 4) Los elementos anexados al tanque, incluyendo conexiones y pasahombres, deben ser diseñados para absorber movimientos verticales de la pared del tanque de al menos 100mm sin dañarse. 5) El fondo del tanque será soldado a tope (butt welded). c) Alternativamente, los tanques con diámetro menor a 15m deben cumplir con lo siguiente: 1) Se deben cumplir los puntos 1 a 5 del apartado a) 2) Se realizará un análisis elástico para confirmar que la resistencia de la unión pared-fondo es como mínimo 1,5 veces la resistencia de la unión pared-techo con el tanque vacío y 2,5 veces con el tanque lleno. 3) Se deben cumplir los puntos 4 y 5 del apartado anterior d) Para tanques anclados de cualquier diámetro se deben cumplir los requerimientos del apartado a) y el anclaje será diseñado para 3 veces la presión de falla según lo calculado en el punto F.7 y especificado en el punto 5.12 del código API ) Espesor mínimo del techo Así como sucede con otras partes del tanque, el techo debe fabricarse con ciertos espesores mínimos. Como regla general y de acuerdo al punto del código API 650, independientemente del tipo de techo, las chapas tendrán un espesor mínimo nominal de 5 mm. La corrosión admisible (si es especificada) debe ser agregada al espesor nominal mínimo. TANQUES DE ALMACENAMIENTO, PARTE III Instructor Javier Tirenti... Pág. 10

11 8. Bibliografía Este material ha sido compilado utilizando varias fuentes bibliográficas. Las más importantes son: API 650 Guide to storage tanks and equipment Bob Long Above ground storage tanks Philip Myers The above ground storage tank handbook Brian D. Digrado TANQUES DE ALMACENAMIENTO, PARTE III Instructor Javier Tirenti... Pág. 82