Tesis diseño de tanque de almacenamiento

8/12/2019 Tesis diseño de tanque de almacenamiento

http://slidepdf.com/reader/full/tesis-diseno-de-tanque-de-almacenamiento 1/129

FACULTAD DE IN GE NI ERÍ A

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

T E S I S

QUE COMO REQUISITO PARCIAL PARAOBTENER EL TÍTULO DE :

DIRECTOR DE TESIS:

COATZACOALCOS, VER. ENERO 2012

I N G E N I E R O C I V I L

P R E S E N T A :

JIMÉNEZ ANTONIO CARLOS ALBERTO

M.I. FRANCISCO DE JESÚS TREJO MOLINA

DISEÑO DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO

ATMOSFÉRICO DE 20 000 BLS DE CAPACIDAD





DISEÑO Y CALCULO DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE 20,000 BLS

2

DEDICATORIA

Primeramente doy gracias a dios por permitirme tener vida y terminar mi carrera con

mucha ilusión y satisfacción.

En segundo lugar a mis seres amados: mi madre, Sra Hilda Jiménez Antonio mi

novia, Srita. Lizbeth del Rocío Figueroa Martínez, mis suegros, la Sra. María del

Carmen Martínez Sánchez y el Sr. Domingo Figueroa Zetina que siempre me

apoyaron desde el inicio de este proyecto de vida, con sus consejos y apoyos

incondicionales dándome fuerzas y motivándome cuando ya no podía.

También dar las gracias a todos mis maestros de la carrera de ingeniería civil y en

especial al M.I. Francisco de Jesús Trejo Molina que con su asesoramiento y

consejos pude terminar este presente trabajo.






4

Capítulo II

Características y Partes que constituyen el Tanque de

Almacenamiento

Capítulo III

Estudio del fluido a almacenar

Capítulo IV

Consideraciones para el diseño de un tanque de almacenamiento

4.1 Estimación de cargas……………………………………………………….………...... 70

4.2. Diseño del fondo del tanque de almacenamiento……………………………..…… 70

4.3 Diseño del cuerpo del tanque de almacenamiento……………………………..…... 73

4.3.1 Método de diseño por un pie…………………………………..……………… 74

4.4 Diseño y cálculo del techo del tanque de almacenamiento………………….……… 76

4.5 Diseño de largueros…………………………………………………………………… 78

2.1 Techo del tanque de almacenamiento………………………………………………... 34

2.2 Fondo del tanque de almacenamiento………………………………………………... 37

2.3 Envolvente o cuerpo del tanque de almacenamiento………..……………………… 37

2.4 Boquillas en tanques de almacenamiento…………………………………………..... 38

2.5 Bridas para boquillas…........................................................................................... 47

2.6.Entradas hombre vertical y horizontal…………………………………………………. 50

2.7 Puerta de limpieza……………………………………………………………………... 53

2.8 Drenaje del tanque de almacenamiento…………………………………………

..... 55

2.9 Escaleras y plataformas del tanque de almacenamiento..................................... 57

3.1 Tipos de fluidos………………………………………………………………………….. 60

3.2 Propiedades químicas y físicas de los fluidos……………………………………....... 60

3.3 comportamiento de los fluidos…………………………………………………..…….

633.4 Presión hidrostática................................................................................................ 64

3.5 Descripción del fluido a almacenar……………………………………………...…...... 67




5

4.6 Diseño de trabes………………………………………………………………...…….. 81

4.7 Diseño de columna central………………………………………………………….… 82

4.7.1 Procedimiento de diseño…………………………………………………….… 85

4.8 Cálculo de perfil de coronamiento para techos soportados………………………. 85

4.9 Diseño sísmico………………………………………………………………………..... 86

4.9.1 Momento de volteo sísmico……………………………………………….….. 87

4.9.2 Resistencia a la volcadura……………………………………………….……. 93

4.9.3 Compresión del cuerpo……………………………………………….……….. 94

4.10 Diseño por viento…………………………………………………………….….……… 96

4.10.1 Momento de volteo por viento...................................................................... 100

Capítulo V

Ejemplo de diseño del tanque de almacenamiento de 20 000 Bls

5.1 Calculo de los anillos del tanque de almacenamiento………………….…….…….. 104

5.2 Calculo de la capacidad del tanque de almacenamiento………………………..…. 104

5.3 Calculo de los espesores del cuerpo……………………………………………..….. 105

5.4 Calculo de los espesores del fondo…………………………………………...……… 106

5.5 Calculo del espesor del techo………………….…………………….…..……….…... 107

5.6 Calculo de la estructura del tanque de almacenamiento………….…....….………. 108

5.7 Calculo del perfil estructural para largueros……………………………….……..…. 110

5.8 Calculo del perfil estructural para la trabe………………………………….……..…. 112

5.9 Calculo del perfil estructural para la columna………………………..…………...…. 114

5.10 Revisión por sismo y viento………………………………………………………..… 118

5.11 Resultados……………………………………………………………………………… 122

5.12 Presupuesto del tanque de almacenamiento....................................................... 123

Conclusión……………………………………………………………………………….…... 124

Bibliografía………………………………..…………………………………………….…… 126

Glosario……………………………………………………………………………………… 127




6

INTRODUCCIÓN

En el ámbito de la ingeniería, se conoce con el nombre de estructura a toda

construcción destinada a soportar su propio peso y la presencia de acciones

exteriores como fuerzas sísmicas, fuerzas del viento, etc. sin perder las condiciones

de funcionalidad para las que fue concebida.

Dentro de las estructuras podemos considerar a los recipientes a presión interna,

estas estructuras son creadas con la finalidad de almacenar diferentes tipos de

fluidos, como por ejemplo: el agua, los hidrocarburos, petróleo crudo, refinado, y

sobre todo son creados con la finalidad de soportar grandes concentraciones de

presiones que son originadas por del líquido que ocupa su volumen, y por los

factores climatológicos que imperan en la región.

Las construcciones y diseños de recipientes a presiones internas, son conocidas

generalmente en la industria petrolera, como el caso de la empresa más importante

de México (PEMEX), Esta es una de las compañías más importante que construye

tanques de almacenamiento, debido a la actividad a la que se dedica.

El diseño de recipientes a presión es algo muy complejo y además el estudio es

demasiado amplio porque en el intervienen diferentes ramas de la ingeniería como

por ejemplo, la química, la física, la instrumentación, la biología, la ecología etc., por

citar algunas.

En el presente trabajo se menciona, la clasificación de los recipientes a presión, pero

solo se limita a mencionar recipientes con forma cilíndricas, como los tanques de

almacenamiento verticales. En el primer capítulo se abordan las generalidades sobre

el diseño de un tanque de almacenamiento, se mencionan los diferentes tipos detanque de almacenamiento que existen en la industria petrolera y los materiales con

la cual se construyen. En el capítulo denominado “Características y partes que

constituyen el tanque de almacenamiento”, se da a conocer las partes del tanque

cilíndrico, y los accesorios que se requieren para que opere correctamente.

http://es.wikipedia.org/wiki/Construcci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Peso

http://es.wikipedia.org/wiki/Peso

http://es.wikipedia.org/wiki/Construcci%C3%B3n




7

En el tercer capítulo se describen las principales características del fluido que

contendrá el tanque , como la densidad, el peso específico, entre otras, en el cuarto

capítulo,” consideraciones para el diseño de tanque de almacenamiento se describe

el procedimiento de diseño del tanque de acuerdo a la normas internacionales API

650 ( American Petroleum Institute, normas que especifica el diseño de los tanques

cilíndricos verticales) y a las normas nacionales de México , como es la CFE

(comisión federal de electricidad) , en el quinto y último capítulo se analiza y diseña

con un ejemplo, las partes del tanque de almacenamiento de pared vertical y cúpula

fija de 20 000 Bls. terminando con un presupuesto de las partes diseñadas en la

tesis.

Es muy importante que el diseño del tanque de almacenamiento se apegue a lasnormas, procedimientos y códigos de seguridad adecuadas que permitan llevar un

control de calidad que asegure el correcto funcionamiento del tanque para evitar

riesgos que pongan en peligro a la planta industrial y personas alrededor.




8

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Minatitlán es un municipio de Veracruz, situado entre los municipios de

Coatzacoalcos y cosoleacaque, es una zona donde se encuentra una de las pocas

refinerías más importantes de México. La refinería Gral. Lázaro Cárdenas.

Actualmente la refinería se encuentra en la reconfiguración y ampliación de toda su

planta y depósitos, debido a los aumentos de producción, y a lo deteriorado que se

encuentra sus instalaciones.

Enunciado del problema

Dentro de los aumentos de producción y deterioro de las instalaciones se requieren

la construcción de depósitos que puedan almacenar grandes volúmenes del producto

refinado, y sobre todo se requieren depósitos que cumplan con el grado de

seguridad, idóneo, debido a que se consideran riesgosas para la vidas humanas y se

pueden tener pérdidas económicas considerables debido al producto que almacena

en su interior si llegara a ocurrir una catástrofe. Así mismo se requieren depósitos

económicos que satisfagan dichas necesidades y sobre todo que vayan de acuerdo

al producto a almacenar.

Existen muchos depósitos de almacenamiento dependiendo del producto que se

pretenda almacenar, en la refinería se está aumentando la producción de gasolina, y

en el ante penúltimo proceso de la producción, que es la fabricación de nafta existen

pocos depósitos, y el depósito que actualmente se encuentra es muy pequeño, por

lo tanto se requiere lo más pronto posible la construcción de un depósito de

almacenamientos que pueda almacenar 20 000 Bls de nafta.

Formulación del problema

¿Qué deposito seria el conveniente diseñar para almacenar la nafta en buenas

condiciones y con grado de seguridad aceptable?




9

OBJETIVOS

Objetivos Generales

Proporcionar el diseño un tanque de almacenamiento cilíndrico vertical de acuerdo a

las normas API, las NRF de Petróleos Mexicanos y las normas de la Comisiónfederal de electricidad.

Objetivos Particulares

Proporcionar una información amplia sobre el diseño de los tanques de

almacenamientos de cúpula fija.

Mencionar las normas más importantes que existen en nuestro país y a nivel

internacional.

Diferenciar los tipos de tanque de almacenamiento que se diseñan debido al

producto que contienen en su interior.

Propuesta de dimensionamiento de las partes importantes que conforman a

los tanques de almacenamiento.

Presupuestar el diseño propuesto del tanque de almacenamiento.




10

JUSTIFICACIÓN

Veracruz es una zona industrial donde se encuentran yacimientos de petróleos

considerables, donde existen complejos petroquímicos y refinerías donde

transforman el petróleo en diferentes productos para el bienestar del país. Estos

productos generalmente son almacenados en tanques, debido a la cantidad de

producto que se pueden almacenar en su interior.

Por eso los tanques de almacenamiento deben ser diseñados con un grado de

seguridad adecuado para evitar riesgos que pongan en peligro la vida humana y las

instalaciones industriales que se encuentre alrededor. Por este motivo el presente

trabajo se realiza para proporcionar información sobre el diseño de estas estructuras,para que los interesados conozcan la importancia que debe presentar el diseño en

zonas industriales.




11

ALCANCES Y LIMITACIONES

El presente trabajo trata el diseño de los tanques atmosféricos cilíndricos verticales

de cúpula fija y establece los métodos para el cálculo de las diferentes partes que

lo integran, así como presenta el dimensionamiento que debe tener el tanque dealmacenamiento, por lo tanto, se omite todo cálculo para tanques cilíndricos de

cúpula flotantes, tanque tipo esféricos y tanque horizontales, debido a que estos no

se consideran tanques atmosféricos, porque presentan presiones elevadas en su

interior.




12

HIPOSTESIS

Diseñar un tanque de almacenamiento cilíndrico vertical de cúpula fija de 20 000 bls

es el adecuado para almacenar la nafta que se origina en la Refinería Gral. Lázaro

cárdenas, Minatitlán Veracruz.




13

CAPITULO I

GENERALIDADES




14

1.1 Recipientes a presión

Se considera como recipientes o deposito a presión cualquier objeto cerrado que

sea capaz de almacenar un fluido a presión manométrica, ya sea presión interna o

presión externa, independiente de su forma y dimensiones. (Manual del ingenieroquímico, 1995)

1.2 Clasificación de recipientes a presión

Existen diferentes tipos de recipientes a presión, pero generalmente son clasificados

de la siguiente manera:

De almacenamiento

Por su uso

De proceso

Recipientes a presión horizontal

Cilíndricos

Por su forma vertical

Esféricos

Recipientes a presión por su uso

Por su uso los podemos dividir en recipientes de almacenamiento y en recipientes de

proceso. Los recipientes de almacenamiento son llamados tanques o depósitos, cuya

función principal se usan para contener una reserva suficiente de algún producto

para su uso posterior y/o comercialización ya sea como almacenamiento inicial,

intermedio o final del proceso. Estos tanques, de acuerdo a su servicio son

conocidos como tanques de almacenamiento, tanques de día, tanques

acumuladores. Los recipientes a presión de proceso tienen múltiples y muy variados

usos entre ellos podemos citar los cambiadores de control, reactores, torres

fraccionadoras, torres de destilación etc.




15

Por su forma

Por su forma los podemos dividir en recipientes cilíndricos y en recipientes esféricos.

a) Los recipientes cilíndricos generalmente son divididos en dos tipos: tanques

Cilíndricos Horizontales y en tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano.

I. Los Tanques Cilíndricos Horizontales, generalmente son de volúmenes

relativamente bajos, debido a que presentan problemas por fallas de corte y

flexión. Por lo general, se usan para almacenar volúmenes pequeños.

II. Los Tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano nos permiten

almacenar grandes cantidades volumétricas con un costo bajo. Con la

limitante que solo se pueden usar a presión atmosférica o presiones internasrelativamente pequeñas.

b) Los recipientes esféricos se utilizan generalmente como tanques de

almacenamientos y se recomiendan para almacenar grandes volúmenes de fluidos a

altas presiones. Puesto que la forma esférica es la forma natural que toman los

cuerpos al ser sometidos a presión, esta sería la forma más idónea para almacenar

fluidos a presión, sin embargo la fabricación de este tipo de recipientes es mucho

más cara en comparación con los recipientes cilíndricos. Este tipo de tanquesgeneralmente en la industria del petróleo es utilizado para productos gaseosos, como

amoniaco, gas butano, isopropanos, etc, entre otros. Debido a su forma la presión se

distribuye excelentemente en todo su interior.

1.3. Tanques cilíndricos verticales

Como se mencionó anteriormente un tanque de almacenamiento cilíndrico vertical

es un depósito que contiene presiones internas y externas , cuyas funciones deoperación estén dentro de más o menos unas cuantas libras por pie cuadrado de

presión atmosférica, generalmente esta cerca de los 14 kg/cm2.

La principal función de estos tanques es contener una reserva suficiente de algún

producto petrolífero para su uso posterior y/o comercialización.




16

Y sirve ya sea como un depósito inicial, intermedio o final del proceso por donde

circula el fluido, estos tanques son los más utilizados en los complejos petroquímicos

debido a su facilidad de construcción así como se pueden almacenar grandes

barriles de capacidad y el costo de construcción y reparación es bajo comparado

con los otros tanques de almacenamiento.

1.3.1 Clasificación de los tanques de almacenamiento cilíndricos verticales

Existen una variedad de tanques de almacenamientos y son llamados de acuerdo al

tipo de techo y material con las cuales con el cual son diseñados, dentro de esta

diversidad se pueden mencionar los siguientes tanques más importantes y que

generalmente son los más construidos:

1. Tanques Elevados.2. Tanques abiertos.

3. Tanques a presión.

Tanques elevados

Este tipo de depósitos pueden proporcionar un flujo elevado, según las necesidades

de la población, siempre y cuando la capacidad de bombeo no sea superior a la de

flujo promedio del sistema, este tipo de tanques no necesitan bombas para poder

llegar el fluido a su destino. Debido a la presión que se obtiene por su altura sobre el

nivel de terreno, generalmente es usado para distribución de agua potable en las

comunidades, ya que sirve como medio de depósito y distribución hacia un

determinado lugar.

Tanques abiertos

Estos tipos de depósitos se emplean para almacenar materiales que no sonsusceptibles de daños por agentes atmosféricos, como agua, vientos, clima o

contaminación atmosférica. Generalmente este tipo de tanques almacena fluidos

como: el agua pura, el agua residual, agua para contra incendios, etc.




17

Tanques a presión.

Los tanques a presión presentan techos con cúpulas escalonadas y son

denominados así, debido a que sus presiones son internas o manométricas, este tipo

de tanque se debe tener mucho cuidado cuando se diseñe, ya que las fuerzashidrostáticas que presenta en su interior en ocasiones impactan en el techo y estas

se transmiten al cuerpo, provocando un colapso de la estructura. Por lo tanto este

tipo de tanques deberá tener un espesor idóneo en el cuerpo que lo conforma, para

resistir las fuerzas, si no es así la fuerza ascendente que actúa sobre el cuerpo del

tanque, originaria una catástrofe. Por eso para evitar este tipo de problemas, debe

contar con una buena cimentación y un sistema de anclas para que no se colapse y

provoque daño alguno.

1.4. Materiales para la fabricación de un tanque de almacenamiento

Para el mejor diseño, cálculo y manufactura de tanques de almacenamiento, Es

importante seleccionar el material más idóneo, seguro y económico. En la actualidad

existe una variedad de materiales con la cual se construyen tanques de

almacenamiento, dentro de los más importantes materiales usados en la fabricación

se encuentra la soldadura, y el acero, debido a todas las ventajas que tienen con

respecto a otros materiales.

La supuesta perfección del acero, tal vez el más versátil de todos los materiales

estructurales, parece más razonable utilizarlo, cuando se considera su poco peso,

facilidad de fabricación, precios relativamente bajo, así como la facilidad de ser

trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos y permitir

una construcción rápida por las propiedades de ser soldable. La soldabilidad

depende mucho del grado de contenido de carbono que se presente en la aleación, a

mayor cantidad se dificulta la soldadura, pero entre menos carbono contenga mayor

será la facilidad de soldado de las estructuras.




18

1.4.1 Propiedades químicas del acero

Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las

cantidades presentes de carbono y añadiendo otros elementos como silicio, níquel,

manganeso y cobre. Un acero que tenga cantidades considerables de estos últimoselementos se denomina acero aleado. Aunque esos elementos tienen un gran efecto

en las propiedades del acero, las cantidades de carbono y otros elementos de

aleación son muy pequeños. Por ejemplo; el contenido de carbono en el acero es

casi siempre menor que el 0.5% en peso y es muy frecuente que sea de 0.2 a 0.3%.

La composición química del acero es de suma importancia en sus propiedades tales

como la soldabilidad, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la fractura, etc. La

ASTM (American Society for Testing and Materials (sociedad americana de pruebasy materiales) especifica los porcentajes exactos máximos de carbono, manganeso,

silicio, etcétera, que se permiten en los aceros estructurales. Aunque las propiedades

físicas y mecánicas de los perfiles de acero las determinan principalmente su

composición química, también influye en ellas, hasta cierto punto, en el proceso de

laminado, la historia de sus esfuerzos y el tratamiento térmico aplicado.

En la actualidad el acero es el material más utilizado en la industria y en diferentes

construcciones, por eso debido a la demanda del metal es necesario fabricar acerosmás fuertes, aceros con mayor resistencia a la corrosión, con mejores propiedades

de soldabilidad y diversas características. Las investigaciones realizadas por la

industria acerera durante estos periodos de demanda han proporcionado varios

grupos de nuevos aceros que satisfacen muchas de las necesidades de la industria,

de manera tal que actualmente existe una gran cantidad de aceros clasificados por la

ASTM e incluidos en las especificaciones LRFD (Manual de diseño de acero según el

método de factores de cargas y resistencias).




19

1.4.2 Tipos de aceros estructurales respecto a las propiedades químicas

Los aceros estructurales se agrupan generalmente según varias clasificaciones

principales de la ASTM de acuerdo a sus propiedades químicas:

1. Aceros al carbón (A529, A-36, A-283).- Estos aceros tienen como principales

elementos de resistencia al carbono y al manganeso en cantidades

cuidadosamente dosificadas. Los aceros al carbono son aquellos que tienen

los siguientes elementos con cantidades máximas de 1.7% de carbono, 1.65%

de manganeso, 0.60% de silicio y 0.60% de cobre. Estos aceros se dividen en

cuatro categorías dependiendo del porcentaje de carbono, como sigue:

Acero de bajo contenido de carbono entre 0.05% y 0.30%

Acero dulce al carbono 0.30 a 0.45%.

Acero de medio carbono, estos oscilan entre 0.30 a 0.59%.

Acero con alto contenido de carbono 0.60 a 1.70%.

2. Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (A572). Existe un gran

número de aceros de este tipo clasificados por la ASTM. Esto aceros obtienen

sus altas resistencias y otras propiedades por la adición, aparte del carbono ymanganeso, de uno o más agentes aleantes como el Columbio, vanadio,

cromo, silicio, cobre níquel y otros. Se incluyen aceros con esfuerzos de

fluencia comprendidos entre 40 ksi y 70 ksi. Estos aceros generalmente tienen

mucha mayor resistencia a la corrosión atmosférica que los aceros al carbono.

El termino baja aleación se usa para describir arbitrariamente aceros en los

que el total de elementos aleantes no excede el 5% de la composición total.

( McCormac, mayo 2006)




20

3. Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la

corrosión atmosférica. (A242 Y A588).- Cuando los aceros se alean con

pequeños porcentajes de cobre, se vuelven más resistentes a la corrosión.

Cuando se exponen a la atmosfera, las superficies de esos aceros se oxidan y

se les forma una película adhesiva muy comprimida, que impide una mayor

oxidación y se elimina así la necesidad de pintarlos. Estos aceros tienen gran

aplicación en estructuras con miembros expuestos y difíciles de pintar como

puentes, torres de trasmisión, etcétera, sin embargo, no son apropiados para

usarse en lugares donde quedan expuestos a brisas marinas, niebla o a

humos industriales corrosivos; tampoco son adecuados para usarse en

condición sumergida (agua dulce o salada) o en áreas muy secas

( McCormac, 2006)

4. Aceros templados y revenidos (A514 Y A852).- Estos aceros tienen agentes

aleantes en exceso, en comparación con las cantidades usadas en los aceros

al carbono, y son tratados térmicamente (templados y revenidos) para darles

dureza y resistencia con fluencias comprendidas entre 70 ksi y 110 ksi. El

revenido consiste en un enfriamiento rápido del acero con agua o aceite,

cambiando la temperatura de por lo menos 1650 ºF a 300 a 400 ºF. En el

templado el acero se recalienta por lo menos 1 150 ºF y luego se deja enfriar.,

Estos aceros no muestran puntos bien definidos de fluencia como lo hacen los

aceros al carbono y los aceros de alta resistencia y baja aleación. En vista de

ello su resistencia a la fluencia se define en función del esfuerzo asociado a

una deformación del 0.2%. Los aceros templados y revenidos para placas y

barras son designados A852 con un esfuerzo de fluencia 70 ksi y A514 con

esfuerzos de fluencia de 90 ksi a 100 ksi, según el espesor. (McCormac,2006)

Como se observa existe una gran variedad de aceros constituidos de diferentes

metales que aportan mayor resistencia y durabilidad durante muchos años. Pero los

que generalmente son más usados en la fabricación de un tanque de

almacenamiento según la norma API se presentan en el siguiente tema.




21

1.5 Perfiles y placas comerciales para la fabricación de tanques

Dentro de la división de placas comerciales, existen una variedad y características de

los principales aceros que utilizan para las construcciones de los tanque de

almacenamiento se presentan a continuación.

Acero estructural A-36.

Este acero al carbón calidad estructural es usado en todo tipo de Construcciones

estructurales. Producto de la más avanzada ingeniería, es fabricado con un punto

mínimo de cadencia de 36,000 psi. Es ampliamente recomendable para diseñar y

construir estructuras y equipo menos pesado. Según la API 650 En la fabricación de

tanques de almacenamientos sólo se usan espesores iguales o menores de 38

mm. (1 1/2 pulg.). Este material es aceptable y usado en los perfiles, yasean comerciales o Ensamblados de los elementos estructurales del tanque. con

un costo relativamente caro, pero excelente material para fabricación.

Acero estructural. A-131

Este tipo de acero estructural generalmente es usado según la norma API 650, en el

fondo del tanque de almacenamiento dependiendo del espesor a utilizar, por

ejemplo, dentro de los principales espesores que se usan para este tipo de placa se

pueden encontrar en el mercado comercial divididos en grados como los siguientes:

GRADO A para espesor menor o igual a 12.7 mm (1/2 pulg.)

GRADO B para espesor menor o igual a 25.4 mm. (1 pulg.)

GRADO C para espesores iguales o menores a 38 mm. (1 1/2 pulg.)

GRADO EH36 para espesores iguales o menores a 44.5 mm. (1 3/4 pulg.)

A-283.- placas de acero al carbón con medio y bajo esfuerzo a la tensión.La placa de acero calidad estructural A-283 fue diseñada, para cubrir propósitos

generales. De menor costo y resistencia, tiene como características sobresalientes

su facilidad de soldado y de rolado con un punto de cedencia menor, siendo esta de

33 000 psi, por tal se usa en el diseño y construcción del tanque por la características

de bajo contenido de carbono.




22

Esta placa es usada con un GRADO C Para espesores iguales o menores a 25 mm.

(1 pulg.) Según la norma API 650. Este material A-283 es el más socorrido, porque

se puede emplear tanto para perfiles estructurales, como para la pared, techo, fondo

y accesorios del tanque de almacenamiento.

A-285 Placa de acero al carbón con medio y bajo esfuerzo a la tensión.- Este

modelo de placa de mediana resistencia es ideal para recipientes estacionarios,

acumuladores, calentadores y calderas. Disponible, hasta un grosor de 2 ", tiene

excelente rolado y facilidad de soldado. Este tipo de acero tiene un punto mínimo de

cedencia de 30 000 psi, en la construcción de los tanques es usado con frecuencia

este acero con GRADO C recomendable para la construcción del tanque (cuerpo,

fondo, techo y accesorios principales), el cual no es recomendable para elementosestructurales debido a que tiene un costo relativamente alto comparado con los

anteriores.

A-516.- Placa de acero al carbón para temperaturas de servicio moderado.

Diseñada especialmente para temperaturas moderadas donde se requiere,

Excepcional dureza. Esta placa tiene estructura de grano fino. Disponible en rollo o

en placa y con tratamiento de normalizado cuando así se requiera. Generalmente es

usado Para espesores iguales o menores a 38mm. (1-1/2 pulg.). 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 la tensión alta, que justifique el

costo.

A-53 y A-106 grados en grados A y B.-Este tipo de acero es usado para las

tuberías en general, ya que es idóneo para la construcción de las boquillas que se

utilizan en el tanque de almacenamiento, así como la tubería que transporta elproducto al tanque. Estos tubos de acero al carbón sin costura son usados para

servicios de alta temperatura. En el mercado, es fácil la adquisición de cualquiera de

estos dos materiales, por lo que puede usarse indistintamente, ya que según la NRF-

015 de Pemex ambos cumplen satisfactoriamente con los requerimientos exigidos y

la diferencia no es significativa en sus propiedades y costos.




23

A-105.- forja de acero al carbón para accesorios como bridas de acoplamientos

en las tuberías.

A-181.- forja de acero al carbón para usos en general.

A-193 GRADO B7. Material para tornillos sometidos a alta temperatura y de alta

resistencia, menores a 64mm. (2-1/2 (pulg.), de diámetro.

A-194 GRADO 2H. Material para tuercas a alta temperatura y de alta resistencia.

A-307.- GRADO B. Material de tornillos y tuercas para usos generales.

1.6 Soldadura en el tanque de almacenamiento

La soldadura es un proceso en el que se unen partes metálicas mediante el

calentamiento de sus superficies a un estado plástico, permitiendo que las partesfluyan con o sin la adicción de otro metal fundido. Esta propiedad de la soldadura se

debe a la constitución atómica de un metal. Ya que dicha constitución atómica se

encuentra dividida por diferentes tamaños de granos que a su vez, tiene un arreglo

de átomos, por todo su alrededor. Entonces cuando la soldadura es aplicada en las

partes a unir de las piezas, estas tienden a acelerar sus átomos y dispersarse por

todo la parte soldada, originando enlaces entre átomos, para que se tenga como

resultado la formación de una pieza.

Ventajas de la Soldadura

Actualmente es posible aprovechar las grandes ventajas que la soldadura ofrece, ya

que los temores de fatiga e inspección se han eliminado casi por completo. Algunas

de las muchas ventajas de la soldadura, se mencionan a continuación:

1. La primera ventaja está en el área de la economía, porque el uso de la

soldadura permite grandes ahorros en el peso del acero utilizado. Las estructuras

soldadas permiten eliminar un gran porcentaje de las placas de unión y de

empalme, tan necesarias en las estructuras remachadas o atornilladas, En

algunas estructuras es posible ahorrar un considerable porcentaje de acero con el

uso de soldadura.




24

2. La soldadura tiene una zona de aplicación mayor que los remaches o los

tornillos. una conexión remachada o atornillada puede resultar imposible, en

lugares dé poca área, pero una conexión soldada presentara pocas dificultades.

Por el espacio que la soldadura ocupa en la estructura.

3. Las estructuras soldadas son más rígidas, porque los miembros por lo general

están soldados directamente uno a otro. Las conexiones con remaches o tornillos,

se realizan a menudo a través de ángulos de conexión o placas que se deforman

debido a la transferencia de carga, haciendo más flexible la estructura completa.

Pero también hay que prestar atención si se requiere este movimiento en la

estructura y no realizar una estructura muy rígida.

4. El proceso de fusionar las partes por unir, hace a las estructuras realmente

continuas. Esto se traduce en la construcción de una sola pieza y puesto que las

juntas soldadas son tan fuertes o más que el metal base, Esta ventaja de la

continuidad ha permitido la erección de un sin fin de estructuras de acero

estáticamente indeterminadas, esbeltas y agraciadas, en todo el mundo.

5. Resulta más fácil realizar cambios en el diseño y corregir errores durante el

montaje (y a menor costo).

6. Otro detalle que es importante es lo silenciosos que resulta soldar.

7. Se usan menos piezas y, como resultado, se ahorra tiempo en detalle,

fabricación y montaje de la obra.




25

1.6.1 Tipos de procesos para soldar en el tanque de almacenamiento

Según la norma AWG Existen diferentes tipos de procesos para soldar como las

siguientes:

1. Soldadura eléctrica por arco2. Soldadura por arco sumergido

3. Soldadura por arco con alambre tubular

4. Soldadura MIG / MAG

5. Soldadura por gas o oxiacetilénica

6. Entre otras.

Estos tipos de procesos para soldar son muy importantes mencionarlos, ya que parala fabricación de estructuras, es importante saber seleccionar cual es el más idóneo,

porque ambos proporciona diferentes propiedades a la estructura a unir.

Debido a que la clasificación de los procesos para soldar son muy extensos solo se

mencionara, el proceso que generalmente es el más utilizado en la fabricación de

tanque de almacenamiento, este proceso es la soldadura por arco eléctrico.

Soldadura por arco eléctrico

La soldadura por arco eléctrico es un proceso por la cual la unión de las piezas, es

realizada por el calor generado por el arco eléctrico, sin aplicación de presión, con o

sin aporte al metal, la energía eléctrica es producida al crear un circuito cerrado,

dicha energía se transforma en energía térmica. Pudiendo llegar a una temperatura

aproximadamente a 4000 °C. Cuando existe una pequeña ruptura dentro del circuito

eléctrico, lo electrones saltan generando una pequeña chispa, dándoles mayor

velocidad y presión, lo que origina, un arco eléctrico fundiendo los metales entre si.

Por lo tanto el arco eléctrico, es un flujo continuo de electrones, a través de un

medio gaseoso produciendo luz y calor. (Manual de soldadura, 2005)




26

Fig. 1.1 elementos del proceso de soldadura por arco eléctrico

Materiales de aporte para Soldadura

Los materiales de aporte son los electrodos, la varillas, alambre etc. Técnicamente

según la normas API 650, es muy difícil especificar qué tipo de aporte se deberárecurrir, debido a la marca y procesos que se empleen al soldar. Pero generalmente

en la construcción de un tanque de almacenamiento, que es nuestro estudio, se

utiliza electrodos dependiendo de la resistencia que el diseño requiera , ya que este

material está constituido por un núcleo y por un revestimiento químico, el núcleo es

una varilla metálica con una definida composición química, para cada material que

está definida el electrodo, los diversos elementos que componen el núcleo como el

hierro, el carbono, manganeso, silicio, fosforo, azufre y otros proporcionan diferentespropiedades a las juntas soldadas. El revestimiento que se encuentra alrededor del

núcleo esta, definido químicamente por el tipo de electrodo a utilizar.

Normas para la Soldadura

Existen diferentes normas como la AWS de estados unidos, la DIN de Alemania, la

JIS de Inglaterra, la BS de Rusia, pero la norma de mayor difusión y aplicación para

las soldaduras es la AWS (American Welding Society), esta norma específica los

materiales de aporte de cada electrodo deposita en la unión soldada así como la

nomenclatura para poder seleccionar un electrodo, que proporcione diversos

propiedades al soldara las piezas.








29

1.7 Tipos de inspecciones en el tanque de Almacenamiento

Las inspecciones en el tanque de almacenamiento son de suma importancia, ya que

a través de estas se puede comprobar si la construcción fue la correcta o lo que se

tendrá que reparar. Pero Cuando se siguen los procedimientos establecidos por laAWS, la ASME (American Society of Mechanical Engineers (sociedad americana de

ingenieros mecánicos) y el AISC (instituto americano de construcciones de acero )

para inspección de tanques y cuando se utilizan los servicios de buenos soldadores,

que previamente hayan demostrado su habilidad, es probable que se obtengan

buenos resultados; sin embargo, la seguridad total se tendrá cuando se utilicen

inspectores capaces, calificados y por pruebas como las que a continuación se

presentan.

1. Inspección visual a la soldadura.

2. Inspección por líquidos penetrantes a la soldadura.

3. Inspección por partículas magnéticas.

4. Pruebas ultrasónicas a soldaduras.

5. Procedimientos radiográficos al envolvente.

6. Pruebas hidrostáticas.

Inspección visual

Un factor que ayudara a los soldadores a realizar un mejor trabajo, es la presencia

de un inspector que se considere apreciar un buen trabajo cuando vean lo realizado.

Para hacer un buen inspector, es conveniente que haya soldado y que haya

dedicado bastante tiempo a observar el trabajo de buenos soldadores. A partir de

esta experiencia, será capaz de saber si un soldador está logrando la fusión y

penetración satisfactorias. También debe reconocer buenas soldaduras en su forma,

dimensiones y apariencia general. Por ejemplo, el metal en una buena soldadura se

aproximara a su color original después de enfriarse. Si se ha calentado demasiado,

tendrá un tono con apariencia rojiza.




30

La inspección visual de un hombre capaz, probablemente dará una buena indicación

de la calidad de las soldaduras, pero no es una fuente de información perfecta por lo

que hace a la condición interior de la soldadura. Es seguramente el método de

inspección más económico y es particularmente útil para soldadura de un solo pase.

Sin embargo, este método es solo bueno para detectar imperfecciones superficiales.

Existen diversos métodos para determinar la calidad interna o sanidad de una

soldadura. Estos métodos incluyen: tinturas penetrantes y partículas magnéticas,

ensayos con ultrasonido y procedimientos radiográficos, los permiten descubrir

defectos internos tales como porosidades, falta de fusión o presencia de escorias.

(McCormac, 2006).

Líquidos penetrantes

Diversos tipos de tinturas pueden extenderse sobre las superficies de soldadura;

estos líquidos penetraran en cualquier defecto como grietas que se encuentran en la

superficie y sean pocos visibles; después de que la tintura ha penetrado en las

grietas, se limpia el exceso de esta y se aplica un polvo absorbente, el cual hará que

la tintura salga a la superficie y revelara la existencia de la grieta, delineándola en

forma visible al ojo humano. Una variante de este método consiste en usar un líquido

fluorescente, que una vez absorbido se hace brillante visible bajo el examen con luz

negra. Este método nos permite detectar grietas abiertas a la superficie igual que la

inspección visual. (McCormac, 2006).

Partículas magnéticas

En este proceso, la soldadura por inspeccionar se magnetiza eléctricamente, los

bordes de las grietas superficiales o cercanas a la superficie se vuelven polos

magnéticos (norte y sur a cada lado de la grieta) y si se esparce polvo seco de hierro

o un líquido con polvo en suspensión, el fantasma magnético es tal que queda

detectada la ubicación, forma y aun tamaño de la grieta. Solo grietas, costuras,

inclusiones, etc. Aproximadamente a 1/!0 pulg de la superficie pueden localizarse por

este método.(McCormac ,2006).




31

Prueba ultrasónica

En años recientes, la industria del acero ha aplicado el ultrasonido a la manufactura

del acero; si bien el equipo es costoso, el método es bastante útil también en la

inspección de soldadura. Las ondas sónicas se envían a través del material que va aprobarse y se reflejan desde el lado opuesto de este: la onda reflejada se detecta en

una en un tubo de rayos catódicos; los defectos en la soldadura afectan el tiempo de

transmisión del sonido y el operador puede leer el cuadro del tubo, localizar las fallas

y conocer que tan importantes son. La prueba ultrasónica puede usarse con éxito

para localizar discontinuamente con aceros al carbón y de baja aleación, pero no

funciona muy bien para algunos aceros con grano extremadamente grueso.

(McCormac, 2006).

Procedimientos radiográficos

Los métodos radiográficos, que son más costosos, pueden utilizarse para verificar

soldaduras en la envolvente y fondo del tanque. Mediante estas pruebas es posible

realizar una buena estimación del porcentaje de soldaduras malas en el tanque. El

uso de máquinas de rayos-X-portátiles, donde el acceso no es un problema y el uso

de radio o cobalto radiactivo para tomar fotografías, son métodos de prueba

excelentes pero costosos. Resultan satisfactorios en soldaduras a tope pero no son

satisfactorios para soldaduras de filete, ya que las fotografías son difíciles de

interpretar. Una desventaja adicional de estos métodos es el peligro de la

radiactividad. Deben utilizarse procedimientos cuidadosos para proteger tanto a los

técnicos como a los trabajadores cercanos. En el trabajo de las construcciones

normales, este peligro posiblemente requiera la inspección. (McCormac, 2006).

Pruebas hidrostáticas

Se realizan estas pruebas llenando de agua hasta una altura de 3/4h, y reposando el

líquido por 24 hrs, esto con el fin de conocer el estado de las juntas que fueron

soldadas en el tanque de almacenamiento, y verificar si existe alguna que sea

necesario su cambio o reparación.




32

1.8 Códigos Aplicables

Las normas son aquellos estándares que se deben de seguir conforme a la letra ya

que estos proporcionan una seguridad a cualquier estructura que se pretenda

construir, En los Estados Unidos de Norteamérica y en muchos países del mundo,incluyendo México, el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, se basa en

las normas del "Instituto Americano del Petróleo", a esta norma generalmente se le

conoce como: “estándar A.P.I. 650 y A.P.I. 653 ", para tanques de almacenamiento

a presión.

Las normas A.P.I. 650, API 653 , sólo cubre aquellos tanques en los cuales se

almacenan fluidos líquidos y están construidos de acero con el fondouniformemente soportado por una cama de arena, grava, concreto, asfalto, etc.,

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 de

operación no mayor de 93 °C (200 °F), Este estándar cubre el diseño y cálculo

de los elementos del tanque. Proporciona las recomendaciones para construirlo así

como los procedimientos de soldaduras, lineamientos para su operación Y pruebas

necesarias para inspección del tanque. Los códigos aplicables en nuestro país no

solo es la API, ya que esta norma, hace referencia a las normas de los materiales de

la ASTM y también se toma en cuenta la ASME, así como la N.F.P.A, para poder

tener un diseño idóneo y seguro en todos los sentidos.




33

CAPITULO II

CARACTERISTICAS Y PARTES QUE

CONSTITUYEN EL TANQUE DE

ALMACENAMIENTO




34

Un tanque de almacenamiento, está formado por elementos estructurales capaces

de soportar presiones internas y externas que originen en el transcurso de su vida

útil, dentro de las principales partes que conforman un tanque de almacenamiento,

se encuentra: a) el techo, b) El fondo, c) la envolvente o cuerpo del tanque , d) las

boquillas para recibo de producto o succión , e) las escaleras de acceso y

plataformas de inspección, y f) las puertas de limpieza y entradas hombres para

cuestiones de operación y seguridad del tanque.

Estas partes son muy importantes en un tanque de almacenamiento porque,

permiten tener un buen funcionamiento y un factor de seguridad alto dentro de su

vida productiva.

2.1 Techo del tanque de almacenamiento

El techo es aquella parte de un tanque de almacenamiento capaz de soporta las

cargas de diseño que se originen en el transcurso de la vida útil de tanque, tiene el

objetivo para soportar e impedir que sustancias peligrosas puedan ocasionar daños a

la estructura del tanque y puedan contaminar al producto almacenado , este

elemento se encuentra en la parte superior del tanque y está conformado por placas

traslapadas entre sí, con el objetivo de evitar daños que por algún aumento de

presión mayor dentro del recipiente pueda afectar en su operación.

En ocasiones la cúpula es diseñada, de diferentes formas, con pendientes diversas,

que van desde el 5° hasta los 30° con respecto a la horizontal del tanque , estás

formas y pendientes depende mucho del producto que contenga, y de las presiones

internas que se origen en el interior. Dentro de la variedad de techos para los

tanques de almacenamientos los más importantes que son utilizados se describen en

los siguientes párrafos.

Tipos de techos para tanques

La norma estándar A.P.I. 650, clasifica a los tanques de acuerdo al tipo de techo con

la cual son diseñados, esta los divide en techos fijos y techos flotantes y los explica

de la siguiente forma.




35

Techo fijo

Los techos fijos suelen presentar formas de cúpula o formas escalonadas, los

tanques de gran capacidad suelen tener generalmente un techo escalonado,

traslapado de placas entre sí, con soportes intermedios, que son capaces desoportar cargas vivas de diseño como la nieve, viento y cargas humanas.

Estos tipos de techos se emplea para contener productos no volátiles o de bajo

contenido de inflamables como: agua, diesel, asfalto, petróleo crudo, nafta etc.

Dentro de los techos fijos tenemos tres tipos: cónicos, de domo y de sombrilla,

los cuales pueden ser auto soportados por la envolvente o soportados por

estructura en el interior del tanque de almacenamiento. El techo cónico es una

cubierta con la forma y superficie de un cono una pendiente de Angulo > 9soportado por el cuerpo del tanque o por las columnas en su interior. El tipo domo

es un casquete con forma esférica soportado directamente sobre la envolvente, y

el de tipo sombrilla, es un polígono regular curvado por el eje vertical soportado

por la envolvente con una forma semejante a la sombrilla.

Los techos auto soportados ya sean tipo cónico, domo, o sombrilla, tiene la

característica de estar apoyados únicamente en su periferia por el cuerpo del

tanque, calculados y diseñados para que su forma geométrica, en combinacióncon el espesor mínimo requerido, absorban la carga generada por su propio peso

más las cargas vivas, a diferencia de los techos soportados que contarán con una

estructura (columna) que soporte dichas cargas y las transmite al fondo del

tanque y este ala cimentación.

Techos flotantes

Estos tipos de techos se emplean para almacenar productos con alto contenido

de volátiles como son: alcohol, gasolinas y combustibles en general. Este tipo de

techo fue desarrollado para reducir o anular la cámara de aire, o espacio libre

entre el espejo del líquido y el techo, por la constante evaporación que sufren los

fluidos dentro del tanque de almacenamiento.




36

Estos tipos de techos proporcionar un medio aislante para la superficie del

líquido, reduciendo la velocidad de transferencia de calor al producto

almacenado durante los periodos en que la temperatura ambiental es alta,

evitando así la formación de gases (evaporación).

Cuando el líquido sufre evaporación de forma continua se pierden cuantiosas

sumas millonarias para la industria petrolera y consecuentemente, la

contaminación del medio ambiente, por lo que con este tipo de techo se reducen

los riesgos por almacenar productos inflamables.

Estos techos son de tipo elevador, los que origina que la cubierta presente un

movimiento oscilante hacia arriba y hacia abajo, dependiendo de la adición o

sustracción de liquido almacenado, estos techos están constituidos por un selloanular mediante una membrana flexible, así como una cámara de expansión de

tela alojada en un compartimiento sobre la parte superior del techo del tanque,

permitiendo asi variaciones de volumen. Este movimiento oscilante la realiza

gracias a un motor capaz de subir o bajar el peso del techo.

Este tipo de depósitos contiene un sello situado entre el techo y el cuerpo del

tanque, en caso en que no vayan protegidos mediante techos fijos, deberán

presentar sistemas de drenaje para la eliminación de agua y el cuerpo deltanque. por lo tanto deberá estar fijado con tirantes contra el viento, con el fin de

evitar las distorsiones o colapso que puedan dañar la estructura del mismo y

anclado ala superficie de su cimentación.

Fig. 2.1 tipos de tanques de acuerdo a el tipo de techo




37

2.2 Fondo del tanque de almacenamiento

El fondo de los tanques de almacenamiento cilíndricos verticales son generalmente

fabricados de placas de acero al carbón con un espesor menor al usado en el

cuerpo. Esto es posible para el fondo, porque se encuentra soportado por una basede concreto, 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. Según la API 650 se usan placas que tiene un espesor mínimo

nominal de 6.3mm. (1/4 pulg.), 49.8 Kg / m2 (10.2 lb / pie2) excluyendo

cualquier corrosión permisible especificada por el tipo de lugar o el tipo de sustancia

a almacenar.

Generalmente estos fondos se forman con placas traslapadas entre si con unalongitud de traslape de aproximadamente 1 ½”, esto con el fin de absorber las

deformaciones sufridas por el fondo de la cimentación. El fondo en un tanque de

almacenamiento, según la API 650, siempre tendrá que ser de un diámetro mayor

que el diámetro exterior del tanque, por lo menos, 51 mm. (2 pulg.) Más en el ancho

del filete de soldadura de la unión entre cuerpo y el fondo.

Las placas con las que se habiliten el fondo deberán tener preferentemente un ancho

de 1,829 mm o 2348 mm con una longitud comercial que se obtenga en el

mercado, la cual se pueda manejar en el taller o en campo sin problema alguno.

2.3 Envolvente o cuerpo del tanque de almacenamiento

El envolvente también conocido como el cuerpo del tanque, es una parte importante

del tanque de almacenamiento debido que delimita, la cantidad de fluido que se

ocupara en su interior y es el responsable de soportar las presiones que el fluidopresente sobre las partes que lo integran.

La envolvente es diseñado por diferentes tipos de espesores de placas comerciales,

dichos espesores, se determinan así por las variaciones de presiones que existen

desde fondo del tanque hasta la superficie del mismo.




38

Esta parte del tanque basa su cálculo en los principios de las leyes de la de la

hidrostática, por tal, el diseño de los espesores de las placas, es diferente, aunque

también se hace de esta forma por economizar el costo de su construcción. Pero

cabe mencionar que los espesores jamás serán en ningún caso, menor a lo que se

muestra en la siguiente tabla (API 650 edición 7, 2008).

Tabla 2.1 Espesores de tanques como mínimo, dependiendo su diámetro.

El espesor de la pared del tanque por condición de diseño, se calcula con base al

nivel del líquido, tomando la densidad relativa establecida por las propiedades del

fluido, y por las dimensiones que se pretenda construir. este tema será mencionado

posteriormente. En esta tabla solo se definen los espesores mínimos que deberá

tener el tanque de almacenamiento según la API 650.

2.4 Boquillas en tanques de almacenamiento

Las boquillas son aberturas que se realizan al cuerpo del tanque de almacenamiento,

con la finalidad de que este pueda tener llegada de líneas de tuberías para la

descarga o succión de producto a almacenar y también para conectar instrumentos

capaces de monitorear el tanque desde un cuarto de control y este pueda tener un

funcionamiento idóneo.

Dentro de las partes principales de una boquilla, encontramos las tuberías de acero

al carbón de cedula 80 aproximadamente, placas roladas al cuerpo y bridas, quesirven de acoplamiento para una tubería existente o para un instrumento de control

del tanque. Dentro las principales boquillas que debe de tener un tanque (según las

especificaciones generales de petróleos mexicanos de 1988) como mínimo se

mencionan a continuación:

Diámetro nominal en metros Espesor mínimo en milímetros

< 15.24 4.7615.24 < 36.576 6.3536.576 < 60.96 7.93

> 60.96 9.52




39

1. Entrada (s) de producto (s).

2. Salida (s) de producto (s)

3. Drene (con o sin sumidero).

4. Registro de entrada hombre

5. Muestreo (s).

6. Venteo

7. Drenaje del tanque

8. Entrada (s) hombre.

9. Cámara de espuma

10. Indicador de nivel

11. Gas de vapor

12. Entrada de vapor

Tabla 2.2 tipos de boquillas para tanques de almacenamiento de cúpula fija

Cap.enBls

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

500

s e d i m e n s i o n a

d e a c u e r d o a r e q u e r i m i e n t o d e p r

o c e s o


d e a c u e r d o a r e q u e r i m i e n t o d e p r o c e s o 24” 24” 8”


d e a c u e r d o a r e q u e r i m i e n t o d e p r o c e s o 4” 2 de 4” 1 de 8”

1 de24” x 24”

1 de 3” 1 de 3”/4”


d e a c u e r d o a r e q u e r i m i e n t o d e p r

o c e s o

1000 24” 24” 8” 4” 2 de 4” 1 de 8” 1 de

24” x 24” 1 de 3”

1 de 3”/4”

2000 24” 24” 8” 4” 2 de 4” 1 de 8” 1 de

24” x 24” 1 de 3”

1 de 3”/4”

3000 24” 24” 8” 4” 2 de 4” 1 de 8” 1 de

24” x 24” 1 de 3”

1 de 3”/4”

5000 24” 24” 8” 2 de4”

2 de 4” 1 de 8” 1 de

24” x 24” 1 de 3”

1 de 3”/4”

10000 24” 24” 8” 2 de4” 2 de 4” 1 de 8”

1 de24” x 24”

1 de 3” 1 de 3”/4”

15000 24” 24” 8” 2 de4” 2 de 8” 1 de 8”

1 de24” x 24”

1 de 3” 1 de 3”/4”

20000 24” 24” 8” 3 de4”

2 de 8” 1 de 8” 1 de

24” x 24” 1 de 3”

1 de 3”/4”

30000 24” 24” 8” 3 de4” 2 de 10” 1 de 8” 1 de

24” x 24” 1 de 3”

1 de 3”/4”

40000 24” 24” 8” 3 de4”

2 de 10” 1 de 8” 1 de

24” x 24” 1 de 3”

1 de 3”/4”

55000 24” 24” 8” 4 de4” 2 de 10” 1 de 8”

1 de24” x 24”

1 de 3” 1 de 3”/4”




40

En la tabla 2.2 se especifica la cantidad de boquillas que se requieren, por tanque de

almacenamiento, ya que dependiendo de la capacidad que este almacenara, será el

número de boquilla y diámetro de la misma, la columna número uno de la tabla 2.2

especifica la capacidad del tanque y las otras columnas, especifican las boquillas q

puede instalarse al tanque, así por ejemplo, en un tanque de 20 000 BLS, se

necesita una entrada hombres una en el cuerpo y una en la cúpula, así como una

cámaras de espuma, etc. Las boquillas como minimo deberán ser 12 en total para

que el tanque funcione adecuadamente y se encuentre monitoreado perfectamente

para evitar daños peligrosos.

Boquillas en las paredes del tanque

De acuerdo al tanque de almacenamiento que se pretenda diseñar, este puede teneruna o varias boquillas de las antes mencionadas, para la instalación de una boquilla,

en un recipiente a presión, es necesario definir la ubicación en todo el perímetro del

tanque y realizar un agujero en el cuerpo dependiendo el diámetro de la boquilla que

se pretenda construir. Cuando se realiza el agujero se está quitando área del cuerpo,

y el esfuerzo por la presión que impactaban a dicha área, ahora pasaran a impactar

el agujero que se realizó. Por tal motivo la realización de un agujero en el tanque de

almacenamiento debe de diseñarse adecuadamente y evitar fallas en la periferia de

este, por lo tanto bajo estas cuestiones es necesario poner un refuerzo alrededor de

dicha boquilla, para contra restar el agujero realizado y darle mayor resistencia, al

área extraída.

La API 650 considera las dimensiones de boquillas, de cualquier diámetro perforado,

Y especifica los requisitos que este diseño debe contener, por ejemplo: en

concordancia con el código A.S.M.E. Establece que todas las boquillas mayores de 3

pulgadas de diámetro, instaladas en los recipientes a presión, deberán contener

placa de refuerzo en la periferia de sí mismo, y se localizara en la unión del cuello de

la boquilla con el recipiente. Así como se realizara un barreno a la placa de refuerzo

de ¼” de diamtreo, esto con la finalidad de poder sacar el gas almacenado en el

interior de la boquilla, cuando se le aplique la soldadura.








43

Tabla 2.3. Espesores de placas, dimensión de abertura y ancho de soldadura

Espesoresdel cuerpo

y placarefuerzo

t y T

Espesormínimo depared detubos deboquillas

brindadas n

Diámetromáximo (dp)

igual aldiámetro

exterior de

tubo mas

Ancho delfilete de

soldadurab

Ancho del filete de soldadura (A)

Boquillasmayores 2 pulg.

L-DO

Boquillas de2 pulg omenores

W4.76 12.7 15.87 4.76 6.35 6.356.35 12.7 15.87 6.35 6.35 6.357.39 12.7 15.87 7.93 6.35 6.359.52 12.7 15.87 9.52 6.35 6.35

11.11 12.7 15.87 11.11 6.35 6.3512.7 12.7 15.87 12.7 6.35 7.93

14.28 12.7 19.05 14.28 6.35 7.93

15.87 12.7 19.05 15.87 7.93 7.93

17.46 12.7 19.05 17.46 7.93 7.9319.05 12.7 19.05 19.05 7.93 7.93

20.63 12.7 19.05 20.63 9.52 7.9322.22 12.7 19.05 22.22 9.52 7.9323.81 12.7 19.05 23.81 9.52 7.93

La tabla 2.3 especifica los espesores de las placas de refuerzo que van instalada

sobre el cuerpo del tanque, por ejemplo: la columna 1 específica el espesor que la

placa de refuerzo debe tener, ya que especifica el espesor de la placa del envolvente

donde se encuentre la boquilla, y la norma API especifica que la placa de refuerzo

tendrá el mismo espesor del cuerpo donde se haya realizado el agujero de la

boquilla, como mínimo para poder soportar la presión que encontrara en ese lugar,

de acuerdo a estos datos se procede a dimensionar dichas boquillas de interés. Las

dimensiones de la tabla 2.3 están especificadas en milímetros y los detalles

especificados en la figura 2.2 y 2.3 están relacionados con esta.

Un punto muy importante la tabla 2.3 es para boquillas instaladas con sus ejes

perpendiculares a las placas del tanque. Cuando las boquillas son instaladas con un

ángulo diferente de 90º respecto a las placas del tanque en el plano vertical, estarán

provistas de una placa de refuerzo que tenga un ancho de acuerdo a lo especificado

en las tablas 2.4 (W o Do), y esta deberá incrementar de acuerdo al corte de las

placas del tanque que tengan diferente ángulo.




44

Tabla 2.4. Dimensionamiento de la boquilla y placa de refuerzo

Tamañode

boquilla

Diámetroexterior

del tubo

Espesornominal

de laboquilla

pareddel tubo(n)

Diámetrointerior

de laplaca de

refuerzo(Dr)

Longitud.Lado o

diámetrode la

placarefuerzo(L-DO)

Anchode laplaca

de

refuerzo(W)

ProtecciónExteriorMínimo

(J)

Elevaciónmínima alcentro deboquilla

Tiporegular(HN)

Tipobaja(C)

1219 1219 E 1222 2457 2972 406 1321 1229

1168 1168 E 1171 2356 2845 406 1270 1178

1117 1117 E 1121 2254 2724 381 1219 1127

1067 1067 E 1070 2153 2604 381 1168 1076

1016 1016 E 1019 2051 2483 381 1118 1025

965 965 E 968 1949 2356 356 1097 974

914 914 E 917 1848 2235 330 1016 924

864 864 E 867 1746 2114 330 965 873

813 813 E 816 1645 1994 305 914 822

762 762 E 765 1543 1867 305 864 771

711 711 E 714 1441 1746 305 813 720

660 660 E 663 1340 1625 305 762 670

610 610 12.7 613 1257 1524 279 711 629

559 559 12. 562 1156 1403 279 660 578

508 508 12.7 511 1054 1283 279 610 527

457 457 12.7 460 952 1162 254 559 476

406 406 12.7 409 851 1035 254 508 425

356 356 12.7 359 749 924 254 457 375305 324 12.7 327 685 838 229 432 343

254 273 12.7 276 584 717 229 381 392

203 219 12.7 222 483 590 203 330 241

152 168 11 127 400 495 203 279 200

102 114 8.5 117 305 397 178 229 152

76 89 7.6 92 267 343 178 203 133

51 60 5.55.1 63 (---) (---) 152 178 89

38 48 Cople 51 (---) (---) 152 152 76

76 102 Cople 105 286 362 (---) 229 143

51 73 Cople 76 (---) (---) (---) 178 76

38 56 Cople 59 (---) (---) (---) 152 76

25 40 Cople 43 (---) (---) (---) 157 76

19 33 Cople 36 (---) (---) (---) 102 76




45

Las figura 2.2 hace referencia al espesor de las bridas, de la cual la tabla 2.5

especifica los diferentes espesores que existen para fabricarla, aunque esta tabla no

especifica qué tipo de brida necesita ser instalada en la boquilla.

Tabla 2.5. Dimensionamiento de bridas para boquillas

NOTAS: Como se observa en la tabla 2.4 las boquillas mayores de 76 mm (3

pulg.) se requieren placa de refuerzo en todo el perímetro del agujero extraído. Asímismo lo especifica la tabla las boquillas bridadas o roscadas de 51 mm (2 pulg.) de

diámetro menor no requieren placa de refuerzo (De); será el diámetro de la boquilla

en el cuerpo y la soldadura (A).

tamañode

boquilla

espesormínimode brida

(q)

diámetroexterior de

la brida( a)

diámetrode la cararealizada

(d)

diámetrode

circulode

barrenos(c )

numerode

agujeros

diámetrodel

agujero

diámetrode los

tornillos

1219 69.85 1511 1359 1422 44 41.27 38.11168 68.26 1450 1295 1365 40 41.27 38.11117 66.67 1403 1245 1314 40 41.27 38.11067 66.67 1346 1194 1257 36 41.27 38.11016 63.5 1239 279 1200 36 41.27 38.1

965 60.32 1238 1073 1149 32 41.27 38.1914 58.73 1168 1022 1085 32 41.27 38.1864 57.15 1111 959 1029 32 41.27 38.1813 54.05 1060 908 978 28 41.27 38.1762 52.38 984 857 914 28 34.92 31.75711 50.8 927 794 864 28 34.92 31.75660 47.62 870 743 806 24 34.92 31.75610 46.03 813 692 749 20 34.92 31.75559 42.86 749 641 692 20 34.82 31.75508 39.68 698 584 635 20 31.75 28.57457 47.62 635 533 577 16 31.75 28.57406 34.92 597 470 540 16 28.57 25.4

356 31.75 533 413 476 12 28.57 25.4305 30.16 483 381 432 12 25.4 22.22254 28.57 406 324 362 12 25.4 22.22203 25.4 343 270 298 8 22.22 19.05152 23.81 279 216 241 8 22.22 15.87102 23.81 229 157 190 8 19.05 15.8776 23.81 190 127 152 4 19.05 15.8751 19.05 152 92 121 4 19.05 15.8738 17.46 127 73 98 4 15.87 12.7




46

Boquillas en la Cúpula del tanque

Las boquillas en el techo generalmente son instaladas para acoplarlas a

instrumentos capaces de monitorear el tanque del almacenamiento, ya sea para

poder medir temperatura, o para poder controlar el tanque desde una cuarto decontrol, estas se construyen de la misma forma que las boquillas que se encuentran

el cuerpo del tanque, solo que los diámetros están limitados hasta 12” de diámetro,

excepto la entrada hombre que generalmente se utiliza de 24”. También difieren de la

placa de refuerzo que se le adiciona, ya que esta solo es utilizada a partir de 6” de

diámetro, debido a que las presiones en lo alto del tanque, no es tan relevante como

en las del cuerpo. Por lo tanto se podrá poner refuerzo siempre y cuando se ha

especificado. Para poder comprender mejor esto la siguiente figura 2.4 y tabla 2.6.

Especifican el dimensionamiento mínimo que este debe de tener cuando se pretenda

construir.

Tabla 2.6. Dimensionamiento de boquillas para techo

Dimensiónnominal de

boquilla

Diámetroexterior del tubo

Diámetro deagujero del

techo y placa derefuerzo Dp

Proyecciónmínima de laBoquilla Hn

Diámetroexterior de la

placa Dr

305 324 330 152 610

254 273 279 152 559203 219 225 152 457157 168 171 152 381102 114 117 152 27976 89 92 152 22951 60 64 152 17838 48 51 152 127




47

Fig. 2.4 Esquema de Boquillas en el techo

2.5 Bridas para boquillas

Las bridas son accesorios para acoplamiento de tuberías, que facilita el armado y

Desarmado de la misma estas pueden ser de diferentes diámetros y de diferentes

formas, que dependen del libraje del servicio que prestara.

Tipos de bridas

Dentro de la variedad de bridas que existen en el mercado las más comunes que se

utilizan en las boquillas de un tanque de almacenamiento son las siguientes:

I. Bridas de cuello soldable.

II. Bridas deslizables.

III. Bridas roscadas.

IV. Brida de enchufe soldable.

V. Bridas ciegas.




48

Bridas de cuello soldable (Welding neck)

Se distinguen de las demás por su cono largo y por su cambio gradual de

espesor en la región de la soldadura que las une al tubo. El cono largo

suministra un refuerzo importante a la brida desde el punto de vista de

resistencia, este tipo de brida se prefiere para todas las condiciones severas

de trabajo, ya sea que esto resulte de altas presiones o de temperaturas

elevadas o menores de cero, ya sea también para condiciones de carga que

sean sustancialmente constantes o que fluctúen entre límites amplios. Las

bridas de cuello soldable se recomiendan para el manejo de fluidos

explosivos, inflamables o costosos, donde una falla puede ser acompañada

de desastrosas consecuencias

Bridas deslizables (Slip-on)

Estas bridas se prefieren sobre las de cuello soldable, debido a su costo

bajo, menor precisión requerida al cortar los tubos, mayor facilidad de

alineamiento en el ensamble ya que su costo de instalación final es menor

que las bridas de cuello soldable. Su resistencia calculada bajo presión

interna, es del orden de 2/3 de las anteriores y su vida bajo condiciones de

fatiga es aproximadamente 1/3 de las últimas. Por estas razones, las bridas

deslizables en presiones de 1,5000 libras/pulgada2 y no existen en

presiones de 2,500 libras / pulgada2.

Bridas roscadas

Generalmente se instala en tuberías de diámetros de hasta 2”, usadas como

toma muestras de producto del tanque, asi como purgas de líneas, su

ensamble no es costoso, pero al momento de colocarlo, se le debe de

realizar rosca a la tubería para poder ensamblar la pieza, correctamente.




49

Bridas de enchufe soldable (socket Welding)

Cuando se manejan fluidos tóxicos, altamente explosivos, muy corrosivos o

aquellos que al existir fugas provocarían gran riesgo, debemos usar bridas de

este tipo. También es recomendable usarlas en tuberías que trabajan a muy

altas presiones. Estas bridas también se les conocen como cajas soldables

debido a que la soldadura se realiza como si estuviera en una caja.

Bridas ciegas (blind)

Se usan para cerrar los extremos de boquillas, tuberías y válvulas. Desde el

Punto de vista de presión interna y fuerzas ejercidas sobre los pernos, estas

bridas, principalmente en tamaños grandes, son las que están sujetas a

esfuerzos Mayores. Al instalar las bridas ciegas debe tomarse en consideraciónla temperatura y el golpe de ariete, si existiera.

Fig. 2.5 Tipos de bridas comerciales. A) Brida Deslizable, b) Brida Roscable, c) Brida de Cuello Soldable,

d) Brida Ciega




50

2.6 Entradas Hombre Vertical y Horizontal del tanque de

almacenamiento

Los tanques de almacenamientos verticales, deben de contar, por lo menos con una

entrada hombre en el cuerpo o en el techo, Esta entrada como su nombre lo indica

es diseñada para que un trabajador ingrese al tanque cilíndrico, con la finalidad de

poder realizar limpieza, revisiones o reparaciones en el interior del tanque, etc.

Existen diferentes medidas de la entradas desde 508 milímetros, 610mm etc.,

aunque en esta tesis solo se mencionara la entrada de 610mm )24” de diámetro(.

Las entradas hombre contarán con una placa de refuerzo según lo muestra la figura

2.6, la cual tendrá dos barrenos de 6.3 mm. de diámetro con cuerda NPT para

prueba hidroneumática, quedando éstos sobre las líneas de centro verticales u

horizontales y abiertos a la atmósfera. Las entradas hombres serán fabricadas de

acuerdo a las figuras 2.6 y tabla 2.6 o en su defecto a la tabla 2.4

Fig. 2.6 Entrada hombre del cuerpo y cúpula del tanque




51

Tabla 2.7 Entrada hombre en el cuerpo y techo

La tabla 2.7 y figura 2.6 especifica claramente los espesores mínimos que deben de

tener las placas que se utilizan para fabricar cada una de sus partes que componen

la entrada hombre. Cuando se realiza la entrada hombre sobre el techo o la

envolvente del tanque, el procedimiento de instalación es el mismo procedimiento al

de las boquillas, aunque esta es una boquilla, pero de gran tamaño para que entre

una persona, esta área también requiere una placa de refuerzo para absorber las

presiones que impactaran en el área extraída, así que también, se deberá colocar

una placa con las características que muestra la tabla 2.8. Esta tabla cubre las

entradas de la cúpula y la del cuerpo, solo varían los espesores de las placas para

fabricarlo así como la cantidad de espárragos (tabla 2.8) que se instalan en la brida

y puerta de la entrada. La forma que la placa tendrá. Ya sea circular o tipo diamante.

Estas especificaciones de acuerdo a la figura 2.6 ya que allí se encuentra la

nomenclatura de las medidas para poder fabricarla.

A l t u

r a m á x i m a

d e l t a n q u e

P r e s i ó n

h i d r o s t á t i c a

(

k g / c m 2 )

Espesor mínimo de la tapaplana

Espesor mínimo del cuello y brinda delregistro

R e g i s t r o

d e

5 0 8

R e g i s t r o

d e

6 1 0

R e g i s t r o

d e

7 6 2

R e g i s t r o

d e 9 4

R e g i s t r o

d e

5 0 8

R e g i s t r o

d e

6 1 0

R e g i s t r o

d e

7 6 2

R e g i s t r o

d e

9 1 4

6400 0.64 7.93 9.52 11.11 12.7 6.35 6.35 7.93 9.52

8230 0.82 9.52 11.11 12.7 14.28 6.35 7.93 9.52 11.11

9754 0.97 9.52 11.11 14.28 15.87 6.35 7.93 11.11 12.712192 1.21 11.11 12.7 15.87 17.46 7.93 9.52 12.7 14.28

1316 1.37 12.7 14.28 15.87 19.05 9.52 11.11 12.7 15.8716459 1.64 12.7 14.28 17.46 20.63 9.52 11.11 14.28 17.46

19812 1.98 14.28 15.87 19.05 22.22 11.11 12.7 15.87 19.0522860 2.28 15.87 17.46 20.63 23.81 12.7 14.28 17.46 20.63






53

NOTA: La tabla 2.9 especifica la cantidad de espárragos, que necesita, la entrada

hombre de la cúpula y está de relacionado de acuerdo al diámetro de la abertura que

tiene la entrada al tanque. La cantidad de espárragos vienen señalados en la figura

2.6. para el caso de la entrada a la envolvente.

2.7 Puerta de Limpieza del tanque de almacenamiento

La puerta de limpieza es aquella parte del tanque de almacenamiento que permite

ingresar al interior del tanque de almacenamiento para poder extraer y desazolvar los

residuos peligrosos que se acumulan. La puerta de limpieza se encuentra conecta

con un drenaje y una válvula separadora de fase que permiten tener, de forma

continua limpieza del fondo y drenajes en el tanque de almacenamiento.

Al fabricar una puerta de limpieza, debe cumplir, las especificaciones que la norma

API 650 determina. Dicha norma establece una serie de restricciones y atraves de

una tabla específica los espesores mínimos que se utilizan y así poder diseñar una

puerta de limpieza segura y económica. Esa tabla se muestra a continuación.

Tabla 2.10 espesores de la puerta de limpieza según la API 650

Alturamáxima

deltanque

Espesor mínimo de la tapa planaEspesor mínimo del cuello y brinda del

registro

Registrode 508

Registrode 610

Registrode 762

Registrode 94

Registrode 508

Registrode 610

Registrode 762

Registrode 914

6400 7.93 9.52 11.11 12.7 6.35 6.35 7.93 9.52

8230 9.52 11.11 12.7 14.28 6.35 7.93 9.52 11.11

9754 9.52 11.11 14.28 15.87 6.35 7.93 11.11 12.7

12192 11.11 12.7 15.87 17.46 7.93 9.52 12.7 14.28

1316 12.7 14.28 15.87 19.05 9.52 11.11 12.7 15.87

16459 12.7 14.28 17.46 20.63 9.52 11.11 14.28 17.4619812 14.28 15.87 19.05 22.22 11.11 12.7 15.87 19.05

22860 15.87 17.46 20.63 23.81 12.7 14.28 17.46 20.63




54

La puerta de limpieza que se ocupa para un tanque de 20 000 bls, según la tabla 2.2,

es aquella puerta que tenga medidas de 24” largo x 24” de ancho, por lo tanto se

busca con esta medida en la tabla 2.10 y 2,11 donde especifica las dimensiones que

marcan con respecto a la figura 2.7.

Fig. 2.7 representación de la medidas de la puerta de limpieza

Esta figura donde se idealiza perfectamente la puerta de limpieza donde se

especifican la nomenclatura de los datos importantes que se encuentran en las

tablas 2.11 para su construcción.

En La tabla 2.11 las dimensiones de las partes que la puerta deberá tener en ellas se

especifica dimensiones como el tamaño de la puerta de limpieza que se requiera enel tanque de almacenamiento y el ancho que debe de tener esta, así como

específica, el tamaño que la placa de refuerzo tendrá y la cantidad de espárragos,

que la brida en la puerta se necesita para soportar las presión internas del fluido.




55

Tabla 2.11 especificaciones de las dimensiones de la brida y placa de refuerzo

2.8 Drenaje del tanque de almacenamiento

El colector o drenaje, es el encargado de limpiar los residuos de mayor densidad

generados por el producto que contiene el tanque. El colector generalmente está

constituido por una tubería de acero al carbón y por una boquilla que esta acoplado

con un instrumento de control que contiene una válvula separadora de fase liquida y

una bomba que ayudan a desazolvar los lodos en el interior del tanque, este registro

en la norma API 650 desglosa el material mínimo que debe de contener cuando se

fabrique. El material está sustentado con cálculos los cuales se omiten en este

trabajo, por los datos que se requieren, pero la API 650 estandariza distintos

diámetros de drenajes en el fondo, y esta estandarización depende mucho de la

capacidad del tanque a diseñar.

CaracterísticasTamaños estándar de puerta de limpieza para

tanque de almacenamiento

Altura de la puerta ( h ) 200 (S) 600(24) 900(36) 1200(48)

Ancho de la puerta( b) 400(16) 600(24) 1200(48) 1200(48)Longitud de la placa de refuerzo

( w )1170(46) 1830(72) 2700(106) 3200(125)

Radio de esquina ( r1 ) 100(4) 300(12) 450(18) 600(24)

Radio de la esquina de la placade ref.(r2) 360(14) 740(12) 1040(41) 1310(1/2)

distancia de los agujeros 32(1/4) 40(1/2) 40(1/2) 40(1/2)

Ancho de la brida excepto elfondo

100(4) 100(4) 115(1/2) 115(1/2)

Ancho de la brida F2 90(1/2) 95(3/4)/ 120(3/4) 125(5)

Espacio entre agujero 80(1/4) 95(3/4) 120(3/4) 125(1/2)

Números de agujeros 22 36 46 52

Diámetro de los espárragos 20(3/4) 20(3/4) 24(1) 24(1)




56

El drenaje de un tanque de almacenamiento se encuentra entre la cimentación y la

placa del fondo, por lo general cuando se instala el depósito en el fondo se debe

tener una buena compactación y evitar que el producto busque salidas de fuga y

contamine el suelo donde se desplanta. Según la API 650 especifica en la tabla 2.12 los diámetro de la tubería de succión

tendrá, de acuerdo a la capacidad que el tanque y las dimensiones de las placas que

conforman al colector, por ejemplo: un tanque de 20 000 Bls, requiere dos sistemas

de drenaje con una boquilla de 4” de diámetro conectadas a un instrumento capaz de

desazolvar lodos peligrosos, tubería cedula 80 interna en el tanque y placa de acero

al carbón con espesores iguales a la placa del fondo.

FIG.2.8 representación de la nomenclatura del drenaje para tanques cilíndricos






58

6.- La superior de la reja deberá estar unida al pasamano de la plataforma sin

margen y la altura, medida verticalmente desde el nivel del peldaño hasta el

borde del mismo de 762 a 864mm. (30 pulg. a 34 pulg.).

7.- La distancia máxima entre los postes de la rejilla medidos a lo largo de la

elevación de 2,438mm. (96 pulg.).

8.- La estructura completa será capaz de soportar una carga viva concentrada de

453 Kg. (1,000 lb), y la estructura del pasamano deberá ser capaz de soportar una

carga de 90Kg. (200 lb), aplicada en cualquier Dirección y punto del barandal.

9.- Los pasamanos deberán estar colocados en ambos lados de las escaleras rectas;

éstos serán colocados también en ambos lados de las escaleras circulares cuando

el claro entre cuerpo-tanque y los largueros de la escalera excedan 203mm. (8 pulg.).

10.- Las escaleras circunferenciales estarán completamente soportadas en elcuerpo del tanque y los finales de los largueros apoyados en el piso.

11.- La distancia máxima entre los postes del barandal deberá ser de 1168mm. (46

pulg.). Para la plataforma.






60

3.1Tipos de fluidos

Generalmente en la industria petrolera existen diferentes tipos de fluidos, que son

procesados y almacenados para posteriormente comercializarlos, dentro de estos

fluidos, los más comunes en clasificarlos son los líquidos y gases.

líquidos y gases

Un fluido es líquido cuando este se almacena en un recipiente, y adopta la forma de

éste, cubriendo el fondo y las paredes lateral, la superficie, en contacto con la

atmósfera, mantiene un nivel uniforme y cuando el contenedor se inclina, el líquido

tiende a derramarse. Un fluido es gas si en un recipiente cerrado, tiende a

expandirse y llenarlo por completo. Si el recipiente se abriera, el gas tendería a

expandirse aún más y a escapar de él.

Estas definiciones nos llevan a entender con mucha claridad el tipo de depósito que

se ocupara para la nafta que se extraen en la refinería Gral. Lázaro Cárdenas , por

ejemplo: para un gas solo se podrá contener en un tanque esférico y horizontal

debido a su forma y distribución de la presión que actuaran sobre él, y un fluido

liquido se almacenara en un tanque vertical, con cúpula, ya sea fija, flotante etc.

Dependiendo del estudio químico que se haya obtenido se diseñara u optara el tipode techo.

Por lo tanto se deduce que el depósito a utilizar para almacenar la nafta será el

tanque cilíndrico vertical.

3.2 Propiedades químicas y físicas de los fluidos

Las propiedades de los fluidos, son aquellas que definen y proporciona las

características importantes, del fluido en estudio, estas propiedades en el diseño deun tanque de almacenamiento son muy importantes ya que debido a ellas

proporcionan el dimensionamiento y la resistencia que debe tener las partes que

integraran al tanque de almacenamiento.




61

Las propiedades que se mencionaran a continuación definen las posibles reacciones

que el fluido pueda presentar debido a los cambios constantes de presiones o

temperaturas, así como los daños que le pudieran ocurrir al tanque de

almacenamiento si no se lleva un estudio muy cuidadoso.

Densidad del fluido

En un estudio químico del fluido, es importante la densidad o masa específica ya que

permite calcular el peso propio del elemento de volumen que se considera

almacenar, Para un elemento dV ubicado en algún punto del fluido y que contenga

una masa dM. La densidad en ese punto se define mediante la ecuación y se

define de la siguiente forma:

Densidad: es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. (Mott,Robert, 2006)

= dM / dV

Donde V es el volumen de la sustancia que tiene masa m. las unidades de la

densidad son kilogramos por metro cúbico.

Peso específico

Otra propiedad del fluido muy importante, para el cálculo del tanque de

almacenamiento es el peso específico y esta se define de la siguiente forma:

Peso específico: es la cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia. Si

se denota el peso específico con la letra griega )gamma(, entonces,

= W / V

Con estas dos propiedades mencionadas se obtiene la fórmula para calcular el peso

específico de la sustancia que contendrá el tanque atmosférico.

= * g

Donde es la densidad de una sustancia que tiene peso w. las unidades del peso

específico son los newton sobre metro cúbico (N/m3) en el SI, (Mott, Robert, 2006)








64

Se consideran dos tipos de fuerzas que impactan sobre el fluido: las causadas por

agentes exteriores, típicamente el peso de él y las causadas por el fluido que está en

su exterior mediante contacto. Es conveniente distinguir la parte de esa última fuerza

que actúa normal a la superficie, llamadas fuerzas debidas a la presión.

Estas fuerzas son importantes ya que dentro del estudio que se realiza al fluido en

reposo, es la parte de mayor importancia para el diseño del tanque de

almacenamiento, ya que este define el correcto dimensionamiento del tanque, y

proporcionara el espesor adecuado que debe tener las placas con las cuales se

formar el envolvente del recipiente. Por lo tanto su estudio se requiere que sea muy

cuidadoso y muy preciso.

3.4 Presión hidrostáticaSi una superficie se coloca en contacto con un fluido en equilibrio, el fluido, gas o

líquido, ejerce fuerzas normales sobre la superficie y fuerzas normales distribuidas

en forma continua, como se indica en la figura.

Fig 3.1. Representación de las presiones sobre una superficie

La presión se define como: la cantidad de fuerza que se ejerce sobre una unidad deárea de una sustancia, sobre una superficie, plana o curvas. Esta definición se

comprende mejor con la siguiente ecuación.

P = F / A




65

De donde:

P= presión que hay en el recipiente (Kg /cm2)

F= fuerza que ejerce el fluido uno sobre el otro (kg)

A= área de la superficie en contacto (cm2)

El fluido ejerce una fuerza que actúa en forma perpendicular a la superficie de

interés, en este caso al cuerpo del tanque, según la definición fundamental de

presión. En la figura la presión se encuentra actuando sobre algún punto de ella,

como la fuerza por unidad de área que actúa sobre la superficie. Esta puede ser

variable o constante de punto en punto de la superficie. Debido a que la presión en

un fluido en equilibrio aumenta con la profundidad, de modo que las presiones seránuniformes sólo en superficies planas horizontales.

Por lo tanto el concepto de presión hidrostática, se considera que el agua que está

en el fondo del tanque de almacenamiento, está soportando sobre si el peso de la

que tiene encima y las presiones de estas se encuentran sobre la envolvente del

tanque

Fig. 3.2. Representación de la superficie de estudio en el fondo de un tanque




66

Supongamos, una zona horizontal situada en cualquier punto del interior del tanque

con agua, la superficie de esta zona es “S”. La profundidad a que se halla se llama

h. el volumen de agua que está soportando en esta zona valdrá:

V= S * h

Por lo tanto recordando que el peso específico de cualquier fluido es la relación que

existe entre el peso del mismo y el volumen que ocupa.

= W / V

Entonces el peso (W) que tiene este prisma será:

Peso del fluido = (peso específico)*(volumen)

Sustituyendo nos queda la siguiente ecuación.

Peso del fluido = () * (S*h)

Por último la presión en cualquier punto se calcula con la fórmula:

P = F / A

Área de la sección = S

Sustituyendo la ecuación encontramos la presión que debe de existir en cualquier

punto dentro del tanque de almacenamiento.

P = (* S*h) / (S)

Eliminando términos nos queda:

P = * h

En esta fórmula nos damos cuenta de que la presión es independiente del área

considerada, pero es dependiente de la profundidad h vertical, sin importar donde se

encuentre la superficie libre, el fondo o la forma del recipiente donde se deposita el

fluido. Pero si se ejerce una fuerza en un punto determinado horizontalmente

estamos hablando del principio de pascal que dice:

“Si se ejerce una presión cualquiera sobre la superficie de un líquido en equilibrio

esta presión se transmite en todos los puntos, es decir en las moléculas de la que se

conforma.”, (Mott, Robert ,2006).






68

Datos obtenidos del estudio químico del producto

La nafta fue sometido a un análisis químico teniendo propiedades químicas como

densidad relativa de 0.8, con un grado de corrosión permisible de 1/16”, y se obtuvo

un a explosividad relativamente baja teniendo como resultado que el tanque tendráun techo fijo, y descartando un techo flotante, porque el techo fijo soportara las

presiones que se origine debido al producto.

Estos datos generalmente son los más utilizados para el diseño de los tanque de

almacenamiento y en el capítulo 5 se observara atraves del ejemplo su utilización.






70

4.1 Estimación de cargas

Quizá la tarea más importante y difícil que debe enfrentar un diseñador de

estructuras es la estimación de las cargas que recibirá cualquier estructura durante

su vida útil. Dentro de las posibles cargas que se pueden presentar en una estructuracomo un tanque de almacenamiento se puede clasificar en dos tipos: cargas vivas y

en cargas muertas.

Cargas muertas

Las cargas muertas son cargas de magnitud constante que permanecen fijas en un

mismo lugar. Estas son el peso propio de la estructura y otras cargas

permanentemente unidas a ellas. Para diseñar una estructura es necesario estimar

los pesos o cargas muertas de sus componentes .estas no se conocen hasta que se

hace análisis estructural y se seleccionan los miembros de la estructura.

Cargas vivas

Las cargas vivas que se presentan en el tanque son aquellas que pueden cambiar

de lugar y magnitud. Dicho simplemente, todas las cargas que no son muertas, son

vivas. Las cargas que se mueven bajo su propio impulso como por ejemplo: los

trabajadores que realizarán inspecciones al tanque, instrumentos instalados en eltecho, cargas causadas al construir, cargas de viento, lluvia, sismo, suelos, cambios

de temperatura y la carga del líquido que contendrá el tanque, se consideran cargas

vivas y se deben de considerar y estudiar cuidadosamente porque pueden ocasionar

severos problemas en la operación del tanque.

4.2 Diseño del fondo del tanque de almacenamiento

El fondo de un tanque de almacenamiento cilíndrico vertical de cúpula fija es

generalmente fabricado de placas de acero al carbón con espesor menor que el

usado en la envolvente o cuerpo del mismo. Según la norma API 650 establece que

el espesor de placa usada para el fondo, sea de ¼” y que deberán estar constituidas

por placas, traslapadas, esto para evitar las deformaciones que se pueda

presentarse en la cimentación.




71

La norma especifica que si el tanque lleva placas anulares en todo el perímetro sea

de un espesor de 3/8” como mínimo, estos espesores de placas son posibles

definirlos para el fondo, porque se encuentra soportado por una base de concreto,

arena o asfalto, los cuales soportarán el peso de la columna del producto; y la

función del fondo es lograr la hermeticidad para que el producto no se filtre por la

base y cause problemas para el tanque.

El fondo de un tanque de almacenamiento está constituido de placas con longitudes

y anchos comerciales las cuales tiene un ancho aproximadamente de 1829 mm o

2438 mm (6 o 8 pies) y un largo de 6096 mm o 9144 (20 pies o 30 pies), esto con la

finalidad de hacer la distribución de placas como lo indica la figura 4.1 de una forma

sencilla y económica. Por lo tanto cuando se distribuyen las placas por toda el áreadel tanque, generalmente se utilizan los siguientes procedimientos:

1.- área del fondo del tanque.

Afondo = ( x D2) /4

De donde:

D = Diámetro del tanque.

Afondo = Área del fondo.

2.- Área de las placas comerciales por la cual se hay adoptado.

Aplacas = b x h

De donde:

b = ancho de la placa comercial

h = altura de la placa comercial

Por lo tanto la cantidad requerida de placas solo es calculada usando una pequeña

división de los resultados que nos hayan dado en las ecuaciones anteriores.

Con estas fórmulas se obtienen las cantidades de placas que conforman el tanque

de almacenamiento.






73

Para calcular correctamente el cuerpo de un tanque de almacenamiento Existen tres

métodos de cálculo, los cuales están sustentados en el API 650 y son los siguientes:

1.- Método por cálculo del espesor del cuerpo por el método de punto de diseño

variable.2.- Cálculo de espesores del cuerpo por el método de un pie.

3.- Método de análisis elástico

El primer método se utiliza cuando el tanque tiene un diámetro mayor aprox. de

60,960 milímetros (200 pies), y el cálculo de partida lo realiza basándose en el

método de diseño por pie, pero para poder realizar este método debe de cumplir la

siguiente relación:

1βL / H ≤ 2

L = (0.05 D t)0.5 (cm.).

D = Diámetro nominal del tanque (cm.).

t = Espesor del anillo inferior (mm.).

H = Nivel de diseño del líquido (cm.).

Si este método no cumple con las relaciones que marca se procederá a utilizar el

método de análisis elástico donde la relación de la altura del tanque con respecto aldiámetro (L/H) es mayor que 2, en estos dos métodos de diseños están descritos de

una forma más clara en la norma API 650, en la presente tesis no se describe con

profundidad ya que el método de diseño que se utilizara en el transcurso del trabajo

será el de diseño de espesores por un pie. Si el lector está interesado en estos

temas tendrá que ver la norma API 650, en la página 65 de los temas 3.6.4.




74

4.3.1 Método de diseño por un pie

El método de diseño de un pie, calcula el espesor requerido de la pared del tanque,

por condiciones de diseño y de prueba hidrostática, considerando una sección

transversal ubicada a 304.8 mm. (1 pie) por debajo de la unión de cada anillo. Este

método sólo es aplicable en tanques con un diámetro igual o menor a 60,960mm.

(200pies). Y las fórmulas que se ocupan son las siguientes.

td = ((0.0005 D (H - 30.48) G) / Sd) + C.A

tt = (0.0005 D (H - 30.48) / Sd) + C

Donde:

td = Espesores por condiciones de diseño (mm.).

tt = Espesor por prueba hidrostática (mm.).

D = Diámetro nominal del tanque (cm.)

H = Altura de diseño del nivel del líquido (cm.).

G = Densidad relativa del líquido a almacenar

CA = Corrosión permisible (mm).

Sd = Esfuerzo permisible por condiciones de diseño (Kg / cm2). Ver tabla 4.1St = Esfuerzo permisible por condiciones de prueba hidrostática (Kg / cm2).

Todos los datos antes mencionados, deberán de ser obtenidos del producto a

almacenar ya que atraves de estos podemos especificar la densidad del fluido, la

altura y diámetro del tanque. Así como también se debe conocer las especificaciones

del material a usar, para el caso del acero se deberá conocer los esfuerzos

permisibles, esfuerzos de cedencia, esfuerzos de tensión entre otros.

La API 650 específica una tabla donde se muestran las especificaciones de

materiales de las placas a utilizar, esta tabla es mostrada a continuación.




75

Tabla 4.1 Especificaciones de materiales de aceros al carbón comunes

Una vez que se haya obteniendo los datos necesarios de la placa que se pretende

utilizar como material para el cálculo de los espesores del cuerpo se sustituyen en

las formulas anteriormente mencionado. y se obtendrá los espesores que son

óptimos para soportar las presiones originadas por el fluido. Cabe recalcar que el

espesor calculado debe tener como mínimo el espesor que la API 650 menciona en

su norma a través de una tabla, que relaciona el diámetro del tanque y el espesor del

anillo. Dicha tabla a continuación se presenta.

Especificación GradoEsfuerzo en

punto decedencia

Esfuerzo a latensión

Esfuerzo dediseño

Esfuerzo deprueba

A-283 C 2110 3870 1410 1580

A-285 C 2110 3870 1410 1580

A-131 A,B,C,S 2390 4080 1600 1750

A-36 2530 4080 1630 1750

A-131 EH36 2580 4990 1200 2140

A-442 55 2110 3870 1410 1580

A-442 60 2250 4220 1500 1630

A-573 58 2250 4080 1500 1690

A-573 65 2460 4570 1640 1850

A-573 70 2953 4920 1970 2110

A-516 55 2110 3870 1410 1580

A-516 60 2250 4220 1500 1690

A-516 65 2460 4570 1640 1850A-516 70 2670 4920 1780 2000

A-662 B 2810 4570 1830 1960

A-662 C 3020 4920 1970 2110

A-537 1 3510 4920 1970 2110

A-537 2 4220 5620 2250 2410

A-633 C,D 3510 4920 1970 2110

A-678 A 3510 4920 1970 2110

A-678 B 4220 5620 2250 2410

A-737 B 3510 4920 1970 2110






77

Tt = (D/ 48000 sen)

Donde:

Tt = Espesor mínimo requerido (cm.).

D = Diámetro medio del tanque (cm.) = Ángulo con respecto a la horizontal (grados).

.

Fig. 4.2 Representación del techo fijo tipo cónico

El espesor calculado será incrementado cuando la suma de las cargas muertas más

las cargas vivas excedan 220 Kg /m (45lb / pie), pero si no excede será multiplicado

por el factor y el espesor disminuirá.

((Cm + Cv)/ 220)1/2

Donde:

Cm = Carga muerta (Kg /m2

).Cv = Carga viva (Kg /m2). (aprox. 122 kg/cm2).

El espesor determinado por la expresión anterior, no deberá ser menor de 4.76 mm.

(3/16 pulg.), y no mayor de 12.7 mm. (1/2 pulg.). Por lo que la soldadura del techo,

con el perfil de coronamiento, se efectuará mediante un filete continuo de 4.76mm.

(3/16 pulg.) O dependiendo el espesor de la placa.

Posteriormente de obtener el espesor del techo, se distribuyen las placas sobre el

área de la cúpula, y esta distribución sigue el mismo procedimiento de distribución

que se utilizo en el cálculo del fondo, mediante placas rectangulares, traslapadas

entre sí, aunque con una pendiente especificada. Por la forma cónica que se

pretenda construir.




78

Cuando se coloque las placas del techo estas deberán tener instaladas sobre el

tanque de almacenamiento, una estructura capaz de soportar las cargas muertas y

vivas originadas por él, esta estructura se encuentra compuesta de largueros, trabes

y columnas, que en esta tesis son mencionadas a continuación.

4.5 Diseño de largueros

Los largueros son los elementos que cargaran parte del peso de la cúpula estos

elementos estructurales se diseñan con cargas uniformemente repartidas y extremos

libres como lo indica la siguiente figura.

Fig. 4.3 Representación de las cargas distribuidas uniformemente sobre largueros

Consideraremos cualquier punto x, entre los soportes R1 y R2 en una viga con carga

uniforme (w). Las fuerzas calculadas en la viga a la izquierda del punto x producen

un momento de flexión M, el cual puede evaluarse por la suma de momentos en x.

Para una carga uniforme en una viga, simplemente apoyada, las reacciones son

iguales (R1= R2).

∑m1= 0

R2L – L (L/2) = 0

R2= L (L/2L)

Eliminando (L) nos queda: R2= L /2

Por lo tanto el momento flexionante que generan este tipo de vigas con cargas

distribuidas es el siguiente:




79

Fig. 4.3 Representación de momentos flexionante de los largueros.

M = (Lx / 2) − (x2 / 2)

Sustituyendo X= L/2

M= L2 / 8

Por lo tanto la flexión máxima que la viga tendrá cuando se le apliquen las cargas

será calculada con la siguiente ecuación, por el método de la carga unitaria o virtual.

∫ Mm / EI

De donde:

M= momento flexionante máximo de la viga.

m = momento virtual de la viga (unitario).

El momento unitario se calcula suponiendo una carga unitaria sobre la viga con unclaro L entre las reacciones supuestas. Resolviendo tenemos R1= 1/2, por lo tanto

el momento virtual es el siguiente:

m = R1(X)

m = (1/2) (X)

Aplicando la formula se obtiene que:

2∫ Mm / EI

y = 2 ∫ ((Lx / 2) − (x2 / 2)) (x/2)

Resolviendo la ecuación se tiene la flexión máxima que podrá sufrir la estructura:




80

噺捜創靴ぷ

惣掻想櫛掘

Cuando se realiza el cálculo de largueros se considera que cada uno soporta las

placas del techo más una carga viva que se extienden sobre sus lados con respectoa la línea de centro del mismo, se considera que cada larguero soporta una área

tributaria igual a la longitud del larguero por el promedio de la separación entre dos

largueros consecutivos, Una vez determinada la carga que absorberán los diferentes

largueros así como sus longitudes, se calculará el momento máximo, para que con

este valor se proceda a determinar el módulo de sección óptimo y buscar un perfil en

el manual AHMSA ( altos hornos de México, 2008 ) que satisfaga restricciones de

seguridad , si este no cumple se recalcular el perfil propuesto pero ahoraconsiderando el peso propio del larguero, haciendo esto repetidamente hasta lograr

el equilibrio y poder determinar el módulo de sección que satisfaga las cargas

generadas por el techo del tanque. el cálculo del larguero siempre se realiza sobre el

más crítico (generalmente el exterior), para que todos los largueros, ya sean

exteriores y/o interiores, tengan el mismo peralte y misma longitud.

Cuando los tanques cilíndricos tienen, diámetros grandes, el claro del larguero es

reducido mediante trabes que se encuentran soportadas en sus extremos por

columnas compuestas por perfiles, debido a que las dimensiones de perfiles

estructurales generalmente son de longitudes pequeñas, y es así como se forman

polígonos regulares que soportaran las cargas.

Espacio entre largueros y números de largueros

Debido a que los largueros son distribuidos por todo el perímetro del tanque lanorma internacional API establece que el espacio máximo entre largueros sea de 2ヾ

pies (1,915 mm. ó 75.39 pulg.) en el perímetro exterior del tanque, y en anillos

interiores una separación máxima de 5.5 pies (1,676 mm. ó 66 pulg.).








83

Estos términos pueden usarse en la expresión siguiente para poder, resolver el

producto yc en la ecuación, y poder determinar, las constantes que Gordon, Rankine,

filósofo matemático que propuso estas constantes para el cálculo de columnas

circulares y columnas rectangulares, así que sustituyendo en la ecuación de la

escuadría tenemos:

f = Mc / I

Despejando c de la ecuación y sustituyendo tenemos:

I f / M = c

M= L2 / 8

C= 8 If / L2

Sustituyendo las expresiones nos queda:

yc = (8 If / L2) (

)

5l 2 f / 48E = C 1 L2

P/ a = f / (1+ C 1( L2/ r2)

Donde C2 depende del material, la carga y el método de soporte. No se conoce

ningún método para calcular teóricamente la constante C1 y esta se determina porexperimentación, El investigador Gordon Rankine encontró por experimentación que

C1 puede ser de 1/18,000 para columnas circulares y 1/36,000 para columnas

cuadradas. Para valores de L / r entre 60 y 200, se recomienda el uso de la siguiente

fórmula para columnas de acero.

fp = 1265 / (1 + (l 2 /18000r 2 ))

Esta fórmula determina la carga de compresión axial permisible que debe tener la

columna y la cual se podrá comparar y determinar si el área de la columna propuesta

es la idónea, este procedimiento de diseño, tiene que respetar todas las restricciones

necesarias que continuación se mencionan.






85

4.7.1 Procedimientos de diseño

El procedimiento del cálculo de la columna inicia con la relación de esbeltez, que de

acuerdo con la API para una columna larga, la relación de esbeltez es de 120, y

conociendo la longitud de la columna podremos obtener el radio de giro que cumplacon la relación siguiente:

r = l k /120

Por lo tanto se busca un perfil que cumpla con el radio de giro mayor tanto en el eje

“x – x” Como en el eje “y – y”, y se obtiene el área de la sección transversal.

Posteriormente se Calcula el esfuerzo de compresión permisible para la columna con

la formula siguiente respetando las restricciones necesarias aplicadas en el cálculo.

f p = 1265 /

(1+

(l 2 /18000r 2

))

Teniendo el esfuerzo de compresión permisible y sabiendo que el esfuerzo actuante

es P/a, igualamos las ecuaciones obteniendo el área de la sección transversal la cual

tendrá que ser menor o igual a la de los perfiles combinados que se seleccionaron

con anterioridad. Si esto no se cumple, se tendrá que seleccionar otro perfil que

tenga por, lo menos, el área transversal requerida y recalcular la columna con esta

nueva relación de esbeltez, hasta que el área de la columna satisfaga la igualdad,

cuidando que la relación de esbeltez sea mayor de 40 y menor de 120. Una vezdefinida la sección transversal de la columna que cumpla con lo Anterior, se calcula

el esfuerzo de compresión máximo permisible (Cma) el cual tendrá que ser mayor o

igual que el calculado por el procedimiento anterior. Si esto no es logrado, se tomará

este esfuerzo Máximo de compresión y se igualará a P/a. Despejando obtendremos

el área de la sección transversal, empezando de nuevo la rutina hasta que se haya

cumplido el equilibrio.

4.8 Cálculo de perfil de coronamiento para techos soportados

El perfil de coronamiento para tanques cilíndricos es aquel formado por perfiles

ligeros generalmente de ángulos de lados iguales, que son soldados por todo el

perímetro del tanque en el último anillo que conforman la envolvente.




86

El diseño de estos elementos se realiza con la fórmula que la API 650 especifica,

pero también la norma establece dimensiones de ángulos de acuerdo al diámetro del

tanque.

A= (21765 W / 30800 tgø)

Donde:

W = Peso total del techo (Kg)

= Ángulo del techo con respecto a la horizontal (grados).

Para techos soportados, las dimensiones mínimas del perfil de coronamiento serán

las siguientes:

a).- 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.).

b).- Para tanques mayores de 10,668mm. (35 pies) pero menores o iguales a

18,288mm. (60 pies) de diámetro un ángulo de 76 x 76 x 9.52mm. (3 x 3 x 3/8 pulg.).

4.9 Diseño sísmico

Los movimientos sísmicos son uno de los peligros al que están expuestas las

construcciones. Para tomar en cuenta el peligro sísmico, frecuentemente se recurre

al uso de espectros de diseño que dependen, entre otros aspectos, de la cercanía

del sitio a las fuentes generadoras de temblores y de las condiciones locales del

terreno.

Cuando se habla de estos movimientos, dentro del diseño de tanques verticales dealmacenamiento, generalmente se estudian debido a que provocan dos tipos de

reacciones sobre el tanque, las cuales son:






88

X1 = Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centroide de la fuerza lateral

sísmica aplicada a W1 (m.).

W2= Peso efectivo de la masa contenida por el tanque que se mueve en el primer

oleaje (Kg.).

X2= Altura desde el fondo del tanque al centroide de la fuerza sísmica lateral aplicada

a W2 (m.).

Coeficientes de diseño sísmicos de la República Mexicana

Los coeficientes sísmicos de diseños son obtenidos de acuerdo al espectro de

diseño que se considere dentro de la republica mexicana e indicando el tipo de

importancia estructural de la construcción como lo menciona la tabla 5.1.

Cabe mencionar que la construcción de un espectro de diseño como lo indica elmanual de la comisión federal de electricidad 2008, se inicia con determinar el peligro

sísmico que estará expuesta la estructura, dicho peligro sísmico es la aceleración

máxima del terreno, y los factores con que se toman en cuenta en las condiciones

del terreno. Posteriormente se determinan los factores de corrección y se calculan

los coeficientes de diseño para toda la republica mexica de acuerdo al tipo de

estructura que se pretenda construir.

El manual de la comisión federal de electricidad presenta una figura donde se

representa las aceleraciones máximas del terreno en toda la republica mexicana, con

un periodo de retorno aproximadamente 6, 500 y 30 000 años. Y de la misma forma

establece unos coeficientes de diseños para estructuras tipo A como lo especifican

las figuras 4.5 y 4.6




89

Fig. 4.5 Aceleraciones máximas del terreno (g) producidas por la acción deSismos máximos periodo de retorno 6 500 años

Fig. 4.6 Coeficientes de diseño óptimos para estructuras del grupo A








92

Coeficientes de fuerzas laterales

El coeficiente de fuerza lateral C1 según la API 650 establece que para cuestiones de

diseño sísmico del tanque se deberá utilizar a C1= 0.60, pero si T cumple la

restricción siguiente utilizar la formula que a continuación se describe.

Cuando T < 4.5

C1= 0.3S /T

El coeficiente C2 de la fuerza lateral será determinado por la función del periodo

natural T y las condiciones del terreno donde se sitúa el tanque.

Cuando T > 4.5

C2 = 1.35S /T

Dónde:

S = factor de amplificación Tabla 4.9.

T = periodo natural de la ondulación en segundos = K D 0.5

K = factor determinado en la Figura 4.10 y la relación D/H.

El movimiento del suelo en sitios de terreno blando es muy diferente del que ocurre

en terreno firme debido a la amplificación dinámica por efectos locales que sufren las

ondas sísmicas al propagarse a través de formaciones de suelos blandos. Las

interfaces entre estratos y las fronteras laterales producen un fenómeno de difracción

múltiple que genera interferencias constructivas y destructivas que a su vez originan

amplificaciones del movimiento. La amplificación de sitio como lo muestra la tabla 4.9

que experimenta el movimiento sísmico constituye un efecto fundamental del cual

depende la caracterización de los depósitos de suelo para fines de microzonificación

sísmica. La respuesta de un depósito de suelo ante excitación sísmica es función de

varios factores que están relacionados con la irregularidad de la geometría y la

heterogeneidad de los materiales que definen el depósito donde se construirá.




93

Tabla 4.4 Factores de amplificación del suelo

Fig. 4.9 Valor del factor K.

4.9.2 Resistencia a la volcadura

La resistencia al momento de volcadura respecto del fondo del tanque podrá ser

prevenido por el peso del cuerpo del tanque y mediante anclaje. Para tanques sin

anclaje, el peso de la porción del líquido contenido puede ser usado para resistir la

volcadura.

WL = 0.29369 Tb (Fby GH)1/2

Siempre y cuando WL no exceda 0.000186 GHD.

Tipo Terreno Factor s

S1

Un contorno de terreno con: a) un material de roca viva caracterizadapor una velocidad de onda de corte mayor que 760m/ seg. b)condiciones de terreno duro 0 denso donde la profundidad del terreno

es menor que 60m

1.0

S2 Un contorno de terreno con condiciones de terreno duro o densodonde la profundidad del terreno excede 60 m

1.2

S3Un contorno de terreno de 12 m o más en profundidad conteniendomás de 6m de arcilla media, dura, o blanda pero mayores que 12metros de arcilla blanda.

1.5

S4 Un contorno de terreno con más de 12 metros de arcilla blanda 2.0




94

Dónde:

WL= peso máximo del líquido contenido en el tanque que puede ser usado para

resistir la volcadura (Kg − m.), de la circunferencia del cuerpo.

Tb = espesor de la placa del fondo bajo el tanque (cm.).Fby = esfuerzo mínimo de cedencia especificado del fondo (Kg / cm2).

G = Densidad relativa del líquido.

4.9.3 Compresión del cuerpo.

Para tanques sin anclaje la fuerza máxima de compresión en el fondo del cuerpo,

puede determinarse mediante lo siguiente: Cuando (M/D2 ( Wt +WL ) ) es menor o

igual a 0.785.

b= (Wt ) +1.273M / D2

Cuando (M/D2 ( Wt +WL)) es mayor o igual a 0.785 pero menor o igual a 1.5, b puede

ser calculada del valor obtenido a partir de la figura 4.11.

1.48791 (b +WL) / (Wt +WL)

Cuando (M/D2 ( Wt +WL)) es mayor de 1.5 pero menor o igual a 1.57

(b +W) / (Wt +WL) = 1.49 / ( 1 – (0.637M / D2

(Wt +WL) ) )2

Dónde:

b = Fuerza máxima de compresión en el fondo del cuerpo (Kg / m) en la

circunferencia del cuerpo)

Wt = Peso del cuerpo del tanque y la porción de techo soportado por el techo (Kg.

Por metro de circunferencia del cuerpo).

Cuando ( M/D2 (Wt +WL) ) es mayor de 1.57, el tanque es estructuralmente inestable

y por lo tanto requiere ser anclado, la fuerza máxima de compresión longitudinal en el

fondo del cuerpo, será determinada por:

b =W t + (12731M / D 2)




95

fig. 4.10 fuerza de compresión

Compresión máxima permisible del cuerpo

El esfuerzo máximo de compresión longitudinal en el cuerpo será determinado de

acuerdo a lo siguiente:

Cuando 0.0002278GHD2 / t2 es mayor o igual a 106. El valor de:

Fa = 170676000t / D

Cuando 0.0002278GHD2 / t2 es menor a 106. El valor de:

Fa = 68270400t / D +1546 (GH)1/2

Dónde:

t = Espesor del anillo inferior del tanque sin corrosión permisible (cm.).

Fa = Esfuerzo máximo de compresión longitudinal permisible (Kg / cm2),

(Menor de 0.5 Fty).

Fty = Esfuerzo mínimo de cadencia especificado del anillo inferior (Kg / cm2)

Siempre y cuando 2.02333 b/t no exceda el esfuerzo máximo permisible de

compresión, el tanque se considera estructuralmente estable, por lo que es capaz de

resistir un movimiento sísmico, pero si esto no fuese cumplido, es necesario tomar

alguna de las siguientes medidas:




96

a).- Incrementar el espesor del cuerpo (t).

b).- Reducir la relación de esbeltez, incrementado el diámetro y reduciendo la altura,

c).-Anclar el tanque.

Cuando se decida el uso de anclas, éstas tendrán un diámetro mínimo de 25.4 y el

esfuerzo máximo permisible para cualquier pieza del conjunto de las anclas, no debe

exceder de los siguientes valores: Para anclas, el esfuerzo será de 0.8 veces el

esfuerzo de cedencia (el esfuerzo de cedencia mínimo de 0.6 multiplicado por 1.33).

4.10 Diseño por viento

Las fuerzas del viento resultan difícil de evaluar, debido a lo complejidad delfenómeno y a la incertidumbre de los datos estadísticos vigentes, de vientos

máximos, que se han utilizado como parámetros en un diseño. Esencialmente el

viento, es un volumen de aire en movimiento, por lo que las fuerzas generadas son

dinámicas, en el sentido que son producidas por un flujo en movimiento, sin

embargo, bajo las detalladas circunstancias, es válido suponer estas fuerzas como

cargas estáticas. Todos los tanques de almacenamiento se diseñarán y calcularán

para lograr una estabilidad total con las fuerzas estáticas que impactaran en laestructura. La carga del viento, generalmente se deberá de considerar de por lo

menos 146 Kg /m2, en la superficie del plano vertical, 88 Kg /m2, en las áreas,

proyectadas de las superficies del cilindro y 73 Kg /m2, en áreas proyectadas de

superficies cónicas y doble curvadas. Lo que se determina en base a una velocidad

de viento de 161 Km/ h. En el caso de que el tanque se localice en una zona

geográfica con una velocidad mayor, se ajustarán las presiones multiplicando el valor

especificado por el resultado de la siguiente relación:

( V /161)2

Dónde:V = velocidad del viento (Km/ h).




97

Pero si las ráfagas de viento son mayores a la que se propone en esta tesis, se

recomienda calcular los empujes y o succiones sobre el tanque y se podrán emplear

el método estático aplicando las presiones de diseño de la expresión siguiente:

Pv = 0.048Cp (VD)2

Dónde:

Pv = Presión de viento (Kg /m2).

CP = Coeficiente local de presión que depende de la forma de la estructura, este

valor se obtiene con la siguiente formula

Cp= Ks * CPC.

VD = Velocidad de diseño a la altura h,

VD = FT F VR

FT = factores correctivos debido a la topografía, ver tabla 5,4 y 5.5

F = factores de variación de velocidad con la altura 5.6

VR = velocidad regional de la zona ver figura 5.7

Ks = 1.0 para CPC >-0.15

Ks = 1.0 – 0.55 (CPC + 0.15) log10 (he/b) CPC < -0.15

CPC = -0.5+ 0.4 cos + 0.8 cos2 + 0.3 cos3 – 0.1 cos4 – 0.05 cos5,

= ángulo entre la dirección Del viento y un punto sobre la pared del tanque circular

ver figura 5.7 y 5.8

Tabla 4.5 Factores Correctivos Debido a la Topografía del Terreno

Sitios Ejemplo de topografía local FT

Protegidos Valles cerrados 0.9

Normales

Terreno prácticamente plano: campo abierto, ausencia

de cambio topográfico importantes, con pendientesmenores de 5%

1.0

ExpuestosTerraplenes: peñascos, acantilados, precipicios, diques,

presas 1.25




98

Tabla 4.6 Clasificación de terreno con Respecto a la Altura.

Cat Descripción Ejemplos Limitaciones

1

Terreno abierto,

prácticamente plano,sin obstrucciones ysuperficies de agua

Franjas costeras planas, zonas depantanos o de lagos, campos

aéreos pastizales y tierras de cultivosin setos om bardas alrededor,

superficies nevadas planas

La longitud mínima de este tipode terreno en la dirección del

viento debe ser de 2000 m o 10veces la altura de laconstrucción por diseñar, laque sea menor

2Terreno plano u

ondulado con pocasobstrucciones

Campos de cultivos o granjas conpocas obstrucciones tales como

setos o bardas arboles yconstrucciones dispersas

Las obstrucciones existentespresentan alturas de 3 a 5 m. lalongitud mínima debe sermayor entre 1500 m o 10 vecesla altura de la construcción pordiseñar

3

Terreno cubierto pornumerosas

obstrucciones,estrechamente

espaciadas

Áreas urbanas, suburbanas y debosques o cualquier terreno con

numerosas obstrucciones,estrechamente espaciadas, eltamaño de las construcciones

corresponde a casa y viviendas

Las obstrucciones existentespresentan alturas de entre 3 a5 metros, la longitud mínima deeste tipo de terreno en ladirección del viento debe ser500 o 10 veces las alturas delas nuevas construcciones laque sea mayor.

4

Terrenos connumerosas

obstrucciones, altas y

estrechamenteespaciadas

Centro de grandes ciudades ycomplejos industriales bien

desarrollados

Por lo menos el 50% de losedificios tiene una altura de 20m, las obstrucciones miden de10 a 30 metros de altura, lalongitud de este terreno con

respecto al viento debe sermayor entre 400 o 10 veces laalturas de las nuevasconstrucciones

Tabla 4.7 Factores de Variación con Respecto a la Altura

Categoría delterreno

g (m) c

1 0.099 245 1.137

2 0.128 315 1.0003 0.156 390 0.881

4 0.170 455 0,815




99

Estos factores son utilizados de acuerdo a las siguientes formulas, y restricciones.

F = c si z ≤ 10

F = c (/10) si z >

F = c (Z/10) si 10 < z <

Fig. 4.11 Velocidades Regional donde según la CFE

Fig. 4.12 Dirección del viento que impacta a la estructura




100

Fig. 4.13 Coeficientes de Presión Exterior

4.10.1 Momento de volteo por viento

El momento de volteo producido por el viento se considera una carga uniformemente

repartida sobre una viga empotrada en un extremo, por lo que el momento se

determina con la siguiente ecuación propuesta en la norma API 650:

M = ( PV DMAX ( Ht )2 / 2)

Dónde:

M = Momento de volteo (Kg − m).

Dmáx. = Diámetro exterior del tanque incluyendo líneas de tuberías (m.)

Ht = altura total del tanque incluyendo el techo (m.)

Para tanques que no estén anclados, el momento de volteo por presión de viento no

debe exceder de la siguiente expresión:

M < 2/3 ( W D/2)




101

Dónde:

W = Peso muerto del tanque disponible para resistir el levantamiento (Kg.), menos

cualquier corrosión permisible, menos simultáneamente el levantamiento por

condiciones de presión interna sobre el techo.

D = diámetro nominal del tanque (m.).




102

CAPITULO V

EJEMPLO DE DISEÑO

DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO

DE 20 000 BLS




103

Con la finalidad de hacer más claro y específico lo expuesto en los capítulos

anteriores, se diseña un tanque de almacenamiento para almacenar nafta, con una

capacidad nominal de 20 000 BLS. El cual será instalado en el Estado de Veracruz,

en la Refinería Gral. Lázaro Cárdenas Dicho tanque operará a presión atmosférica y

temperatura ambiente. Cabe mencionar que en este ejemplo se utilizara los pasos

para realizar un diseño de acuerdo a la Norma API.

Fig. 5.1 Etapas del diseño estructural

Se proponen los siguientes datos para diseñar el tanque de almacenamiento de

20 000 Bls. Que contendrá nafta en su interior.

Tabla 5.1 Datos de diseño para el tanque

DATOS DE DISEÑOProducto NAFTADensidad relativa delproducto.(G) 0.8

Código de diseño API 650Diámetro interior 18.5

Altura 12.192

Material del cuerpo SA-283 GR CCorrosión permisible (C.A) 0.16 CM

Esfuerzo de diseño ( Sd) 1410 kg/cm

NECESIDAD ESTRUCTURACION ANALISIS DE CARGAS

ANALISIS ESTRUCTURAL

ETAPAS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL

ANALISIS DE COSTO

CONSTRUCCION




104

5.1 Calculo de los anillos del tanque de almacenamiento

En el mercado comercial se vende placas de diferentes tamaños, que como medida

comercial utilizan el pie. Las placas que se utilizaran en el diseño del tanque,

marcaran la pauta para determinar el volumen, altura y diámetro posible del tanque,así como lo muestra la siguiente tabla.

Tabla 5.2 Dimensionamiento del tanque

5.2 Calculo de la capacidad del tanque de almacenamiento

Una vez que se haya seleccionado las medidas de las placas y estás hayan

proporcionado, la altura del tanque y diámetro, ahora se determinara el volumen yverificar que este cumpla con la capacidad requerida del tanque. la capacidad deberá

ser igual o mayor a la capacidad para la cual se pretende construir.

Tabla 5.3 Calculo de la Capacidad del tanque

En este caso es correcto las dimensiones ya que se considera que puede almacenar

los 20 000 Bls de nafta, que refinaran del petróleo. Cumpliendo así con lo solicitado

por petróleos mexicanos.

1.- Se propone las dimensiones de placas en función de eso se calculanlos anillos del tanque

Dimensiones de placa comercial

No. Ancho(cm) Largo(cm)

1 243.84 609.6

Numero de anillo deltanque Altura propuesta (cm) Diámetro (cm)

5 1219.2 1850

Capacidad del tanque

Diámetro(cm) Altura (cm) Área (cm2) Volumen (cm3) Capacidad

(1 barril) cm3Capacidad del

tanque

1850 1219.2 2688031.5 3277248005 159000 20611.62267




105

5.3 Calculo de los espesores del cuerpo

Ya se conoce que el tanque tendrá 5 anillos y que la capacidad de almacenaje es

apta. Ahora se calcula que espesores de placas conformaran el cuerpo del tanque y

que estos soporten las presiones generadas por el producto a almacenar.

La tabla 4.2 menciona que como mínimo un tanque de almacenamiento, con

respecto a su diámetro el espesor mínimo para formar el primer anillo sea de 6.35,

por lo tanto el espesor del primer anillo que se calculara deberá ser igual o menor al

indicado, por tal se utilizara el método del pie.

Tabla 5.4 Calculo de espesores de la envolvente

Como se observa en la tabla, estos serán los espesores de las placas que

conformaran el cuerpo del tanque son mayores a los propuestos en la tabla 4.2.lo

cual se considera correcto los espesores en el cuerpo del tanque.

Ahora se calcula cuantas placas se utilizan para formar totalmente el cuerpo del

tanque de almacenamiento. Anillo por anillo.

Calculo de espesores del envolvente

No deanillos

D (CM) H cm G C.A( CM) Sd(KG/CM2)

tdcalculado

tdverdadero

1 1850 1219.2 0.8 1/6 1410 0.78 3/8

2 1850 975.36 0.8 1/6 1410 0.66 3/8

3 1850 731.52 0.8 1/6 1410 0.53 1/4

4 1850 487.68 0.8 1/6 1410 0.40 1/45 1850 243.84 0.8 1/6 1410 0.27 1/4




106

Tabla 5.5 Cantidades de placas de la envolvente

No deanillos td Perímetro

Numero deplacas por

anillo

Placas demedidade 609.6

1 Placas deajuste demedida

Peso deplaca

(kg/m2)Peso (ton)

1 3/8 5811.96 9.5340551 9 325.56 74.74 10.5920656

2 3/8 5811.96 9.5340551 9 325.56 74.74 10.5920656

3 1/4 5811.96 9.5340551 9 325.56 50 7.08594163

4 1/4 5811.96 9.5340551 9 325.56 50 7.08594163

5 1/4 5811.96 9.5340551 9 325.56 50 7.08594163Nota: las placas de ajuste se determinan en campo

5.4 Calculo de los espesores del fondo

El espesor del fondo de un tanque de almacenamiento según la API 650 es el

Espesor mínimo especificado en la tabla 4.2 que es de ¼” y que el espesor del anillo

anular del tanque sea de 3/8”,por si se llegara a utilizar con en la construcción del

fondo del tanque. Entonces debido a que el fondo del tanque solo soporta el peso

total del liquido y del tanque, y debido a que no soporta directamente las presiones

del fluido, por el contrario con una cimentación que soporta dichas cargas.

Por lo que bajo esa consideración el espesor utilizado para el fondo del tanque seade ¼” de esp. Y Las placas que conformaran el fondo del tanque se distribuirán como

la figura 4.1, y eso se hace por el siguiente método.

Tabla 5.6 Números de placas para distribuir en el fondo

Medida del fondo Medidas de la placa a utilizar Placas

D Área Largo Ancho Área No. deplacas

Peso deplaca

(kg/m2)Peso (ton)

1850 2688031.5 609.6 182.6 111312.96 25 50 13.95




107

5.5 Calculo del espesor del techo

El techo de este tanque tendrá una pendiente, con un Angulo de 3.6 grados con

respecto a la horizontal, Debido a que el tanque tiene un diámetro considerable, se

propone cónico soportado. El diseño de este se basa proponiendo un espesor con laformula, calcular la carga muerta y la carga viva para poder determinar si el espesor

que se propuso es el adecuado. En este ejemplo el techo soportado deberá tener un

espesor de mínimo de 4.76 mm. (37.4 Kg / m2) de acuerdo al API 650. Por lo tanto

primero se deberá conocer el diámetro, del techo, para poder calcular el espesor que

soportara las cargas de diseño.

Tabla 5.7 Calculo del diámetro del techo

Tabla 5.8 Calculo del espesor de la Cúpula

D/2 Tan L RDiámetrodel techo

925 0.0629 58.1825 926.83 1853.66

= 3.6

Restricciones: Espesor de la Cúpula 3/16 < Tt <1/2"

No D Sen Tt

1 1853.66 3.6 0.06279 0.615031609

Calculo del peso x m2

Restricciones: Espesor de la CúpulaSI CM +CV= 220 Se

incrementa el espesorCM (kg/m2) CV (kg/m2) W' TOTAL Se requiere aumentar el

espesor. ya que 226>22037.4 122 159.4

CM +CV= FACTOR Tt

159.4 0.8512024 0.52

Tt = (D/ 4800sen)




108

Como se observa en la tabla el espesor no llega ni a un milímetro, lo que se utiliza el

espesor mínimo especificado por la API 650, que es de 3/16”.

Después de haber encontrado el espesor del techo se deberá conocer cuántas

placas se distribuirán por todo el área de la cúpula. Y esto se obtiene de la mismaforma que se obtuvo las placas del fondo del tanque.

Tabla 5.9 Números de placas para distribuir sobre el techo.

Medida del techo Medidas de la placa a utilizar Placas

D Área Largo Ancho Área No. deplacas

Peso deplaca

(kg/m2)Peso (ton)

1853.7 2698666.455 609.6 182.6 111312.96 24 37.4 10.10

5.6 Calculo de la estructura del tanque de almacenamiento

El tanque tendrá una estructura como la Fig.5.2, formada por un polígono compuesto

de trabes soportadas por columnas distribuidas a 72° grados entre sí.

Tabla 5.10 Calculo del diámetro del pentágono

Fig. 5.2 Representación de la estructura interna del tanque de almacenamiento

r

taque

2/3D= r

Pentágono

D

PentágonoLargo (Li)

Largo

( Le)925 616.67 1233.33 616.67 308.33




109

Fig 5.3 Representación de las columnas de soporte.

El polígono de la figura 5.2 está inscrito por un círculo de radio igual a la dos tercera

parte del radio nominal del tanque de almacenamiento. En este caso el radio nominal

del tanque es de 9.25 m, por lo que el circulo donde estará el pentágono inscrito

será de 6.16 M, y su diámetro será de 12.33 M. Entonces una vez determinado esto

se procede a conocer que estructura estará soportando el peso de las cargas del

techo. Y conocer como se distribuirán sobre el tanque de almacenamiento.

Con el diámetro propuesto se calcula el número de largueros que estarán sobre el

pentágono y se utiliza la separación mínima que permite la API 650, en la cual

establece que el espacio máximo entre largueros será de 2ヾ pies (1,915 mm. ó 75.39

pulg.) en el perímetro exterior del tanque, y en anillos interiores una separaciónmáxima de 5.5 pies (1,676 mm. ó 66 pulg.). Por lo tanto se obtiene lo siguiente

utilizando también la formula.

Tabla 5.11 Calculo de los largueros

n= numero de larguerospara soportar el techo

D Interior 1233.33

D Exterior 1850

RestriccionesSeparación

mínimasegún API

650 (Le)

Separaciónmínima api

650 (Li)N n Exterior n Interior Li

VerdaderaLe

Verdadera

191.5 167.6 5 48 36.5 165.296476 191.12405




110

Por lo tanto se utilizaran 37 largueros distribuidos a cada 165.29 cm. apoyados sobre

el polígono formado por trabes, y 48 largueros distribuidos a cada 191.12 cm

apoyados sobre el cuerpo del tanque. Después de esto ahora se determina que

medidas tendrá el larguero y verificar que perfil estructural será utilizado para

soportar el peso del techo.

5.7 Calculo del perfil estructural para los largueros

Para determinar el perfil estructural de los largueros es necesario conocer el peso

(w) que soportaran los largueros. Dichas cargas, están conformadas por el peso de

la placa (w´) que se distribuirán entre un área tributaria, y el peso de la carga viva

que estará soportando. Por lo tanto el peso por metro lineal será como se determina

en la siguiente tabla.

Tabla 5.12 Calculo de cargas en los largueros.

Conociendo el peso total que estará distribuido sobre el techo se determina el

momento flexionante de la viga, que soportara las cargas, y con eso determinar el

módulo de sección para buscar en el manual AHMSA. Un perfil que soporte esta

carga.

Tabla 5.13 Calculo de los momentos máximos

Áreatributaria

(AM)(B+H/2)*h

w' Total(kg/m2) Ancho MedioLarguero( m)

Longituddel

Larguero(m)

Ancho MedioLarguero( m)

Áreatributaria

(m2)

wtotal(kg/m)

159.4 1.65 6.17 2.09 11.5531 299

M= L2 / 8Sx= Mx/fb

fy 2110.00

W L2 MX Fb Sx

298.63 38.027778 1419.544103 1266 112.1282862




111

Fig 5.4 Representación del perfil a utilizar como larguero

Tabla 5.14 Calculo del perfil a utilizar

Datos del perfil estructural W Perfil 17.11 KG/M

d(cm)tf(cm) tw (cm) b(cm)

área Aw(cm2) Sx fb

20.32 0.991 0.77 5.74 15.6464 112.8 1258.461084

Restricciones b/t < 1590/√fy Fv < fy*0.4

b/t 1590/ fy R1 fv FV Permitido5.792129162 34.61432736 920.78 58.8496628 844

Como se observa en la tabla 5.14 se busca un perfil estructural, que tenga un

módulo de sección, mayor al que se calculó y de este resultado se obtuvo que el

perfil estructural tipo canal de 203.2 mm x 17.11 kg/m, es el idóneo, debido a que

cumple todo los especificado por las normas, cabe mencionar que si este perfil no se

encuentra en el mercado, será necesario calcular de nuevo todo y proponer un perfil

que se encuentre en el mercado y que satisfaga las cargas que se tiene sobre la

estructura.




112

5.8 Calculo del perfil estructural para la trabe

La trabe es el elemento estructural que forman el polígono de la estructura, donde

descansan los largueros, esta se determina con las formula que se muestra en la

tabla, pero para poder determinar qué perfil es, se tendrá que conocer la longitud de

este, con una formula trigonométrica, y seguir los pasos descritos en capitulo

anterior, pero de forma resumida se anexa la siguiente tabla para su mayor

compresión.

Tabla 5.15 Calculo de los números de trabes que soportan los largueros

W = ('ln) / L

WCargas

WPerfil

W total quesoportan lastrabes

Longitudmedia dellarguero

( l )

( n )Numero delarguerosapoyadossobre la

trabe

(l) Longitudde trabe (m)

( W ) Quesoportaran lastrabes(kg/m)

298.63 17.11 315.74 3.08 16.88 7.249351445 2266.80

Después de haber obtenido el peso que soportara la trabe se procede a realizar el

cálculo del momento máximo y determinar que perfil es el adecuado para que

soporte todas las cargas.

Tabla 5.16 Calculo del momento máximo de la trabe

M= L2 / 8

Sx= Mx / fb

fy 2110.00

W Trabes( KG/M) L2 MX Fb Sx

2266.80 52.553096 14890.92592 1266 1176.218477




113

Con el momento máximo se determina el módulo de sección y se busca el perfil a

utilizar en el manual AHMSA y con ello determinar si es correcto el perfil propuesto o

se tiene que modificar, hasta que satisfaga sus restricciones.

Fig 5.5 Representación del perfil a utilizar como trabe

Tabla 5.17 Calculo de trabes propuestas del manual

d(cm) tf(cm) tw (cm) b(cm)Area

Aw(cm2) sx fb

46.1 1.382 1.21 22.3 55.781 2322 641.2974125

RESTRICCIONES

b/t < 1590/√fy fv< fy*0.4 W PERFIL

b/t 1590/√fy R1 fv FVPERMITIDO W PERFIL(KG/M)

18.42975207 34.61432736 8216.4183 147.2977945 844 47.32

Como se observa se obtuvo que el perfil estructural tipo IPR de 18 X 8 ¾” x 144.32

kg/m, y es el apto, debido a que cumple todo los especificado por las normas, cabe

mencionar que si este perfil no se encuentra en el mercado, será necesario calcular

de nuevo todo y proponer un perfil que se encuentre en el mercado y que satisfaga

las cargas que se tiene sobre la estructura.




114

5.9 Calculo del perfil estructural para la columna

Una vez que se han calculado y seleccionado los largueros y trabes, se procede al

cálculo de las columnas. Teniendo el número de trabes y largueros que soportara la

columna, se calcula la carga axial que será transmitida a la columna, para poderdeterminar el perfil estructural adecuado para soportar dicha carga.

Cabe mencionar que las cargas axiales es la suma de las reacciones que generan

las trabes o largueros que estarán apoyados, sobre ella. Como lo explica la siguiente

tabla.

Tabla 5.18 Calculo de la columna central del tanque

Columna central Columna exterior

RL= Reacción generada por loslargueros

Rt= Reacción generada porlas trabes

Posterior al cálculo de las reacciones de las trabes y largueros sobre las columnas,se determina el perfil estructural que soporte dichas cargas, dicho cálculo inicia con

la relación de esbeltez de la estructura, esta relación debe ser menor a lo

establecido en la norma de diseño de estructura de acero. Por lo tanto con esta

relación y con la longitud de la columna se puede obtener un radio de giro y proponer

el perfil utilizando el manual AHMSA, como lo indica la tabla.

Perfil Reacciones n W P Axial

LARGUEROS Rl 37 920.785364 34069.05847

trabes Rt 2 2381.50 4763.001846




115

Tabla 5.19 Propuesta del perfil estructural

L Restricción. rx

12.77 120 10.64

Se busco un perfil para la columna en el manual AHMSA y no paso ninguno asi que se optopor utilizar un perfil compuesto

Datos de diseño de la columna compuesta

Perfil d b tw tf Area del perfil

14” x 8” Semi pesada 351 204 8.6 15.1 8919.68

12” x 4” pesada 313 102 6.6 10.88 4141.704

Area total 13061.384

Fig 5.6 Unión de los perfiles compuestos.

Como se observa en la tabla anterior se propone un perfil compuesto, con IPR DE

12X4” Y DE 14X8” debido a que los perfiles en forma individual no satisfacen la

restricción de que sean menor que 120, se tiene que optar y formar una columnacompuesta y calcular los datos de diseño, como el centroides, así como los

momentos de inercia y calcular los radios de giros permitidos, esto se realiza con la

finalidad de que posteriormente se verifique si el perfil compuesto es el indicado.




116

Tabla 5.18 Centroides de la figura

Figura X (mm) Y (mm) Area (mm2) AX AY1 5.44 317.3 3080.4 16757.376 977410.922 343.45 317.3 3080.4 1057963.38 977410.923 175.5 317.3 2758.88 484183.44 875392.624

4 175.5 307.56 1109.76 194762.88 341317.78565 175.5 156.5 1922.184 337343.292 300821.7966 175.5 5.44 1109.76 194762.88 6037.0944

TOTAL DEAREA 13061.384 2285773.248 3478391.14

x 175.0023771y 266.3110693

El centroide del perfil compuesto con respecto a x se determinó que sea 175 mm y

con respecto a “y” se determinó que sea 266.3. Después de este cálculo se procede

a calcular los radios de giros en “x” y “y” y se determina que los radios cumplen con

la relación de esbeltez permitido en la norma.

Tabla 5.19 Cálculo del Radio de giro en el eje “x”

Fig. b(mm) h( mm) Área(mm2)

Z(mm) Ix (mm4) Io(mm4) Ix( mm4)

1 8.6 204 1754.4 50.98893067 6084259.2 4561213.771 10645472.97

2 15.1 204 3080.4 50.98893067 10682827.2 8008642.784 18691469.98

3 320.8 8.6 2758.88 50.98893067 17003.89707 7172732.244 7189736.141

4 102 10.88 1109.76 41.24893067 10947.26451 1888228.098 1899175.363

5 6.6 291.24 1922.184 120.6910693 13586755.39 27999174.57 41585929.96

6 102 10.88 1109.76 260.8710693 10947.26451 75523290.55 75534237.82

TOTAL DEIx 155546022.2

rx 10.913




117

Tabla 5.20 Cálculo del Radio de giro en el eje “y”

Figura B (mm) h( mm) Área (mm2) Z(mm) Iy (mm4) Io (mm4) Iy( mm4)

1 204 8.6 1754.4 167.95 10812.952 49486716.07 49497529.02

2 204 15.1 3080.4 167.95 58530.167 86889466.58 86947996.75

3 8.6 320.8 2758.88 0 23660302.02 0 23660302.024 10.88 102 1109.76 0 962161.92 0 962161.92

5 291.24 6.6 1922.184 0 6977.52792 0 6977.52792

6 10.88 102 1109.76 0 962161.92 0 962161.92

TOTAL 162037129.2

ry 11.138

Tabla 5.21 Cálculo de la relación de esbeltez de la columna

rx L L/r < 120 Cc Cd CS E Área

10.91 12.77 117.0539588 136.784329 2110.00 1.909239403 2000000130.6138

4

ry L L/r < 120 Cc Cd CS E AREA

11.14 12.77 114.6854415 136.784329 2110.00 1.907405668 2000000130.6138

4

RESTRICCIONES

Cma Cma /CS FA ADM fp Área

1337.4

700.4909049

91493.80697

1265 26.93206232

1368.4

717.3904029

93701.11531

1265 26.93206232

Se observa que el perfil propuesto de un ipr de 14" x8 soldada de perfil con un ipr de 12 x 4 " sisatisface la carga de toda la estructura

Como se demuestra en los cálculos el perfil compuesto por un IPR de 14” x 8”

soldado como se muestra en la fig. , con un IPR de 12” x 4” satisface la carga de

toda la estructura, por lo tanto es el perfil correcto para su construcción.




118

5.10 Revisión por sismo y viento

Los fenómenos naturales no se pronostican, son fenómenos que impactan

directamente a cualquier estructura que se requiera diseñar, si requerimos que la

estructura diseñada soporte tales fenómenos en un futuro, este debe de ser supuestocon los datos obtenidos estadísticamente del fenómeno más catastrófico que se haya

originado en la refinería Gral. Lázaro cárdenas donde se construirá el tanque de

almacenamiento. Por lo tanto a continuación se revisa si la estructura propuesta

cumple con esto, si no lo cumple se redimensionara toda. Hasta que cumpla con las

restricciones propuestas por las normas y se considere una estructura segura. En

este caso la estructura se considera que se encuentra en la zona b, con un tipo de

suelo III, presentando un coeficiente sísmico de Z= 0.6. y calculando

aproximadamente el peso total del líquido que contendrá el tanque será de Wt =

2622 ton. Sabiendo que el líquido que contendrá el tanque y su capacidad se

procede a calcular el momento de volteo que originaría el líquido sobre el tanque, si

llegara a ocurrir un sismo con gran intensidad.

A.- Calculo por sismo

Tabla 5.22 Cálculo de peso que afecta la estructura

Con estos datos obtenidos en la tabla se procede a calcular por medio de grafica

Los pesos efectivos que estarán presentes en el tanque y los centroides de fuerzas

sísmicas donde se encuentran las masas. Y los coeficientes de fuerzas sísmicas.

Z Peso especifico( kg/m3)

H D WT ( KG) D/H W 1 / WT W2 / WT

0.60 800 1219.2 1850 2621798.40 1.52 0.3 0.8

PESOS KG

W1 786539.5212

W2 2097438.723






120

Tabla 5.25 Cálculo del peso total del tanque.

Compresión del tanque

M (KG-CM) D2 Wtanque COMPRESION

158793029.9 3422500 63604.665 0.000729456

RESTRICCION; SI M/ (Wtanque*D2) ES MENOR QUE 0.785 SE PONDRAN ANCLAS AL TANQUE

Tabla 5.26 fuerza máxima de compresión.

Por lo tanto se demuestra que la estructura es segura por fenómenos sísmicos.

B.- Calculo por viento

Los vientos son otros fenómenos que se tiene que cuidar debido a las velocidadesque imperan en la refinería Gral. Lázaro cárdenas. Generalmente en la refinería se

han tenido de hasta 180 km/h y al topografía que presenta se considera como zona 4

de acuerdo a norma de comisión federal y se considera un sitio protegido en la zona

industrial.

Peso del tanque (kg)

CUERPO 42441.956

CUPULA 10093.01254

LARGUEROS 6528.978459

TRABES 4157.503054

COLUMNA 383.21475

Total = 63604.6648

FUERZA MAXIMA DE COMPRESIONb= (Wt ) +1.273M / D2

Wtanque M D2 b63604.6648 158793029.9 3422500 122667.7845

COMPRESION ADMISIBLE Fa = 170676000t / D

t D Fa9.53 1850 878750.76




121

Tabla 5.27 Cálculo por viento del tanque.

Tabla 5.28 Velocidad regional de diseño

Tabla 5.29 Calculo del momento de volteo por viento

Por lo tanto se observa que el tanque propuesto de 20 000 Bls, soporta las ráfagas

de vientos que predominan por la zona, y por lo tanto el tanque es el idóneo para

almacenar nafta, sin que presente algún riesgo estructural cuando se construya.

Pv = 0.048Cp (VD)

2

10º

CPC he b KS CP

0.401018551 12.192 18.5 0.974997743 0.39099218

Velocidad de diseño Presión del viento

FT Fg VR VD CP PV

0.9 0.8429 180 136.5542953 -0.3909922 -349.9613169

Momento de volteo Momento permisible

M = ( PV DMAX ( Ht )2 / 2) M < 2/3 ( W D/2)

PV Dmax H M W M

-349.9613 18.500012.773

8

-528206.448

6

2685403.0686

16559985.5900






123

5.12 Presupuesto del tanque de almacenamiento de 20 000 Bls

Como parte del procedimiento de diseño del tanque de almacenamiento se realiza un

presupuesto de los principales elementos del tanque, para determinar si el diseño

propuesto es económico o si resulta costosa su posible construcción.

PRESUPUESTO

PART CANTIDAD UNIDAD PRECIO

UNITARIO IMPORTE

1 6.7 TON $16,745.50 $112,194.85

2 4.5 TON $15,847.10 $71,311.95

3 14.2 TON $19,537.30 $277,429.64

4 43 TON $16,494.09 $709,245.78

5 10.2 TON $18,591.67 $189,634.99

6 6.7 TON $4,705.66 $31,527.92

7 4.5 TON $3,074.13 $13,833.58

8 14.2 TON $3,283.68 $46,628.21

9 63 TON $3,021.44 $190,350.78

10 10.2 TON $5,136.24 $52,389.60

11 1 PRUEBA $36,073.02 $36,073.02

12 1 PRUEBA $49,883.76 $49,883.76

13 1.5 TON $57,928.67 $86,893.00

14 60 PLACAS $400.50 $24,030.09

15 1 TANQUE $39,397.50 $39,397.50

TOTAL $1,930,824.68

Prueba hidrostática del tanque de 20,000 bls. decúpula fija, incluye las líneas provisionales para elllenado, de acuerdo a la normatividad de Pemex y alo señalado en el API-653 Pemex-Refinaciónproporciona agua.

um n s ro, m aqu a e ns a ac n e puer a e

limpieza en acero A-283-C para tanque dealmacenam iento con capacidad de 20 000 BLS.dimens ión de la puerta 48" X 48" de acuerdo aplano H-190, y lo indicado en el código API-650.Inspección radiográfica a soldaduras del tanque deacuerdo a lo indicado en el código API-ESTANDAR650, tamaño de las placas de 7X43, hasta 12 mts.de altura, incluye colocación de andamios yescaleras.Calibración volumétrica y elaboración de tablas devolumen del tanque, utilizando el método óptico y/oel método húm edo para el cálculo de las tablas, entanques atmosféricos.

Suministro, maquila y escuadrado de placa deacero al carbón A-283 Gr. C.,en placas del fondo.

De ¼" y 8´ x 20´.Suministro, maquila, rolado, escuadrado y biseladode placas de acero al carbón A-283 Gr. C., paratanque atmos férico, en la envolvente.

Suministro, maquila y escuadrado y biselado deplacas de acero al carbón A-283 Gr. C., en placasdel techo, de 3/16".

Montaje de estructuras m etálicas has ta 15 mts. dealtura con perfiles ligera has ta 12 kg/m.

dem al anterior pero con perfiles s emi-pes ada de12.01 a 60.00 kg/m.Manejo, tendido, armado, conformado, nivelado,punteo y soldadura, de placas de acero al carbónen placas del fondo.

Montaje, conformado, plom eo, nivelado, punteo y

soldadura, de placas de acero al carbón, hasta 15mts. de altura, placas de la envolvente.

Montaje, tendido, armado, conformado, nivelado,punteo y soldadura, de placas de acero al carbón,hasta 15 m ts. de altura, en placas de cúpula fija.

Prueba hidroneumática en fondo de tanque conmurete de tabique, incluye las líneas provisionalespara el llenado, Pemex-Refinación proporcionaagua.

DESCRIPCION

Suministro y fabricación de estructuras metálicas,incluye todos los herrajes necesarios , con perfilesligeros hasta 12 kg/m.

Idem al anterior pero con perfiles s emi-pes ada de12.01 a 60.00 kg/m




124

CONCLUSIÓN

Debido a la demanda de producción y deterioro de las instalaciones de la refinería

Gral. Lázaro Cárdenas, se necesitan depósitos para almacenar grandes volúmenes

de producto, que cumplan con los grados de seguridad requerida para que opereadecuadamente,

La investigación realizada tuvo como parámetro principal, resolver el problema sobre,

¿Qué deposito seria el conveniente diseñar para almacenar la nafta en buenas

condiciones y con grado de seguridad aceptable?

Relacionando, investigando y definiendo las principales características de los

diferentes depósitos de almacenamiento que existen en la industria petrolera, sepropuso con fundamento en las normas un tanque de almacenamiento de cúpula fija

con las dimensiones que se necesitan para almacenar el producto, atraves de esta

propuesta el diseño se realizo con las normas API, las NRF de Petróleos Mexicanos

y las de la comisión federal de electricidad. Siendo la API 650 la más utilizada por ser

la norma que se utiliza para diseñar los tanques cilíndricos verticales.

La hipótesis planteada al inicio de este trabajo es: “diseñar un tanque de

almacenamiento cilíndrico vertical de cúpula fija de 20 000 Bls es el adecuado para

almacenar la nafta que se origina en la Refinería Gral. Lázaro cárdenas, Minatitlán

Veracruz”. La cual con una revisión cuidadosa, proponiendo los materiales

adecuados y verificando con las normas para que no presente problema alguno en

su vida productiva, se obtuvo la afirmación de esta hipótesis, ya que el diseño

realizado y plasmado en esta trabajo indico que construir un tanque de

almacenamiento de cúpula fija, con techo tipo cónico, con un una envolvente

formada por 5 anillos de diferentes espesores que van desde 3/8” hasta ¼” y concapacidad de 20 000 Bls para almacenar la nafta, es el adecuado, seguro y

económico. Debido a que cumple con todas las recomendaciones y restricciones

especificadas, por las normas: API 650, Comisión Federal de Electricidad y las

NRF de petróleos mexicanos.




125

Por lo tanto el tanque de almacenamiento se considera viable para su construcción,

ya que el presupuesto y seguridad del tanque de almacenamiento, satisfacen las

necesidades que petróleos mexicanos requieren.

Esta tesis cumplió con los objetivos generales y objetivos particulares propuestos,pero cabe mencionar que el tanque fue diseñado de material de acero al carbón, lo

que deja abierto a realizar investigaciones futuras sobre su diseño y construcción con

diferentes materiales, así como proponer o adicionar elementos tecnológicos para

aumentar la seguridad en estos tipos de estructuras.




126

BIBLIOGRAFIA

Dictamen normativo sobre especificaciones de diseño de tanques a cargo de

petróleos mexicanos (1990) Minatitlán, Veracruz, México.

Elías Ayub, Alfredo; Aboyes García, Florencio; Moreno, Néstor; Hernández AyalaLuis Carlos, Sicilia peña Noé, (2008) Manual de diseño de obras civiles , diseño por

sismo y viento , México.

Institute American petroleum (2007) Welded Steel tank for oil storage, API 650 ,Washington, USA.

León Estrada, Juan Manuel (2001) diseño y cálculo de recipientes a presión, edit.

Alfa-omega, México

Mott, Robert L. (2006) Mecánica de fluidos , edit. Pearson educación, México

McCormac, Jack C. (2002) Diseño de estructuras de acero , edit. Alfa omega,México.

Perry, Robert H. (1995) Manual del ingeniero químico , edit. McGraw Hill, México

Suarez Salazar, Carlos (1990) Costos y tiempo en edificaciones edit.Limusa, México.

Velazco Gonzales, Carlos (2008) el ABC del analista de precios unitarios , edit.Limusa, México.






Presión atmosférica.- es la producida por el peso del aire y su valor depende de la

altura del sitio indicado sobre el nivel del mar. Generalmente tiene un valor de 14

kg/cm2.

Presión de diseño.- es la presión manométrica considerada para efectuar loscálculos de las partes constitutivas de los recipientes sometidos a presión

Presión de operación.- presión manométrica a la cual estará sometido el

tanque en condiciones normales de trabajo.

Presión de prueba.- valor de la presión manométrica que sirva para realizar la

prueba hidrostática o neumática.

Recipiente.- depósito cerrado que contiene un fluido a una presiónmanométrica diferente a la atmosférica, ya sea positiva o negativa.

Tanque.- depósito diseñado para almacenar o procesar fluidos, generalmente

a presión atmosférica o presión internas relativamente bajas.

Documents

Tesis diseño de tanque de almacenamiento