UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA POZA RICA –TUXPAN
“ANALISIS ESTRUCTURAL DE DIFERENTES TIPOS
DE JUNTAS TECHO ENVOLVENTE, SEGÚN LA
NORMA API-650 PARA TANQUES ATMOSFERICOS
DE ALMACENAMIENTODE CRUDO DE 33,000 DE
CAPASIDAD”
TESINA
PRESENTA:
ZAIDA GARCIA MORALES
PARA ACREDITAR LA MATERIA DE EXPERIENCIA
RECEPCIONAL
DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL:
M. EN C. ALEJANDRO MARQUINA CHAVEZ
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
1
POZA RICA, VER.
2010
TESINA
Dedicatorias.
A dios:
Por estar conmigo siempre, por llenarme de bendiciones en cada momento, por darme
unos excelentes padres y porque a pesar de los tropiezos siempre estuviste a mi lado para
levantarme de nuevo gracias a ti termine mi carrera. Te amo con todo mí ser.
A mi madre:
Por darme la vida, por cuidarme, por consentirme, por ser mi razón de vivir, mi motor para
luchar hoy y siempre, por la confianza… lo logramos mami por que este triunfo es de las 2
porque siempre estuviste ahí en todo momento. Te quiero mucho mamita.
A mi padre:
Por todo el apoyo que me brindaste para poder terminar mis estudios, por ser mi ejemplo a
seguir, por los valores que me has inculcado, sobre todo el amor a dios y también por
darme la oportunidad de ser parte de tu familia eso me hace muy feliz. Te quiero mucho
papi.
A Dora y Juan Manuel:
Por ser mi familia y estar siempre conmigo y con mi mama, por apoyarme siempre y
quererme así como soy. Los quiero.
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TESINA
A mis hermanas:
Por apoyarme, quererme, aceptarme y por todos los momentos que hemos pasado juntas
las quiero muchísimo. Son lo mejor!!
A mis amigos:
Gracias por su amistad incondicional, gracias por estar a mi lado durante todo este tiempo
por los buenos y los malos momentos, por los que me ayudaban a estudiar para mis
exámenes y también para los que me consolaban cuando algo salía mal. Los quiero
mucho.
A mi asesor de tesis Ing. Alejandro Marquina Chávez.
Por apoyarme a realizar este trabajo, por sus consejos y por ser una guía en este tiempo
en que curse mi carrera.
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TESINA
Agradecimientos
A TODOS LOS QUE ME APOYARON DURANTE EL TRANSCURSO DE MI CARRERA,
MI MAMI, MI PAPA Y SU FAMILIA, MI TIA DORA QUE YA ESTA EN EL CIELO QUE
SIEMPRE NOS AYUDO A MI MAMA Y A MI, A JUAN MANUEL, A MIS HERMANAS,MIS
TIAS, PRIMOS, A MIS AMIGOS, A LOS INGENIEROS DE LA FACULTA DE INGENIERIA
MECANICA ELECTRICA QUE ME APORTARON SUS CONOSIMIENTOS Y SU APOYO
PARA PODER TERMINAR MI CARRERA Y SOBRE TODO AGRADESCO A DIOS POR
DARME LA OPORTUNIDAD DE VIVIR Y PODER LOGRAR TODO ESTO.
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TESINA
ÍNDICE
CAPITULO 1 ........................................................................................................................................................8
1.1.
JUSTIFICACIÓN. ...................................................................................................................................9
1.2.
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO. ................................................................. 10
1.3.
ENUNCIACIÓN DEL TEMA. ............................................................................................................... 11
1.4.
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO. .................................................................... 12
CAPÍTULO
2 .............................................................................................................................................. 13
2.1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN. ...................................................... 14
2.2
MARCO CONTEXTUAL. ..................................................................................................................... 15
2.2.1.
ANALISIS CRITICOS DE LOS DIFERENTES ENFOQUES. ..................................................... 15
2.3
ANALISIS DE ESFUERZOS. .............................................................................................................. 16
2.3.1.
ESFUERZOS. ............................................................................................................................. 16
2.3.2.
ANALISIS Y CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS. ................................................................. 16
2.3.3.
CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS. ...................................................................................... 17
2.3.4.
CLASIFICACION DE ESFUERZOS. .......................................................................................... 19
2.4.6.1.
ESFUERZO DE TENSION................................................................................................. 20
2.4.6.2.
ESFUERZO DE COMPRESIÓN. ....................................................................................... 21
2.4.6.3.
ESFUERZO DE CIZALLADURA O CORTADURA. ........................................................... 22
2.4.6.4.
ESFUERZO DE FLEXIÓN. ................................................................................................ 22
2.4.6.5.
ESFUERZO DE TORSIÓN. ............................................................................................... 23
2.4
TEORIAS DE FALLAS. ....................................................................................................................... 24
2.4.1.
TEORIAS SOBRE LA FALLA O RUPTURA. .............................................................................. 24
2.4.2.
TEORÍA DEL ESFUERZO NORMAL MÁXIMO. ......................................................................... 25
2.4.3.
TEORIA DE LA DEFORMACION MAXIMA. ............................................................................... 25
2.4.4.
TEORIA DEL ESFUERZO CORTANTE MÁXIMO. .................................................................... 26
2.4.5.
TEORIA DE LA CEDENCIA DE VON MISES. ........................................................................... 27
2.4.6.
FALLAS POR FATIGA. ............................................................................................................... 28
2.4.8.1.
CAUSAS DE FALLA POR FATIGA. .................................................................................. 28
2.4.8.2.
METODOS PARA MEJORAR LA RESISTENCIA A LA FATIGA. ..................................... 29
2.4.7.
TIPOS DE FALLAS EN LOS MATERIALES. ............................................................................. 29
2.4.8.
TIPOS DE CARGA. .................................................................................................................... 30
2.4.8.1.
CARGA AXIAL. .................................................................................................................. 30
2.4.8.2.
CARGA DE TORSIÓN. ..................................................................................................... 31
2.4.8.3.
CARGA CÍCLICA. .............................................................................................................. 31
2.5
TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE CRUDO. ............................................................................. 32
2.6.1.
CLASIFICACIÓN DE CRUDO. ................................................................................................... 32
2.5.1.1.
LA IMPORTANCIA DEL PETROLEO. ............................................................................... 32
2.5.1.2.
DEFINICION. ..................................................................................................................... 33
2.5.1.3.
CLASIFICACIÓN. ............................................................................................................... 34
2.5.1.4.
CLASIFICACION DEL CRUDO SEGÚN SU GRAVEDAD API. ........................................ 35
2.5.1.5.
PROCESOS DE EXTRACCION DE CRUDO. ................................................................... 36
2.6.2.
CLASIFICACIÓN DE TANQUES ATMOSFÉRICOS DE ALMACENAMIENTO. ........................ 37
2.5.3.1.
CLASIFICACIÓN GENERAL. ............................................................................................ 37
2.5.3.2.
IMPORTACIA DEL ALMACENAJE DE LÍQUIDOS. .......................................................... 39
2.5.3.3.
CLASIFICACIÓN DE TANQUES ATMOSFÉRICOS DE ALMACENAMIENTO ................ 40
2.6.3.
FUNCIONAMIENTO ................................................................................................................... 42
2.5.4.1.
PRODUCCION DE PETROLEO ........................................................................................ 42
2.5.4.2.
¿COMO FUNCIONA UN TANQUE ATMOSFERICO DE ALMACENAMIENTO DE
CRUDO?
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TESINA
2.6.4.
NORMA API 650 ......................................................................................................................... 44
2.6.1.1.
OBJETIVO DE LA API 650 ................................................................................................ 44
2.6.1.2.
¿QUE ES API 650?............................................................................................................ 45
2.6
ANALISIS ESTRUCTURAL TECHO ENVOLVENTE SEGÚN LA NORMA API-650. ......................... 46
2.7.1.
TIPOS DE TECHO ..................................................................................................................... 46
2.6.2.1.
TECHO FIJO ...................................................................................................................... 46
2.6.2.2.
TECHO FLOTANTE ........................................................................................................... 47
2.7.2.
DISEÑO DEL ESPESOR DE LA PLACA DEL TECHO.............................................................. 49
2.6.2.1.
DISEÑO DEL TECHO ........................................................................................................ 49
2.6.2.2.
JUNTAS FRAGILES .......................................................................................................... 50
2.6.2.3.
ESPESORES MÍNIMOS REQUERIDOS ........................................................................... 52
2.6.2.4.
MÁXIMA RELACIÓN DE ESBELTEZ ................................................................................ 52
2.6.2.5.
COLUMNAS ....................................................................................................................... 53
2.6.2.6.
TECHOS CÓNICOS SOPORTADOS ................................................................................ 54
2.6.2.7.
TECHOS CÓNICOS AUTO SOPORTADOS ..................................................................... 56
2.6.2.8.
TECHOS CÓNICOS AUTO SOPORTADOS Y TECHO AUTOSOPORTADO TIPO
SOMBRILLA 58
2.6.2.9.
FIJACIÓN DEL ÁNGULO SUPERIOR PARA TECHOS AUTO SOPORTADOS. ............. 60
2.7.3.
ÁREA DE COMPRESIÓN REQUERIDA .................................................................................... 61
2.7.4.
JUNTA TECHO FRAJIL (FRANGIBLE-JOINT) .......................................................................... 61
2.7.5.
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE UNA JUNTA FRÁGIL ................................................. 62
2.7.6.
LIMITACIONES DE FRAGILIDAD DEL TECHO ........................................................................ 64
2.7
.DISEÑO ANALITICO Y NUMERICO .................................................................................................. 64
2.7.1.
CALCULO DE PRESIONES EN EL TANQUE ........................................................................... 64
2.7.2.
DEL AREA DE COMPRESIÓN REQUERIDA PARA LA JUNTA TECHO ENVOLVENTE
SEGÚN LA API 650 ..................................................................................................................................... 65
2.7.3.
CALCULO DE LA PRESIÓN INTERNA DE DISEÑO PRESIÓN MÁXIMA Y PRESIÓN DE
FALLA
65
CAPÍTULO
3 .............................................................................................................................................. 73
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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TESINA
Introducción.
La seguridad y la economía en un diseño son dos consideraciones por las cuales un
ingeniero debe aceptar su responsabilidad. Este debe ser capaz de calcular la intensidad
de las fuerzas internas a las que está sujeto cada elemento de una maquina o estructura y
la deformación que cada elemento experimenta durante la ejecución de su función
prevista. Entonces, al conocer las propiedades del material del cual están hechos los
elementos, el ingeniero establece el tamaño y forma más efectivos de los elementos
individuales, y los medios apropiados para conectarlos.
Uno de los problemas básicos de la ingeniería es seleccionar el material más apropiado y
dimensionarlo correctamente, de manera que la estructura o maquina proyectada trabaje
con la mayor eficacia. Por ello, es esencial determinar la resistencia, la rigidez y otras
propiedades de los materiales.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
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TESINA
CAPITULO 1
Aspectos generales sobre el análisis estructural de
diferentes tipos de juntas
techo envolvente, según la
norma
tanques
API-650
para
atmosféricos
de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
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TESINA
1.1. JUSTIFICACIÓN.
Hoy en día el desarrollo petrolero y la economía nacional ha dado un giro gracias a que
PEMEX, a través de sus alianzas con la industria, se ha posicionado como palanca del
desarrollo nacional.
Petróleos Mexicanos es un organismo descentralizado que opera en forma integrada, con
la finalidad de llevar a cabo la exploración y explotación del petróleo y demás actividades
estratégicas que constituyen la industria petrolera nacional.
Todo este alcance logrado es gracias a que Pemex ha sabido establecer sus procesos
eficientemente, pero nos preguntaremos, ¿En consisten tales procesos? , ¿En dónde? ,
¿Cómo se llevan a cabo?, las respuestas pueden ser miles, por ejemplo, ¿En qué
consisten? en la extracción de petróleo, ¿En dónde? en el subsuelo o los mares, ¿Cómo
se lleva a cabo?, por medio de procesos físicos y químicos los cuales se desarrollan en
recipientes a presión.
Los recipientes a presión es un tema muy amplio y de gran importancia pero en esta
metodología nos limitaremos al análisis estructural de las juntas techo envolvente de los
tanques de almacenamiento de crudo.
¿Por qué el análisis en la selección de juntas techo envolvente de los tanques de
almacenamiento de crudo? , la respuesta es porque este análisis nos llevara a la selección
correcta de la junta techo envolvente, se calculara la presión máxima del área de
compresión donde se encuentra la unión techo envolvente y así calcularemos la presión
de falla a la que se encontrara sometida esta misma, con este cálculo seleccionaremos la
junta indicada cual sea más resistente a la falla que se genera por la presión que provocan
los gases que produce el crudo. .
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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TESINA
1.2. NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL
TRABAJO.
En esta investigación hablaremos de las juntas techo envolvente de los tanques de
almacenamiento de crudo, ya que los recipientes a presión, como lo son los tanques
atmosféricos de almacenamiento, sufren de fallas en la junta techo envolvente debido a
los gases que se producen debido a los hidrocarburos que contiene dichos tanques.
Haremos un análisis basándonos en la norma API-650 para la construcción de tanques de
almacenamiento de crudo, en dicha norma vienen los distintos tipos de tanques
atmosféricos y las juntas a utilizarse, calcularemos la presión del tanque que se produce
en el área de compresión de las diferentes juntas techo envolvente y así podremos
seleccionar la junta que este menos propensa a la falla del tanque.
Toda esta investigación para establecer mejores procesos, que nos llevan a conocer las
normas y los reglamentos más recientes para ofrecer las mejores estrategias para los
procesos y diseños para el mejorar los equipos.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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TESINA
1.3. ENUNCIACIÓN DEL TEMA.
En nuestro país es necesario que exista una gran variedad en los procesos para la
utilización de recipientes a presión, en este tema hablaremos del el caso de
almacenamiento de petróleo crudo con la utilización de tanques de almacenamiento, estos
recipientes a presión deben tener el mejor diseño para poder brindad una excelente
calidad y mejor servicio al cliente en este caso Pemex, así evitar cualquier tipo de falla que
se pueda generar en estos recipientes y evitar accidentes que conllevan a que la empresa
sufra daños a los equipos o las trabajadores.
Por esta razón haremos un análisis de la junta techo envolvente, y saber cual será la
indicada para aguantar la máxima presión de falla en los tanques, para llegar a esta
conclusión tendremos que calcular la presión que hay en el área de la junta techo
envolvente, todo este análisis lo haremos bajo los estándares de la norma API-650, que
establece los estándares para el diseño y la construcción de tanques de almacenamiento
de crudo.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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TESINA
1.4. EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL
TRABAJO.
A continuación se muestra la información necesaria para poder sustentar la siguiente
tesina:
“ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LA JUNTA TECHO ENVOLVENTE SEGÚN LA
NORMA API.650 PARA TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE 33,000 BARRILES DE
CAPACIDAD“
Capítulo I.
Capítulo II. Muestra la metodología necesaria para poder realizar el análisis estructural
de las juntas techo envolventes basándonos en los estándares de la norma API-650.
Capítulo III. Expone las conclusiones obtenidas, la bibliografía, anexo y glosario
relacionados con el análisis desarrollado en esta tesina.
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TESINA
CAPÍTULO 2
Estudio de esfuerzos para llegar al análisis estructural de la
junta techo envolvente para tanques de almacenamiento de
crudo de 33,000 barriles basándonos en la norma API- 650.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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TESINA
2.1 PLANTEAMIENTO
INVESTIGACIÓN.
DEL
PROBLEMA
DE
LA
Se presenta esta tesina con los datos necesarios para el desarrollo de este proyecto, se
define de manera precisa la información que servirá de sustento para realizarlo.
Los temas a desarrollar son los siguientes:
 Análisis de los principales esfuerzos.
 Clasificación de los crudo.
 Tanques atmosféricos de almacenamiento de crudo.
 Clasificación de los tanques de almacenamiento.
 Estudio de la norma API-650.
 Cálculos del área de compresión de la junta techo envolvente.
 Análisis para la selección de la junta techo envolvente.
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TESINA
2.2 MARCO CONTEXTUAL.
2.2.1.
ANALISIS
ENFOQUES.
CRITICOS
DE
LOS
DIFERENTES
Petróleos mexicanos, reporto en su anuario estadístico, que la producción de petróleo
crudo para el 2005 fue de 3.333 millones de barriles diarios, de los cuales se exportaron
1.817 millones de barriles, lo que presto un ingreso de 28,311 millones de dólares en el
2005. Ahora bien en todas las instalaciones que forman parte del proceso de la extracción,
distribución y refinación de PEMEX, se requieren tanques de almacenamiento de
diferentes capacidades que van desde los 250 hasta los 200,000 barriles de crudo, en
concreto, todo el crudo que se produce, en algún momento debe ser almacenado.
En la actualidad debido a accidentes y fallas que se han presentado, específicamente en
la unión techo-envolvente en que tanques de almacenamiento menores a 15m de
diámetro, específicamente en el área de la junta frágil.
Analizaremos los diferentes perfiles para la unión techo envolvente y así saber cuál es la
más apropiada para resistir la presión que se produce en los tanques, así prevenir
accidentes y fallas.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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TESINA
2.3 ANALISIS DE ESFUERZOS.
2.3.1.
ESFUERZOS.
El esfuerzo es una función de las fuerzas internas en un cuerpo que se producen por la
aplicación de las cargas exteriores. La fuerza por unidad de área que soporta un material
se suele denominar esfuerzo en el material, y se expresa matemáticamente en la forma:
en donde es el esfuerzo o fuerza por unidad de área, p es la carga aplicada y a es el área
de sección transversal. En los términos cualitativos más simples, el esfuerzo es la
intensidad de la fuerza. Un cuerpo debe ser capaz de soportar la intensidad de una fuerza
interna; si no es así, el cuerpo puede romperse o deformarse excesivamente. La
intensidad de una fuerza (esfuerzo) es la fuerza dividida entre el área sobre la cual se
distribuye la fuerza.

2.3.2.
F
A
(1)
ANALISIS Y CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS.
En una pieza sometida a esfuerzos, si se llegan a presentar cambios abruptos en la
geometría de la pieza, se presenta una concentración de las “líneas de esfuerzo” en los
puntos donde cambia abruptamente la geometría.
Los cambios de geometría se presentan si hay:
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TESINA
Cambios de forma y tamaño de la sección
Muescas
Estrías
Raspaduras
Agujeros
Chiveteros
Marcas de herramientas
Inclusiones y defectos en el material
En estos puntos se puede calcular un factor de concentración de esfuerzos K.
K
2.3.3.
Valor mas alto del esfuerzo real en el cambio
esfuerzo no min al
(2)
CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS.
La concentración de esfuerzos se puede despreciar en los casos:
Si la carga es baja y estática.
Si la temperatura de la pieza y del ambiente es normal.
Si el material es dúctil.
En los siguientes casos si se debe considerar aplicar un factor de concentración de
esfuerzos:
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TESINA
Si el material es frágil
Si el material es dúctil a temperaturas extremas que lo hacen frágil
Si hay rápidos cambios de esfuerzos que no permitan que haya una fluencia local
Si hay esfuerzos cíclicos.
Se tiene la siguiente tabla en la cual hay criterios para aplicar o no un factor de
concentración de esfuerzo.
Tabla 1-1. Concentración de esfuerzos.
Material
Condicion de
carga
Si o No
K
Tipo de falla
Frágil
Cualquiera
Si
K
Fractura rapida
Si
K
Fractura rapida
Si
KK
Fractura rapida
Si
Kf
Falla progresiva
No
1
Ninguna
Ductil
Ductil
Ductil
Baja
temperatura
Aplicación
rapida
Ciclica
Estatica a
Ductil
temperatura
ambiente
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TESINA
2.3.4.
CLASIFICACION DE ESFUERZOS.
A continuación se presentan una gráfica donde se muestran los diferentes tipos de
esfuerzos que se analizan en el árae de ingeniería mecánica.
Figura 1. Diagrama de los tipos de esfuerzos.
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TESINA
Dependiendo de la dirección y sentido relativos entre las fuerzas actuantes y la posición
del cuerpo sobre el cual actúan, se consideran las formas de fuerzas se definirá y
analizara los tipos de esfuerzos
2.4.6.1. ESFUERZO DE TENSION.
El esfuerzo de tracción o tensión es perpendicular a la sección transversal del cuerpo.
Este tipo de esfuerzos tienden a alargar el cuerpo. Es aquel que, fijado un plano, actúa
tangente al mismo. Se suele representar con la letra griega tau . En piezas prismáticas,
las tensiones cortantes aparecen en caso de aplicación de un esfuerzo cortante o bien de
un momento torsor Véase la figura 1.. Un problema que se presenta en su cálculo se
debe a que las tensiones no se distribuyen uniformemente sobre un área, si se quiere
obtener la tensión media también se puede utilizar la ecuación 2.
Figura 2. Barra sometida a esfuerzo de tensión.
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TESINA
2.4.6.2. ESFUERZO DE COMPRESIÓN.
El esfuerzo de compresión, al igual que en el caso anterior es perpendicular a la sección
transversal del cuerpo, pero este esfuerzo tiende a acortar dicho cuerpo.
El esfuerzo de compresión es la resultante de las presiones que existe dentro de un sólido
deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reducción de volumen o
un acortamiento en determinada dirección, véase la figura 3. En general, cuando se
somete un material a un conjunto de fuerzas se produce tanto flexión, como cizallamiento
o torsión, todos estos esfuerzos conllevan la aparición de tensiones tanto de tracción como
de compresión.
En un prisma mecánico el esfuerzo de compresión puede caracterizarse más simplemente
como la fuerza que actúa sobre el material de dicho prisma, a través de una sección
transversal al eje baricéntrico, lo que tiene el efecto de acortar la pieza en la dirección de
eje baricéntrico.
Figura 3. Barra sometida a esfuerzo de compresión.
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TESINA
2.4.6.3. ESFUERZO DE CIZALLADURA O CORTADURA.
Cuando sobre el cuerpo actúan fuerzas contrarias, situadas en dos planos contiguos, que
tienden a deslizar entre sí, las secciones en que actúan.
Se produce cuando se aplican fuerzas perpendiculares a la pieza, haciendo que las
partículas del material tiendan a resbalar o desplazarse las unas sobre las otras. Al cortar
con unas tijeras un papel estamos provocando que unas partículas tiendan a deslizarse
sobre otras. Los puntos sobre los que apoyan las vigas están sometidos a cizallamiento.
2.4.6.4. ESFUERZO DE FLEXIÓN.
Cuando sobre el cuerpo actúan fuerzas que tienden a doblar el cuerpo. Esto produce un
alargamiento de unas fibras y un acortamiento de otras. Este tipo de esfuerzos se
presentan en puentes, vigas de estructuras, perfiles que se curvan en máquinas, etc.
Es una combinación de compresión y de tracción. Mientras que las fibras superiores de la
pieza sometida a un esfuerzo de flexión se alargan, las inferiores se acortan, o viceversa.
Al saltar en la tabla del trampolín de una piscina, la tabla se flexiona. También se flexiona
un panel de una estantería cuando se carga de libros o la barra donde se cuelgan las
perchas en los armarios
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TESINA
2.4.6.5. ESFUERZO DE TORSIÓN.
Las fuerzas de torsión son las que hacen que una pieza tienda a retorcerse sobre su eje
central. Este se somete a un par de torsión que es un momento que tiende a hacer girar a
un miembro con respecto a su eje longitudinal. Su efecto es de interés primordial en
diseño de ejes o flechas, como se aprecia en la figura 4.
Figura 4. Barra sometida a esfuerzo de torsión.
Y la ecuación que podemos escribir para el momento de torsión es:
 max 
Tc
J
(3)
Donde
τmáx. = esfuerzo cortante máximo.
T
= par de torsión interno resultante.
J
= momento polar de inercia.
C
= radio exterior o área de la pieza.
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TESINA
2.4 TEORIAS DE FALLAS.
2.4.1.
TEORIAS SOBRE LA FALLA O RUPTURA.
Se han propuesto diversas teorías sobre la falla, con objeto de predecir, con arreglo al
comportamiento del material en los ensayos de tensión o compresión simple, las
condiciones en que se producirá la ruptura bajo cualquier tipo de cargas combinadas. Por
ruptura se entiende aquí la falla (o fallo) del material, tanto por ruptura real como por
fluencia (lo que daría lugar a deformaciones permanentes excesivas) según sea el efecto
que ocurra antes. No se considera la falla por una desarticulación local de la estructura, o
por falta de estabilidad elástica (pandeo, o flexión lateral, en columnas).
Una prueba a tensión de un miembro sujeto a carga axial es fácil de realizar
y los
resultados son bien conocidos en el caso de muchos tipos de materiales. Cuando un
miembro como este falla, la falla se presenta con un esfuerzo principal (axial) especifico,
una deformación unitaria axial definida, un esfuerzo cortante máximo de la mitad del
esfuerzo axial y una magnitud especifica de energía de deformación por unidad de
volumen del material sujeto a esfuerzo.
Ya que todos estos límites se alcanzan
simultáneamente con una carga axial, no importa qué criterio se use (esfuerzo,
deformación unitaria o energía) para predecir la falla en otro miembro sujeto a carga axial
del mismo material.
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TESINA
2.4.2.
TEORÍA DEL ESFUERZO NORMAL MÁXIMO.
La teoría del esfuerzo máximo, propuesta por Rankin, es la más antigua y la más sencilla
de todas. se basa en la hipótesis de que la falla tiene lugar cuando el mayor de los
esfuerzos principales alcanza un valor limite, que puede ser el punto de fluencia
determinado en un ensayo de tensión simple, o el esfuerzo ultimo si el material es frágil.
La teoría no tiene en cuenta el efecto de los otros esfuerzos principales, ni el valor que
pueda alcanzar el esfuerzo cortante sobre otros planos distintos de los principales.
Bajo este criterio un material frágil fallará si en alguno de sus puntos sucede que:
 max  max(| 1 |,|  2 |,| 3 |)  u
2.4.3.
(4)
TEORIA DE LA DEFORMACION MAXIMA.
De acuerdo con esta teoría, atribuida a Saint Venant, en un material dúctil la fluencia
empieza cuando la deformación principal máxima alcanza el valor de la deformación para
la que empieza la fluencia en el ensayo de tensión simple, o cuando la deformación
principal mínima (es decir, de compresión) alcanza el valor de la deformación en el punto
de cedencia del ensayo en compresión simple.
 max 
c
E
(5)
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
25
TESINA
2.4.4.
TEORIA DEL ESFUERZO CORTANTE MÁXIMO.
También se llama teoría de Guest -Tresca, y supone que la cadencia aparece cuando el
esfuerzo cortante máximo alcanza el valor del esfuerzo cortante máximo correspondiente
al ensayo de tensión simple en el punto de cedencia. Bajo este criterio una pieza
resistente o elemento estructural falla cuando en alguno de sus puntos sucede que:
Tmax 
,
y
2
(6)
Esfuerzo de cedencia (límite elástico) del material de la pieza.
,
,
Esfuerzo de tensión (cortante máxima) del punto considerado.
Esfuerzo principal máximo y mínimo respectivamente en el en el punto
considerado.
La teoría de esfuerzo cortante máximo afirma que se inicia la fluencia siempre que, en un
elemento mecánico, el esfuerzo cortante máximo se vuelve igual al esfuerzo cortante
máximo en una probeta a tensión, cuando ese espécimen empieza a ceder.
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26
TESINA
2.4.5.
TEORIA DE LA CEDENCIA DE VON MISES.
Conocida también como teoría de la distorsión máxima, supone que la cedencia puede
ocurrir, en un estado general triaxial de esfuerzos, cuando la media cuadrática de las
diferencias entre los principales es igual al mismo valor en un ensayo a tensión simple.
Los resultados experimentales indican que, de todas estas teorías sobre la ruptura, en los
materiales dúctiles la que da resultados más adaptados a la realidad es la teoría de la
distorsión máxima de von mises; y en segundo lugar la teoría del esfuerzo cortante
máximo, en materiales frágiles, como la fundición, se prefiere en general la teoría del
esfuerzo principal máximo.
Este criterio especifica que el material cede si la energía de distorsión alcanza un valor
máximo, el cual es iguala la energía de distorsión máxima encontrada en pruebas de
tensión. Se puede demostrar que para materiales inicialmente elásticos, la energía de
deformación o distorsión es proporcional al esfuerzo de von Mises que es:
 0  (1   2 )2  ( 2   3 )2  ( 3  1)2 / 2
(7)
Donde σ1, σ2, y σ3 son los esfuerzos principales. El criterio de Von Mises alude a que
el cuerpo se comporta plásticamente cuando se alcanza la resistencia de cadencia:
0 
3

3 0
(8)
O sea, se puede ver que el esfuerzo de Von Mises es un tipo de promedio del esfuerzo.
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27
TESINA
2.4.6.
FALLAS POR FATIGA.
Las fallas por fatiga son importantes porque constituyen las principales causas simples de
defectos en los materiales metálicos. Se ha calculado que casi el 90 por ciento de las
fallas de servicio de los instrumentos mecánicos se deben a la fatiga. Dichas fallas por
fatiga se producen como fracturas frágiles, debidas a esfuerzos cíclicos que, por lo común,
están por debajo de los valores generalmente aceptados para el límite de elasticidad. Aun
cuando se han observado deslizamientos a esfuerzos inferiores al límite elástico en
especímenes sujetos a esfuerzos cíclicos, no se producen deformaciones plásticas
apreciables antes de que tenga lugar la fractura completa y, por lo tanto, no existe ninguna
señal de que vaya a producirse una falla. La naturaleza insidiosa de las fallas por fatiga se
hace más notable al tomar en consideración que, habitualmente, se producen con
esfuerzos pequeños; mucho menores que los esfuerzos estáticos necesarios para
ocasionar una falla. Los esfuerzos que causan la fatiga pueden ser axiales, flexionales,
torsionales o una combinación de ellos. Es improbable que los esfuerzos cíclicos
completamente compresivos puedan provocar fallas por fatiga.
2.4.8.1. CAUSAS DE FALLA POR FATIGA.
Se cree que las fallas por fatiga
se originan en las regiones que soportan mayores
esfuerzos, en los miembros estructurales. En materiales perfectamente homogéneos, se
inician fallas en la superficie cuando se carga el miembro por medio de torsión o flexión,
porque los esfuerzos máximos de tensión se ejercen sobre la superficie. Sin embargo, la
mayoría de las aleaciones y los metales no son homogéneos y en estos tipos de
materiales, el esfuerzo concentrado por una imperfección situada ligeramente bajo la
superficie, puede superara a los esfuerzos superficiales, de tal modo que se inicie una falla
interna; en consecuencia, cuando las cargas son flexionales o de torsión, las fallas se
inician habitualmente en la superficie o cerca de ella. Si las cargas son axiales, la
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28
TESINA
distribución de esfuerzos es uniforme sobre la sección transversal de cada miembro, y las
fallas pueden iniciarse con la misma facilidad por un defecto situado muy por debajo de la
superficie como por una imperfección que se encuentre en la superficie o cerca de ella.
2.4.8.2. METODOS PARA MEJORAR LA RESISTENCIA A LA FATIGA.
Existen numerosos métodos para aumentar la resistencia a las fallas por fatiga. Muchos
de ellos resultan evidentes, dadas las causas de las roturas o fallas por fatiga; pero hay
unos cuantos que no son tan claros. Hay cinco clasificaciones convenientes principales:
1) mejoramiento del diseño
2) mejoramiento y modificación de los métodos de elaboración
3) aumento de la resistencia por tensión
4) endurecimiento de la superficie
5) adición de esfuerzos residuales de compresión.
2.4.7.
TIPOS DE FALLAS EN LOS MATERIALES.
En este aspecto se separan los materiales en dos tipos:
Materiales frágiles: Se considera materiales frágiles a aquellos que tienen la capacidad de
fracturarse con escasa deformación
Materiales dúctiles: Se considera materiales dúctiles a aquellos que pueden deformarse
considerablemente antes de llegar a rotura
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29
TESINA
2.4.8.
TIPOS DE CARGA.
2.4.8.1. CARGA AXIAL.
La compresión pura es lo que conocemos como “carga axial”, es decir una fuerza que se
aplica a un miembro estructural exactamente en coincidencia con su centroide o eje
principal. En este caso la tendencia del elemento es a encogerse hasta fallar; es decir,
cundo se desquebraja en la dirección de los esfuerzos aplicados. Pero en la realidad, esto
nunca sucede, por dos circunstancias.
En primer lugar, porque los ejes o centriodes de la carga, y del elemento resistente nunca
coinciden, en vista de que el proceso constructivo de los elementos o de montaje de éstos,
se puede describir como bastante imperfecta. En segundo lugar, porque la un elemento
sujeto a compresión como una columna, difícilmente está solo, siempre esta interactuando
con otros elementos constructivos, que al funcionar como sistema, le transmiten esfuerzos
de flexión. El simple hecho de que los ejes de carga no coincidan, produce
necesariamente un momento de volteo, que provoca lo que conocemos como pandeo.
Aunque éste último no únicamente depende de las excentricidades de la carga respecto al
elemento resistente, sino también respecto a la relación de esbeltez del miembro. Es decir,
entre mayor sea el largo del elemento respecto a su ancho, mayor es la posibilidad de que
este elemento sufra pandeo, o lo que conocemos como pandeo local.
Figura 5. Barra sometida a una carga axial.
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30
TESINA
2.4.8.2. CARGA DE TORSIÓN.
En una barra la carga de torsión, es la energía almacenada es igual al producto del valor
medio del momento torsionante, desde cero hasta t, por el ángulo total de torsión. Medida
de la capacidad de un material para soportar una carga de giro. Es la resistencia última de
un material sometido a una carga de torsión, y es el Esfuerzo torsional máximo que un
material soporta antes de la ruptura. Sinónimos: módulo de ruptura y resistencia al corte.
Figura 6. Barra sometida a carga de torsión.
2.4.8.3. CARGA CÍCLICA.
Algunos elementos de las máquinas, normalmente ejes y resortes, están sometidos a
ciclos de carga y los esfuerzos varían continuamente. En estas piezas la falla se da por
esfuerzos menores al esfuerzo de fluencia del material, pero el cual se repite cíclicamente.
En este caso se establece el límite de fatiga del material sobre el cual aparece la falla
después de un número de ciclos de esfuerzo.
La falla se origina alrededor de una grieta minúscula en un punto de concentración de
esfuerzos, que puede ser un defecto en el material. La grieta puede ser el concentrador de
esfuerzos y crecer hasta originar la falla.
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31
TESINA
Figura 7. Diagrama de un material sometido a una carga axial.
2.5 TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE CRUDO.
2.6.1.
CLASIFICACIÓN DE CRUDO.
2.5.1.1. LA IMPORTANCIA DEL PETROLEO.
Actualmente, la humanidad necesita del petróleo, en una u otra de sus formas lo usamos
cada día en nuestra vida. Proporciona fuerza, calor, luz y sus derivados se emplean para
fabricar medicinas, fertilizantes, objetos de plástico, materiales para la construcción,
pinturas, textiles, generar energía eléctrica, lubricar maquinaria, etc. Poca gente llega a
ver la materia prima (petróleo), la cual es un líquido de origen oleoso bituminoso (color
oscuro) de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas (es una mezcla
de hidrocarburos, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre y de
oxígeno). Es, como el carbón, un combustible fósil. También recibe los nombres de
petróleo crudo, crudo petrolífero o simplemente "crudo". Las sociedades industriales
modernas lo utilizan sobre todo para lograr un grado de movilidad por tierra, mar, y aire
desde hace más de 125 años aproximadamente. Con todo ello el petróleo es la fuente de
energía más importante de la sociedad.
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32
TESINA
2.5.1.2. DEFINICION.
En la industria petrolera la palabra crudo se refiere al petróleo en su forma natural (no
refinado), tal como sale de la tierra. La palabra petróleo proviene de petro (piedra) y óleo
(aceite), o sea aceite de piedra.
Puede presentar gran variación en diversos parámetros como color, densidad, gravedad,
viscosidad, capacidad calorífica, etc. (desde amarillentos y líquidos a negros y viscosos).
Estas variaciones se deben a las diversas proporciones presentes de diferentes
hidrocarburos. Es un recurso natural no renovable, y actualmente también es la principal
fuente de energía en los países desarrollados. El petróleo líquido puede presentarse
asociado a capas de gas natural, en yacimientos que han estado enterrados durante
millones de años, cubiertos por los estratos superiores de la corteza terrestre.
El petróleo está formado por hidrocarburos, que son compuestos de hidrógeno y carbono,
en su mayoría parafinas, naftenos y aromáticos. Junto con cantidades variables de
derivados hidrocarbonados de azufre, oxígeno y nitrógeno. Cantidades variables de gas
disuelto y pequeñas proporciones de componentes metálicos. También puede contener,
sales y agua en emulsión o libre. Sus componentes útiles se obtienen por destilación
fraccionada en las refinerías de petróleo. Los componentes no deseados, como el azufre,
oxígeno, nitrógeno, metales, agua, sales, etc., se eliminan mediante procesos físicoquímicos. El número de compuestos es muy grande. La mayoría de los hidrocarburos
aislados se clasifican como:
Alcanos o "Serie de las parafinas": Son hidrocarburos saturados homólogos del metano
(CH4). Su fórmula general es CnH2n+2. Cicloalcanos o Cicloparafinas-Naftenos: Son
hidrocarburos cíclicos saturados, derivados del ciclopropano (C3H6) y del ciclohexano
(C6H12). Muchos de estos hidrocarburos contienen grupos metilo en contacto con
cadenas parafínicas ramificadas. Su fórmula general es CnH2n.
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33
TESINA
Hidrocarburos aromáticos: Son hidrocarburos cíclicos insaturados constituidos por el
benceno (C6H6) y sus homólogos. Su fórmula general es CnHn.
Alquenos u Olefinas: Son moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace doble
de carbono (-C=C-). Su fórmula general es CnH2n. Tienen terminación -"eno".
Alquinos: Son moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace triple de carbono.
Su fórmula general es: CnH2n-2. Tienen terminación -"ino".
Compuestos no hidrocarburos: Los compuestos más importantes son los sulfuros
orgánicos, los compuestos de nitrógeno y de oxígeno. También hay trazas de compuestos
metálicos, tales como el sodio (Na), hierro (Fe), níquel (Ni), vanadio (V), plomo (Pb), etc.
Asimismo se pueden encontrar trazas de porfirinas, que son especies organometálicas.
2.5.1.3. CLASIFICACIÓN.
La industria petrolera clasifica el petróleo crudo según su lugar de origen (p.e. "West
Texas Intermediate" o "Brent") y también relacionándolo con su gravedad API (American
Petroleum Institute)("ligero", "medio", "pesado", "extrapesado"); los refinadores también lo
clasifican como "dulce", que significa que contiene relativamente poco azufre, o "ácido",
que contiene mayores cantidades de azufre y, por lo tanto, se necesitarán más
operaciones de refinamiento para cumplir las especificaciones actuales de los productos
refinados.
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34
TESINA
2.5.1.4. CLASIFICACION DEL CRUDO SEGÚN SU GRAVEDAD API.
La densidad de una sustancia es definida como la masa por unidad de volumen expresada
como gr/cm3, lb/ft3, etc.
La gravedad específica de una sustancia es la relación de la densidad de una sustancia a
condiciones específicas. Las sustancias de referencia es comúnmente tomada del agua a
4ºC
donde densidad de sustancia es igual a 1000gr/cm3, esto es 62.43 lb/ft3.
Relacionándolo con su gravedad API el American Petroleum Institute) clasifica el petróleo
en "liviano", "mediano", "pesado" y "extrapesado".
Crudo liviano o ligero, es definido como el que tiene gravedades API mayores a 31,1
°API
Crudo medio o mediano, es aquel que tiene gravedades API entre 22,3 y 31,1 °API.
Crudo pesado, es definido como aquel que tiene gravedades API entre 10 y 22,3 °API.
Crudo extrapesado, es aquel que tiene gravedades API menores a 10 °API.
La gravedad API es la gravedad específica del petróleo o productos del petróleo son
expresados en términos de grados API en una escala definida por:
º API  141.5/ G  131.5
(9)
Donde G es la gravedad específica del liquido a 15.56 ºC (60ºF), con referencia al agua a
una temperatura de a 15.56 ºC (60ºF). Además de un valor de 10º API corresponden a
G= 1.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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35
TESINA
2.5.1.5. PROCESOS DE EXTRACCION DE CRUDO.
El petróleo se extrae mediante la perforación de un pozo sobre el yacimiento. Si la presión
de los fluidos es suficiente, forzará la salida natural del petróleo a través del pozo que se
conecta mediante una red de oleoductos hacia su tratamiento primario, donde se
deshidrata y estabiliza eliminando los compuestos más volátiles. Posteriormente se
transporta a refinerías o plantas de mejoramiento. Durante la vida del yacimiento, la
presión descenderá y será necesario usar otras técnicas para la extracción del petróleo.
Esas técnicas incluyen la extracción mediante bombas, la inyección de agua o la inyección
de gas, entre otras. La medida técnica y financiera del petróleo es el barril que
corresponde a la capacidad de 42 galones estadounidenses (un galón tiene 3.78541178
litros, por lo que un barril equivale a 158.98729476 litros).
Los componentes químicos del petróleo se separan y obtienen por destilación mediante un
proceso de refinamiento. De él se extraen diferentes productos, entre otros: propano,
butano, gasolina, keroseno, gasóleo, aceites lubricantes, asfaltos, carbón de coque, etc.
Todos estos productos, de baja solubilidad, se obtienen en el orden indicado, de arriba
abajo, en las torres de fraccionamiento.
Debido a la importancia fundamental para la industria manufacturera y el transporte, el
incremento del precio del petróleo puede ser responsable de grandes variaciones en las
economías locales y provoca un fuerte impacto en la economía global.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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36
TESINA
2.6.2.
CLASIFICACIÓN DE TANQUES ATMOSFÉRICOS DE
ALMACENAMIENTO.
2.5.3.1. CLASIFICACIÓN GENERAL.
Los tanques de almacenamiento están diseñados para el almacenamiento y manipulación
de grandes volúmenes de petróleo y gas, y son generalmente más grandes y
considerados como más permanentes. El almacenamiento constituye un elemento de
sumo valor en la explotación de los servicios de hidrocarburos ya que actúa como un
pulmón entre producción y/o transporte para absorber las variaciones de consumo.
En general, se pueden clasificar los tanques de almacenamiento de la siguiente manera:
VERTICALES
POSICION
APOYADOS
UBICACION
O
SUPERFICIALES
SOPORTADOS
CONICOS
AUTO
CILINDRICOS
TECHOS
SOPORTADOS
DOMO
O
PARAGUAS
FIJOS
FORMA
BAJA PRESION
CUBIERTA INTERNA FLOTANTE
TECHOS
VERTICALES
FLOTANTES
CUBIERTA SIMPLE EXTERNA
DOBLE CUBIERTA EXTERNA
Figura 8. Clasificación de los tanques de almacenamiento.
Además, los tanques se clasifican además por su tipo de techo:
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
37
TESINA
Techo cónico soportado: techo en forma de cono apoyado ya sea en largueros
sobre trabes y columnas i largueros sobre armaduras con o sin columnas.
Techo cónico autosoportado: techo que se soporta por si mismo apoyado en la
perfileria del último anillo de la envolvente y tiene forma de cono.
Techo autosoportado tipo domo: techo que se soporta asi mismo en el ultimo
anillo de la envolvente.
Techo autosoportado tipo sombrilla: es un techo tipo domo modificado en donde
cualquier sección horizontal es un polígono regular con tantos lados como caras tenga la
superficie del techo.
Techo o membrana flotante: puede ser externo o interno, diseñado de forma que le
permita flotar sobre el líquido almacenado evitando los grandes volúmenes de gases y
vapores que existan en este. Véase figura 10
Techo flotante doble cubiertas: está formado por dos cubiertas una superior y otra
interior, separadas por bordes circulares que dividen el espacio interior en una serie de
pontones concéntricos. Está diseñado para flotar en contacto con el producto almacenado.
Techo flotante interior: está formado por un techo cónico auto soportado y una
cubierta de aluminio soportada por flotadores tubulares cerrados los cuales la mantienen
por encima de la superficie del liquido.
Figura 9 Tanques de almacenamiento de hidrocarburos de techo flotante.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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38
TESINA
2.5.3.2. IMPORTACIA DEL ALMACENAJE DE LÍQUIDOS.
El almacenaje de líquidos tales como petróleo, nafta, fuel oil, diesel oil, kerosene u otros
derivados petroquímicos que se pueden conservar a presión y temperatura ambiente, se
efectúa normalmente en tanques cilíndricos de fondo plano, techo abovedado, esférico o
elipsoidal, y algunas veces flotante, a fín de evitar la acumulación de gases inflamables
dentro de los mismos, que pueden o no tener incorporado algún sistema de calefacción.
A partir de la extracción del crudo este se envía desde el pozo por medio de bombas a las
baterías de separación, para el crudo esta operación es sumamente importante, debido a
que viene mezclado o emulsionado con agua, con materias de suspensión o sales
inorgánicas entre otras que se puedan decantar debido a su peso específico. El agua
acumulada o los líquidos son drenados o purgados según su taza de acumulación.
Las baterías de separación se localizan cerca del cabezal del pozo, o en un lugar donde
es tratada la producción de varios pozos a la vez. Una batería cuenta con colector para la
entrada, en ocasiones hasta de 10, separador de gas, calentadores, tanques de
producción general y de control (medición), bombas, separadores de líquidos etc.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
39
TESINA
2.5.3.3. CLASIFICACIÓN DE TANQUES ATMOSFÉRICOS DE
ALMACENAMIENTO
Como se puede apreciar en la figura 10 existen diversos tipos de tanques atmosféricos de
almacenamiento, el tipo de tanque que se analizara en este proyecto son los de tipos
cilíndricos verticales de fondo plano y techo fijo cónico auto soportado.
Figura 10. Industrias de almacenamiento de hidrocarburos, tiene distintos tanques de
almacenamiento de crudo de techo fijo y techo flotante.
El diseño de un tanque cilíndrico vertical, operando a una presión atmosférica, consiste de
solo cuerpo, cuyo techo cónico fijo no tiene ninguna posibilidad de movimiento. El fondo
plano descansa directamente en una cimentación compuesta de arena, grava o piedra
triturada. Posee varias válvulas de venteo que permiten la salida de los vapores que están
formándose continuamente en su interior. Este sistema de válvulas es necesario, debido a
que los tanques de este tipo de techo no están preparados para soportar o resistir sobre
presiones. Se constituyen de acero, sus placas que la forman están unidas entre si por
medio de soldadura.
En la industria petrolera los tanques atmosféricos de almacenamiento se utilizan en tres
actividades que son: producción general, medición y almacenamiento.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
40
TESINA
Tanques de Medición: son utilizados para medir la cantidad de líquido que produce un
pozo sometido a prueba, su capacidad varía de 280 a 1000bls. Estos tanques tienen la
ventaja de ser fácilmente transportados a los lugares donde se requiere sin necesidad de
desamarrarse. (40m3)
Tanques de producción general: son utilizados para medir y almacenar temporalmente la
cantidad de líquidos que produce uno o varios pozos. Su capacidad varía de 1000 a 5000
bls.
Tanques de almacenamiento: se consideran como obras permanentes, debido a que su
capacidad oscila de 5,000 y 10,000 bls; lo cual hace que no se puedan transportar
armados. Este tipo de tanque recibe los líquidos de los tanques de producción general y
medición y como su nombre lo dice permite almacenar los líquidos que produce los pozos
mas tiempo que los anteriores.
Es importante mencionar que la selección de tipo de tanque dependerá de la presión de
trabajo de vapor verdadera del producto a la temperatura de almacenamiento, para
garantizar que el producto se encuentre en fase liquida y evitar las mermas perdidas de
evaporación.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
41
TESINA
2.6.3.
FUNCIONAMIENTO
2.5.4.1. PRODUCCION DE PETROLEO
Cuando un pozo terrestre ya sea terrestre o una plataforma marina está siendo perforado,
y a alcanzado la zona de yacimiento petrolero, se procede a la puesta en servicio del pozo
y por consiguiente el crudo (petróleo) es extraído. A partir de aquí, el crudo se envía
inmediatamente a una batería de separación, con la finalidad de separar gases, aceites,
agua y sólidos en suspensión que producen los pozos. Dichas baterías están formadas
por un conjunto de tanques de almacenamiento, tuberías, dispositivos y accesorios que
permiten separar, controlar, medir y almacenar temporalmente los fluidos producidos por
un pozo o un conjunto de pozos petroleros que fluyen a esta.
Figura 11. Primera etapa del refinado del petróleo que consiste en separarlo en partes.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
42
TESINA
El almacenamiento de los diferentes tipos de crudo, gases, aceites, agua y sólidos se
efectúa normalmente en tanques cilíndricos de fondo plano y techo abovedado (de 560 a
3000 barriles de capacidad), conocidos como tanques atmosféricos de almacenamiento
.
2.5.4.2. ¿COMO FUNCIONA UN TANQUE ATMOSFERICO DE
ALMACENAMIENTO DE CRUDO?
A partir de la extracción del crudo, este se envía desde el pozo por medio de baterías de
separación. Para el crudo, esta operación es suma mente importante debido a que viene
mezclado o emulsionado con agua, con materias en suspensión o sales inorgánicas entre
otras, que se puedan decantar gracias a su mayor peso específico. El agua acumulada o
los líquidos son normalmente drenados o purgados según su tasa de acumulación.
Las baterías de separación se localizan cerca del cabezal del pozo, o en un lugar donde
es tratada la producción de varios pozos a la vez. Una batería cuenta con colector para
entrada en ocasiones hasta de 10, separador de gas, calentadores tanques de producción
general y de control (medición), bombas separadores líquidos, etc.
En los tanques de producción se realiza la primera recolección y el primer procesamiento
de separación, utiliza como carga el petróleo crudo y es el primer paso en la manipulación,
previo al envío a la refinación o un sistema de procesamiento de gas. El almacenamiento
es por lo general, temporal o de corta duración, pero se debe recordar, como ya se
menciono antes, que durante este periodo el crudo, el agua y el gas natural que fluyen son
separados dando como resultado una mezcla lodosa en el interior del tanque. Ahora bien
estos tanques son recipientes cilíndricos verticales diseñados para operar a una presión
interna
aproximada o igual a la atmosférica; la presión del vapor del producto a la
temperatura máxima de almacenamiento podrá variar de 0.035 kg/cm 2 (0 a 0.5 lb/plg2)
manométricas, o sea, aproximadamente de 0.035 a 1.068 kg/cm 2 (0 a 0.5 lb/plg2) absoluta.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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43
TESINA
Figura 12 Torre de perforación de petróleo.
2.6.4.
NORMA API 650
2.6.1.1. OBJETIVO DE LA API 650
La norma API-650 se creó con fin de establecer los requisitos mínimos de seguridad que
se deben tomar en el diseño, selección de materiales, transporte, almacenaje,
construcción prueba de inspección y mantenimiento de los tanques de acero cilíndricos,
verticales soldados que descansen sobre el terreno, cerrados en su parte superior con
techo cónico fijo o flotante, que trabajen a presión atmosférica y que sean utilizados para
almacenar petróleo crudo o alguno de sus derivados.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
44
TESINA
Esta norma aplica como un conjunto de reglas de seguridad para el diseño y construcción
de tanques atmosféricos de almacenamiento, cubre la mayoría de los detalles de diseño y
construcción de tanques de almacenamiento verticales sujetos a presión atmosférica.
2.6.1.2. ¿QUE ES API 650?
En los Estados Unidos de Norteamérica y en muchos otros países del mundo,
Incluyendo el nuestro, el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, se basa en la
publicación que realiza el "Instituto Americano del Petróleo", al que esta institución designa
como "STANDAR A.P.I. 650", para tanques de almacenamiento a presión atmosférica. El
estándar A.P.I. 650 sólo cubre aquellos tanques en los cuales se almacenan fluidos
líquidos y están construidos de acero con el fondo uniformemente 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), y que no se usen para
servicios de refrigeración. También abarca los tanques en los cuales la presión interna
excede el peso de las placas del techo mas no rebasen los 18 kPa.
Este estándar cubre el diseño y cálculo de los elementos las constitutivos del tanque. En
lista de los materiales de fabricación, se sugieren secuencias en la erección del tanque,
recomendación de procedimientos de soldaduras, pruebas e inspecciones, así como
lineamientos para su operación.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
45
TESINA
2.6 ANALISIS ESTRUCTURAL TECHO ENVOLVENTE
SEGÚN LA NORMA API-650.
2.7.1.
TIPOS DE TECHO
De acuerdo al estándar API-650, clasificaremos los tanques de acuerdo al tipo de techo,
lo que nos proporcionará el servicio recomendable para éstos.
Los tipos de techos y estructuras soportantes deberán ser diseñados para soportar una
carga muerta y la carga viva uniforme del área proyectada de un tanque de
almacenamiento de crudo. Hay dos tipos de techos para tanques de almacenamiento de
los que se hablara en este capítulo que son techo fijo y techo flotante.
2.6.2.1. TECHO FIJO
Es Aquel que puede tener techo auto soportado o por columnas, la superficie del techo
puede tener forma de domo o cono. El Tanque opera con un espacio para los
vapores, el cual cambia cuando varía el nivel de los líquidos.
Este tipo de tanque es usado para almacenar líquidos en razón a que no es exigido.
Es el tipo más común, el de techo cónico y las dimensiones de estos tanques pueden
llegar hasta 76.2m (250 ft) en diámetro y 19.5m (64 ft) de altura; cuando el diámetro del
tanque es grande los techos se soportan por medio de una estructura interna.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
46
TESINA
Se emplean para contener productos no volátiles o de bajo contenido de ligeros (no
inflamables) como son: agua, diesel, asfalto, petróleo crudo, etc. Debido a que al disminuir
la columna del fluido, se va generando una cámara de aire que facilita la evaporación del
fluído, lo que es altamente peligroso.
Los techos fijos se clasifican en:
- Techos auto soportados.
- Techos soportados
Figura 13. Tanque de almacenamiento de techo fijo
2.6.2.2. TECHO FLOTANTE
El tanque de techo flotante es otro de los tipos más comunes de tanques atmosféricos.
Estos tanques se usan para reducir al mínimo las perdidas por evaporación ya sea
mantenimiento constante o eliminando el espacio de vapor por encima del liquido
almacenado, la envolvente y el fondo de este tipo de tanque son construidos en forma
similar a las de un tanque de techo cónico. El techo como su nombre lo indica, está
diseñado para flotar en la superficie del líquido almacenado.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
47
TESINA
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, además de proporcionar un medio aislante para la
superficie del líquido, reducir 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 (su evaporación), y consecuentemente, la contaminación del ambiente
y, al mismo tiempo se reducen los riesgos al almacenar productos inflamables.
El techo flotante puede ser interno (existe un techo fijo colocado en el tanque) o externo
(se encuentra a cielo abierto). En cualquier caso, entre la membrana y la envolvente del
tanque, debe existir un sello. también se puede decir que no están en contacto directo con
la radiación solar y precipitaciones pluviales, debido a que el tanque cuenta con un techo
fijo, que protege al flotante; y los techos flotantes externos, los cuales se denominan así
porque no cuentan con un techo fijo, por lo que este se encontrará en contacto con el
medio ambiente.
Las ventajas que presenta el domo con respecto a un techo convencional son:
•Es un techo auto portante, es decir, no necesita columnas que lo sostenga. Esto evita el
tener que perforar la membrana.
•Se construye en aluminio, lo cual lo hace más liviano.
•Se construyen en el suelo y se montan armados mediante una grúa, evitando trabajos
riesgosos en altura.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
48
TESINA
Figura 14. Tanque techo flotante
2.7.2.
DISEÑO DEL ESPESOR DE LA PLACA DEL TECHO
2.6.2.1. DISEÑO DEL TECHO
Los techos y las estructuras de los tanques, se diseñan para soportar su propio peso
(carga muerta), más una carga viva uniforme sobre su área proyectada, no menor de 1,2
MPa (25 lb/ft2).
Las placas deben tener un espesor mínimo nominal de 5 mm (3/16 plg) o ser de lámina
calibre 7. Cualquier tolerancia requerida por corrosión para las placas del techo cónico
autosoportado se debe agregar al espesor calculado. Cualquier tolerancia por corrosión
para techos soportados se debe agregar al espesor mínimo nominal. Las placas de los
techos cónicos soportados no deben estar sujetas a los miembros del soporte.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
49
TESINA
Todos los elementos estructurales ya sean internos o externos, deben tener un espesor
mínimo nominal de 4mm (0,17 pulg) en cualquier componente, y dependiendo del medio
ambiente y/o del producto de almacene.
Las placas del techo deben ser fijadas al ángulo de coronamiento del tanque con un filete
continuo de soldadura, este filete se colocara antes del eje neutro del ángulo. Sus placas
deben reforzarse por medio de perfiles soldados a las mismas, pero no deben fijarse a las
trabes y/o travesaños.
En esta norma de referencia no se cubren todos los detalles de diseño de los techos, por
lo que se debe asegurar el uso de una práctica de diseño que proporcione confianza y
seguridad. Los techos diseñados bajo estas condiciones deben ser revisados por
estabilidad.
2.6.2.2. JUNTAS FRAGILES
La unión del techo-envolvente se considera frágil (referido para los requerimientos de
ventilación de emergencia) si la junta techo-envolvente falla antes que la del fondoenvolvente en el evento cuando la presión interna es excesiva. Cuando se especifique un
tanque con junta frágil, el diseño del tanque debe cumplir con todo lo siguiente:
Diámetro del tanque debe ser de 15,25 m (50 ft) o mayor.
Su inclinación del ángulo de coronamiento del techo no debe exceder de la relación
El ángulo superior es fijado al techo con un filete simple continuo de soldadura que no
exceda de 5 mm (3/16 pulg).
La membrana de soporte del techo no debe estar unida a la placa del techo.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
50
TESINA
La unión del techo con el ángulo superior del anillo de compresión, está limitado a los
detalles
El ángulo superior puede ser menor a los requeridos en el numeral.
Todos los miembros en la región de la junta envolvente-techo, incluyendo los anillos de
aislamiento (en caso de que se requieran) son considerados que contribuyen a el área de
la sección transversal (A).
El área de sección transversal (A) de la junta envolvente-techo, es menor que el límite
mostrado abajo:
En unidades S.I.,
A
W
1390 tang
(10)
En unidades U.S.,
A
W
201000tang
(11)
Donde:
ө = Ángulo entre el techo y un plano horizontal de la junta envolvente-techo (en grados).
W = Peso total de la envolvente y cualquier estructura soportada por la envolvente y techo
(sin considerar el peso del techo) en S.I. (N), U.S. (lb*f).
A = Área resistente a la fuerza de compresión en S.I. (mm2), U.S. (pulg2).
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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51
TESINA
2.6.2.3. ESPESORES MÍNIMOS REQUERIDOS.
El espesor mínimo del miembro estructural incluyendo su corrosión permisible sobre el
lado o lados expuestos, no debe ser menor que 6 mm (1/4 pulg); estos son: columnas,
ángulos atirantadores, vigas, las cuales por su diseño normalmente resisten fuerzas
axiales de compresión y 4 mm (0,17 pulg) para cualquier otro miembro estructural.
2.6.2.4. MÁXIMA RELACIÓN DE ESBELTEZ.
Para columnas, la relación de esbeltez l/rc no debe exceder su valor de 180. Para otros
miembros a compresión, el valor de l/r no debe exceder de 200 y para todos los demás
miembros, excepto os tensores, debido a que el diseño se fundamenta sobre fuerza de
tensión, el valor l/r no debe exceder de 300.
Donde:
l = Longitud libre, mm (pulg).
rc = Mínimo radio de giro de la columna, mm (pulg).
r = Radio de giro que gobierna, mm (pulg).
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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52
TESINA
2.6.2.5. COLUMNAS
Cuando no se especifique cargas laterales sobre las columnas y la columna no esté
considerada por la especificación como un elemento esbelto, la siguiente ecuación para el
límite de compresión puede ser usada en lugar de las ecuaciones de la especificación
cuando l/r excede de 120 y el esfuerzo de cedencia de la columna (FY) es menor que o
igual a 248,2 MPa (36000 lbf / pulg2).
Cuando l/r es menor que o igual a Cc:
 
2

I

r 
1  2C 2  FY
c 


   
I
I
5 3 r

 r3
3 8CC
8CC
Fa 
I 

1,6  200r 
3
(12)
Donde
CC 
2 2 E
FY
(13)
Cuando l/r excede Cc :


 12 2 E 

2
 23 I r 
Fa 
1 

1,6  200r 
 
(14)
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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TESINA
Donde:
Fa = Esfuerzo a la compresión permisible, MPa (lbf/pulg2).
FY = Esfuerzo de cedencia del material, MPa (lbf/pulg2).
E = Modulo de elasticidad, MPa (lbf/pulg2).
L = Longitud libre de la columna, mm (pulg).
r = Mínimo radio de giro de la columna, mm (pulg).
2.6.2.6. TECHOS CÓNICOS SOPORTADOS
La pendiente mínima de los techos cónicos soportados, debe ser de 19 mm en 305 mm
(3/4 pulg en 12 pulg). Si las vigas se apoyan directamente sobre el patín de las trabes,
originando una pequeña variación en la pendiente de la viga, la pendiente del patín de la
viga debe ser ajustada conforme lo ordenado para la pendiente del techo.
Los miembros de los soportes principales incluyendo aquellos que soportan las vigas,
pueden ser laminados o en secciones fabricadas o armadas. Aunque estos elementos
pueden estar en contacto con las placas del techo, la compresión del patín de un elemento
o la cuerda de un tirante no debe ser considerada como soporte lateral de las placas del
techo y debe ser atiesado lateralmente si es necesario, por otros métodos aceptables.
Los esfuerzos permisibles en estos elementos deben ser los indicados en el numeral.
Elementos estructurales que sirven como vigas pueden ser rolados o en secciones
fabricadas, pero en todos los casos deben ser conforme al numeral 8.1.2.6 listados a; c y
g. Las vigas deben ser diseñadas para soportar la carga muerta de los largueros y las
placas del techo con el patín de compresión del travesaño, este no debe ser considerado
como soporte lateral de las placas del techo y debe ser atiesado lateralmente si es
necesario, (ver lo descrito anteriormente). Cuando se consideren cargas muertas y vivas
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
54
TESINA
adicionales, las vigas que estén en contacto directo con las placas del techo aplican la
distribución de carga dentro de la misma, puede
considerarse que reciben un soporte
lateral debido a la fricción entre las placas de techo y los patines a compresión de las
vigas, con las siguientes excepciones:
Armaduras y trabes despatinadas unidas por el alma y usadas como vigas.
Vigas con una altura nominal mayor que 375 mm (15 pulg).
Vigas con una pendiente mayor que 50 mm en 305 mm (2 pulg en 12 pulg).
Sus vigas deben estar espaciadas de tal forma que la distancia entre sus ejes sea de 0,6
π m (2 π ft) sobre el anillo exterior, medido sobre la circunferencia del tanque. Su
espaciamiento sobre los anillos interiores es de 1,7 m (5,5 ft) como máximo. Cuando se
especifique que los tanques están en área sísmica, se deben colocar tensores de 19 mm
(3/4 pulg) de diámetro (o su equivalente) los cuales deben ser localizados entre las vigas
en el exterior de los anillos. Estos tensores pueden ser eliminados si se usan vigas de
perfil tipo “I” o ”H”.
Las columnas deben ser hechas de formas estructurales, o puede ser usado tubo de acero
sujeto a aprobación. Cuando un tubo es usado como columna, este debe ser sellado por
ambos lados, o se debe suministrar un drenaje y venteo, al drenaje se le debe colocarle un
cople roscado con tapón macho de DN 25 (NPS 1).
Las grapas para la última hilera de travesaños deben ser soldadas a la envolvente del
tanque. Las grapas guía de la base de la columna se deben soldadar al fondo del tanque
para prevenir movimientos laterales de la base de la columna y de ninguna manera la
base de la columna se debe soldar a las placas del fondo o a las guías.
Todos los demás accesorios deben ser atornillados, remachados o soldados.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
55
TESINA
2.6.2.7. TECHOS CÓNICOS AUTO SOPORTADOS
Debe cumplir con los siguientes requerimientos:
En Unidades S.I.
minimoespesor 
D
4,8 sen
T
 5mm
2, 2
(15)
Máximo espesor = 12,7 mm, excluyendo la corrosión permisible.
En unidades U.S.
minimoespesor 
D
400 sen
T 3
 16 mm
45
(16)
Máximo espesor = 1/2 pulg, excluyendo la corrosión permisible.
Donde:
Ө = Ángulo de los elementos del cono con respecto a la horizontal, en grados.
D = Diámetro nominal de la envolvente del tanque en S.I. (mm), U.S. (pie).
T = La mayor de la combinación de las cargas S.I.(kPa); U.S. (lb/pie2) de las siguientes
ecuaciones.
DL   L, oS   0, 4Pe
(17)
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
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TESINA
DL  Pe  0, 4  L, oS 
(18)
Donde:
DL = Cargas muertas.
Lr = Cargas viva mínima en el techo.
S = Nieve.
Pe = Presión externa de diseño.
Participación del área en la junta envolvente-techo será determinado usando la Figura
8.23 y es igual o excederá lo siguiente:
En unidades S.I.
D2
 T 
0, 432sen  2, 2 
(19)
D2
T 
3000sen  45 
(20)
En unidades U.S.
Donde:
Ө = Angulo de los elementos del cono con respecto a la horizontal, en grados.
D = Diámetro nominal de la envolvente del tanque en S.I. (mm), U.S. (pie).
T = La mayor de la combinación de las cargas S.I. (kPa); U.S. (lb/pie2) de las siguientes
ecuaciones.
DL   L, oS   0, 4Pe
(21)
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
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TESINA
DL  Pe  0, 4  L, oS 
(22)
Donde:
DL = Cargas muertas.
Lr = Cargas viva mínima en el techo.
S = Nieve.
Pe = Presión externa de diseño.
El área calculada de las expresiones arriba indicada está basada sobre el espesor nominal
del material menos cualquier corrosión permisible.
2.6.2.8. TECHOS CÓNICOS AUTO SOPORTADOS Y TECHO
AUTOSOPORTADO TIPO SOMBRILLA
Deben cumplir los siguientes requerimientos:
Radio mínimo = 0,8 D
Radio máximo = 1,2 D.
En unidades S.I.
minimoespesor 
rr
T
 C  5mm
2, 4 2, 2
(23)
Máximo espesor = 13 mm excluyendo la corrosión permisible.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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TESINA
En unidades U.S.
minimoespesor 
rr
T
 C  316 mm
200 45
(24)
Máximo espesor = ½ pulg excluyendo la corrosión permisible.
Donde:
D = Diámetro nominal de la envolvente del tanque en S.I. (m), en U.S. (pie).
rr = Radio del techo en S.I. (m), en U.S. (pie).
T = La mayor de la combinación de las cargas S.I. (kPa); U.S. (lb/pie2) de las siguientes
ecuaciones
DL   L, oS   0, 4Pe
(25)
DL  Pe  0, 4  L, oS 
(26)
Donde:
DL = Cargas muertas.
Lr = Cargas viva mínima en el techo.
S = Nieve.
Pe = Presión externa de diseño.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
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TESINA
Participación del área en la junta envolvente-techo será determinada usando la Figura
8.23 y es igual o excederá lo siguiente:
En unidades S.I.
Drr  T 
0, 216  2, 2 
(27)
Drr  T 
1500  45 
(28)
En unidades U.S.
Su área calculada de las expresiones arriba indicadas está basada sobre el espesor
nominal del material menos la corrosión permisible.
2.6.2.9. FIJACIÓN DEL ÁNGULO SUPERIOR PARA TECHOS AUTO
SOPORTADOS.
Sus secciones deben unirse con soldadura a tope de penetración y fusión completas. No
es necesario aplicar los factores de eficiencia de junta.
Sus orillas de las placas del techo ya sean cónicos, de sombrilla o domo, pueden doblarse
para formar una brida que descanse sobre el ángulo superior para mejorar las condiciones
de la soldadura.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
60
TESINA
2.7.3.
ÁREA DE COMPRESIÓN REQUERIDA
Mostraremos la fórmula para calcular el área de compresión de la junta techo envolvente.
A
D2 ( P  8t )
30800 (tang )
(29)
Donde:
T= espesor nominal de la placa del techo (pulg)
P= presión interna del diseño
A= área del ángulo o refuerzo superior mas las áreas de la envolvente y del techo
Θ= Angulo entre el techo y el plano horizontal en grados
D= diámetro del tanque
2.7.4.
JUNTA TECHO FRAJIL (FRANGIBLE-JOINT)
En tanques de techo fijo con la unión entre el techo y la envolvente débil (soldadura
sencilla de filete con tamaño máximo de 5 mm 3/16 pulg , dicha unión fallará antes de que
fallen otras juntas y la sobrepresión se relevará si la capacidad normal de venteo es
insuficiente. En tanques fabricados bajo estas especificaciones, no es necesario
suministrar ningún venteo de emergencia adicional.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
61
TESINA
2.7.5.
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE UNA JUNTA
FRÁGIL
Los detalles de la unión techo envolvente se harán conforme a la siguiente figura, la zona
en la que participe resistir la fuerza de compresión es la que esta sombreada con líneas
diagonales.
La presión de diseño, para el tanque o sus detalles de diseño establecidos se pueden
calcular mediante la siguiente ecuación:
P
1.1 A (tan )  0.08th
D2
(30)
P= presión de diseño interior (Kpa)
A= área de resistencia a la fuerza de compresión ilustrada en la figura
Θ= angulo entre el techo y el plano horizontal en la unión techo envolvente en grados
tanΘ= indicación de la cubierta expresado en una cantidad de desimales
D= diámetro del tanque (m)
Th= espesor nominal de techo
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
62
TESINA
Figura 15 Detalles admisibles de las juntas de compresión
Donde:
Ta= espesor del ángulo de la pierna
Tb= espesor de la barra
Tc= espesor de la placa envolvente
Th= espesor de la placa del techo
Ts=espesor de la placa gruesa de la envolvente
Wc= máximo de participación de la envolvente 6.6 (Rc.ts) 0.5
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
63
TESINA
Wh= ancho máximo de participación del techo
Rc= radio interior del tanque
R2= longitud de la cubierta media desde la línea central vertical del tanque
2.7.6.
LIMITACIONES DE FRAGILIDAD DEL TECHO
Para calcular las limitaciones de fragilidad de un techo tenemos que calcular la presión en
el área de compresión de la junta techo envolvente y así podremos determinar que junta
es la más resistente a utilizar para que no falle debido a la presión.
La falla de esta junta indica que ocurre cuando el límite elástico del material se extiende
sobre el área del anillo de compresión.
La sobre presión en los techos de poca pendiente generalmente provoca la falla en la
junta frágil.
2.7 .DISEÑO ANALITICO Y NUMERICO
2.7.1.
CALCULO DE PRESIONES EN EL TANQUE
A continuación se hará el cálculo del área de compresión y las presiones requeridas para
el tanque de almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad, según los
diferentes perfiles a utilizar según la norma API-650 y comparar los resultados para tomar
la decisión de que perfil es que soporta una mayor presión de falla según el cálculo
analítico y numérico que se hará a continuación.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
64
TESINA
2.7.2.
DEL AREA DE COMPRESIÓN REQUERIDA PARA LA
JUNTA TECHO ENVOLVENTE SEGÚN LA API 650
2.7.3.
CALCULO DE LA PRESIÓN INTERNA DE DISEÑO
PRESIÓN MÁXIMA Y PRESIÓN DE FALLA
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
65
TESINA
Con el valor del espesor de las placas de la envolvente se procede
álculo
al c del Área de
compresion requerida para la Junta Techo - Envolvente(API 650). conocido el espesor de la
Envolvente.
Ht  10.97m  10.97Longitud
, altura total del Tanque.
6
D  9.2m  9.2 Longitud
, diámetro nominal del Tanque.
ta  6mm  0.006Longitud
, espesor del patín del ángulo.
tc  8mm  0.008Longitud
th  6mm  0.006Longitud
p  1atm
  489
3
, espesor de la placa del techo.
3
 7833.029Longitud
Para los valores encontrados el perfil más
adecuado
es el L 64 x 64 x 6 mm y sus datos
particulares son:
Masa
ft
  7833
3
kPa  10 Pa
, espesor de la placa de la envolvente.
, presión interna del Tanque.
lb
MPa  10 Pa
2
Ap  0.902in
kg
3
, peso específico del acero
m
Paso I. Calcular el peso de los componentes del Tanque.
Peso del cuerpo (envolvente) del Tanque, sin accesorios:
Ae 
2
2
 
D  D  2 tc 


4
2
 0.231Longitud
2
Ae  0.231m
Ve  Ae Ht
3
Ve  2.534m
Wenvolvente  Ve 
Wenvolvente  19851kg
Peso Techo del Tanque con Accsesorios:
primero, se calcula el peso del techo sin accesorios
At 
2
 D
4
2
At  66.476m
Vt  At th
3
Vt  0.399m
Wt  Vt 
W  3124kg
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techot envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
66
TESINA
segundo, se calcula el peso de las boquillas del techo, (vease plano tesis 1).
Peso de la Boquilla "C":
Peso de la Boquilla "D":
d1c  279mm
h1c  6mm
d1d  457mm
h1d  6mm
d2c  229mm
h2c  172mm
d2d  243mm
h2d  172mm
d3c  118mm
h3c  33mm
d3d  225mm
h3d  33mm
d4c  114.3mm
vol1c 

4

d4d  219mm

2

4

3
vol1d  745613.034mm

2
 d2c  d4c h3c
6
3
vol2 c  1.021  10 mm
vol3 c 

4


2
2
2
 d1d  d3d h1d
3

2

vol1d 
vol1c  119694.68mm
vol2c 

4

2
 d1c  d2c h1c
2
 d3c  d4c h2c
3
vol2d 

4


2
2
 d2d  d4d h3d
3
vol2 d  287380.33mm
vol3 d 

4


2
2
 d3d  d4d h2d
3
vol3 c  116109.903mm

vol3 d  359875.722mm

volc  vol1c  vol2c  vol3c
vold  vol1d  vol2d  vol3d
volc  1.256  10 mm
6
3
vold  1.393  10 mm
6
Peso de la Boquilla "G":
Peso de la Boquilla "I":
d1g  1165mm
h1g  6mm
d1i  178mm
h1i  6mm
d2g  625mm
h2g  224mm
d2i  64mm
h2i  38mm
d3g  610mm
h3g  6mm
d3i  152mm
h3i  160mm
d4g  742mm
vol1g 

4

3
d4i  60mm

2
2
 d1g  d2g h1g
3
vol1g  4554995mm
vol1i 

4


2
2
 d1i  d2i h1i
3
vol1i  130005mm
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
67
TESINA
vol2g 

4


2
2
 d2g  d3g h2g
3

2
2
 d3i  d4i h2i
vol2i  582099mm
 2
4


4

3
vol2g  3259088mm
vol3 g 
vol2i 
 d4g h3g
vol3 i 
3

4


2
2
 d2i  d4i h3i
3
vol3g  2594472mm
vol3i  62329mm
volg  vol1g  vol2g  vol3g
voli  vol1i  vol2i  vol3i
3
3
volg  10408555mm

voli  774434mm
Peso de la Boquilla "J":
Peso de la Boquilla "K":
d1j  229mm
h1j  6mm
d1k  381mm
h1k  6mm
d2j  92mm
h2j  38mm
d2k  171mm
h2k  38mm
d3j  191mm
h3j  150mm
d3k  279mm
h3k  170mm
d4j  89mm
vol1j 

4

d4k  168mm

2
2
 d1j  d2j h1j
3

4

2
 d3j  d4j h2j
3

4


2
2
vol2k 

4


2
2
 d3k  d4k h2k
vol2k  1480826mm

2

 d1k  d2k h1k
3
vol2j  852377mm
vol3j 
4
vol1 k  546260mm

2

3
vol1 j  207237mm
vol2j 
vol1k 
2
 d2j  d4j h3j
3
vol3k 

4


2
2
 d2k  d4k h3k
3
vol3j  63971mm
vol3k  135787mm
volj  vol1j  vol2j  vol3j
volk  vol1k  vol2k  vol3k
3
volj  1123584mm
3
volk  2162873mm
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
68
TESINA
Con los volumenes de todos las Boquillas del techo del Tanque, se suman y se calcula el peso de
los accesorios del Techo:
voltot  volc  vold  volg  voli  volj  volk
3
voltot  0.017m
Wacc  voltot 
Wacc  134kg
Sumando el peso anterior con el valor del peso del techo resulta en:
Wtecho  Wt  Wacc
Wtecho  3258kg
Por lo que el peso del Tanque sera de::
Wtanque  Wtecho  Wenvolvente
Wtanque  23110kg
CALCULO DEL AREA DE COMPRESIÓN,
DETALLE B
Paso II. Calcular el ancho efectivo de la envolvente
Wc
en el anillo superior.
Se calcula el radio interno del tanque:
D
2
Rc  4600mm
Rc 
Posteriormente, se calcula Wc:
Wc  0.6  Rc tc  0.115Longitud
Wc  4.531in
Wc  115.1mm
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
69
TESINA
Paso III. Calcular el radio de Giro de la normal del Techo
R2 , medida desde el centro de
linea vertical del Tanque.
Primero, se calcula la pendiente del techo en grados (para efecto de drenaje), siendo esta de 3/4
pulg por cada pie de longitud.
1
x 
16
  atan( x)
  3.58deg
Posteriormente, se calcula R
2
R2 
Rc
sin(  )
R2  73744mm
Paso IV. Calcular la longitud efectiva del Techo
Wh , medida desde el centro de linea vertical
del Tanque.
Wh  0.3  R2 th
Wh  200mm
o 300 mm (12 in), lo que valga menos.
Paso V. Calcular el Area de compresión comp
(A ), debido la Presión ejercida dentro del
Tanque.
El area de sección transversal del ángulo superior, en pulgadas cuadradas, más las áreas de sección
transversal de las placas del caso y el techo dentro de una distancia de 16 veces sus espesores,
medidas a partir de su punto de sujección más remtto al ángulo superior, debera ser:
2
Aperfil  .1.31in
Atecho  Wh th 16
2
Atecho  29.694in
Apared  Wc tc 16
2
Apared  22.836in
Acomp  Aperfil  Atecho  Apared
2
Acomp  83.529in
2
Acomp  53889.878mm
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
70
TESINA
Paso I. Con los valores anteriormente calculados para el Area, se puede calcular Presión
Interna de DiseñoP(i):
 y  205MPa
   23 
 d   y 
 
lbf
  8
3
in
 d  136.67MPa
 d  Acomptan (  )
   th
2
D


Pi  
Pi  2.68psi
Pi  18.47kPa
Paso II. Con el valor de la Presión de Diseño, podremos encontrar teoricamente la presión
de Falla P
( f).
  4.8
lbf
3
Pf  1.6 Pi    th
in
Pf  3.15psi
Pf  21.73kPa
Paso III. Por lo tanto, la presíon máxima
Pmax
( )que se sugiere de operación es:
Pmax  0.8 Pf
Pmax  2.521psi
Pmax  17.38kPa
 Pmax D 

 2tc 
 3  
 3  9.996MPa
 Pi D 

 2tc 
 Pf D 

 2tc 
 1  
 2  
 1  10.619MPa
 2  12.495MPa
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
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TESINA
Pi  0.188
kgf
o  0.035
2
cm
kgf
2
cm
kgf
Pmax  0.177
2
cm
Pf  0.222
kgf
n  1.068
kgf
2
cm
o  0.498psi
n  15.191psi
o  3.432kPa
n  104.735kPa
2
cm
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
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TESINA
CAPÍTULO 3
CONCLUSIONES
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
73
TESINA
3.1. CONCLUSIONES:
En la siguiente tabla se ven las presiones correspondientes al tanque de almacenamiento
de crudo analizado de 33,000 barriles de capacidad, estas varían dependiendo el perfil de
la unión techo envolvente de la junta frágil que se haya seleccionado, anterior mente
hicimos el cálculo del perfil B, como ejemplo ya que los cálculos de los demás perfiles son
similares a este solo cambia el área del perfil, y esta se deduce mediante la forma del
perfil (véase la figura….)
Para elegir cual perfil es el adecuado para resistir la presión de falla y la presión máxima y
así evitar pérdidas y accidentes nos basaremos en la siguiente tabla de resultados, para la
elección de dicho perfil también tomaremos en cuenta la cantidad de material y el mejor
diseño ya que en la actualidad se buscan los mejores costos de producción.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de capacidad
74
TESINA
Detalles del perfil
Espesor de
Angulo
Esp. de
Máximo de
Ancho
la placa de
(°)
placa
participaci
máximo
del
ón
participació
techo
envolvente
n del techo
(th)
(Wc) (mm)
(Wh) (mm)
la
pared
(tc) (mm)
de
la
Área
de
de
Presión
compresión
interna
de
(mm)
diseño
(Pi)
Presión
Presión
de falla
máxima
(kpa)
(kpa)
(kpa)
(mm)
8
3.58
6
1151
200
46147.95
17.69
20.48
16.38
8
3.58
6
1151
200
53889.87
18.47
21.73
17.38
8
3.58
6
1151
200
34465.91
16.51
18.59
14.88
A
B
C
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de
capacidad
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TESINA
8
3.58
6
1151
200
34273.91
16.49
18.56
14.85
8
3.58
6
1151
200
33889.91
16.45
18.5
14.80
8
3.58
6
1151
200
35431.85
16.61
18.75
15
8
3.58
6
1151
200
34273.91
16.49
18.56
14.85
8
3.58
6
1151
399
53047.04
18.03
21.59
17.28
D
E
F
G
H
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de
capacidad
76
TESINA
16
3.58
6
1151
200
73085.79
20.41
24.83
19.86
I
Basándonos en la siguiente tabla podemos observar los resultados del análisis de las juntas techo envolventes. Se ven los
resultados del área de compresión requerida, de la presión de diseño, presión máxima y presión de falla. Se observa que el
perfil I es el que tiene un área de compresión mayor espacio para las presiones que se efectúan dentro del tanque, pero,
también hay que observar que la placa de la envolvente que se utiliza es el doble de gruesa que en los demás perfiles.
Después podemos continuar con el perfil B que después del I es el tiene una mayor área de compresión, este perfil tiene un
diseño el cual ayudara a la estructura del tanque a tener un mayor soporte y así aguantar una mayor presión antes de llegar a
la presión de falla, este perfil tiene un mayor soporte por su diseño ya que se ocupa la misma cantidad de material que en los
demás casos (acepto por el caso I). asi que en este analis recomendamos la junta techo envolvente para tanques de
almacenamiento de crudo que es el detalle B por la mayor resistencia a la presión de falla.
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de almacenamiento de crudo de 33,000 barriles de
capacidad
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TESINA
3.2 ANEXOS


ANEXO A
Planos de tanque de almacenamiento de 33,000 barriles de capacidad.
ANEXO B
Apéndice F de la norma api-650
Análisis estructural de diferentes tipos de juntas techo envolvente, según la norma api 650 para tanques atmosféricos de
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3.3. BIBLIOGRAFIA



NORMA API-650
MANUAL DEL INGENIERO MECANICO 9° EDICION Mc GRAW HILL
MECANICA DE MATERIALES R.C. HIBBELER
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