selecc bombas y diseño de tanques p plantas de proceso

7/26/2019 Selecc Bombas y Diseño de Tanques p Plantas de Proceso

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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

SELECCIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS Y DISEÑO DE TANQUES

ATMOSFÉRICOS PARA PLANTAS DE PROCESOS EN EMPRESAS Y&V

Por:

Adriana Carolina Rodríguez Urribarrí

INFORME DE PASANTÍA

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Septiembre de 2008





COORDINACIÓN DE INGENIERIA MECÁNICA

SELECCIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS Y DISEÑO DE TANQUESATMOSFÉRICOS PARA PLANTAS DE PROCESOS EN EMPRESAS Y&V

Por:

Adriana Carolina Rodríguez Urribarrí

Realizado con la asesoría de:

Tutor Académico: Ing. Carlos Graciano

Tutor Industrial: Ing. Thais Mesones

INFORME DE PASANTÍA

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Septiembre de 2008



ACTA DE EVALUACIÓN



iv



COORDINACIÓN DE INGENIERIA MECÁNICA

SELECCIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS Y DISEÑO DE TANQUES

ATMOSFÉRICOS PARA PLANTAS DE PROCESOS EN EMPRESAS Y&V

PorAdriana Carolina Rodríguez Urribarrí

Realizado con la asesoría deTutor Académico: Ing. Carlos GracianoTutor Industrial: Ing. Thais Mesones

RESUMEN

En el presente trabajo, se realizaron guías de diseño con los lineamientos a considerar para laselección de bombas centrífugas y diseño de tanques atmosféricos de almacenamiento, con lafinalidad de servir de material de capacitación para el Departamento de Mecánica en EmpresasY&V. La estrategia de trabajo consistió, en primer lugar en la revisión bibliográfica y selecciónde la información técnica sobre las consideraciones generales de selección de: bombas

centrífugas, bombas de desplazamiento positivo (rotativas tipo tornillo y reciprocantes tipopistón) y tanques de almacenamiento. Posteriormente se establecieron los criterios a considerarpara la selección de bombas centrífugas, partiendo del análisis y verificación de la selección debombas reforzadoras del Proyecto Oleoducto Bachaquero ejecutado por Empresas Y&V, para locual se realizaron reuniones con expertos en el área sumando conocimiento ganado por laexperiencia a las especificaciones establecidas por la normativa de diseño API 610. De igualforma, se estableció la metodología de cálculo para el diseño de tanques atmosféricos dealmacenamiento, a partir del análisis del dimensionamiento de un tanque atmosférico diseñadopor Empresas Y&V para almacenamiento de Diesel, donde se especificó la normativa de diseñoaplicada (API 650) para el dimesionamiento de cada uno de los componentes del equipo.Finalmente, se incluyó una sección en las guías sobre sistemas de control de operación y

seguridad para los equipos de bombeo y tanques de almacenamiento en plantas de procesos, paralo cual se realizaron reuniones con el personal del Departamento de Instrumentación y Control,fijando los criterios a seguir de acuerdo a la normativa ISA en líneas generales.

PALABRAS CLAVES

Bomba, Tanque Atmosférico, Tanque de Almacenamiento, Criterios de Selección, Normativade Diseño, API 610, API 650.



v

DEDICATORIA

A Dios, por iluminar y guiarme siempre por el camino

de la vida.

A mi familia, por su constante amor y apoyo que me hace

invencible para alcanzar todas las metas propuestas.



vi

AGRADECIMIENTOS

A Dios por todas las bendiciones que le ha dado a mi vida, llenándola de mucha dicha.

A mis padres Aude y Pedro porque gracias a ellos soy la mujer de hoy en día, por darme su

apoyo incondicional, amor y cariño haciendo posible culminar con éxito esta meta. A mi hermana Aude Elena por transmitirme constantemente mucha alegría y optimismo,

además de todo su amor y cariño.

A Rafael Chacón por su apoyo incondicional, por ser una luz en todo momento y estar siempre

ahí dispuesto a ayudarme cuando más lo necesitaba.

A Empresas Y&V por brindarme esta oportunidad, y por la calidez que me transmitieron.

Al Ing. Carlos Graciano por su orientación y guía para la realización de este proyecto de

pasantía.

A la Ing. Thais Mesones por ser la emprendedora de este proyecto y brindar su colaboración

para la realización del mismo aportando sus conocimientos.

Al Ing. Nelson Abreu por su valiosa colaboración, brindándome toda su experiencia y

conocimiento, convirtiéndose en un padrino más que una guía del proyecto, adoptándome como

una hija.

Al Ing. Johnny Villarroel y al Ing. Nelson Flores por su disponibilidad constante a transmitir

todos sus conocimientos, así como de material de ayuda para la realización del proyecto.

Al Ing. Marcos Casimirri y al Ing. Carlos Labrador por su paciencia, dedicación y

colaboración aportando todos sus conocimiento, por brindarme una muy bonita amistad y por

sus buenos consejos que fueron de gran ayuda para la realización de este proyecto.

Al Ing. Edison Guevara por su gran apoyo, orientación y dedicación, convirtiéndose en un gran

amigo.

A mis compañeros pasantes de Empresas Y&V, a mis amigos y a todas las personas que de

alguna u otra forma colaboraron con la realización de este proyecto, logrando cumplir con cada

uno de los objetivos planteados.



vii

ÍNDICE GENERAL

RESUMEN ..................................................................................................................................... iv

DEDICATORIA .............................................................................................................................. v

AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................. viÍNDICE GENERAL ...................................................................................................................... vii

ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS .............................................................................................. ix

LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS .............................................................................. x

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 11

1.1. Presentación de Empresas Y&V ................................................................................... 12

1.2. Objetivos ....................................................................................................................... 17

1.2.1. Objetivo general ................................................................................................ 17

1.2.2. Objetivos específicos ........................................................................................ 17

1.3. Antecedentes ................................................................................................................. 18

1.4. Justificación e importancia del proyecto ...................................................................... 19

CAPÍTULO 2: CÁLCULO Y SELECCIÓN DE BOMBAS ........................................................ 20

2.1. Generalidades sobre bombas centrífugas y de desplazamiento positivo ...................... 20

2.2. Cálculo para la selección de bombas centrífugas ......................................................... 20

2.2.1. Capacidad de operación y punto de funcionamiento. ...................................... 22

2.2.2. NPSH y Cavitación ........................................................................................... 23

2.2.3. Velocidad específica ......................................................................................... 25

2.2.4. Sumergencia mínima para bombas verticales sumergidas. .............................. 27

2.2.5. Cambio de diámetro de impulsor o velocidad .................................................. 28

2.3. Criterios de selección de bombas centrífugas y uso de software. ................................. 28

2.4. Técnicas de control de operación y seguridad de bombas. ........................................... 33

CAPÍTULO 3: DISEÑO DE TANQUES ATMOSFÉRICOS API 650 ........................................ 35

3.1. Generalidades sobre tanques atmosféricos o de almacenamiento. ............................... 353.2. Diseño de tanques atmosféricos de techo cónico. ....................................................... 36

3.2.1. Datos o variables requeridos para el diseño del tanque. ................................... 37

3.2.2. Definición de las características del material del tanque. ................................. 39

3.2.3. Definición del espesor de Corrosión Admisible (CA) ...................................... 40

3.2.4. Dimensionamiento del tanque. ......................................................................... 41



viii

3.2.5. Cálculo de espesores de pared del tanque. ........................................................ 41

3.2.5.1. Método de cálculo de “Un Pie”. .............................................................. 42

3.2.5.2. Método de “Punto de diseño variable”.................................................... 43

3.2.5.3. Método de cálculo del “Apéndice A” ..................................................... 44

3.2.5.4. Método de cálculo del “Apéndice S”. ..................................................... 453.2.6. Diseño de piso o fondo del tanque. ................................................................... 45

3.2.7. Diseño de placa anular de fondo. ...................................................................... 47

3.2.8. Diseño del anillo rigidizador (top angle). ......................................................... 48

3.2.9. Diseño de techo cónico autosoportado. ............................................................ 50

3.2.10. Diseño de techo cónico soportado. ................................................................... 51

3.2.11. Análisis de las condiciones sísmicas “Apéndice E” ......................................... 52

3.2.12. Requerimiento de anclaje. ................................................................................ 54

3.2.13. Cálculo de estabilidad por viento ..................................................................... 54

3.3. Técnicas de control de operación y seguridad de tanques de almacenamiento. ........... 56

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................ 57

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 58

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................... 60

APÉNDICE A ............................................................................................................................... 61

APÉNDICE B ................................................................................................................................ 66

ANEXO 1 ...................................................................................................................................... 69ANEXO 2 ...................................................................................................................................... 70



ix

ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS

Figura 1.1. Ubicación de Empresas Y&V en el territorio nacional ............................................... 13

Figura 1.2. Estructura Organizacional de Empresas Y&V Ingeniería y Construcción ................. 15

Figura 1.3. Procesos asociados al Diseño Mecánico. .................................................................... 16

Figura 1.1. Ejemplo de sistema de control típico para una estación de bombeo. .......................... 69Figura 2.1. Sistema Hidráulico ...................................................................................................... 22

Figura 2.2. Punto de operación de la bomba [14] .......................................................................... 23

Figura 2.3. Concepto de sumergencia mínima .............................................................................. 28

Figura 2.4. Porcentaje de incremento de altura por incremento de tamaño del impulsor ............. 31

Figura 3.1. Partes básicas de un tanque atmosférico ..................................................................... 36

Figura 3.2. Diagrama de Variación de los Esfuerzos en la Pared del Tanque [20] ....................... 42

Figura 3.3. Asentamiento típico para tanques por Norma API 650 [19] ....................................... 46

Figura 3.4. Detalles del arreglo para fondos de tanques con placa anular [21] ............................. 47

Figura 3.5. Espesor mínimo de placa anular de fondo. ................................................................. 48

Figura 3.6. Partes básicas de un techo soportado en tanques de almacenamiento. ....................... 51

Figura A.1. Esquema del sistema y ubicación de las bombas reforzadoras. ................................. 61

Figura A.2. Punto de operación de la bomba. ............................................................................... 65

Figura B.1. Datos de entrada para el diseño de pared del tanque. ................................................. 66

Figura B.2. Cálculo de espesores de pared por el método de un pie “one foot”. .......................... 66

Figura B.3. Diseño de fondo y placa anular del tanque. ................................................................ 67

Figura B.4. Diseño de techo autosoportado parte I. ...................................................................... 67

Figura B.5. Diseño de techo autosoportado parte II. ..................................................................... 68

Tabla 2.1. Datos de elevación de bombas [14] .............................................................................. 25

Tabla 2.2. Valores típicos para velocidades específicas de succión [15] ...................................... 27

Tabla 2.3. Velocidades típicas de líquidos en tuberías de acero ................................................... 63

Tabla 3.1. Tipo de tanque de acuerdo a las consideraciones del líquido almacenado................... 38

Tabla 3.2. Tanques verticales de acuerdo al diámetro y categoría del producto [7] ..................... 39

Tabla 3.3. Materiales de Placa Permitidos y Esfuerzos Admitidos. .............................................. 40

Tabla 3.4. Eficiencia de junta según API 650 [19] (Apéndice S, Tabla S-4) ................................ 45



x

LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS

API American Petroleum Institute (Instituto Americano de Petróleo).

API 610 Centrifugal Pumps for Petroleum (Bombas Centrífugas).

API 650 Storage Tank (Tanques Atmosféricos).

PDVSA Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima.

Software Programa para computadoras.

Data Sheet Hoja de datos de especificaciones de equipos.

Shutoff Presión desarrollada o altura alcanzada por una bomba de flujo centrífugo o axial

cuando el flujo a través de la misma es cero.

ISA Instrumentation, System and Automation Society (Instrumentación, Sistema y

Sociedad de Automatización).

Y&V Empresas Y&V.

FONDONORMA Fondo para la Normalización y Certificación de Calidad.

ISO Organización Internacional de Normalización.

NPSH Net Positive Suction Head (Altura neta de succión positiva).



CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

El avance acelerado en el mundo de los procesos industriales exige soluciones rápidas y

precisas. Esto, sumado al gran número de empresas consultoras que existen a nivel mundial crean

la necesidad de mejorar constantemente los procedimientos, así como la velocidad de

capacitación del personal que ingresa a las mismas, con la finalidad de crear soluciones rápidas,

económicas, garantizando a su vez la calidad del producto.

Resulta ampliamente conocido, que la capacitación del personal que ingresa a una empresa

requiere de tiempo dedicado por expertos en charlas y consultas sobre diversos temas. Es por

ello, que Empresas Y&V se planteó el proyecto de realización de manuales actualizados de

consulta rápida sobre el diseño y selección de equipos mecánicos que contenga los

procedimientos llevados a cabo por Empresas Y&V.

El diseño de equipos es de gran importancia para el desarrollo y consecución de las

instalaciones de plantas de procesos, y su desarrollo es llevado a cabo por la interacción de un

grupo multidisciplinario de ingenieros. De aquí la importancia de contar con material actualizado

y específico de las actividades a llevar a cabo por cada Departamento, en particular, para el

Departamento de Mecánica foco principal del presente proyecto.

La selección adecuada de bombas es el paso más importante en cualquier instalación que opera

con fluidos, debido a que si ésta no se ajusta apropiadamente al sistema, éste puede experimentar

aumento en los costes de operación y mantenimiento durante la vida útil de la planta. En

Empresas Y&V se utilizan programas de selección reconocidos mundialmente para realizar esta

tarea, permitiendo obtener diseños precisos con alta eficiencia.

Generalmente, el fluido transportado mediante el uso de bombas, requiere ser almacenado por

tanques de almacenamiento. Estos últimos son ampliamente utilizados en la industria petrolera

para diversos fines, razón por la cual Empresas Y&V, dirige su atención a agilizar los

procedimientos para el diseño de estos equipos, utilizando programas de selección aumentando la

eficiencia del procedimiento de cálculo.



CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 12

Universidad Simón Bolívar

Empresas Y&V, tiene como meta principal, escalar posiciones con respecto a la competencia en

el mercado, razón por la cual resulta vital mantener fuentes actualizadas de información, sobre

los procedimientos que han resultado eficientes y efectivos para el constante crecimiento tanto de

la corporación como de sus empleados. Es por ello que la realización de instructivos o manuales

de procedimientos es un proyecto que se ha mantenido constante en el tiempo, debido a su altaimportancia para la ejecución del diseño mecánico.

Adicionalmente, Empresas Y&V ha establecido una base de conocimiento que constituye una

herramienta para la conservación del conocimiento dentro de ella. Esta base se encuentra

conformada por una serie de documentos que permiten a todos los integrantes de la organización

conocer de forma rápida y efectiva las actividades a realizar, así como la información adquirida

por expertos de diferentes áreas. La información se encuentra contenida en mapas de procesos

donde se presentan los procedimientos a seguir para la ejecución de proyectos con la finalidad de

unificar criterios dictando los lineamientos a seguir para la ejecución de diversas actividades.

A continuación se presenta una breve descripción de Empresas Y&V.

1.1. Presentación de Empresas Y&V

La corporación Empresas Y&V (www.empresas-yv.com), reúne a compañías filiales en el área

de ingeniería para el desarrollo de proyectos de inversión, siendo estas empresas las siguientes:

Y&V Ingeniería y Construcción

Y&V Construcción y Montaje Y&V Operación y Mantenimiento

Y&V Ecoproyectos

Y&V Consulting and Construction Canada LTD

Y&V Engineering and Construction Inc.

Empresas Y&V Ingeniería y Construcción cuenta con oficinas a nivel nacional, enlazadas por

una alta tecnología en cuanto a sistemas de información. El proyecto aquí presentado fue

realizado en la sede principal de Y&V Ingeniería y Construcción perteneciente a la corporaciónEmpresas Y&V, la cual se encuentra ubicada en el Edificio Panaven, Avenida San Juan Bosco,

cruce con Tercera Transversal, Altamira, Caracas. A continuación, en la Figura 1.1 se presenta la

ubicación de Empresas Y&V a nivel nacional.

Adicionalmente, Empresas Y&V Ingeniería y Construcción posee más de 50 años de

experiencia en el diseño y desarrollo de soluciones en el área de ingeniería de consulta y





construcción para los sectores de petróleo y de gas, petroquímico, industrial y de infraestructura,

teniendo como principal propósito ser una organización de servicios de clase mundial que

promueva el desarrollo de su personal y el de la sociedad.

Figura 1.1. Ubicación de Empresas Y&V en el territorio nacional

Los servicios que ofrece La Empresa se enumeran a continuación:

Ingeniería, Procura y Construcción.

Gerencial Integral de Proyectos

Proyectos IPC

Consultoría y Supervisión Ambiental

Operación y Mantenimiento

Estudios de Impacto Ambiental (EIA)

Auditorias Ambientales

Estudios de línea base

Inspección.

Empresas Y&V cuenta con las más importantes certificaciones, tal como la ISO (Organización

Internacional de Normalización) 9001-2000 otorgada por FONDONORMA (Fondo para la

Normalización y Certificación de Calidad), para toda la línea de servicios de Ingeniería, Procura

y Construcción, que la avalan como una corporación que cumple con los más exigentes

estándares de calidad en el desarrollo de sus procesos y servicios.

La estructura organizacional de La Empresa es de tipo funcional y se encuentra constituida por

seis (6) Vicepresidencias que se describen brevemente a continuación:

Vicepresidencia de Operaciones Canadá





Vicepresidencia de Ingeniería

Vicepresidencia de Servicios Corporativos, compuesta por todas las unidades que

prestan funciones de apoyo administrativo, contable y financiero a todas las filiales de

Empresas Y&V.

Vicepresidencia de Servicios Técnicos, compuesta por todas las Unidades que prestanfunciones especializadas a todas las filiales de Empresas Y&V.

Vicepresidencia de Recursos Humanos, tiene el objetivo de asegurar la alineación entre

las políticas corporativas y las políticas de la Gerencia de Recursos Humanos de

Empresas Y&V.

Vicepresidencia de Proyectos, compuesta por el grupo de Gerentes que dirigen los

proyectos de Y&V Ingeniería y Construcción.

Cada Vicepresidencia esta conformada por una serie de departamentos que se encuentran enconstante actualización y mejora. En la Figura 1.2 se presentan el organigrama actual de la

empresa con los departamentos correspondientes a cada vicepresidencia.

El proyecto de los manuales de procedimientos de Diseño y Selección de Bombas y Tanques

Atmosféricos se llevó a cabo bajo la tutela del Departamento de Mecánica perteneciente a la

Vicepresidencia de Ingeniería, por ser la encargada del diseño y selección de todos los equipos en

los proyectos desarrollados por la empresa.

El Departamento de Mecánica cuenta con expertos en diversas áreas con años de experiencia,

quienes representan gran apoyo para la ejecución del diseño de equipos y sistemas debido a la

amplia gama de conocimientos que poseen. Conjuntamente, la Gerencia de Mecánica, cuenta con

softwares reconocidos mundialmente en cada una de las áreas del diseño que le competen,

permitiendo diseños precisos, además de facilitar la estimación de costos y reducir las

interferencias con las otras disciplinas, así como el re-trabajo.

Entre las funciones de un Ingeniero de Proyectos de la Gerencia de Mecánica en Empresas

Y&V se pueden mencionar: Realizar análisis técnico-económicos

Especificaciones de equipos

Criterios de diseño

Requisiciones y hojas de datos

Evaluación de tecnologías y revisión de planos del fabricante.





Figura 1.2. Estructura Organizacional de Empresas Y&V Ingeniería y Construcción





El Departamento de Mecánica se encuentra encargado de diferentes áreas de diseño

mecánico que se pueden apreciar en la Figura 1.3, las cuales permanecen en constante

mejoramiento en busca de la excelencia, destacándose por su eficiencia y competitividad en

el desarrollo de sus actividades. Esto se evidencia en la actualización continua de sus

procesos y de su base de conocimiento, los cuales se nutren continuamente tanto de losexpertos como del personal que ingresa a la empresa.

Figura 1.3. Procesos asociados al Diseño Mecánico.

Las áreas involucradas en la realización del presente proyecto son:





Equipos Estacionarios (ME) en el área de Tanques Atmosféricos.

Equipos Rotativos (MR) en el área de bombas.

El desarrollo del proyecto implicó a su vez, el cumplimiento de los objetivos que se presentan a

continuación.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo general

Elaborar guías de diseño con los lineamientos a considerar para la selección de equipos

rotativos, específicamente bombas, y diseño de equipos estáticos, particularmente tanques de

almacenamiento. Además de incluir los aspectos generales de control de operación y evaluación

para uso interno del Departamento de Mecánica de Empresas Y&V.

1.2.2. Objetivos específicos

• Revisar, analizar y seleccionar la información bibliográfica existente de diseño de

bombas y tanques de almacenamiento.

• Revisar el comportamiento y aspectos de instrumentación, control y seguridad en

bombas y tanques de almacenamiento.

• Revisar la normativa estandarizada de diseño para los equipos en estudio: bombas

y tanques de almacenamiento.• Recopilar y analizar las aplicaciones de diseño de los equipos en proyectos

realizados por Empresas Y&V.

• Verificar procedimientos y normativas de diseño por medio de cálculo manual y

software de selección para bombas.

• Verificar procedimiento y normativas de diseño por medio de cálculo manual para

tanques de almacenamiento.

• Establecer los criterios de selección para bombas centrífugas en plantas de

procesos.

• Establecer el procedimiento y criterios de diseño de tanques atmosféricos.

• Elaborar la sección de aspectos de control y seguridad típicos en los procesos

donde intervienen las bombas y tanques de almacenamiento.





• Elaborar los documentos de diseño con el fiel cumplimiento de la normativa del

Departamento de Calidad de Empresas Y&V.

Seguidamente, se enumeran algunos estudios antecedentes al proyecto presentado.

1.3. Antecedentes

Existen varios antecedentes a este trabajo en cuanto al desarrollo de temas relacionados a

procedimientos de diseño de bombas y tanques atmosféricos o de almacenamiento los cuales se

mencionan a continuación.

González [1], realizó su trabajo sobre los procedimientos de selección de equipos rotativos,

cuyo propósito es la elaboración de una herramienta que identifique los procesos y su

interacción con respecto a las actividades que se desarrollan en la empresa, mediante bases

de conocimientos, enmarcadas en los mapas de procesos.

Ramón [2], enfocó su trabajo hacia el diseño y selección de un equipo de bombeo

centrífugo para una planta de proceso.

Torzewski [3], publicó un artículo en una revista técnica donde especifica los últimos

avances en selección y especificación de bombas centrífugas y de desplazamiento positivo.

Casimirri [4], enfocó su trabajo hacia la realización de un algoritmo de diseño de tanques

atmosféricos.

Restrepo [5], presentó su trabajo sobre las normas API 650 y API 653, donde se exponen

las normas a seguir en el diseño e inspección de taques atmosféricos de almacenamiento.

Amrouche [6], publicó un artículo sobre el diseño de tanques de almacenamiento donde se

especifican algunas consideraciones para el diseño de los mismos.

Heydari [7], realizó una investigación que publicó en una revista donde se especifican

algunos lineamientos de ayuda para el ingeniero en la selección del mejor diseño de tanque

para aplicaciones en plantas. Tovar [8], realizó su proyecto de grado sobre los lineamientos de diseño de tanques de

techo cónico soportado con la normativa existente para la fecha.

La justificación e importancia que contempla el presente proyecto se presentan seguidamente.





1.4. Justificación e importancia del proyecto

El proyecto tiene como finalidad establecer los lineamientos a considerar para el diseño de

tanques atmosféricos o de almacenamiento y selección de bombas centrífugas para planta de

procesos, mediante la realización de una guía de diseño donde se incluya información detallada

de los requerimientos a introducir en los programas de selección de acuerdo a criterios

establecidos en normativas estandarizadas, así como el seguimiento de dicho procedimiento por

medio de cálculo manual, para verificación de resultados obtenidos por dichos programas de

selección y diseño de equipos complementando la ayuda que estos representan.

Adicionalmente, el proyecto representa gran ayuda para la inducción a los procedimientos y uso

de programas de selección de bombas y diseño de tanques de almacenamiento empleados por

Empresas Y&V para la ejecución del diseño mecánico. Así como, también es de significativa

importancia para la realización de futuros cursos de capacitación dirigidos al Departamento de

Mecánica, para inducir al personal que ingresa a Empresas Y&V de una manera más rápida y

eficiente en cuanto a la aplicabilidad y criterios a seguir en el diseño de dichos equipos por

medio de la consulta rápida de guías que contengan la teoría fundamental relacionada a estos

tópicos.

Finalmente, se logra incrementar la eficiencia y competitividad de Empresas Y&V en el

desarrollo de sus actividades, asegurando la calidad de los productos unificando criterios y

colaborando con el mejoramiento continuo por medio de la actualización de sus procesos y base

de conocimiento.

En el Capítulo 2, se presenta brevemente el contenido del manual de procedimiento de

selección de bombas para plantas de procesos, cubriendo los aspectos de estudio tales como,

criterios de selección de bombas centrífugas, así como uso se software de selección y aspectos de

instrumentación y control asociados a equipos de bombeo.

Por último, en el Capítulo 3, se explica en forma breve el procedimiento a seguir para el diseño

de tanques atmosféricos de almacenamiento con techo cónico, de acuerdo a la norma API 650

[9], correspondiente al contenido de la segunda guía de diseño de equipos estáticos.

La aplicación en casos particulares de estudio, tanto para bombas como para tanques, se

presentan en los Apéndices A y B al final del presente informe.



CAPÍTULO 2

CÁLCULO Y SELECCIÓN DE BOMBAS

Este capítulo presenta una breve introducción sobre los lineamientos a considerar para el

diseño, selección y control de operación de bombas en plantas de procesos, basado en la guía de

diseño elaborada. El manual de procedimientos o guía de diseño se divide básicamente en cuatro

(4) secciones:

Generalidades sobre bombas centrífugas (API-610 [9]) y de desplazamiento positivo (API

674 [11] y API 676 [10]).

Cálculo de los requerimientos del sistema y punto de operación en bombas centrífugas.

Procedimientos y criterios a seguir para la selección de bombas centrífugas por medio del

uso de softwares de acuerdo a normativa de diseño [9].

Consideraciones generales sobre las técnicas de control de operación y seguridad de

bombas.

Las secciones contenidas en la guía de diseño se presentan brevemente a continuación.

2.1. Generalidades sobre bombas centrífugas y de desplazamiento positivo

En esta primera sección, como su nombre lo indica, se pretende familiarizar al lector con los

aspectos básicos del diseño de bombas centrífugas [9] y de desplazamiento positivo,

específicamente bombas rotativas de tornillo [10] y reciprocantes de pistón [11]. Para ello se

recopiló y seleccionó la información de diversas fuentes, de manera tal que el contenido del

manual fuese lo más resumido y explícito posible, además de ser confiable debido a las

referencias citadas y al monitoreo continuo de expertos en el área. Adicionalmente, posee

información proporcionada por fabricantes a través de charlas y entrevistas personales.

2.2. Cálculo para la selección de bombas centrífugas

Esta sección tiene como finalidad ilustrar el procedimiento a seguir para el cálculo de los

requerimientos del sistema y ubicación del punto de operación de una bomba centrífuga, por



CAPÍTULO 2: PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO Y SELECCIÓN DE BOMBAS 21

medio del análisis del requerimiento de bombas reforzadoras para el Proyecto Oleoducto

Bachaquero en Puerto Miranda. Para ello se hace uso de la teoría explicada en la guía de diseño

así como del análisis de las condiciones del sistema y sus requerimientos, estos cálculos son

presentados en el Apéndice A al final del informe. A continuación, se presentan brevemente los

conceptos a considerar para la resolución de cualquier sistema de bombeo.En Empresas Y&V, el procedimiento para una selección adecuada de bombas para una Planta

de Procesos consiste durante su etapa inicial en una serie de cálculos realizados por el

Departamento de Procesos para establecer los requerimientos del sistema. Posteriormente, con los

datos proporcionados, el Departamento de Mecánica se encarga de realizar la selección de la

bomba en función de los requerimientos y realiza la requisición del equipo al fabricante, una vez

estudiados los planos del mismo.

A continuación se presentan los aspectos generales a considerar para el diseño de un servicio debombeo, en el orden de mayor a menor influencia para la selección de bombas [12]:

1. Caudal de flujo o capacidad de la bomba

2. Requerimiento de cabezal: Altura o Presión

3. Velocidad de giro

4. Requerimientos de mantenimiento, confiabilidad

5. Tipo de fluido y viscosidad a temperatura de bombeo y ambiente

6. Requerimientos de control de flujo.Dentro de un tipo general de bomba (Overhung, Between Bearings, Vertical), la selección de un

estilo particular de construcción es determinado principalmente por [13]:

Presión de descarga y succión de la bomba.

Altura o NPSH (Altua neta de succión positva) disponible

Potencia requerida y eficiencia

Temperatura de operación del fluido (viscosidad)

Flujo mínimo y sumergencia mínima Restricciones de instalación, tales como limitaciones de espacio, montaje, etc.

Los aspectos generales a considerar para el diseño de un servicio de bombeo se presentan

resumidos a continuación.





2.2.1. Capacidad de operación y punto de funcionamiento.

Para determinar la columna de altura o presión del sistema, a continuación se presenta en la

Figura 2.1 un sistema hidráulico sencillo para ejemplificar el estudio.

Figura 2.1. Sistema Hidráulico

Aplicando el Teorema de Bernoulli generalizado se tiene que la energía en el punto 1 es igual a

la energía del punto 2 más las pérdidas por conservación de la energía de la manera siguiente:

∑+++=++ 122

222

1

211

22 f h yg

V p y

g

V p

γ γ (2.1)

igualmente,

∑++−= 1221 f B h H H H (2.2)

donde,

H B = Energía suministrada por la bomba.

H 1 =Energía total en el punto 1.

H 2 = Energía total en el punto 2.

∑h f12 = Sumatoria de pérdidas por fricción y accesorios entre los puntos 1 y 2.

Para el punto de funcionamiento la energía requerida por el sistema debe ser igual a lasuministrada por la bomba como se presenta en la ecuación (2.3).

∑+−+−

+−

== 1212

21

2212

2 f Bsistema h z zg

V V p p H H

γ (2.3)

donde,





1212 z z

p p H estática −+

−=

γ (2.4)

∑+−

= 12

21

22

2 f dinámica hg

V V H (2.5)

El punto de operación de la bomba se determina gráficamente por la intersección de la curvaaltura-capacidad de la bomba y la curva altura-capacidad del sistema tal como se presenta en la

Figura 2.2.

Figura 2.2. Punto de operación de la bomba [14]

2.2.2. NPSH y Cavitación

NPSH (Altura neta de succión positiva): es la diferencia de presión existente a la entrada de

la bomba y la presión de vapor del líquido que se bombea. Esta diferencia es la necesaria para

evitar la cavitación, la cual produce la vaporización súbita del líquido dentro de la bomba y

reduce la capacidad de la misma pudiendo dañar sus partes internas.

NPSH disponible: depende de las características de la instalación y del líquido a bombear. En

una instalación de bombeo, es la diferencia entre la presión total y la presión de vapor en el

rodete de la bomba.

∑−∆+−

= fsvsvps

d hhspgr

PP NPSH

31.2 (2.6)





donde,

Pvp = Presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo [psia]

spgr = gravedad específica del fluído

Ps = Presión de succión [psig]

∆hs = Cabezal estático de succión [ft, psi]∑h fsv= Sumatoria de pérdidas en la tubería de succión [ft]

NPSH d = NPSH disponible [ft]

NPSH requerido: es el NPSH mínimo necesario para evitar la cavitación, es función del rodete

y corresponde a la carga mínima que necesita la bomba para mantener un funcionamiento estable.

Depende de las características de la bomba, velocidad, propiedades del fluido y capacidad. Este

dato es proporcionado por el fabricante en sus curvas de operación, quien lo determina realizando

pruebas generalmente con agua.

Factores que afectan la aparición de la cavitación

Temperatura de operación del fluido, porque cuando los hidrocarburos son bombeados a

altas temperatura, menos NPSH es requerido que cuando se trabaja con bajas temperaturas

debido al cambio producido en la viscosidad del fluido.

Aumento del NPSH requerido con el aumento del caudal. Relacionado a la ecuación (2.8)

de la velocidad específica de succión ( Nss).

De acuerdo con la ecuación de Bernoulli cuando la presión aumenta la velocidaddisminuye y viceversa, razón por la cual se debe evitar en lo posible que la presión

disminuya, y de esta manera que la velocidad aumente.

Contenido de gases disueltos ya que pueden

afectar la presión de vapor. Contribuyen a la

Naturaleza del fluido. (contenido de sólidos formación de burbujas

en suspensión). causantes de la cavitación.

Condiciones para evitar la cavitación

NPSHd > NPSHr

NPSHd - NPSHr ≥ 2 a 3ft ≈ 1m

NPSHd > 0

NPSHd / NPSHr = 1.5





En la práctica, el dato de elevación de la bomba representa un factor importante a considerar y

debe ser verificado con el fabricante. En la Tabla 2.1 se presentan algunas referencias comunes.

Tabla 2.1. Datos de elevación de bombas [14]

Tipo de bomba Estándar Dato de elevación

Centrífuga – horizontal API 610 Hydraulic Institute

Línea central de eje.

Centrífuga, vertical. API 610 Línea central de succión.

Centrífuga, otra vertical. API 610 Encima de la fundación.

Centrífuga, vertical simple

succión, voluta y difusor

tipo paleta.

Hydraulic InstituteOjo de entrada a la primera

etapa del impulsor.

Centrífuga, vertical doblesucción.

Hydraulic Institute Línea central de descargadel impulsor horizontal.

Turbina vertical. Línea de

eje y tipo sumergible.AWWA E101

Debajo de la altura de

descarga o altura del plato

base.

Reciprocante Hydraulic InstituteLínea central de la

succión.

Rotatoria Hydraulic Institute

Línea de referencia o línea

central de succión.

2.2.3. Velocidad específica

La velocidad específica absoluta o velocidad angular específica es un término que sirve para

determinar si el diseño de la bomba propuesto se encuentra dentro de ciertos límites de

estabilidad para las condiciones del servicio en el cual funcionará.

El término de velocidad específica contempla dos consideraciones:

Velocidad específica del impulsor ( N s)

Velocidad específica de succión ( N ss)

Estos términos son brevemente explicados a continuación.





Velocidad específica del impulsor ( Ns)

Se utiliza para describir el tipo de diseño de impulsor, y se define como la velocidad de giro

(rpm) a la cual impulsores geométricamente similares podrían girar para dar una descarga de 1

gal/min contra una columna de un pie [15]. Se relaciona con la velocidad de la bomba, la

capacidad y el cabezal tal como se presenta a continuación:

4 / 3

H

Qn N s = (2.7)

donde,

N s = Velocidad específica del impulsor [rpm]

n = Velocidad de rotación de la bomba [rpm]

Q = capacidad [US gpm]

H = carga (columna) [pie]

Velocidad específica de succión ( Nss)

La velocidad específica de succión es un parámetro de diseño hidráulico que sirve para

describir las capacidades de succión y características de la primera etapa de un impulsor dado. Se

expresa como se presenta en la ecuación (2.8) a continuación. Los valores típicos de este

parámetro son presentado en la Tabla 2.2.

( ) 4 / 3

NPSHr

Qn N ss = (2.8)

donde,

N ss = Velocidad específica de succión [rpm]

n = Velocidad de rotación de la bomba [rpm]

Q = Capacidad de diseño en el punto de mayor

eficiencia para la primera etapa de impulsoresde succión simple o la mitad de la capacidad de

diseño (Q/2) para la primera etapa de impulsores

de succión doble (medidos con el diámetro máximo) [US gpm]

NPSHr = Net Positive Suction Head required (en el punto

de mayor eficiencia) [ft]





Tabla 2.2. Valores típicos para velocidades específicas de succión [15]

Tipo de sistema Rpm

Bombeo de agua 7000 - 12000

Bombeo de hidrocarburos >15000

2.2.4. Sumergencia mínima para bombas verticales sumergidas.

Se establece que la entrada de succión del sistema o la campana de succión de bomba deben

tener la altura suficiente de líquido para evitar la formación de vórtice, el cual puede causar la

pérdida de capacidad y eficacia así como generar otros problemas como la vibración, el ruido, y

bolsas de vapor o aire debido al arrastre de aire o vapor al sistema.

Una geometría inadecuada puede causar la formación de vórtice, principalmente en bombas

verticales sumergidas [14], así como también una insuficiencia del nivel de sumergencia dellíquido puede resultar en un funcionamiento en seco de partes de la bomba con el consiguiente

calentamiento de las piezas rozantes. Para evitar esta condición, se deben utilizar operativos en

planta tales como, controles manuales de operadores de planta o dispositivos de parada de

equipo por bajo nivel de líquido en el pozo de aspiración, lo cual es tratado en la sección de

técnicas de control y operación de bombas en la guía de diseño [16].

Generalmente, se presume que si una bomba se encuentra sumergida, ésta no cavita, sin

embargo, existen valores mínimos de altura límite de succión que de no cumplirse, implicarían

cavitación en la bomba a pesar de encontrarse sumergida, siendo el valor teórico límite, el vacío

total. Por consiguiente, los datos sobre sumergencia mínima suministrados por los fabricantes

deben ser respetados.

La sumergencia mínima es la distancia normalmente medida desde el nivel del líquido hasta el

labio de la campana de succión de la bomba. La distancia C se mide desde la campana de succión

hasta el fondo de la cámara, dicha distancia se presenta gráficamente en la Figura 2.3.

La dimensión C es un promedio, basado en un análisis de muchas bombas, su valor debe sernecesariamente pequeño y es especificado por el fabricante de la bomba.





Figura 2.3. Concepto de sumergencia mínima

2.2.5. Cambio de diámetro de impulsor o velocidad

La curva de características de cabezal–capacidad de una bomba centrífuga dada se puede alterar

para que sirva para nuevos requerimientos de funcionamiento. El parámetro básico que se debe

cambiar es la velocidad periférica del impulsor, la cual se puede modificar en la siguiente

manera:

1. Variación de velocidad

Con accionador tipo turbina, cambiando el ajuste del regulador de velocidad, dentro de loslímites admisibles de velocidad de la bomba y la turbina.

Mediante el uso de un motor de velocidad variable.

Con accionador de motor, agregando o cambiando la unidad de engranaje entre el

accionador y la bomba.

2. Cambio del diámetro del impulsor, en el rango permitido por el diseño de la bomba.

A continuación se procede a definir los criterios a seguir para la selección de bombas

centrífugas con los conceptos anteriormente descritos.

2.3. Criterios de selección de bombas centrífugas y uso de software.

Los criterios a seguir para la correcta selección de bombas por medio del uso de programas de

selección dependen de muchos factores. En esta sección se presentan detalladamente las variables

a introducir al software en función de la normativa de diseño [9], aplicándolo a su vez para el





caso del Proyecto Oleoducto Bachaquero en Puerto Miranda, además se especifican las

actividades a realizar por los Departamentos de Mecánica y Procesos, así como también se hace

referencia al programa de selección usado por Empresas Y&V denominado PROS+TM SE

(programa libre de descargar en la página www.flowserve.com). Sin embargo, no es el único

programa que se puede utilizar para realizar la selección, ya que la mayoría de los fabricantesposeen sus propios programas selectores con catálogos electrónicos, entre los que se pueden

mencionar: Goulds Pumps selector , PUMP-FLO, INOXPA pump selector , FTI centrifugal

selector , entre otros.

Para la elaboración de esta sección en la guía de diseño [16], se procedió a realizar una revisión

general de las normativas de diseño para bombas centrífugas, así como también se realizó una

serie de reuniones con expertos en el área para establecer ciertos criterios de selección en función

del conocimiento ganado por la experiencia, en acuerdo con la normativa de diseño

estandarizada.

A continuación se presenta brevemente los aspectos abarcados en esta sección.

El Departamento de Procesos comienza por la realización de una hoja de datos, en la cual se

especifican los requerimientos del sistema y especificaciones técnicas que se enumeran a

continuación:

Caracterización del fluido: tipo de fluido, temperatura de bombeo, gravedad específica,

presión de vapor y viscosidad a la temperatura de trabajo. Para este último dato existentablas donde aparecen diferentes viscosidades para diferentes fluidos, sin embargo es

recomendable que sea aportado por el usuario final o proyectista, debido a que conocen

mejor la naturaleza del fluido a manejar. Se debe considerar siempre la máxima

viscosidad del fluido a la temperatura más baja, para evitar problemas de operación.

Selección preliminar del tipo y número de bombas.

Disposición de las bombas: en serie o en paralelo y tipo de motor, lo cual depende de la

filosofía de operación y mantenimiento, es decir, del conocimiento ganado por laexperiencia que posea el proyectista para seleccionar determinados equipos.

Capacidad de bombeo, la cual es determinada en función a los requerimientos del usuario

final. En algunos casos, se debe seleccionar el flujo de diseño del sistema de bombeo o el

flujo normal de operación en acuerdo con el usuario final.

Presión mínima y máxima de succión y descarga.





NPSH disponible y NPSH requerido.

Potencia hidráulica y potencia al freno.

Materiales recomendados.

Requerimientos de encamisado o empaques y de sello.

Adicionalmente, este Departamento se encarga de la representación gráfica de la curva delsistema que posteriormente será utilizada por el Departamento de Mecánica.

Consecutivamente, con los datos de operación perfectamente definidos, el Departamento de

Mecánica se encarga de la selección de los equipos de bombeo de acuerdo a los requerimientos

especificados, por medio del uso del programa de selección de bombas [17]. En este programa, se

introducen todas las especificaciones correspondientes a las normas solicitadas por el cliente para

el diseño, y posteriormente, en este programa, el fabricante proporciona un catálogo electrónico

donde especifica cuales de los modelos de bombas cumple con las especificaciones establecidas.

Una vez seleccionado el modelo, se recurre a la curva de operación de la bomba donde se puede

ver la potencia requerida, la velocidad de operación y el flujo de la bomba a una velocidad dada.

También en las curvas de operación aparecen los datos complementarios como son el diámetro

máximo y mínimo de descarga de la bomba, el modelo específico y la curva del NPSH requerido.

Una vez establecido el procedimiento a seguir en líneas generales, se presentan a continuación

las especificaciones a considerar en el programa, de acuerdo a la normativa de diseño [9]:

El tipo de norma a utilizar se determina de acuerdo al tipo de servicio o fluido a manejar.

Para el caso del Proyecto Oleoducto Bachaquero en Puerto Miranda se utilizó como

norma base la API 610 [9] para seleccionar las bombas centrífugas por ser uno de los

estándares de PDVSA [23] y por presentar mayores exigencias en cuanto al diseño. Se

debe especificar su aplicación para las pruebas de tolerancia, hidráulica y construcción

durante la selección de los equipos.

El incremento de altura desde el punto de diseño al punto de shutoff , debe ser de al menos

un 10% o mayor. (Ver Sección 5 de diseño básico de la norma [9], punto 5.1.13), debidoa que las bombas que tienen curvas Altura vs. Caudal estables (es decir, continuo

incremento de altura hasta el punto de shutoff ), son preferidas en la mayoría de los casos y

requeridas si la operación en paralelo es especificada.





Para las bombas se prefiere una región de operación entre 70-120% del punto de máxima

eficiencia BEP ( Best Efficient Point ), así como un flujo de diseño ( Rated flow) entre el 80

al 110% del BEP (Punto 5.1.14 de la norma [9]).

Capacidad de incremento de un 5% de altura al aumentar el diámetro del impulsor. Lo

cual, se traduce en el programa en una capacidad de incremento de tamaño de un 95% demáximo incremento de altura por incremento de tamaño en el impulsor medido a partir

del mínimo diámetro de diseño, gráficamente se puede observar en la Figura 2.4 (Punto

5.1.6 de la norma [9]).

Figura 2.4. Porcentaje de incremento de altura por incremento de tamaño del impulsor

El mínimo margen para el NPSH disponible debe ser alrededor de 3 ft (Punto 5.11 de la

Norma PDVSA [23]).

Para la velocidad de succión específica, se debe establecer el valor de acuerdo a la Tabla

2.2.

Se debe especificar si el líquido de trabajo es inflamable, tóxico, abrasivo o corrosivo

(ejemplo: si contiene H2S, etc.) esto viene especificado por la hoja de datos proporcionada

por el Departamento de Procesos.

La frecuencia a utilizar es 60 Hz, debido a la frecuencia de corriente suministrada por los

generadores o alternadores de las plantas eléctricas a las industrias, siendo de 60 Hz en

América y de 50 Hz en Europa.

En ocasiones es recomendable no introducir demasiadas restricciones o especificaciones

al programa, ya que no todas son indispensables para la correcta selección de bombas, y

puede resultar que el fabricante no consiga ninguna bomba que cumpla con todas los

requisitos. Es recomendado, obviar algunos criterios y especificar sólo aquellas

Caudal [gpm]

A l t u r a [ f t ] 95%

5%

Max. Diámetro

Mín.Diámetro





condiciones que sean realmente necesarias, o tomar decisiones de acuerdo a la experiencia

o filosofía de operación y mantenimiento con la que cuente el cliente, en su defecto,

confiar en la decisión del proveedor.

Selección del tipo de bomba centrífuga a utilizar y su orientación de acuerdo a la sección

4: Clasificación y designación, de la norma [9]. Entre ellas se encuentran los siguientestipos de bombas centrífugas: Overhung (tipo OH), Between-Bearings (tipo BB) y

Vertically Suspended (tipo VS).

Con los datos anteriores se obtiene una lista de posibles soluciones de bombas que cumplen los

requisitos especificados, y posteriormente, se procede a la selección de la bomba apropiada de

acuerdo al comportamiento de la curvas de operación de cada modelo. Para ello existen diversos

criterios a considerar de acuerdo al uso final de la bomba, entre ellos se pueden mencionar:

Trabajar a la derecha o izquierda del punto de máxima eficiencia (BEP). Generalmente, se

prefiere trabajar a la izquierda, sin embargo depende del caudal a bombear requerido.

Idealmente se busca conseguir la bomba cuyo punto de diseño o normal de

funcionamiento sea igual al punto de máxima eficiencia, pero son casos muy poco

comunes en los que se logra cumplir dicha condición.

Si se desea trabajar con un caudal que varía a lo largo del sistema, seleccionar la bomba

con el menor flujo mínimo continuo, ya que cuando la bomba trabaja durante estas

condiciones, se produce un aumento de temperatura, vibraciones y disminución de laeficiencia.

Establecer si se desea trabajar con el diámetro máximo de la bomba o a un margen del

mismo para posterior aumento del diámetro y crecimiento de altura suministrada por la

bomba.

El siguiente paso a seguir, es la selección del tipo de material para la construcción de la bomba,

el cual se realiza de acuerdo al Anexo H de la norma [9], así como determinar el tipo de sello.

Esta etapa es de suma importancia debido a que en el caso de una mala selección del sellado de labomba, se pueden ocasionar desperdicios innecesarios de fluidos costosos, contaminación

ambiental, peligro de siniestros cuando se manejan fluidos tóxicos o explosivos, entre otros. En

ocasiones, es recomendable dejar al fabricante de sellos o a la fábrica de las bombas la selección

adecuada de éstos, proporcionando todos los datos del fluido (temperatura, viscosidad,

abrasividad, sólidos en suspensión, corrosión, toxicidad, etc.) para una correcta selección.





Finalmente, el Departamento de Mecánica se encarga de la selección del tipo de montaje y

accionamiento necesario. Es necesario especificar si el equipo se instalará en base de concreto,

estructura, etc., para que el proveedor pueda especificar el tipo de base o estructura de montaje

necesario para una operación libre de torsión, flexión o vibración provenientes de una mala

instalación del equipo, los cuales son perjudiciales durante su funcionamiento. En caso de motoreléctrico, es necesario especificar el ambiente donde trabajará, para determinar el tipo de

enclaustramiento, voltaje de operación, frecuencia, tipo de arranque, temperatura máxima del

lugar de trabajo, nivel máximo de ruido permitido, tipo de control de velocidad si se requiere

(convertidor de frecuencia), reductor de velocidad, poleas y bandas, entre otros. También es

necesario especificar si el equipo llevará identificaciones especiales como son las placas de

identificación gravadas, pintura especial e identificaciones adicionales.

Posteriormente, el Departamento de Mecánica realiza un documento de especificación para los

requerimientos de las bombas, en conjunto con las especificaciones del Departamento de

Procesos, para realizar la requisición del equipo.

2.4. Técnicas de control de operación y seguridad de bombas.

Este tópico corresponde a la última sección de la guía, y tiene como propósito indicar de

manera general las técnicas de control de operación y seguridad de las bombas. Para ello se

realizaron reuniones con el personal del Departamento de Instrumentación y Control,

estableciendo los aspectos generales a considerar en esta sección, los cuales se presentan acontinuación:

Instrumentación asociada al equipo: Bomba o Accionador.

o Instrumentación asociada al equipo.

o Instrumentación asociada al proceso.

Técnicas de control de operación.

Sistemas típicos de seguridad asociados a las bombas.

En el Anexo 1, se encuentra un diagrama de un sistema de control para una estación típica debombeo.



CAPÍTULO 3DISEÑO DE TANQUES ATMOSFÉRICOS API 650

Este capítulo presenta un preámbulo sobre los lineamientos a considerar para el

dimensionamiento de tanques atmosféricos o de almacenamiento en plantas de procesos,

presentados en la guía de diseño elaborada [18], donde se toman en cuenta los procedimientos

realizados por Empresas Y&V para la ejecución del diseño mecánico. Se pretende con esta guía

tener un material de consulta sobre los aspectos generales de tanques de almacenamiento, además

de servir como guía rápida para el cálculo de tanques de techo cónico soportado altamentesolicitados en la industria petrolera. Se pretende utilizar esta guía como suplemento de la Norma

API 650 [19] para tanques atmosféricos, facilitando el uso de la misma. El manual se divide

básicamente en tres (3) secciones:

Generalidades sobre tanques atmosféricos o de almacenamiento.

Procedimiento para el diseño de tanques atmosféricos o de almacenamiento de techo

cónico soportado y autosoportado.

Aspectos generales sobre las técnicas de control de operación y seguridad de tanques dealmacenamiento.

Las secciones contenidas en la guía de diseño [18] se presentan brevemente explicadas a

continuación.

3.1. Generalidades sobre tanques atmosféricos o de almacenamiento.

Esta primera sección del manual de procedimiento [18] contiene los aspectos generales a

considerar para el diseño de tanques de almacenamiento, así como su clasificación, aplicación y

criterios de selección, con la finalidad de familiarizar al lector con el tema. La información aquí

suministrada fue recopilada y seleccionada de diversas fuentes confiables de información [6, 7,

13, 14, 19, 20, 21, 22], así como consultas y entrevistas con expertos en el área.



CAPÍTULO 3: DISEÑO DE TANQUES ATMOSFÉRICOS 36


3.2. Diseño de tanques atmosféricos de techo cónico.

A continuación se presenta una breve descripción del procedimiento y criterios a seguir para el

dimensionamiento de tanques atmosféricos de techo cónico de acuerdo a la Norma API 650 [19].

Para el diseño, se deben considerar por separado el dimensionamiento de los diferentes

componentes de la estructura del tanque (ver Figura 3.1), entre ellos se puede mencionar:

Pared conformada por anillos sucesivos.

Piso o fondo del tanque.

Ángulo de tope (top angle)

Techo de acuerdo al tipo seleccionado.

Adicionalmente, para el dimensionamiento de la estructura se deben considerar estudios

asociados como:

Análisis sísmico.

Estudio de viento.

En el Apéndice B, se presenta un ejemplo de cálculo para el dimensionamiento de un tanque

atmosférico de techo cónico autosoportado para almacenamiento de Diesel.

Figura 3.1. Partes básicas de un tanque atmosférico

Adicionalmente, para el diseño de los tanques atmosféricos se deben considerar los siguientes

factores:





Efectos de la corrosión.

Presión hidrostática por altura de líquido.

Cargas impuestas a las boquillas por las tuberías conectadas al tanque (Apéndice P de la

Norma API 650 [19]).

Cargas inducidas por asentamiento de la fundación. Fuerzas inducidas por el viento. (Sección 3.11 de la Norma API 650 [19])

Efectos de cargas sísmicas.

El procedimiento que se describe a continuación, presenta brevemente la metodología del uso

de la guía de diseño [18], basada en la Norma API 650 [19] garantizando la calidad del diseño.

3.2.1. Datos o variables requeridos para el diseño del tanque.

La responsabilidad del ingeniero contratista o cliente es definir los requerimientos para el

diseño del tanque que posteriormente enviará al fabricante. Estos datos se presentan a

continuación.

Localización: incluyendo los datos específicos del clima y función del tanque de

almacenamiento.

Gravedad específica y presión de vapor del producto a almacenar.

Selección del tipo de tanque de almacenamiento y tipo de techo (Ver Tabla 3.1 y

Tabla 3.2).

Volumen de diseño o Altura y diámetro requerido, seleccionados en función de ladisponibilidad de terreno y costo.

Presión de diseño, la cual esta en función de la presión de vapor del producto a la

temperatura de almacenamiento, siendo esta presión la que garantiza que el producto

se encuentre en fase líquida para evitar las pérdidas producidas por la evaporación

del líquido.

Máxima y mínima temperatura de diseño del metal.

Selección de materiales de acuerdo a la norma API 650, en las secciones: 2.2.2,2.2.3, 2.2.4 y 2.2.5. (El material comúnmente usado es el A36).

Tamaño de la conexión, estilo y localización.

Delimitaciones del trabajo: fundaciones, tuberías, apariencia estética: pintura, entre

otros.

Tolerancia de corrosión.





Fundación, incluyendo investigación de suelo: condiciones sísmicas del terreño; y

diseño.

Velocidad de diseño del viento.

Tabla 3.1. Tipo de tanque de acuerdo a las consideraciones del líquido almacenado

Tipo de tanque dealmacenamiento

Condiciones de operación del líquido almacenado

Tanque abierto

La sustancia almacenada no presenta riesgo de

contaminación por el contacto con el medio ambiente o

cualquier elemento externo.

Tanque cerrado

Cuando el producto almacenado requiere ser protegido del

contacto del medio ambiente, en caso de ser una sustancia

tóxica, o cuando la presión sea mayor a la atmosférica.

Techo fijo

Almacenamiento de agua de consumo humano o residuales,

y bajo contenido de vapores con bajo potencial de

combustión.

Productos que no vaporicen fácilmente a temperatura

ambiente o a las condiciones de temperatura de

almacenamiento (productos no volátiles), por ejemplo:

gasoil, aceites lubricantes, asfalto y fuel oil.

Techo flotante

Almacenamiento de productos tóxicos, de combustible o

material volátil y se desee reducir las pérdidas por

evaporación del mismo.

Techo flotante interno

La carga de nieve en el techo flotante pueda ser causante de

problemas de operación del mismo.

Sea inaceptable la contaminación del líquido almacenado por

agua de lluvia.

Sean evidentes problemas por pérdida de vapor.

Deba ser evitado el contacto del líquido almacenado con el

medio ambiente.





Tabla 3.2. Tanques verticales de acuerdo al diámetro y categoría del producto [7]

Categoría del

productoDiámetro del tanque [m]

3 - 12.5 15 – 20 22.5 - 39 42 – 72

Punto deinflamación

menor que

21°C

Techo cónico

fijo de alta y

baja presión.

Techo cónico y de

domo flotante

externo e interno

de alta y baja

presión.

Techo flotante externopreferiblemente o techo

cónico y tipo domo de

baja presión.

Techo

flotante

externo.

Punto de

inflamación

21°C o mayor

pero menor a

55°C

Techo cónico

fijo de baja

presión

Techo cónico y de

domo flotante

externo e interno

de baja presión.

Techo flotante externo e

interno preferiblemente

o techo cónico y tipo

domo de baja presión.

Techo

flotante

externo.

Punto de

inflamación de

55°C

Techo cónico

fijo a presión

atmosférica.

Techo cónico y

tipo domo a

presión

atmosférica.

Techo cónico y tipo

domo a presión

atmosférica.

Techo cónico

a presión

atmosférica.

Nota: El techo flotante tipo pontón es diseñado para trabajar a presión atmosférica, y se

recomienda normalmente sólo para diámetros mayores de 15m.

3.2.2. Definición de las características del material del tanque.

Se determinan los esfuerzos mínimos asociados al material seleccionado para la construcción

del tanque. Específicamente estos esfuerzos son de: fluencia (S y), tensión (S u), diseño (S d ) y de

prueba hidrostática (S t ), y se encuentran en la Tabla 3.3 equivalente a la Tabla 3-2 de la Sección

3.6.3.2 de la Norma API 650 [19].





Tabla 3.3. Materiales de Placa Permitidos y Esfuerzos Admitidos [19]

3.2.3. Definición del espesor de Corrosión Admisible (CA)

En la Norma API 650 [19], se establece que el espesor adicional mínimo por efectos de

corrosión es de 1,5 mm para las paredes. Para el techo y fondo del tanque generalmente no se

considera corrosión admisible ya que la corrosión en esos miembros es del tipo localizada y





pueden ser toleradas. Queda a opción del fabricante especificar la corrosión admisible en caso de

servicios corrosivos. En el caso de que se especifique la corrosión admisible para el techo se debe

especificar también para los miembros estructurales.

Para los casos de servicios corrosivos, en la Norma API 650 [19] se especifican los valores de

incremento de espesor del material por razones de corrosión que se presentan a continuación. Sinembargo, es importante destacar que resulta más económico utilizar protecciones anticorrosivos

que incrementar la corrosión admisible de las partes:

Para fluidos poco corrosivos: CA = 1/16 in = 0,06250 in = 1,5875 mm

Para fluidos muy corrosivos: CA = 1/8 in = 0,12500 in = 3,175 mm

3.2.4. Dimensionamiento del tanque.

De acuerdo con la altura del tanque se determina el número de anillos de la pared, utilizando el

ancho comercial de las láminas de cada anillo el cual generalmente es igual a 2380 mm dado que

en Venezuela las láminas comerciales que se consiguen tienen un ancho de 2400x1200 mm, y al

espesor de la lámina se le resta 10 mm de cada lado.

3.2.5. Cálculo de espesores de pared del tanque.

La pared del tanque representa el componente más crítico para el diseño (equivalente al 60%

del material utilizado), conformado por anillos consecutivos como se presenta en la Figura 3.2.

Para su diseño, existen espesores mínimos establecidos en el punto 3.6.1.1 de la Sección 3- Shell

Design, en la Norma API-650 [19], los cuales incluyen el espesor adicional por corrosión o por

pruebas hidrostáticas.

Se debe tomar en consideración que el espesor de pared varía generalmente, siendo las láminas

inferiores de igual o mayor espesor que las superiores, debido a la variación de los esfuerzos

distribuidos a lo largo de la estructura. Para el cálculo de estos espesores se debe dividir la altura

de la pared por el ancho de las láminas comerciales [72 in (1800 mm) ó 96 in (2400 mm)] para

determinar el número de anillos.





Figura 3.2. Diagrama de Variación de los Esfuerzos en la Pared del Tanque [20]

Existen cuatro (4) métodos para el cálculo de espesores de pared indicados en la Norma API

650 [19], estos son:

Método de un pie (“One Foot ”)

Método del punto de diseño variable.

Método del Apéndice A (Norma API 650 [19]).

Método del Apéndice S.

A continuación se describe brevemente cada método.

3.2.5.1. Método de cálculo de “Un Pie”.

Este método se encuentra en la Sección 3.6.3 de la Norma API 650 [19] y calcula los espesores

requeridos considerando que el punto de diseño para el anillo se sitúa a 1 pie (304.8 mm) por

encima del fondo de cada anillo.

En este método se realizan dos cálculos de espesores, uno para la condición de diseño basada en

la teoría de que el tanque está lleno hasta el nivel máximo de diseño del producto a almacenar, y

otro para la condición hidrostática basado en que el tanque se encuentra lleno de agua hasta el

nivel máximo de diseño. Siendo el espesor requerido para cada lámina de pared el mayor valor

calculado por las siguientes fórmulas:

CAS

G H Dt

d

d +−

= )1(6,2

(3.1)

Láminas de la pareddel tan ue





t t S

H Dt

)1(6,2 −= (3.2)

donde,

t d = espesor de diseño de pared [in]

t t = espesor de pared para prueba hidrostática [in]

D = diámetro nominal del tanque [ft]

H = altura desde el fondo del anillo considerado al borde del tanque [ft]

G = gravedad específica de diseño del liquido a ser almacenado

S d =esfuerzo permisible para la condición de diseño [psi]

S t =esfuerzo permisible para condición de prueba hidrostática [psi]

CA = suplemento por corrosión [in]

Se calcula para cada anillo y se selecciona para cada uno, el mayor de los espesores calculados,entre t d y t t , procediendo a normalizarlo al espesor comercial inmediato superior. Ninguno de

estos espesores podrá ser inferior al espesor mínimo indicado por las normas, ni al requerido por

especificación del cliente.

3.2.5.2. Método de “Punto de diseño variable”.

Este método se encuentra en la Sección 3.6.4 de la Norma API 650 [19], y calcula los espesores

en puntos donde el esfuerzo circunferencial real está muy cerca del admisible, por tal motivo es

un método de aproximación por tanteo, permitiendo obtener espesores reducidos con respecto almétodo anterior. Este método aplica cuando no se especifica el uso del “Método de Un Pie”, para

tanques de diámetro menor a 200 pies (60960 mm) y se cumpla la condición que se presenta en la

ecuación (3.3) a continuación. Adicionalmente, se requiere la aprobación de PDVSA para la

aplicación de este método.

2≤ H

L (3.3)

donde,

L = t D 6 [in]

D = diámetro del tanque [ft]

t = espesor del anillo del fondo [in]

H = nivel máximo del liquido de diseño [ft]





3.2.5.3. Método de cálculo del “Apéndice A”

El método de cálculo del “Apéndice A” es un procedimiento que utiliza un esfuerzo admisible

fijo de 21.000 psi (145 MPa), obteniéndose espesores mayores que para el resto de los métodos;

pero las inspecciones radiográficas son menos exigentes. Siendo el espesor máximo para poder

usar este método de cálculo no mayor a 1/2 in (12,5 mm).

Su aplicación es recomendable para tanques de pequeña capacidad donde el costo de inspección

de soldaduras (radiografías, etc.) puede superar el sobredimensionamiento de espesores del

tanque. La capacidad del tanque se calcula como se presenta a continuación:

H DC 14,0 2= (3.4)

donde,

C = Capacidad del tanque [barriles] D = diámetro del tanque [ft]

H = altura del tanque [ft]

Este método se basa en el mínimo espesor de pared de acuerdo a la ecuación (3.5). Los

resultados obtenidos para diferentes capacidades nominales de los tanques se encuentran en las

tablas A-3 y A-4 del Apéndice A de la Norma API 650 [19], dado que en Venezuela el tamaño de

las láminas comerciales es de 24000 mm (96 in) de ancho, y es por ello que se recomienda el uso

de los datos presentados en dichas tablas.

( )CA

E

G H Dt d +

−=

000.21

)1(6,2 (3.5)

donde,

t d = espesor mínimo [in]




CA = suplemento por corrosión [in]

E = eficiencia de la junta, (valor igual a 0,85 o 0,70 de acuerdo a la Sección A.4.1 de la Norma

API 650 [19])





3.2.5.4. Método de cálculo del “Apéndice S”.

Este método, es semejante al método de “un pie” con la diferencia de que considera la

eficiencia de junta para el cálculo de los espesores por prueba hidrostática y de diseño, utilizando

las expresiones a continuación.

CAE S

G H Dt

d

d +−

=

)1(6,2 (3.6)

E S

H Dt

t

t

)1(6,2 −= (3.7)

donde,

t d = espesor de diseño de pared [in]

t t = espesor de pared para prueba hidrostática [in]




E = eficiencia de junta 1; 0,85 ó 0,7. (Ver Tabla 3.4 a continuación)

CA = Tolerancia por corrosión [in]

S d = Esfuerzo permisible para la condición de diseño [psi]

S t = esfuerzo permisible para condición de prueba hidrostática [psi]

Tabla 3.4. Eficiencia de junta según API 650 [19] (Apéndice S, Tabla S-4)

Eficiencia de junta Requerimientos de radiografiado

1,0 Radiografiado por 6.1.2

0,85 Radiografiado por A.5.30,70 Sin requerimientos de radiografiado.

3.2.6. Diseño de piso o fondo del tanque.

El dimensionamiento de la placa o piso del tanque depende de varios factores (Sección 3.4 de la

Norma API 650 [19]) como lo son:

La fundación

Grado de sedimentación

Tamaño del tanque

Corrosión





El fondo del tanque se encuentra compuesto por láminas o planchas de acero, cuya distribución

se puede observar en la Figura 3.4. El mínimo espesor del fondo debe ser 6 mm (1/4 in)

excluyendo cualquier sobre espesor por corrosión especificado por el cliente, y un ancho igual o

superior a 1800 mm (72 in).

Debido al efecto de los asentamientos diferenciales que ocurren bajo el perímetro de apoyo dela pared del tanque, los cuales traen como consecuencia el pandeo de la pared y concentración de

esfuerzos en las juntas pared-techo-fondo se recomienda el uso de una placa anular debajo de la

pared del tanque donde va apoyado el fondo. En la Figura 3.3 se presenta un asentamiento típico

para tanques.

Figura 3.3. Asentamiento típico para tanques por Norma API 650 [19]





Figura 3.4. Detalles del arreglo para fondos de tanques con placa anular [21]

3.2.7. Diseño de placa anular de fondo.

El diseño de la placa anular de fondo se encuentra en la Sección 3.5 de la Norma API 650 [19],

y su uso debajo de la pared del tanque reduce el efecto de los asentamientos diferenciales al igual

que se aumenta la resistencia al momento de volcamiento inducido por las cargas sísmicas. El





espesor de la placa anular se lee con el esfuerzo de prueba hidrostática (S t ) del fluido y el espesor

del primer anillo en la Tabla 3-1 de la Sección 3.6 en la Norma API 650 [19] y debe tener:

Un ancho radial mayor de 24 in (600 mm), medidos entre el interior de la pared y

cualquier junta con la lámina de fondo, pudiendo tener forma poligonal con el

número de lados igual al número de láminas del fondo Figura 3.5.

Figura 3.5. Espesor mínimo de placa anular de fondo.

Una proyección exterior mínima de 2 in (50 mm) medidas desde el exterior de la

pared del tanque y su borde debe ser circular.

Un espesor no mayor al del anillo de fondo del cuerpo para evitar inestabilidad

sísmica.

El ancho radial de la placa anular del fondo se calcula de la siguiente manera:

G H

t a b

rad

390> (3.8)

donde,

arad = Ancho Radial de la Placa Anular del Fondo [in]

t b = Espesor de la Placa Anular del Fondo [in]

H = Altura máxima de llenado [ft]

G = Gravedad específica de diseño del líquido a ser almacenado

3.2.8. Diseño del anillo rigidizador ( top angle).

El anillo rigidizador o top angle es un elemento estructural (de perfil “L”) que se coloca en la

parte superior del último anillo o lámina de la pared del tanque para lograr la rigidización del





mismo, además de ayudar al soporte del techo. El procedimiento para el dimensionamiento del

anillo rigidizador se presenta brevemente a continuación:

Se determina el módulo de la sección mínima requerida para el ángulo de tope, de acuerdo a

la Sección 3.9.6.1 de la Norma API 650 [19].

22

1000001.0

= V H D Z (3.9)

donde,

Z = módulo de sección [in3]


H = altura del tanque [ft]

V = velocidad del viento [mph]

Se selecciona el arreglo de junta techo-pared según la Figura F-2 del Apéndice F de laNorma API 650 [19].

De la Tabla 3-20 de la Norma API 650 en la sección 3.10.3, se selecciona el perfil “L” para

el ángulo de tope. Este perfil también puede ser seleccionado de tablas de fabricantes y

proveedores de elementos estructurales. Se debe considerar que el módulo de sección del

ángulo debe ser mayor al requerido.

Se verifica que la unión de techo pared cumpla con los requerimientos según el Apéndice F

de la Norma API [19], donde se comprueba:

- Cálculo de la presión máxima de diseño (Sección F.4.1 de la Norma API 650 [19])

ht D

AP 8

tan308002

+= θ

(3.10)

donde,

P = presión interna de diseño [in H2O]

A = área participante en la junta techo pared [in2]

θ = ángulo del techo en grados


t h = espesor del techo [in]

- Cálculo del área requerida para la junta techo pared (Sección F.5.1 de la Norma API 650

[19])





)(tan30800

)8(2

1.5θ

hrF

t P D A

−= (3.11)

- Cálculo de la presión máxima de diseño (Sección F.4.2 de la Norma API 650 [19])

32max

817,0 8

245,0

D

M t

D

W P

h

−+= (3.12)

donde,

Pmax = presión máxima de diseño [in H2O]


W = peso total de soportado por la pared y techo [lbf]

M = momento por viento, siempre y cuando ésta halla sido especificado; de otra manera M =0

- Cálculo de la presión de falla (Sección F.6 de la Norma API 650 [19])

h f t PP 8,46,1 −= (3.13)

donde,

t h = espesor del techo [in]

P = presión interna de diseño [in H2O]

P f = Presión de falla [in H2O]

- Se compara la presión máxima de diseño y la presión de falla (sección F.4.3)

f PP 8,0max < (3.14)

donde,

Pmax = máxima presión de diseño [in H2O]

P f = Presión de falla [in H2O]

3.2.9. Diseño de techo cónico autosoportado.

Para el diseño se toman en cuenta los siguientes aspectos (Sección 3.10.5 de la Norma API 650

[19]):

Diámetro del tanque debe ser menor o igual a 40 ft (12.192 mm). El ángulo de inclinación debe estar entre 9.5° (slope =2:12) y 37° (slope =9:12)

El espesor de las láminas del techo, sin incluir el sobre espesor por corrosión, debe

estar entre 3/16 y 1/2 in, determinado de acuerdo a la sección 3.10.5.1 por:

θ Sen

Dtt

400= (3.15)





donde,

tt = espesor de las láminas del techo, sin incluir el sobre espesor por corrosión [in]

D = diámetro del tanque [pies]

θ = Ángulo del techo en grados.

3.2.10. Diseño de techo cónico soportado.

El diseño del techo cónico soportado (Sección 3.10.4 de la Norma API 650 [19]) toma en

cuenta los aspectos a considerar para el diseño de los elementos estructurales que lo componen,

los cuales se pueden observar en la Figura 3.6.

Rafters, los cuales son vigas radiales que van en sentido radial y son diseñadas para

soportar el peso de las láminas y demás accesorios existentes en el techo. Están en

contacto directo con las láminas del techo.

Girders, son vigas perimetrales que van en sentido poligonal y soportan a los “rafters”.

Columnas, las cuales van en sentido vertical y soportan las cargas transmitidas por las

vigas.

Placa base, que es la placa en donde se apoya la parte inferior de las columnas, y las

ayuda a mantenerlas en su lugar

Figura 3.6. Partes básicas de un techo soportado en tanques de almacenamiento.

El diseño de este tipo de techo debe tener las siguientes características:

El diámetro del tanque debe ser mayor a 40 ft (12.192 mm).





El espesor del techo no debe ser menor a 3/16 in (Sección 3.10.2.2 de la Norma API 650

[19]).

La inclinación del techo debe ser mayor a 16.26° (slope = 3/4:12).

Las láminas del techo no deben ser unidas a los miembros estructurales.

Los miembros estructurales internos y externos deberán tener un espesor mínimo nominalde 0.17 in (Sección 3.10.2.4 de la Norma API 650 [19]).

Las estructuras deberán soportar una carga viva más una carga muerta uniforme no menor

a 25 lb/ft2.

El espacio entre las vigas en la pared del tanque no debe ser mayor a 6.28 ft, y en la parte

interna del tanque a 5½ ft (Sección 3.10.4.4 de la Norma API 650 [19]).

3.2.11. Análisis de las condiciones sísmicas “Apéndice E”

El análisis sísmico se encuentra descrito en el Apéndice E de la Norma API 650 [19], se basa ensuponer que la respuesta dinámica en dirección horizontal del sistema tanque-líquido está

definida por dos modos de vibración:

Un modo impulsivo donde una parte del líquido se mueve en armonía con las paredes del

tanque, que produce una respuesta amplificada de alta frecuencia.

Un modo convectivo donde una parte del líquido oscila independientemente del

movimiento del tanque, produciendo una respuesta amplificada de baja frecuencia.

El modelo dinámico está constituido por dos pesos equivalentes donde uno representa el efectodel modo impulsivo y el otro el efecto del modo convectivo.

La altura equivalente de cada peso referida al fondo del tanque, se utiliza para calcular los

momentos de volcamiento en la base, resultantes de los efectos hidrodinámicos. El Apéndice E

de API 650, en el punto E.3.1, calcula el momento de volcamiento mediante la siguiente

ecuación:

)( 22211111 X W C X W C H W C X W C I Z M T RS S +++= (3.16)

donde,

M = momento de volcamiento aplicado en la pared [lb-ft]

Z = coeficiente sísmico de la zona, tomado de las Tablas E-1 y E-2 del Apéndice E de la Norma

API 650 [19]

I = factor de importancia, que comúnmente es suministrado por el fabricante.





C 2 = coeficiente de fuerza lateral. Se determina de acuerdo a la Sección E.3.3.2 de la Norma

API 650 [19] obteniendo los valores T y S .

)( 5,0 Dk T = (3.17)

donde,

T = período natural del primer modo de olaK = se determina de la Figura E-4 en la Norma API 650 [19]


S = se obtiene de la Tabla E-3 de la Norma API 650 [19]

Con T y S se calcula C 2 de acuerdo a:

Si T ≤ 4,5T

S C

75,02 = (3.18)

Si T ≥ 4,522

375,3T

S C = (3.19)

C 1 = Coeficiente de fuerza lateral. Se determina de acuerdo a la Sección E.3.3.1 de la Norma

API 650 [19]. Sin embargo es comúnmente utilizado 0,6.

Ws = peso total de las paredes del tanque [lb]

Xs = altura desde el fondo del tanque hasta el centro de gravedad de la pared [ft]

Wr = peso total del techo del tanque [lb]

Ht = altura de la pared del tanque [ft]

W 1 = peso de la masa efectiva contenida en el tanque que se mueve conjuntamente con la pared

del tanque (modo impulsivo), determinado por la Figura E-2 de la Norma API 650 [19] [lb]

W 2 = peso de la masa efectiva del contenido del tanque que se mueve en el primer modo de

oleaje, determinada por la Figura E-2 de la Norma API 650 [19] [lb]

X 1 = centroide de fuerza sísmica lateral aplicada a W 1 [ft] determinado por la Figura E-3 de la

Norma API 650 [19].

X 2 = centroide de fuerza sísmica lateral aplicada a W 2 [ft] determinado por la Figura E-3 de laNorma API 650 [19].





3.2.12. Requerimiento de anclaje.

Luego de determinar el momento de volcamiento aplicado a la pared, se calcula la fuerza de

compresión del cuerpo de acuerdo a la Sección E.5.1 de la Norma API 650 [19], de donde en

conjunto con el punto E.5.2 de la Norma API 650 [19], se puede determinar si el tanque requiere

anclaje o no.

Si el tanque resulta estructuralmente inestable, se deben tomar ciertas medidas:

Aumentar el espesor de la placa de fondo bajo la pared, para incrementar el peso máximo

del contenido de tanque que puede ser usado para que la pared del tanque resista al

momento de volcamiento, sin exceder las limitaciones de las Secciones E-4.1 y E-4.2 de

la Norma API 650 [19].

Aumentar el grosor de la pared.

Cambiar las dimensiones del tanque, aumentar el diámetro y reducir la altura.

Anclar el tanque conforme a la Sección E.6 de la Norma API 650 [19].

3.2.13. Cálculo de estabilidad por viento

La estabilidad por efecto de las cargas del viento se determina de acuerdo a la Sección 3.11 de

la Norma API 650 [19], de la siguiente manera:

Se calcula el área proyectada del techo y la pared.

Para el techo: 2 hr D Atecho = (3.20)

Para el cuerpo H D Acuerpo = (3.21)

donde,

D = diámetro exterior del tanque [ft]

hr = altura desde la parte mas alta del cuerpo, hasta la punta del techo del tanque [ft]

H = altura del cuerpo medido desde el fondo [ft]

Atecho = área proyectada del techo [ft2]

Acuerpo = área proyectada del cuerpo [ft2

]

Se calcula la fuerza ejercida por el viento en el techo y la pared, suponiendo una presión

de 15 psf para el techo y 18 psf para el cuerpo, basado en una velocidad de 100 mph,

según la Sección 3.11.1 de la Norma API 650 [19].





Para el techo: 2)100(15 V AF techotecho = (3.22)

Para el cuerpo: 2)100(18 V AF cuerpocuerpo = (3.23)

donde,

F techo = fuerza ejercida por el viento sobre el techo [lb]F cuerpo = fuerza ejercida por el viento sobre el cuerpo [lb]

V = velocidad del viento [mph]

La fuerza resultante en el tanque por acción del viento [lb] viene dada de la siguiente

forma:

cuerpotechotv F F F += (3.24)

El momento resultante en el tanque por acción del viento (momento de vuelco) se calcula

de la siguiente manera:

Para el techo: t techotecho X F M = (3.25)

Para el cuerpo: ccuerpocuerpo X F M = (3.26)

Momento resultante en el tanque [lb-ft]: cuerpotechotv M M M += (3.27)

donde,

M techo = momento resultante en el techo por efecto del viento [lb-ft]

M cuerpo = momento resultante en el cuerpo por efecto del viento [lb-ft]

X t = distancia desde el fondo del tanque, hasta el centro de gravedad del techo [ft]

X c = distancia desde el fondo del tanque, hasta el centro de gravedad del cuerpo [ft]

Verificación de requerimiento de anclaje por volcamiento, según el punto 3.11.2 de la

Norma API 650 [19], se realiza según la siguiente desigualdad:

)2

(

3

2 DW M ≤ (3.28)

donde,

M = M tv


W = peso de la pared mas el peso del techo soportado por la pared, menos la fuerza ejercida por

la presión interna [lb]





Si la desigualdad no se cumple, el tanque requiere anclaje.

La verificación de requerimiento de anclaje por fuerza cortante, se realiza por la siguiente

ecuación:

tvF W <4,0 (3.29)

Donde 0,4 corresponde al coeficiente de roce del tanque con el asentamiento.

Si no se cumple ésta desigualdad, el tanque requiere anclaje.

3.3. Técnicas de control de operación y seguridad de tanques de almacenamiento.

Este tópico corresponde a la última sección de la guía de diseño de tanques de almacenamiento

[18], y tiene como propósito indicar de manera general las técnicas de control de operación y

seguridad. Luego de reuniones con el personal del Departamento de Instrumentación y Control,

se establecieron los siguientes aspectos generales a considerar en esta área:

Instrumentación para el control de presión para las operaciones normales de

funcionamiento:

o Sistema de venteo para el proceso de llenado o vaciado del tanque.

o Contra-balanceo por infusión de un gas inerte o gas malta a través de una válvula

de respiro para el caso de vaciado del tanque.

o Para la operación de almacenamiento, se recomienda el uso de válvulas

reguladoras. Instrumentación para el control de nivel, para lo cual se recomiendan dispositivos

medidores de sonido o radares y pueden ser usados con líquidos corrosivos.

Instrumentación para el control de temperatura por medio del uso de un termopar.

Sistemas de seguridad para el control y prevención de situaciones críticas que incluye el

uso de sprays, sistemas rociadores o de espuma, sistemas de alivio de presión y apropiado

mantenimiento preventivo



57


CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Con el presente trabajo se logró desarrollar una guía de selección de bombas que cumplió con

todos los objetivos planteados. Esta guía representa un gran aporte para la introducción del

personal nuevo que ingresa al Departamento de Mecánica, abarcando los siguientes aspectos:

Consideraciones básicas para el diseño de bombas centrífugas y de desplazamiento

positivo: rotativas tipo tornillo y reciprocantes tipo pistón. Estas últimas se encuentran en

la guía de selección del Anexo 2.

Criterios de selección para bombas centrífugas de acuerdo a la normativa de diseño API

610 [9] por medio de cálculo manual y uso de software de selección.

Consideraciones generales sobre los sistemas de control de operación y seguridad

asociados a los equipos de bombeo.

Es importante considerar que la selección de un equipo de bombeo para una planta de procesosdepende de muchos factores que quedan fuera del alcance de las consideraciones generales

establecidas en la guía de selección de bombas elaborada, debido a que la selección es relativa a

los requerimientos de cada sistema de bombeo, siendo estos de gran diversidad.

Adicionalmente, se logró el desarrollo de una guía de diseño para tanques atmosféricos de

almacenamiento de acuerdo a la Norma API 650 [19], que cumplió con todos los objetivos

establecidos. Esta guía va dirigida al personal que incursiona en esta área de diseño, permitiendo

realizar el cálculo manual de manera sistemática y eficientemente, abarcando los siguientestópicos:

Consideraciones generales a seguir para la selección del tipo de tanque a utilizar de

acuerdo a varios criterios de clasificación: por diseño, tipo de servicio y presión interna.

Diseño del piso o fondo del tanque, pared, ángulo de tope, techo cónico soportado y

autosoportado, estudio sísmico y de viento, por la norma API 650 [19].

Aspectos generales a considerar sobre los sistemas de control de operación y seguridad

para tanques de almacenamiento.Se recomienda a Empresas Y&V enriquecer estos manuales de procedimiento constantemente,

con material actualizado y de conocimiento adquirido por la experiencia, ya que representa

material valioso para el constante crecimiento y desarrollo de las actividades a realizar por la

empresa, así como su extensión al resto de los equipos mecánicos, tales como: intercambiadores

de calor, compresores, hornos, y otros.



58


REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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rotativos en Empresas Y&V”. Empresas Y&V / Universidad Simón Bolívar. Caracas, 2005.

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plantas de procesos e identificación de oportunidades de mejora en la ejecución de actividades de

la Gerencia de Mecánica de Empresas Y&V”. Empresas Y&V / Universidad Metropolitana.

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Petróleo, para la empresa CE&A C.A”. CE&A. Chile, 2005.

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[12] PDVSA. N°: MDP–02–P–07. “Características de comportamiento de las bombas

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[13] Castagnetti, M. “Curso Básico de Intercambiadores de Calor, Recipientes a Presión,

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eacRCRD&vgnextfmt=default&locale=en_US, consultado el 25 de junio del 2008.

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60


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ISA – The Instrumentation, Systems, and Automation Society. “Graphic Symbols for

Distributed Control / Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems”. Carolina

del Norte, 1982.



61


APÉNDICE A

EJEMPLO DE CÁLCULO DEL PUNTO DE OPERACIÓN DE LAS BOMBAS

REFORZADORAS PARA EL PROYECTO OLEODUCTO BACHAQUERO EN

PUERTO MIRANDA

Se requieren tres (3) bombas conectadas en paralelo y una de refuerzo para manejar crudo

deshidratado para el proyecto Oleoducto Bachaquero en Puerto Miranda. El esquema del sistema

se presenta en la Figura A.1.

Figura A.1. Esquema del sistema y ubicación de las bombas reforzadoras.

Fuente: Hoja de datos del Departamento de Procesos.

Datos del problema:

Rugosidad aparente (ε): 0,00015 pie

Gravedad Específica: 0,901 @ 75°F

Capacidad de diseño: 4394gpm

Presión de vapor @ Tmáx (90°F): 11 psia = 28,202 pies

Viscosidad dinámica: 264cp @ 75°F

Para el caso de un oleoducto el requerimiento a garantizar a diferencia de los sistemas comunes

es el diferencial de presiones a lo largo del mismo. Razón por la cual se en este caso de trabaja enfunción de una curva piezométrica donde se visualizan las caídas de presión a lo largo del mismo.

Este gráfico no se presenta de manera ilustrativa en el presente informe ya que no resulta

indispensable para los cálculos que se presentan a continuación.

El primer paso para la resolución de este caso es determinar el diámetro de tubería de las líneas

de trabajo, donde los criterios de diseño para el dimensionamiento de las líneas se rigen por la



APÉNDICE A: EJEMPLO DE CÁLCULO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS 62


Norma PDVSA: 90.616.1.024 “Dimensionamiento de Tuberías de Proceso” Manual de Ingeniería

de Diseño, Vol. 13-III. Para ello es necesario determinar la velocidad de diseño en las líneas de

tuberías, considerando el criterio de velocidad de erosión que se muestra en esta norma, y viene

dado por la siguiente expresión:

Considerando velocidad máxima recomendada para diseño en servicio continuo:

s pieV / 33,13100

== ρ

donde,

ρ = Densidad del fluido [lb/pie3]

V = Velocidad máxima por erosión [pie/s]

La densidad del fluido viene dada por:

33 / 25,56 / 901 pielbmkgspgr spgr agua fluidoagua

fluido==⋅=⇒= ρ ρ

ρ

ρ

Por consiguiente el diámetro de tubería es el determinado por:

lg10,204

puV

N Q D AV Q diseño =

⋅

⋅⋅=⇒⋅=

π

donde, N = Número de bombas en funcionamiento (tres bombas).

Q diseño = Caudal de diseño [ft3 /s]

Se tiene que el diámetro crítico para el diseño es 20,10pulg, se recomienda un diámetro mayor a

este valor para evitar la erosión.

La Norma PDVSA 90.616.1.024 establece las velocidades típicas de líquidos en tubería de

acero. De acuerdo a la Tabla 2.3 la velocidad típica del hidrocarburo líquido a la succión de la

bomba se encuentra en un valor recomendado entre 3-6ft/s para diámetros de 10-20pulg.

Suponiendo una velocidad de 6pie/s comprendida en el rango de velocidades recomendadas se

obtiene un diámetro de 29,96pulg, seleccionando para el diseño de la tubería un diámetro

comercial de 30pulg, tanto para la tubería de succión como para la de descarga.





Recalculando la velocidad del fluido para un diámetro de 30pulg se tiene V=5,983pie/s, el cual

se mantiene constante para todo el sistema de tuberías.

Tabla 2.3. Velocidades típicas de líquidos en tuberías de acero

Cálculo de las pérdidas en el sistema:

Por la ecuación de Darcy Weisbach:

g D

V L f hf

⋅⋅

⋅⋅=

2

2

(B.1)

donde,

f = factor de fricción.

D = diámetro de la tubería [pie]

g = gravedad [9,8m/s2 o 32,15ft/s2]

L = longitud de la tubería [pie]

Para determinar el factor de fricción se determina el Número de Reynold:





υ

DV ⋅=Re (B.2)

υ

ν ρ = fluido (B.3)

donde,

υ = Viscosidad cinemática [pie2 /s]

v= Viscosidad dinámica [cp]

De la ecuación (B.3) se obtiene: v=0,0031539pie2 /s.

De la ecuación (B.2) se obtiene: Re= 4742,54

De acuerdo a los siguientes criterios el caudal de trabajo se considera en el rango turbulento:

Si Re < 2000 El flujo es Laminar. Si Re > 4000 El flujo es Turbulento

Si 2000 < Re < 4000 Se encuentra en Zona Crítica.

Aplicando la ecuación de C. F. Colebrook.

⋅+⋅−=

f D f Re

51,2

7,3log2

110

ε

Finalmente el factor de fricción es: f = f 1 = f 2 = 0,03803

Las pérdidas para el tramo 1 con L= 900m ⇒ hf 1= 25,09432 pie

Las pérdidas para el tramo 2 con L= 250m ⇒ hf 1= 6,97605 pie

Las pérdidas por accesorios se consideran despreciables debido a la gran longitud de las

tuberías, implicando grandes pérdidas por fricción en las mismas.

Cálculo de la altura del sistema por aplicación de la ecuación de Bernoulli:

La altura del sistema para el punto de operación de la bomba, de acuerdo a lo explicado en elpunto 1.2.1 del presente informe, viene dada por la ecuación (1.1):

∑+⋅

−⋅

+−+−== 12

21

2212

12 22hf

g

V

g

V PP y y H H Bsistema

γ γ

donde,





y2 = 1m

y1 = 0,9 m

P2 = 180psi

psimsmmkgghP 68937,21,2 / 8,9 / 901 231 =⋅⋅== ρ

V 2 = V 1 = 5,983pie/s.Σ hf = hf 1 + hf 2 = 32,07042 pie

γ = Peso Específico = ρ fluido .g

Finalmente la altura requerida por el sistema es: H sistema = 486,31 pie

Con la altura del sistema requerida (486,31 pie) y el caudal de diseño (4394,5 gpm) se

selecciona la bomba adecuada para el sistema. Posteriormente, para determinar el punto de

operación de la bomba con la curva del sistema, el programa selector de bombas arroja una tabla

de datos de los cuales dos o tres puntos pueden ser graficados permitiendo determinar por mediode una línea de tendencia la curva de la bomba. De esta manera se obtiene la gráfica que se

presenta en la 0 a continuación. Además se deben considerar los criterios para el diseño de

bombas en paralelo para la representación gráfica de las 3 bombas en funcionamiento.

Punto de Operación de la Bomba

0

50

100

150

200

250

300

0 2000 4000 6000 8000 10000

Q [gpm]

P [

p s i ]

Curva del sistema

Curva de la bomba

2 Bombas en paralelo

3 Bombas es paralelo

Figura A.2. Punto de operación de la bomba.



66


APÉNDICE B

EJEMPLO DE DISEÑO DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO PARA DIESEL

Con el objetivo de visualizar el procedimiento del diseño de tanques, se calculó el

dimensionamiento para un caso particular de tanque atmosférico de almacenamiento para Diesel.

La hoja de Excel que se presentará a continuación, fue facilitada por el personal del

Departamento de Mecánica en Empresas Y&V, la cual fue modificada y adaptada de acuerdo a

los pasos a seguir por la guía de diseño, además de hacerla un poco más intuitiva para el usuario.

En la primera sección se determinan los datos de entrada para el cálculo de los espesores de

pared del tanque objeto de diseño.

Figura B.1. Datos de entrada para el diseño de pared del tanque.

Una vez determinados los datos de entrada para el cálculo, el siguiente paso fue calcular los

espesores de pared del tanque de almacenamiento por el método de un pie o “one foot”.

Figura B.2. Cálculo de espesores de pared por el método de un pie “one foot”.



APÉNDICE B: DISEÑO DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO 67


Posteriormente se diseñó el piso del tanque conformado por el fondo y la placa anular.

Figura B.3. Diseño de fondo y placa anular del tanque.

A continuación se diseñó el techo del tanque. Dado que el diámetro del tanque era menor a 40

ft, se seleccionó un techo cónico soportado.

Figura B.4. Diseño de techo autosoportado parte I.



APÉNDICE B: DISEÑO DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO 68


Figura B.5. Diseño de techo autosoportado parte II.

Finalmente, se obtuvo el el dimensionamiento de pared, fondo, placa anular, ángulo de tope y

techo cónico autosoportado del tanque solicitado para almacenamiento de diesel.



69


ANEXO 1

SISTEMA DE CONTROL EN UNA ESTACIÓN TÍPICA DE BOMBEO

Figura 1.1. Ejemplo de sistema de control típico para una estación de bombeo.



70

ANEXO 2

CONTENIDO DE LA GUÍA DE SELECCIÓN DE BOMBAS

(Ver archivo adjunto)

selecc bombas y diseño de tanques p plantas de proceso

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