UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIN DE INGENIERA MECNICA

MANUAL DE DISEO PARA SISTEMAS DE TUBERAS Y TANQUES ATMOSFRICOS DE TECHO FIJO

Por:

Br. Miguel Alejandro Guzmn Acosta

INFORME DE PASANTA Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar

como requisito parcial para optar al ttulo de

Ingeniero Mecnico

Sartenejas, Diciembre de 2012

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIN DE INGENIERA MECNICA

MANUAL DE DISEO PARA SISTEMAS DE TUBERAS Y TANQUES ATMOSFRICOS DE TECHO FIJO

Por:

Br. Miguel Alejandro Guzmn Acosta

Realizado con la asesora de: Tutor Acadmico: Ing. Milton Lpez Barbella

Tutor Industrial: Ing. Rodolfo E. Arrieta B.

INFORME DE PASANTA Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar

como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero Mecnico

Sartenejas, Diciembre de 2012

iv

Resumen

Los sistemas de tuberas y los tanques atmosfricos de techo fijo, son elementos ampliamente utilizados a nivel industrial en la actualidad, por esta razn en gran cantidad de proyectos ingenieriles se debe desarrollar el diseo de cada uno de los mismos. Partiendo de esa necesidad, y usando normas internaciones como la ASME (Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos), API (Instituto Americano del Petrleo), normas nacionales como la COVENIN (Comisin Venezolana de Normas Industriales), PDVSA (Petrleos de Venezuela, S.A.), documentos de referencia, y buenas prcticas de la ingeniera, se establecieron ciertos criterios para el clculo,

dimensionamiento y especificaciones de sistemas de tuberas y de tanques atmosfricos de techo fijo. Esas bases y premisas fueron el fundamento para generar un manual de diseo para sistemas de tuberas y tanques atmosfricos de techo fijo, que ser tomado como una gua de diseo por la empresa SVINCA (Servicios Venezolanos de Ing, C.A.). En el manual se reflejan de una forma amigable y paso a paso los procedimientos a seguir para asegurar un resultado vlido y eficaz. Referente a los sistemas de tuberas el manual abarca las tuberas de procesos, los oleoductos y los gasoductos, de acero sometidas a presin interna, a ser instalados en tierra firme; y en lo que corresponde a los tanques, aplicar para tanques de acero para almacenamiento, soldados de

diversos tamaos y capacidades, sometidos a presiones internas que se aproximen a la presin atmosfrica. El manual permitir que el proceso de diseo sea realizado con mayor rapidez y de

forma cmoda.

v

Dedicatoria

Este trabajo lo dedico primeramente a Dios, porque cada cosa que hago es para su gloria y honra. Tambin quiero dedicarlo a mi familia (Jos Guzmn, Idilia de Guzmn, Daniel Guzmn y Celina Guzmn) para que esto sea un motivo de alegra y gozo para ellos, y espero poder seguir regalndole razones para estar contentos.

vi

Agradecimientos y reconocimientos

Agradezco a Dios el Padre, al Seor Jesucristo y al Espritu Santo por darme la vida, por ensearme el verdadero motivo de mi existencia, y por todo su amor, esta meta slo la pude lograr gracias a l. Mis padres y mis hermanos han sido un apoyo extraordinario para m, independientemente de lo que suceda siempre estn conmigo, y son mi motivacin para continuar, les doy muchas gracias por su cario.

Le doy muchas gracias a toda mi familia de la Iglesia Adventista del Sptimo Da, del Hatillo, de Baruta y de los Puertos de Altagracia, han sido muy especiales para m y los llevo en mi corazn, gracias porque durante el tiempo que estuve estudiando mi carrera me hicieron sentir querido y muy apreciado.

Tambin me gustara mencionar de forma particular a la familia Martnez Bravo, han cambiado mi vida, y son una de las mayores bendiciones que el Seor me ha regalo, es un privilegio

tenerlos, muchas gracias por cada detalle donde he visto su amor hacia m.

Agradezco al equipo de SVINCA por su colaboracin durante todo el tiempo que estuve de pasanta y por haberme recibido con tanta fraternidad. Le doy gracias al Ing. Edixio Urdaneta por su asesora continua para realizar este trabajo, al Ing. Rodolfo Arrieta por sus revisiones y continuo inters, y al Ing. Orlando Inciarte por tomarse la molestia de examinar los documentos y realizar sus importantes comentarios.

Finalmente agradezco a la Universidad Simn Bolvar por todos los conocimientos que he logrado adquirir en esa casa de estudios, y por impulsar en m un espritu de excelencia y de esfuerzo para conseguir las metas.

vii

ndice general

ndice de tablas ........................................................................................................................................ xi ndice de figuras .................................................................................................................................... xiii Lista de smbolos ................................................................................................................................... xiv

Lista de abreviaturas ............................................................................................................................ xviii

Introduccin ............................................................................................................................................ 1

DESCRIPCIN DE LA EMPRESA ........................................................................................................ 2 1.1. Objeto ............................................................................................................................................... 2 1.2. Informacin general .......................................................................................................................... 2

1.3. Logo ................................................................................................................................................. 3

1.4. Estructura organizativa ...................................................................................................................... 3

1.5. Misin .............................................................................................................................................. 3

1.6. Visin ............................................................................................................................................... 5

1.7. Valores ............................................................................................................................................. 5

1.8. Poltica de la calidad ......................................................................................................................... 6

1.9. Objetivos de la calidad ...................................................................................................................... 6 1.10. reas de negocio ............................................................................................................................. 6 1.10.1. Servicios profesionales y asesoras ............................................................................................... 6

1.10.2. Gerencia de proyectos .................................................................................................................. 7

1.10.3. Asesoras en reas especficas ....................................................................................................... 7

MARCO TERICO ................................................................................................................................ 8 2.1. Sistemas de tuberas .......................................................................................................................... 8

2.1.1. Normas aplicables en el diseo de tuberas ..................................................................................... 9

2.1.2. Cargas en tuberas ........................................................................................................................ 10

2.1.3. Criterios de diseo de tuberas de procesos, oleoductos y gasoductos ............................................ 12

2.1.4. Esfuerzos admisibles .................................................................................................................... 13

2.1.5. Esfuerzos por presin ................................................................................................................... 13

2.1.6. Esfuerzos por cargas sostenidas .................................................................................................... 15

2.1.7. Esfuerzos de expansin ................................................................................................................ 17

2.1.8. Consideraciones sobre esfuerzos permisibles en oleoductos .......................................................... 19

2.1.9. Consideraciones sobre esfuerzos permisibles en gasoductos.......................................................... 19

2.2. Tanques de almacenamiento ............................................................................................................ 20

viii

2.2.1. Normas aplicables en el diseo de tanques de almacenamiento ..................................................... 22

CLCULO, DISEO Y ESPECIFICACIONES DE SISTEMAS DE TUBERAS ................................. 25 3.1. Propsito ......................................................................................................................................... 25

3.2. Alcance ........................................................................................................................................... 25

3.3. Responsabilidad .............................................................................................................................. 25

3.4. Metodologa empleada .................................................................................................................... 26

3.5. Bases y criterios de diseo para el clculo de espesores de pared ..................................................... 26

3.5.1. Presin y temperatura de diseo ................................................................................................... 26

3.5.1.1. Presin de operacin (PO) ......................................................................................................... 26 3.5.1.2. Presin mxima de operacin (PMO) ........................................................................................ 27 3.5.1.3. Presin de diseo (PD) .............................................................................................................. 27 3.5.1.4. Temperatura de diseo (TD) ...................................................................................................... 28 3.5.2. Seleccin y especificacin de materiales ....................................................................................... 30

3.5.2.1. Tuberas .................................................................................................................................... 30

3.5.2.2. Accesorios ................................................................................................................................. 30

3.5.2.3. Bridas ........................................................................................................................................ 31

3.5.2.4. Empacaduras ............................................................................................................................. 32

3.5.2.5. Pernos y tuercas......................................................................................................................... 32

3.5.3. Dimetro nominal......................................................................................................................... 36

3.5.4. Sobreespesor por corrosin ........................................................................................................... 38

3.5.5. Factor de calidad (E) .................................................................................................................... 39 3.5.6. Coeficiente (Y) ............................................................................................................................. 43 3.5.7. Factor de reduccin de esfuerzo de junta soldada (W) ................................................................... 43 3.5.8. Factor de diseo de la clase de localizacin (F) ............................................................................. 44 3.6. Clculo de espesor de pared en tuberas ........................................................................................... 45

3.6.1. Tuberas de proceso ...................................................................................................................... 46

3.6.2. Oleoductos ................................................................................................................................... 46

3.6.3. Gasoductos ................................................................................................................................... 47

3.7. Arreglo de sistemas de tuberas (lay-out) ......................................................................................... 47 3.8. Conexin de ramales ....................................................................................................................... 49

3.8.1. Consideraciones generales ............................................................................................................ 49

3.8.2. Tuberas de proceso ...................................................................................................................... 49

3.8.3. Oleoductos y gasoductos .............................................................................................................. 50

ix

3.8.4. Clculo de refuerzo ...................................................................................................................... 51

3.8.4.1. Tuberas de proceso ................................................................................................................... 51

3.8.4.2. Oleoductos y gasoductos ........................................................................................................... 52

3.9. Soporte de tuberas .......................................................................................................................... 53

3.9.1. Consideraciones generales ............................................................................................................ 53

3.9.2. Seleccin de soportes ................................................................................................................... 55

3.9.3. Recomendacin de soportes segn el tipo de tubera ..................................................................... 56

3.10. Estudio de flexibilidad ................................................................................................................... 59

3.10.1. Consideraciones en el diseo del sistema por flexibilidad ........................................................... 59

3.10.2. Mtodos regularmente utilizados en el estudio de flexibilidad de tuberas ................................... 60

3.10.3. Aspectos importantes de oleoductos y gasoductos ....................................................................... 61

3.11. Vlvulas ........................................................................................................................................ 61

3.12. Prueba hidrosttica ........................................................................................................................ 61

3.12.1. Tuberas de proceso .................................................................................................................... 62

3.12.2. Oleoductos ................................................................................................................................. 62

3.12.3. Gasoductos ................................................................................................................................. 63

DISEO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO ATMOSFRICO DE TECHO FIJO ................... 64 4.1. Propsito ......................................................................................................................................... 64

4.2. Alcance ........................................................................................................................................... 64

4.3. Responsabilidad .............................................................................................................................. 64

4.4. Metodologa empleada .................................................................................................................... 65

4.5. Bases y criterios de diseo ............................................................................................................... 65

4.6. Dimensionamiento .......................................................................................................................... 65

4.6.1. Dimetro nominal y altura del tanque ........................................................................................... 65

4.6.2. Altura de los anillos del cuerpo del tanque .................................................................................... 68

4.7. Especificacin de materiales ............................................................................................................ 68

4.8. Diseo del cuerpo del tanque ........................................................................................................... 69

4.8.1. Clculo del espesor del cuerpo por el mtodo de un pie (one-foot) ................................................ 69 4.8.2. Clculo del espesor del cuerpo por otros mtodos ......................................................................... 70

4.9. Diseo del fondo ............................................................................................................................. 71

4.10. Diseo del techo ............................................................................................................................ 72

4.10.1. Techos cnicos autosoportados ................................................................................................... 73

4.10.2. Techos tipo domo y sombrilla autosoportados ............................................................................. 74

x

4.10.3. Techos cnicos soportados ......................................................................................................... 75

4.10.3.1. Columnas de soporte del techo ................................................................................................. 76

4.11. Diseo por sismo ........................................................................................................................... 77

4.11.1. Estudio de estabilidad ................................................................................................................. 79

4.11.2. Altura libre (FB) ......................................................................................................................... 79 4.12. Diseo por viento .......................................................................................................................... 80

4.13. Escaleras y plataformas ................................................................................................................. 82

4.14. Boquillas ....................................................................................................................................... 82

4.14.1. Consideraciones generales .......................................................................................................... 82

4.14.1.1. Boquillas y manholes (bocas de visita) en el cuerpo del tanque ................................................ 82 4.14.1.2. Boquillas y manholes (bocas de visita) en el techo del tanque .................................................. 83 4.14.1.3. Puertas de limpieza .................................................................................................................. 83

4.14.2. Limitaciones de las aberturas en el cuerpo del tanque ................................................................. 84

4.15. Anillos de refuerzo ........................................................................................................................ 84

4.15.1. Atiesador intermedio de viento (wind girders) ............................................................................ 84 4.15.2. Consideraciones generales .......................................................................................................... 85

4.16. Uniones tpicas .............................................................................................................................. 85

4.17. Venteo .......................................................................................................................................... 86

4.17.1. Mtodo Alternativo para calcular los requerimientos de venteo normales .................................... 86

4.17.1.1. Restricciones y limitaciones ..................................................................................................... 86

4.17.1.2. Out-breathing ....................................................................................................................... 86

4.17.1.3. Inbreathing ........................................................................................................................... 87

4.17.2. Capacidad de venteo de emergencia para tanques sujetos a exposicin al fuego .......................... 87 RESULTADOS Y DISCUSIN ............................................................................................................ 89 Conclusiones y recomendaciones ........................................................................................................... 91

Referencias ............................................................................................................................................ 93

xi

ndice de tablas

Tabla 2.1 Factor f. (FIME-UNPRG, 2009) ............................................................................................. 18 Tabla 2.2 Producto, presin y norma aplicable ....................................................................................... 23

Tabla 3.1 Temperatura de diseo de componentes sin aislamiento. (FIME-UNPRG, 2009) ..................... 29 Tabla 3.2 Factor de reduccin por temperatura T. (ASME B31.8, 2010) ................................................. 29 Tabla 3.3 Materiales de uso frecuente para pernos y tuercas. (SILOG, 2010) .......................................... 33 Tabla 3.4 Materiales de uso frecuente para tuberas, bridas y accesorios. (PDVSA, 2000) ...................... 34 Tabla 3.5 Velocidades recomendadas para tuberas de acero. (PDVSA, 1994) ........................................ 36 Tabla 3.6 Base de diseo tuberas de acero al carbono. (PDVSA, 1994)............................................... 37 Tabla 3.7 Rata de corrosin anual (RC) dependiendo del tipo de servicio. (Inemaka, 2007) .................... 38 Tabla 3.8 Sobreespesor por profundidad de la rosca. (SILOG, 2010) ...................................................... 39 Tabla 3.9 Factor de calidad de fundicin bsico Ec. (ASME B31.3, 2008) .............................................. 39 Tabla 3.10 Factor de calidad bsico para juntas soldadas Ej. (ASME B31.3, 2008) ................................. 40 Tabla 3.11 Factor de junta longitudinal E. (ASME B31.8, 2010) ............................................................ 43 Tabla 3.12 Valores del coeficiente Y. (ASME B31.3, 2008) ................................................................... 44 Tabla 3. 13 Factor de reduccin de esfuerzo de junta soldada W. (ASME B31.3, 2008) .......................... 44 Tabla 3.14 Factor de diseo bsico F. (ASME B31.8, 2010) ................................................................... 45 Tabla 3.15 Espacios libres. (SILOG, 2010) ............................................................................................ 48 Tabla 3.16 Espacio mximo entre los soportes de tubera. (PDVSA, 1993) ............................................. 54 Tabla 3.17 Soportes recomendados. (MSS SP-58, 2002) ........................................................................ 56 Tabla 3.18 Equipos sensibles a cargas. (SILOG, 2010) ........................................................................... 60

Tabla 4.1 Dimensiones de tanques de almacenamiento atmosfricos. (PEMEX, 2005) ........................... 66 Tabla 4.2 Mnimo espesor de las placas del cuerpo del tanque. (API 650, 2007) ..................................... 69 Tabla 4.3 Espesores de la placa anular, tb. (API 650, 2007) .................................................................... 71 Tabla 4.4 Combinaciones de carga. (API 650, 2007) .............................................................................. 76 Tabla 4. 5 Coeficiente de aceleracin mxima A0. (COVENIN 1756, 2001) .......................................... 77 Tabla 4.6 Criterio de la relacin de anclaje. (API 650, 2007) .................................................................. 79 Tabla 4.7 Altura libre mnima recomendada en funcin del grupo ssmico. (API 650, 2007) ................... 79

xii

Tabla 4.8 Justificacin de los grupos ssmicos. (API 650, 2007) ............................................................. 80 Tabla 4.9 Velocidad bsica del viento en algunas zonas de Venezuela. (COVENIN 2003, 1989) ............ 81 Tabla 4.10 Capacidad de venteo normal para efectos trmicos. (API 2000, 2009) ................................... 88

xiii

ndice de figuras

Figura 1.1 Logo de SVINCA.................................................................................................................... 3

Figura 1.2 Estructura organizativa de SVINCA ........................................................................................ 4

Figura 2.1 Esfuerzo tangencial en tuberas ............................................................................................. 14

Figura 2.2 Codos mitrados y sus dimensiones principales ....................................................................... 15

Figura 2.3 Esfuerzos longitudinales en un tramo de tubera .................................................................... 16

Figura 2.4 Momentos presentes en una conexin T ............................................................................. 16

Figura 2.5 Accin del efecto trmico en un sistema de tuberas .............................................................. 17

Figura 2.6 Incendios y explosiones en tanques de almacenamiento ......................................................... 22

Figura 3.1 Nomenclatura de conexin de ramales. (PEMEX, 2000) ........................................................ 51 Figura 3.2 Detalles para soldaduras de ramales. (ASME B31.3, 2008) .................................................... 52 Figura 3.3 Diferentes tipos de soportes. (MSS SP-58, 2002) ................................................................... 57

Figura 4.1 Volmenes y niveles en tanques de almacenamiento. (API 650, 2007) ................................... 68 Figura 4.2 Referencia de los anillos. ....................................................................................................... 70

Figura 4.3 Referencia de las dimensiones consideradas. ......................................................................... 70

Figura 4.4 Referencia de las dimensiones en la unin cuerpo-fondo. ....................................................... 72

Figura 4.5 Techo cnico soportado. ........................................................................................................ 73

Figura 4.6 Techos de domo y sombrilla autosoportado. .......................................................................... 73

Figura 4.7 Techo cnico autosoportado. ................................................................................................. 73

Figura 4.8 Referencias de dimensiones en techos tipo domo y sombrilla. ................................................ 74

Figura 4.9 Elementos de la estructura de tanques con techo cnico soportado. ........................................ 75

Figura 4.10 Esquema de la ubicacin de masas y distancias. ................................................................... 77

Figura 4.11 Zonificacin ssmica de Venezuela. (COVENIN 1756, 2001) .............................................. 78 Figura 4.12 Ola de lquido que se genera dentro del tanque por un sismo. ............................................... 80

Figura 4.13 Momento de volteo para tanques no anclados. (API 650, 2007) ........................................... 82 Figura 4.14 Uniones tpicas verticales en el cuerpo del tanque. (API 650, 2007) ..................................... 85

xiv

Lista de smbolos

Simbologa para el diseo de tuberas

ngulo menor entre ejes de ramal y la tubera principal []

ngulo de corte [] Coeficiente de expansin trmica [pulg/pulg/F, mm/mm/ C] A rea requerida para el refuerzo en conexiones [Pulg2, mm2] A rea disponible para el refuerzo en conexiones en la tubera principal [Pulg2,

mm2] A rea disponible para el refuerzo en conexiones en el ramal [Pulg2, mm2] A rea disponible para el refuerzo en el labio externo del cuello extruido [Pulg2,

mm2] c Suma de sobreespesor por corrosin, erosin, ranuras y roscas [Pulg, mm] d Dimetro interior [Pulg, mm] D Dimetro exterior [Pulg, mm]

Db Dimetro exterior del ramal [Pulg, mm] Dh Dimetro exterior de la tubera principal [Pulg, mm] E Factor de calidad [adimensional] F Factor de diseo de la clase de localizacin [adimensional] K 0,03 (Sistema Ingls) o 208,3 (Sistema Internacional) L Longitud desarrollada de la tubera entre los dos anclajes [ft, m] P Presin interna de diseo [Tuberas de proceso y gasoductos: Psig, Kpa;

oleoductos: Psig, bar] P Presin de prueba [Psig, Kpa] RC Rata de corrosin [Pulg/aos, mm/aos] r Radio medio de la tubera basado en el espesor nominal [Pulg, mm] R Radio efectivo del codo [Pulg, mm] S Esfuerzo permisible a la temperatura de diseo segn el material [Tuberas de

proceso: Ksi, Mpa; oleoductos: Psi, Mpa] S Esfuerzo permisible en caliente (mxima temperatura) [Ksi, Mpa] S Esfuerzo permisible a la temperatura de prueba [Ksi, Mpa]

xv

t Espesor por presin de diseo [Pulg, mm] t Espesor por presin de diseo del ramal [Pulg, mm] t Tolerancia de corrosin [Pulg, mm] t Tolerancia de fabricacin [Pulg, mm] t Espesor por presin de diseo de la tubera principal [Pulg, mm] t Espesor mnimo requerido [Pulg, mm] t Espesor nominal [Pulg, mm] T Factor de reduccin por temperatura [adimensional] T Espesor real del ramal [Pulg, mm] Th Espesor real de la tubera principal [Pulg, mm] T Espesor mnimo del anillo de refuerzo o silleta, echa de tubo (usar espesor nominal

si se hace de placa) [Pulg, mm] T Temperatura cuando se instal la tubera [F, C] T Mxima o mnima temperatura de operacin [F, C] T Espesor del codo [Pulg, mm] T Espesor nominal del ramal [Pulg, mm] T Espesor nominal de la tubera principal [Pulg, mm] U Distancia en lnea recta entre los anclajes [ft, m] v Relacin de Poisson. 0,30 para acero [adimensional] VU Vida til de la tubera [aos] W Factor de reduccin de esfuerzo de junta soldada [adimensional] y Mnimo lmite de fluencia [Psig, Mpa] y Resultante del total de los desplazamientos trmicos que deben ser absorbidos por

el sistema [Pulg, mm] Y Coeficiente que depende del material y la temperatura [adimensional]

Simbologa para el diseo de tanques

ngulo entre la horizontal y el techo cnico [] A Ancho radial de la placa anular [mm] Ac Coeficiente de aceleracin espectral convectivo [%g] A Coeficiente de aceleracin debido al clculo de la altura de la ola [%g]

xvi

Ai Coeficiente de aceleracin espectral impulsivo [%g] b Mximo espaciamiento permitido de la placa del techo, medido

circunferencialmente de centro a centro de las vigas [mm] CA Corrosin permisible [mm] D Dimetro nominal del tanque [m] DL Carga muerta, el peso del tanque o de sus componentes, incluyendo la corrosin

permisible [Kpa] Dmax Dimetro mximo del tanque [m] FB Altura libre [m] Fy Mnimo esfuerzo de fluencia de la placa del techo [Mpa] G Gravedad especfica del fluido a almacenar [adimensional] ha Altura del anillo [m] hf Altura del anillo superior del cuerpo del tanque [m] H Altura del cuerpo del tanque [m] Hmax Altura mxima del tanque [mm] Hn Altura de diseo [m] MOV Mnimo volumen de operacin [m] MDL Momento por el peso del cuerpo y el techo soportado por el cuerpo, con respecto a

la junta cuerpo-fondo [N.m] MF Momento por el peso del fluido con respecto a la junta cuerpo-fondo [N.m] Mpi Momento por presin interna con respecto a la junta cuerpo-fondo [N.m] Mrw Momento en el anillo del cuerpo [N.m] Ms Momento en la losa [N.m] Mw Momento de volteo por la presin del viento con respecto a la junta cuerpo-fondo

[N.m] n Nmero de anillos que conformar el cuerpo del tanque, debe ser entero

[adimensional] p Presin uniforme [Mpa] Pe Presin externa de diseo. Debe ser considera nula para tanques con capacidad de

venteo [Kpa] Ps Resistencia mnima del suelo [Kg/cm2] rr Radio de abombado del techo [m]

xvii

Rs Relacin dimetro nominal-altura de diseo [adimensional] Sb Carga por nieve, balanceada [Kpa] Sd Esfuerzo permisible por condiciones de diseo [Mpa] St Esfuerzo permisible por condiciones de prueba hidrosttica [Mpa] S! Carga por nieve, desbalanceada [Kpa] tb Espesor de la placa anular [mm] td Espesor por condiciones de diseo [mm] tt Espesor por prueba hidrosttica [mm] V Capacidad nominal [m3] Wc Peso efectivo convectivo [N] Wi Peso efectivo impulsivo [N] W Peso total del techo del tanque [N] W" Peso total del cuerpo del tanque y accesorios [N] Xc Altura desde el fondo del cuerpo del tanque hasta el centro de accin lateral de Wc

para afectar Mrw [m] Xcs Altura desde el fondo del cuerpo del tanque hasta el centro de accin lateral de Wc

para afectar Ms [m] Xi Altura desde el fondo del cuerpo del tanque hasta el centro de accin lateral de Wi

para afectar Mrw [m] Xis Altura desde el fondo del cuerpo del tanque hasta el centro de accin lateral de Wi

para afectar Ms [m] Xr Altura desde el fondo del cuerpo del tanque hasta el centro de gravedad del techo

del tanque [m]

xviii

Lista de abreviaturas

SVINCA Servicios Venezolanos de Ing, C.A.

API Instituto Americano del Petrleo ASME Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos

ASTM Sociedad Americana para Pruebas y Materiales CSA Asociacin Canadiense de Estndares ISO Organizacin Internacional de Normalizacin PDVSA Petrleos de Venezuela, S.A. COVENIN Comisin Venezolana de Normas Industriales SILOG Sistemas Lgicos, C.A

PO Presin de Operacin PMO Presin Mxima de Operacin

PD Presin de Diseo PSV Vlvula de Alivio de Seguridad

TD Temperatura de Diseo TMO Temperatura Mxima del fluido

1

Introduccin

Dentro de las principales actividades que se llevan a cabo en la industria nacional, se encuentran el diseo, construccin, operacin y mantenimiento de las instalaciones para extraccin, recoleccin, procesamiento primario, almacenamiento, medicin y transporte de hidrocarburos, as como la adquisicin de materiales y equipos requeridos para cumplir con eficiencia y eficacia los proyectos que se generan en las diversas empresas. En vista de la gran

variedad de tpicos que se presentan en mbito profesional, es comn que se requiera la intervencin de empresas consultoras con el fin de desarrollar proyectos en un rea especfica o

bien sea realizar una asesora.

Para que una empresa consultara pueda tener xito en el mercado y mejorar su calidad es necesario tener una buena organizacin y desarrollar procedimientos que le permitan obtener una certificacin. Este es el caso de SVINCA (Servicios Venezolanos de Ing, C.A.); esta empresa decidi certificarse bajo estndares internacionales y por ello comenz a efectuar sus propios procedimientos. Bajo dicha iniciativa se propuso la elaboracin del presente trabajo, con el fin de establecer manuales de procedimientos para el diseo de sistemas de tuberas y para tanques atmosfricos de techo fijo. En el estudio de sistemas de tuberas y de tanques atmosfricos de techo fijo, es necesaria la participacin de las diversas disciplinas de la ingeniera, lo que involucra diferencia de criterios. Este documento adems de cumplir con un requerimiento necesario para la certificacin, se desarroll con el objeto de unificar criterios, aprovechar las experiencias dispersas, y conjuntar resultados de las investigaciones nacionales e internacionales, para dar as como resultado procedimientos de diseo completos, actuales y cmodos.

En la investigacin se presentan gran cantidad de recomendaciones y consideraciones que

deben ser tomadas en cuenta, ya que aunque las normas internacionales dictan una serie de parmetros concernientes al diseo, hay aspectos en los cuales no se brinda informacin, y esos detalles son de gran importancia a nivel prctico en el diseo.

En este documento no se incluyen todos los puntos que se encuentran en los manuales de diseo entregados a SVINCA, es por ello que si se desea ampliar la informacin o aclarar algn punto se acuda directamente a los manuales.

CAPTULO 1 DESCRIPCIN DE LA EMPRESA

1.1. Objeto SVINCA (Servicios Venezolanos de Ing, C.A.), es un equipo multidisciplinario de profesionales con experiencia en ingeniera, gerencia y ejecucin de mantenimiento y proyectos, orientado a proporcionarles a sus clientes:

Servicios profesionales y asesora.

Desarrollo de ingeniera conceptual, bsica y de detalle.

Desarrollo integral de proyectos.

Planificacin y control de la ejecucin fsica y financiera de proyectos y/u obras.

Gerencia de proyectos.

Gerencia de construccin.

Gerencia de paradas de plantas.

1.2. Informacin general

Nombres o Razn Social: Servicios Venezolanos de Ing, C.A.

Direccin: Oficina Occidental:

Av. 15 Fuerzas Armadas, con calle 41, Centro Comercial Viento Norte, Ofic. 09.

Maracaibo Edo. Zulia

Oficina Oriente:

C.C. Coconut Center, Piso 2 Oficina 2-01 Lechera Edo. Anzotegui

Telfonos:

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Oficina Occidente (0261)-2113928-7925603

Fax:(0261)-7927815

Oficina Oriente:(0281)2822042

Personas de Contacto: Ing. Rodolfo Arrieta B. (0414) 6130202

RIF: J-31318791-7

SNC/RNC: 1202017313187917

REC: (SENCAMER): J-582

Fecha inicio de actividades: 15 de abril del 2005.

1.3. Logo

El logo de la empresa SVINCA se puede observar en la Figura 1.1.

Figura 1.1 Logo de SVINCA

1.4. Estructura organizativa

La estructura organizativa de SVINCA est representada segn la Figura 1.2.

1.5. Misin

Trabajar con criterio de excelencia en las reas de ingeniera, gestin de proyectos y de negocios, empleando sistemas avanzados y tecnologas de punta, para lograr los estndares de la calidad, eficiencia y competitividad, de manera oportuna, con un efectivo sentido de compromiso; fomentando el trabajo seguro, la calidad de vida del personal, el compromiso social y bajo una estrategia que garantice la mejor relacin precio-valor, para los clientes y la organizacin; en un marco global de gestin que beneficie a los accionistas, a nuestro personal y al pas.

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Figura 1.2 Estructura organizativa de SVINCA

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1.6. Visin

Ser reconocidos como una de las empresas venezolanas en el rea de ingeniera, consultora y gerencia de proyectos, por la excelencia y calidad de nuestros productos y servicios, por aplicar

una poltica de captacin y permanencia del recurso humano de alta calidad, usando tecnologa de avanzada y alianzas estratgicas con empresas de clase mundial, que aseguren la valorizacin de la compaa y fomenten una ventaja competitiva en el mercado nacional, con una clara proyeccin a nivel internacional.

1.7. Valores

Orientacin a la excelencia: Trabajar con pasin, dedicacin y empeo para satisfacer las necesidades de nuestros clientes de una manera consistente. Desempeo comprobado.

Garanta de resultados: La garanta de nuestros productos o servicios se basa principalmente en

suministro de los detalles, clculos validos y probados que fundamentan todas nuestras actividades. Somos consistentes en el cumplimiento de nuestros objetivos con excelencias, apuntando siempre al producto al costo justo y en el menor tiempo posible. Sentido de compromiso con el cliente: Fomentamos el dialogo, la comunicacin y acuerdos con el cliente, trabajamos con sentido de urgencia y cumplimos con eficacia los compromisos adquiridos.

Motivacin por satisfaccin al cliente: Nuestra motivacin se basa en lograr altos niveles de satisfaccin por parte de nuestros clientes, cumplir con las metas de los accionistas y lograr los mejores beneficios para la sociedad y el pas. Aplicacin de mejoras productivas. Integridad y civismo: Exhibimos una actitud consistente, tica, honesta, responsable, equitativa y proactiva hacia nuestro trabajo y hacia la sociedad en la cual nos desenvolvemos. Relaciones de mutuo beneficio con las partes interesadas: Promovemos la integracin de equipos con el propsito de alcanzar el beneficio comn en nuestras relaciones con las partes

interesadas en el negocio. Ganar-Ganar.

Innovacin: Tenemos una actitud proactiva antes la generacin e incorporacin de nuevas tecnologa, nuevos productos y servicios. Fomentamos la actualizacin constante de nuestros recursos humanos.

Ofrecemos: Soluciones a largo plazo, no reparaciones.

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1.8. Poltica de la calidad

Es poltica de SVINCA, garantizar la calidad, confiabilidad y seguridad de sus servicios en las diferentes etapas de desarrollo de proyectos de ingeniera, procura de materiales y gerencia e

inspeccin de proyectos u obras, para satisfacer los requerimientos y expectativas de sus clientes, mediante la aplicacin de los ms eficaces procesos de gestin de la calidad, basndonos en el trabajo profesional, en el mejoramiento continuo de los procesos y en la actualizacin integral de nuestro personal.

Esta poltica es revisada de forma continua para su actualizacin y adecuacin, dependiendo de los objetivos o metas planteadas y es comunicada, entendida e implantada en toda la organizacin.

1.9. Objetivos de la calidad

Mantener un alto nivel de satisfaccin de los clientes, mediante la ejecucin de los proyectos con los estndares de calidad, tiempo y costos establecidos.

Mejorar continuamente los procesos de la organizacin.

Lograr la eficacia del sistema de gestin de la calidad.

Cumplir con todas las leyes, regulaciones y normas vigentes aplicables a los procesos de la organizacin.

1.10. reas de negocio 1.10.1. Servicios profesionales y asesoras

Desarrollo de proyectos de ingeniera en las fases de estudios de factibilidad, conceptual, bsica y de detalles.

Suministro y adiestramiento de personal.

Sistema de recursos humanos.

Conformacin de equipos de alto desempeo.

Organizacin y/o realizacin de eventos tcnicos acadmicos.

Conformacin de asociaciones y alianzas estratgicas.

Sistemas financieros.

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1.10.2. Gerencia de proyectos

Planificacin y control de proyectos.

Planificacin y control de paradas de planta.

Estudio de factibilidad.

Elaboracin de alcance.

Estimacin de costos.

Administracin de contratos.

1.10.3. Asesoras en reas especficas

Electricidad, electrnica, mecnica, civil.

Instrumentacin y control, ingeniera econmica, mantenimiento.

Procesos, produccin, confiabilidad, SIAHO (Seguridad Industrial, Ambiente e Higiene Ocupacional), metalurgia.

Corrosin, arquitectura, urbanismo.

CAPTULO 2 MARCO TERICO

2.1. Sistemas de tuberas

El diseo de un sistema de tuberas consiste en el diseo de sus tuberas, bridas, pernos, empacaduras, vlvulas y diversos accesorios; adicionalmente incluye el diseo o seleccin de los elementos de soporte, consideraciones sobre el arreglo de las tuberas, verificacin de estabilidad

y posibles conexiones de ramales. Sin embargo no incluye el diseo de estructuras para fijar los soportes, tales como fundaciones, armaduras o prticos de acero.

Con el fin de identificar las caractersticas de los sistemas de tuberas, es necesario conocer la clasificacin de tuberas en la industria petrolera, como se presenta a continuacin:

Tuberas de recoleccin: Es el arreglo de cabezales y tuberas para recolectar aceite y/o gas de los pozos productores para su envo a una batera o estacin de separacin.

Tuberas de transporte: Tubera que conduce hidrocarburos en una fase o multifases, entre

estaciones y/o plantas para su proceso, bombeo, compresin, almacenamiento y distribucin. En lo que se refiere a las tuberas que transportan gas natural (usualmente deshidratado) estas llevan el gas natural hasta la central de procesamiento o puntos de venta. Los dimetros de tubera ms usados son: 12 a 48 pulgadas, con presiones que van desde los 70 a 1200 psia, pero tambin podran tenerse presiones altas de hasta 2500 psia, para ste caso, la tubera deber ser de acero al carbn, y en las tuberas con dimetros pequeos se tendrn bajos costos por material, pero la desventaja son los costos de compresin debido a que se generan grandes cadas de presin. En cuanto a las tuberas que transportan hidrocarburos (oleoducto) desde los cabezales de recoleccin hasta una plataforma de procesamiento o planta de proceso en tierra, stas tuberas tienen dimetros grandes y son de gran longitud, generalmente son de acero al carbn recubiertas de cemento (lastre de concreto) para protegerlas de las fuerzas hidrodinmicas y la fuerza de flotacin a las que estn expuestas.

Tuberas de descarga: Tubera que transporta fluidos desde el cabezal del pozo hasta el cabezal

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de recoleccin de la batera de separadores o la planta de tratamiento.

Tuberas de almacenamiento: Tubera que se utiliza para almacenar hidrocarburos lquidos (condensados) en operaciones de corridas de limpieza en gasoductos.

Tuberas de procesos: Son tuberas cortas para el manejo de fluidos (lquidos y gases) en plantas de proceso que se encuentran en tierra o en plataformas costa afuera, stas tuberas estn en funcin del nmero de fases presentes y de las condiciones de presin y temperatura, en tanto el material utilizado para este tipo de tuberas podra ser acero al carbn o plstico pero en realidad las condiciones de operacin son las que realmente influyen en la eleccin del material.

2.1.1. Normas aplicables en el diseo de tuberas

Las normas ms utilizadas en el anlisis de sistemas de tuberas son las normas conjuntas del American National Standard Institute (Instituto Nacional Americano de Estndares) y la American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos) (ANSI/ASME B31), cuyo propsito es presentar los requerimientos de ingeniera considerados como necesarios para un diseo y una construccin segura.

La filosofa del cdigo est centrada en el concepto de diseo por reglas, es decir, que si se siguen las reglas, entonces se tendr un sistema de tuberas que operar con seguridad. Pero, sin

embargo, el cdigo no pretende ser un manual de diseo, ni sustituir a la educacin, a la experiencia o al buen juicio, adems de que pretende establecer criterios de diseo en exceso conservadores.

Cada una de estas normas recoge la experiencia de numerosas empresas especializadas, investigadores, ingenieros de proyectos e ingenieros de campo, en reas de aplicacin especficas, a saber:

B31.1 Power Piping.

B31.3 Chemical Plants and Petroleum Refinery Piping.

B31.4 Liquid Transportation Systems for Hydrocarbons, Petroleum Gas, Anhydrous Amonia and Alcohols.

B31.5 Refrigeration Piping.

B31.8 Gas Transmission and Distribution Piping Systems.

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B31.9 Builiding Services Piping.

B31.11 Slurry Transportation Piping Systems.

En lo relativo al diseo, todas estas normas son muy parecidas, existiendo algunas discrepancias en relacin a las condiciones de diseo, al clculo de los esfuerzos y a los factores de seguridad que se establecen para definir la tabla de esfuerzos bsicos admisibles. En este documento se implementar fundamentalmente el cdigo B31.3, que es uno de los ms amplios en su campo de aplicacin, y que adems posee normativas ms rigurosas en cuanto a seguridad

debido a que se refiere a sistemas de tuberas ubicados en plantas de procesos. Tambin se harn menciones de los cdigos B31.4 y B31.8 para el estudio de oleoductos y gasoductos respectivamente, en los casos donde se presenten consideraciones especficas de dichos sistemas y que no pueden tomarse nicamente las restricciones del cdigo B31.3.

Estableciendo en esencia el aspecto del diseo de sistemas de tuberas, estas normas establecen bsicamente criterios en relacin a lo siguiente:

Tipos de cargas a considerar.

Clculos de los esfuerzos generados por los distintos tipos de cargas.

Evaluacin de los esfuerzos admisibles.

2.1.2. Cargas en tuberas

Un sistema de tuberas constituye una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construccin y montaje. Tambin ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A continuacin se resumen las posibles cargas tpicas que deben considerarse en el diseo de tuberas:

Cargas por la presin y temperatura de diseo: Es la carga debido a la presin en la condicin

ms severa, interna o externa a la temperatura coincidente con esa condicin durante la operacin normal.

Cargas por peso: Se refiere a los esfuerzos generados debido al peso muerto de la tubera, accesorios, aislamiento, etc. Adems incluye las cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso, y toma en cuenta los efectos locales debido a las reacciones en los soportes.

Cargas dinmicas: Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberas expuesto al viento.

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Cargas ssmicas que debern ser consideradas para aquellos sistemas ubicados en reas con probabilidad de movimientos ssmicos.

Cargas por impacto u ondas de presin, tales como los efectos del golpe de ariete, cadas

bruscas de presin o descarga de fluidos.

Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presin, por variaciones en las caractersticas del fluido, por resonancia causada por excitaciones de maquinarias o del

viento.

Cargas debido a la expansin y/o contraccin trmica: Cargas trmicas y de friccin inducidas por la restriccin al movimiento de expansin trmica de la tubera.

Cargas inducidas por un gradiente trmico severo o diferencia en las caractersticas de expansin (diferentes materiales).

Cargas por movimientos de los soportes, anclajes y equipos: Expansin trmica de los equipos.

Asentamiento de las fundaciones de los equipos y/o soportes de las tuberas.

Todos estos estados de carga deben considerarse en el anlisis de un sistema de tuberas. Como

regla general, el efecto ms limitante y de mayor relevancia es el de expansin trmica. Las etapas que usualmente se siguen y los pasos que deben completarse en el diseo mecnico de

cualquier sistema de tuberas son los siguientes:

1) Establecimiento de las condiciones de diseo incluyendo presin, temperaturas y otras condiciones, tales como la velocidad del viento, movimientos ssmicos, choques de fluido, gradientes trmicos y nmero de ciclos de varias cargas.

2) Determinacin del dimetro de la tubera, el cual depende fundamentalmente de las condiciones del proceso, es decir, del caudal, la velocidad y la presin del fluido.

3) Seleccin de los materiales de la tubera con base en corrosin, fragilizacin y resistencia.

4) Seleccin de las clases de bridas y vlvulas.

5) Clculo del espesor mnimo de pared (Schedule) para las temperaturas y presiones de diseo, de manera que la tubera sea capaz de soportar los esfuerzos tangenciales

producidos por la presin del fluido.

6) Dependiendo de la ubicacin fsica de los diversos equipos que conforman el sistema, el proyectista prepara, utilizando criterios de diseo de naturaleza cualitativa, una versin

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preliminar del recorrido de las diversas lneas en la forma de un plano isomtrico. Lo cual lleva adems al establecimiento de una configuracin aceptable de soportes para el sistema de tuberas.

7) Anlisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los esfuerzos producidos en la tubera por los distintos tipos de carga estn dentro de los valores admisibles, a objeto de comprobar que las cargas sobre los equipos no sobrepasen los valores lmites, satisfaciendo as los criterios del cdigo a emplear.

8) Si el sistema no posee suficiente flexibilidad y/o no es capaz de resistir las cargas sostenidas (efectos de la gravedad) o las cargas ocasionales (sismos y vientos), el ingeniero tiene a su disposicin los siguientes recursos:

Reubicacin de soportes.

Modificacin del tipo de soporte en puntos especficos.

Utilizacin de soportes flexibles.

Modificacin parcial del recorrido de la lnea en zonas especficas.

Utilizacin de lazos de expansin.

Pretensado en fro.

Utilizacin de juntas de expansin y barras tensoras. En trminos generales, estos recursos deben probarse en el orden descrito hasta lograr la flexibilidad requerida. Evidentemente, deben descartarse modificaciones en el dimetro o en el espesor de la tubera, o en la ubicacin de los equipos conectados en el sistema. En el caso de que el sistema en si mismo posea suficiente flexibilidad, pero la cargas sobre algn equipo

estacionario (recipientes a presin, intercambiadores de calor, torre, etc.) sea excesivo, podr considerarse como alternativa una modificacin del refuerzo de la boquilla.

El anlisis de flexibilidad tiene por objeto verificar que los esfuerzos en la tubera, los esfuerzos en componentes locales del sistema y las fuerzas y momentos en los puntos terminales, estn dentro de lmites aceptables, en todas las fases de operacin normal y anormal, durante toda la vida de la planta.

2.1.3. Criterios de diseo de tuberas de procesos, oleoductos y gasoductos

Esfuerzos primarios: Pueden causar deformaciones o fallas, si exceden el lmite de fluencia de

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la tubera.

Esfuerzo de membrana circunferencial debido a la presin interna.

Esfuerzo de membrana longitudinal debido a la presin y peso muerto.

Esfuerzos primarios de flexin debido al peso muerto, cargas de viento y ssmicas.

Esfuerzos secundarios: No causan fallas en materiales dctiles cuando las cargas son estticas, pero pueden causar fallas por fatiga cuando las cargas son cclicas.

Cuando los esfuerzos secundarios exceden el lmite de fluencia de la tubera, pueden producir

deformaciones locales con lo cual se redistribuyen las cargas y se reducen los esfuerzos.

Esfuerzos secundarios de flexin y torsin debido a restricciones en la expansin o contraccin trmica.

Esfuerzos secundarios de membrana, flexin y torsin se pueden producir debido a distribucin

de temperatura no uniforme en la tubera.

Esfuerzos localizados: Disminuyen rpidamente a corta distancia de su origen, sus efectos son similares a los esfuerzos secundarios, se producen cerca de codos, codos segmentados o mitrados, juntas en T y soportes. 2.1.4. Esfuerzos admisibles

Los esfuerzos admisibles bsicos se definen en trminos de las propiedades de resistencia mecnica del material, obtenidas en ensayos de traccin para diferentes niveles de temperatura y

de un factor de seguridad global. Estos esfuerzos admisibles bsicos, as como el lmite de fluencia y la resistencia a la traccin, estn listados en el Apndice A, Tabla A-1, del cdigo B31.3 en funcin de la temperatura.

2.1.5. Esfuerzos por presin

La presin del fluido dentro de la tubera produce un esfuerzo tangencial o circunferencial (p) que ocasiona un aumento en el dimetro de la tubera, y un esfuerzo longitudinal (Lp) que produce un aumento en la longitud de la misma.

Si el espesor de la tubera es pequeo comparado con el dimetro exterior (D/t > 6), puede suponerse que estos esfuerzos se distribuyen uniformemente a lo largo del espesor.

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En la Figura 2.1 se puede observar la accin del esfuerzo circunferencial en un tramo de tubera.

Figura 2.1 Esfuerzo tangencial en tuberas

Para que la tubera no falle por presin se debe cumplir la siguiente desigualdad: p S*E (2.1) Donde Sp = S*E (2.2) Es el esfuerzo admisible por presin, S es el esfuerzo admisible bsico a la temperatura de diseo y E es el factor llamado factor de calidad. Este factor E se interpreta, segn sea el caso, como un factor de calidad de la fundicin Ec para tuberas de hierro fundido, o como un factor de calidad de la soldadura Ej para tuberas de acero con costura. Estos factores estn

tabulados en los cdigos para diferentes casos, y se muestran en el presente documento en el desarrollo del diseo de los sistemas de tuberas.

Adems

p = (P D2 t Y P, (2.3) Cuando se cumple que D/t > 6 se utiliza la Tabla 3.12 para obtener los valores de Y, en caso contrario (D/t 6) debe ser hallado por medio de la ecuacin 2.4.

Y = d + 2 (t + t)D + d + 2 (t + t) (2.4)

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El anlisis descrito es aplicable en tramos rectos de tuberas y para codos estndar. En el caso de codos mitrados, como se muestra en la Figura 2.2, el cdigo ASME B31.3 establece que p ser el valor mximo entre p1 y p2.

Figura 2.2 Codos mitrados y sus dimensiones principales

p1 = ( P rt t t, .1 + 0,643 5 rt t t tan 8 (2.5) p2 = ( P rt t t, (R 0,5 rR r , (2.6)

La ecuacin 2.5 es vlida siempre y cuando se cumpla que 22,5, para el caso contrario ( > 22.5) el esfuerzo por presin se calcula utilizando la ecuacin 2.7.

p1 = ( P rt t t, .1 + 1,25 5 rt t t tan 8 (2.7) 2.1.6. Esfuerzos por cargas sostenidas

Los esfuerzos por cargas sostenidas son aquellos esfuerzos longitudinales producidos por la

presin, el peso de la tubera, su contenido, el aislante y otras cargas de gravedad tales como el peso de las vlvulas, bridas, filtros, etc. En la Figura 2.3 se observa la accin de este tipo de carga sobre la tubera.

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Figura 2.3 Esfuerzos longitudinales en un tramo de tubera

Adicionalmente es conocido que el peso de la tubera y de otras cargas concentradas genera en

cada seccin transversal de la tubera momentos flectores Mi y Mo como se muestra en la Figura 2.4.

Figura 2.4 Momentos presentes en una conexin T

Para que la tubera no falle debido al efecto de las cargas sostenidas, se debe cumplir la siguiente desigualdad:

L S (2.8) Donde

L = ( P D4 (t t), + ; M>) + (i@ M@)Z B (2.9)

Los factores de intensificacin de esfuerzo vienen dados por las expresiones de la ecuacin 2.10 y 2.11.

i> = 0,9h/ (2.10)

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i@ = 0,75h/ (2.11) Si uno o ambos extremos del codo estn unidos a la tubera por bridas, los factores de intensificacin de esfuerzo deben corregirse multiplicndolos por uno de los factores siguientes segn sea el caso:

En el caso de una sola brida: C = h/H (2.12) En el caso de dos bridas: C = h/ (2.13) Donde

h = T Rr (2.14) Z = 32 D *JD (D 2 t 2 t)K (2.15)

2.1.7. Esfuerzos de expansin

Cuando la temperatura del sistema se eleva desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de operacin, la tubera trata de expandirse, y ya que no pude hacerlo libremente por las restricciones impuestas por los equipos y por los soportes, la tubera se dobla y se tuerce como se muestra en la Figura 2.5, generndose momentos flectores, as como un momento torsor en cada seccin transversal de la tubera.

Figura 2.5 Accin del efecto trmico en un sistema de tuberas

Los momentos flectores producen un esfuerzo mximo longitudinal que se observa en la ecuacin 2.16, mientras que el momento torsor genera un esfuerzo mximo de corte que se describe a travs de la ecuacin 2.17.

b = M>) + (i@ M@)Z (2.16)

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t = M2 Z (2.17) Ambos esfuerzos se calculan utilizando el espesor nominal. Para analizar la resistencia de la tubera sujeta a este estado de cargas debe utilizarse una teora de fallas. El cdigo ASME B31.3 utiliza la teora del esfuerzo cortante mximo (teora de Tresca), la cual establece que, para que no se produzca falla, el esfuerzo de corte mximo real debe ser menor que el esfuerzo de corte mximo en el ensayo de traccin para un nivel determinado de carga.

Para establecer el esfuerzo de corte mximo en la tubera primero se deben evaluar los esfuerzos principales.

1,2 = b2 5N2 P + (2.18) Por lo tanto

max = 2 =5N2 P + (2.19) Para que el material no falle debido a los efectos de la expansin trmica se debe cumplir la desigualdad de la ecuacin 2.20.

E = 100000 0,5

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Los cdigos establecen que si el esfuerzo longitudinal por cargas sostenidas es inferior al esfuerzo admisible bsico a la temperatura mxima, es decir, si L < Sh entonces la diferencia (Sh L) puede agregarse al esfuerzo admisible SA. Y resultara como resultado la ecuacin 2.22.

SR = f *J1,25 (S + S) TK (2.22) 2.1.8. Consideraciones sobre esfuerzos permisibles en oleoductos

El esfuerzo de diseo bsico permisible para cargas prolongadas est dado por la ecuacin 2.23.

S = 0,72 * E * y (2.23) En la ecuacin anterior el valor E representa el factor de junta de soldadura, y el valor y es el lmite de fluencia mnimo especificado.

El esfuerzo est limitado a 0,75*S para tuberas trabajadas en fro. El esfuerzo permitido en corte es 0,45*y.

El esfuerzo permisible en soporte es 0,90*y.

El esfuerzo permisible por expansin (SA) para lneas restringidas (lneas enterradas por ejemplo) es 0,90*y, y para lneas sin restricciones es 0,72*y. La suma de los esfuerzos longitudinales debido a la presin, peso y otras cargas externas prolongadas est limitada a 0,72*y.

La suma de los esfuerzos circunferenciales debido a la presin interna y a las cargas externas en tuberas instaladas debajo de vas frreas o carreteras, sin uso de camisas, no debe exceder el esfuerzo permisible (S).

2.1.9. Consideraciones sobre esfuerzos permisibles en gasoductos

El esfuerzo permisible para cargas prolongadas en gasoductos se define como y*F*E*T. Cada uno de estos trminos se desarrolla en el presente documento en la seccin de procedimiento de diseo de tuberas (captulo 3).

Para tuberas trabajadas en fro, el esfuerzo est limitado al 75% del valor anterior. El rango de esfuerzo por expansin trmica no debe exceder 0,72*S.

La suma de los esfuerzos por expansin trmica y los esfuerzos longitudinales por presin y por

flexin debido a cargas externas no debe exceder el lmite de fluencia mnimo especificado (S).

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La suma de los esfuerzos longitudinales por presin y por flexin debido a cargas externas no debe exceder el 75% del esfuerzo permisible.

2.2. Tanques de almacenamiento

En la industria petrolera, petroqumica y otras industrias son utilizados distintos tipos de recipientes para almacenar una gran variedad de productos como lo son: crudo y sus derivados, butano, propano, solventes, agua, etc.

Los tanques de almacenamiento tienen un gran rango de tamaos, desde pequeos hasta

verdaderamente gigantescos, y forman parte de distintas operaciones en la industria, tales como:

Produccin.

Tratamiento.

Transporte.

Refinacin.

Distribucin.

Inventarios/reservas.

Servicios.

Existe una amplia variedad de tanques para almacenamiento, los cuales pueden ser construidos por encima de la superficie, en el suelo y por debajo de la superficie. En cuanto a la forma, pueden ser cilndricos verticales, cilndricos horizontales, esfricos o con forma rectangular, pero los tanques cilndricos verticales generalmente son los ms usados.

Los tanques cilndricos horizontales, usualmente son de volmenes relativamente bajos, debido a que presentan problemas por fallas de corte y flexin. Por lo general, se usan para almacenar

volmenes pequeos.

Los tanques cilndricos verticales de fondo plano permiten almacenar grandes cantidades volumtricas con un costo bajo. Con la limitante que slo pueden ser usados a presin atmosfrica o presiones internas relativamente pequeas. Estos tipos de tanques, se clasifican segn el tipo de techo en:

Techo fijo. Techo flotante.

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Tanques sin techo.

Los tanques con techo fijo se emplean para contener productos no voltiles o no inflamables como son: agua, diesel, asfalto, petrleo crudo, etc. Debido a que al disminuir la columna del fluido, se va generando una cmara de aire que facilita la evaporacin del fluido, lo que es altamente peligroso. Los techos fijos se clasifican en:

Techos auto soportados.

Techos soportados

Los tanques con techo flotante se emplean para almacenar productos voltiles como son: alcohol, gasolinas y combustibles en general. Este tipo de techo fue desarrollado para reducir o anular la cmara de aire, o espacio libre entre el espejo del lquido y el techo, adems de proporcionar un medio aislante para la superficie del lquido, reducir la velocidad de transferencia de calor al producto almacenado durante los periodos en que la temperatura ambiental es alta, evitando as la formacin de gases, y consecuentemente, la contaminacin del ambiente y, al mismo tiempo se reducen los riesgos al almacenar productos inflamables. En la

actualidad los sistemas de flotacin de los techos flotantes estn patentados y solamente los titulares de esas patentes pueden divulgar informacin al respecto.

Los tanques sin techo se usan para almacenar productos en los cuales no es importante que ste se contamine o que se evapore a la atmsfera como el caso del agua cruda, residual, contra incendios, etc. El diseo de este tipo de tanques requiere de un clculo especial del anillo de coronamiento.

En este documento slo se tratarn los tanques de techo fijo (autosoportado y soportado por estructura).

El tipo de tanque de almacenamiento usado para algn producto en especfico se establece principalmente por requerimientos de seguridad y por requerimientos ambientales. Adems de esto, los costos de operacin y los costos de eficiencia son un factor determinante en la seleccin del tipo de tanque de almacenamiento.

El diseo y las consideraciones de seguridad han llegado a ser uno de los asuntos ms delicados

debido al incremento de casos de incendios y explosiones, relacionados con tanques de almacenamiento, que se han presentado en los ltimos tiempos, y dichos accidentes han ocasionado muchas lesiones y muertes. Los derrames e incendios de tanques no slo ocasionan

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contaminacin ambiental, sino que tambin pueden tener severas consecuencias a nivel financiero y un impacto significativo sobre futuros negocios ya que la reputacin de la industria o empresa se ve afectada. En la Figura 2.6 se pueden observar cmo los tanques se incendian y explotan. Este tipo de accidentes se han producido en gran cantidad y es probable que continen a menos que se aprendan las lecciones del pasado y se tomen las medidas adecuadas.

Figura 2.6 Incendios y explosiones en tanques de almacenamiento

2.2.1. Normas aplicables en el diseo de tanques de almacenamiento

De acuerdo con el tipo de producto y la presin a la que este es almacenado se aplica un cdigo de construccin. (Ver Tabla 2.2).

El cdigo de construccin establece las reglas que intervienen en todos los aspectos que ste

considere necesario tratar (diseo de elementos, seleccin de materiales, tipo de juntas, pruebas y ensayos, inspecciones, etc.), los cuales pueden tener otros documentos de referencia para su aplicacin o gua en temas especficos.

Estos cdigos de construccin son desarrollados, revisados y editados por instituciones u

organismos como ASME (Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos), AWS (Sociedad Americana de Soldadura), API (Instituto Americano del Petrleo), NFPA (Asociacin Nacional

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de Proteccin contra el Fuego), AISC (Instituto Americano de Construccin en Acero) entre otros, que combinan el conocimiento terico con la experiencia lo que con el tiempo ha permitido mejorar los diseos y mtodos de construccin.

Tabla 2.2 Producto, presin y norma aplicable

Tipos Atmosfrico Baja presin (0 a 2.5 psi)

Media presin

(2.5 a 15 psi)

Alta presin

(P > 15 psi) Producto Crudo AP AP AP NA

Aceites

AP AP NA NA

Gasolina natural

AP AP AP NA

Butano NA APR APR AP

Propano NA APR APR AP

Gas natural NA NA NA AP

Deshidratantes AP AP NA NA

Slidos AP NA NA NA

Agua AP NA NA NA

Cdigo aplicable

API 650 API 620 API 650

API 620 ASME VIII

AP: Aplicable. NA: No aplicable. APR: Aplicable refrigerado.

Como, en este caso particular, el desarrollo del procedimiento de diseo ser para tanques atmosfricos, el cdigo a aplicar es el API 650. Este estndar cubre requerimientos para materiales, diseo, fabricacin, montaje y pruebas de tanques soldados verticales cilndricos, no enterrados con extremo superior abierto o cerrado en varios tamaos y capacidades para

presiones internas aproximadas a la atmosfrica (no deben exceder el peso de las lminas del techo), pero se permiten presiones internas ms altas cuando se cumplen requerimientos adicionales.

Este estndar aplica para tanques en los cuales la totalidad del fondo del tanque est soportado uniformemente y para tanques en servicio no refrigerado que tienen una temperatura mxima de diseo de 90C o menos. El API 650 est diseado para construir tanques con seguridad adecuada y costos razonables para almacenamiento de petrleo y sus derivados y otros productos

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lquidos comnmente usados y almacenados por la industria. El cdigo no establece tamaos especficos de tanques, por el contrario, se puede escoger cualquier tamao que sea necesario.

Su intencin es ayudar a los clientes y a los fabricantes a comprar, fabricar y montar los tanques

y no pretende prohibir la compra o fabricacin de tanques que cumplan con otras especificaciones.

Las reglas del cdigo API 650 no son aplicables ms all de los siguientes lmites en las tuberas conectadas interna o externamente al techo, cuerpo o fondo del tanque:

La cara de la primera brida en conexiones bridadas, excepto cuando se suministren tapas o bridas ciegas.

La primera superficie de sello en accesorios o instrumentos.

La primera junta roscada en conexiones roscadas.

La primera junta circunferencial en conexiones soldadas, si no estn soldadas a una brida. Debe quedar claro que el fabricante es el responsable del cumplimiento de todos los requerimientos del cdigo. La inspeccin por el inspector del comprador no le quita al fabricante la obligacin de suministrar el control de calidad y la inspeccin necesarias para garantizar tal cumplimiento. Los estndares, cdigos, especificaciones y publicaciones citados en el cdigo API 650, se deben utilizar en su ltima edicin publicada a menos que se indique otra cosa en el cdigo.

CAPTULO 3 PROCEDIMIENTO DE PRODUCCIN:

CLCULO, DISEO Y ESPECIFICACIONES DE SISTEMAS DE TUBERAS 3.1. Propsito

El objetivo de este procedimiento es establecer los criterios a considerar durante el clculo, diseo, y especificaciones de sistemas de tuberas de acero sometidas a presin interna, a ser

instalados en tierra firme.

3.2. Alcance

El procedimiento constituye una gua de diseo para los sistemas de tuberas.

El alcance del procedimiento es definir los criterios de diseo que aplicarn durante el clculo de espesores de pared, dimensionamiento y especificaciones de materiales, de sistemas de tuberas de acero, tanto para el transporte de lquidos como gases, sometidos a presin interna, en tierra, enmarcado por las especificaciones de diseo que se encuentran en las normas ASME (Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos) (B.31.3, B.31.4 y B.31.8) y PDVSA (Petrleos de Venezuela, S.A.), as como las buenas prcticas de ingeniera, y a su vez, indicar recomendaciones para seleccin y especificacin de accesorios de tuberas, pernos y

empacaduras, bridas, vlvulas, y consideraciones para el arreglo de tuberas (lay-out) y soportes de tuberas.

3.3. Responsabilidad

Es responsabilidad del ingeniero del proyecto, establecer las bases y premisas de diseo, tomando como referencia la informacin indicada en este documento.

Es responsabilidad del ingeniero del proyecto, desarrollar el clculo, diseo y especificaciones del sistema de tuberas, segn el alcance indicado en este documento.

Es responsabilidad del lder de disciplina y el coordinador de la calidad proporcionar este procedimiento para el desarrollo de productos de ingeniera relacionados al clculo, diseo y especificaciones de sistemas de tuberas de acero sometidas a presin interna.

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Es responsabilidad del lder de disciplina comprobar la correcta utilizacin de este procedimiento.

3.4. Metodologa empleada

Para el establecimiento de este procedimiento se realizaron los siguientes pasos en orden:

Recopilar y revisar los cdigos y normas requeridos para el desarrollo del procedimiento.

Recopilar y revisar la documentacin existente y/o generada en la ejecucin de diseos. Recopilar y revisar las bases y criterios de diseo para sistemas de tuberas.

Establecer las premisas, bases, criterios y fundamentos de diseo de sistemas de tuberas.

Desarrollar el procedimiento de clculo para el diseo de sistemas de tuberas en funcin de toda la informacin analizada y estudiada.

Validacin del procedimiento por medio de revisiones y comentarios de ingenieros con

aos de experiencia en el rea y expertos en la materia.

3.5. Bases y criterios de diseo para el clculo de espesores de pared

3.5.1. Presin y temperatura de diseo

En este punto se establecen lineamientos para fijar la presin de diseo a utilizar en el clculo de espesores de pared de tuberas de acero al carbono, acero inoxidable y aceros aleados, sometidas a presin interna.

La presin de diseo debe ser establecida de forma tal que cubra todas las condiciones de operacin previsibles, incluyendo arranque, parada, perturbaciones del proceso, incrementos

planificados en la severidad de operacin, diferentes alimentaciones y productos, y ciclos de regeneracin, cuando aplica.

En general, las condiciones generales de diseo para tubera se establecen durante el desarrollo de la ingeniera bsica, por ingeniera de procesos, mientras que la seleccin del tipo especfico de tubera a utilizar se establece de acuerdo a las especificaciones de materiales de tubera que rigen el proyecto, las cuales se basan en la clasificacin de presin de las bridas segn el tipo de

material seleccionado para el manejo de un determinado fluido. 3.5.1.1. Presin de operacin (PO)

Se debe definir la presin de operacin (PO), en caso de que no sea dada como dato del proceso, considerando las variaciones de presin originadas por cambios en la presin de vapor,

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densidad, cambio en la alimentacin, cambios en los puntos de corte de los productos, cabezal esttico debido al nivel de lquido, cada de presin en el sistema, presin de bloqueo de bombas o compresores y cualquier otra variacin indicada en la descripcin del proceso y/o filosofa de control y operacin que puedan generar distintos valores de presin en un mismo sistema.

3.5.1.2. Presin mxima de operacin (PMO)

La presin mxima de operacin (PMO) debe ser al menos 5% mayor que la presin de operacin (PO). PMO 1,05 * PO (3.1) 3.5.1.3. Presin de diseo (PD)

Para tuberas cuya presin mxima de operacin (PMO) es menor o igual a 15 Psig, la presin de diseo (PD) debe ser por lo menos igual a la presin mxima de operacin (PMO) ms 2 Psig, pero no menor de 16 Psig.

17 Psig PD 16 Psig (3.2) Para tuberas cuya PMO > 15 Psig, la presin de diseo (PD) es el mayor valor numrico

entre el 110% de la presin mxima de operacin (PMO) y la presin mxima de operacin (PMO) ms 25 Psig.

PD = PMO + 25 Psig (3.3) PD = 1,1 * PMO (3.4)

Es posible llegar a la siguiente conclusin: para todo PMO 250 Psig, se utiliza la ecuacin 3.3 y para todo PMO > 250 Psig, se utiliza la ecuacin 3.4.

Esta regla se aplica cuando se utiliza una vlvula de alivio (PSV) de seguridad convencional, donde la presin de ajuste fijada para este dispositivo no debe exceder la presin de diseo establecido y para lapsos de tiempo de operacin largos.

Para lapsos de tiempos cortos, se permite incrementar el lmite de presin de diseo (PD) o el esfuerzo permisible a la temperatura escogida, en un 33%, siempre y cuando las variaciones no excedan las 10 horas en cualquier lapso de tiempo o el total de 100 horas por ao.

Para lapsos de tiempos intermedios, se permite incrementar el lmite de presin de diseo

(PD) o el esfuerzo permisible a la temperatura escogida, en un 20%, siempre y cuando las

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variaciones no excedan las 50 horas en cualquier lapso de tiempo o el total de 500 horas por ao.

Existen varias restricciones respecto a lapsos de tiempos cortos y lapsos de tiempos

intermedios:

1) Estas bases no se pueden usar para servicio de fluidos de categora M o para tuberas de hierro colado.

2) Si una vlvula de alivio (PSV) protege la tubera, la presin de ajuste fijada para la vlvula no debe exceder la de diseo de la tubera para lapsos de tiempos largos.

3) Las presiones que exceden los niveles normales de limitaciones de presintemperatura para las vlvulas, a veces causan prdidas de la hermeticidad en los asientos de las mismas, o una operacin difcil, por lo cual se debe revisar este aspecto del diseo.

La presin de diseo (PD) para tuberas sujetas a presin por bloqueo de bombas y no protegidas por una vlvula de alivio (PSV), viene dada por el mayor valor numrico entre los siguientes:

a. Presin de succin normal de la bomba ms 120% del diferencial de presin normal de la bomba.

b. Presin de succin mxima de la bomba ms el diferencial de presin normal de la

bomba.

La presin de diseo para tuberas debe ser consistente con la presin de diseo para los

recipientes y equipos a los cuales se conectan.

3.5.1.4. Temperatura de diseo (TD)

Para componentes de tuberas de proceso con aislante externo, la temperatura de diseo (TD) del metal debe ser la temperatura mxima (TMO) del fluido contenido en la tubera.

Para componentes de tuberas de proceso sin aislante externo y sin recubrimiento interno, con fluidos a temperaturas mayores a 32F (0C), la temperatura de diseo (TD) del metal debe ser la temperatura mxima (TMO) del fluido contenido en la tubera, reducida en los porcentajes mostrados en la Tabla 3.1.

Para componentes de tuberas de proceso sin aislante externo y sin recubrimiento interno, con fluidos a temperaturas menores a 32F (0C), la temperatura de diseo (TD) del metal,

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ser la temperatura mxima (TMO) del fluido contenido.

Tabla 3.1 Temperatura de diseo de componentes sin aislamiento. (FIME-UNPRG, 2009) Componente T%

Vlvulas, tubera, uniones solapadas y accesorios soldados. 5

Accesorios bridados. 10

Bridas (en lnea). 10 Bridas de uniones solapadas. 15

Empacaduras (en uniones en lnea). 10 Pernos (en uniones en lnea). 20 Empacaduras (en casquetes de vlvulas). 15 Pernos (en casquete de vlvulas). 30

Si las reducciones se toman para los fluidos de categora M, las reducciones requieren ser avaladas por clculos de transferencia de calor confirmados por pruebas o por medidas experimentales.

Para tuberas de proceso con recubrimiento y aislamiento interno, la temperatura de diseo (TD) del metal para cada componente se debe basar en la experiencia de diseos anteriores o en temperaturas calculadas tericamente.

Para oleoductos, la temperatura de diseo (TD) es la temperatura que representa la condicin ms severa de presin y temperatura coincidentes, no requiere variacin en los esfuerzos de diseo para temperaturas entre -20F (-29C) y 250F (121C.).

Para gasoductos, la temperatura de diseo (TD) es la temperatura que representa la condicin ms severa de presin y temperatura coincidentes. Aplica un factor de reduccin por temperaturas entre 250F (121C) y 450F (232C.) que se presenta en la Tabla 3.2.

Tabla 3.2 Factor de reduccin por temperatura T. (ASME B31.8, 2010) Temperatura F (C) T

250 (121) 1,000. 300 (149) 0,967. 350 (177) 0,933. 400 (204) 0,900. 450 (232) 0,867.

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3.5.2. Seleccin y especificacin de materiales

La correcta seleccin del material o los materiales a utilizar en un sistema de tuberas representa un elemento fundamental del diseo debido al alto costo que significa para el sistema

y para garantizar la integridad mecnica del mismo.

Siempre que sea posible se deben evitar variaciones en el material a lo largo de un mismo sistema de tuberas, debido principalmente a corrosin galvnica que pudiera presentarse entre los materiales.

Todas las recomendaciones y premisas que se presentan a continuacin se hacen partiendo de anlisis sobre trabajos que se realizan en campo, facilidades de adquisicin y mejoramiento en la eficiencia de los procesos.

3.5.2.1. Tuberas

Tuberas con dimetros mayores o iguales a 2 pulg, sern con extremos biselados.

Tuberas con dimetros menores a 2 pulg, sern con extremos planos.

La tubera fabricada segn API5L Gr.B., debe ser considerada como un sustituto aceptable para las tuberas ASTM A53, Gr.B.

Se recomienda utilizar tuberas sin costura para lneas con dimetros menores o igual a 24

pulg.

3.5.2.2. Accesorios

Se recomienda especificar los codos de 90 como radio largo, a menos que lo impida el espacio para la instalacin.

Los accesorios de tuberas para dimetros mayores o iguales a 2 pulg, sern del tipo BUTT WELD (BW).

Los accesorios para dimetros menores de 2 pulg, sern del tipo SOCKET WELD (SW). Todos los accesorios soldables sern del tipo sin costura.

Las dimensiones de los accesorios bridados deben estar de acuerdo al ASME B.16.5 (Pipe flanges and flanged fittings NPS 1/2 through NPS 24) hasta 24 pulg.

Todos los niples roscados tendrn una longitud mnima de 4 pulg.

Para reducciones a dimetros de 2 pulg en adelante se deber utilizar reduccin soldada a

tope. Para dimetros menores se utilizarn niples reductores roscados o enchufes para soldar (swage niples).

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3.5.2.3. Bridas

Clase (Rating) de bridas. 1) Para establecer presin de diseo y temperatura de diseo, ver punto 3.5.1. de este

documento. 2) Para seleccin de materiales para bridas, ver Tabla 3.4 de este documento. 3) Utilizar la Tabla 2 de la norma ASME B.16.5 (tablas PresinTemperatura Ratings para

Materiales de Grupo 1.1 3.9), para determinar el rating de la brida, en funcin de la presin de diseo y temperatura de diseo, y el grupo al cual corresponda el material seleccionado.

Para temperaturas menores o iguales a 1.000 F (538C) se recomienda especificar bridas RAISED FACE (RF).

Para temperaturas mayores a 1.000 F (538C) se recomienda especificar bridas RING JOINT (RJ), excepto para manejo de vapor y agua (incluyendo agua para alimentacin de calderas.)

Para rating 900 se recomienda especificar bridas RING JOINT (RJ), excepto para manejo de vapor y agua (incluyendo agua para alimentacin de calderas.)

Cuando el fluido de servicio es vapor y para rating 1500 se recomienda especificar bridas RING JOINT (RJ).

Cuando el fluido de servicio es agua (incluyendo agua para alimentacin de calderas)