Presión de Operación y Presión de Diseño de Tanques Atmosféricos Según API 650

1. Introducción

Los tanques atmosféricos diseñados bajo la norma API 650 se utilizan para almacenar líquidos bajo condiciones específicas de presión y temperatura. Sin embargo, las características de diseño, operación y seguridad varían según el tipo de tanque y los dispositivos instalados como venteos abiertos, válvulas de alivio de presión y vacío, arrestallamas, venteos de emergencia, entre otros. Este artículo analiza en detalle los tipos de tanques, las presiones asociadas y las consideraciones específicas para diferentes configuraciones, organizadas en casos prácticos.

2. Tipos de tanques según API 650

El párrafo 1.1.1 del alcance general de la norma API 650 clasifica los tanques para servicio no refrigerado como tanques cilíndricos verticales, los cuales pueden ser:

• Tanques cerrados: Con techo fijo.

• Tanques de tope abierto: Diseñados para operar a presiones cercanas a la atmosférica.

Estos tanques generalmente operan a presiones internas aproximadamente atmosféricas, aunque pueden diseñarse para soportar presiones internas de hasta 18 kPa (2.5 psi) según los requisitos del Anexo F de API 650.

Configuraciones de tanques cerrados

1. Tanques de techo cónico de acero: Pueden ser soportados o auto soportados.

2. Tanques de techo domo o sombrilla de acero.

3. Tanques de techo domo geodésico de aluminio.

Configuraciones de tanques de tope abierto.

1. Tanques abiertos.

2. Tanques con techos flotantes externos: Los más comunes son de tipo pontón o de doble cubierta (doble deck).

Además, existen tanques cerrados con techos flotantes internos, que combinan techos fijos con flotantes para minimizar evaporaciones, reducir emisiones contaminantes y disminuir el riesgo de explosión o incendio. Estos tanques se clasifican como tanques de techo fijo con techos flotantes internos.

Tanque con Techo Flotante Externo

3. Requerimientos de Venteo según API 2000

La norma API 2000 regula los sistemas de venteo en tanques de almacenamiento, clasificándolos en dos categorías principales:

1. Venteo normal: Maneja los cambios de presión durante el llenado, vaciado y/o fluctuaciones térmicas.

2. Venteo de emergencia: Diseñado para aliviar presiones críticas causadas por eventos como exposición del tanque a incendio o fuentes de calor externas que pudieran causar expansión térmica del contenido.

Causas de sobrepresión o vacío

• Cambios de temperatura y presión ambiental.

• Operaciones de llenado y vaciado.

• Fallos en sistemas de venteo o bloqueo accidental.

• Exposición al fuego.

En tanques que almacenan líquidos inflamables, API 2000 también recomienda el uso de arrestallamas para prevenir riesgos asociados a la ignición de vapores.

4. Dispositivos de Venteo Utilizados en Tanques de Almacenamiento

La norma API 2000 clasifica los sistemas de venteo en dos tipos principales:

1. Válvulas de presión y vacío

• Se utilizan para aliviar presión, vacío o ambos.

• Pueden ser de accionamiento directo u operadas por piloto.

• Proveen protección contra sobrepresión y/o vacío en tanques de baja presión, además de minimizar pérdidas de producto (también conocidos como venteo de conservación).

• En situaciones críticas, las válvulas de gran tamaño (16” a 24”) pueden usarse para proporcionar venteo de emergencia y/o permitir el acceso al tanque durante inspecciones.

Válvula de Alivio de Presión y Vacío

Válvula de Alivio de Presión y Vacío con Arrestallamas

Escotilla de Venteo de Emergencia

Escotilla de Venteo de Emergencia con Alivio de Vacío

2. Venteos abiertos

• Diseñados para operar a presión atmosférica.

• Equipados con accesorios para prevenir la entrada de agua, nieve, insectos o aves, como capuchas, sombreros chinos y cuellos de cisne.

• Comúnmente usados en tanques que almacenan líquidos no inflamables, aunque pueden combinarse con arrestallamas si hay vapores inflamables.

Venteo Abierto

Cuello de Cisne

Vernteo Abierto con Arrestallamas

PL de Techo

Cuello de Cisne

Arrestallamas

PL de Techo

5. Presión de Operación y Presión de Diseño

5.1. Tanques de techo fijo

Estos tanques operan a presiones atmosféricas o a pequeñas presiones internas, de hasta 18 kPa (2.5 psi). Los casos se detallan a continuación:

5.1.1 Caso 1: Tanque con venteo abierto y junta techo-pared frágil

• La presión de operación y la presión interna de diseño son consideradas atmosféricas.

• Los dispositivos de venteo abierto cubren los requisitos con una caída de presión de ±25.4 mm (1”) de columna de agua.

• La junta techo-pared está diseñada para fallar controladamente en caso de incendio externo, por lo que no se requiere instalar venteo de emergencia.

• El diseñador del tanque deberá calcular la presión de falla de la junta techo-pared y verificar que el tanque puede operar sin problemas bajo esta condición.

El criterio de ± 25,4 mm (1”) de columna de agua obedece a que la norma API 650 no requiere de cálculos adicionales para estas presiones de diseño.

5.1.2 Caso 2: Tanque con venteo abierto sin junta techo-pared frágil

En este caso se requiere la instalación de un venteo de emergencia

• Presión de operación: Atmosférica.

• Presión de ajuste del venteo de emergencia: Debes ser mayor de 25.4 mm de columna de agua para evitar que el venteo de emergencia abra y cierre intermitentemente.

• Presión interna diseño: La presión interna de diseño se calcula como:

                                                                                                              Pd = Pa + ΔPv + S

Donde:

Pa: presión de ajuste del venteo de emergencia

ΔPv: caída de presión en el venteo de emergencia.

S: margen de seguridad.

5.1.3  Caso 3: Tanque con válvula de presión y vacío con junta techo-pared frágil

• Presión de operación: Generalmente, se estima como el 70% de la presión de ajuste de la válvula.

• Presión de interna diseño: Se establece como 200% de la presión de ajuste de la válvula, asegurando un margen de seguridad suficiente.

• La junta techo-pared está diseñada para fallar controladamente en caso de incendio externo. La presión de falla de la junta techo pared debe ser calculada por el diseñador del tanque y debe ser menor que la presión interna de diseño del tanque.

• Presión de diseño por vacío: Se establece como 200% de la presión de ajuste de la válvula, Esta presión debe se mayor que la presión de la válvula al 100% de flujo por vacío.

Por ejemplo, si la presión de ajuste de la válvula de presión y vacío es ± 0.21525 kPa (0.865” de columna de agua)

• Presión de operación: 70% x 0.21525 kPa (0.865” de columna de agua) = 0.15 kPa (0.606” de columna de agua)

• Presión de interna de diseño: 200% x 0.21525 kPa (0.865” de columna de agua) = 0.431 kPa (1.73” de columna de agua).

• Presión de diseño por vacío: 200% x - 0.21525 kPa (- 0.865” de columna de agua) = - 0.431 kPa (- 1.73” de columna de agua).

5.1.4   Caso 4: Tanque con válvula de presión y vacío sin junta techo-pared frágil

· Presión de operación: El 70% de la presión de ajuste de la válvula de presión y vacío.

• Presión de ajuste del venteo de emergencia: Esta debe ser mayor que la presión de ajuste de la válvula de presión y vacío, más la caída de presión en esta más un porcentaje de seguridad para evitar que el venteo de emergencia abra y cierre intermitentemente.

• Presión de interna diseño: Debe ser superior a la presión del venteo de emergencia al 100% de flujo, con un margen adicional de seguridad. Esta presión debe ser mayor que la presión de falla de la junta techo-pared.

• Presión de diseño por vacío: Se establece como 200% de la presión de ajuste de la válvula, Esta presión debe se mayor que la presión de la válvula al 100% de flujo por vacío.

Por ejemplo, si la presión de ajuste de la válvula de presión y vacío es ± 0.21525 kPa (0.865” de columna de agua) y la caída de presión en esta es también de + 0.21525 kPa (0.865’ de columna de agua)

• Presión de operación: 70% x 0.21525 kPa (0.865” de columna de agua) = 0.15 kPa (0.606” de columna de agua).

• Presión de ajuste del venteo de emergencia: 200% x 0.21525 kPa (0.865” de columna de agua) = 0.431 kPa (1.73” de columna de agua) más un porcentaje para evitar que el venteo de emergencia abra y cierre intermitentemente. De lo anterior vamos a considerar presión de ajuste del venteo de emergencia de = 0.498 kPa (2” de columna de agua)

• Presión de interna de diseño: Para una presión de ajuste del venteo de emergencia de = 0.498 kPa (2” de columna de agua) y considerando una caída de presión de 0.498 kPa (2” de columna de agua), tendríamos una presión interna de diseño del tanque de aproximadamente 1.1 kPa (4.4” de columna de agua, valor anterior calculado con un 10% de factor de seguridad (2 x 0.498 x1.1 kPa).

• Presión de diseño de vacío: 200% x - 0.21525 kPa (- 0.865” de columna de agua) = - 0.431 kPa (- 1.73” de columna de agua)

5.2. Tanques de tope abierto

• Tanto la presión de operación como la de diseño se consideran atmosféricas.

• Los techos flotantes externos incluyen venteos automáticos que se activan según la posición del techo, estos dispositivos deben permanecer cerrados mientras el techo está flotando y deben estar completamente abiertos en el momento en que el techo se posa sobre sus patas o columnas soporte.

5.3. Tanques de techo fijo con techo flotante interno

Cuando los tanques de techo fijo están equipados con venteo central y venteos periféricos de circulación, según lo establecido en API 650 H.5.2.2.1 y H.5.2.2.2, tanto la presión de operación como la presión interna de diseño del tanque se consideran atmosféricas.

Si el tanque no tiene prevista la instalación de; venteos de circulación central y periféricos, debe implementarse un sistema alternativo para evitar el desarrollo de una mezcla combustible dentro del tanque, como un sistema de gas de manto (gas blanketing) u otro método aceptable.

En los casos donde se utilice un sistema de gas blanketing, este requiere los siguientes componentes:

• Válvula reguladora de gas blanketing.

• Válvula de alivio de presión y vacío con arrestallamas.

• Venteo de emergencia con alivio de vacío.

El cálculo de las presiones de operación y diseño en tanques con gas blanketing será abordado en otro blog, ya que requiere una consideración detallada de los sistemas de control y seguridad asociados.

6. Conclusiones

La correcta selección, diseño, y configuración de tanques atmosféricos según API 650 es clave para garantizar la seguridad y eficiencia en el almacenamiento de líquidos. Considerar las presiones de diseño, operación, y alivio, junto con los accesorios adecuados, asegura que los tanques cumplan con los estándares más exigentes.

7. Recomendaciones

• Confirmar con el diseñador del tanque las presiones de operación y diseño.

• En tanques con junta frágil, verificar que la presión de falla sea compatible con las condiciones de operación previstas.

• Los casos analizados son ilustrativos, para los casos reales se debe verificar con los fabricantes de dispositivos de válvulas y venteos las presiones de ajuste de las válvulas y las pérdidas de carga al flujo de venteo requerido.

8. Referencias y Normas

American Petroleum Institute

• API 650: Welded Tanks for Oil Storage.

• API 2000: Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks

Tanque Fijo con Techo Flotante Interno