Esfuerzos permitidos y Espesores
mínimos
WB002
1. Materiales para tanques.
Los materiales que son utilizados comúnmente en los tanques los presentamos en esta sección.
Placas. Los requerimientos principales establecidos por el Estándar API 650 los podemos resumir de
la forma siguiente:
Las placas para el techo, envolventes y fondos pueden ser ordenados con base en el espesor o en
base al peso en kilogramo/metro cuadrado (libras/pie cuadrado).
Si el criterio del espesor o peso es utilizado, un espesor no menor de 0.03 mm (0.01 pulgada) del
espesor de diseño calculado o el espesor mínimo permitido es aceptable.
El espesor de las placas que forman la envolvente es limitado a un máximo de 45 mm (1.75 pulgadas)
a menos que un espesor menor sea establecido en API 650 o por especificación de la placa.
Acero Estructural. Los aceros estructurales deben cumplir con uno de las siguientes especificaciones:
• ASTM A 36
• ASTM A131
• ASTM A992
Tuberías y Forjas. La tubería y forjas deben cumplir con las especificaciones siguientes:
Tuberías
• API Spec 5L, Grados A, B y X42.
• ASTM A 53 Grados A y B
• ASTM A 106 Grados A y B
• ASTM A 234 Grado WPB
• ASTM A 333 Grados 1 y 6
• ASTM A 334 Grados 1 y 6
• ASTM A 420 Grado WPL6
• ASTM A 524 Grados I y II
Forjas
• ASTM A 105
• ASTM A 181
• ASTM A350 Grados LF1 y LF2
Bridas. Las Bridas del tipo deslizable (Slip-On), Cuello Soldable (Welding neck), de traslape (Lap
Joint), tipo anillo (ring-type) deben cumplir los requerimientos del ASME B16.5 (que se verán en el
modulo 3 del diplomado). En el caso que las bridas mayores de NPS 24, se debe utilizar el ASME
B16.47.
Esparragos. Los espárragos para bridas deben cumplir con la especificación ASTM A193 B7 y las
dimensiones en acuerdo con el ASME B18.2.1. Las tuercas deben cumplir con el ASTM A194 Grado
2H y las dimensiones en acuerdo con el ASME B18.2.2, ambos deben tener un patrón hexagonal.
Ademas, los espárragos y tuercas deben ser roscados en acuerdo con ASME B1.13 M (Sistema
Internacional), o con ASME B1.1 (US) como sigue:
1) Esparragos hasta 1 pulgada en diámetro (incluyéndolo): UNC Clase 2B fit.
Espárragos. Los espárragos para bridas deben cumplir con la especificación ASTM A193 B7 y las
dimensiones en acuerdo con el ASME B18.2.1. Las tuercas deben cumplir con el ASTM A194 Grado
2H y las dimensiones en acuerdo con el ASME B18.2.2, ambos deben tener un patrón hexagonal.
Además, los espárragos y tuercas deben ser roscados en acuerdo con ASME B1.13 M (Sistema
Internacional), o con ASME B1.1 (US) como sigue:
1)
2)
3)
4)
Espárragos hasta 1 pulgada en diámetro (incluyéndolo): UNC Clase 2B fit.
Tuercas para espárragos hasta 1 pulgada en diámetro (incluyéndolo): UNC Clase 2B fit.
Espárragos de 1.125 pulgada en diámetro y mayores: 8N Clase 2A fit.
Tuercas para espárragos con diámetro de 1.125 pulgada y mayores: 8N Clase 2B fit.
En el caso de anclas, estas deben cumplir con lo siguiente:
1) Barra (redonda) por ASTM A 36, roscado y galvanizado
2) Espárragos en acuerdo con ASTM F1554, Grados 36 o 55, galvanizado
3) Las tuercas para las anclas deben ser galvanizados con cabeza hexagonal. La soldadura no es
permitida en anclas que son galvanizados y los espárragos con una resistencia mínima a la
cedencia mayor de 55 ksi son prohibidos.
Electrodos para soldadura.
1) Para la soldadura de materiales con una resistencia a la tensión mínima menor de 550 MPa (80
ksi), los electrodos para soldadura por arco-manual deben cumplir con la serie de clasificación E60
y E70 (conveniente para las características de corriente eléctrica y posición) en AWS A5.1.
2) Para la soldadura de materiales con una resistencia a la tensión mínima de 550 MPa a 585 MPa
(80 ksi a 85 ksi), los electrodos para soldadura arco-manual deben cumplir con la clasificación
E80XX-CX en AWS A5.5.
2. Clasificación de Materiales (API 650).
El estándar API 650 clasifica los materiales con base en su fabricación. Existen ocho grupos y la
importancia de clasificar los materiales en grupos permite establecer la temperatura de diseño de
metal.
Los materiales ASTM A 283 Grado C, ASTM A 285 Grado C y ASTM A 36 se localizan en los grupos I y
II.
La clasificación de los materiales se presenta en la tabla 1.
3. Esfuerzos permitidos.
Los esfuerzos permitidos para los materiales a utilizar en el diseño de envolvente en tanques nuevos
(API 650) se muestran en la tabla 2. Además, en la tabla 3 se muestra los esfuerzos permitidos para
materiales en el caso de tanques que se encuentran en servicio.
Tabla 1 – Asignación de materiales por Grupos para
tanques en acuerdo con API 650
Grupo I
Rolados y Semicalmados
Grupo II
Rolados, Calmados y
Semicalmados
Grupo III
Rolados, Práctica de Grano Fino
(Calmados)
Material
Notas
Material
Notas
Material
A283 C
2
A131 B
6
A285 C
2
A36
2,5
A131 A
2
G40.21-38W
A36
2,3
Grado 250
Grado 235
3
Grado 250
5
Grupo IV
Rolados, Práctica de Grano
Fino (Calmados)
Material
Notas
7
Grupo IVA
Rolados, Práctica de Grano Fino
(Calmados)
Material
Notas
Notas
Grupo IIIA
Normalizado, Práctica de Grano Fino
(Calmados)
Material
Notas
A573-58
A573-58
9
A516-55
A516-55
9
A516-60
A516-60
9
G40.21-38W
8
G40.21-38W
8,9
Grado 250
8
Grado 250
8,9
Grupo V
Normalizado, Práctica de Grano
Fino (Calmados)
Grupo VI
Normalizado o Quencheo y Templado,
Carbon Reducido Pràctica de Grano Fino
(Calmado)
Material
Notas
Material
A573-70
9
A131 EH 36
A573-65
A662 C
A573-70
A573-70
10
A516-65
9
A633 C
A516-65
G40.21-44W
8, 10
A516-70
9
A633 D
A516-70
G40.21-50W
8, 10
G40.21-44W
8, 9
A537 Clase 1
A662 B
E275 D
G40.21-50W
8, 9
A537 Clase 2
Notas
12
G40.21-44W
8
E355 D
A678 A
G40.21-50W
8
S275 J2
8
A678 B
E275 C
8
S355 (J2 or K2)
8
A737 B
E355 C
8
A841, Grado A, Clase 1
11, 12, 13
S275 J0
8
A841, Grado B, Clase 2
11, 12, 13
S355 J0
8
Grado 275
8
12
Nota 1 La mayoría de las especificaciones de materiales se refieren a los ASTM (incluyendo Grado o Clase).
Nota 2 Deben ser Calmados o Semi-calmados.
Nota 3. Espesor ≤ 0.75 pulg.
Nota 5. El contenido de manganeso debe ser 0.80% a 1.2% por análisis para espesores mayores de 0.75 pulgadas, excepto que
para cada reducción de 0.01% por debajo del máximo carbono especificado, un incremento del contenido de manganeso de
0.80% a 1.2% por análisis.
Nota 6. Espesores ≤ 1 pulgada
Nota 7. Debe ser calmado
Nota 8. Debe ser calmado y hecho de práctica de grano fino.
Nota 9. Debe ser normalizado.
Nota 10. Debe tener composición química modificada a un máximo contenido de carbono del 0.20% y un máximo contenido de
manganeso de1.60%.
Nota 11. Producido por el proceso de control Termo-Mecánico (TMCP).
Nota 12. Ver párrafo 5.7.4.6 de API 650 para pruebas en cupones de material usados en ensambles con relevado de esfuerzos.
Nota 13. Ver párrafo 4.2.10 por requerimientos de impacto (cada placa probado como fue rolado).
Tabla 2 – Esfuerzos permitidos para los materiales en acuerdo con
API 650, para tanques de almacenamiento atmosféricos.
Espesor de
Placa Nominal
"t", pulg
Esfuerzo de
Esfuerzo a
Esfuerzo de Diseño por Esfuerzo por Prueba
Cedencia, Tensiòn mìnimo,
Producto, "Sd",
Hidrostàtica, "St",
lbf/pulg2
lbf/pulg2
lbf/pulg2
lbf/pulg2
Especificaciones ASTM
Especificación
de Placa
Grado
A-283
C
30000
55000
20000
22500
A-285
C
30000
55000
20000
22500
A-131
A, B
34000
58000
22700
24900
36000
58000
23200
24900
A-36
A-131
EH-36
51000
71000
28400
30400
A-573
58
32000
58000
21300
24000
A-573
65
35000
65000
23300
26300
A-573
70
42000
70000
28000
30000
A-516
55
30000
55000
20000
22500
A-516
60
32000
60000
21300
24000
A-516
65
35000
65000
23300
26300
A-516
70
38000
70000
25300
28500
A-662
B
40000
65000
26000
27900
A-662
C
43000
70000
28000
30000
A-537 (1)
1
50000
70000
28000
30000
A-537 (2)
2
60000
80000
32000
34300
A-633 (C,D)
C, D
50000
70000
28000
30000
A-678 (A)
A
50000
70000
28000
30000
A-678 (B)
B
60000
80000
32000
34300
A-737 (B)
B
50000
70000
28000
30000
A-841
Clase 1
50000
70000
28000
30000
A-841
Clase 2
60000
80000
32000
34300
Especificaciones CSA
G40.21
38W
38000
60000
24000
25700
G40.21
38WT
38000
60000
24000
25700
G40.21
44W
44000
64000
25600
27400
G40.21
44WT
44000
64000
25600
27400
G40.21
50W
50000
65000
26000
27900
t ≤ 2-1/2
50000
65000 (Nota a)
26000
27900
G40.21
50WT
2-1/2 < t ≤ 4
46000
65000 (Nota a)
26000
27900
Nota a. Por acuerdo entre el comprador y el fabricante, la resistencia a la tensión del material ASTM A537 Clase 2, A678 Grado B y A841
Clase 2, pueden ser incrementados a 85 000 psi mínimo y 100 000 psi máximo. La resistencia a la tensión de otros materiales presentados
en esta tabla pueden ser incrementados a 75 000 psi mínimo y 90 000 psi máximo. Cuando esto es hecho, los esfuerzos permitidos deben
ser determinados como se establece en los párrafos 5.6.2.1 y 5.6.2.2 del estándar API 650.
Tabla 3 – Esfuerzos Máximos permitidos para Envolventes en
Tanques de Almacenamiento Atmosféricos en Servicio (API 653,
Quinta Edición, Noviembre 2014)
ESFUERZOS MÁXIMOS PERMITIDOS PARA ENVOLVENTES EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO
ATMOSFÉRICOS EN SERVICIO (API 653, Quinta Edición, Noviembre 2014)
Especificación del
Material y Grado
Esfuerzo a la Cedencia
mínima especificada,
"Y" (lbf/pulg2)
Esfuerzo a la Tensión
mínima especificada,
"T" (lbf/pulg2)
A 283-C
30000
55000
A 285-C
30000
A36
Esfuerzo por producto
permitido (lbf/pulg2)
Primeros dos
Anillos
Esfuerzo por Prueba Hidrostática
permitido, lbf/pulg2
Resto de los
Anillos
Primeros dos
Anillos
Resto de los
Anillos
23600
26000
26000
27000
55000
23600
26000
26000
27000
36000
58000
24900
27400
27400
30100
A131-A,B,CS
34000
58000
24900
27400
27400
30100
A131-EH 36
51000
71000
30500
33500
33500
36800
A573-58
32000
58000
24900
27400
27400
28800
A573-65
35000
65000
27900
30700
30700
31500
A573-70
42000
70000
30000
33000
33000
36000
A516-55
30000
55000
23600
26000
26000
27000
A516-60
32000
60000
25600
28200
28200
28800
A516-65
35000
65000
27900
30700
30700
31500
A516-70
38000
70000
30000
33000
33000
34200
A662-B
40000
65000
27900
30700
30700
33700
Especificaciones ASTM
A662-C
43000
70000
30000
33000
33000
36300
A537-CLASS 1
50000
70000
30000
33000
33000
36300
A537-CLASS 2
60000
80000
34300
37800
37800
41500
A633-C,D
50000
70000
30000
33000
33000
36300
A678-A
50000
70000
30000
33000
33000
36300
A678-B
60000
80000
34300
37800
37800
41500
A737-B
50000
70000
30000
33000
33000
36300
A841
50000
70000
30000
33000
33000
36300
A10 (Nota 1)
30000
55000
23600
26000
26000
27000
A7 (Nota 1)
33000
60000
25700
28300
28300
29700
A442-55 (Nota 1)
30000
55000
23600
26000
26000
27000
A442-60 (Nota 1)
32000
60000
25600
28200
28200
28800
Especificaciones CSA
G40.21,38W
38000
60000
25700
28300
28300
31100
G40.21,44W
44000
65000
27900
30700
30700
33700
G40.21,50W
50000
65000
27900
30700
30700
33700
G40.21, 50WT
50000
70000
30000
33000
33000
36300
Des conoci do (Nota 2)
30000
55000
23600
26600
26000
27000
Tanques Remachados
A7, A9 o A10 (Nota 1 y 3)
NA
NA
21000
21000
21000
21000
Conoci do (Nota 4)
Y
T
Nota 4
Nota 4
Nota 4
Nota 4
Des conoci do (Nota 5)
NA
NA
21000
21000
21000
21000
Tabla 3 – Notas aplicables
Nota 1. ASTM A7, ASTM A9, ASSTM A10 y ASTM A442 s on es peci fi ca ci ones de ma teri a l obs ol etas que s e encuentra n en API 12C y API 650.
Nota 2. Los valores mostrados de esfuerzo a cedencia y a tensión mostrados son especificos para materiales soldados de origen
desconocido.
Nota 3. Esto es aplicable para tanques remachados construidos de cualquier grado de material evaluado por API 653 en acuerdo al
párrafo 4.3.4.1.
Nota 4. Eso es aplicable para tanques remachadosconstruido con materiales conocidos evaluado por el párrafo 4.3.4.2 de API 653.
Para todos los anillos, el esfuerzo permitido máximo para la envolvente en las condiciones de producto y prueba hidrostática se
encuentran debajo de la columna del esfuerzo de producto permitido, "S".
Nota 5. Esto es aplicable para tanques remachados, construidos con materiales desconocidos, evaluados en acuerdo al párrafo 4.3.4.2
de API 653.
Nota 6. El esfuerzo permitido para tanques reconstruidos son presentados en la tabla 5-2 de API 650 o calculos en acuerdo con los
requerimientos de la sección de tanques reconstruidos de API 653.
Nota 7. El esfuerzo permitido son calculados por los párrafos 4.3.3.1 y 4.3.3.2 de API 653. Los esfuerzos calculados permitidos son
redondeados al valor mas cercano a 100 lbf/pulg2.
4. ESPESORES DE DISEÑO (API 650)
Fundamentado en el Estándar Básico API 650, existen varios métodos para determinar los espesores
de diseño, sin embargo, nos enfocaremos en ver el método de Un pie con la limitante de ser usado en
tanques de hasta 200 pies de diámetro.
El método consiste en determinar los espesores de diseño por producto y por prueba hidrostática y
sus formulas son las siguientes:
a) Espesor de diseño por producto.
td =
2.6 * D * ( H - 1 ) * G
Sd
+ CA
b) Espesor por prueba hidrostática.
tt =
2.6 * D * ( H - 1 )
St
Nomenclatura:
td
Espesor de diseño por producto en pulgadas.
tt
Espesor bajo prueba hidrostática en pulgadas.
D
Diámetro nominal del tanque en pies.
H
Altura de diseño (nivel) total o al nivel de cada anillo a ser diseñado en pies.
Sd
Esfuerzo permitido para la condición de diseño por producto en psi (lbf/pulgada cuadrada).
St
Esfuerzo permitido para la condición de prueba hidrostática en psi (lbf/pulgada cuadrada).
CA
Margen por Corrosión en pulgadas.
G
Gravedad Especifica del liquido a ser almacenado especificado por la instalación.
Un factor importante en el diseño de envolventes para tanques es: Las placas que formen la
envolvente deben tener un ancho mínimo nominal de 72 pulgadas. (Requerimiento API 650).
Sin embargo, el espesor requerido para los anillos que forman la envolvente deben ser mayores que
el espesor de diseño de la envolvente incluyendo cualquier margen por corrosión o el espesor bajo
prueba hidrostática, pero en ningún caso debe ser menores que los siguientes espesores:
DIÁMETRO NOMINAL DEL TANQUE
ESPESOR NOMINAL DE PLACA
metros
pies
milimetros
pulgadas
< 15
< 50
5
3/16
15 < 36
50 < 120
6
1/4
36 < 60
120 < 200
8
5/16
> 60
> 200
10
3/8
Notas para el diseño de envolventes en tanques de almacenamiento
a) En el diseño de envolventes para tanques de almacenamiento, el diámetro nominal del tanque
debe ser de la línea de centros del tanque del fondo de la envolvente.
b) El espesor especificado se fundamenta en los requerimientos de construcción finales.
c) Para diámetros menores de 50 pies pero mayores de 10.5 pies, el espesor nominal del anillo
inferior no debe ser menor de ¼ pulgada.
5. ESPESORES PARA TANQUES EN
SERVICIO (API 653)
El espesor mínimo aceptable para continuar en servicio se debe determinar por uno de los siguientes
métodos: (Los métodos son limitados a tanques con diámetros de 200 pies o menores)
a) Cuando se determine el espesor mínimo aceptable para el anillo entero de la envolvente, “tmin”
es calculado como sigue:
2.6 * D * G * ( H - 1 )
tmin =
S * E
b) Cuando se determine el espesor mínimo aceptable para cualquier porción del anillo de la
envolvente (tal como un área con adelgazamiento o cualquier otra área de interés), “tmin” es
calculado como sigue:
tmin =
2.6 * D * G * H
S * E
Nomenclatura:
tmin Espesor mínimo aceptable en pulgadas para cada anillo de la envolvente, sin embargo, nunca
debe ser menor de 0.1 pulgadas para cualquier anillo.
D
Diámetro del tanque en pies.
H
Altura del fondo del anillo en envolvente considerado a evaluación al máximo nivel de liquido
cuando se evalúa el anillo completo en pies o es la altura del fondo de la longitud “L” del
punto mas bajo del área con adelgazamiento local al máximo nivel de liquido o la altura del
punto mas bajo del cualquier sitio de interés al máximo nivel de liquido en pies.
G
Gravedad especifica mas alta del contenido almacenado
S
Esfuerzo máximo permitido en psi (lbf/pulgada cuadrada; use el menor de 0.80Y o 0.429T
para el primer y segundo anillo; use el menor de 0.88Y o 0.472T para el resto de los anillos.
Los esfuerzos permitidos se muestran en la tabla 1 para materiales en acuerdo con API 12C y
API 650.
Nomenclatura (Continuación):
E
Eficiencia de junta original para el tanque. Use el valor de la tabla 2, si E es desconocido.
E = 1 cuando se evalúa el espesor de retiro en una placa corroída, cuando este fuera de las
soldaduras o juntas por al menos el mayor de 1 pulgada o dos veces el espesor de placa.
Y
Es el esfuerzo a cedencia mínimo de la placa; use 30 000 psi si no es conocido.
T
Es el esfuerzo a tensión mínimo de la placa u 80 000 psi; use 55 000 psi si no es conocido.
(API 653) Máximos Esfuerzos permitidos para la envolvente (No para el uso de tanques reconstruidos)
Esp. Material y
Grado
Esf. Cadencia
“Y” (psi)
Esf. Tensión
“T” (psi)
A-283-C
A-285-C
A36
30 000
30 000
36 000
55 000
55 000
58 000
A516-55
A516-60
A516-65
A-516-70
30 000
32 000
35 000
38 000
55 000
60 000
65 000
70 000
Esfuerzo permitido para el
producto (psi)
Primeros dos
Anillos
anillos
Superiores
23 600
26 000
23 600
26 000
24 900
27 400
23 600
25 600
27 900
30 000
Esfuerzo permitido bajo prueba
hidrostática (psi)
Primeros dos
Anillos
Anillos
Superiores
26 000
27 000
26 000
27 000
27 400
30 100
26 000
28 200
30 700
33 000
26 000
28 200
30 700
33 000
27 000
28 800
31 500
34 200
Tabla 1 – Esfuerzos permitidos para materiales que forman la envolvente de tanques (API 653)
Tabla 2 – Eficiencias de juntas para Soldaduras (API 653)
6. EVALUACIÓN DE ALTURA PARA PRUEBA
HIDROSTÁTICA (API 653)
Si el tanque va a ser probado hidrostáticamente, la altura de prueba Ht, debe ser limitado por uno o
más de los siguientes métodos. El tanque no debe ser llenado por encima del nivel determinado por
el valor menor de “Ht” determinado como sigue:
a) Después de determinar el espesor de un anillo entero de la envolvente, Ht se calcula como sigue:
Ht =
St * E * tmin
2.6 * D
+ 1
b) Después de determinar el espesor para un área localmente adelgazada o en cualquier otra
localización de interés dentro de un anillo que forma parte de la envolvente, “Ht” es calculado como
sigue:
Ht =
St * E * tmin
2.6 * D
Nomenclatura:
Ht
Altura del fondo del anillo de la envolvente bajo consideración a la altura de prueba
hidrostática cuando se evalúa el anillo entero de la envolvente en pies, o
Altura del fondo de la longitud “L” para un área con perdida de metal severa en cada anillo a la
altura de prueba hidrostática en pies, o
Altura del punto mas bajo en cualquier sitio de interés a la altura de prueba hidrostática en
pies.
St
Es el esfuerzo máximo permitido bajo prueba hidrostática en psi; use el menor de 0.88Y o
0.472T para los primeros dos anillos; o use el menor de 0.9Y o 0.519T para el resto de los
anillos. En caso de conocer el material utilice los valores de la tabla 1.
Notas aplicables.
a) Dependiendo de la gravedad especifica del contenido usado para determinar el “tmin”, “Ht” puede ser menor que “H”.
La prueba del tanque a la altura “H” puede ceder en el área corroída.
b) Si “Ht” es menor que “H”, el usuario debe determinar la consecuencia y aceptabilidad de operar el tanque a “H”, su
máximo nivel de diseño. Es recomendable realizar reparaciones por encima de “Ht”.
c) Para tanques reconstruidos, “St” debe ser por el estándar actual aplicable (API 650 edición actual).