En julio de 2024, la extracción de un pequeño volumen de betún de un tanque de almacenamiento calentado y aislado en una instalación portuaria del Reino Unido dio lugar a un vacío interno parcial y a una distorsión significativa de la forma de la coraza del tanque cuando el in-breather del tanque no funcionó según lo previsto.
Tras la rápida actuación del equipo operativo local, el venteo manual del tanque alivió las condiciones de vacío y aparentemente permitió que el tanque volviera a su forma original. Se plantearon problemas de integridad en relación con la distorsión permanente localizada de la coraza, la deformación plástica residual y el agrietamiento potencial, todo lo cual requería una amplia retirada del aislamiento o un vaciado completo y una limpieza interna exhaustiva para investigarlo.
Propusimos un enfoque de cribado analítico mediante análisis de elementos finitos (FEA) para evaluar la probabilidad de deformación plástica permanente en las condiciones de vacío sospechadas, así como la identificación de posibles ubicaciones de daños para una inspección focalizada.
La ausencia de distorsión visible en el revestimiento aislante exterior impidió la identificación visual de posibles zonas de deformación plástica.
Esto hizo necesaria una amplia campaña de retirada de aislamiento para lograr una alta cobertura de inspección y confirmar la ausencia de cualquier deformación plástica perjudicial.
Como alternativa, el cliente podría haber vaciado completamente y limpiado a fondo el depósito para poder acceder a él de forma segura y facilitar la inspección visual por parte de una persona o un dron. Ambos métodos de inspección habrían requerido un tiempo de inactividad considerable, habrían supuesto importantes costes de preparación e inspección y habrían generado grandes cantidades de residuos con un impacto medioambiental significativo.
Propusimos el uso de un modelo simplificado de elementos finitos del tanque para simular las condiciones imperantes durante el evento, que luego se utilizó para determinar la probabilidad de que se produjera una deformación plástica durante el evento de vacío.
Se esperaba que el análisis de pandeo asociado realizado en el modelo indicara la ubicación más probable de la deformación plástica para permitir la retirada selectiva del aislamiento y la inspección, lo que reduciría al mínimo la preparación, la inspección y el tiempo de inactividad de los activos.
Se creó un modelo tridimensional de elementos finitos simplificado y representativo del depósito a partir de los planos de construcción, utilizando los espesores de diseño especificados (y variables) para cada una de las correas del armazón.
Como había producto en el tanque en el momento del suceso, el suelo se consideró una superficie rígida, mientras que el techo y la estructura de soporte se modelaron en detalle para garantizar que la rigidez que proporcionaban al armazón del tanque se representaba con precisión. Los accesorios internos sumergidos en el fondo del tanque, como los serpentines de calefacción, no se esperaba que afectaran al comportamiento de pandeo del tanque, por lo que se omitieron, mientras que se añadieron al modelo los factores adicionales apropiados para las pasarelas externas y otros activos.
El equipo realizó análisis de pandeo y análisis de tensiones lineales-elásticas en el modelo de tanque para varios escenarios de carga, siguiendo las directrices generales de ASME VIII Div 2 Parte 5, pero sin la aplicación de factores de carga de diseño, para simular las condiciones reales en servicio.
Para cada altura de relleno de betún evaluada, se redujo la presión interna del espacio de vapor hasta que el multiplicador de carga en la evaluación del pandeo se redujo a un valor de uno, indicando el inicio de la inestabilidad del pandeo. Posteriormente, los ingenieros utilizaron el análisis lineal-elástico en el punto de inicio del pandeo para comprobar si los niveles máximos de tensión superaban el límite elástico del material, si lo había, indicando el inicio de la deformación plástica permanente.
Desgraciadamente, debido a la corta duración del evento de vacío, no se registraron con precisión datos operativos clave como la altura de llenado del betún y la presión del espacio de vapor. El equipo pudo realizar un análisis de sensibilidad para abordar las incertidumbres variando los datos operativos clave para capturar todos los escenarios posibles.
Aunque el análisis de pandeo indicó que el depósito tenía una capacidad muy limitada para soportar el vacío parcial, se demostró que el vacío parcial en el que se produce la inestabilidad de pandeo es varios órdenes de magnitud superior a los requisitos de diseño originales, lo que confirma la idoneidad del diseño original.
El análisis de sensibilidad proporcionó una gama de condiciones de presión de vacío máximas admisibles para diferentes alturas de llenado del tanque, con la presión de vacío más alta asociada a la altura de llenado más baja y el espacio de vapor más grande, como era de esperar.
Por el contrario, aplicando la ley de Boyle, se demostró que el riesgo de iniciar condiciones de vacío mayores era mayor a alturas de llenado más elevadas, donde cambios más pequeños en el volumen de betún darían lugar a mayores incrementos en las condiciones de vacío.
Todos los escenarios de evaluación demostraron que los niveles de tensión en el armazón del tanque al inicio de la inestabilidad de pandeo estaban muy por debajo del límite elástico del material. También se demostró que serían necesarios aumentos sustanciales de la presión negativa, mucho más allá del punto de inestabilidad de pandeo, para iniciar la deformación plástica, lo que sugiere que el colapso catastrófico del tanque se produciría mucho antes del inicio de una deformación permanente significativa. Además, se demostró que la primera deformación plástica en un escenario de este tipo (poco probable) se produciría en la interfaz entre el depósito y el techo, y no en ninguna de las zonas de distorsión de la coraza observadas.
Nuestro innovador planteamiento analítico permitió cuantificar la probabilidad de que el depósito sufriera daños permanentes a causa del vacío, lo que permitió al cliente tomar la decisión, basada en el riesgo, de volver a poner en servicio el depósito tras un llenado inicial supervisado y controlado.
El rápido tiempo de respuesta del enfoque analítico, completado en cuestión de días, redujo el tiempo de inactividad del tanque al mínimo absoluto. Además, la eliminación de los extensos requisitos de inspección supuso un importante ahorro de costes directos, así como una reducción significativa del impacto medioambiental, con cero residuos de aislamiento, producto desechado o agua contaminada.
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