Em julho de 2024, a extração de um pequeno volume de betume de um tanque de armazenamento aquecido e isolado em uma instalação portuária no Reino Unido resultou em vácuo interno parcial e distorção significativa da forma da carcaça do tanque quando o respirador interno do tanque não funcionou conforme projetado.
Após as rápidas ações da equipe operacional local, a ventilação manual do tanque aliviou as condições de vácuo e aparentemente permitiu que o tanque voltasse à sua forma original. Foram levantadas preocupações de integridade com relação à distorção permanente localizada da carcaça, deformação plástica residual e possível rachadura, todas exigindo a remoção extensiva do isolamento ou drenagem completa e limpeza interna minuciosa para investigação.
Propusemos uma abordagem de triagem analítica usando a análise de elementos finitos (FEA) para avaliar a probabilidade de deformação plástica permanente sob as condições suspeitas de vácuo, bem como a identificação de possíveis locais de danos para inspeção focada.
A ausência de distorção visível no revestimento de isolamento externo inibiu a identificação visual de possíveis áreas de deformação plástica.
Isso exigiu uma ampla campanha de remoção do isolamento para obter uma alta cobertura de inspeção e confirmar a ausência de qualquer deformação plástica prejudicial.
Como alternativa, o cliente poderia ter drenado e limpado completamente o tanque para ter acesso seguro e apoiar a inspeção visual por uma pessoa ou drone. Ambas as abordagens de inspeção teriam exigido um tempo de inatividade significativo, incorrido em custos substanciais de preparação e inspeção e gerado grandes quantidades de produtos residuais com um impacto ambiental significativo.
Propusemos o uso de um modelo simplificado de elementos finitos do tanque para simular as condições predominantes durante o evento, que foi então usado para determinar a probabilidade de ocorrência de deformação plástica durante o evento de vácuo.
Esperava-se que a análise de flambagem associada concluída no modelo indicasse o local mais provável da deformação plástica para permitir a remoção e a inspeção direcionadas do isolamento, resultando na minimização da preparação, da inspeção e do tempo de inatividade do ativo.
Um modelo simplificado e representativo de elementos finitos tridimensionais do tanque foi criado a partir dos desenhos as-built, usando as espessuras de projeto especificadas (e variáveis) para as fitas individuais do casco.
Como havia produto no tanque no momento do evento, o piso foi considerado uma superfície rígida, enquanto o teto e a estrutura de suporte foram modelados detalhadamente para garantir que a rigidez que eles forneciam à carcaça do tanque fosse representada com precisão. Não se esperava que acessórios internos submersos no fundo do tanque, como bobinas de aquecimento, afetassem o comportamento de flambagem do tanque e, portanto, foram omitidos, enquanto fatores adicionais apropriados para passarelas externas e outros ativos foram adicionados ao modelo.
A equipe realizou análise de flambagem e análise de tensão elástica linear no modelo do tanque para vários cenários de carga, seguindo a orientação geral da ASME VIII Div 2 Parte 5, mas sem a aplicação de fatores de carga de projeto, para simular as condições reais de serviço.
Para cada altura de preenchimento de betume avaliada, a pressão do espaço de vapor interno foi reduzida até que o multiplicador de carga na avaliação de flambagem fosse reduzido a um valor de um, indicando o início da instabilidade da flambagem. Posteriormente, os engenheiros usaram a análise elástica linear no ponto de início da flambagem para verificar se os níveis máximos de tensão excediam a resistência ao escoamento do material, se houvesse, indicando o início da deformação plástica permanente.
Infelizmente, devido à curta duração do evento de vácuo, os principais dados operacionais, como a altura de preenchimento do betume e a pressão do espaço de vapor, não foram registrados com precisão. A equipe conseguiu realizar uma análise de sensibilidade para lidar com as incertezas, variando os principais dados operacionais para capturar todos os cenários possíveis.
Embora a análise de flambagem tenha indicado que o tanque tinha uma capacidade muito limitada para suportar vácuo parcial, o vácuo parcial no qual ocorre a instabilidade de flambagem demonstrou ser ordens de magnitude maior do que os requisitos do projeto original, confirmando a adequação do projeto original.
A análise de sensibilidade forneceu uma gama de condições de pressão de vácuo máxima permitida para diferentes alturas de enchimento do tanque, com a maior pressão de vácuo associada à menor altura de enchimento e ao maior espaço de vapor, conforme esperado.
Por outro lado, aplicando a lei de Boyle, foi demonstrado que o risco de iniciar condições de vácuo maiores era maior em alturas de enchimento mais altas, onde mudanças menores no volume de betume resultariam em aumentos maiores nas condições de vácuo.
Todos os cenários de avaliação demonstraram que os níveis de tensão na carcaça do tanque no início da instabilidade da flambagem estavam bem abaixo da resistência ao escoamento do material. Também foi demonstrado que aumentos substanciais na pressão negativa, bem além do ponto de instabilidade da flambagem, seriam necessários para iniciar a deformação plástica, sugerindo que o colapso catastrófico do tanque ocorreria bem antes do início da deformação permanente significativa. Além disso, foi demonstrado que a primeira deformação plástica nesse cenário (improvável) ocorreria na interface entre o tanque e o teto, e não em qualquer uma das áreas de distorção observada na carcaça.
Nossa abordagem analítica inovadora forneceu a quantificação da probabilidade de danos permanentes ao tanque devido ao evento de vácuo, o que permitiu que o cliente prosseguisse com uma decisão baseada em riscos para retornar o tanque ao serviço após um enchimento inicial monitorado e controlado.
O rápido tempo de resposta da abordagem analítica, concluída em questão de dias, reduziu o tempo de inatividade do tanque ao mínimo absoluto. Além disso, a eliminação dos requisitos de inspeção extensiva resultou em uma economia substancial de custos diretos, bem como em uma redução significativa do impacto ambiental, com zero desperdício de isolamento, produto descartado ou água contaminada.
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