Tanques de Armazenamento, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia de Processos

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CURSO DE FORMAÇÃO DE TÉCNICO DE

MANUTENÇÃO

TANQUES DE ARMAZENAMENTO

ADÃO JOSÉ DE SOUZA JUNIOR

Índice

Apresentação

1 - Introdução

2 - Classificação dos Tanques de Armazenamento

3 - Diques e Bacia de Contenção

4 - Bases e Fundações

5 - Normas de Construção

6 - Materiais de Construção

7 - Projeto do Fundo

8 - Projeto do Costado

9 - Projeto do teto

10 - Bocais e Acessórios

11- Fabricação

12 - Montagem

13 - Pintura

14 - Operação

15 - Manutenção

16 - Inspeção

17 - Relação de Tanques - REFAP

18 - Bibliografia

1- Introdução

Tanques de armazenamento são equipamentos de caldeiraria pesada, sujeitos à pressão aproximadamente atmosférica e destinados, principalmente, ao armazenamento de petróleo e seus derivados. O presente trabalho tratará, exclusivamente, de tanques de armazenamento atmosféricos, cilíndricos, verticais, não enterrados, de fabricação soldada e construídos com chapas de aço carbono. São equipamentos tipicamente encontrados em refinarias, terminais, oleodutos, bases de distribuição, parques industriais etc. Como conceito de definição geral podemos ver o diagrama da Figura 1.1.

TANQUE DE ARMAZENAMENTO

RECIPIENTE PARA ARMAZENAMENTO DE LÍQUIDO

ELEVADO

ENTERRADO

HORIZONTAL

VERTICAL

HORIZONTAL

VERTICAL

ATMOSFÉRICO

BAIXA PRESSÃO

ATMOSFÉRICO

ATMOSFÉRICO

ATMOSFÉRICO

BAIXA PRESSÃO

BAIXA PRESSÃO

BAIXA PRESSÃO

Figura 1. Definição Geral de Tanque de Armazenamento

Mais especificamente no âmbito desse estudo finalmente completamos a definição conforme o diagrama da Figura 1.2.

TANQUE DE ARMAZENAMENTO,

ELEVADO, VERTICAL, ATMOSFÉRICO:

►SERVIÇO: PETRÓLEO E DERIVADOS ►FORMATO: CILÍNDRICO ►CONSTRUÇÃO: SOLDADO ►MATERIAL: AÇO CARBONO ►TETO: FIXO OU FLUTUANTE Figura 1. Definição Geral de Tanque de Armazenamento

A construção de um tanque de armazenamento normalmente é regulamentada pela norma americana API 650 “Welded Steel Tanks for Oil Storage” do American Petroleum Institute (API). No Brasil utiliza-se, também, a norma NBR 7821 “Tanques Soldados para Armazenamento de Petróleo e Derivados”, publicada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Atualmente, os tanques de armazenamento convencionais — projeto convencional e material de fabricação nacional — são construídos numa ampla faixa de capacidades, desde 100 barris (16 m³) até aproximadamente 550.000 barris (87.500 m³). Como o custo do barril armazenado decresce com o aumento da capacidade do tanque, haverá, normalmente, o interesse na construção de tanques de armazenamento com capacidade cada vez maior. Isto é limitado pela espessura requerida ao costado do equipamento. Desta forma, construções especiais — projeto mais elaborado, material de alta resistência mecânica e de elevada tenacidade — permitem a construção de tanques de armazenamento com capacidade superior a 1.000. barris (159.000 m³). Os maiores tanques de armazenamento construídos no Brasil, pertencentes à PETROBRAS, apresentam capacidade da ordem de 550.000 barris (Figura 1.3).

Figura 1. Manutenção do tanque de armazenamento TQ-01M - REFAP, com 550.000 barris de capacidade nominal.

A construção de um tanque de armazenamento merece a mais cuidadosa atenção possível, principalmente devido aos seguintes motivos:

• elevado investimento de capital envolvido;
• são equipamentos imprescindíveis ao funcionamento de uma unidade operacional. A Figura 1.4, a seguir, indica os principais componentes de um tanque de armazenamento.

Figura 1. Principais componentes de um tanque de armazenamento.

c) Teto em Gomos (Umbrella Roof): é uma modificação do tipo anterior, no qual qualquer seção horizontal terá a forma de um polígono regular com número de lados igual ao número de chapas utilizadas nesta região do teto (Figura 2.3).

Figura 2. Teto fixo em gomos

Tanques de Teto Móvel (Lifting Roof)

São tanques cujos tetos se movimentam externamente ao costado (Figura 2.4), em função da pressão de seu espaço vapor. O equipamento deverá conter dispositivos de segurança para evitar o excesso de pressão ou vácuo interno. As perdas por evaporação são evitadas por meio de um sistema de selagem entre o costado e o teto (Figura 2.4).

Figura 2. Teto móvel e detalhe do sistema de selagem

Tanques de Teto Flutuante (Floating-Roof)

São tanques cujos tetos estão diretamente apoiados na superfície do líquido armazenado, no qual flutuam, acompanhando sua movimentação durante os períodos de esvaziamento e enchimento. São utilizados com o objetivo de minimizar as perdas por evaporação devido à movimentação de produto. Como o teto flutuante movimenta-se internamente ao costado, haverá necessidade de um sistema de selagem.

O teto flutuante apresenta os seguintes tipos construtivos:

a) Teto Flutuante com Flutuador (Pontoon Floating-Roof ): possui, na construção convencional, um disco central e um flutuador na periferia do teto (Figura 2.5), permitindo maior flutuabilidade comparado com o tipo duplo.

Figura 2. Teto flutuante com flutuador.

Uma variação construtiva do teto flutuante “Pontoon” é o tipo “Buoyroof”, apresentado na Figura 2.6.

Os tetos flutuantes com flutuador apresentam, principalmente, os seguintes problemas:

• dificuldade de drenagem do teto;
• possibilidade de colapso do teto devido à excessiva pressão de vapor do produto armazenado.

3 - Diques e Bacia de Contenção

Diques apropriados são normalmente construídos em torno de cada tanque, ou conjunto de tanques, limitando uma região que se denomina (Figura 3.1).

Os diques e a bacia de contenção objetivam a segurança da instalação de armazenamento, apresentando basicamente as seguintes finalidades:

• conter o produto armazenado em caso de rompimento do tanque de armazenamento ou tubulação de interligação;
• conter o produto armazenado em caso de falha de operação ou qualquer outro eventual vazamento proveniente do tanque de armazenamento ou de suas tubulações (Figura 3.1);
• limitar um incêndio a uma pequena área

Figura 3. Diques e bacia de contenção

Os diques podem ser construídos utilizando-se diversos materiais, tais como: terra, concreto, alvenaria, chapas metálicas etc., sendo os diques de terra e de concreto os mais freqüentes.

Os diques de terra devem ser construídos com camadas sucessivas e uniformes, de espessura não superior a 30 cm, havendo sempre compactação antes da deposição da camada seguinte. O talude do dique deve ser definido pela natureza do material empregado, sendo o talude 1:1,5 o normalmente adotado nos diques de terra. A superfície do dique deve ser protegida da erosão utilizando-se o plantio de grama ou asfaltamento. Os diques de terra são os mais baratos, porém apresentam elevado custo de manutenção. Uma sobre altura, de aproximadamente 20 cm, normalmente é adicionada à altura teórica do dique para compensar a redução devida à compactação e/ou à erosão do terreno.

Os diques de concreto são os mais caros, porém o gasto de manutenção é praticamente desprezível.

4 - Bases e Fundações

O projeto e a construção das bases e fundações dos tanques de armazenamento devem ser orientados de modo que os recalques máximos, absoluto e diferencial, sejam compatíveis com a segurança do equipamento. Tais recalques, se excessivos, poderão ocasionar:

• deformações e tensões elevadas no equipamento, colocando em risco sua estabilidade;
• esforços elevados nos bocais e tubos conectados ao equipamento, caso não haja suficiente flexibilidade na tubulação para acomodar os recalques;
• erros na medição de nível;
• funcionamento inadequado de componentes do tanque de armazenamento como, por exemplo, o sistema de selagem em tanques de teto flutuante.

Tipos de Fundação

a) fundação direta: apresenta, basicamente, dois aspectos construtivos:

1. aterro compactado: a fundação consiste na remoção da camada superficial do terreno, substituição por material adequado e compactação (Figura 4.1);
2. anel de concreto: a fundação consiste num anel de concreto centrado sob o costado do tanque de armazenamento (Figura 4.2). A profundidade do anel de concreto, que poderá inclusive ser estaqueado, dependerá das condições locais do solo. Devem ser previstos rebaixos para acomodar as portas de limpeza, drenos do fundo ou qualquer outro acessório que interfira com o anel de concreto. Recomenda-se esse tipo de fundação direta em qualquer uma das seguintes situações: terreno de qualidade duvidosa; grandes diâmetros (D > 100 ft); grandes alturas (H > 40 ft) tanques de teto flutuante.

Figura 4. Fundação direta do tipo aterro compactado

b) fundação profunda é o tipo de fundação mais caro e só utilizado quando as condições do solo impossibilitarem o emprego da fundação direta. Apresenta uma série de estacas sob uma laje de concreto armado em cima da qual se apóiam as chapas do fundo e o costado do tanque de armazenamento (Figura 4.4). Tal tipo de fundação procura distribuir a carga total do equipamento sobre uma superfície suficientemente grande, de modo a não ocorrer um recalque excessivo. Devem ser previstos os rebaixos para acomodar as portas de limpeza, drenos de fundo ou qualquer outro acessório que interfira com a laje de concreto.

Figura 4. Fundação profunda.

5 - Normas de Construção

A seguir descreveremos, resumidamente, as principais normas adotadas na construção de um tanque de armazenamento.

API Standard 650 "Welded Steel Tanks For Oil Storage" do American Petroleum Institute:^ Abrange especificações sobre material, projeto, fabricação, montagem e testes de tanques de armazenamento verticais, cilíndricos, não enterrados, com o topo fechado ou aberto, de construção soldada, em aço, com várias dimensões e capacidades, para serviço não refrigerado e pressão interna aproximadamente atmosférica (não superior a 2,5 psig).

NBR 7821 “Tanques Soldados Para Armazenamento de Petróleo e Derivados” da Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT: A antiga NB-89, atual NBR 7821, estabelece as exigências mínimas que devem ser seguidas para materiais, projeto, fabricação, montagem e testes de tanques de aço carbono, soldados, cilíndricos, verticais, não enterrados, com teto fixo ou flutuante, destinados ao armazenamento de petróleo e seus derivados líquidos. A norma abrange apenas os tanques sujeitos a uma pressão próxima da atmosférica e cujos produtos armazenados tenham temperaturas compreendidas entre os seguintes extremos: – 6ºC e + 200ºC.

API Standard 620 "Design And Construction Of Large, Welded, Low-Pressure Storage Tanks" do American Petroleum Institute: Abrange o projeto e a construção de grandes tanques de baixa pressão, soldados, montados no campo e usados para armazenamento de petróleo e derivados com pressão, no máximo, de 15 psig no espaço vapor

API Standard 2000 "Venting Atmospheric And Low-Pressure Storage Tanks (Non-Refrigerated And Refrigerated)" do American Petroleum Institute: Especifica os requisitos normais e de emergência para tanques de armazenamento, não enterrados, de petróleo e seus derivados líquidos ou para tanques de armazenamento refrigerado, enterrados ou não, de hidrocarbonetos líquidos. A norma abrange tanques projetados para operação até 15 psig de pressão.

N-270 “Projeto de Tanque Atmosférico” da Comissão de Normas Técnicas da PETROBRAS: Fixa as condições exigíveis para o projeto mecânico de tanques de superfície, em aço carbono, fabricação soldada, cilíndricos, verticais, sem teto ou com teto fixo ou flutuante e destinados ao armazenamento de petróleo e seus derivados líquidos. A temperatura do produto armazenado não deve exceder a 260º C.

N-271 "Montagem de Tanques de Armazenamento" da Comissão de Normas Técnicas da PETROBRAS: Fixa as condições exigíveis para a montagem de tanques de armazenamento cilíndricos, verticais, soldados, operando a pressões atmosféricas e temperaturas entre – 6º e 150º C ou pressões até 98 kPa (1 kgf/cm²) e temperaturas entre – 50º e 95º C.

N-1888 “Fabricação de Tanque Atmosférico” da Comissão de Normas Técnicas da PETROBRAS: Fixa as condições exigíveis para a fabricação executada em oficina, bem como para o transporte de tanques de armazenamento atmosféricos.

IT-1R1-01062 “Requisitos para Projeto e Fabricação de Tanques de Armazenamento Atmosférico” da REFAP : Define requisitos para aquisição do projeto de fabricação de tanques de armazenamento atmosféricos a serem utilizados pela REFAP.

IT-1R1-00265 “Projeto, Montagem e Reforma de Tanques de Teto Flutuante” da REFAP (em elaboração): Define os critérios para projeto e montagem de tanques cilíndricos verticais de teto flutuante para armazenamento de petróleo e derivados a serem utilizados pela REFAP. Define também as recomendações de projeto para adaptação de tanques existentes aos critérios atuais dos códigos de projeto e para inclusão de melhorias estabelecidas pela REFAP.

7 - Projeto do Fundo

Declividade Os tanques de armazenamento devem ter o fundo cônico, com caimento mínimo de 1:120 do centro para a periferia. Os tanques pequenos, com diâmetro até 6 m, podem ter o fundo plano.

Disposição das Chapas O contorno do fundo de um tanque de armazenamento pode ser realizado adotando-se dois tipos de disposição de chapas:

• chapas anulares (annular plates): Figura 7.1;
• chapas recortadas (sketch plates): Figura 7.2.

Figura 7. Disposição típica da chaparia do fundo com chapas anulares. Recomendações da N-270^7.

Figura 7. Disposição típica da chaparia do fundo com chapas recortadas. Recomendações da N-2707.

8 - Projeto do Costado

O dimensionamento do costado de um tanque de armazenamento depende, basicamente, da norma de projeto adotada. Normalmente é adotado o API 650. A atual 11ª Edição do API 650 (junho 2007), apresenta as seguintes alternativas para o dimensionamento do costado de um tanque de armazenamento:

• API 650 corpo de norma e método básico
• API 650 corpo de norma e método do ponto variável de projeto (espessura maior que ½ in)
• API 650 Apêndice A

Espessura Mínima A espessura nominal das chapas do costado não deve ser inferior a um valor mínimo estrutural, fixado por norma, baseado em requisitos de montagem.

Espessura Máxima Os tanques de armazenamento são equipamentos soldados e não tratados termicamente para alívio de tensões. Portanto, é necessária a fixação de uma espessura nominal máxima para as chapas do costado visando, principalmente, resguardar o equipamento do risco de uma fratura frágil. É fixada por norma.

Disposição das Chapas do Costado O costado deve ser projetado de modo que todos os seus anéis estejam em posição vertical, respeitando-se as tolerâncias fixadas por norma. Quanto ao alinhamento das chapas do costado, existem as seguintes possibilidades (Figura. 8.1): a) disposição simétrica: é o tipo de disposição mais recomendável estruturalmente, porém de montagem praticamente impossível; b) disposição com alinhamento pela face externa: é o tipo de disposição mais recomendável esteticamente, de fácil montagem e bom acabamento; c) disposição com alinhamento pela face interna: é a disposição usual na prática. Apresenta fácil montagem e acabamento regular. É a mais recomendável para o funcionamento do teto, no caso de tanques com teto flutuante. As juntas verticais de dois anéis adjacentes do costado devem estar de preferência defasadas de pelo menos 1/3 do comprimento de cada chapa, admitindo-se um mínimo, para as chapas de fechamento de anel, de 5 vezes a espessura nominal do anel mais espesso dos anéis considerados. As juntas verticais do primeiro anel do costado e as juntas das chapas anulares do fundo devem também atender aos requisitos de distância mínima entre as juntas verticais do costado. Não deve haver acúmulo de juntas verticais em uma mesma região do costado do tanque (Figura 8.1).

Figura 8. Disposição das chapas do costado.

Figura 9. Teto cônico suportado. Componentes da estrutura de sustentação. Nomenclatura.

Teto Cônico Autoportante A Norma N-270 recomenda que os tanques de teto cônico sejam autoportantes até o diâmetro de 6 m. Demais exigências conforme item 3.10.5 do API 650.

Teto Curvo e Teto em Gomos Autoportantes O projeto destes tipos de teto é praticamente semelhante ao projeto do teto cônico autoportante. As exigências do API 650 estão descritas no Item 3.10.6.

Ligação de Baixa Resistência Mecânica Entre Costado e Teto Fixo A ligação soldada entre o teto e a cantoneira de topo do costado, para os tanques de teto fixo cônico, curvo e em gomos, suportados ou autoportantes, só pode ser considerada de baixa resistência mecânica se todas as condições descritas a seguir forem satisfeitas: a) no caso dos tetos suportados, as chapas do teto estiverem simplesmente apoiadas na estrutura de sustentação; b) a declividade do teto for no máximo de 1:6 (9º 30’); c) a solda de ângulo contínua entre as chapas do teto e a cantoneira de topo do costado for simples e de dimensão máxima de 3/16 in; d) a ligação teto-cantoneira de topo-costado deve atender a um dos detalhes a – d da Figura F-2 do API 650; e) a área de reforço, em in^2 , existente na junção teto-costado, conforme indicada na Figura F-2 do API 650, não deve exceder ao valor dado pela expressão conforme API 650: f) O diâmetro do tanque não deve ser menor que 15,25 m;

Se a ligação soldada entre o teto e a cantoneira de topo do costado for considerada de baixa resistência mecânica, os dispositivos de alívio de pressão e vácuo são dimensionados atendendo às exigências normais (Item 4.3.2) do API 2000.

Em caso contrário, além das condições normais, tais dispositivos devem atender, também, às condições de emergência exigidas pelo API 2000.

Teto Flutuante

A figura 9.3 apresenta as partes principais do pontão (flutuador periférico) elemento responsável pela flutuação do teto.

Figura 9. Teto flutuante. Componentes da pontão. Nomenclatura.

O lençol superior do flutuador periférico deve apresentar uma declividade mínima de 1:64. Tal declividade mínima também é exigida para o lençol superior dos tetos duplos. O teto flutuante deve ser projetado para flutuar com o nível de produto sempre acima do seu lençol inferior. Assim, não haverá espaço para armazenar vapor de produto. As chapas do teto devem ser soldadas por sobreposição, apenas na parte superior, com cordão de solda contínuo e dimensão igual à espessura das chapas (“full-fillet weld”). Quando necessárias, também são realizadas soldas na parte inferior, como nas proximidades das anteparas e pernas de sustentação. Todas as chapas divisórias dos compartimentos do teto flutuante devem ser soldadas ao longo de todas as suas bordas inferiores e verticais, com solda de ângulo simples e contínua, a fim de se obter estanqueidade entre os diversos compartimentos. Os tetos flutuantes, de qualquer tipo, devem apresentar flutuabilidade suficiente e permanecer flutuando sobre um líquido de densidade 0,7, ou de densidade igual a do produto armazenado caso a sua densidade seja inferior a 0,7, com seus drenos principais inoperantes, em ambas as seguintes condições analisadas separadamente:

• primeira condição (água de chuva): lençol superior com carga de água proveniente de uma altura pluviométrica de 250 mm, sobre toda a área do tanque, num período de 24 horas. Teto intacto. O teto duplo deve suportar a carga de água mencionada anteriormente ou permitir que a mesma escoe, em parte, por drenos de emergência (Fig. 9.4). Tais drenos de emergência devem ser em igual quantidade e posicionados tão próximos quanto possíveis aos drenos principais. O dreno de emergência deve impedir que o produto armazenado passe para cima do teto.
• segunda condição (furo no teto): Figura 9.
• teto tipo pontão: dois compartimentos contíguos e lençol central inundados, como se estivessem furados.
• teto duplo: dois compartimentos contíguos, mais externos, inundados, como se estivessem furados.