Tanque De Almacenamiento Agua

2015 TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA ALUMNOS:

 VARGAS HARO GARY  BILLY QUEZADA MIRANDA  ROMERO CASTILLO JHONATAN Toshiba

INGENIERIA MECÁNICA – CICLO VII PROF. ING. NELVER J. ESCALANTE ESPINOZA

TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA OBJETIVOS

 Conocer los parámetros más importantes necesarios para el diseño de un tanque de almacenamiento de agua.

 Mediante la norma API 650 llevar a cabo los cálculos respectivos de los componentes del tanque de almacenamiento.

 Conocer con que normas se puede realizar un tanque de almacenamiento de agua.

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA INTRODUCCIÓN

En el diseño del tanque se tiene en cuenta las propiedades físico-químicas del fluido como la densidad a las distintas temperaturas que pueda experimentar este, así como su temperatura de auto ignición y su punto de inflamación. La densidad influye directamente en dimensionamiento de los espesores de las placas que conforman el cuerpo y fondo del tanque, mientras que las temperaturas de auto ignición y su punto de inflamación intervienen con las consideraciones en la fabricación del techo. Dimensionadas las placas del cuerpo y fondo se verifica la estabilidad del tanque contra las distintas condiciones de la zona como los vientos y posibles movimientos telúricos. Este proyecto ayuda a establecer un procedimiento para el cálculo de los elementos constitutivos del tanque, su proceso de construcción y costos del proyecto. La localización y construcción de estos depósitos, se requiere de cierta experiencia en este campo, en especial cuando se trata de determinar la capacidad y el lugar donde se va a colocar ya que esto implica de mucho conocimiento y seguridad en la hora de construir dicho tanque.

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA MARCO TEÓRICO: 

Definición:

Los tanque de almacenamiento de agua son construidos con láminas de acero, soldados de varios tamaño y capacidades, con presiones internas superior (atmosféricas pequeñas), pero que no excedan el peso de las planchas del techo. A continuación, definiremos los conceptos más empleados en el proyecto de nuestro tanque de almacenamiento, con la finalidad de facilitar su comprensión: o

BOQUILLA.- Orificio practicado en un tanque para la entrada y/o salida de un fluido o la instalación de un instrumento de medición, generalmente son bridadas o roscadas.

o

BRIDA.- Accesorio para acoplamiento de tuberías, que facilita el armado y desarmado de las mismas.

o

CARGA HIDROSTÁTICA.- La presión ejercida por un líquido en reposo.

o

CARGA MUERTA.- La fuerza debida al peso propio de los elementos a considerar.

o

CARGA VIVA.- La fuerza ejercida por cuerpos externos, tales como: nieve, lluvia, viento, personas y/o objetos en tránsito, etc.

o

CÓDIGO.- Conjunto de mandatos dictados por una autoridad competente.

o

CORROSIÓN.- Desgaste no deseado, originado por la reacción química entre el fluído contenido y/o procesado y el material de construcción del equipo en contacto con el mismo.

o

EFICIENCIA DE JUNTAS SOLDADAS.- Valor numérico dado por el Código o Estándar correspondiente (Grado de Confiabilidad).

o

ESTÁNDAR.- Sugerencias para la fabricación y diseño, originadas por la experiencia.

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA o

NORMA.- Conjunto de reglas para el dimensionamiento y cálculo de accesorios.

o

PRESIÓN ATMOSFÉRICA.- Es la producida por el peso del aire y su valor depende de la altura del sitio indicado sobre el nivel del mar.

o

PRESIÓN DE DISEÑO.- Es la presión manométrica considerada para efectuar los cálculos

o

PRESIÓN DE OPERACIÓN.- Presión manométrica a la cual estará sometido el tanque en condiciones normales de trabajo.

o

PRESIÓN DE PRUEBA.- Valor de la presión manométrica que sirva para realizar la prueba hidrostática o neumática.

o

RECIPIENTE.- Depósito cerrado que aloja un fluido a una presión manométrica diferente a la atmosférica, ya sea positiva o negativa.

o

TANQUE.- Depósito diseñado para almacenar o procesar fluidos, generalmente a presión atmosférica o presión internas relativamente bajas.



TIPOS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO

Los tanques de almacenamiento son generalmente construidos en base de componentes metálicos capaces de almacenar fluidos de manera eficiente. Estos tanques, se pueden clasificar según: o

Por su construcción

o

Por su forma

o

Por su capacidad



POR SU CONSTRUCCION:

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o

EMPERNADOS: Son construidos en plantas de producción donde cuya actividad sea temporal y se necesite el desmantelamiento, que debe ser de un fácil proceso.

o

SOLDADOS: Estos tanques son de mayor capacidad de almacenamiento, además de tener la gran ventaja de que las juntas de las planchas soldadas son permanentes, esto nos quiere decir que evita fugas, que se producirían en los tanques unidos a pernos.



POR SU FORMA:

o

CILINDRICOS: Son especiales puesto sirven para el almacenamiento de combustibles como el petróleo que se recolecta a presiones cercanas a la atmosférica.

o

ESFERICOS: Son usados para el almacenamiento de productos ligeros como gasolina, propano, butano.



POR SU CAPACIDAD:

Volumen de la sustancia a contener

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA Es frecuente no utilizar toda la capacidad del estanque en almacenar el producto, debido a diversos factores físicos como el movimiento del producto en el transporte, gases que emite la sustancia, espuma, etc.; otros de tipo económico como la pérdida de producto por derrame, y factores de diseño como la dimensión del material disponible. La capacidad del estanque posee principalmente 3 tipos de volúmenes: volumen muerto, volumen de trabajo o “vivo” y volumen máximo de diseño. o

Volumen muerto: corresponde al volumen mínimo de sustancia que puede contener el estanque. Para el caso de fluidos industriales, se utiliza como una forma de asegurar que los sólidos que existen en el líquido precipiten al fondo, también para el caso de sustancias que generan espuma, se utiliza como volumen reductor de este efecto. Para líquidos puros o sustancias sin mezclas, lo ideal es que no exista este tipo de volumen, o bien, es una forma de asegurar el nivel mínimo de almacenamiento.

o

Volumen de trabajo o volumen vivo: es la capacidad normal de trabajo con la que opera el estanque. Por ejemplo, si se requiere almacenar 20m3 de agua, ese es el volumen de trabajo, y en el diseño se debe sumar además el volumen muerto y el volumen máximo de diseño.

o

Volumen máximo de diseño: se refiere a la capacidad máxima que permite el estanque. El contenido se asocia al nivel de volumen en relación a la altura del estanque, que por lo general es de un 80% a 90%. El factor volumen de una sustancia es muy variable, a veces depende de la norma por la cual se regirá el diseño.

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA Como ejemplo, podemos ver en la figura, los principales niveles para estanques cilíndricos verticales, con sus respectivas capacidades.

FIGURA 1. Principales niveles para estanques cilíndricos verticales Localización del estanque Este factor afecta principalmente a aquellos estanques que están fijos en un determinado lugar, además requiere de un completo estudio antes de diseñar un estanque. Principalmente se debe analizar el entorno donde se construirá, el espacio disponible para su construcción y la condición geográfica. Entorno: se refiere al estudio que debe realizarse respecto de las condiciones naturales, como por ejemplo accesos, impacto medioambiental, estudios de suelos, etc. El estudio de suelos investiga principalmente la capacidad que posee el terreno para soportar el estanque, determinando la humedad presente, capacidad de drenaje, y resistencia a perforaciones. Espacio disponible: en un estudio previo, se debe determinar la geometría del estanque, ubicarlo geográfica y topográficamente dentro de algún recinto, y respaldar la información a través de planos y diagramas de su función o proceso. Se incluye también, planos donde se indique toda la información disponible para su construcción; detallando vistas, secciones, dimensiones, etc.

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA Condición geográfica: se refiere a las características climáticas y geodésicas en las que se encontrará el estanque. Principalmente, los factores que afectan directamente a una estructura son: el viento, la sobrecarga de nieve y los sismos. Cada uno de estos agentes debe estar incluido en el diseño del estanque y dependerán de las normativas generales y locales respectivas al tema.

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aparece en la tabla.

TABLA 1. Propiedades físicas del agua. Diseño Otra de las formas de protección más usadas por fabricantes de estanques, es el diseño de las placas del cuerpo y fondo. Se basa principalmente en el aumento de espesor según las características de vida útil que se requiera. Como recomendación, se usa el aumento de 1 mm. de espesor por cada 15 años de vida útil. Se logra con este método, garantizar que el desgaste de las paredes que provoca la oxidación del agua, no afecte la capacidad de diseño debido a la presión generada en las placas de manto y fondo. NORMA API 650 La norma API 650 enfoca su diseño en estanques de acero que almacenan líquidos que pueden ser almacenados a una presión cercana a la atmosférica, no mayor a 2.5 PSIA (119 kPa); en este sentido tiene el alcance para contener agua, tomando en consideración la seguridad del diseño que esta norma aplica. El estándar API 650 sólo cubre aquellos estanques que almacenan fluidos líquidos derivados del petróleo y están construidos de acero con el fondo uniformemente soportado por una cama de arena, grava, concreto, asfalto, etc. Están diseñados para soportar una presión de operación E.A.P ING. MECÁNICA

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA atmosférica o presiones internas que no excedan el peso del techo por unidad de área (2.5 psig), una temperatura de operación no mayor de 90°C, y que no se usen para servicios de refrigeración. Este estándar cubre el diseño y cálculo de los elementos componentes del estanque, los materiales de construcción, se sugiere secuencias en la erección del estanque, recomendación de procedimientos de soldaduras, pruebas e inspecciones, así como lineamientos para su construcción y operación. 

MATERIALES

La norma indica el material adecuado dentro de la variedad de aceros que existen en el mercado. Se hará referencia sólo a la clasificación A.S.T.M. Materiales en General o A-36M/A-36.- Acero Estructural: Este material es aceptable y usado en los perfiles, ya sea comerciales o ensamblados de los elementos estructurales del estanque. o A-283M/A-283.- Placas De Acero Al Carbón con medio y bajo esfuerzo a la Tensión, Grado C: Para espesores ≤ 25 mm. Este material es uno de los más solicitados, ya que puede ser empleado tanto para perfiles estructurales como para el manto, techo, fondo y accesorios del estanque. o A-285M/A-285.- Placa De Acero Al Carbón Con Medio Y Bajo Esfuerzo a la Tensión, para recipientes a presión, Grado C: Para espesores ≤ 25 mm. Es el material recomendable para la construcción del estanque (cuerpo, fondo, techo y accesorios principales), el cual no es recomendable para elementos estructurales debido a que tiene un costo relativamente alto comparado con los anteriores. o A-53.- Grados A Y B: Para tubería en general. o A-106.-Grados A Y B: Tubos de acero al carbón sin costura para servicios de alta temperatura. o A-105M/A-105.- Forja de Acero al Carbón para accesorios de Acoplamiento de Tuberías.

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o A-181.- Forja de Acero al Carbón para usos en General. o A-193.- GRADO B7. Material para tornillos sometidos a alta temperatura y de alta resistencia, menores a 65mm. de diámetro. o A-194.- GRADO 2H. Material para tuercas a alta temperatura y de alta resistencia. o A-307.- GRADO B. Material de tornillos y tuercas para usos generales. 

Materiales para Soldadura

Para el soldado de materiales con un esfuerzo mínimo a la tensión menor a 550 MPa, los electrodos de arco manual deben estar hechos de materiales cuya clasificación sea AWSG: E60XX y E-70XX. Para soldado de materiales con un esfuerzo mínimo a la tensión de 550 a 585 Mpa, el material del electrodo de arco manual debe ser E80XX-CX. Tipos de Juntas o

Juntas Verticales del Cuerpo

Las soldaduras típicas entre elementos, se muestran en la figura. Las juntas verticales deberán ser de penetración y fusión completa, lo cual se podrá lograr con soldadura doble, de tal forma que se obtenga la misma calidad del metal depositado en el interior y el exterior de las partes soldadas para cumplir con los requerimientos del procedimiento de soldaduras. Las juntas verticales no deberán ser colineales, pero deben ser paralelos entre sí en una distancia mínima de 5 veces el espesor de la placa (5t).

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FIGURA 2. Juntas verticales del cuerpo

o

Juntas Horizontales

Las juntas horizontales, deberán ser de penetración y fusión completa, excepto la que se realiza entre el ángulo de coronamiento y el cuerpo, la cual puede ser unida por doble soldadura a traslape, cumplimiento con el procedimiento de soldadura. A menos que otra cosa sea especificada, la junta a tope con o sin bisel entre las placas del cuerpo, deberán tener una línea de centros o fibra media común. Ver figura 3.3.

FIGURA 3. Juntas horizontales del cuerpo

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA Soldadura del Fondo

o

Soldaduras a Traslape

Las placas del fondo deberán ser rectangulares y estar escuadradas. El traslape tendrá un ancho de, por lo menos, 32mm. Para todas las juntas, las uniones de dos o tres placas, como máximo que estén soldadas, guardarán una distancia mínima de 300mm. Con respecto a cualquier otra junta y/o a la pared del estanque. Cuando se use placa anular, la distancia mínima a cualquier cordón de soldadura del interior del estanque o del fondo, será de 600mm. Las placas del fondo serán soldadas con un filete continuo a lo largo de toda la unión. A menos que se use un anillo anular, las placas del fondo llevarán bayonetas para un mejor asiente de la placa del cuerpo que son apoyadas sobre el fondo.

o

Soldaduras a Tope

Las placas del fondo deberán tener sus cantos preparados para recibir el cordón de soldadura, ya sea escuadrando éstas o con biseles en "V", Ver figura 3.6. Si se utilizan biseles en "V", la raíz de la abertura no deberá ser mayor a 6 mm. La placa del fondo deberá tener punteada una placa de respaldo de 3 mm. de espesor o mayor que la abertura entre placas, pudiéndose usar un separador para conservar el espacio entre las placas. Cuando se realicen juntas entre tres placas en el fondo del estanque, éstas deberán conservar una distancia mínima de 300 mm. Entre sí y/o con respecto a la pared del estanque. En la figura 3.7 se muestra la soldadura a tope típica.

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o

Juntas de la Placa Anular del Fondo

La junta radial del fondo de la placa anular deberá ser soldada con las mismas características expuestas y tener penetración y fusión completa. El material de la placa anular será de las mismas características que el material del fondo. o

Juntas del Cuerpo-Fondo

Espesores ≤ 12.5mm. de placa del fondo:

Incluyendo la corrosión, la unión entre el fondo y el canto de las placas del cuerpo tendrá que ser hecha con un filete continuo de soldadura que descanse de ambos lados de la placa del cuerpo. El tamaño de cada cordón, sin tomar en cuenta la corrosión permisible, no será mayor que 12,5 mm. y no menor que el espesor nominal de la más delgada de las placas a unir, o menor que los siguientes valores, en la tabla:

TABLA 2. Espesores mínimos de filete de soldadura

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DISEÑO Y CÁLCULO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO PARA EL AGUA SELECCIÓN DE LA DENSIDAD DEL AGUA Y CALCULOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE Selección de la densidad del fluido del agua [1000] kg/m3.Capacidad a almacenar 900 𝑚3 . 

CALCULO DE LA MASA: ρ = 1000

ρ=

kg 𝑚3

m 𝑉

vxρ = m 𝑘𝑔

m = 1000𝑚3 𝑥 900 𝑚3 m = 900000 kg m = 1984160 lbs 

CÁLCULO DE LA ALTURA Y DIAMETRO: Asumimos por diseño que la altura es igual al diámetro.

V=

π x D2 x H 4

V= H=

π x H3 4

649.574 x 4 3 𝑚 π x 9.552

H = 10,4644692 m H = 34.33 fts = D

Variación del volumen debido a la temperatura: E.A.P ING. MECÁNICA

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Datos: 𝑉𝑛 = 900 𝑚3 𝛼 = 2.1 𝑥 10−4 (1⁄°𝐶 ) ∆𝑇 = 50°𝐶  Volumen de diseño (𝑉𝑑 ); Donde:

𝑉𝑑 = 𝑉𝑛 + ∆𝑉

……………………………. (1)

𝑉𝑑 : Volumen de diseño 𝑉𝑛 : Volumen nominal ∆𝑇: Variacion del volumen debido a la temperatura  Variación del volumen debido a la temperatura ∆𝑉 = 𝛼 ∗ 𝑉𝑛 ∗ ∆𝑇 = 2.1 ∗ 10−4 (1⁄°𝐶 ) ∗ 900 𝑚3 ∗ 50°𝐶 ∆𝑉 = 9.45 𝑚3

 Volumen de diseño (𝑉𝑑 ); 𝑉𝑑 = 𝑉𝑛 + ∆𝑉 𝑉𝑑 = 900 𝑚3 + 9.45 𝑚3 𝑉𝑑 = 909,45 𝑚3

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA  Para este caso, haremos uso del catálogo de productos del Comercial del Acero S.A.  Utilizaremos planchas Estructurales ASTM A36, de 5´ X 20´

TABLA 3. Acero Estructural ASTM A36

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA  Gravedad especifica del fluido a almacenar (Ge) 𝛾𝐹𝐿𝑈𝐼𝐷𝑂 1000 𝐺𝑒 = = =1 𝛾𝐴𝐺𝑈𝐴 1000 H= 34.33 pies, considerando H= 35 pies Aplicaremos el método de un pie para el cálculo de espesor de las planchas: Espesor mínimo de PL del casco => 𝑡𝑚𝑖𝑛 = 1⁄4 " 𝐻1 = 35´ => 𝐻1 − 1´ = 35´ − 1 = 34 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝐻2 = 30´ => 𝐻2 − 1´ = 30´ − 1 = 29 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝐻3 = 25´ => 𝐻3 − 1´ = 25´ − 1 = 24 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝐻4 = 20´ => 𝐻4 − 1´ = 20´ − 1 = 19 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝐻5 = 15´ => 𝐻5 − 1´ = 15´ − 1 = 14 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝐻6 = 10´ => 𝐻6 − 1´ = 10´ − 1 = 9 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝐻7 = 5´ => 𝐻7 − 1´ = 5´ − 1 = 4 𝑝𝑖𝑒𝑠 

FORMULA PARA CALCULAR EL ESPESOR DE LAS PLANCHAS (t)

TABLA 4. Fórmulas para Tanques de Acero Soldado, Norma API 650 -

Extremos la fórmula para calcular el espesor de las planchas

𝑡𝑛 = 0.0001456 ∗ (𝐻𝑛 − 1´) ∗ 𝐷 ∗ 𝐺𝑒 + 1⁄16 "

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA Calculo del espesor de las planchas del casco, para cada uno de los paños 𝑡1 = 0.0001456 ∗ 34´ ∗ 35 ∗ 1 + 1⁄16 " = 0.235764 ≈

1" = 0.25" 4

𝑡2 = 0.0001456 ∗ 29´ ∗ 35 ∗ 1 + 1⁄16 " = 0.210284 ≈

7" = 0.28125" 32

𝑡3 = 0.0001456 ∗ 24´ ∗ 35 ∗ 1 + 1⁄16 " = 0.184804 ≈

3" = 0.28125" 16

𝑡4 = 0.0001456 ∗ 19´ ∗ 35 ∗ 1 + 1⁄16 " = 0.159324 ≈

11" = 0.171875" 64

𝑡5 = 0.0001456 ∗ 14´ ∗ 35 ∗ 1 + 1⁄16 " = 0.133844 ≈

9" = 0.140625" 64

𝑡6 = 0.0001456 ∗ 9´ ∗ 35 ∗ 1 + 1⁄16 " = 0.108364 ≈

7" = 0.109375" 64

𝑡7 = 0.0001456 ∗ 4´ ∗ 35 ∗ 1 + 1⁄16 " = 0.082884 ≈

3" = 0.09375" 32

MODULO DE SECCION DEL ANILLO DE RIGIDEZ:

𝑉 2 𝑍 = 0.0001 ∗ 𝐷 2 ∗ 𝐻 ∗ ൬ ൰ 100

55,92341 2 ) 100

𝑍 = 0.0001 ∗ 352 ∗ 35 ∗ (

=>

𝑧 = 1.34088

SELECCIONAMOS EL PERFIL DEL ANILLO DE RIGIDEZ: 𝑧 = 1,34088 𝑝𝑢𝑙𝑔3 ∗

(2.54 𝑐𝑚)3 (10 𝑚𝑚)3 3 = 21.9730 𝑐𝑚 ∗ (1 𝑝𝑢𝑙𝑔3 ) (1 𝑐𝑚3 )

𝑧 = 21973 𝑚𝑚3

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA De tablas seleccionamos:

𝐿 − 200 ∗ 200 ∗ 30 ó }𝑆 1 𝐿−4*4"∗ " 2

CALCULO DE LA CANTIDAD DE PLANCHAS PARA EL CASCO:  De acuerdo al espesor de las planchas elegimos un bisel simple

 Longitud de la circunferencia (𝐿𝑎 ) : 𝐿𝑐 = 𝜋 ∗ 𝐷 = 𝜋 ∗ 35 𝑝𝑖𝑒𝑠 = 109.9567 𝑝𝑖𝑒𝑠 = 110 𝑝𝑖𝑒𝑠  Cantidad de “PL” de 5´*10´ en un anillo: 𝐿𝑐 110 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝑁°𝑃𝐿 ⁄ = 11𝑃𝐿 𝑎𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 = 10 𝑝𝑖𝑒𝑠 = 10 Ajustamos: 𝑁° 𝑃𝐿 ⁄ 𝑎𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 = 11 CONSIDERANDO LA SEPARACION ENTREC “PL” Y “PL” DE 𝑒 = 1⁄16 " = 0.0625" CANTIDAD A AGREGAR A LA LONGITUD DE LA CIRCUNFERENCIA (𝐿𝑎 ) 𝐿𝑎 = 𝑁° 𝐷𝐸 𝐽𝑈𝑁𝑇𝐴𝑆 ∗ 𝑒 𝐿𝑎 = 11 𝑥 (0.0625)” = 0,6875 𝑝𝑢𝑙𝑔

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

𝐿𝑎 = 0.6875 𝑝𝑢𝑙𝑔 ∗

1 𝑝𝑖𝑒 = 0.05729 𝑝𝑖𝑒𝑠 12 𝑝𝑢𝑙𝑔

LONGITUD CORREGIDA DE LA CIRCUNFERECIA (𝐿𝑐 ´): 10 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝐿𝑐 ´ = 11 𝑃𝐿 ∗ = 110 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝑃𝐿 𝐿𝑐 ´ = 𝐿𝑐 + 𝐿𝑎 110,05729𝑝𝑖𝑒𝑠 𝐿𝑐 ´ = 110 𝑝𝑖𝑒𝑠 + 0.05729 𝑝𝑖𝑒𝑠 =

DIAMETRO CORREGIDO DEL TANQUE (D): 𝐷=

𝐿𝑐 ´ 110,05729 𝑝𝑖𝑒𝑠 = = 𝜋 𝜋

35,03224 𝑝𝑖𝑒𝑠

CANTIDAD DE PLANCHAS PARA LOS 7 ANILLOS CONSTRUIDOS CON PLANCHAS DE (5´ ∗ 10´) 𝑃𝐿 77 𝑃𝐿 𝑑𝑒 (5´ ∗ 10´) 11 ∗ ∗ 7 𝑎𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜𝑠 => 𝑎𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜𝑠

CANTIDAD DE PLANCHAS PARA EL FONDO

 AREA DEL FONDO: 𝜋𝐷 2 𝜋(35𝑝𝑖𝑒𝑠) 2 = 4 4 𝐴𝐹 = 962.1153 𝑝𝑖𝑒 2 𝐴𝐹 =

 AREA DE UNA “PL” DE (5´*10´) 𝐴𝑃𝐿 = 5 ∗ 10 = 50

𝑝𝑖𝑒𝑠 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑐ℎ𝑎

FIGURA 4. Planchas en el fondo del tanque

Cantidad (aproximada) de “PL” de 5´*10´ para el fondo 𝑁°𝑃𝐿(5´∗10´) =

𝐴𝐹 962,1153𝑝𝑖𝑒 2 = = 19.2423 𝑃𝐿 50 𝑝𝑖𝑒 2⁄ 𝐴 𝑃𝐿(5´∗10´) 𝑃𝐿 𝑁°𝑃𝐿(5´∗10´) = 20 𝑃𝐿 CÁLCULO POR SISMO Y VIENTO

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

CÁLCULO POR SISMO Los movimientos telúricos son un tema muy especial dentro del diseño de tanques verticales de almacenamiento, sobre todo en zonas con un alto grado de sismicidad. Estos movimientos telúricos provocan dos tipos de reacciones sobre el tanque, las cuales son: a) Cuando la alta frecuencia relativa amplificada provoca un movimiento lateral del terreno sobre el que está situado el tanque, posteriormente la cantidad de líquido que el recipiente contiene, se mueve al unísono con el cuerpo del tanque. b) Cuando la baja frecuencia relativa amplificada provoca un movimiento de la masa del líquido contenido, ocasionando oleaje dentro del tanque. El movimiento lateral de las masas, genera fuerzas que actúan en el centro de gravedad del tanque, ocasionando la inestabilidad del conjunto, que multiplicado por el brazo de palanca respecto del fondo, originan un momento de volcadura, produciendo una compresión longitudinal, provocando la deformación del cuerpo. Por lo que el tanque será diseñado para resistir este fenómeno.

MOMENTO DE VOLTEO. El momento de volteo deberá determinarse mediante la siguiente expresión, efectuando los cálculos respecto a la base del tanque, por lo que la cimentación requiere de un diseño particular aparte. 𝑀 = 𝑍 𝑥 𝐼 𝑥 ( 𝐶1𝑊𝑠𝑋𝑠 + 𝐶1𝑊1𝐻𝑡 + 𝐶1𝑊1𝑋1 + 𝐶2𝑊2𝑋2) Dónde: M = Momento de volteo (Kg− m.). Z = Coeficiente sísmico (Ver Figura 3.1. y Tabla 3.1.) – z=0.4 zona sísmica tipo 3 – Zona Costera I = Factor de rigidez = 1 para todos los tanques excepto cuando un incremento en este factor es especificado por el usuario. Se recomienda que este factor no exceda de 1.5 que es el máximo valor que se puede aplicar. C1, C2 = Coeficiente de fuerza lateral sísmica. Ws = Peso total del cuerpo del tanque (Kg.). Xs = Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centro de gravedad de este (m.). Wr = Peso total del techo del tanque más una carga viva especificada por el usuario (Kg.) Ht = Altura total del cuerpo del tanque (m.) W1 = Peso de la masa efectiva contenida en el tanque que se mueve al unísono con el cuerpo del tanque (Kg.) X1 = Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centroide de la fuerza lateral sísmica aplicada a W1 (m.). W2 = Peso efectivo de la masa contenida por el tanque que se mueve en el primer oleaje (Kg.).

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA X2 = Altura desde el fondo del tanque al centroide de la fuerza sísmica lateral aplicada a W2 (m.). ZONIFICACIÓN SÍSMICA DEL PERÚ

FIGURA 5. Zonas sísmicas de la República del Perú MASA EFECTIVA CONTENIDA EN EL TANQUE. Las masas efectivas W1 y W2 se determinarán multiplicando WT por las relaciones W1/WT y W2/WT respectivamente obtenidas de la de la relación D/H. Wt = Peso total del fluido del tanque (Kg.). D = Diámetro nominal del tanque (cm.) H = Altura de diseño del líquido (cm.) Las alturas desde el fondo del tanque a los centroides de las fuerzas sísmicas laterales, aplicadas a W1 y W2, (X1 y X2), se determinan multiplicando H por las relaciones X1/H y X2/H respectivamente obtenidas de la Figura presentada con la relación D/H. CONSIDERACIONES DE DISEÑO 

CARGA POR VIENTO: 𝑉𝐴 =

𝑣2 𝐾𝑚 𝑠𝑖 𝑉𝐴 > 160 𝐻𝑟 160 𝐾𝑚 𝑝𝑒𝑟𝑜 𝑠𝑖 𝑉𝐴 < 160 𝐻𝑟 𝐾𝑚

𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠 (𝑉𝐴 )𝑐ℎ𝑖𝑚𝑏𝑜𝑡𝑒 = 90 𝐻𝑟

𝑀 = 𝑍 𝑥 𝐼 𝑥 ( 𝐶1𝑊𝑠𝑋𝑠 + 𝐶1𝑊1𝐻𝑡 + 𝐶1𝑊1𝑋1 + 𝐶2𝑊2𝑋2) 𝑍 = 0.4 𝐼= 1

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA 

CALCULO DE T (PERIODO NATURAL DE ONDAS DEL PRIMER OLEAJE, EN SEGUNDOS) K = 0.58 (FACTOR OBTENIDO DE LA FIGURA) T = KD0.5 = 0.58 * (10.675)0.5 T = 19.2768 SI T > 4.5 Entonces: 2𝑥1.35

𝐶2 = (19.27)2 = 0.00726 𝐶1 = 0.24

1 

PESO DEL TANQUE: 1 𝑃𝐿 ( 𝑥 5´ 𝑥 10´) 4 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑃𝐿 =

6𝑥1500 𝑥 3000 𝑥 7.85 (10)6

𝐶𝑈𝐸𝑅𝑃𝑂 ( 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑃𝐿 = 77) = 211.95 𝐾𝑔

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 1 = 16320.15 𝐾𝑔 1 ( 𝑥 5´ 𝑥 10´) 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 ( 𝑁º 𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 𝐷𝐸 𝑃𝐿 = 20) 4 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑃𝐿 = 211.95 𝐾𝑔 𝑃𝐸𝑆𝑂 𝑃𝐿 ∶

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 2 = 4239 𝐾𝑔 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 = 573,361 𝑙𝑏𝑠



PESO TOTAL DEL TANQUE:

16320.15 Kg + 4239 Kg + 260.6186 Kg = 20819. 7686 Kg = Wt

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA  ALTURA TOTAL DEL TANQUE: (m) H= 10.675 m 𝑋𝑠 =

𝐻 1 = 10.675𝑚 𝑥 = 5.3375 𝑚 2 2

𝑋𝑠 =

𝐻 1 = 10.675𝑚 𝑥 = 5.3375 𝑚 2 2

𝑊𝑟 = 0 (𝑁𝑜 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜) 𝑊𝑡 = 900 𝑚3 𝑥 1000

𝐾𝑔 = 900 000 𝐾𝑔 𝑚3

𝑊1 𝑊𝑡 𝑊1 = 0.8 x (900000 Kg) 𝑊1 = 720000 Kg 𝑊1 = 0.8 =

𝑋1 = 0.4 x 10.650 m 𝑊2 𝑊2 = 0.25 = 𝑊1 𝑊2 = 0.25 x 900000 Kg 𝑊2 = 225 000 Kg 𝑋2 = 0.72 x 10.650 m 𝑋2 = 7.67304 m

Ahora hallamos el momento:

𝑀 = 𝑍 𝑥 𝐼 𝑥 ( 𝐶1𝑊𝑠𝑋𝑠 + 𝐶1𝑊1𝐻𝑡 + 𝐶1𝑊1𝑋1 + 𝐶2𝑊2𝑋2) = 0.4 𝑥1 𝑥 ( (0.24 ∗ 20819.7686 ∗ 5.3375) + (0.24 ∗ 720000 ∗ 4.26) + (0.00726 ∗ 225000 ∗ 7.673)) 𝑀 = 310132.7876 𝐾𝑔 − 𝑚

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA



COMPRESION MÁXIMA PERMISIBLE DEL CUERPO : 0.0002278 𝐺𝐻𝐷 2 /𝑇 2 (1)(1067.5 𝐶𝑚)(1067.5𝐶𝑚)2 0.0002278 < 106 (0.6𝐶𝑚)2 769759 < 106 68270400(0.6 𝐶𝑚) 𝐹𝐴 = + 1546√𝐺 ∗ 𝐻 (1067.5 𝐶𝑚) 68270400(0.6 𝐶𝑚) 𝐹𝐴 = + 1546√(1) ∗ (1067.5) (1067.5 𝐶𝑚) 𝐾𝑔

𝐹𝐴 = 88883.9899 𝐶𝑚2 

RESISTENCIA A LA VOLCADURA: 𝑊𝑙 = 0.29369 ∗ 𝑇𝑏 ∗ √(𝐺) ∗ (𝐻) ∗ (𝐹𝑏𝑦) 𝑊𝑙 = 0.29369 ∗ (0,6) ∗ √(1) ∗ (1067.5) ∗ (2536.3687) 𝑊𝑙 = 289.95496 𝐾𝑔 − 𝑚



COMPRESION DEL CUERPO: 𝑀 𝐷 2 𝑊𝑡

=

310132.7876 𝐾𝑔−𝑚 (10.675)2 (20819,7686)

= 0.130717

𝑃𝑒𝑟𝑜: 𝑀 𝐷 2( 𝑊𝑡 +𝑊𝑙)

𝑏 = 𝑊𝑡 + 𝒇𝑎 =

=

310132.7876 𝐾𝑔−𝑚 (10.675)2 (20819,7686+289.95)

= 0.00045 < 0.785

1273𝑀 1.273 ∗ (310132.7876) (20819.7686) = + = 24284.2663 𝐷2 (10.675)2

2.02333𝑏 𝑡

=

2.02333𝑥24284.2663 0.6

𝑘𝑔

= 81891.8075 𝑐𝑚2

𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠 𝑭𝒂 𝑒𝑠 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝒇𝒂 Por lo que el tanque se considera estructuralmente estable y no requiere anclas o incremento de espesores.

Calculo por viento (Momento de volteo) 𝑘𝑔

Presión del viento: 8 𝑚2

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA 

CALCULO POR VIENTO: El momento de volteo producido por el viento se considera una carga uniformemente repartida sobre una viga empotrada en un extremo, por lo que el momento será igual a: 𝑀=

𝑃𝑣 𝐷𝑚á𝑥 𝐻𝑇 2 2

DONDE: M = Momento de volteo (Kg − m). Pv = Presión de viento (Kg /m2) Dmáx. = Diámetro exterior del tanque incluyendo líneas de tuberías (m.) HT = altura total del tanque incluyendo el techo (m.) Reemplazando en la fórmula: 88𝑥12𝑥(10.675)2 𝑀= = 60168.57 𝑘𝑔 − 𝑚 2 Para tanques que no estén anclados, el momento de volteo por presión de viento no debe exceder de la siguiente expresión: 𝑀<

2 𝑊𝐷 𝑥 3 2

DONDE: W = Peso muerto del tanque disponible para resistir el levantamiento D = diámetro nominal del tanque (m.) Reemplazando en la fórmula: 2

𝑀 = 3𝑥

25750𝑥10.675 2

= 60168.57 𝑘𝑔 − 𝑚

Como se puede apreciar M < 91627.083 por lo que el tanque resiste satisfactoriamente a la presión del viento.

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA DISEÑO DE BOQUILLAS EN TANQUE DE ALMACENAMIENTO BOQUILLAS Todos los tanques de almacenamiento deberán estar provistos instaladas en los tanques de almacenamiento.

que deberán ser

1.- Boquilla de carga o boquilla de entrada de producto. 2.- Boquilla de sobre flujo. 2.- salida de producto. 3.- Sumidero de drenaje. 4.- Venteo (s). 5.- Manhole de techo y cuerpo. Las boquillas cerca del fondo del tanque son las más críticas pues tienden a girar con la deformación del tanque durante las pruebas hidrostáticas de operación. Los refuerzos de esta toma deberán considerar no sólo la condición estática, sino también las cargas transmitidas por la tubería que se empata. Toda apertura mayor a 2 pulg NPS deberá tener refuerzo. El área mínima de la sección recta del refuerzo no deberá ser menor que el producto del diámetro vertical de la apertura y el espesor nominal de la plancha. El refuerzo debe ser provisto por: La brida de acople del accesorio, la placa de refuerzo, la porción del cuello del accesorio que pueda ser considerado como refuerzo. Por mutuo acuerdo, las aperturas circulares y planchas de refuerzo si se utiliza, pueden ser colocadas en una junta soldada horizontal o vertical, cuidando de que se mantengan las distancias mínimas y que se realicen radiografías de las juntas soldadas. Las juntas soldadas deben ser 100 % radiografiadas por una longitud igual a tres veces el diámetro de apertura.  MANHOLES Los Manholes son boquillas de tamaños predeterminados y se pueden admitir otras formas y tamaños. Los refuerzos deben tener un agujero de ¼ pulg para hacer la prueba de fuga en las soldaduras. El agujero debe estar localizado en el eje horizontal y estar abierto a la atmósfera.  PUERTAS DE LIMPIEZA Las puertas de limpieza deben ubicarse en zonas adecuadas y accesibles para la función que tendrán. Deben tener acceso para retirar los materiales que se saquen por ahí, y no deben tener interferencias con tuberías de proceso.  BOCAS DE LIMPIEZA Se puede tener bocas o conexiones limpieza en el fondo del tanque bajo ciertas condiciones: Deberá soportar las mismas cargas de diseño, presión de prueba, viento, terremoto, etc.; de forma que no sufra las uniones del fondo. La altura máxima h, de la apertura en el anillo cilíndrico, no debe exceder 36 pulg. El espesor mínimo de la placa de transición en el fondo será de ½ pulg.

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA BOQUILLAS EN EL CUERPO Se pueden instalar boquillas permanentes en el cuerpo del tanque pero su eje de soldadura deberá estar alejado por lo menos 3 pulg. de una junta horizontal, y al menos 6 pulg. de cualquier junta vertical. Las soldaduras pueden cruzar juntas verticales u horizontales probando que las sueldas son continuas y que el ángulo de incidencia entre dos sueldas es mayor o igual a 45°. Se puede instalar boquillas con otros ángulos que no sea 90° con la plancha, pero aumentando el tamaño de la placa de refuerzo. Boquillas de hasta 3 pulg para pozuelo de termómetros o toma de muestras pueden instalarse a un ángulo de 15° o menos con la perpendicular, sin modificar el refuerzo. DRENAJES DE FONDO Los drenajes de fondo se utilizan cuando no hay puertas o tapas de limpieza de fondo, o como auxiliares diarios para estas tapas o puertas de limpieza. Los drenajes de fondo se utilizan continuamente cuando hay muchos depósitos o sedimentos sólidos durante el proceso. Los drenajes de fondo sirven para desalojar el agua de formación que se decanta en la parte inferior del tanque, juntos con sedimentos en suspensión.  REFUERZOS ESTRUCTURALES Soporte para el cable de andamios, debe estar lo más cerca del centro del tanque. PLATAFORMAS, CAMINERAS Y ESCALERAS DE ACCESO Son elementos de servicio, que muchas veces pueden ser diseñados como refuerzos estructurales al mismo tiempo. Cuidar los espacios mínimos para los operadores, evitar interferencia con instrumentos o boquillas. Cuidar el espacio entre peldaños en las escaleras, deben tener una altura adecuada para evitar el esfuerzo innecesario.

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

TABLAS Y DETALLES PARA EL DISEÑO DEL TANQUE NORMA API-650

TABLA . Relaciones de peraltes, huellas y angulos en escaleras

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

Figura A. Registro de hombre en la envolvente (ver Tablas A1, A2, A3) E.A.P ING. MECÁNICA

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

TablaA1. Espesores de placa para la tapa y brida del registro de hombre (Ver Figura A)

TablaA2. Dimensiones para el espesor del cuello del registro de hombre

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

Tabla A3. Diámetro del círculo de barrenos D b y Diámetro de la cubierta D c para las entradas de hombre en la envolvente

Figura B Boquillas en la envolvente (ver Tabla B1, Tabla B2 y Tabla B3)

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

Figura C. Boquillas en la envolvente (continuación) (ver Tabla B1, Tabla B2 y Tabla B3)

Figura.D Bridas para boquillas en la envolvente (ver Tabla B3)

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

Tabla B1 Dimensiones para boquillas en la envolvente mm (pulg) (ver Figuras B y C)

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

TablaB2 Boquillas en la envolvente: espesores en tubo, placa y tamaño de soldaduras mm (pulg) (ver Figuras B; y C)

TablaB3. Dimensiones para bridas de boquillas en la envolvente mm (pulg)

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

Figura E. Registros de limpieza al nivel del fondo (ver Tablas C1, C2)

Tabla C1 Mínimo espesor de placa para cubierta, brida atornillada, y placa de refuerzo para registro de limpieza y prueba a ras del fondo del tanque en mm (pulg)

Tabla C2 Espesores y alturas de las placas de refuerzo para los registros de limpieza a ras del fondo del tanque en mm (pulg)

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

Tabla D4 Sumideros para drenaje. Dimensiones en mm (pulg) (ver Figura K)

Nota: Procedimiento de montaje: 1.- Cortar el agujero en la placa del fondo. 2.- Hacer la excavación exacta del sumidero. 3.- Colocar y soldar el sumidero. Figura K Sumidero para drenaje (Ver Tabla D4)

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

TABLA E1. Módulo de sección de varias secciones de anillos de refuerzo en la envolvente (Ver Figura M)

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

Figura M Secciones típicas de anillos de refuerzo en envolventes (ver Tabla E1)

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

Figura N Detalles mínimos permisibles de boquillas y registros de hombre en la envolvente

Tabla E5 Materiales de placas admisibles ASTM o equivalente y esfuerzos permitidos

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

Tabla E7. Espesores de la placa anular del fondo

Figura P. Dimensionamiento de tanques (ver Tabla E8)

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

Tabla E8 Dimensión de tanques (ver Figura P)

Figura Q Fondo cónico (tipo A) sin faldón

Figura R. Fondo cónico (tipo B) con faldón

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO AGUA

BIBLIOGRAFIA -

API Standard 650, Welded Steel Tanks for Oil Storage, tenth edition 2003.

-

Welded Steel Tanks for oil Storage (API 650). Publicación de la American Petroleum Institute. Octava Edición, Noviembre de 1988. Washington, D.C.

-

Manual de Recipientes a Presión, Diseño y Cálculo. Eugene F. Megyes. Editorial Limusa-Noruega. Séptima Edición. México, D. F.

-

AWS. 1998 Sociedad Americana de Soldadura. (American Welding Society).

-

A.S.M.E., Sec. VIII, DIV. 1. 2004 adenda 2006, Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. (American Society of Mechanical Engineers).

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