Modos de falla en los tanques de almacenamiento de hidrocarburo

Introducción

Los modos de falla en los tanques de almacenamiento de hidrocarburo se refieren a las diferentes formas en que estos activos pueden experimentar fallas que comprometan su integridad estructural, funcionalidad o seguridad. Este proceso de fallas ocasionan consecuencias graves, como derrames de hidrocarburos, incendios, explosiones e interrupciones en la producción.

Los tanques para hidrocarburos son componentes fundamentales en la industria del petróleo y gas; los cuales, pueden presentar fallas durante su vida util. Este artículo está enfocado en la identificación y prevención de modos de falla en tanques de almacenamiento de hidrocarburo, ofreciendo una visión general de las causas comunes y los métodos de detección; con la finalidad de controlar y tomar los preventivos/correctivos de inmediato para garantizar la integridad estructural y el funcionamiento adecuado de estos activos

¿Qué son los tanques de almacenamiento de hidrocarburos?

Son recipientes diseñados para almacenar crudo y productos derivados del petróleo. Existen diferentes tipos de tanques, como los tanques de acero, tanques subterráneos y tanques sobre el suelo, cada uno adaptado para aplicaciones específicas en la industria. Su tamaño y características varían según la capacidad de almacenamiento requerida, el tipo de producto almacenado y las condiciones ambientales del lugar de instalación.

Tipos de tanques de almacenamiento

Actualmente en el mercado existen 4 tipos de tanques de almacenamiento de hidrocarburos clasificados de acuerdo a la presion y condicones del fluido a manejar.

1. Tanque atmosférico: Pueden ser de techo flotante o techo fijo. Trabaja presiones desde nivel atmósfera hasta de 1,0 psig. No se recomienda que sean utilizados para el almacenamiento de líquidos a temperaturas iguales o mayores a su punto de ebullición.
2. Tanques de baja presión: Se construyen bajo normas de diseño aprobadas. Puede mantener una presión interna mayor a 0.035 kg/cm2 y menor de 1.055 kg/cm2
3. Tanque a presión: Los tanques de presión son envases cerrados diseñados para almacenar fluidos a presiones diferentes a la ambiental; suelen estar construidos de materiales como el acero, aleaciones especiales, e incluso vidrio o polímeros reforzados, dependiendo de la aplicación y del fluido a contener. Estos pueden ser tanques cilíndricos, recipientes esféricos.
4. Tanques refrigerados: Se dividen en recipientes a presión, esferas a presión y tanques cilíndricos verticales. Son utilizado para almacenar gases licuados como GLN u otros gases criogénicos para los que el almacenamiento a temperatura ambiente no es factible.

Aplicaciones en la industria

En la producción, refinado y distribución de productos petrolíferos, se requieren tanques de diferentes tipos y tamaños para diferentes aplicaciones. Los pequeños tanques atornillados o soldados son ideales para campos de producción, mientras que los tanques de almacenamiento soldados más grandes se utilizan en terminales de distribución y refinerías globales. Las condiciones de funcionamiento del producto, las capacidades de almacenamiento y los problemas específicos de diseño afectan la selección del tanque.

Existen tanques de almacenamiento en diversas formas y tamaños. Las aplicaciones especiales pueden requerir tanques rectangulares, cilindros horizontales o esféricos. Los cilindros y esferas horizontales son generalmente utilizados para el almacenamiento a presión completa de hidrocarburos o productos químicos. Sin embargo, la forma más común es el tanque vertical de almacenamiento cilíndrico, cuya capacidad bruta puede variar entre 100 barriles y más de 1,5 millones de barriles en un solo tanque. Los tamaños de estos tanques oscilan entre aproximadamente 10 pies de diámetro y más de 412 pies de diámetro para algunos de los tanques de techo flotante más grandes construido.

Principales factores causantes de falla en los tanques de almacenamiento de hidrocarburo

Los modos de falla en tanques de almacenamiento de hidrocarburos pueden ser causadas por diversos factores, incluyendo:

Fallas estructurales

• Fisuras: Rupturas en el material del tanque que pueden debilitar su estructura y provocar fugas.
• Deformaciones: Alteraciones en la forma original del tanque, como pandeos o abolladuras, que pueden afectar su integridad estructural.
• Colapso: Falla total del tanque que resulta en la liberación del producto almacenado.

Causas de las fallas estructurales

• Sobrecarga: Almacenamiento de un volumen de producto superior a la capacidad máxima del tanque.
• Presiones excesivas: Aumento de la presión interna del tanque debido a factores como la expansión del producto o la acumulación de gases.
• Impactos: Golpes o choques contra el tanque por parte de equipos o vehículos
• Corrosión: Deterioro del material del tanque debido a reacciones químicas con el producto almacenado o el ambiente.
• Fatiga: Degradación gradual del material del tanque por la exposición a cargas cíclicas o vibraciones.
• Defectos de fabricación: Errores en el diseño o la construcción del tanque que comprometen su integridad estructural.

Fallas por corrosión

La corrosión es un proceso de deterioro gradual del material del tanque debido a reacciones químicas con el producto almacenado o el ambiente. Los dos tipos principales de corrosión que afectan son:

• Corrosión externa: Causada por factores ambientales como la humedad, la salinidad o la presencia de gases contaminantes en la atmósfera (figura 1-a).
• Corrosión interna: Producida por el contacto del material del tanque con el producto almacenado, especialmente si contiene compuestos corrosivos como el ácido sulfhídrico (H2S) (figura 1-b).

Factores que contribuyen a la corrosión

• Tipo de producto almacenado: Algunos productos, como el crudo agrio o los combustibles con alto contenido de azufre, son más corrosivos que otros.
• Condiciones ambientales: La humedad, la temperatura, la salinidad y la presencia de gases contaminantes en la atmósfera aceleran la corrosión.
• Protección anticorrosiva: La falta de una adecuada protección anticorrosiva, como pintura o recubrimientos especiales, aumenta la susceptibilidad del tanque a la corrosión.

Fallas operacionales

Las fallas operacionales son aquellas causadas por errores humanos o prácticas inadecuadas en la operación y mantenimiento de estos activos de almacenamiento. Algunos ejemplos de fallas operacionales son:

• Sobrecarga: Almacenamiento de un volumen de producto superior a la capacidad máxima del tanque.
• Llenado y vaciado excesivamente rápidos: Estas operaciones pueden generar cambios bruscos de presión y temperatura que fatigan el material del tanque.
• Falta de mantenimiento: El mantenimiento preventivo y correctivo regular es esencial para detectar y corregir a tiempo problemas potenciales que podrían derivar en fallas.
• Operaciones inadecuadas: Errores en la operación de las válvulas, sistemas de medición o equipos de control pueden provocar derrames o explosiones.

Explosiones e incendios

• Acumulación de vapores inflamables: La acumulación de vapores inflamables dentro del tanque o en sus alrededores puede llevar a explosiones si se encuentra una fuente de ignición.

• Descargas electrostáticas: Las descargas electrostáticas generadas durante las operaciones de llenado o vaciado pueden causar chispas y, en presencia de vapores inflamables, incendios o explosiones.

Fallas en los sistemas de contención secundaria

• Daños en bermas y diques: Las estructuras de contención secundaria, como bermas y diques, pueden fallar debido a falta de mantenimiento, diseño inadecuado o daños físicos, permitiendo que los derrames se extiendan más allá de las áreas controladas.

Problemas con válvulas y accesorios

• Fallas en válvulas de seguridad: Las válvulas de alivio de presión y otras válvulas de seguridad pueden fallar debido a mal funcionamiento o mantenimiento inadecuado, lo que puede resultar en sobre presión y rupturas del tanque.

• Fugas en accesorios: Las conexiones, mangueras y otros accesorios del tanque pueden desarrollar fugas debido a desgaste, instalación incorrecta o fallos en los sellos.

Fallas por factores ambientales

• Impacto de factores climáticos: Factores como terremotos, inundaciones, tormentas y cambios extremos de temperatura pueden afectar la integridad del tanque, causando grietas, desplazamientos y otros daños estructurales.

Tipos de modos de falla en los tanques de almacenamiento

De acuerdo a lo antes expuestos, diversos factores, tales como: Ambientales (ciclones, huracanes, terremotos) y errores humanos (mal diseño, construcción defectuosa, mantenimiento ineficiente, maniobras de carga y descarga), causan fallas que producen pérdidas económicas y pueden provocar accidentes mortales a los trabajadores cerca de los tanques. Algunos tipos de fallas formas se muestran en lasiguiente imagen.

Descripción de cada una de las formas de fallas mostrada en la imagen anterior

a) Falla por Pandeo: (Falla por asentamiento del suelo), en tanques soportados por pilotes, la falla se presenta en la parte baja del tanque debido al asentamiento del suelo, lo que provoco la ruptura del anillo inferior o de base lo que origino asentamientos diferenciales en el tanque.

b) Modo de falla estructural: Estructura colapsada por carga, en la que se aprecian los levantamiento de parte de la soldadura entre el primer nivel y el fondo del tanque.

c) Colapso en el anillo superior del tanque: El efecto del líquido denominado de “sloshing”, determina la altura de las ondas de superficie libre y ocasiona daño al techo y al anillo superior del tanque. El líquido que se mueve cerca de la superficie libre, origina esta falla en el último anillo del tanque.

d) Colapso del tanque por precion de vacio: Los tanques de almacenamiento grandes están diseñados para soportar solo una pequeña cantidad de presión interna, no vacío (presión externa en la pared del tanque). Es posible colapsar un tanque grande con solo una pequeña cantidad de vacío.

e) Falla de los anclajes por levantamiento en la base: Falla entre la base y la pared del tanque. Esto ocurre cuando los vapores inflamables contenidos en los tanques atmosféricos de almacenamiento explotan, desprendiendo la unión entre la placa del fondo y la envolvente. Estas fallas ocasionan que el tanque se rasgue y, en algunos casos, estos sean lanzados a través del aire.

f) Falla por colapso: Según estudios realizados se origina debido al pandeo de las paredes y levantamiento del anclaje. La fuerza cortante en la base puede causar la falla del tanque por deslizamiento. El levantamiento de la base puede ocasionar: (1) ruptura de las conexiones de la tubería que salen del tanque debida a los desplazamientos verticales, y (2) ruptura de la unión de la placa de base con la envolvente del tanque.

Cómo detectar las fallas en estos activos

Realizar una evaluación de integridad de tanques, tomando en cuenta una evaluación estructural de los componentes principales en la detección de fallas, es significativa para prevenir derrames, incendios y otros incidentes graves. Las técnicas de Ensayos No Destructivos permiten una evaluación estructural y evaluación de la integridad de tanques sin afectar su funcionamiento. Algunas de las técnicas NDT más utilizadas en estos activos de almacenamiento son:

• La inspección visual: Es una forma sencilla y efectiva de detectar signos tempranos de falla, como fisuras, deformaciones, corrosión o fugas. Se deben realizar inspecciones visuales regulares tanto en el exterior como en el interior del tanque hasta obtener una evaluación de integridad de tanques, prestando especial atención a las áreas más susceptibles a fallas. 
• Ultrasonido: Esta técnica utiliza ondas ultrasónicas para detectar defectos en el material del tanque, como fisuras, porosidades o inclusiones y medir el espesor remanente de las paredes, techo y piso.
• Radiografía: La radiografía utiliza diferentes fuentes iónicas para penetrar el material del tanque y crear una imagen radiográfica que permite detectar defectos internos. Se usa principalmente para evaluar soldaduras.
• Partículas magnéticas y Líquidos penetrantes: Esta técnica se utiliza para detectar fisuras en materiales ferromagnéticos, como el acero.
• MFL: Se utiliza para una evaluación estructural del 100% las condiciones del piso del tanque.
• Caja de vacío: Permiten realizar inspecciones de defectos de uniones en soldadura de tanques, tuberías y muchas estructuras soldadas de una forma rápida y segura.
• Emisión Acústica: Permite de forma no intrusiva proceder al análisis de condición de tanques en servicio, sin afectar su operabilidad.
• Medición de la verticalidad del tanque: La verticalidad para detectar deformaciones internas y/o externas esta se determina mediante el plomeado al plano vertical de construcción del tanque. La determinación de la redondez del tanque nos permite conocer si existen incrementos o disminuciones en los diferentes niveles.

Parte de esta evaluación estructural es lo requerido por la norma API 653 en la inspección, velando que se realice por personal calificado y cumpla con los diferentes criterios de esta norma cuando entra en servicio y API 650 en su construcción/fabricación. 

A continuación les presento un vídeo, donde encontrarás un resumen de los aspectos fundamentales de la inspección de tanques de almacenamiento según la norma API 653. Fuente: Codeware.

Sistemas de detección de fugas

El mantenimiento de los tanques de almacenamiento es importante para evitar fallas y proteger tanto el medio ambiente como los recursos económicos de las empresas. Los sistemas de detección de fugas juegan un papel fundamental en la identificación temprana de posibles derrames de productos almacenados, permitiendo una intervención rápida y eficaz.

Entre los sistemas de detección de fugas más comunes, encontramos:

1. Barreras de contención: Estas barreras se construyen alrededor del tanque para contener cualquier derrame en caso de fallo. Actúan como una primera línea de defensa, impidiendo que el producto derramado se disperse y cause mayores daños.
2. Monitoreo de pozos de sumidero: Los pozos de sumidero se instalan debajo del tanque y permiten detectar la presencia de fugas de forma temprana. Al recoger cualquier líquido que se escape, estos pozos facilitan la identificación de problemas antes de que se conviertan en desastres mayores.
3. Sensores de detección de gases: Estos sensores son cruciales para detectar la presencia de vapores del producto almacenado en el aire. La detección temprana de vapores puede indicar una fuga, permitiendo tomar medidas inmediatas para evitar que el problema se agrave.

Mantener estos sistemas de detección en óptimas condiciones es necesario para garantizar su eficacia. El mantenimiento regular incluye la revisión y prueba de cada componente para asegurar su correcto funcionamiento. Además, es importante llevar un registro detallado de todas las actividades de mantenimiento y de cualquier problema detectado y solucionado.

La falta de mantenimiento adecuado puede llevar a fallas catastróficas, con consecuencias graves para la salud humana, el medio ambiente y la economía. Los derrames de productos almacenados pueden contaminar el suelo y el agua, generando costos de limpieza y multas significativas para las empresas responsables.

Invertir en el mantenimiento regular de los tanques de almacenamiento y sus sistemas de detección de fugas es una medida indispensable para prevenir fallas y asegurar la operación segura y eficiente de las instalaciones. Esta práctica no solo protege el entorno y los recursos, sino que también contribuye a la sostenibilidad y reputación de las empresas

Conclusiones

La gestión adecuada de los modos de falla en tanques de almacenamiento de hidrocarburos es parte de la gestión para una efectiva evaluación de integridad de tanques, fundamental para garantizar la seguridad ambiental, la protección de las personas y las propiedades, y la eficiencia operativa. Una identificación temprana y la prevención de fallas en los tanques son esenciales para evitar derrames, incendios, explosiones y otros incidentes graves. 

Mediante la implementación de programas de inspección, una eficiente evaluación estructural, monitoreo y mantenimiento adecuados, las empresas pueden reducir significativamente el riesgo de fallas en estos activos de almacenamiento y garantizar su operación segura y confiable.

¡Asegura la integridad de tus tanques de almacenamiento de hidrocarburos implementando métodos efectivos de detección y prevención de fallas!

Referencias

1. https://docplayer.es/64566822-Instituto-politecnico-nacional-analisis-estructural-en-la-junta-techo-envolvente-de-tanques-atmosfericos-de-almacenamiento-de-crudo-de-560-barriles.html