Tanques de armazenamento são equipamentos de calderaria pesada, sujeitos à pressão aproximadamente atmosférica e destinados, principalmente, ao armazenamento de matérias primas, resíduos e diversos produtos utilizados nos processos produtivos. Esse tipo de equipamento pode ser encontrado em todos os tipos de indústrias, tais como: químicas, petrolíferas, siderúrgicas, mineradoras, farmacêuticas, cosméticas, alimentícias e muitas outras. 

Ao armazenar os produtos, os tanques desempenham o papel de garantir a disponibilidade de recursos para uma produção contínua em plantas industriais. Sendo assim, um dos ativos industriais de maior importância. 

Uma das grandes preocupações da engenharia industrial é de garantir a integridade estrutural dos principais componentes dos tanques. Pois uma falha pode ocasionar grandes acidentes envolvendo fatalidades, vazamentos de produtos tóxicos e/ou corrosivos, contaminação ambiental e parada no processo produtivo. 

O presente artigo visa uma breve introdução a respeito dos principais tipos e componentes de tanques de armazenamento atmosféricos, apresentar de forma resumida as metodologias para dimensionamento e verificação estrutural analítica e numérica (elementos finitos) de tanques novos e em serviço. Além disso, serão apresentados dois estudos de caso envolvendo verificações estruturais de tanques em serviço (Fitness-for-Service) e inspeção de campo utilizando a técnica de ultrassom por varredura (C-Scan).

CLASSIFICAÇÕES E PRINCIPAIS COMPONENTES 

Os equipamentos de armazenamento são classificados como: 

• Tanques atmosféricos: tanques com pressão de operação próxima à pressão atmosférica; 
• Tanques de baixa pressão; 
• Tanques de baixa temperatura ou criogênicos; 
• Vasos de pressão: equipamentos com maior pressão de operação. 

Os tanques atmosféricos são divididos em categorias de acordo com a geometria dos principais componentes e o tipo de teto. Os principais componentes de tanques de armazenamento atmosféricos são: 

• Costado: podendo ser em formato cilíndrico, esférico, cônico. 
• Fundo: podendo ser em formato plano, cônico, esférico. 
• Teto: podendo ser do tipo fixo (suportado ou autoportante), móvel, fixo com diafragma e flutuante. 
• Teto fixo: podendo ser em formato cônico, domo, gomos. 

A figura abaixo ilustra um tanque atmosférico com costado cilíndrico, fundo plano e teto fixo em formato cônico. 

Em geral, quando se deseja armazenar líquidos não voláteis são utilizados tanques com tetos fixos, tetos abertos e tanques de armazenamento sem pressão. Para líquidos voláteis são utilizados tanques com teto flutuante, permitindo assim, a expansão volumétrica de armazenamento. Por fim, para materiais gasosos recomenda-se o uso de tanques esféricos ou horizontais (tipo bala).  

O material mais comum para fabricação de tanques de armazenamento é o aço carbono, sendo que, para aplicações específicas o aço inox também é empregado, devido à sua capacidade em resistir à corrosão. Uma alternativa para mitigar os efeitos de corrosão entre a estrutura dos tanques e o material armazenado é a aplicação de revestimentos internos e externos com material de proteção contra corrosão, normalmente o revestimento consiste em um fluido viscoso que pode ser aplicado com pincel. 

As referências normativas mais utilizadas para projeto, fabricação e inspeção de tanques estão descritas abaixo. Sendo que, cada norma se aplica a determinado tipo de geometria, pressão interna e temperatura de trabalho. 

• API 650 – Welded Tanks for Oil Storage. 
• API 653 – Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction. 
• API 620 – Design and Construction of Large, Welded, Low-Pressure Storage Tanks 
• API 510 – Pressure Vesel and Sphere Tank Inspection. 
• ABNT NBR 7821 – Tanques soldados para armazenamento de petróleo e derivados. 
• API 579-1 – Fitness for Service 
• ASME section VIII – Boiler and Pressure Vessel Code. 

METODOLOGIAS PARA ANÁLISE ESTRUTURAL

Há duas formas de realizar a verificação estrutural de tanques. Uma delas é através de cálculos analíticos, baseados em referências normativas. Outra forma é através de cálculos numéricos computacionais, por elementos finitos. Os critérios de escolha e as metodologias de cada tipo de avaliação serão abordados abaixo, de forma resumida. 

MÉTODO ANALÍTICO

No método analítico serão realizados cálculos para verificação do dimensionamento do tanque e caracterização de defeitos. Os cálculos de dimensionamento do tanque, na maioria dos casos, são baseados na norma API 650, já os defeitos mapeados são verificados de acordo com os critérios da norma API 653 e API 579. 

O dimensionamento do costado basicamente é feito através do cálculo das espessuras dos anéis do costado em função da tensão circunferencial e resistência à flambagem. 

Os costados dos tanques normalmente são feitos por anéis de chapas calandradas, sendo que os anéis da base são de espessura maior e os superiores são de menor espessura, devido as tensões geradas pela altura da coluna de fluido armazenado. Tanques pequenos podem ter costado com espessura uniforme ao longo da altura. 

O anel mais baixo das placas é totalmente soldado à placa inferior do tanque, proporcionando restrição radial à borda inferior da placa. Da mesma forma, a borda inferior de qualquer camada que fica no topo de uma camada mais grossa é um pouco restrita porque a placa mais grossa é mais rígida. O efeito disso nas tensões circunferenciais do aro é ilustrado na Figura 5. 

Além das tensões circunferenciais, a casca cilíndrica (costado) deve suportar as tensões axiais devido ao peso do próprio costado, teto e de todos os equipamentos fixados no topo do tanque (escadas, passadiços etc.). A carga de vento também contribui para geração de esforços na direção axial, induzindo tensões axiais de tração em um dos lados do tanque e compressão no outro. 

Por fim, o tanque deve ser verificado para o caso de estabilidade à flambagem com aplicação de cargas de vento de projeto e, se necessário, reforços radiais devem ser projetados para que a estrutura do costado não apresente falhas por flambagem. A figura 6 ilustra o comportamento de uma casca cilíndrica sem e com anéis de reforço radiais. 

Para o dimensionamento ou verificação analítica do costado, as normas aplicáveis fornecem as equações analíticas para determinação das espessuras mínimas requeridas para os anéis do costado, quantidade e espaçamento máximo dos anéis de reforço radial. 

Para dimensionamento do teto também é necessário calcular a espessura mínima requerida, sendo que as equações são baseadas nas tensões geradas para cada formato de teto. Além disso, alguns formatos de teto possuem limites de ângulo de inclinação (tetos fixos cônicos).  

Os tetos podem ser autoportante ou suportados por estruturas de apoio, assim como as chapas do teto, para os elementos estruturais de suporte do teto existem critérios de tensão admissível e limites de esbeltez que devem ser seguidos de acordo com a norma de projeto adotada. 

O fundo dos tanques é formado por dois tipos de chapas, as chapas anulares e as chapas de fundo (figura 7). Esta configuração é feita de forma a facilitar a troca das chapas de fundo quando corroídas. Para verificação do fundo do tanque são especificados em tabelas as espessuras mínimas requeridas e tolerâncias de corrosão. Sendo que, para o caso das chapas anulares, a espessura depende da espessura calculada para o primeiro anel do costado. 

MÉTODO NUMÉRICO (ELEMENTOS FINITOS)

O método numérico é um método alternativo para dimensionamento e avaliação de tanques novos ou em serviço. O método numérico consiste em determinar a distribuição de tensões atuantes, através de um modelo numérico computacional, via elementos finitos. As tensões calculadas são, então, comparadas com os limites de tensões admissíveis do material.  

Este método não é muito comum para projeto e dimensionamento de tanques novos, visto que o método analítico determina critérios mais conservativos e de fácil verificação. Porém, para tanques em serviço, o método é recomendado, tendo em vista sua capacidade em avaliar equipamentos com presença de deslocamentos, deformações, corrosões localizadas e outros defeitos não previstos em projeto.  

O método também pode ser empregado para estudos de alterações nos parâmetros operacionais do equipamento, tais como: aumento da altura útil, alteração do fluido, adição de estruturas de suporte, plataformas, escadas.  

Ou seja, pelo método em elementos finitos é possível realizar avaliações de adequação ao uso (Fitness-for-Service) para avaliar a condição atual e prever as condições futuras do equipamento. No item abaixo será abordado um estudo de caso com utilização do presente método.

AVALIAÇÃO DE TANQUES EM SERVIÇO

É comum realizar avaliação de tanques em serviço, com presença de falhas. As falhas mais comuns são:  

• Deformações nas chapas do costado e teto.  
• Deslocamentos verticais e horizontais do costado. 
• Corrosão geral, local ou por pites. 
• Ovalização do costado.  
• Desalinhamentos de solda. 
• Trincas. 
• Desaprumo da estrutura e fundação. 
• Recalque na fundação.  

Existem várias normas para definir métodos para inspeção, identificação de defeitos e reparos. Estas normas também definem critérios de aceitação para os defeitos encontrados em tanques. As normas mais comuns para avaliação de tanques em serviço são API 653 e API 579. 

ESTUDO DE CASO 1

Neste tópico será apresentado, de forma resumida, um estudo de caso realizado pelo ISQ para avaliação de um tanque de armazenamento de alcatrão. O tanque apresentou deformações no costado e foi solicitado à equipe do ISQ uma avaliação dos defeitos pelos critérios estabelecidos pela API 653 e uma análise, por elementos finitos, de adequação ao uso (Fitness-for-Service) do tanque com as deformações existentes, a fim de verificar se o tanque poderia operar nas condições de projeto, mesmo com a presença das falhas identificadas. 

A primeira etapa do estudo foi o levantamento de campo da geometria da estrutura do tanque, realizada por escaneamento à laser 3D. As figuras abaixo ilustram as análises de deformações realizadas para o costado e fundo do tanque. 

A partir dos levantamentos geométricos, foram avaliados: 

• Deformações radiais no costado; 
• Desaprumo do tanque; 
• Deslocamentos no fundo do tanque; 

Foi identificado que, as deformações radiais do costado estavam muito acima dos limites recomendados pela API 579. Já para o desaprumo, os valores máximos encontrados estavam dentro dos limites recomendados por norma. As deformações no fundo e da fundação também foram avaliadas e aprovadas pelos critérios normativos. 

Como as deformações radiais estavam muito acima dos limites recomendados, fez-se necessário realizar um estudo numérico, pelo método dos elementos finitos, para verificar a integridade do equipamento nas condições de operação (Fitness-for-Service – FFS). 

O estudo de FFS foi realizado com a geometria do tanque deformada, representada pela malha de elementos obtida pelo escaneamento 3D. 

Na figura 12 é possível verificar algumas etapas envolvidas no estudo de Fitness-for-Service. Além da geração da malha de elementos, é feito um estudo das condições de operação e dos casos e carregamentos atuantes no equipamento. Após, são obtidos os resultados de deslocamentos, deformações e tensões mecânicas. 

Ao analisar os resultados de todas as combinações de cargas, foi concluído que o tanque apresentou tensões abaixo das tensões admissíveis do material, sendo assim, aprovado para operação segura nas condições de projeto. 

ESTUDO DE CASO 2

O estudo de caso 2 se refere à inspeção de ultrassom por varredura (C-Scan) para detecção de perda e medição de espessuras ao longo do costado de um tanque de armazenamento de ácido sulfúrico. 

Por armazenar um fluido com alto potencial de risco e estar exposto a um ambiente com condições favoráveis à degradação, faz-se necessária a realização da inspeção periódica do equipamento com o intuito de identificar as regiões do tanque que estão aptas a continuar em operação. 

Dessa forma, o objetivo do estudo foi de cerificar as espessuras do tanque, realizar cálculo das espessuras mínimas requeridas e apresentar estimativa de vida remanescente.  

A figura abaixo ilustra uma fotografia do tanque durante as inspeções realizadas, com destaque para o equipamento de C-Scan. Na figura seguinte, tem-se o perfil do costado do tanque em um dos anéis onde foram encontradas perdas significativas de espessura por corrosão. 

Ao fim do estudo, foi possível estimar as perdas de corrosão ao longo de todas as regiões do costado, estimar a vida útil remanescente de cada anel, elaborar um plano de inspeção baseado nos resultados. Por fim, foram geradas recomendações de reparos e trocas nos anéis que apresentaram espessuras abaixo dos valores limites calculados. 

CONCLUSÃO

Neste artigo foram abordados os principais tipos de tanques e as classificações quanto ao tipo e a geometria. Além disso, os métodos para avaliação da integridade de tanques novos e em serviço foram apresentados, sendo explorados as vantagens e aplicações mais comuns para cada método. Por fim, foram apresentados dois estudos de caso em que foram utilizadas verificações analíticas, numéricas e inspeções em tanques em serviço (Fitness-for-Service). 

O ISQ possui ampla experiência na avaliação e gestão completa de integridade de tanques em todas os ramos industriais, tanto na parte de Engenharia Estrutural, quanto na parte de Engenharia de Inspeção. 

Caso tenham interesse em saber mais sobre o assunto ou tenha dúvidas de qual metodologia pode ser utilizada para garantir a segurança operacional de tanques, sintam-se à vontade em entrar em contato conosco! 

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