1. Introdução: a importância dos tanques metálicos na Indústria

Los tanques metálicos se utilizan constantemente en los procesos de la industria petroquímica. Los tanques pueden utilizarse para procesos de mezcla, homogeneización, separación mecánica, reacciones químicas, aireación y almacenamiento de productos finales, entre otras aplicaciones.

Além disso, os tanques são fabricados a partir de chapas planas de aço, que são conformadas para o raio desejado e soldadas por meio de processo automatizado e/ou manual. No caso de tanques de grandes dimensões, torna-se inviável o seu transporte, de modo que a construção é realizada no local de instalação. As soldas executadas neste caso são soldas de campo.

No entanto, é relativamente comum ocorrer distorções e empenamento nas chapas do costado, porém, dependendo da sua severidade, as condições de utilização do tanque podem ser prejudicadas, além do risco de colapso estrutural.

Ademais, as distorções nas chapas do costado podem ser permanentes ou surgir apenas em determinadas condições de carregamento. As condições de apoio das chapas do costado na laje de fundação podem causar distorções no costado devido as diferenças de rigidez. Da mesma forma, recalques diferenciais também podem originar distorções nas chapas do costado de tanques de grandes dimensões.

2. Vibrações em tanques de processo

Los tanques metálicos pueden equiparse con dispositivos mecánicos como agitadores. Normalmente, en los depósitos abiertos, estos dispositivos se instalan mediante plataformas en la parte superior del depósito para soportar los accionamientos mecánicos, las válvulas y otros dispositivos necesarios para el proceso.

Figura 1 - Distorsión del lateral de un tanque de proceso (izquierda) debido a las cargas de la plataforma del equipo, distribución de esfuerzos (derecha). debido a las cargas de la plataforma del equipo, distribución de esfuerzos (derecha).

Em particular, devido as características do costado de tanques, que é construído com chapas finas, existe uma grande variação de rigidez circunferencial com a adição das plataformas de equipamentos. Consequentemente, em determinadas situações são observados níveis de vibração elevados, na maior parte dos casos nas situações em que o tanque se encontra com nível baixo de líquido. Nestes casos, a rigidez do tanque é menor, pois o volume de líquido no tanque traciona as chapas, sendo uma carga estabilizante que confere rigidez ao costado. Entretanto, o maior volume de líquido eleva a massa participante, ou massa modal, de modo que poderá haver um efeito contrário, qual seja o de redução das frequências naturais.

Además del aspecto relativo a la rigidez y la masa, el volumen de líquido modifica la amortiguación en la dinámica del tanque. En función de las características del fluido en el interior, como la agitación, los vórtices y el patrón de flujo en el tanque, pueden surgir fuerzas excitadoras que provoquen vibraciones en las estructuras del armazón.

Figura 2 - Vista interna de un tanque de proceso con agitador basculante - obsérvense los deflectores para proporcionar una mayor agitación del fluido.

3. Causas estruturais e de fabricação de mossas em tanques metálicos

Es habitual ver abolladuras en los laterales de los depósitos de poco volumen, que desaparecen a medida que aumenta el volumen de líquido debido a las fuerzas de tracción que actúan sobre el lateral. Sin embargo, las abolladuras deben estudiarse detenidamente para determinar sus causas.

En el caso de los depósitos soldados, que constituyen prácticamente todos los grandes depósitos, las abolladuras pueden deberse a tensiones residuales debidas al proceso de fabricación de la soldadura.

Além disso, o processo de fabricação do costado por conformação adiciona tensões residuais elevadas. Originalmente a chapa laminada utilizada para o costado é plana, cortada em formato retangular, e é forçada durante a fabricação para o raio do tanque, sendo soldada em todo o contorno na posição final desejada. Como resultado, a tendência da chapa é retornar ao seu formato original plano, o que adiciona esforços de compressão no costado podendo resultar em mossas localizadas. Em tanques com raio menor, normalmente as chapas são calandradas previamente, reduzindo os esforços de compressão residuais.

O cordão de solda adiciona rigidez local para a chapa, tanto geometricamente, devido a espessura do reforço da solda, quanto do ponto de vista de resistência mecânica, uma vez que o material depositado possui maior resistência em relação ao metal base. Portanto, seguindo este raciocínio, o local preferencial para o surgimento das mossas é no meio das chapas, haja vista a maior rigidez proporcionada pelos cordões de solda no contorno da chapa.

Adicionalmente, as mossas e outros danos no costado podem ser ocasionados ainda por esforços de partida / parada de acionamentos mecânicos no caso dos tanques de processo, de modo que a verificação estática torna-se particularmente importante para esses casos de carregamento.

Figura 3 - Gran tanque de proceso con abolladuras laterales.

Figura 4 - Abolladura localizada en el tanque de proceso.

4. Danos por corrosão: onde ocorrem e como prvenir

Los daños por corrosión en los tanques son frecuentes. La gravedad de la corrosión varía en función del tipo de material de construcción (aleación metálica), la exposición a condiciones ambientales (lluvia ácida, por ejemplo), la presencia de humedad en la base y el estado de la pintura lateral.

Por isso, durante o projeto é comum adicionar sobre espessura, de modo que o tanque mantenha as condições de serviço por um longo tempo mesmo com a perda de espessura devida à corrosão. Geralmente, é comum a corrosão iniciar na parte inferior do tanque, nas cantoneiras de reforço do anel superior, regiões onde eventualmente ocorre acúmulo de água. Além disso, a região das portas de visita, e da solda em seu entorno, também são pontos onde existem frestas entre as chapas e elementos de fixação das tampas, favorecendo a corrosão por frestas (crevice corrosion).

Figura 5 - Graves daños por corrosión en la parte inferior del lateral cerca de la losa inferior.

Figura 6 - Daños por corrosión en el anillo de refuerzo superior del depósito.

Assim, para predizer a vida útil de um tanque, podem ser efetuadas análises de tensões considerando a espessura do projeto original e a condição com redução na espessura das chapas do costado. Cabe ressaltar que a abrasão causada pelo escoamento do fluido no interior do tanque pode ser um fator contribuinte para a redução de espessura, o que é particularmente importante em tanques de polpa, muito comuns em instalações de mineroduto.

Desse modo, a redução de espessura por corrosão das chapas do costado pode causar distorções localizadas.

Figura 7 – Análise de tensões em tanque metálico – aumento das tensões com a redução de espessura por corrosão ao longo dos anos.

5. Desafios e prevenção de distorções no costado

En situaciones en las que el anillo superior del depósito no está debidamente reforzado, pueden producirse graves distorsiones que pueden inutilizar el depósito.

Durante o processo de construção do tanque essa condição é crítica, pois os anéis da parte superior, com menor espessura, são montados inicialmente, para em seguida, serem macaqueados para a inserção do novo anel. Em seguida, este processo é repetido para cada chapa que compõe os anéis do tanque, manter a estabilidade das chapas neste processo construtivo é um desafio. O processo construtivo deve ser realizado sempre com o acompanhamento topográfico de modo a garantir a verticalidade do costado e a estabilidade das chapas.

Figura 8 - Distorsión del lateral de un depósito de 18 metros de diámetro.

El ejemplo anterior ilustra un modelo para analizar un depósito que sufrió una grave distorsión lateral durante la instalación del último anillo. En este caso, el tanque aún no estaba unido a su placa inferior, por lo que se produjo un proceso de distorsión gradual del anillo inferior, formando una especie de pico en la parte superior del tanque. La distorsión fue tan grave que el tanque quedó inviable.

Por fim, o uso de reforços e/ou barras de travamento podem ser necessários para o controle da distorção do anel inferior durante o processo de fabricação do tanque, de modo a garantir a estabilidade da estrutura sem a chapa de fundo, que possui uma função de restringir a distorção do anel inferior.

Análise de vibração é com a Kot Engenharia

Si usted, como nuestros más de 150 clientes, busca soluciones especializadas en análisis estructural o prevención de fallos como deformaciones, vibraciones y corrosión, contacte con nuestro equipo y cuente con Kot Engenharia.

Desde 1993, ofrecemos servicios de consultoría en ingeniería mediante estudios técnicos que utilizan ensayos no destructivos, instrumentación de campo y simulaciones informáticas (FEM, DEM y CFD) para diagnósticos de gran complejidad de estructuras de hormigón y metálicas y equipos industriales.

Siga, também, nossas páginas no LinkedIn, Facebook e Instagram e continue acompanhando nossos conteúdos.