Comportamiento de tanques de almacenamiento de petróleo en presencia de fuego

Abstract

This thesis presents the analysis of the structural behavior of steel oil storage tanks exposed to fire. This study focuses on determining the deformed configurations and the critical buckling temperatures of storage tanks in relation with their failure scenarios, attending to external actions that influence the structural response. Furthermore, it presents the investigation of the causes of explosions occurred in oil plants located in Buncefield, UK, in Bayamon, Puerto Rico, and in Anacortes, Washington, in 2005, 2009 and 2010, respectively. Structural analysis have been performed using the Riks method applied to finite element models, using the commercial software ABAQUS. Geometric and material nonlinearities due to thermal action of fire in terms of mean temperature and thermal gradient in the cross section on the structure have been considered. The heating process is simulated until the occurrence of buckling failure in the wall of cylindrical tanks with and without external fixed roof. The geometries modeled correspond to tanks affected by the fire incident occurred in Caribbean Petroleum Corporation (CAPECO) in Bayamon, Puerto Rico, in 2009. The results indicate that thermal buckling occurs in the tank walls because temperature variations along the structure generate irregular levels of displacement in the shell, which, in its attempt to expand, suddenly changes its geometrical configuration to stay in equilibrium, while restricted by the boundary conditions and by shell areas under lower temperature levels. The analyzed structures show relatively low critical temperatures compared to the temperatures developed during fires at oil plants, which means that buckling in the storage tanks could arise in early stages of the fire event. In addition, it is observed that the volume of fuel in the tank has significant influence on the critical temperature, since the fluid pressure stabilizes the cylinder walls delaying the occurrence of buckling. Also, it is noticed that the development of thermal gradients in the cross section of the shell causes structural buckling at a mean temperature lower than the temperature at which the tank without external roof will fail under a uniform thermal distribution.

En esta tesis se presenta el análisis del comportamiento estructural de tanques metálicos de almacenamiento de petróleo expuestos a la acción del fuego. Este estudio se enfoca en determinar las configuraciones deformadas y las temperaturas críticas de pandeo que exhiben dichos tanques en relación a su escenario de falla, atendiendo a las acciones externas que influyen en la respuesta de la estructura. Además, se presenta la investigación de las causas de accidentes en plantas petrolíferas ocurridos en Buncefield, Reino Unido, en Bayamón, Puerto Rico, y en Anacortes, Washington, en 2005, 2009 y 2010, respectivamente. El análisis estructural ha sido realizado aplicando el método de Riks a modelos de elementos finitos, utilizando el programa comercial llamado ABAQUS. Se han considerado las no-linealidades geométricas y del material a causa de la acción térmica del fuego sobre la estructura, reflejada en términos de temperatura media y gradiente térmico en la sección transversal. El proceso de calentamiento se simula hasta la ocurrencia de falla por pandeo en la pared de tanques cilíndricos con y sin techo externo fijo, cuyas geometrías corresponden a contenedores afectados por el incendio ocurrido durante el accidente de Caribbean Petroleum Corporation (CAPECO) en Bayamón, Puerto Rico, en 2009. Los resultados indican que el pandeo por acción térmica ocurre en los tanques debido a que las variaciones de temperatura en la estructura generan niveles de desplazamientos no uniformes en la cáscara, la cual, en su intento por expandirse, cambia su configuración súbitamente para satisfacer las condiciones de equilibrio ante las restricciones ejercidas por los soportes y por zonas de la misma cáscara que mantienen temperaturas menores. En las estructuras analizadas las temperaturas críticas encontradas son relativamente bajas en proporción a las temperaturas máximas desarrolladas durante incendios en plantas petrolíferas, lo que implica que el pandeo en los tanques de almacenamiento podría originarse en etapas tempranas del incendio. Se observa que el volumen de combustible contenido en el tanque tiene gran influencia en la temperatura crítica de falla, ya que la presión del fluido almacenado estabiliza las paredes del cilindro postergando la ocurrencia de pandeo. Además, se concluye que el desarrollo de gradientes térmicos en el espesor de la cáscara provoca que la estructura sin techo externo fijo falle a un valor de temperatura media inferior al que podría alcanzar si la acción térmica estuviese uniformemente distribuida.