Efecto de las ondas de presión de una explosión sobre tanques de almacenamiento de sustancias peligrosas

Abstract

Uno de los mayores desafíos en cuanto al manejo de riesgos en las plantas de proceso es el almacenamiento de grandes cantidades de sustancias inflamables que pueden generar incendios, explosiones y proyectiles. Estos incidentes podrían convertirse en disparadores de accidentes de grandes proporciones, causando cuantiosas pérdidas humanas y materiales. Sin embargo, a pesar de la gravedad que pueden alcanzar los sucesos que afectan la integridad de los recipientes la mayoría de los códigos y prácticas recomendadas no incluye el efecto de una deflagración entre sus especificaciones de diseño. Actualmente el estudio de las explosiones y sus consecuencias es cada vez más importante para evaluar los riesgos y desarrollar formas de proteger a las personas y los bienes que puedan ser afectados. El método más preciso para la obtención del perfil de presión de una explosión es la experimentación, sin embargo, este tipo de ensayos tiene muchas limitaciones relativas a la seguridad y los costos involucrados. Por lo tanto, desde este punto de vista, la simulación computacional es un enfoque más apropiado que el método experimental. Además, la simulación puede ser utilizada para investigar más profundamente las características de carga de la explosión que afectan directamente al daño estructural, considerando una amplia gama de posibles escenarios. Con la finalidad de analizar los efectos que producen las ondas de presión originadas en una explosión sobre equipos típicos de la industria como: tanques cilíndricos atmosféricos, y recipientes horizontales a presión, se llevaron a cabo diferentes simulaciones para determinar su comportamiento hasta alcanzar el límite elástico del material (esfuerzo de fluencia). Como herramienta de análisis en este estudio se utilizó el software “Autodesk Simulation Multiphysics” de Autodesk Inc., el cual implementa la resolución utilizando el método de elementos finitos. Los perfiles de las ondas de presión generadas en la explosión fueron simuladas a partir de las ecuaciones planteadas por Larcher (2008), tomando en consideración diferentes valores de masas de TNT equivalente. Para tanques cilíndricos atmosféricos, en todos los casos estudiados se observa que los puntos donde se presentan los mayores esfuerzos coinciden con la zona del perno de sujeción más cercano al eje 90⁰-270⁰. Por otra parte, para alcanzar el esfuerzo de fluencia en recipientes a presión horizontales se requiere una explosión notablemente mayor que en el caso de los tanques atmosféricos. En los recipientes horizontales, los mayores esfuerzos están relacionados con las silletas que lo soportan. Uno de los resultados más interesante de este trabajo es el análisis de los importantes cambios de los esfuerzos al modificar el ángulo de contacto entre el recipiente y las silletas cuando incide una onda perpendicular al eje del recipiente.

One of the biggest challenges in terms of risk management in process plants is the storage of large quantities of flammable substances that can cause fires, explosions and projectiles. These incidents could trigger large-scale accidents, causing big human and material losses. However, despite the seriousness that can reach events affecting the integrity of the containers most codes and recommended practices not include the effect of deflagrations between their design specifications. Currently the study of explosions and their consequences are increasingly important for assessing risks and developing ways to protect people and assets that may be affected. v The most accurate method for obtaining pressure profile of an explosion is experimentation, however, this kind of assays have many limitations related to safety issues and costs involved. Therefore, from this point of view, computational simulation is a more appropriate approach. In addition, simulation can be used to further investigate the load characteristics of the explosion that directly affect the structural damage and may consider a wide range of possible scenarios. In order to analyse the pressure wave’s effects produced on typical industry equipment like atmospheric cylindrical tanks, and horizontal pressure vessels, several simulations were carried out to determine their behaviour when achieve material yield strength (yield stress). As a tool of analysis in this study the "Autodesk Simulation Multiphysics" software "Autodesk Inc.", which implements the resolution using the finite element method, was used. The profiles of the pressure waves generated by the blast were simulated from the equations raised by Larcher (2008), considering different values of TNT equivalent mass. For atmospheric cylindrical tanks, in all cases studied it is observed that the points where the greatest stress occurs coincide with the clamping pin area closest to the axis 90⁰-270⁰. Moreover, to achieve the yield stress in horizontal pressure vessels is required a significantly bigger explosion than in the case of atmospheric tanks. In the horizontal vessels, the greatest stress is related to the saddles that support it. One of the most interesting results of this work is the analysis of the significant changes in the stress when the contact angle between the pressure vessel and the saddles varies.