Análisis experimental y numérico de estanques de almacenamiento de combustible con diversas tecnologías de ventilación sometidos a deflagraciones internas

Abstract

Se realizó un estudio experimental y numérico en estanques de almacenamiento de combustible a pequeña escala sometidos a deflagraciones causadas por explosiones de mezclas de metano-aire. Se investigaron tres tecnologías para una despresurización eficiente a través del techo del estanque. La ventilación rápida a través del techo permite mitigar la sobrepresión generada dentro de los estanques, evitando otros daños catastróficos, como la falla en la unión entre el manto y el fondo. En primer lugar, se examinó un estanque a pequeña escala con un techo frangible; su activación se desencadenó debido a la falla local de las soldaduras alrededor del perímetro del techo en la unión entre la placa del techo y el manto. El segundo estanque considera una estrategia de ventilación secuencial lograda mediante una puerta con bisagras ubicada en la interfaz entre el techo y manto, seguida de la falla del techo a través de las soldaduras perimetrales. Esta estrategia de ventilación secuencial se adapta a la intensidad de la explosión, donde las explosiones de baja y mediana intensidad pueden mitigarse utilizando la pequeña abertura, evitando que todo el techo se desprenda. Como resultado, la operación puede recuperarse rápidamente volviendo a cerrar la pequeña abertura. En el caso de explosiones de gas devastadoras, la apertura de la abertura desencadena una activación anticipada del techo frangible y permite controlar la dirección en la que se abre el techo. Por último, se estudió un estanque con salidas de explosión comerciales como alternativa a los techos frangibles tradicionales, que pueden emplearse en estanques existentes sin un techo frangible. Se realizaron simulaciones estáticas y dinámicas en LS-DYNA para validar y comparar los resultados experimentales de todos los estanques de almacenamiento de combustible analizados. Las simulaciones revelaron que el colapso plástico del anillo de compresión puede retrasarse si ocurre una sobrepresión rápida. La alta ductilidad del acero puede retrasar la falla plástica, lo que significa que la presión puede superar significativamente la presión que desencadena el colapso plástico del anillo de compresión cuando se asume que la presión interna es estática. Además, la falla de la unión entre el techo y el manto puede atribuirse a la falla frágil de sus soldaduras, que parece explicarse por la deformación plástica local asociada con la base de la placa del techo. Como resultado, se sugiere emplear un criterio de falla de soldadura para evaluar la presión de activación del techo frangible de los estanques de almacenamiento de combustible sometidos a deflagraciones internas de gas.

An experimental and numerical study was conducted on small-scale fuel storage tanks subjected to deflagrations caused by methane-air mixtures' explosions. Three technologies were investigated for efficient depressurization through the tank's roof. Rapid ventilation through the roof allows for mitigating the overpressure generated inside the tanks, preventing other catastrophic damage, such as shell-to-bottom joint failure. First, a small-scale tank with a frangible roof was examined; its activation was triggered due to the local failure of stitch welds allocated around the roof perimeter at the junction between the roof plate and the top angle. The second tank considers a sequential ventilation strategy achieved using a hinged door positioned at the interface between the roof and the top angle, followed by the roof failure through perimeter stitch welds. This sequential ventilation strategy adapts to the explosion intensity, where low- and medium-intensity explosions can be mitigated using the small vent, preventing the entire roof from detaching. As a result, the operation can be rapidly recovered by reclosing the small vent. In the case of devastating gas explosions, the vent's opening triggers an earlier activation of the frangible roof and allows control of the direction where the roof is opened. Lastly, a tank with commercial explosion vents was studied as an alternative to traditional frangible roofs, that can be employed for existing tanks without a frangible roof. Static and dynamic simulations in LS-DYNA were performed to validate and compare the experimental results for all the analyzed fuel storage tanks. Simulations revealed that the plastic collapse of the compression ring can be delayed if a fast overpressure occurs. The steel's high ductility can delay the plastic failure, meaning that the pressure can significantly exceed the pressure that triggers the compression ring's plastic collapse when the internal pressure is assumed to be static. Furthermore, the failure of the roof-to-shell junction can be attributed to the brittle failure of its welds, which seems to be explained by the local plastic strain associated with the roof plate metal base. As a result, it is suggested to employ a weld failure criterion to evaluate the frangible roof activation pressure of fuel storage tanks subjected to internal gas deflagrations.