Základní typy desek nádrží v skladovacích nádržích API 650

Nádrže na ropu a LNG (API 650) se vyrábějí ze čtyř primárních typů desek: Shell, Spodní část (podlaha), Prstencový, a Střecha desky. Každá z nich plní odlišnou konstrukční roli. Plášťové desky tvoří válcovou stěnu a odolávají obručovému a axiálnímu namáhání; spodní desky tvoří dno nádrže a nesou zatížení kapalinou; prstencové desky jsou prstencové desky na spojení pláště a dna, které přenášejí zatížení do pláště; a střešní desky zakrývají nádrž pevnou kuželovou/kopulovitou střechou. Výběr a návrh každé desky musí zohledňovat požadavky na zatížení, metody svařování, toleranci koroze a dostupnost materiálu.

Plášťové desky

Plášťové desky tvoří svislé stěny nádrže. Jsou nařezány a válcovány do kurzy – vodorovné pásy, které se stohují v plné výšce. Tloušťka se vypočítá z obručového napětí v důsledku tlaku kapaliny plus korozní přídavek. Podle API 650 jsou skořepinové desky omezeny maximálně na 45mm (1,75 palce) tlustá. Pokud konstrukční napětí nebo pevnost materiálu vyžadují více než 45 mm, musí být použit materiál s vyšší pevností (ocel skupiny IV–VI). Mezi běžné materiály patří ASTM A36 nebo EN S235JR (mez kluzu ~250 MPa) pro nádrže s nižší výškou a A516 Gr 70, A537 CL2 nebo EN S355 (355 MPa) pro vyšší nebo náročnější nádrže. Plášťové desky musí být z oceli klidné a jemnozrnné, aby se daly svařit.

Výzvy a řešení: Silné plášťové desky jsou těžké a obtížně se válcují a svařují bez deformace. Výrobci často desky předohýbají a používají sekvenční svařování s řízenou teplotou mezi vrstvami, aby se zvládla deformace. Všechny svislé svary musí být rentgenovány dle API 650, oddíl 8.3; vodorovné (obvodové) svary a svary prstencových desek také vyžadují rentgenování. Oceli třídy A36 nebo podobné oceli chybí rázová houževnatost při nízkých teplotách, takže v chladném podnebí konstruktéři přecházejí na ocel zpevněnou za nízkých teplot (např. ASTM A553) nebo zajišťují rázové zkoušky. Nakonec je plášť ukotven k základu nádrže pomocí kotevních židlí přivařených k prstencové desce nebo základně pláště.

Spodní (podlahové) desky

Spodní desky tvoří dno nádrže a musí nést hydrostatické zatížení a podtlak. Celé dno nádrže obvykle pokrývá několik ocelových desek (o tloušťce 6–12 mm plus přídavek na korozi). Standardní uspořádání zahrnuje překrývající se „podlahové desky“ a těžší prstencová deska kolem okraje. Desky spočívají na betonovém základovém prstenci nebo pilotách. Spodní desky jsou svařeny do mřížky; pro plné provaření se používají čtvercové nebo zkosené tupé svary, jak vyžaduje API 650 (oddíl 5.1.5.5). Pro zachování kořenových otvorů lze použít stehované podkladové pásky (tloušťka ≥3 mm). Jmenovitá šířka obdélníkových i skicovaných plechů by měla být ≥1800 mm, pokud se s kupujícím nedohodne jinak. Požadovaná tloušťka spodních plechů je korozní tloušťka plus korozní přídavek.

Úvahy o designu: Spodní desky musí být ploché a rovné, aby se zabránilo hromadění kaluží. Jsou opatřeny těsnicími svarovými spoji s pláštěm nebo prstencovou deskou. Podle normy API 650 se tupé svary spodních desek často vedou rovnoběžně s pláštěm pro snazší lití kotev. Lze také použít šikmé vzory „rybí kost“ nebo radiální uspořádání. Nádrže mohou zahrnovat jímka kapsa uprostřed pro odvodnění.

Výzvy a řešení: Spodní plech musí odolávat pozitivnímu tlaku (hydrostatickému sloupci) a negativnímu tlaku (vakuu). Selhání vakua může způsobit zhroucení, proto konstruktéři zahrnují pojistné ventily pro vakuo a zvažují výztuže (např. kompenzační desky). Deformace při svařování se zmírňuje omezením desek a symetrickým svařováním. Kontrola kvality je zásadní: ačkoli svary střechy a dna se obvykle nekontrolují rentgenem, všechny spoje pláště a dna a podlahy se podrobují magnetoprašné nebo penetrační kontrole 100%, aby se zajistila těsnost. Dodací lhůty mohou být u velkých podlahových plechů (zejména silných prstencových kroužků) dlouhé, proto se doporučuje včasné objednání.

Prstencové desky

Prstencové desky jsou kruh desek bezprostředně uvnitř pláště nádrže ve spodní vrstvě. Přenášejí zatížení pláště do podlahy a poskytují upevňovací bod pro úhelníky základny pláště a kotevní sedadla. Podle API 650, oddíl 5.5.2, prstencové desky musí být alespoň 600mm (24široký (měřeno radiálně) od pláště k jakémukoli přeplátovanému spoji, pokud je průměr nádrže ≥ 30 m (100 stop) nebo pokud je spodní vrstva pláště navržena s použitím přípustného napětí pro materiály skupiny IV, IVA, V nebo VIV praxi konstruktéři často vyrábějí prstencové desky výrazně silnější než vnitřní podlahové desky (např. 12–16 mm místo 6–8 mm), aby zvládly vysoké obvodové síly.

Svařování a spoje: Radiální spoje s prstencovými deskami musí být tupé svary s plným průvaremPod těmito svary je povolen souvislý podkladový pás (min. 3 mm), ale svar musí být bez vad. U nádrží o průměru >30 m nebo u nádrží s vysokopevnostní plášťovou ocelí (skupina IV–VI) norma API 650 nařizuje tupo svařované prstencové desky. Menší nádrže nebo pouzdra s nízkým napětím mohou povolit přeplátované „náčrtné“ desky, ale inspektoři z důvodu bezpečnosti často preferují tupo svařovaný prstenec. Vnitřní okraj prstencového kroužku může být řezán rovně nebo polygonálně; podle definice API může vnitřní obvod tvořit pravidelný mnohoúhelník s tolika stranami, kolik desek má.

Výzvy a řešení: Protože jsou prstencové desky velké a tlusté, jsou těžké a obtížně se přepravují. Zarovnání s pláštěm na místě je zásadní. Výrobci je často svařují natupo s pláštěm v dílně nebo na začátku montáže na místě – pečlivé usazení a svařování (v případě potřeby předehřev) kontroluje příkon tepla. Prstencový kroužek je, pokud je poddimenzován nebo špatně svařen, rizikovým místem pro únik, takže mnoho inženýrů přidává na tyto spoje dodatečný korozní přídavek a důkladnou nedestruktivní kontrolu (radiografie nebo PAUT).

Střešní desky

Pevné střechy (kužely nebo kopule) zakrývají nadzemní nádrže. Střešní desky jsou kovové panely svařené dohromady a připevněné k horní úhel obrubníku na skořepině. Norma API 650 rozděluje návrh střechy do tří zatěžovacích stavů: vnitřní tlak (vzorec pro tah podle přílohy F), vnější zatížení (vzpěr podle přílohy F) a obecné zatížení (oddíl 5.10). V praxi je tloušťka střešního plechu často určena vzpěrným deformacím vlivem tíhy střechy nebo větru, nikoli vnitřním tlakem. Norma API 650 vyžaduje jmenovitou tloušťku střešního plechu ≥ 5mm (3/16v) plus přídavek na korozi. U mělkých kuželových střech se může použít ocel o tloušťce 6–10 mm; u kopulovitých střech se často používá ocel o tloušťce 8–12 mm.

Konstrukce: Střešní desky se řežou do tvaru „koláčového řezu“ (s polygonem rovným počtu desek) nebo do soustředných kruhů. Desky se svařují přeplátovanými koutovými svary nebo zkosenými tupými svary, s průběžnými koutovými svary pouze na horní straně. Desky musí být po obvodu plně podepřeny. U střech s podepřeným kuželem vyžaduje norma API 650 oddíl 5.10, aby desky nebyly přivařeny k krokvím (místo toho spočívají na nich), aby se umožnil mírný pohyb. Všechny střešní panely se připevňují k obrubníku průběžnými koutovými svary na horní straně.

Výzvy a řešení: Střešní desky jsou tenčí a často se deformují svařováním, takže stavitelé střechu sestavují na zemi po částech nebo používají zvedací rámy. Rozměrová kontrola je zásadní, aby se zabránilo vzniku mezer. Vzhledem k tomu, že svary střech mají obecně nižší namáhání, API nevyžaduje rentgenování svarů střešních desek, ale vizuální/MPI kontrola 100% je standardní. Střešní ocel je často A36 nebo podobná; vysoká pevnost je zřídka potřeba, pokud obrovské rozpětí střech nevyžaduje vyšší pevnost v vzpěru.

Materiály a specifikace desek

Norma API 650 rozděluje ocelové plechy podle přípustného napětí a použití. Mezi běžně specifikované materiály pro plechy nádrží patří:

Normy ASTM

ASTM A36 (výtěžnost 26 ksi, ~250 MPa) – Široce používaný pro plášť a dno za mírných podmínek. Je levný a široce dostupný, i když nevhodný pro chladné prostředí, pokud není testován nárazem.
ASTM A283 sk. C (také ~205–290 MPa) – Obecná konstrukční ocel, někdy používaná pro nízkotlaké nádrže.
ASTM A285 sk. C (Plech pro tlakové nádoby, 195–260 MPa) – Schváleno dle API 650, ale omezeno na tenčí profily. Tvárnější, často levnější alternativa.
ASTM A516 Sk. 70 (Plech pro nádoby se středními/nižšími teplotami, pevnost v tahu 485 MPa) – Běžný pro skořepiny/dna s vyšší pevností. Má lepší houževnatost než A36.
ASTM A537 CL.2 (deska pro tlakové nádoby, mez kluzu ~450 MPa) – Vyšší pevnost a houževnatost pro velké nádrže.
ASTM A553 (Typ 1 a 2) – Nízkoteplotní deska z uhlíku a manganu (legovaná niklem) pro kryogenní provoz. A553 Typ 1 (≈9% Ni) je specifikován v dodatku Q normy API 620 pro nádrže na LNG.

Norma EN

EN 10025 S235JR / S355JR – Evropské konstrukční oceli zhruba ekvivalentní A36 (S235JR) a A572/A656 s vyšší pevností (S355JR). Upozorňujeme, že API 650 vyžaduje pro S275/S355 oceli třídy J0 nebo J2 zkoušené rázovou rázovou silou (zkoušené při 0 °C nebo -20 °C); běžná třída „JR“ (zkoušená pouze při 20 °C) není pro silnější plechy povolena.

Standard JIS

JIS G3101 SS400 / SS490 – Japonské ekvivalentní konstrukční oceli (YS 205–245 MPa a 245–295 MPa). SS400 je slabší než A36, takže někteří konstruktéři se vyhýbají přímé náhradě, pokud se nezvětší tloušťka.

Další národní normy

Norma API 650 povoluje „uznávané národní normy“, pokud mechanické vlastnosti a chemické limity splňují kritéria pro skupiny I–VI. Často jsou například akceptovány třídy 300W/350W dle CSA G40.21 (Kanada) nebo ISO 630 S275/S355.

U všech plechů vyžaduje norma API 650, oddíl 4, klidovou (plně deoxidovanou) ocel a postup jemné zrnitosti s pečlivou kontrolou obsahu C, Mn, P, S atd. Vyšší jakostní materiály (skupiny IV–VI) často vyžadují specifické rázové zkoušky při 0 °C nebo -20 °C, a to i pro provoz při okolní teplotě, aby se zabránilo křehkému lomu v podmínkách narušení. Při výběru zahraniční oceli ověřte pomocí certifikátů z válcoven, zda složení a rázová kvalita splňují požadavky normy API 650. (Například čínská ocel SS400 může mít nižší rázovou energii než ocel A36.)

LNG vs. nádrže na ropu

Skladovací nádrže na LNG pracují při teplotě –162 °C a kladou mnohem přísnější požadavky na materiál. Konvenční desky API 650 (A36, A516 atd.) při kryogenních teplotách křehnou. Místo toho se často používají vnitřní nádrže nebo koše na LNG. Niklová ocel 9% (ASTM A553 typ 1 nebo ASTM A553M) pro vynikající houževnatost. V poslední době byly jako cenově úsporné alternativy vyvinuty oceli 7% Ni. Tyto oceli splňují kritéria Charpyho rázové houževnatosti (např. ≥34 J podélně při –196 °C pro A553T1) podle dodatku Q normy API 620. Vnější skladovací nádrže (nebo střecha a základy) mohou být vyrobeny z běžné uhlíkové oceli při okolní teplotě.

Mezi konstrukční rozdíly patří dvoustěnné nádrže s izolací a přísnější požadavky na těsnost. Pro nadzemní kryogenní nádrže je obvykle určující norma API 620 (nikoli 650), která zahrnuje i dodatek Q pro materiály. Stručně řečeno, Pro provoz LNG vždy používejte pro smáčené desky kryogenní oceli (A553, A553M nebo slitiny s vyšším obsahem niklu).Standardní oceli API 650 jsou určeny pouze pro izolovaný vnější plášť nebo sekundární kontejnment nad okolním prostředím.

Soulad s normou API 650 (2020)

Zajištění shody s normou API 650 zahrnuje dodržování pravidel pro materiály, konstrukci a výrobu uvedených v normě:
Tloušťka desky a materiálové limity: Dodržujte oddíl 4.2.1.4: maximální tloušťka skořepiny 45 mm. Použijte limity tloušťky pro jednotlivé třídy oceli uvedené v oddíle 4.2.2 (například A537 může být silnější než A516). Uveďte třídy plechů, které splňují požadované rázové zkoušky pro očekávanou provozní teplotu.
Nedestruktivní testování a svařování: Proveďte rentgenové vyšetření spojů mezi plášti a prstencových spojů dle normy 100%. Svary střech a podlah vyžadují penetrační barvivo s použitím metody MPI/barvivo 100%. Pro kvalifikaci svářečů (ASME IX), přípravu spojů a testování dodržujte normu API 650, oddíl 8.
Pravidla návrhu: Pro výpočet tloušťky skořepin a střech použijte oddíl 5 a dodatky (např. přílohu F/V). Zajistěte šířku prstencového plechu ≥600 mm. Dimenzujte spodní plechy tak, aby splňovaly limity průhybu a vzpěru. Dimenzujte vzdálenosti svarů přesahů/okrajů dle oddílů 5.1.5 a 5.5.
Dokumentace: Štítek s typovým štítkem a dokumentace nádrže musí uvádět „API 650 – dvanácté vydání“ (vydání z roku 2020 je třinácté). Uchovávejte protokoly o zkouškách válcoven pro všechny plechy (chemické, mechanické, rázové) a záznamy o svařování. V případě potřeby si nechte provést kontrolu třetí stranou, zejména u kritických spojů.
Příspěvek na korozi: Při výpočtech vždy připočítejte k tloušťce plechu odpovídající krystalickou chromatografii (často 2–5 mm), abyste zohlednili korozi a potenciální vady povrchu frézy.

Výzvy a osvědčené postupy

Kvalita a deformace svaru: Silné plechy (>10 mm) vyžadují předehřev a kontrolovanou teplotu mezi vrstvami. Pro minimalizaci deformace použijte postupné svařování nebo kontrolu smrštění. Tupé svary s plným provařením musí být provedeny bez vad. Všechny dokončené svary (zejména u plášťových a prstencových spojů) zkontrolujte nedestruktivní testováním (NDT).
Ochrana proti korozi: Zvolte pokovené materiály kompatibilní se skladovaným produktem nebo naneste nátěry (epoxidový nebo základní nátěr s obsahem zinku). Spodní desky se často setkávají s vodou nebo pevnými látkami, proto lze použít vyšší toleranci proti korozi nebo vložky odolné proti oděru.
Dostupnost materiálu a dodací lhůta: Plechy s velkým průměrem nebo extra silnými plechy jsou specializované. Naplánujte si nákup s několikaměsíčním předstihem. V případě dovozu ověřte standardy kvality (např. nepředpokládejte, že SS400 se rovná A36). Spolupracujte s dodavateli, abyste zajistili, že certifikace splňují požadavky API.
Pořadí výstavby: Prstencový kroužek nainstalujte včas a použijte silnou podpěru nebo dočasné výztuhy k udržení vyrovnání skořepiny. Během montáže skořepiny použijte zavětrovací nosník (lešenářský kroužek), aby se zachoval kruhový tvar. Pokud je to možné, smontujte střešní panely předem na zemi a poté je zvedněte na hotovou skořepinu.
Úpravy pole: Odchylky na místě (např. sedání základů nebo mírné nesouosost) by měly být vyrovnány podložkami, drážkovanými kotevními šrouby nebo přírubovými řezy, nikoli válcováním desek. Před konečným svařováním ověřte rovinnost spodních desek, abyste zajistili vodotěsnost.

Závěr

Díky pochopení role každého typu plechu a dodržování pravidel API 650 mohou týmy EPC/EPCM navrhovat a stavět bezpečné a kompatibilní nádrže. Správný výběr materiálu (od A36 do A553), pečlivý svářečský postup a pozornost k detailům předpisů (šířka plechu a kvalita svaru) jsou nezbytné pro odolné nádrže na ropu a LNG. Pokud máte poptávku na ocelové plechy pro projekty lodních nádrží, neváhejte nás kontaktovat na adrese [email protected] pro konkurenceschopnou a profesionální cenovou nabídku!