Olennaiset säiliölevytyypit API 650 -säiliöissä

Öljy- ja LNG-säiliöt (API 650) rakennetaan neljästä päälevytyypistä: Kuori, Pohja (lattia), Rengasmainen, ja Katto levyt. Jokaisella on oma rakenteellinen tehtävänsä. Kuorilevyt muodostavat sylinterimäisen seinämän ja vastustavat vanne- ja aksiaalijännityksiä; pohjalevyt muodostavat säiliön pohjan ja tukevat nestekuormaa; rengasmaiset levyt ovat renkaanmuotoisia levyjä kuoren ja lattian liitoskohdassa, jotka siirtävät kuormat kuoreen; ja kattolevyt peittävät säiliön kiinteällä kartiomaisella/kupolimaisella katolla. Kunkin levyn valinnassa ja suunnittelussa on otettava huomioon kuormitusvaatimukset, hitsausmenetelmät, korroosiovara ja materiaalien saatavuus.

Kuorilevyt

Säiliön pystysuorat seinät muodostavat kuorilevyt. Ne leikataan ja valssataan kurssit – vaakasuorat nauhat, jotka pinoutuvat täyteen korkeuteen. Paksuus lasketaan nestepaineen aiheuttamasta rengasjännityksestä ja korroosiovarasta. API 650 -standardin mukaan kuorilevyjen enimmäiskoko on 45mm (1,75 tuumaa) paksu. Jos suunnittelujännitykset tai materiaalin lujuus vaativat yli 45 mm, on käytettävä lujempaa materiaalia (ryhmän IV–VI terästä). Yleisiä materiaaleja ovat ASTM A36 tai EN S235JR (myötö ~250 MPa) matalammille säiliöille ja A516 Gr 70, A537 CL2 tai EN S355 (355 MPa) korkeammille tai vaativammille säiliöille. Vaippalevyjen on oltava terästiivistettyjä ja hienorakeisia hitsattavuuden varmistamiseksi.

Haasteet ja ratkaisut: Paksut kuorilevyt ovat raskaita ja niitä on vaikea valssata ja hitsata ilman muodonmuutoksia. Valmistajat usein taivuttavat levyjä etukäteen ja käyttävät sekvenssihitsausta kontrolloidulla palkojen välisellä lämpötilalla muodonmuutosten hallitsemiseksi. Kaikki pystysuorat hitsaussaumat on röntgenkuvattava API 650:n kohdan 8.3 mukaisesti; vaakasuorat (kehän suuntaiset) hitsit ja rengasmaiset levyhitsaukset vaativat myös röntgenkuvauksen. Laadun A36 tai vastaavien terästen iskusitkeys on heikko matalissa lämpötiloissa, joten kylmissä ilmastoissa suunnittelijat siirtyvät matalassa lämpötilassa karkaistuun teräkseen (esim. ASTM A553) tai varmistavat iskukokeen. Lopuksi kuori ankkuroidaan säiliön perustukseen rengasmaiseen levyyn tai kuoren pohjaan hitsattujen ankkurituolejen avulla.

Pohjalevyt (lattialevyt)

Pohjalevyt muodostavat säiliön pohjan ja niiden on kestettävä hydrostaattinen kuormitus ja alipainetapahtumat. Useat teräslevyt (6–12 mm paksut plus korroosiovara) peittävät tyypillisesti koko säiliön pohjan. Vakioasetteluihin kuuluvat päällekkäiset "pohjalevyt" ja painavampi... rengasmainen levy reunan ympäri. Levyt lepäävät betonisen perustusrenkaan tai paalujen päällä. Pohjalevyt hitsataan yhteen ruudukoksi; neliömäisiä tai viisteurahitsejä käytetään täydellisen tunkeutumisen saavuttamiseksi API 650:n (kohta 5.1.5.5) vaatimusten mukaisesti. Juuriaukkojen ylläpitämiseen voidaan käyttää sinkilähitsattuja tukilistoja (paksuus ≥3 mm). Sekä suorakaiteen muotoisten että luonnoslevyjen nimellisleveyden tulee olla ≥1800 mm, ellei ostajan kanssa ole toisin sovittu. Pohjalevyjen vaadittu paksuus on korrodoitu paksuus plus korroosiovara.

Suunnitteluun liittyvät näkökohdat: Pohjalevyjen on oltava tasaisia ja vaakasuorassa lammikoitumisen välttämiseksi. Ne on hitsattu tiivistehitsauksilla kuoreen tai rengasmaiseen levyyn. API 650:n mukaan pohjalevyjen hitsausliitokset on usein asetettu kuoren suuntaisesti ankkurin helpottamiseksi. Voidaan käyttää myös kaltevia "kalanruotokuvioita" tai säteittäisiä asetteluja. Säiliöissä voi olla öljypohja keskellä tasku tyhjennystä varten.

Haasteet ja ratkaisut: Pohjalevyjen on kestettävä sekä ylipainetta (hydrostaattinen paine) että alipainetta (tyhjiö). Peruuttunut alipaine voi aiheuttaa romahduksen, joten suunnittelijat sisällyttävät alipaineventtiilejä ja harkitsevat raudoitusta (esim. kompensointilevyjä). Hitsausvääristymiä lievennetään kiinnittämällä levyjä ja hitsaamalla symmetrisesti. Laadunvalvonta on ratkaisevan tärkeää: vaikka katon ja pohjan hitsaussaumoja ei yleensä röntgenkuvata, kaikkiin kuoren ja pohjan liitoksiin sekä lattialiitoksiin tehdään 100%-magneettijauhe- tai tunkeumatarkastus tiiveyden varmistamiseksi. Suurten lattialevyjen (erityisesti paksujen rengasmaisten levyjen) toimitusajat voivat olla pitkiä, joten varhainen hankinta on suositeltavaa.

Rengasmaiset levyt

Rengaslevyt ovat levyjen muodostama rengasrakenne välittömästi säiliön rungon sisällä pohjakerroksessa. Ne siirtävät säiliön kuormat lattiaan ja tarjoavat kiinnityspisteen säiliön pohjakulmille ja ankkurituoleille. API 650, kohta 5.5.2, rengaslevyt on oltava vähintään 600mm (24leveä (mitattuna säteittäisesti) kuoresta mihin tahansa limitysliitokseen, kun säiliön halkaisija on ≥ 30 m (100 jalkaa) tai kun pohjakuoren kerros on suunniteltu käyttämällä ryhmän IV, IVA, V tai VI materiaalien sallittua jännitystäKäytännössä suunnittelijat tekevät rengasmaisista levyistä usein huomattavasti paksumpia kuin sisäpohjalevyistä (esim. 12–16 mm 6–8 mm:n sijaan) suurten kehävoimien kestämiseksi.

Hitsaus ja liitokset: Rengaslevyiset radiaaliliitokset on oltava täysin läpihitsattuja puskuhitsauksiaNäiden hitsien alle sallitaan jatkuva taustanauha (vähintään 3 mm), mutta hitsin on oltava virheetön. Yli 30 metrin halkaisijaltaan oleville säiliöille tai erittäin lujaa teräskuoria (ryhmä IV–VI) käytettäessä API 650 edellyttää hitsattuja rengasmaisia levyjä. Pienemmissä säiliöissä tai matalajännitysisissä koteloissa voidaan sallia limihitsatut "luonnoslevyt", mutta tarkastajat usein suosivat hitsattua rengasta turvallisuuden vuoksi. Rengasmaisen renkaan sisäreuna voi olla leikattu suoraksi tai monikulmaiseksi; API-määritelmän mukaan sisäkehä voi muodostaa säännöllisen monikulmion, jossa on yhtä monta sivua kuin levyillä.

Haasteet ja ratkaisut: Koska rengasmaiset levyt ovat suuria ja paksuja, ne ovat painavia ja vaikeita kuljettaa. Paikan päällä tapahtuva kohdistus kuoreen on kriittistä. Valmistajat usein hitsaavat ne kuoreen hitsauksella joko työpajassa tai asennuksen alkuvaiheessa – huolellinen sovitus ja hitsaus (tarvittaessa esilämmitys) varmistavat lämmöntuonnin hallinnan. Rengasmainen rengas on vuotoriskin riskialue, jos se on liian pieni tai hitsattu huonosti, joten monet insinöörit lisäävät näihin liitoksiin ylimääräisen korroosiovaran ja perusteellisen NDE-testauksen (radiografia tai PAUT).

Kattolevyt

Kiinteät katot (kartiot tai kupolit) peittävät maanpäällisiä säiliöitä. Kattolevyt ovat metallilevyjä, jotka on hitsattu yhteen ja kiinnitetty... yläreunan kulma kuoren päällä. API 650 jakaa kattosuunnittelun kolmeen kuormitustapaukseen: sisäinen paine (liitteen F vetokaava), ulkoiset kuormat (liitteen F nurjahdus) ja yleiset kuormat (luku 5.10). Käytännössä kattolevyn paksuus määräytyy usein katon painon tai tuulen aiheuttaman nurjahduksen mukaan, ei sisäisen paineen mukaan. API 650 vaatii nimellisen kattolevyn paksuuden ≥ 5mm (3/16sisään) plus korroosiovara. Loivissa kartiokatoissa voidaan käyttää 6–10 mm terästä; kupolikatoissa käytetään usein 8–12 mm.

Rakenne: Kattolevyt leikataan "piirakkakuvioon" (monikulmio on yhtä suuri kuin levyjen lukumäärä) tai samankeskisiksi renkaiksi. Levyt hitsataan yhteen limipienahitseillä tai viistehitseillä, ja jatkuvat pienahitsejä on vain yläpuolella. Levyjen on oltava täysin tuettuja reunoista. Tuettujen kartiokattojen osalta API 650 Osa 5.10 vaatii, että levyjä ei hitsata kattoparruihin (ne lepäävät niiden päällä), jotta pieni liike sallitaan. Kaikki kattopaneelit kiinnitetään reunakulmaan jatkuvilla yläpuolen pienahitseillä.

Haasteet ja ratkaisut: Kattolevyt ovat ohuempia ja usein muuttavat muotoaan hitsauksessa, joten rakentajat valmistavat katon maan pinnalle osissa tai käyttävät nostokehyksiä. Mittatarkkuus on ratkaisevan tärkeää rakojen välttämiseksi. Koska kattohitseillä on yleensä pienempi jännitys, API ei vaadi kattolevyjen hitsien radiografiaa, mutta 100%-visuaalinen/MPI-tarkastus on vakiona. Kattoteräs on usein A36-terästä tai vastaavaa; suurta lujuutta tarvitaan harvoin, elleivät suuret kattojännevälit vaadi suurempaa lommahduslujuutta.

Levymateriaalit ja tekniset tiedot

API 650 ryhmittelee levyteräkset sallitun jännityksen ja käyttötarkoituksen mukaan. Yleisesti määriteltyjä säiliölevymateriaaleja ovat:

ASTM-standardit

ASTM A36 (26 ksi saanto, ~250 MPa) – Käytetään laajalti kuoren ja pohjan pinnoitteeseen kohtuullisissa olosuhteissa. Se on edullinen ja laajalti saatavilla, vaikkakaan ei sovellu kylmiin ympäristöihin, ellei sitä ole testattu iskunkestäväksi.
ASTM A283 luokka C (myös ~205–290 MPa) – Yleinen rakenneteräs, jota joskus käytetään matalien säiliöiden valmistuksessa.
ASTM A285 luokka C (Paineastioiden levy, 195–260 MPa) – API 650 -hyväksytty, mutta rajoitettu ohuempiin osiin. Sitkeämpi, usein edullisempi vaihtoehto.
ASTM A516 luokka 70 (Levy keski-/alhaisen lämpötilan astioille, vetolujuus 485 MPa) – Yleinen lujemmille kuorille/pohjille. Sitkeys parempi kuin A36:lla.
ASTM A537 luokka 2 (paineastian levy, ~450 MPa:n saanto) – Suurempi lujuus ja sitkeys suurille säiliöille.
ASTM A553 (Tyypit 1 ja 2) – Matalan lämpötilan hiili-mangaanilevy (nikkeliseostettu) kryogeeniseen käyttöön. A553 tyyppi 1 (≈9% Ni) on määritelty API 620 -standardin liitteessä Q LNG-säiliöille.

EN-standardi

EN 10025 S235JR / S355JR – Eurooppalaiset rakenneteräkset, jotka vastaavat suunnilleen A36:ta (S235JR) ja lujempaa A572/A656:ta (S355JR). Huomaa, että API 650 vaatii S275/S355:lle J0- tai J2-iskukoeteräksiä (testattu 0 °C:ssa tai -20 °C:ssa); tavallista ”JR”-laatua (testattu vain 20 °C:ssa) ei sallita paksummille levyille.

JIS-standardi

JIS G3101 SS400 / SS490 – Japanilaiset vastaavat rakenneteräkset (YS 205–245 MPa ja 245–295 MPa). SS400 on heikompaa kuin A36, joten jotkut suunnittelijat välttävät suoraa korvaamista, ellei paksuutta lisätä.

Muut kansalliset standardit

API 650 sallii "tunnustetut kansalliset standardit", jos mekaaniset ominaisuudet ja kemialliset raja-arvot täyttävät sen ryhmien I–VI kriteerit. Esimerkiksi CSA G40.21 (Kanada) -luokat 300W/350W tai ISO 630 S275/S355 ovat usein hyväksyttyjä.

Kaikkien levyjen osalta API 650 -standardin 4 osassa vaaditaan teräksen täydellistä hapettumisenestoa ja hienorakeista käsittelyä, jossa hiili-, mangaani-, fosfori- ja sorapitoisuuksia jne. on hallittava huolellisesti. Korkeamman laatuluokan materiaalit (ryhmät IV–VI) vaativat usein erityisiä iskukokeita 0 °C:ssa tai -20 °C:ssa, jopa huoneenlämpötilassa, haurasmurtuman välttämiseksi häiriöolosuhteissa. Ulkomaista terästä valittaessa on varmistettava valssauskoetodistusten avulla, että koostumus ja iskukestävyys täyttävät API 650 -vaatimukset. (Esimerkiksi kiinalaisella SS400-teräksellä voi olla alhaisempi iskuenergia kuin A36-teräksellä.)

LNG vs. raakaöljysäiliöt

LNG-säiliöt toimivat –162 °C:ssa ja niille asetetaan paljon tiukemmat materiaalivaatimukset. Perinteiset API 650 -levyt (A36, A516 jne.) haurastuvat kryogeenisissä lämpötiloissa. Sen sijaan LNG:n sisäsäiliöissä tai -koreissa käytetään usein 9% Ni-teräs (ASTM A553 Type 1 tai ASTM A553M) erinomaisen sitkeyden takaamiseksi. Viime aikoina on kehitetty 7% Ni -teräksiä kustannussäästövaihtoehdoiksi. Nämä teräkset täyttävät Charpyn iskusitkeyskriteerit (esim. ≥34 J pitkittäissuunnassa –196 °C:ssa A553T1:lle) API 620 -liitteen Q mukaisesti. Ulkosäiliöissä (tai katoissa ja perustuksissa) voidaan käyttää tavallista hiiliterästä ympäristön lämpötiloissa.

Suunnittelueroihin kuuluvat eristetyissä kaksoisseinäisissä säiliöissä käytetyt tiukemmat tiiviysvaatimukset. API 620 (ei 650) on yleensä maanpäällisten kryogeenisten säiliöiden määräävä standardi, johon sisältyy liite Q materiaaleille. Yhteenvetona voidaan todeta, että LNG-palvelussa käytä aina kryogeenisiä teräksiä (A553, A553M tai korkeamman nikkelipitoisuuden omaavia seoksia) kostutetuille levyille; standardin API 650 -teräksiä käytetään vain eristettyyn ulkokuoreen tai ympäristön lämpötilan yläpuolella olevaan toissijaiseen suojarakenteeseen.

Yhteensopivuus API 650 (2020) -standardin kanssa

API 650 -standardin noudattamisen varmistaminen edellyttää koodin materiaali-, suunnittelu- ja valmistussääntöjen noudattamista:
Levyn paksuus ja materiaalirajoitukset: Noudata kohtaa 4.2.1.4: kuoren enimmäispaksuus 45 mm. Käytä kohdan 4.2.2 paksuusrajoituksia laatuluokittain (esimerkiksi A537 voi olla paksumpi kuin A516). Määritä levyluokat, jotka täyttävät odotettavissa olevan käyttölämpötilan edellyttämät iskukokeet.
NDE ja hitsaus: Suorita 100%-röntgenkuvaus kuori-kuori- ja rengasmaisille liitoksille. Katto- ja lattiahitsauksissa tarvitaan 100% MPI/väriainetunkeuma-ainetta. Noudata API 650:n osiota 8 hitsaajan pätevöinnin (ASME IX), liitosten valmistelun ja testauksen osalta.
Suunnittelusäännöt: Laske kuorien ja kattojen paksuus luvun 5 ja liitteiden (esim. liite F/V) mukaisesti. Varmista, että rengasmaisen levyn leveys on ≥600 mm. Mitoita pohjalevyt taipuma- ja nurjahdusrajojen mukaisesti. Mitoita hitsausliitosten limitys-/reunaetäisyydet kohtien 5.1.5 ja 5.5 mukaisesti.
Dokumentaatio: Säiliön tyyppikilvessä ja dokumentaatiossa on oltava maininta ”API 650 – kahdestoista painos” (vuoden 2020 painos on 13.). Säilytä kaikkien levyjen (kemialliset, mekaaniset, iskunkestävät) tehdastestausraportit ja hitsaustiedot. Hanki tarvittaessa kolmannen osapuolen tarkastus, erityisesti kriittisten liitosten osalta.
Korroosiovara: Lisää laskelmissa aina levynpaksuuteen sopiva kromikerroin (usein 2–5 mm) korroosion ja mahdollisten valssipinnan virheiden varalta.

Haasteet ja parhaat käytännöt

Hitsauksen laatu ja vääristymät: Paksut levyt (>10 mm) vaativat esilämmityksen ja kontrolloidun palkojen välisen lämpötilan. Käytä sarjahitsausta tai kutistumisenestoa käyristymisen minimoimiseksi. Täysin tunkeutuvien päittäishitsien on oltava virheettömiä. Tarkasta kaikki valmiit hitsit (erityisesti kuori- ja rengasmaiset liitokset) NDT-menetelmällä.
Korroosionestosuojaus: Valitse varastoidun tuotteen kanssa yhteensopivia pinnoitettuja materiaaleja tai käytä pinnoitteita (epoksi- tai sinkkipitoista pohjamaalia). Pohjalevyihin tulee usein vettä tai kiinteitä aineita, joten voidaan käyttää suurempaa korroosiovaraa tai kulutusta kestäviä vuorauksia.
Materiaalin saatavuus ja toimitusaika: Suuret halkaisijaltaan olevat tai erittäin paksut levyt ovat erikoistuotteita. Suunnittele hankinta kuukausia etukäteen. Jos tuot tuotteita, tarkista laatustandardit (älä esim. oleta, että SS400 vastaa A36:ta). Tee yhteistyötä toimittajien kanssa varmistaaksesi, että sertifioinnit täyttävät API-vaatimukset.
Rakentamisen järjestys: Asenna rengasmainen rakenne ajoissa käyttäen vahvaa selkänojaa tai väliaikaisia tukia rungon kohdistuksen varmistamiseksi. Käytä tuulipalkkia (rakennustelinemäistä rengasta) rungon pystytyksen aikana pyöreän muodon säilyttämiseksi. Kokoa kattopaneelit mahdollisuuksien mukaan etukäteen maahan ja nosta ne sitten valmiin rungon päälle.
Kenttäsäädöt: Työmaalla esiintyvät poikkeamat (esim. perustuksen painumat tai pienet linjausvirheet) on tasattava säätölevyillä, uritetuilla ankkuripulteilla tai laippaleikkauksilla, ei levyjen uudelleenvalssaamisella. Tarkista pohjalevyjen tasaisuus ennen lopullista hitsausta vesitiiviyden varmistamiseksi.

Johtopäätös

Ymmärtämällä kunkin levytyypin roolin ja noudattamalla API 650 -sääntöjä EPC/EPCM-tiimit voivat suunnitella ja rakentaa turvallisia ja vaatimustenmukaisia säiliöitä. Oikea materiaalivalinta (A36:sta A553:een), huolellinen hitsauskäytäntö ja määräysten (levyn leveys ja hitsin laatu) huomioiminen ovat olennaisia kestävien raakaöljy- ja LNG-säiliöiden kannalta. Jos sinulla on teräslevytarjouspyyntöjä merisäiliöprojekteihin, älä epäröi ottaa meihin yhteyttä osoitteessa [email protected] kilpailukykyiseen ja ammattitaitoiseen tarjoukseen!