Types de plaques de réservoir essentielles dans les réservoirs de stockage API 650

Les réservoirs de stockage de pétrole et de GNL (API 650) sont construits à partir de quatre types de plaques primaires : Coquille, Bas (plancher), Annulaire, et Toit Plaques. Chacune joue un rôle structurel distinct. Les plaques de coque forment la paroi cylindrique et résistent aux contraintes circonférentielles et axiales ; les plaques de fond forment le plancher du réservoir et supportent la charge liquide ; les plaques annulaires sont les plaques annulaires à la jonction coque-plancher qui transmettent les charges à la coque ; et les plaques de toit recouvrent le réservoir d'un toit conique/dôme fixe. Le choix et la conception de chaque plaque doivent tenir compte des contraintes de charge, des méthodes de soudage, de la tolérance à la corrosion et de la disponibilité des matériaux.

Plaques de coquille

Les plaques de coque forment les parois verticales du réservoir. Elles sont découpées et laminées cours – bandes horizontales superposées sur toute la hauteur. L'épaisseur est calculée à partir de la contrainte circonférentielle due à la charge liquide, majorée de la surépaisseur de corrosion. Selon la norme API 650, les plaques de coque sont limitées à un maximum de 45mm (1,75 po) d'épaisseur. Si les contraintes de conception ou la résistance du matériau exigent plus de 45 mm, un matériau plus résistant (acier des groupes IV-VI) doit être utilisé. Les matériaux courants incluent l'ASTM A36 ou l'EN S235JR (élasticité d'environ 250 MPa) pour les réservoirs de faible hauteur, et l'A516 Gr 70, l'A537 CL2 ou l'EN S355 (355 MPa) pour les réservoirs plus hauts ou plus exigeants. Les tôles de coque doivent être calmées et à grains fins pour être soudables.

Défis et solutions : Les tôles de coque épaisses sont lourdes et difficiles à laminer et à souder sans déformation. Les fabricants précintrent souvent les tôles et utilisent le soudage séquentiel avec température entre passes contrôlée pour gérer la déformation. Tous les cordons de soudure verticaux doivent être radiographiés conformément à la norme API 650 Sec. 8.3 ; les soudures horizontales (circonférentielles) et les soudures de plaques annulaires nécessitent également une radiographie. Les aciers de nuance A36 ou similaires manquent de ténacité aux chocs à basse température ; par conséquent, dans les climats froids, les concepteurs optent pour un acier trempé à basse température (par exemple, ASTM A553) ou effectuent des essais de résistance aux chocs. Enfin, la coque est ancrée à la fondation du réservoir par des supports d'ancrage soudés à la plaque annulaire ou à la base de la coque.

Plaques inférieures (de plancher)

Les plaques de fond constituent le plancher du réservoir et doivent supporter la charge hydrostatique et les vides. Plusieurs plaques d'acier (de 6 à 12 mm d'épaisseur, plus la surépaisseur de corrosion) recouvrent généralement l'intégralité du fond du réservoir. Les configurations standard incluent des plaques de plancher superposées et une plaque plus lourde. plaque annulaire Sur le pourtour. Les plaques reposent sur un anneau de fondation en béton ou sur des pilotis. Les plaques inférieures sont soudées entre elles selon une grille ; des soudures bout à bout à rainures carrées ou biseautées sont utilisées pour une pénétration complète, conformément à la norme API 650 (section 5.1.5.5). Des bandes de support soudées par points (≥ 3 mm d'épaisseur) peuvent être utilisées pour maintenir les ouvertures de fondation. La largeur nominale des plaques rectangulaires et des plaques d'esquisse doit être ≥ 1 800 mm, sauf accord contraire de l'acheteur. L'épaisseur requise des plaques inférieures correspond à l'épaisseur corrodée, majorée de la surépaisseur de corrosion.

Considérations de conception : Les plaques de fond doivent être planes et de niveau pour éviter la formation de flaques. Elles sont munies de soudures d'étanchéité sur la coque ou la plaque annulaire. Selon la norme API 650, les soudures bout à bout des plaques de fond sont souvent disposées parallèlement à la coque pour faciliter le coulage de l'ancre. Des motifs en chevrons inclinés ou des dispositions radiales peuvent également être utilisés. Les réservoirs peuvent comprendre un puisard poche au centre pour le drainage.

Défis et solutions : Le revêtement de fond doit résister à la pression positive (charge hydrostatique) et à la pression négative (vide). Un vide insuffisant peut provoquer un effondrement ; les concepteurs prévoient donc des soupapes de décharge et envisagent des renforts (par exemple, des plaques de compensation). La déformation des soudures est atténuée par le maintien des plaques et un soudage symétrique. Le contrôle qualité est crucial : si les soudures de toit et de fond ne sont généralement pas radiographiées, toutes les connexions coque-fond et les joints de plancher sont soumis à un contrôle 100% par magnétoscopie ou par ressuage pour garantir l'étanchéité. Les délais de livraison peuvent être longs pour les plaques de plancher de grandes dimensions (en particulier les anneaux épais ; il est donc conseillé de s'approvisionner rapidement).

Plaques annulaires

Les plaques annulaires sont un anneau de plaques situé immédiatement à l'intérieur de la coque du réservoir, au niveau de la partie inférieure. Elles transfèrent les charges de la coque vers le plancher, offrant un point de fixation pour les cornières de base et les sièges d'ancrage de la coque. Conformément à la norme API 650, section 5.5.2, les plaques annulaires doit être d'au moins 600mm (24en) large (mesurée radialement) de la coque à tout joint à recouvrement lorsque le diamètre du réservoir ≥ 30 m (100 pi) ou lorsque la couche inférieure de la coque est conçue en utilisant la contrainte admissible pour les matériaux des groupes IV, IVA, V ou VIDans la pratique, les concepteurs fabriquent souvent des plaques annulaires beaucoup plus épaisses que les plaques de plancher intérieures (par exemple, 12 à 16 mm au lieu de 6 à 8 mm) pour gérer les forces circonférentielles élevées.

Soudures et joints : Joints radiaux à plaques annulaires doivent être des soudures bout à bout à pénétration complèteUne bande de renfort continue (3 mm minimum) est autorisée sous ces soudures, mais la soudure doit être impeccable. Pour les réservoirs de plus de 30 m de diamètre ou utilisant un acier de coque à haute résistance (groupes IV-VI), la norme API 650 impose des plaques annulaires soudées bout à bout. Les réservoirs plus petits ou les cuves à faibles contraintes peuvent autoriser des plaques « esquisse » soudées par recouvrement, mais les inspecteurs préfèrent souvent la bague soudée bout à bout pour des raisons de sécurité. Le bord intérieur de la bague annulaire peut être coupé droit ou polygonal ; selon la définition de l'API, la circonférence intérieure peut former un polygone régulier ayant autant de côtés que de plaques.

Défis et solutions : Les plaques annulaires étant grandes et épaisses, elles sont lourdes et difficiles à transporter. Leur alignement sur site avec la coque est crucial. Les fabricants les soudent souvent bout à bout à la coque en atelier ou dès le début du montage sur site. Un montage et un soudage soignés (préchauffage si nécessaire) permettent de contrôler l'apport de chaleur. La bague annulaire présente un risque de fuite important si elle est sous-dimensionnée ou mal soudée. C'est pourquoi de nombreux ingénieurs ajoutent une surépaisseur de corrosion supplémentaire et effectuent des CND (radiographie ou autotest de performance) approfondis sur ces joints.

Plaques de toit

Les toits fixes (cônes ou dômes) recouvrent les réservoirs hors sol. Les plaques de toit sont des panneaux métalliques soudés entre eux et fixés à un angle de bordure supérieur Sur la coque. La norme API 650 divise la conception des toitures en trois cas de charge : pression interne (formule de tension de l'annexe F), charges externes (flambage de l'annexe F) et charges générales (section 5.10). En pratique, l'épaisseur des tôles de toiture est souvent déterminée par le flambage sous le poids du toit ou du vent, et non par la pression interne. La norme API 650 exige une épaisseur nominale de tôle de toiture. ≥ 5mm (3/16dans) plus une marge de corrosion. Les toits coniques peu profonds peuvent utiliser de l'acier de 6 à 10 mm ; les toits en dôme utilisent souvent de l'acier de 8 à 12 mm.

Construction: Les tôles de toiture sont découpées en « tarte » (avec un polygone égal au nombre de tôles) ou en anneaux concentriques. Les tôles sont soudées entre elles par des soudures d'angle à recouvrement ou des soudures bout à bout en biseau, avec des soudures d'angle continues sur la face supérieure uniquement. Les tôles doivent être entièrement supportées sur leur périmètre. Pour les toitures à cône supporté, la norme API 650 Sec. 5.10 exige que les tôles ne soient pas soudées aux chevrons (elles reposent sur eux), afin de permettre un léger mouvement. Tous les panneaux de toiture sont fixés à la cornière de bordure par des soudures d'angle continues sur la face supérieure.

Défis et solutions : Les tôles de toiture sont plus fines et souvent déformées par le soudage. Les constructeurs fabriquent donc la toiture au sol en sections ou utilisent des cadres de levage. Le contrôle dimensionnel est essentiel pour éviter les jeux. Les soudures de toiture étant généralement moins sollicitées, l'API n'exige pas de radiographie des soudures des tôles de toiture, mais l'inspection visuelle/MPI 100% est standard. L'acier de toiture est souvent de type A36 ou similaire ; une résistance élevée est rarement nécessaire, sauf si les grandes portées de toiture nécessitent une résistance au flambage plus élevée.

Matériaux et spécifications des plaques

L'API 650 classe les tôles d'acier selon la contrainte admissible et l'application. Les matériaux couramment utilisés pour les tôles de réservoir sont :

Normes ASTM

ASTMA36 (élasticité de 26 ksi, ~250 MPa) – Largement utilisé pour la coque et le fond dans des conditions modérées. Il est peu coûteux et largement disponible, mais inadapté aux environnements froids, sauf essai de résistance aux chocs.
ASTM A283 Gr. C (également ~205–290 MPa) – Un acier de construction général parfois utilisé pour les réservoirs de faible hauteur.
ASTM A285 Gr. C (Plaque pour récipients sous pression, 195–260 MPa) – Approuvée par la norme API 650, mais limitée aux sections plus fines. Plus ductile, elle constitue souvent une alternative moins coûteuse.
ASTM A516 Gr. 70 (Plaque pour récipients à température modérée/basse, résistance à la traction : 485 MPa) – Couramment utilisée pour les coques et fonds à haute résistance. Sa ténacité est supérieure à celle de l'A36.
ASTM A537 CL.2 (plaque de récipient sous pression, rendement d'environ 450 MPa) – Résistance et ténacité supérieures pour les grands réservoirs.
ASTM A553 (Types 1 et 2) – Plaque carbone-manganèse basse température (alliage nickel) pour service cryogénique. L'A553 Type 1 (≈9% Ni) est spécifié dans l'annexe Q de la norme API 620 pour les réservoirs de GNL.

Norme EN

EN 10025 S235JR / S355JR – Aciers de construction européens à peu près équivalents à l'A36 (S235JR) et à l'A572/A656 (S355JR), à plus haute résistance. À noter que la norme API 650 exige des nuances J0 ou J2 testées aux chocs (à 0 °C ou -20 °C) pour le S275/S355 ; la nuance « JR » ordinaire (testée uniquement à 20 °C) n'est pas autorisée pour les tôles plus épaisses.

Norme JIS

JIS G3101 SS400 / SS490 – Aciers de construction équivalents japonais (YS 205–245 MPa et 245–295 MPa). L'acier SS400 est plus résistant que l'A36, c'est pourquoi certains concepteurs évitent la substitution directe, sauf si l'épaisseur est augmentée.

Autres normes nationales

La norme API 650 autorise les « normes nationales reconnues » si les propriétés mécaniques et les limites chimiques répondent aux critères des groupes I à VI. Par exemple, les nuances 300W/350W de la norme CSA G40.21 (Canada) ou les normes ISO 630 S275/S355 sont souvent acceptées.

Pour toutes les tôles, la section 4 de l'API 650 exige que l'acier soit complètement désoxydé et qu'il soit traité à grain fin, avec un contrôle rigoureux des teneurs en C, Mn, P, S, etc. Les matériaux de qualité supérieure (groupes IV à VI) nécessitent souvent des essais de choc spécifiques à 0 °C ou -20 °C, même en service à température ambiante, afin d'éviter une rupture fragile en conditions de choc. Lors du choix d'un acier étranger, vérifiez, grâce aux certificats d'essais en usine, que sa composition et sa résistance aux chocs sont conformes aux exigences de l'API 650. (Par exemple, l'acier SS400 chinois peut avoir une énergie d'impact inférieure à celle de l'A36.)

Réservoirs de GNL et de pétrole brut

Les réservoirs de stockage de GNL fonctionnent à -162 °C et imposent des exigences matérielles bien plus strictes. Les plaques API 650 conventionnelles (A36, A516, etc.) deviennent cassantes à température cryogénique. À la place, les réservoirs intérieurs ou paniers pour GNL utilisent souvent Acier Ni 9% (ASTM A553 Type 1 ou ASTM A553M) pour une excellente ténacité. Récemment, les aciers Ni 7% ont été développés comme alternatives économiques. Ces aciers répondent aux critères de résistance au choc Charpy (par exemple, ≥ 34 J longitudinal à –196 °C pour l'A553T1) selon l'annexe Q de la norme API 620. Les réservoirs de stockage extérieurs (ou le toit et les fondations) peuvent être en acier au carbone ordinaire à température ambiante.

Les différences de conception incluent des réservoirs à double paroi avec isolation et des exigences d'étanchéité plus strictes. La norme API 620 (et non 650) est généralement la norme applicable aux réservoirs cryogéniques hors sol, incluant l'annexe Q relative aux matériaux. En résumé, pour le service GNL, utilisez toujours des aciers de qualité cryogénique (A553, A553M ou alliages à teneur en nickel supérieure) pour les plaques mouillées; les aciers standard API 650 sont uniquement destinés à la coque extérieure isolée ou au confinement secondaire au-dessus de la température ambiante.

Conformité à la norme API 650 (2020)

Assurer la conformité à l'API 650 implique de suivre les règles du code en matière de matériaux, de conception et de fabrication :
Épaisseur de la plaque et limites du matériau : Respecter la section 4.2.1.4 : épaisseur de coque maximale de 45 mm. Utiliser les limites d'épaisseur de la section 4.2.2 par nuance (par exemple, l'A537 peut être plus épais que l'A516). Spécifier les classes de tôles qui satisfont aux essais d'impact requis pour la température de service prévue.
CND et soudage : Effectuer une radiographie 100% pour les joints coque-coque et annulaires. Les soudures de toiture et de plancher nécessitent un ressuage 100% MPI. Respecter la norme API 650 Sec. 8 pour la qualification des soudeurs (ASME IX), la préparation des joints et les essais.
Règles de conception : Utiliser la section 5 et ses annexes (par exemple, l'annexe F/V) pour calculer l'épaisseur des coques et des toits. S'assurer que la largeur de la plaque annulaire est ≥ 600 mm. Dimensionner les plaques de fond pour respecter les limites de déflexion et de flambement. Dimensionner les distances entre les soudures et les bords conformément aux sections 5.1.5 et 5.5.
Documentation: La plaque signalétique et la documentation du réservoir doivent mentionner la norme « API 650 – Douzième édition » (l'édition 2020 est la 13e). Conservez les rapports d'essais en usine pour toutes les plaques (chimiques, mécaniques, d'impact) et les enregistrements de soudage. Faites inspecter par un tiers si nécessaire, en particulier pour les joints critiques.
Surépaisseur de corrosion : Ajoutez toujours une valeur CA appropriée (souvent de 2 à 5 mm) à l'épaisseur de la plaque dans les calculs pour tenir compte de la corrosion et des défauts potentiels de surface du broyeur.

Défis et meilleures pratiques

Qualité de la soudure et déformation : Les tôles épaisses (> 10 mm) nécessitent un préchauffage et une température entre passes contrôlée. Utiliser le soudage séquentiel ou le contrôle du retrait pour minimiser le gauchissement. Les soudures bout à bout à pénétration totale doivent être réalisées sans défaut. Inspecter toutes les soudures terminées (en particulier au niveau des joints de coque et annulaires) par CND.
Protection contre la corrosion : Choisissez des matériaux plaqués compatibles avec le produit stocké ou appliquez des revêtements (époxy ou apprêt riche en zinc). Les plaques de fond sont souvent exposées à l'eau ou aux solides ; il est donc possible d'utiliser une tolérance à la corrosion plus élevée ou des revêtements résistants à l'abrasion.
Disponibilité du matériel et délai de livraison : Les plaques de grand diamètre ou très épaisses sont spécialisées. Planifiez vos achats plusieurs mois à l'avance. En cas d'importation, vérifiez les normes de qualité (par exemple, ne supposez pas que SS400 est équivalent à A36). Collaborez avec les fournisseurs pour garantir que les certifications répondent aux exigences de l'API.
Séquencement de construction : Installez la bague annulaire au préalable, en utilisant un support solide ou des renforts temporaires pour maintenir l'alignement de la coque. Utilisez une poutre anti-vent (anneau de type échafaudage) pendant le montage de la coque pour conserver la forme circulaire. Si possible, préassemblez les panneaux de toiture au sol, puis posez-les sur la coque terminée.
Ajustements sur le terrain : Les écarts sur site (par exemple, tassement des fondations ou léger désalignement) doivent être compensés par des cales, des boulons d'ancrage fendus ou des découpes de brides, et non par un réusinage des plaques. Vérifier la planéité des plaques de fond avant le soudage final afin de garantir l'étanchéité.

Conclusion

En comprenant le rôle de chaque type de plaque et en respectant la norme API 650, les équipes EPC/EPCM peuvent concevoir et construire des réservoirs sûrs et conformes. Un choix judicieux des matériaux (de l'A36 à l'A553), des pratiques de soudage rigoureuses et le respect des normes (largeur des plaques et qualité des soudures) sont essentiels pour des réservoirs de pétrole brut et de GNL durables. Si vous avez des demandes de devis concernant des plaques d'acier pour des projets de réservoirs marins, n'hésitez pas à nous contacter à l'adresse suivante : [email protected] pour un devis compétitif et professionnel !