Tipi essenziali di piastre per serbatoi nei serbatoi di stoccaggio API 650

I serbatoi di stoccaggio di petrolio e GNL (API 650) sono realizzati con quattro tipi principali di piastre: Conchiglia, Fondo (pavimento), Anulare, E Tetto Piastre. Ognuna svolge un ruolo strutturale distinto. Le piastre del guscio formano la parete cilindrica e resistono alle sollecitazioni circolari e assiali; le piastre di fondo formano il fondo del serbatoio e supportano il carico liquido; le piastre anulari sono le piastre a forma di anello nella giunzione guscio-fondo che trasferiscono i carichi al guscio; e le piastre del tetto coprono il serbatoio con un tetto fisso conico/a cupola. La selezione e la progettazione di ciascuna piastra devono tenere conto delle esigenze di carico, dei metodi di saldatura, della tolleranza alla corrosione e della disponibilità dei materiali.

Piastre a conchiglia

Le piastre del guscio formano le pareti verticali del serbatoio. Vengono tagliate e arrotolate in corsi – fasce orizzontali che si sovrappongono per tutta l'altezza. Lo spessore è calcolato in base alla sollecitazione circonferenziale dovuta al battente liquido, più la tolleranza di corrosione. Secondo la norma API 650, le piastre del guscio sono limitate a un massimo di 45mm (1,75 pollici) di spessore. Se le sollecitazioni di progetto o la resistenza del materiale richiedono uno spessore superiore a 45 mm, è necessario utilizzare un materiale con resistenza maggiore (acciaio del Gruppo IV-VI). I materiali comuni includono ASTM A36 o EN S235JR (snervamento ~250 MPa) per serbatoi di altezza inferiore e A516 Gr 70, A537 CL2 o EN S355 (355 MPa) per serbatoi più alti o più complessi. Le lamiere del guscio devono essere trattate con acciaio calmato e a grana fine per la saldabilità.

Sfide e soluzioni: Le lamiere spesse sono pesanti e difficili da laminare e saldare senza distorsioni. I produttori spesso prepiegano le lamiere e utilizzano la saldatura a sequenza con temperatura di interpass controllata per gestire la deformazione. Tutti i cordoni di saldatura verticali devono essere radiografati secondo la norma API 650 Sez. 8.3; anche le saldature orizzontali (circonferenziali) e le saldature a piastra anulare richiedono radiografia. Gli acciai di grado A36 o simili non presentano tenacità all'impatto a basse temperature, quindi nei climi freddi i progettisti passano ad acciai temprati a bassa temperatura (ad esempio, ASTM A553) o si assicurano che siano sottoposti a prove di impatto. Infine, la struttura viene ancorata alla fondazione del serbatoio tramite supporti di ancoraggio saldati alla piastra anulare o alla base della struttura.

Piastre inferiori (pavimento)

Le piastre di fondo costituiscono il fondo del serbatoio e devono supportare il carico idrostatico e gli eventi di vuoto. Diverse piastre di acciaio (spesse 6-12 mm più la tolleranza di corrosione) ricoprono in genere l'intero fondo del serbatoio. Le configurazioni standard includono "piastre di fondo" sovrapposte e un piastra anulare lungo il bordo. Le piastre poggiano su un anello di fondazione in calcestruzzo o su pali. Le piastre inferiori sono saldate tra loro a formare una griglia; per la penetrazione completa vengono utilizzate saldature di testa a gola quadrata o con scanalature smussate, come richiesto dalla norma API 650 (Sez. 5.1.5.5). È possibile utilizzare strisce di rinforzo saldate a punti (spessore ≥3 mm) per mantenere le aperture delle radici. La larghezza nominale delle piastre rettangolari e di quelle a schizzo deve essere ≥1800 mm, salvo diverso accordo con l'acquirente. Lo spessore richiesto per le piastre inferiori è lo spessore dopo la corrosione più la tolleranza di corrosione.

Considerazioni progettuali: Le piastre di fondo devono essere piatte e livellate per evitare ristagni. Sono dotate di saldature di tenuta al guscio o alla piastra anulare. Secondo la norma API 650, le saldature di testa delle piastre di fondo sono spesso disposte parallelamente al guscio per facilitare il getto dell'ancora. Possono essere utilizzati anche schemi inclinati a "spina di pesce" o configurazioni radiali. I serbatoi possono includere coppa dell'olio tasca al centro per il drenaggio.

Sfide e soluzioni: La lamiera inferiore deve resistere alla pressione positiva (carico idrostatico) e alla pressione negativa (vuoto). Un vuoto insufficiente può causare collassi, quindi i progettisti includono valvole di sicurezza e considerano rinforzi (ad esempio, piastre di compensazione). La distorsione delle saldature viene mitigata vincolando le piastre e saldandole simmetricamente. Il controllo qualità è fondamentale: mentre le saldature del tetto e del fondo non vengono in genere radiografate, tutti i collegamenti tra il guscio e il fondo e i giunti del pavimento vengono sottoposti a ispezione con particelle magnetiche o liquidi penetranti 100% per garantirne la tenuta stagna. I tempi di consegna possono essere lunghi per le piastre del pavimento di grandi dimensioni (in particolare per gli anelli anulari spessi), quindi si consiglia di effettuare l'approvvigionamento per tempo.

Piastre anulari

Le piastre anulari sono l'anello di piastre immediatamente all'interno del rivestimento del serbatoio, nella parte inferiore. Trasmettono i carichi del rivestimento al pavimento, fornendo un punto di fissaggio per gli angolari di base del rivestimento e le sedi di ancoraggio. Secondo API 650 Sez. 5.5.2, le piastre anulari deve essere almeno 600millimetri (24in) di larghezza (misurata radialmente) dal guscio a qualsiasi giunto di sovrapposizione quando il diametro del serbatoio è ≥30 m (100 piedi) o quando il corso del guscio inferiore è progettato utilizzando lo stress ammissibile per i materiali del Gruppo IV, IVA, V o VINella pratica, i progettisti spesso realizzano piastre anulari notevolmente più spesse delle piastre del pavimento interno (ad esempio, 12-16 mm anziché 6-8 mm) per gestire le elevate forze circonferenziali.

Saldature e giunzioni: Giunti radiali a piastra anulare devono essere saldature di testa a piena penetrazioneÈ consentita una striscia di rinforzo continua (min. 3 mm) sotto queste saldature, ma la saldatura deve essere intatta. Per serbatoi di diametro superiore a 30 m o che utilizzano acciaio ad alta resistenza (Gruppo IV-VI), la norma API 650 prescrive piastre anulari saldate di testa. Serbatoi più piccoli o casse a basso stress possono consentire piastre "abbozzate" saldate a sovrapposizione, ma gli ispettori spesso preferiscono l'anello saldato di testa per motivi di sicurezza. Il bordo interno dell'anello anulare può essere tagliato dritto o poligonale; secondo la definizione API, la circonferenza interna può formare un poligono regolare con un numero di lati pari a quello delle piastre.

Sfide e soluzioni: Poiché le piastre anulari sono grandi e spesse, risultano pesanti e difficili da trasportare. L'allineamento in loco con il guscio è fondamentale. I costruttori spesso le saldano di testa al guscio in officina o all'inizio del montaggio sul campo: un accurato adattamento e saldatura (preriscaldamento se necessario) e un controllo dell'apporto termico. L'anello anulare è un punto caldo a rischio di perdite se sottodimensionato o saldato in modo inadeguato, quindi molti ingegneri aggiungono una tolleranza di corrosione aggiuntiva e un'accurata NDE (radiografia o PAUT) su questi giunti.

Piastre del tetto

I tetti fissi (coni o cupole) coprono i serbatoi fuori terra. Le piastre del tetto sono pannelli metallici saldati insieme e fissati a un angolo del marciapiede superiore sulla struttura. L'API 650 suddivide la progettazione del tetto in tre casi di carico: pressione interna (formula di tensione dell'Allegato F), carichi esterni (deformazioni dell'Allegato F) e carichi generali (paragrafo 5.10). In pratica, lo spessore della lastra del tetto è spesso determinato dalla deformazione sotto il peso del tetto o sotto il vento, non dalla pressione interna. L'API 650 richiede uno spessore nominale della lastra del tetto. ≥ 5millimetri (3/16In) più tolleranza per corrosione. I tetti a cono poco profondo possono utilizzare acciaio da 6-10 mm; i tetti a cupola spesso utilizzano acciaio da 8-12 mm.

Costruzione: Le lastre del tetto sono tagliate secondo uno schema a "fetta di torta" (con un poligono pari al numero di lastre) o ad anelli concentrici. Le lastre sono saldate tra loro tramite saldature a sovrapposizione o saldature di testa a smusso, con saldature a cordolo continue solo sul lato superiore. Le lastre devono essere completamente supportate lungo il perimetro. Per i tetti a cono supportato, la norma API 650 Sec. 5.10 richiede che le lastre non siano saldate alle travi (poggiano invece su di esse), per consentire un leggero movimento. Tutti i pannelli del tetto si fissano all'angolo del cordolo con saldature a cordolo continue sul lato superiore.

Sfide e soluzioni: Le lamiere del tetto sono più sottili e spesso deformate dalla saldatura, quindi i costruttori realizzano il tetto a terra in sezioni o utilizzano telai di sollevamento. Il controllo dimensionale è fondamentale per evitare lacune. Poiché le saldature del tetto presentano generalmente meno sollecitazioni, l'API non richiede radiografie sulle saldature delle lamiere del tetto, ma l'ispezione visiva/MPI 100% è standard. L'acciaio per tetti è spesso A36 o simile; raramente è necessario un acciaio ad alta resistenza, a meno che ampie campate del tetto non richiedano una maggiore resistenza alla deformazione.

Materiali e specifiche delle piastre

La norma API 650 classifica gli acciai per piastre in base alla sollecitazione ammissibile e all'applicazione. I materiali comunemente specificati per le piastre dei serbatoi includono:

Norme ASTM

Classe A36 (resa di 26 ksi, ~250 MPa) – Ampiamente utilizzato per gusci e fondi in condizioni moderate. È economico e ampiamente disponibile, ma non adatto ad ambienti freddi, a meno che non venga sottoposto a test di impatto.
ASTM A283 Gruppo C (anche ~205–290 MPa) – Un acciaio strutturale generico talvolta utilizzato per serbatoi bassi.
ASTM A285 Gruppo C (Piastra per recipienti a pressione, 195-260 MPa) – Approvata dall'API 650 ma limitata a sezioni più sottili. Più duttile, spesso un'alternativa più economica.
ASTM A516 Gr. 70 (Piastra per recipienti a temperature moderate/basse, resistenza alla trazione di 485 MPa) – Comune per gusci/fondi ad alta resistenza. Presenta una tenacità migliore rispetto all'A36.
ASTM A537 CL.2 (piastra per recipienti a pressione, resa ~450 MPa) – Maggiore resistenza e tenacità per serbatoi di grandi dimensioni.
ASTM A553 (Tipo 1 e 2) – Piastra in carbonio-manganese a bassa temperatura (legata al nichel) per servizio criogenico. Il tipo A553 1 (≈9% Ni) è specificato nell'Appendice Q dell'API 620 per i serbatoi di GNL.

Norma EN

EN 10025 S235JR / S355JR – Acciai strutturali europei approssimativamente equivalenti ad A36 (S235JR) e ad A572/A656 (S355JR) ad alta resistenza. Si noti che l'API 650 richiede gradi di resistenza all'impatto J0 o J2 (testati a 0 °C o -20 °C) per S275/S355; il grado "JR" ordinario (testato solo a 20 °C) non è consentito per lamiere di spessore maggiore.

Standard JIS

JIS G3101 SS400 / SS490 – Acciai strutturali giapponesi equivalenti (YS 205–245 MPa e 245–295 MPa). L'SS400 è più debole dell'A36, quindi alcuni progettisti evitano la sostituzione diretta a meno che non ne venga aumentato lo spessore.

Altri standard nazionali

L'API 650 ammette "standard nazionali riconosciuti" se le proprietà meccaniche e i limiti chimici soddisfano i criteri dei Gruppi I-VI. Ad esempio, i gradi CSA G40.21 (Canada) 300W/350W o ISO 630 S275/S355 sono spesso accettati.

Per tutte le piastre, la Sezione 4 dell'API 650 richiede che l'acciaio sia completamente deossidato e a grana fine, con un attento controllo di C, Mn, P, S, ecc. I materiali di qualità superiore (Gruppi IV-VI) spesso richiedono prove di impatto specifiche a 0 °C o -20 °C, anche per l'impiego a temperatura ambiente, per evitare fratture fragili in condizioni di ricalcatura. Quando si seleziona un acciaio di provenienza estera, verificare tramite i certificati di prova in fabbrica che la composizione e la qualità di impatto soddisfino i requisiti dell'API 650. (Ad esempio, l'acciaio SS400 cinese potrebbe avere un'energia di impatto inferiore all'acciaio A36.)

GNL vs. serbatoi di petrolio greggio

I serbatoi di stoccaggio del GNL operano a -162 °C e impongono requisiti di materiali molto più rigorosi. Le piastre API 650 convenzionali (A36, A516, ecc.) diventano fragili a temperature criogeniche. Invece, i serbatoi interni o i cestelli per il GNL spesso utilizzano Acciaio Ni 9% (ASTM A553 Tipo 1 o ASTM A553M) per un'eccellente tenacità. Recentemente, gli acciai 7% Ni sono stati sviluppati come alternative economiche. Questi acciai soddisfano i criteri di resistenza all'impatto Charpy (ad esempio, ≥34 J longitudinali a -196 °C per A553T1) secondo l'Appendice Q dell'API 620. I serbatoi di stoccaggio esterni (o il tetto e le fondamenta) possono essere realizzati in acciaio al carbonio standard a temperatura ambiente.

Le differenze di progettazione includono serbatoi a doppia parete con isolamento e requisiti di tenuta più rigorosi. L'API 620 (non la 650) è solitamente il codice di riferimento per i serbatoi criogenici fuori terra, che include l'Appendice Q per i materiali. In sintesi, per il servizio GNL, utilizzare sempre acciai di grado criogenico (A553, A553M o leghe ad alto tenore di nichel) per le piastre bagnate; gli acciai standard API 650 sono destinati solo al guscio esterno isolato o al contenimento secondario sopra la temperatura ambiente.

Conformità con API 650 (2020)

Per garantire la conformità all'API 650 è necessario seguire le regole del codice relative a materiali, progettazione e fabbricazione:
Spessore della piastra e limiti del materiale: Rispettare la Sezione 4.2.1.4: spessore massimo del guscio di 45 mm. Utilizzare i limiti di spessore della Sezione 4.2.2 per grado (ad esempio, l'A537 può essere più spesso dell'A516). Specificare le classi di piastre che soddisfano i test di impatto richiesti per la temperatura di servizio prevista.
NDE e saldatura: Eseguire radiografie 100% per giunti intercalari e anulari. Le saldature di tetti e solai richiedono il liquido penetrante 100% MPI/colorante. Seguire la norma API 650 Sez. 8 per la qualificazione del saldatore (ASME IX), la preparazione del giunto e i test.
Regole di progettazione: Utilizzare la Sezione 5 e le Appendici (ad esempio, Allegato F/V) per calcolare lo spessore di gusci e coperture. Assicurarsi che la larghezza delle piastre anulari sia ≥600 mm. Dimensionare le piastre inferiori in modo da rispettare i limiti di flessione e instabilità. Dimensionare le distanze tra sovrapposizioni e bordi di saldatura secondo le Sezioni 5.1.5 e 5.5.
Documentazione: La targhetta identificativa e la documentazione del serbatoio devono riportare la dicitura "API 650 - Dodicesima Edizione" (l'edizione 2020 è la tredicesima). Conservare i rapporti dei test di laboratorio per tutte le piastre (chimici, meccanici, di impatto) e i registri di saldatura. Ottenere ispezioni da terze parti, se necessario, in particolare per i giunti critici.
Tolleranza alla corrosione: Aggiungere sempre un CA adeguato (spesso 2-5 mm) allo spessore della piastra nei calcoli per tenere conto della corrosione e dei potenziali difetti della superficie di laminazione.

Sfide e buone pratiche

Qualità e distorsione della saldatura: Le piastre spesse (>10 mm) richiedono preriscaldamento e temperatura di interpass controllata. Utilizzare la saldatura in sequenza o il controllo del ritiro per ridurre al minimo la deformazione. Le saldature di testa a piena penetrazione devono essere eseguite senza difetti. Ispezionare tutte le saldature completate (in particolare in corrispondenza dei giunti a conchiglia e anulari) con controlli non distruttivi (NDT).
Protezione dalla corrosione: Scegliere materiali placcati compatibili con il prodotto immagazzinato o applicare rivestimenti (primer epossidico o zincante). Le piastre inferiori sono spesso esposte ad acqua o solidi, quindi è possibile utilizzare rivestimenti con maggiore tolleranza alla corrosione o resistenti all'abrasione.
Disponibilità dei materiali e tempi di consegna: Le piastre di grande diametro o extra spesse sono specializzate. Pianificare l'approvvigionamento con mesi di anticipo. In caso di importazione, verificare gli standard di qualità (ad esempio, non dare per scontato che SS400 sia uguale ad A36). Collaborare con i fornitori per garantire che le certificazioni soddisfino i requisiti API.
Sequenza di costruzione: Installare l'anello anulare in anticipo, utilizzando una struttura solida o rinforzi temporanei per mantenere l'allineamento della struttura. Utilizzare una trave di sostegno (un anello simile a un'impalcatura) durante il montaggio della struttura per mantenerne la forma circolare. Se possibile, preassemblare i pannelli del tetto a terra, quindi sollevarli sulla struttura completata.
Regolazioni sul campo: Eventuali deviazioni in loco (ad esempio cedimenti delle fondamenta o lievi disallineamenti) devono essere compensate mediante piastre di spessoramento, bulloni di ancoraggio scanalati o tagli sulle flange, non mediante laminazione di piastre. Verificare la planarità delle piastre inferiori prima della saldatura finale per garantirne la tenuta stagna.

Conclusione

Grazie alla comprensione del ruolo di ogni tipo di piastra e al rispetto delle norme API 650, i team EPC/EPCM possono progettare e costruire serbatoi sicuri e conformi. La corretta selezione dei materiali (da A36 ad A553), la diligente prassi di saldatura e l'attenzione ai dettagli normativi (larghezza della piastra e qualità della saldatura) sono essenziali per serbatoi di petrolio greggio e GNL durevoli. Se avete richieste di preventivo per lamiere d'acciaio per progetti di serbatoi marittimi, non esitate a contattarci all'indirizzo [email protected] per un preventivo competitivo e professionale!