Podstawowe typy płyt zbiornikowych w zbiornikach magazynowych API 650

Zbiorniki do magazynowania ropy naftowej i LNG (API 650) zbudowane są z czterech typów płyt podstawowych: Powłoka, Dół (podłoga), Pierścieniowy, I Dach płyty. Każda z nich pełni odrębną rolę konstrukcyjną. Płyty powłoki tworzą cylindryczną ścianę i opierają się naprężeniom obwodowym i osiowym; płyty dolne tworzą dno zbiornika i podtrzymują obciążenie cieczą; płyty pierścieniowe to płyty w kształcie pierścienia na styku powłoki i podłogi, które przenoszą obciążenia do powłoki; a płyty dachowe pokrywają zbiornik stałym dachem stożkowym/kopułowym. Wybór i konstrukcja każdej płyty muszą uwzględniać wymagania dotyczące obciążenia, metody spawania, naddatek na korozję i dostępność materiałów.

Płyty skorupowe

Pionowe ściany zbiornika tworzą płyty skorupowe. Są one cięte i walcowane na kursy – poziome pasy układające się na całej wysokości. Grubość obliczana jest na podstawie naprężenia obwodowego spowodowanego przez ciśnienie cieczy, plus naddatek na korozję. Zgodnie z normą API 650 płyty powłokowe są ograniczone do maksymalnie 45mm (1,75 cala) grubości. Jeśli naprężenia projektowe lub wytrzymałość materiału wymagają więcej niż 45 mm, należy użyć materiału o wyższej wytrzymałości (stal grupy IV–VI). Typowe materiały to ASTM A36 lub EN S235JR (wytrzymałość ~250 MPa) dla zbiorników o niższej wysokości oraz A516 Gr 70, A537 CL2 lub EN S355 (355 MPa) dla wyższych lub bardziej wymagających zbiorników. Płyty płaszcza muszą być uspokojone stalą i drobnoziarniste, aby można je było spawać.

Wyzwania i rozwiązania: Grube płyty skorupowe są ciężkie i trudne do zwijania i spawania bez odkształceń. Producenci często wstępnie wyginają płyty i stosują spawanie sekwencyjne z kontrolowaną temperaturą międzyściegową w celu kontrolowania odkształceń. Wszystkie pionowe spoiny muszą być prześwietlone zgodnie z sekcją 8.3 normy API 650; spoiny poziome (obwodowe) i spoiny płyt pierścieniowych również wymagają prześwietlenia. Gatunek A36 lub podobne stale nie mają odporności na uderzenia w niskich temperaturach, więc w zimnym klimacie projektanci przechodzą na stal hartowaną w niskiej temperaturze (np. ASTM A553) lub zapewniają badanie udarności. Na koniec powłoka jest zakotwiczona do fundamentu zbiornika za pomocą krzeseł kotwiących przyspawanych do płyty pierścieniowej lub podstawy powłoki.

Płyty dolne (podłogowe)

Płyty dolne tworzą dno zbiornika i muszą podtrzymywać obciążenie hydrostatyczne i zdarzenia próżniowe. Wiele płyt stalowych (grubości 6–12 mm plus naddatek na korozję) zazwyczaj pokrywa całe dno zbiornika. Standardowe układy obejmują zachodzące na siebie „płyty podłogowe” i cięższą płytka pierścieniowa wokół krawędzi. Płyty spoczywają na betonowym pierścieniu fundamentowym lub palach. Dolne płyty są zespawane ze sobą w siatce; do pełnego przebicia stosuje się spoiny czołowe kwadratowe lub skośno-rowkowe, zgodnie z wymaganiami API 650 (sekcja 5.1.5.5). Do utrzymania otworów korzeniowych można stosować paski podkładowe ze spoinami punktowymi (grubość ≥3 mm). Nominalna szerokość płyt prostokątnych i szkicowych powinna wynosić ≥1800 mm, chyba że nabywca uzgodni inaczej. Wymagana grubość płyt dolnych to grubość skorodowana powiększona o naddatek na korozję.

Rozważania projektowe: Płyty dolne muszą być płaskie i równe, aby uniknąć tworzenia się kałuż. Są one wyposażone w spoiny uszczelniające do powłoki lub płyty pierścieniowej. Zgodnie z normą API 650 spoiny czołowe płyt dolnych są często układane równolegle do powłoki, aby ułatwić wlewanie kotwic. Można również stosować pochyłe wzory „jodełkowe” lub układy promieniowe. Zbiorniki mogą obejmować miska olejowa kieszeń w środku umożliwiająca odpływ wody.

Wyzwania i rozwiązania: Poszycie dna musi być odporne na ciśnienie dodatnie (ciśnienie hydrostatyczne) i ciśnienie ujemne (próżnia). Niesprawna próżnia może spowodować zapadnięcie się, dlatego projektanci uwzględniają zawory bezpieczeństwa próżni i rozważają wzmocnienie (np. płyty kompensacyjne). Odkształcenia spawalnicze są łagodzone przez ograniczenie płyt i spawanie symetryczne. Kontrola jakości jest kluczowa: podczas gdy spoiny dachu i dna nie są zazwyczaj prześwietlane, wszystkie połączenia powłoki z dnem i złącza podłogowe są poddawane inspekcji 100% z wykorzystaniem cząstek magnetycznych lub penetrantu barwnikowego w celu zapewnienia szczelności. Czas realizacji dostawy dużych płyt podłogowych (zwłaszcza grubych pierścieni pierścieniowych) może być długi, dlatego zaleca się wczesne zamówienie.

Płytki pierścieniowe

Płyty pierścieniowe to pierścień płyt bezpośrednio wewnątrz powłoki zbiornika na dolnym odcinku. Przenoszą obciążenia powłoki na podłogę, zapewniając punkt mocowania dla kątowników podstawy powłoki i krzeseł kotwicznych. Zgodnie z sekcją 5.5.2 normy API 650 płyty pierścieniowe musi być co najmniej 600mm (24w) szerokości (mierzone promieniowo) od płaszcza do dowolnego połączenia zakładkowego, gdy średnica zbiornika ≥30 m (100 stóp) lub gdy dolny odcinek płaszcza jest zaprojektowany z uwzględnieniem dopuszczalnego naprężenia dla materiałów z grupy IV, IVA, V lub VIW praktyce projektanci często wykonują płyty pierścieniowe znacznie grubsze niż płyty podłogowe wewnętrzne (np. 12–16 mm zamiast 6–8 mm), aby wytrzymać duże siły obwodowe.

Spawanie i łączenia: Połączenia promieniowe pierścieniowo-płytkowe muszą to być spoiny czołowe o pełnej penetracji. Ciągły pas podkładowy (min. 3 mm) jest dozwolony pod tymi spoinami, ale spoina musi być bez skazy. W przypadku zbiorników o średnicy >30 m lub wykorzystujących stal powłokową o wysokiej wytrzymałości (grupa IV–VI), API 650 nakazuje spawane doczołowo płyty pierścieniowe. Mniejsze zbiorniki lub przypadki niskiego naprężenia mogą dopuszczać spawane na zakładkę płyty „szkicowe”, ale inspektorzy często preferują spawany doczołowo pierścień ze względów bezpieczeństwa. Wewnętrzna krawędź pierścienia może być przycięta prosto lub wielokątnie; zgodnie z definicją API, wewnętrzny obwód może tworzyć wielokąt foremny o tylu bokach, ile płyt.

Wyzwania i rozwiązania: Ponieważ płyty pierścieniowe są duże i grube, są ciężkie i trudne do transportu. Dopasowanie do powłoki na miejscu jest krytyczne. Producenci często spawają je doczołowo do powłoki w warsztacie lub na wczesnym etapie montażu w terenie — ostrożne dopasowanie i spawanie (w razie potrzeby podgrzewanie wstępne), kontrolowanie dopływu ciepła. Pierścień pierścieniowy jest gorącym punktem ryzyka wycieku, jeśli jest za mały lub źle zespawany, więc wielu inżynierów dodaje dodatkowy naddatek na korozję i dokładne NDE (radiografia lub PAUT) na tych połączeniach.

Płyty dachowe

Stałe dachy (stożki lub kopuły) pokrywają zbiorniki naziemne. Płyty dachowe to metalowe panele zespawane ze sobą i przymocowane do kąt górnego krawężnika na powłoce. API 650 dzieli projekt dachu na trzy przypadki obciążeń: ciśnienie wewnętrzne (wzór na rozciąganie z załącznika F), obciążenia zewnętrzne (wyboczenie z załącznika F) i obciążenia ogólne (sekcja 5.10). W praktyce grubość płyty dachowej jest często określana przez wyboczenie pod ciężarem dachu lub wiatrem, a nie przez ciśnienie wewnętrzne. API 650 wymaga nominalnej grubości blachy dachowej ≥ 5mm (3/16W) plus naddatek na korozję. Dachy o płytkim stożku mogą być wykonane ze stali o grubości 6–10 mm; dachy kopułowe często wykorzystują stal o grubości 8–12 mm.

Budowa: Płyty dachowe są cięte w kształcie „kawałka koła” (z wielokątem równym liczbie płyt) lub w koncentrycznych pierścieniach. Płyty są spawane ze sobą za pomocą spoin pachwinowych zakładkowych lub spoin czołowych skośnych, z ciągłymi spoinami pachwinowymi tylko na górnej stronie. Płyty muszą być w pełni podparte na obwodzie. W przypadku dachów ze stożkiem podpartym, sekcja 5.10 normy API 650 wymaga, aby płyty nie były spawane do krokwi (zamiast tego spoczywają na nich), aby umożliwić niewielki ruch. Wszystkie panele dachowe są mocowane do kątownika krawężnika za pomocą ciągłych spoin pachwinowych na górnej stronie.

Wyzwania i rozwiązania: Płyty dachowe są cieńsze i często odkształcają się podczas spawania, dlatego budowniczowie budują dach na ziemi w sekcjach lub używają ram podnoszących. Kontrola wymiarowa ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia szczelin. Ponieważ spoiny dachowe mają zazwyczaj mniejsze naprężenia, API nie wymaga radiografii spoin płyt dachowych, ale standardem jest kontrola wizualna/MPI 100%. Stal dachowa jest często wykonana z A36 lub podobnej stali; wysoka wytrzymałość jest rzadko potrzebna, chyba że duże rozpiętości dachu wymagają większej wytrzymałości na wyboczenie.

Materiały i specyfikacje płyt

API 650 grupuje stale płytowe według dopuszczalnego naprężenia i zastosowania. Powszechnie określone materiały na płyty zbiornikowe obejmują:

Normy ASTM

ASTM A36 (wydajność 26 ksi, ~250 MPa) – szeroko stosowany do skorup i dna w umiarkowanych warunkach. Jest niedrogi i szeroko dostępny, choć nieodpowiedni do zimnych środowisk, chyba że zostanie przetestowany pod kątem odporności na uderzenia.
ASTM A283 grupa C (również ~205–290 MPa) – Ogólna stal konstrukcyjna, czasami stosowana do zbiorników o małej wysokości.
ASTM A285 grupa C (Płyta do zbiorników ciśnieniowych, 195–260 MPa) – Zatwierdzona przez API 650, ale ograniczona do cieńszych sekcji. Bardziej ciągliwa, często tańsza alternatywa.
ASTM A516 Gr. 70 (Płyta do naczyń o średniej/niskiej temperaturze, rozciąganie 485 MPa) – powszechna w przypadku skorup/dna o wyższej wytrzymałości. Ma lepszą wytrzymałość niż A36.
ASTM A537 KLASA 2 (płyta zbiornika ciśnieniowego, wydajność ~450 MPa) – Większa wytrzymałość i odporność w przypadku dużych zbiorników.
ASTM A553 (Typ 1 i 2) – Niskotemperaturowa płyta węglowo-manganowa (stop niklu) do pracy w warunkach kriogenicznych. A553 Typ 1 (≈9% Ni) jest określony w Załączniku Q do normy API 620 dla zbiorników LNG.

Norma EN

EN 10025 S235JR / S355JR – Europejskie stale konstrukcyjne mniej więcej odpowiadające A36 (S235JR) i A572/A656 (S355JR) o wyższej wytrzymałości. Należy pamiętać, że API 650 wymaga gatunków J0 lub J2 poddanych testowi udarności (testowanych w temperaturze 0 °C lub -20 °C) dla S275/S355; zwykły gatunek „JR” (testowany tylko w temperaturze 20 °C) nie jest dozwolony dla grubszych płyt.

Norma JIS

JIS-G3101 SS400 / SS490 – Japońskie odpowiedniki stali konstrukcyjnych (YS 205–245 MPa i 245–295 MPa). SS400 jest słabszy niż A36, więc niektórzy projektanci unikają bezpośredniej zamiany, chyba że grubość zostanie zwiększona.

Inne normy krajowe

API 650 dopuszcza „uznane normy krajowe”, jeśli właściwości mechaniczne i limity chemiczne spełniają kryteria grup I–VI. Na przykład często akceptowane są klasy CSA G40.21 (Kanada) 300W/350W lub ISO 630 S275/S355.

W przypadku wszystkich płyt sekcja 4 normy API 650 wymaga, aby stal była wygaszona (całkowicie odtleniona) i drobnoziarnista, ze staranną kontrolą zawartości C, Mn, P, S itd. Materiały wyższej jakości (grupy IV–VI) często wymagają specjalnych testów udarności w temperaturze 0 °C lub -20 °C, nawet w przypadku eksploatacji w temperaturze otoczenia, aby uniknąć kruchego pękania w warunkach zakłóceń. Wybierając stal zagraniczną, sprawdź za pomocą certyfikatów testów walcowniczych, czy skład i jakość udarności spełniają wymagania normy API 650. (Na przykład chińska stal SS400 może mieć niższą energię udarności niż stal A36.)

Zbiorniki LNG kontra zbiorniki na ropę naftową

Zbiorniki magazynowe LNG pracują w temperaturze –162 °C i nakładają znacznie surowsze wymagania materiałowe. Konwencjonalne płyty API 650 (A36, A516 itp.) stają się kruche w temperaturach kriogenicznych. Zamiast tego zbiorniki wewnętrzne lub kosze na LNG często wykorzystują Stal niklowa 9% (ASTM A553 Typ 1 lub ASTM A553M) dla doskonałej wytrzymałości. Ostatnio opracowano stale 7% Ni jako alternatywy oszczędzające koszty. Stale te spełniają kryteria udarności Charpy'ego (np. ≥34 J wzdłużnie w temperaturze –196 °C dla A553T1) zgodnie z Załącznikiem Q API 620. Zewnętrzne zbiorniki magazynowe (lub dach i fundamenty) mogą być wykonane ze zwykłej stali węglowej w temperaturach otoczenia.

Różnice konstrukcyjne obejmują zbiorniki o podwójnych ściankach z izolacją i bardziej rygorystyczne wymagania szczelności. API 620 (nie 650) jest zwykle obowiązującym kodeksem dla zbiorników kriogenicznych naziemnych, obejmującym Załącznik Q dla materiałów. Podsumowując, w przypadku obsługi LNG należy zawsze stosować stale kriogeniczne (A553, A553M lub stopy o wyższej zawartości niklu) do płyt zwilżanych; standardowe stale API 650 przeznaczone są wyłącznie na izolowane powłoki zewnętrzne lub obudowy wtórne powyżej temperatury otoczenia.

Zgodność z API 650 (2020)

Zgodność z normą API 650 wymaga przestrzegania zasad kodeksu dotyczących materiałów, projektowania i produkcji:
Grubość blachy i ograniczenia materiałowe: Przestrzegaj sekcji 4.2.1.4: maksymalna grubość powłoki 45 mm. Użyj limitów grubości sekcji 4.2.2 dla każdego gatunku (na przykład A537 może być grubszy niż A516). Określ klasy płyt, które spełniają wymagane testy udarności dla oczekiwanej temperatury roboczej.
Badania nieniszczące i spawanie: Wykonaj radiografię 100% dla połączeń powłoka-powłoka i pierścieniowych. Spoiny dachowe i podłogowe wymagają 100% MPI/penetranta barwnikowego. Postępuj zgodnie z sekcją 8 normy API 650 w celu uzyskania kwalifikacji spawacza (ASME IX), przygotowania połączeń i testowania.
Zasady projektowania: Użyj sekcji 5 i dodatków (np. Załącznika F/V), aby obliczyć grubość powłok i dachów. Upewnij się, że szerokość płyty pierścieniowej wynosi ≥600 mm. Rozmiar płyt dolnych musi spełniać limity ugięcia i wyboczenia. Wymiaruj odległości między zakładkami spoin/krawędziami zgodnie z sekcją 5.1.5 i 5.5.
Dokumentacja: Tabliczka znamionowa zbiornika i dokumentacja muszą zawierać „API 650 – Dwunasta edycja” (edycja z 2020 r. jest 13.). Przechowuj raporty z testów walcowniczych dla wszystkich płyt (chemicznych, mechanicznych, udarnościowych) i zapisy spawania. W razie potrzeby uzyskaj kontrolę strony trzeciej, szczególnie w przypadku połączeń krytycznych.
Naddatek na korozję: W obliczeniach należy zawsze uwzględnić odpowiednią wartość CA (często 2–5 mm) w celu uwzględnienia korozji i potencjalnych wad powierzchni walcowanej.

Wyzwania i najlepsze praktyki

Jakość i odkształcenia spoin: Grube płyty (>10 mm) wymagają wstępnego podgrzania i kontrolowanej temperatury międzyściegowej. Użyj spawania sekwencyjnego lub kontroli skurczu, aby zminimalizować odkształcenia. Spoiny czołowe o pełnej penetracji muszą być wykonane bez wad. Sprawdź wszystkie ukończone spoiny (szczególnie w połączeniach powłoki i pierścienia) za pomocą NDT.
Ochrona antykorozyjna: Wybierz materiały platerowane zgodne z przechowywanym produktem lub zastosuj powłoki (epoksydowe lub gruntowe z dużą zawartością cynku). Dolne płyty często mają kontakt z wodą lub ciałami stałymi, więc można zastosować wyższy dodatek antykorozyjny lub wykładziny odporne na ścieranie.
Dostępność materiałów i termin realizacji: Płyty o dużej średnicy lub bardzo grube są specjalistyczne. Planuj zakupy z wyprzedzeniem kilkumiesięcznym. Jeśli importujesz, zweryfikuj standardy jakości (np. nie zakładaj, że SS400 równa się A36). Współpracuj z dostawcami, aby upewnić się, że certyfikaty spełniają wymagania API.
Kolejność budowy: Zainstaluj pierścień pierścieniowy wcześnie, używając mocnego oparcia lub tymczasowych rozpór, aby utrzymać wyrównanie powłoki. Użyj dźwigara wiatrowego (pierścienia przypominającego rusztowanie) podczas wznoszenia powłoki, aby zachować okrągły kształt. Jeśli to możliwe, wstępnie zmontuj panele dachowe na ziemi, a następnie podnieś je na gotową powłokę.
Dostosowania terenowe: Odchylenia na miejscu (np. osiadanie fundamentu lub niewielkie odchylenie od osi) powinny być kompensowane za pomocą podkładek, śrub kotwiących z rowkiem lub cięć kołnierzy, a nie przez ponowne walcowanie płyt. Przed ostatecznym spawaniem sprawdź płaskość płyt dolnych, aby zapewnić szczelność.

Wniosek

Rozumiejąc rolę każdego typu płyty i przestrzegając zasad API 650, zespoły EPC/EPCM mogą projektować i budować bezpieczne, zgodne z przepisami zbiorniki. Właściwy dobór materiałów (od A36 do A553), staranne spawanie i dbałość o szczegóły kodowe (szerokość płyty i jakość spoiny) są niezbędne do zapewnienia trwałości zbiorników na ropę naftową i LNG. Jeśli masz zapytania ofertowe dotyczące płyt stalowych do projektów zbiorników morskich, nie wahaj się skontaktować z nami pod adresem [email protected] aby uzyskać konkurencyjną i profesjonalną wycenę!