Tipos essenciais de placas de tanque em tanques de armazenamento API 650

Os tanques de armazenamento de óleo e GNL (API 650) são construídos a partir de quatro tipos principais de placas: Concha, Fundo (piso), Anular, e Teto Placas. Cada uma desempenha uma função estrutural distinta. As placas do casco formam a parede cilíndrica e resistem a tensões axiais e de arco; as placas do fundo formam o piso do tanque e suportam a carga líquida; as placas anulares são as placas em forma de anel na junção casco-piso que fazem a transição das cargas para o casco; e as placas do teto cobrem o tanque com um teto cônico/domo fixo. A seleção e o projeto de cada placa devem levar em consideração as demandas de carga, os métodos de soldagem, a tolerância à corrosão e a disponibilidade de material.

Placas de concha

As placas de revestimento formam as paredes verticais do tanque. Elas são cortadas e laminadas em cursos – faixas horizontais que se empilham até a altura total. A espessura é calculada a partir da tensão do arco devido à carga líquida, mais a tolerância à corrosão. De acordo com a API 650, as placas de revestimento são limitadas a um máximo de 45milímetros (1,75 pol.) de espessura. Se as tensões de projeto ou a resistência do material exigirem mais de 45 mm, deve-se utilizar um material de maior resistência (aço dos Grupos IV-VI). Os materiais comuns incluem ASTM A36 ou EN S235JR (concentração de ~250 MPa) para tanques de menor altura, e A516 Gr 70, A537 CL2 ou EN S355 (355 MPa) para tanques mais altos ou mais exigentes. As chapas de revestimento devem ser acalmadas com aço e de granulação fina para soldabilidade.

Desafios e Soluções: Chapas de casca grossa são pesadas e difíceis de laminar e soldar sem distorção. Os fabricantes frequentemente pré-dobram as chapas e utilizam soldagem sequencial com temperatura entre passes controlada para controlar a deformação. Todas as costuras de solda verticais devem ser radiografadas conforme API 650 Seção 8.3; soldas horizontais (circunferenciais) e soldas de placas anulares também requerem radiografia. Aços de grau A36 ou similares não apresentam tenacidade ao impacto em baixas temperaturas; portanto, em climas frios, os projetistas optam por aços temperados para baixas temperaturas (por exemplo, ASTM A553) ou garantem testes de impacto. Por fim, a casca é ancorada à fundação do tanque por meio de cadeiras de ancoragem soldadas à placa anular ou à base da casca.

Placas de fundo (piso)

As placas de fundo formam o piso do tanque e devem suportar a carga hidrostática e os eventos de vácuo. Múltiplas placas de aço (6 a 12 mm de espessura, mais a margem de corrosão) normalmente cobrem todo o fundo do tanque. Os layouts padrão incluem "placas de piso" sobrepostas e um sistema mais pesado. placa anular ao redor da borda. As placas repousam sobre um anel de fundação de concreto ou estacas. As placas inferiores são soldadas em uma grade; soldas de topo quadradas ou com ranhura chanfrada são usadas para penetração total, conforme exigido pela API 650 (Seção 5.1.5.5). Faixas de suporte soldadas por pontos (≥ 3 mm de espessura) podem ser usadas para manter as aberturas de raiz. A largura nominal das placas retangulares e de esboço deve ser ≥1800 mm, salvo acordo em contrário do comprador. A espessura necessária das placas inferiores é a espessura corroída mais a tolerância à corrosão.

Considerações de design: As placas de fundo devem ser planas e niveladas para evitar a formação de poças. Elas são equipadas com soldas de vedação no casco ou na placa anular. De acordo com a API 650, as soldas de topo da placa de fundo são frequentemente dispostas paralelamente ao casco para facilitar o vazamento da âncora. Padrões inclinados em "espinha de peixe" ou layouts radiais também podem ser usados. Os tanques podem incluir um cárter bolso no centro para drenagem.

Desafios e Soluções: O revestimento inferior deve resistir à pressão positiva (carga hidrostática) e à pressão negativa (vácuo). A falta de vácuo pode causar colapso, portanto, os projetistas incluem válvulas de alívio de vácuo e consideram reforços (por exemplo, placas de compensação). A distorção da soldagem é mitigada pela contenção das placas e soldagem simétrica. O controle de qualidade é crucial: embora as soldas do teto e do fundo não sejam normalmente radiografadas, todas as conexões entre o casco e o fundo e juntas do piso recebem inspeção por partículas magnéticas 100% ou por líquido penetrante de tinta para garantir a estanqueidade. Os prazos de entrega podem ser longos para placas de piso grandes (especialmente anéis anulares espessos), portanto, recomenda-se a compra antecipada.

Placas Anulares

Placas anulares são o anel de placas imediatamente dentro do casco do tanque, na camada inferior. Elas transferem as cargas do casco para o piso, fornecendo um ponto de fixação para os ângulos da base do casco e cadeiras de ancoragem. De acordo com a API 650 Seção 5.5.2, placas anulares deve ter pelo menos 600milímetros (24em) de largura (medido radialmente) da carcaça a qualquer junta sobreposta quando o diâmetro do tanque for ≥30 m (100 pés) ou quando o curso da carcaça inferior for projetado usando a tensão admissível para os materiais do Grupo IV, IVA, V ou VI. Na prática, os projetistas geralmente fazem placas anulares significativamente mais espessas do que as placas do piso interno (por exemplo, 12–16 mm em vez de 6–8 mm) para lidar com as altas forças circunferenciais.

Soldagem e juntas: Juntas radiais de placa anular devem ser soldas de topo de penetração totalUma faixa de reforço contínua (mín. 3 mm) é permitida abaixo dessas soldas, mas a solda deve ser sem falhas. Para tanques com diâmetro superior a 30 m ou utilizando aço de casco de alta resistência (Grupo IV-VI), a API 650 exige placas anulares soldadas a topo. Tanques menores ou caixas de baixa tensão podem permitir placas "sketch" soldadas por sobreposição, mas os inspetores geralmente preferem o anel soldado a topo por questões de segurança. A borda interna do anel anular pode ser cortada reta ou poligonal; pela definição da API, a circunferência interna pode formar um polígono regular com tantos lados quanto placas.

Desafios e Soluções: Como as placas anulares são grandes e espessas, elas são pesadas e difíceis de transportar. O alinhamento com a carcaça no local é fundamental. Os fabricantes frequentemente as soldam de topo à carcaça na oficina ou no início da montagem em campo — montagem e soldagem cuidadosas (pré-aquecimento, se necessário) controlam a entrada de calor. O anel anular é um ponto crítico para risco de vazamento se for subdimensionado ou mal soldado, por isso muitos engenheiros adicionam uma margem extra de corrosão e um NDE completo (radiografia ou PAUT) nessas juntas.

Placas de telhado

Telhados fixos (cones ou cúpulas) cobrem os tanques acima do solo. As placas do telhado são painéis de metal soldados entre si e fixados a um ângulo superior do meio-fio na estrutura. A API 650 divide o projeto do telhado em três casos de carga: pressão interna (fórmula de tensão do Anexo F), cargas externas (flambagem do Anexo F) e cargas gerais (Seção 5.10). Na prática, a espessura da chapa do telhado é frequentemente determinada pela flambagem sob o peso do telhado ou pelo vento, não pela pressão interna. A API 650 exige uma espessura nominal da chapa do telhado ≥ 5mm (3/16em) mais tolerância à corrosão. Telhados cônicos rasos podem usar aço de 6 a 10 mm; telhados abobadados geralmente usam de 8 a 12 mm.

Construção: As placas do telhado são cortadas em um padrão de "fatias de torta" (com um polígono igual ao número de placas) ou em anéis concêntricos. As placas são soldadas entre si por soldas de filete sobrepostas ou soldas de topo chanfradas, com soldas de filete contínuas apenas na parte superior. As placas devem ser totalmente apoiadas no perímetro. Para telhados com cones apoiados, a API 650 Sec. 5.10 exige que as placas não sejam soldadas às vigas (elas repousam sobre elas), para permitir um leve movimento. Todos os painéis do telhado são fixados ao ângulo do meio-fio com soldas de filete contínuas na parte superior.

Desafios e Soluções: As chapas do telhado são mais finas e frequentemente deformadas pela soldagem, por isso os construtores fabricam o telhado no solo em seções ou utilizam estruturas de elevação. O controle dimensional é fundamental para evitar folgas. Como as soldas do telhado geralmente apresentam menor tensão, a API não exige radiografia nas soldas das chapas do telhado, mas a inspeção visual/MPI 100% é padrão. O aço para telhados geralmente é A36 ou similar; raramente é necessária alta resistência, a menos que grandes vãos de telhado exijam maior resistência à flambagem.

Materiais e especificações das placas

A API 650 agrupa os aços laminados por tensão admissível e aplicação. Os materiais comumente especificados para chapas de tanques incluem:

Padrões ASTM

ASTM A36 (rendimento de 26 ksi, ~250 MPa) – Amplamente utilizado para cascos e fundos em condições moderadas. É barato e amplamente disponível, embora inadequado para ambientes frios, a menos que seja testado contra impacto.
ASTM A283 Gr. C (também ~205–290 MPa) – Um aço estrutural geral, às vezes usado em tanques de baixa altura.
ASTM A285 Gr. C (Placa para Vasos de Pressão, 195–260 MPa) – Aprovada pela API 650, mas limitada a seções mais finas. Mais dúctil, geralmente uma alternativa de menor custo.
ASTM A516 Gr. 70 (Placa para Vasos de Temperatura Moderada/Baixa, resistência à tração de 485 MPa) – Comum para cascos/fundos de maior resistência. Possui tenacidade superior à A36.
ASTM A537 CL.2 (placa de vaso de pressão, rendimento de ~450 MPa) – Maior resistência e tenacidade para tanques grandes.
ASTM A553 (Tipos 1 e 2) – Placa de carbono-manganês de baixa temperatura (ligada a níquel) para serviço criogênico. O A553 Tipo 1 (≈9% Ni) é especificado no Apêndice Q da API 620 para tanques de GNL.

Norma EN

EN 10025 S235JR / S355JR – Aços estruturais europeus aproximadamente equivalentes ao A36 (S235JR) e ao A572/A656 (S355JR), de maior resistência. Observe que a API 650 exige classes de impacto J0 ou J2 (testadas a 0 °C ou -20 °C) para S275/S355; a classe "JR" comum (testada apenas a 20 °C) não é permitida para chapas mais espessas.

Padrão JIS

JIS G3101 SS400 / SS490 – Aços estruturais equivalentes japoneses (YS 205–245 MPa e 245–295 MPa). O SS400 é mais fraco que o A36, por isso alguns projetistas evitam a substituição direta, a menos que a espessura seja aumentada.

Outras Normas Nacionais

A API 650 permite “padrões nacionais reconhecidos” se as propriedades mecânicas e os limites químicos atenderem aos critérios dos Grupos I a VI. Por exemplo, os graus CSA G40.21 (Canadá) 300W/350W, ou ISO 630 S275/S355, são frequentemente aceitos.

Para todas as chapas, a Seção 4 da API 650 exige que o aço seja completamente desoxidado e que a granulação seja fina, com controle cuidadoso de C, Mn, P, S, etc. Materiais de grau superior (Grupos IV-VI) frequentemente necessitam de ensaios de impacto específicos a 0 °C ou -20 °C, mesmo para serviço à temperatura ambiente, para evitar fratura frágil em condições de perturbação. Ao selecionar aço estrangeiro, verifique, por meio de certificados de ensaio de usinagem, se a composição e a qualidade do impacto atendem aos requisitos da API 650. (Por exemplo, o aço inoxidável SS400 chinês pode ter menor energia de impacto do que o aço inoxidável A36.)

Tanques de GNL vs. Petróleo Bruto

Os tanques de armazenamento de GNL operam a -162 °C e impõem requisitos de material muito mais rigorosos. As placas API 650 convencionais (A36, A516, etc.) tornam-se quebradiças em temperaturas criogênicas. Em vez disso, tanques internos ou cestos para GNL frequentemente utilizam Aço Ni 9% (ASTM A553 Tipo 1 ou ASTM A553M) para excelente tenacidade. Recentemente, aços 7% Ni foram desenvolvidos como alternativas econômicas. Esses aços atendem aos critérios de impacto Charpy (por exemplo, ≥34 J longitudinal a –196 °C para A553T1) conforme o Apêndice Q da API 620. Tanques de armazenamento externos (ou teto e fundações) podem utilizar aço carbono comum em temperatura ambiente.

As diferenças de projeto incluem tanques de parede dupla com isolamento e requisitos de estanqueidade mais rigorosos. A API 620 (não a 650) é geralmente o código que rege tanques criogênicos acima do solo, incorporando o Apêndice Q para materiais. Em resumo, para serviço de GNL, use sempre aços de grau criogênico (A553, A553M ou ligas de níquel superior) para as placas molhadas; os aços padrão API 650 são somente para a camada externa isolada ou contenção secundária acima do ambiente.

Conformidade com API 650 (2020)

Garantir a conformidade com a API 650 envolve seguir as regras de material, design e fabricação do código:
Espessura da chapa e limites do material: Cumpra a Seção 4.2.1.4: espessura máxima da casca de 45 mm. Utilize os limites de espessura da Seção 4.2.2 por grau (por exemplo, A537 pode ser mais espesso que A516). Especifique as classes de chapa que atendem aos testes de impacto exigidos para a temperatura de serviço esperada.
NDE e soldagem: Realizar radiografia 100% para juntas casco-a-casco e anulares. Soldas de teto e piso requerem 100% MPI/tingente penetrante. Siga a API 650 Seção 8 para qualificação de soldadores (ASME IX), preparação de juntas e testes.
Regras de design: Utilize a Seção 5 e os Apêndices (por exemplo, Anexo F/V) para calcular a espessura de cascas e tetos. Certifique-se de que a largura da chapa anular seja ≥ 600 mm. Dimensione as chapas inferiores para atender aos limites de deflexão e flambagem. Dimensione as distâncias entre as sobreposições e bordas da solda conforme as Seções 5.1.5 e 5.5.
Documentação: A placa de identificação e a documentação do tanque devem mencionar "API 650 – Décima Segunda Edição" (a edição de 2020 é a 13ª). Mantenha relatórios de testes de usinagem para todas as placas (químicos, mecânicos, de impacto) e registros de soldagem. Obtenha inspeção terceirizada conforme necessário, especialmente para juntas críticas.
Tolerância à corrosão: Adicione sempre o CA apropriado (geralmente 2–5 mm) à espessura da chapa nos cálculos para levar em conta a corrosão e potenciais defeitos na superfície do laminador.

Desafios e Melhores Práticas

Qualidade e distorção da solda: Chapas espessas (>10 mm) requerem pré-aquecimento e temperatura de interpasse controlada. Utilize soldagem sequencial ou controle de contração para minimizar o empenamento. Soldas de topo com penetração total devem ser obtidas sem defeitos. Inspecione todas as soldas concluídas (especialmente em juntas de casca e anulares) com END.
Proteção contra corrosão: Escolha materiais revestidos compatíveis com o produto armazenado ou aplique revestimentos (epóxi ou primer rico em zinco). As placas inferiores frequentemente apresentam contato com água ou sólidos, portanto, uma maior tolerância à corrosão ou revestimentos resistentes à abrasão podem ser utilizados.
Disponibilidade do material e prazo de entrega: Chapas de grande diâmetro ou extragrossas são especializadas. Planeje a aquisição com meses de antecedência. Se for importar, verifique os padrões de qualidade (por exemplo, não presuma que SS400 seja igual a A36). Trabalhe com os fornecedores para garantir que as certificações atendam aos requisitos da API.
Sequenciamento de construção: Instale o anel anular com antecedência, utilizando uma estrutura de suporte resistente ou suportes temporários para manter o alinhamento da estrutura. Utilize uma viga de sustentação (anel semelhante a um andaime) durante a montagem da estrutura para manter o formato circular. Se possível, pré-monte os painéis do telhado no solo e, em seguida, levante-os sobre a estrutura finalizada.
Ajustes de campo: Desvios no local (por exemplo, recalque da fundação ou ligeiro desalinhamento) devem ser corrigidos por placas de calço, chumbadores ranhurados ou cortes de flange, e não por placas de relaminagem. Verifique a planura das placas inferiores antes da soldagem final para garantir a estanqueidade.

Conclusão

Ao compreender a função de cada tipo de placa e seguir as normas da API 650, as equipes de EPC/EPCM podem projetar e construir tanques seguros e em conformidade. A seleção adequada de materiais (de A36 a A553), a prática diligente de soldagem e a atenção aos detalhes da norma (largura da placa e qualidade da solda) são essenciais para tanques duráveis de petróleo bruto e GNL. Se você tiver solicitações de cotação de chapas de aço para projetos de tanques marítimos, não hesite em nos contatar em [email protected] para um orçamento competitivo e profissional!