Các loại tấm bình chứa thiết yếu trong bồn chứa API 650

Bồn chứa dầu và LNG (API 650) được chế tạo từ bốn loại tấm chính: Vỏ bọc, Đáy (sàn), Hình khuyên, Và Mái nhà Các tấm. Mỗi tấm có vai trò cấu trúc riêng biệt. Các tấm vỏ tạo thành thành hình trụ và chịu ứng suất vòng và ứng suất trục; các tấm đáy tạo thành sàn bể và chịu tải chất lỏng; các tấm vành là các tấm hình vòng tại mối nối vỏ-sàn truyền tải tải vào vỏ; và các tấm mái che bể bằng mái hình nón/vòm cố định. Việc lựa chọn và thiết kế từng tấm phải tính đến nhu cầu tải, phương pháp hàn, dung sai ăn mòn và tính khả dụng của vật liệu.

Tấm vỏ

Các tấm vỏ tạo thành các bức tường thẳng đứng của bể. Chúng được cắt và cán thành các khóa học – các dải ngang xếp chồng lên nhau theo chiều cao đầy đủ. Độ dày được tính toán từ ứng suất vòng do áp suất chất lỏng, cộng với dung sai ăn mòn. Theo API 650, các tấm vỏ được giới hạn ở mức tối đa 45mm (1,75 in) dày. Nếu ứng suất thiết kế hoặc độ bền vật liệu đòi hỏi nhiều hơn 45 mm, phải sử dụng vật liệu có độ bền cao hơn (thép Nhóm IV–VI). Các vật liệu phổ biến bao gồm ASTM A36 hoặc EN S235JR (giới hạn chảy ~250 MPa) cho các bồn chứa có chiều cao thấp hơn và A516 Gr 70, A537 CL2 hoặc EN S355 (355 MPa) cho các bồn chứa cao hơn hoặc đòi hỏi khắt khe hơn. Các tấm vỏ phải được phủ thép và có hạt mịn để có thể hàn được.

Thách thức và giải pháp: Các tấm vỏ dày nặng và khó cán và hàn mà không bị biến dạng. Các nhà sản xuất thường uốn cong trước các tấm và sử dụng phương pháp hàn tuần tự với nhiệt độ xen kẽ được kiểm soát để kiểm soát biến dạng. Tất cả các mối hàn thẳng đứng phải được chụp X-quang theo API 650 Mục 8.3; các mối hàn ngang (chu vi) và các mối hàn tấm vành khuyên cũng cần chụp X-quang. Thép cấp A36 hoặc các loại thép tương tự không có độ bền va đập ở nhiệt độ thấp, vì vậy ở những vùng có khí hậu lạnh, các nhà thiết kế chuyển sang thép tôi ở nhiệt độ thấp (ví dụ: ASTM A553) hoặc đảm bảo thử nghiệm va đập. Cuối cùng, vỏ được neo vào nền bể thông qua các ghế neo được hàn vào tấm vành khuyên hoặc đế vỏ.

Tấm đáy (sàn)

Các tấm đáy tạo thành sàn bể và phải chịu được tải trọng thủy tĩnh và các sự kiện chân không. Nhiều tấm thép (dày 6–12 mm cộng với dung sai ăn mòn) thường bao phủ toàn bộ đáy bể. Các bố trí tiêu chuẩn bao gồm các “tấm sàn” chồng lên nhau và một tấm hình khuyên quanh mép. Các tấm nằm trên một vòng móng bê tông hoặc cọc. Các tấm đáy được hàn lại với nhau theo dạng lưới; mối hàn đối đầu vuông hoặc rãnh vát được sử dụng để xuyên thấu hoàn toàn, theo yêu cầu của API 650 (Mục 5.1.5.5). Có thể sử dụng các dải lót hàn cố định (dày ≥3 mm) để duy trì các lỗ mở của rễ. Chiều rộng danh nghĩa của cả tấm hình chữ nhật và tấm phác thảo phải ≥1800mm trừ khi có thỏa thuận khác của người mua. Độ dày yêu cầu của tấm đáy là độ dày bị ăn mòn cộng với dung sai ăn mòn.

Những cân nhắc về thiết kế: Tấm đáy phải phẳng và bằng phẳng để tránh đọng nước. Chúng được lắp mối hàn kín vào vỏ hoặc tấm vành khuyên. Theo API 650, mối hàn đối đầu tấm đáy thường được bố trí song song với vỏ để dễ đổ neo hơn. Các mẫu "xương cá" nghiêng hoặc bố trí hình bán kính cũng có thể được sử dụng. Bể chứa có thể bao gồm thùng chứa nước túi ở giữa để thoát nước.

Thách thức và giải pháp: Tấm đáy phải chịu được áp suất dương (áp suất thủy tĩnh) và áp suất âm (chân không). Chân không bị hỏng có thể gây ra sự sụp đổ, do đó các nhà thiết kế bao gồm van xả chân không và xem xét gia cố (ví dụ: tấm bù). Biến dạng hàn được giảm thiểu bằng cách hạn chế các tấm và hàn đối xứng. Kiểm soát chất lượng là rất quan trọng: trong khi các mối hàn trên mái và đáy thường không được chụp X-quang, tất cả các kết nối vỏ-đáy và các mối nối sàn đều được kiểm tra bằng hạt từ tính hoặc thuốc nhuộm thẩm thấu 100% để đảm bảo độ kín không bị rò rỉ. Thời gian giao hàng có thể dài đối với các tấm sàn lớn (đặc biệt là các vòng khuyên dày), do đó nên mua sớm.

Tấm hình khuyên

Tấm vòng là vòng các tấm nằm ngay bên trong vỏ bể ở lớp đáy. Chúng truyền tải trọng vỏ vào sàn, tạo điểm gắn cho các góc đế vỏ và ghế neo. Theo API 650 Mục 5.5.2, tấm vòng phải ít nhất là 600mm (24rộng (được đo theo hướng xuyên tâm) từ vỏ đến bất kỳ mối nối chồng nào khi đường kính bể ≥30m (100 ft) hoặc khi lớp vỏ đáy được thiết kế bằng cách sử dụng ứng suất cho phép đối với vật liệu trong Nhóm IV, IVA, V hoặc VI. Trên thực tế, các nhà thiết kế thường làm các tấm vành khuyên dày hơn đáng kể so với các tấm sàn bên trong (ví dụ: 12–16 mm thay vì 6–8 mm) để chịu được lực chu vi lớn.

Hàn và mối nối: Mối nối xuyên tâm dạng vòng phải là mối hàn đối đầu xuyên thấu hoàn toàn. Một dải đệm liên tục (tối thiểu 3 mm) được phép bên dưới các mối hàn này, nhưng mối hàn phải không có khuyết tật. Đối với các bồn chứa có đường kính >30 m hoặc sử dụng thép vỏ cường độ cao (Nhóm IV–VI), API 650 yêu cầu các tấm vành khuyên hàn đối đầu. Các bồn chứa nhỏ hơn hoặc các trường hợp ứng suất thấp có thể cho phép các tấm "phác thảo" hàn chồng, nhưng các thanh tra viên thường thích vòng hàn đối đầu vì sự an toàn. Cạnh trong của vòng vành khuyên có thể được cắt thẳng hoặc đa giác; theo định nghĩa của API, chu vi bên trong có thể tạo thành một đa giác đều với nhiều cạnh bằng các tấm.

Thách thức và giải pháp: Vì các tấm vành khuyên lớn và dày nên chúng nặng và khó vận chuyển. Việc căn chỉnh tại chỗ với vỏ là rất quan trọng. Các nhà chế tạo thường hàn đối đầu chúng vào vỏ trong xưởng hoặc trong giai đoạn đầu lắp dựng tại hiện trường—lắp ráp và hàn cẩn thận (làm nóng trước nếu cần), kiểm soát nhiệt lượng đầu vào. Vòng vành khuyên là điểm nóng về nguy cơ rò rỉ nếu kích thước quá nhỏ hoặc hàn kém, vì vậy nhiều kỹ sư thêm một khoản phụ cấp ăn mòn và NDE (chụp X-quang hoặc PAUT) kỹ lưỡng vào các mối nối này.

Tấm lợp mái

Mái cố định (hình nón hoặc mái vòm) che phủ các bể chứa trên mặt đất. Tấm mái là các tấm kim loại được hàn lại với nhau và gắn vào một góc lề đường trên cùng trên vỏ. API 650 chia thiết kế mái thành ba trường hợp tải: áp suất bên trong (công thức kéo Phụ lục F), tải trọng bên ngoài (Phụ lục F uốn cong) và tải trọng chung (Mục 5.10). Trong thực tế, độ dày của tấm mái thường được điều chỉnh bởi độ uốn cong dưới trọng lượng mái hoặc gió, không phải bởi áp suất bên trong. API 650 yêu cầu độ dày danh nghĩa của tấm mái ≥ 5mm (3/16TRONG) cộng với phụ cấp ăn mòn. Mái hình nón nông có thể sử dụng thép 6–10 mm; mái vòm thường sử dụng thép 8–12 mm.

Sự thi công: Tấm lợp được cắt theo kiểu “lát cắt bánh” (với đa giác bằng số tấm) hoặc theo vòng đồng tâm. Các tấm lợp được hàn lại với nhau bằng mối hàn góc chồng mí hoặc mối hàn góc vát, với mối hàn góc liên tục chỉ ở mặt trên. Các tấm lợp phải được hỗ trợ hoàn toàn ở chu vi. Đối với mái hình nón được hỗ trợ, API 650 Mục 5.10 yêu cầu không được hàn các tấm lợp vào xà nhà (thay vào đó, chúng nằm trên xà nhà), để cho phép chuyển động nhẹ. Tất cả các tấm lợp được gắn vào góc lề đường bằng mối hàn góc liên tục ở mặt trên.

Thách thức và giải pháp: Tấm lợp mỏng hơn và thường bị biến dạng do hàn, vì vậy thợ xây dựng chế tạo mái trên mặt đất theo từng phần hoặc sử dụng khung nâng. Kiểm soát kích thước là rất quan trọng để tránh khoảng trống. Vì mối hàn mái thường có ứng suất thấp hơn, API không yêu cầu chụp X-quang trên mối hàn tấm lợp, nhưng kiểm tra trực quan/MPI 100% là tiêu chuẩn. Thép lợp mái thường là A36 hoặc tương tự; hiếm khi cần cường độ cao trừ khi nhịp mái lớn đòi hỏi cường độ uốn cong cao hơn.

Vật liệu và thông số kỹ thuật của tấm

API 650 nhóm thép tấm theo ứng suất và ứng dụng cho phép. Các vật liệu thường được chỉ định cho tấm bể bao gồm:

Tiêu chuẩn ASTM

ASTM A36 (năng suất 26 ksi, ~250 MPa) – Được sử dụng rộng rãi cho vỏ và đáy trong điều kiện vừa phải. Nó không đắt và có sẵn rộng rãi, mặc dù không phù hợp với môi trường lạnh trừ khi được thử nghiệm va đập.
ASTM A283 Nhóm C (cũng ~205–290 MPa) – Một loại thép kết cấu chung đôi khi được sử dụng cho các bể chứa có chiều cao thấp.
ASTM A285 Gr. C (Tấm cho bình chịu áp suất, 195–260 MPa) – Được API 650 chấp thuận nhưng chỉ giới hạn ở các phần mỏng hơn. Dẻo dai hơn, thường là giải pháp thay thế có chi phí thấp hơn.
ASTM A516 Nhóm 70 (Tấm cho bình chịu nhiệt độ trung bình/thấp hơn, lực kéo 485 MPa) – Thường dùng cho vỏ/đáy có độ bền cao hơn. Có độ bền tốt hơn A36.
Tiêu chuẩn ASTM A537 CL.2 (tấm bình chịu áp suất, năng suất ~450 MPa) – Độ bền và độ dẻo dai cao hơn cho các bể chứa lớn.
Tiêu chuẩn ASTMA553 (Loại 1 & 2) – Tấm cacbon-mangan nhiệt độ thấp (hợp kim niken) dùng cho dịch vụ đông lạnh. A553 Loại 1 (≈9% Ni) được chỉ định trong Phụ lục Q của API 620 dành cho bồn chứa LNG.

Tiêu chuẩn EN

EN 10025 S235JR / S355JR – Thép kết cấu châu Âu tương đương với A36 (S235JR) và A572/A656 (S355JR) có độ bền cao hơn. Lưu ý rằng API 650 yêu cầu cấp độ thử nghiệm va đập J0 hoặc J2 (thử nghiệm ở 0 °C hoặc -20 °C) đối với S275/S355; cấp độ “JR” thông thường (chỉ thử nghiệm ở 20 °C) không được phép đối với các tấm dày hơn.

Tiêu chuẩn JIS

JIS G3101 SS400 / SS490 – Thép kết cấu tương đương của Nhật Bản (YS 205–245 MPa và 245–295 MPa). SS400 yếu hơn A36, vì vậy một số nhà thiết kế tránh thay thế trực tiếp trừ khi tăng độ dày.

Tiêu chuẩn quốc gia khác

API 650 cho phép “tiêu chuẩn quốc gia được công nhận” nếu các tính chất cơ học và giới hạn hóa học đáp ứng các tiêu chí Nhóm I–VI của API 650. Ví dụ, các cấp CSA G40.21 (Canada) 300W/350W hoặc ISO 630 S275/S355 thường được chấp nhận.

Đối với tất cả các tấm, Mục 4 của API 650 yêu cầu thép phải được khử oxy (khử oxy hoàn toàn) và thực hành chế tạo hạt mịn, với sự kiểm soát cẩn thận C, Mn, P, S, v.v. Các vật liệu cấp cao hơn (Nhóm IV–VI) thường cần thử nghiệm va đập cụ thể ở 0 °C hoặc -20 °C, ngay cả khi sử dụng ở nhiệt độ môi trường, để tránh gãy giòn trong điều kiện va đập. Khi lựa chọn thép nước ngoài, hãy xác minh thông qua các chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy để đảm bảo thành phần và chất lượng va đập đáp ứng các yêu cầu của API 650. (Ví dụ, thép SS400 của Trung Quốc có thể có năng lượng va đập thấp hơn thép A36.)

Bồn chứa LNG so với bồn chứa dầu thô

Bồn chứa LNG hoạt động ở nhiệt độ -162 °C và áp dụng các yêu cầu vật liệu khắt khe hơn nhiều. Các tấm API 650 thông thường (A36, A516, v.v.) trở nên giòn ở nhiệt độ đông lạnh. Thay vào đó, các bồn chứa hoặc giỏ bên trong cho LNG thường sử dụng Thép Ni 9% (ASTM A553 Loại 1 hoặc ASTM A553M) cho độ bền tuyệt vời. Gần đây, thép 7% Ni đã được phát triển như một giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí. Các loại thép này đáp ứng tiêu chí va đập Charpy (ví dụ: ≥34 J theo chiều dọc ở –196 °C đối với A553T1) theo Phụ lục Q của API 620. Các bồn chứa bên ngoài (hoặc mái và móng) có thể sử dụng thép cacbon thông thường ở nhiệt độ môi trường.

Sự khác biệt về thiết kế bao gồm các bể chứa hai lớp có lớp cách nhiệt và các yêu cầu chống rò rỉ nghiêm ngặt hơn. API 620 (không phải 650) thường là mã quản lý cho các bể chứa đông lạnh trên mặt đất, kết hợp Phụ lục Q cho vật liệu. Tóm lại, đối với dịch vụ LNG, luôn sử dụng thép cấp độ lạnh (A553, A553M hoặc hợp kim niken cao hơn) cho các tấm ướt; thép tiêu chuẩn API 650 chỉ dành cho lớp vỏ ngoài cách nhiệt hoặc lớp chứa thứ cấp cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh.

Tuân thủ API 650 (2020)

Để đảm bảo tuân thủ API 650, cần tuân thủ các quy tắc về vật liệu, thiết kế và chế tạo của bộ quy tắc:
Độ dày tấm và giới hạn vật liệu: Tuân thủ Mục 4.2.1.4: độ dày vỏ tối đa 45 mm. Sử dụng giới hạn độ dày của Mục 4.2.2 cho mỗi cấp (ví dụ: A537 có thể dày hơn A516). Chỉ định các lớp tấm đáp ứng các thử nghiệm va đập bắt buộc cho nhiệt độ hoạt động dự kiến.
NDE và hàn: Thực hiện chụp X-quang 100% cho các mối nối vỏ-vỏ và mối nối hình khuyên. Mối hàn trên mái và sàn cần chất thẩm thấu 100% MPI/thuốc nhuộm. Thực hiện theo API 650 Mục 8 để đánh giá thợ hàn (ASME IX), chuẩn bị mối nối và thử nghiệm.
Quy tắc thiết kế: Sử dụng Mục 5 và Phụ lục (ví dụ: Phụ lục F/V) để tính độ dày cho vỏ và mái. Đảm bảo chiều rộng tấm vành khuyên ≥600 mm. Kích thước tấm đáy để đáp ứng giới hạn độ võng và độ cong vênh. Kích thước khoảng cách mép/chồng mối hàn theo Mục 5.1.5 và 5.5.
Tài liệu: Biển tên và tài liệu của bồn chứa phải trích dẫn “API 650 – Phiên bản thứ mười hai” (phiên bản năm 2020 là phiên bản thứ 13). Lưu giữ báo cáo thử nghiệm tại nhà máy cho tất cả các tấm (hóa học, cơ học, va đập) và hồ sơ hàn. Thực hiện kiểm tra của bên thứ ba khi cần, đặc biệt là đối với các mối nối quan trọng.
Dung sai ăn mòn: Luôn thêm CA thích hợp (thường là 2–5 mm) vào độ dày của tấm trong phép tính để tính đến sự ăn mòn và các khuyết tật tiềm ẩn trên bề mặt máy cán.

Thách thức và Thực hành tốt nhất

Chất lượng mối hàn và độ biến dạng: Các tấm dày (>10 mm) cần được làm nóng trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp. Sử dụng hàn tuần tự hoặc kiểm soát co ngót để giảm thiểu cong vênh. Các mối hàn đối đầu xuyên thấu hoàn toàn phải đạt được mà không có khuyết tật. Kiểm tra tất cả các mối hàn đã hoàn thành (đặc biệt là tại các mối nối vỏ và vòng) bằng NDT.
Bảo vệ chống ăn mòn: Chọn vật liệu mạ tương thích với sản phẩm được lưu trữ hoặc áp dụng lớp phủ (lớp sơn lót giàu kẽm hoặc epoxy). Các tấm đáy thường thấy nước hoặc chất rắn, do đó có thể sử dụng lớp lót chống ăn mòn cao hơn hoặc lớp lót chống mài mòn.
Tính khả dụng của vật liệu và thời gian giao hàng: Các tấm có đường kính lớn hoặc siêu dày là chuyên dụng. Lên kế hoạch mua sắm trước nhiều tháng. Nếu nhập khẩu, hãy xác minh các tiêu chuẩn chất lượng (ví dụ: không cho rằng SS400 bằng A36). Làm việc với các nhà cung cấp để đảm bảo các chứng nhận đáp ứng các yêu cầu của API.
Trình tự xây dựng: Lắp vòng khuyên sớm, sử dụng giá đỡ chắc chắn hoặc giá đỡ tạm thời để giữ cho vỏ thẳng hàng. Sử dụng dầm gió (vòng giống như giàn giáo) trong quá trình dựng vỏ để giữ hình tròn. Khi có thể, hãy lắp ráp trước các tấm lợp trên mặt đất, sau đó nâng chúng lên vỏ đã hoàn thiện.
Điều chỉnh trường: Các sai lệch tại chỗ (ví dụ, lún nền móng hoặc sai lệch nhỏ) phải được điều chỉnh bằng các tấm chêm, bu lông neo có rãnh hoặc cắt bích, không phải bằng cách cán lại các tấm. Kiểm tra độ phẳng của các tấm đáy trước khi hàn cuối cùng để đảm bảo độ kín nước.

Phần kết luận

Bằng cách hiểu vai trò của từng loại tấm và tuân thủ các quy tắc API 650, các nhóm EPC/EPCM có thể thiết kế và xây dựng các bể chứa an toàn, tuân thủ. Lựa chọn vật liệu phù hợp (từ A36 đến A553), thực hành hàn cẩn thận và chú ý đến các chi tiết về quy định (chiều rộng tấm và chất lượng mối hàn) là điều cần thiết để có các bể chứa dầu thô và LNG bền bỉ. Nếu bạn có RFQ tấm thép cho các dự án bể chứa hàng hải, đừng ngần ngại liên hệ với chúng tôi theo địa chỉ [email protected] để có báo giá cạnh tranh và chuyên nghiệp!