Réservoirs métalliques : stockage des liquides à température ambiante

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1 Réservoirs métalliques : stockage des liquides à température ambiante par Régis CHMYOU Ex-Responsable des Études de la Société Entrepose - DB (EDB) et de la Société Nouvelle des Constructions Métalliques de Provence (SN-CMP) du groupe Chicago Bridge and Iron Co (CBI) 1 Réservoirs atmosphériques... BM Généralités Cuve ouverte Fond Poutre raidisseuse et raidissage de robe Réservoirs à toit fixe Généralités Réservoir à toit fixe supporté Réservoir à toit fixe autoportant Pertes par respiration et remplissage Réservoirs à toit flottant Généralités Réservoirs à toit flottant externe Réservoirs à toit flottant interne Joints d étanchéité Pertes par évaporation Codes d étude et de construction Qualités des aciers utilisés Réservoirs sous faible et forte pressions Généralités Réservoirs cylindriques verticaux Généralités Réservoirs avec fond plat ancré Réservoirs avec fond sphérique non ancré Sphéroïdes Ballons cylindriques horizontaux Sphères Codes d étude et de construction Qualités des aciers utilisés Pour en savoir plus... Doc. BM L es réservoirs de stockage à température ambiante constituent la presque totalité des capacités qui forment les parcs de stockage, car, à l évidence, ils représentent la solution logique et naturelle pour stocker les liquides : les produits sont conservés dans l état physique où la température du site les maintient. Dans cette situation et en fonction de leur degré de volatilité, une pression de vapeur plus ou moins importante s établit au-dessus du liquide. Lorsque celle-ci est inférieure à la pression atmosphérique, aucune pression effective n existe dans l enceinte de stockage et on peut alors mettre en œuvre des réservoirs atmosphériques. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM

2 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Si, au contraire, cette pression de vapeur est supérieure à la pression atmosphérique, la capacité de stockage est soumise à une pression interne. C est toujours le cas pour les liquides dont la température au point normal d ébullition est inférieure à la température ambiante. Pour ces produits, il est alors nécessaire de s orienter vers des réservoirs sous pression, étudiés et conçus pour résister à cette contrainte. Nota : L article «Réservoirs métalliques pour stockage des liquides» fait l objet de plusieurs fascicules : Généralités [1] ; Stockages à température ambiante ; Stockages à température contrôle [3]. Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres ; le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules. Le numéro de fascicule est suivi du numéro de paragraphe ou de figure. 1. Réservoirs atmosphériques 1.1 Généralités Ce sont des réservoirs cylindriques verticaux à fond plat que l on peut différencier par le type de couverture. Les cuves ouvertes (figure 1a) ne comportent pas de toit et leur emploi est limité aux quelques liquides que l on peut, sans danger, pour leur qualité ou pour l environnement, exposer à l air libre. Les réservoirs à toit fixe (figure 1b) sont pourvus d un toit et permettent donc une meilleure conservation des liquides volatils, dangereux ou polluants. Les réservoirs à toit flottant (figure 1c) comprennent une structure flottante, directement posée sur le liquide, que l on installe soit dans une cuve ouverte, soit dans un réservoir à toit fixe. Ces réservoirs, en raison de leur remarquable capacité à réduire les évaporations, sont réservés au stockage des produits les plus volatils. La capacité maximale de ces réservoirs atmosphériques peut être très importante. Elle est seulement limitée par la hauteur et le diamètre qu il est possible de réaliser. Le choix de la hauteur est lié à la nature du terrain car les réservoirs reposent à même le sol. En tenant compte de la résistance moyenne des sols habituellement rencontrés, elle est le plus souvent comprise entre 14 et 22 m. Bien entendu, le diamètre maximal sera limité par la surface du terrain disponible, mais également par l épaisseur maximale autorisée par les codes de construction pour la partie basse de la robe. Cette épaisseur est généralement fixée à 45 mm par la plupart des codes existants. Pour les réservoirs à toit fixe, le choix du type de toit peut également constituer une limitation du diamètre. a cuve ouverte Charpente à poteaux Charpentes autoportantes b réservoirs à toit fixe Tableau 1 Capacités maximales déterminées à partir des règles du CODRES, avec une épaisseur de robe en acier de 45 mm Hauteur de la robe 14 m 20 m 22 m Volume et diamètre approximatifs R e = 315 N/mm 2 (1) R e = 335 N/mm 2 (1) m 3 (Æ = 140 m) m 3 (Æ = 100 m) m 3 (Æ = 90 m) (1) R e limite d élasticité minimale de l acier m 3 (Æ = 150 m) m 3 (Æ = 105 m) m 3 (Æ = 95 m) Toit flottant externe c réservoirs à toit flottant Figure 1 Réservoirs atmosphériques Toit flottant interne partir des règles de calcul définies par le Code français de construction des réservoirs de stockage (CODRES) et en considérant une robe de 45 mm d épaisseur en partie basse, réalisée en acier, on obtient les capacités maximales citées dans le tableau 1. La réalisation de capacités aussi importantes n est pas rare, en particulier sur les champs de production de pétrole brut. BM Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

3 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Fond 50 mini 6 à 6,5 6 à 6,5 Coupe - 6 à 6,5 B B Il a une fonction principale d étanchéité et assure le transfert de la charge verticale, produite par le liquide stocké, sur la fondation. La partie centrale du fond n est donc pas soumise à des contraintes mécaniques de tension. Par contre, la bordure périphérique, placée sous la robe et soudée à celle-ci, est fortement sollicitée par la pression hydrostatique horizontale qui agit au bas de la robe. Le fond peut être plat ou légèrement conique avec une pente au moins égale à 0,2 % orientée vers le haut ou vers le bas. Cette pente facilite l élimination des dépôts en fond de bac, qui s effectue par l intermédiaire d une tuyauterie traversant la robe et débouchant dans une cuvette installée au point bas du fond. Lorsqu un tassement des fondations est attendu, la pente du fond est orientée vers le haut pour compenser les mouvements du terrain. Le fond est réalisé à partir de tôles rectangulaires de 6 à 6,5 mm d épaisseur minimale, soudées par recouvrement sur leur face supérieure (figure 2a). En fonction des critères fixés par les codes de construction, une tôle annulaire de bordure peut être nécessaire sous la robe. Elle est constituée de segments de tôles rayonnants, soudés bout à bout, en général plus épais que le reste du fond (figure 2b). Coupe B-B a fond sans bordure à mini 50 D D Coupe C-C Coupe D-D 6 à 6,5 Les cotes sont exprimées en millimètres Figure 2 Fond de réservoir : exemples b fond avec bordure B B Elle doit résister aux contraintes développées par la pression hydraulique du liquide stocké. Elle est constituée de rangées de tôles rectangulaires (de longueur L) superposées, appelées viroles, qui sont soudées bout à bout. Les joints verticaux de ces tôles sont généralement décalés, à chaque changement de virole, du tiers de leur longueur (figure 3a). L épaisseur minimale de chaque virole est calculée à partir de formules simples définies par les codes de construction. Sa valeur dépend des dimensions de la cuve, de la masse volumique du produit stocké, des caractéristiques mécaniques des aciers employés, des coefficients de sécurité imposés par le code, de la température d étude et de la surépaisseur de corrosion retenue. L épaisseur maximale autorisée par la plupart des codes de construction est limitée à 45 mm. Par ailleurs, pour des raisons de construction, ces codes précisent également une épaisseur minimale de robe comprise entre 5 et 10 mm suivant le diamètre du réservoir. La liaison de la robe sur le fond ou sa bordure s effectue par une double soudure d angle (figure 2). Cet assemblage est très sollicité par la pression hydrostatique et les mouvements de rotation de la robe qui en découlent. Il doit donc être considéré comme un détail important de la construction. 1.2 Cuve ouverte Ce type de réservoir est principalement destiné au stockage d eau incendie ou d eau industrielle. Il ne convient pas pour le stockage d eau potable, de produits pétroliers volatils ou de produits émettant des vapeurs polluantes. Son utilisation est assez limitée, car les évaporations sur ce type de stockage sans toit sont très importantes. Il faut de surcroît tenir compte de la pollution importante du produit stocké (par l atmosphère, les insectes et les oiseaux), en particulier pour les stockages de longue durée comme, par exemple, les réserves d eau incendie. Ces cuves ouvertes sont constituées essentiellement d un fond, d une robe et d une poutre raidisseuse au sommet de la robe (figure 3) Poutre raidisseuse et raidissage de robe En l absence de toit, la partie haute de la robe doit être renforcée par une poutre raidisseuse, pour conserver sa rotondité sous l action du vent. Cette poutre est placée en principe à un mètre du sommet. Quand elle est assez large, elle est utilisée comme passerelle de circulation autour du réservoir. Elle est souvent constituée de segments de tôles pliés formant sur sa partie extérieure un polygone régulier (figure 3b). Un raidissage intermédiaire de dimension beaucoup plus modeste, peut être aussi nécessaire sur la robe, entre la poutre supérieure et le fond (figure 3c), pour assurer une résistance correcte au cloquage local de la paroi cylindrique soumise à la pression dynamique du vent. On limite ce raidissage, ou on le supprime, en augmentant légèrement l épaisseur des viroles les plus minces. Lorsqu il subsiste, il est réalisé par un ou plusieurs anneaux en profilés cintrés ou par de petites poutres en tôle pliée comme la poutre au vent supérieure. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM

4 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Détail 1 pour ce cas d étude sont clairement exposées dans l appendice E du code de construction PI-650 édité par l merican Petroleum Institute. Détail 2 L ensemble des informations données ci-avant pour le fond, la robe et le raidissage des cuves ouvertes reste applicable aux réservoirs à toit fixe ( 1.3) et à toit flottant ( 1.4). 1.3 Réservoirs à toit fixe Intérieur du réservoir Intérieur du réservoir Cornière de tête Cornière de tête Figure 3 Cuve ouverte L L/3 L/3 a vue d'ensemble Gousset mm Poutre raidisseuse Vue - b détail 1 : poutre raidisseuse c détail 2 : raidisseur intermédiaire Goussets Poutre raidisseuse L action horizontale d ensemble du vent, agissant sur la structure, peut aussi nécessiter l installation de boulons d ancrage, à la base de la robe. Ils ont pour fonction de s opposer au soulèvement du fond, lorsque le poids propre en pied de robe n est pas suffisant pour assurer l équilibre de l ouvrage. Lorsqu ils sont nécessaires, ces ancrages sont répartis à intervalles réguliers autour du réservoir sur des chaises soudées à la robe. La fondation du réservoir doit alors comporter sur sa périphérie un anneau de béton, de section suffisante pour s opposer aux efforts de soulèvement repris par chaque ancrage. Les effets d un séisme peuvent également imposer la mise en place de boulons d ancrage, mais aussi le renforcement de l épaisseur des viroles basses et de la bordure de fond. Les vérifications Généralités Le stockage des produits peu volatils et à faible tension de vapeur est réalisé dans des réservoirs dont la partie supérieure est obturée par un toit fixe. Il est ainsi possible d assurer plus facilement leur conservation et d empêcher leur contamination par les agents extérieurs. D une manière générale, il s agit de produits dont la tension de vapeur absolue à température ambiante est inférieure à 0,1 bar ou dont le point d éclair est supérieur à 55 C (cf. BM [1], tableau 3). Les produits les plus lourds sont à l état pâteux à température ambiante. Ils nécessitent l installation d un système de réchauffage permanent, placé sur le fond des réservoirs, pour les maintenir suffisamment liquides et permettre ainsi leur transfert. Dans ce cas, un calorifuge est prévu sur la robe et, suivant la température de réchauffage, sur le toit du réservoir. Le fond et la robe de ces réservoirs sont du même type que sur les cuves ouvertes ( 1.2). Cependant, la présence du toit fixe assure une rigidité suffisante au sommet de la robe qui permet d éviter l installation d une poutre raidisseuse. Les toits sont de forme conique ou sphérique. Ils sont étudiés pour supporter une surcharge externe d au moins 120 dan/m 2 correspondant aux effets combinés d une charge temporaire (neige et dépression interne). La tôlerie de ces toits est réalisée à partir de tôles rectangulaires de 5 mm d Ìépaisseur, soudées entre elles par recouvrement sur leur face supérieure. La tôlerie est indépendante de la charpente et il n y a pas de liaison par soudure entre ces deux éléments du toit. On range les toits fixes en deux catégories : les toits supportés et les toits autoportants avec ou sans charpente (figure 1b) Réservoir à toit fixe supporté Les toits fixes supportés ont un profil conique assez plat avec une pente recommandée de 1/16 ou 1/12, notamment lorsque le toit est calorifugé. Ces toits sont constitués d une charpente supportée par un ou plusieurs poteaux, en tubes ou en profilés, qui s appuient sur le fond de l ouvrage. Les tôles du toit reposent sur des chevrons rayonnants qui prennent appui au centre du réservoir sur le poteau central, en périphérie sur la robe, et pour les réservoirs de diamètre supérieur à 25 m, sur des poteaux intermédiaires. Ces derniers sont disposés sur des cercles concentriques et sont reliés en tête par des pannes droites sur lesquelles viennent se poser les chevrons (figure 4). L espacement entre ces chevrons n excède pas, selon les codes, 1,7 m, sauf sur la robe où il peut être porté à 2 m. Les charpentes à poteaux sont reconnues comme des structures économiques car leur conception permet un montage simple sur le site. Ce type de charpente peut être employé sur les plus grands BM Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

5 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Cornière de tête Chevron Pente du toit (1/16 ou 1/12) Tôlerie de toit Panne Chevron Détail 1 Chevron Entretoise Cornière de tête Tôlerie de toit Poteau intermédaire Poteau central d r = 0,8d à 1,5d Entretoise nneau central Chevron Détail 1 a coupe du demi-réservoir Contreventement maxi Poteau intermédaire à mm Chevron maxi Chevrons intérieurs d diamètre du réservoir r rayon de courbure du toit a toit sphérique autoportant avec charpente à chevrons Chevrons extérieurs Panne b vue partielle du dessus Les cotes sont exprimées en millimètres Figure 4 Toit fixe supporté réservoirs. Il n est, en effet, pas limité en diamètre car il est toujours possible, pour l agrandir, d ajouter une rangée supplémentaire de poteaux, de pannes et de chevrons. Coupe - b exemple de tôlerie de toits Figure 5 Toit fixe autoportant Les réservoirs avec toit sur charpente à poteaux sont étudiés pour une surpression et une dépression internes n excédant pas respectivement + 5 et 2,5 mbar. Cette faible pression interne n entraîne aucun soulèvement de la robe et ces réservoirs ne comportent donc aucun ancrage, sauf lorsqu ils sont nécessaires pour la tenue au vent ou au séisme de la structure Réservoir à toit fixe autoportant Les toits fixes autoportants sont soit coniques avec une pente de 1/5 ou 1/6, soit sphériques avec rayon de courbure compris entre 0,8 et 1,5 fois le diamètre du réservoir. La charpente de ces toits est constituée d éléments porteurs rayonnants, réalisés par de simples chevrons ou par des fermes métalliques. Ces éléments sont fixés en leur centre sur un anneau formant clef de voûte et prennent appui en périphérie sur le sommet de la robe, sans l intermédiaire de poteau (figure 5a). L écartement des chevrons ou des fermes le long de la robe est compris entre 2 et 2,5 m. On limite, en général, l utilisation des charpentes à chevrons à des réservoirs de 25 m de diamètre pour les toits coniques et de 60 m pour les toits sphériques, tandis que les charpentes à fermes sont employées jusqu à 60 m de diamètre quel que soit le profil du toit. Les charpentes à chevrons sont de conception plus simple et plus économique. Les réservoirs de diamètre inférieur à 20 m sont souvent construits avec des toits autoportants sans charpente. Dans ce cas, l épaisseur des tôles de toit doit être calculée à partir des formules précisées par les codes de construction. On limite, en général, cette épaisseur à 9,5 mm de manière à conserver un assemblage par recouvrement des tôles (figure 5b). La pente des toits coniques peut être supérieure à 1/5, mais l angle formé par les génératrices du toit et un plan horizontal ne doit pas dépasser 37. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM

6 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Les surpression et dépression internes d étude retenues pour les réservoirs à toits autoportants sont en général supérieures à celles des toits supportés en raison du profil plus profond de ces toits. Leurs valeurs sont souvent respectivement fixées à + 25 et 5 mbar. On remarque que les toits sphériques présentent une meilleure tenue sous pression interne et qu ils conviennent bien pour les réservoirs de grand diamètre. En pratique, on limite la pression d étude à une valeur qui permet d éviter le soulèvement de la robe et, par conséquent, l installation d ancrages. Ces derniers peuvent cependant être nécessaires pour éviter le renversement de la structure sous l action du vent ou d un séisme. Dans ce cas, et lorsque cela est possible, il est recommandé de modifier les proportions du réservoir, jusqu à ce que la structure soit stable. La mise en place d ancrages est en effet coûteuse en raison de la nécessité d une fondation d un poids suffisant pour équilibrer le soulèvement. ir-vapeur Liquide Jour ir-vapeur Liquide Nuit a pertes par respiration Nota : Les valeurs «d étude» sont des valeurs arbitraires standards, supérieures aux conditions réelles de stockage, qui sont prises en compte pour les calculs. Les toits fixes autoportants sont quelquefois préférés aux toits supportés par poteaux ( 1.3.2), en particulier sur des sols où des tassements importants sont attendus Pertes par respiration et remplissage Malgré la protection que constitue le toit, les réservoirs à toit fixe ne sont pas les capacités les mieux adaptées pour la conservation des produits stockés. C'est d'ailleurs pour cette raison que ce type de réservoir n'est plus accepté par les autorités responsables de la protection de l'environnement pour le stockage des liquides volatils à tension de vapeur non négligeable. Les réservoirs à toit fixe sont, en effet, à l'origine de pertes importantes de produits provenant de deux phénomènes distincts que sont la respiration de la capacité et les mouvements de produits. Un réservoir à toit fixe n'est jamais complètement rempli de liquide et il existe toujours au-dessus du produit stocké un espace gazeux, composé d'un mélange d'air et de vapeur émise par le liquide. Cet espace de vapeur est au moins égal au volume du toit, car le niveau maximal de liquide autorisé dans le réservoir est limité au sommet de la robe. u cours de la journée, lorsque le soleil chauffe le réservoir, le liquide s evapore et la pression dans le réservoir s'élève. Les réservoirs à toit fixe ne sont conçus que pour de faibles surpressions de l'ordre de 5 à 25 mbar ( et 1.3.3). Ces valeurs ne permettent pas de contenir, sur une journée, I'expansion provoquée par cet échauffement et le mélange air-vapeur doit être évacué dans l'atmosphère au travers des évents de toit. Tout au contraire, Ie soir et durant la nuit quand la température baisse, les vapeurs se condensent et de l'air extérieur doit être admis dans le réservoir, par les évents de toit, pour éviter que la structure ne soit soumise aux effets d'une dépression interne. Cet air se mélange ensuite, jusqu à saturation, avec la vapeur émise par le liquide et, au cours de l'expiration du jour suivant, une nouvelle quantité de produit sera expulsée dans l'atmosphère. Le même phénomène de respiration est produit par les variations de la pression atmosphérique. Chaque fois que cette respiration se manifeste, les pertes augmentent et le volume du liquide conservé se réduit. Ces pertes sont appelées pertes par respiration (figure 6a). Lorsque l on soutire du liquide, de l air est également aspiré dans l espace vapeur, et un nouvel équilibre du mélange air-vapeur se crée en provoquant une évaporation du liquide qui conduit à une réduction du volume stocké. Par ailleurs, quand on remplit le réservoir, le mélange riche air-vapeur est expulsé à l extérieur par les évents et perdu dans l atmosphère. Les pertes associées à ces mouvements de produit sont appelées pertes par remplissage (figure 6b). ir-vapeur Liquide Remplissage Figure 6 Réservoirs à toit fixe : pertes de produit L évaluation des pertes par respiration et par remplissage peut être établie à partir des éléments donnés par le bulletin PI-2518 édité par l merican Petroleum Institute. Le dimensionnement des évents de toit est défini par le code de construction qui se réfère ou qui renvoie le plus souvent aux règles émises par le document PI-2000 de l merican Petroleum Institute. 1.4 Réservoirs à toit flottant Généralités b pertes par remplissage ir-vapeur Liquide Vidange L espace vapeur qui existe au-dessus du liquide des réservoirs à toit fixe est la source des pertes par respiration et remplissage. Ces pertes peuvent être pratiquement supprimées par l utilisation d un type de réservoir qui élimine cet espace vapeur. Il consiste à installer une structure qui flotte directement sur la surface du liquide stocké et que l on appelle toit flottant. Le coût supplémentaire entraîné par la construction de ce toit flottant est largement compensé par l économie réalisée sur le stock. cette raison économique, il faut aujourd hui associer la nécessité d une limitation de la pollution atmosphérique imposée par les réglementations locales. Les réservoirs à toit flottant sont principalement utilisés pour le stockage de liquides volatils dont la tension de vapeur absolue à température ambiante est comprise entre 0,1 et 0,75 bar ou dont le point éclair est inférieur ou égal à 55 C. C est le cas, par exemple, des pétroles bruts, des naphtas (whitespirit, pétroles lampants, etc.) et des diverses essences et carburants (cf. BM 6 590, tableau 3). L absence d espace vapeur permet à ces réservoirs de fonctionner et d être étudiés sous pression atmosphérique. BM Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

7 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Le toit flottant est un disque mobile qui flotte sur le liquide en suivant les mouvements de descente et de montée du produit. Pour permettre ces déplacements, un espace annulaire libre existe entre le toit et la robe de la cuve. Il est obturé par un système d étanchéité déformable qui permet au toit de coulisser sans contrainte à l intérieur de la robe. Il existe deux types de réservoirs à toit flottant : les réservoirs à toit flottant externe, dont le toit est installé à l air libre dans des cuves ouvertes ( 1.4.2) ; les réservoirs à toit flottant interne, dont le toit est placé à l intérieur de réservoirs à toit fixe ( 1.4.3) Réservoirs à toit flottant externe Généralités Le réservoir proprement dit n est autre qu une simple cuve ouverte et les détails de conception de la robe et du fond sont identiques à ceux exposés au paragraphe 1.2. Le toit flottant a été inventé au début des années 1920 et, depuis, de nombreux modèles ont été développés avec plus ou moins de succès. Seuls subsistent aujourd hui ceux qui ont fait la preuve de leur efficacité. Ils sont tous du type à contact, c est-à-dire que leur face inférieure est entièrement mouillée par le liquide sur lequel ils flottent. ucun espace vapeur n existe, ce qui permet d éliminer les problèmes de corrosion interne, de limiter les risques d incendie et de pratiquement supprimer les pertes par évaporation. Les deux types principaux de toit flottant à contact actuellement utilisés dans l industrie, sont simple pont ( ) et le double pont ( ). Ces toits sont exposés aux intempéries et doivent donc être conçus pour résister aux effets du vent, de la pluie et de la neige. Ils sont dimensionnés pour rester en flottaison sur un liquide de masse volumique au moins égale à 700 kg/m 3 en supportant une charge d eaux pluviales correspondant à une chute de 250 mm sur une période de 24 h et en supposant que le système de drainage principal est inopérant. Lorsque le toit est au repos sur le fond du réservoir en appui sur ses pieds supports, il doit pouvoir soutenir une surcharge de 120 dan/m 2 sans accumulation d eau Toits flottants simple pont lls sont constitués (figure 7) par une membrane circulaire centrale, appelée pont, qui repose directement sur le liquide stocké et qui est bordée sur sa périphérie par un caisson annulaire continu divisé, par des cloisons radiales, en compartiments étanches au liquide (figures 7 et 8). Le but de ces compartiments est d'assurer la flottabilité de la structure, en service normal, en cas d'accumulation d'eau de pluie sur le pont, ou lors d'une éventuelle crevaison de ce pont. Pour cette dernière condition, on considère que le pont central et deux compartiments quelconques du caisson annulaire sont percés simultanément. La surface du caisson annulaire représente environ 20 à 25 % de la surface du toit sauf pour les petits réservoirs où elle peut atteindre 35 %. La partie inférieure de ce caisson peut être horizontale, mais elle est le plus souvent réalisée avec une pente, orientée vers le haut et le centre du réservoir (figures 7a et 7b). Cela permet de diriger et de piéger sous le pont central les vapeurs émises par le produit, sous l effet de la chaleur ambiante. La flexibilité du pont central permet ainsi à ces vapeurs de former un dôme gazeux qui agit ensuite comme un isolant au-dessus du liquide jusqu'à ce que la température extérieure baisse et que, par condensation, ces vapeurs retournent à l'état liquide. La partie supérieure du caisson a une pente inverse qui draine les eaux de pluie, ou celles provenant de la fonte des neiges, vers le pont central à partir duquel elles sont ensuite évacuées à l'extérieur du réservoir. Le drainage se fait par le centre du pont au moyen d'une canalisation flexible ou articulée, placée Caisson annulaire cloisonné Fourreaux des pieds supports Caisson annulaire cloisonné Caisson annulaire cloisonné Caisson annulaire cloisonné Cuvette de purge des eaux pluviales Tôlerie du pont supérieur Système de drainage des eaux pluviales a simple pont b simple pont : variante Figure 7 Toits flottants externes simple pont Cloison Chevrons supports de tôlerie Tôlerie du pont supérieur c simple pont avec caisson central Bouées d simple pont avec bouées multiples Joint d'étanchéité Cloison Cloison Tôlerie du pont supérieur Cloison sous le toit flottant, qui chemine dans le produit jusqu'à une tubulure située au bas de la robe. Le pont central est réalisé à l aide de tôles rectangulaires, ayant une épaisseur minimale de 5 mm, assemblées par recouvrement et soudées sur leur face supérieure. Les ponts supérieur et inférieur du caisson annulaire sont également constitués de tôles de 5 mm d épaisseur, mais, en revanche, les couronnes sont souvent plus épaisses. Le toit flottant comporte une série de pieds supports tubulaires disposés régulièrement sur le caisson annulaire et sur le pont central. Ils servent à poser le toit flottant sur le fond du réservoir. Ces pieds sont réglables en altitude par l'intermédiaire de fourreaux soudés au toit. Ils permettent de placer le toit soit en position basse de service, soit en position haute de nettoyage. Les fourreaux des pieds supports doivent avoir une longueur suffisante sous le toit pour éviter la fuite vers l atmosphère des vapeurs piégées sous le pont central. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM

8 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Les toits flottants simple pont sont utilisés pour des réservoirs de 15 à environ 100 m de diamètre. Ils sont plus légers et plus économiques que les toits flottants double pont ( ), mais ils sont plus sensibles aux effets du vent. Leur emploi n est pas conseillé dans les régions de vent violent ou permanent, en particulier pour des réservoirs excédant 50 m de diamètre. Ils sont appréciés pour leur capacité à retenir de grandes quantités d eau en raison de la déformation importante que peut prendre le pont central. Cette propriété est intéressante en cas de mauvais fonctionnement du système de drainage, car elle permet d éviter la pollution du produit. Caisson annulaire cloisonné Cuvette de purge des eaux pluviales Système de drainage des eaux pluviales Chevrons supports Tôlerie du de tôlerie pont supérieur Couronnes Cloisons Joint d'étanchéité Des variantes de toit flottant simple pont ont été développées ; il s agit principalement : du toit flottant simple pont avec caisson central sur lequel un caisson de flottabilité cylindrique a été ajouté au centre du pont (figure 7c); du toit flottant simple pont avec bouées multiples qui comporte un ensemble de petits caissons fermés, cylindriques ou cubiques, disposés au-dessus du pont et sur toute sa surface suivant une maille régulière (figure 7d). L objectif recherché dans ces concepts est pour l essentiel la réalisation d une structure plus économique. Elle est obtenue par une réduction de la largeur du caisson annulaire, et donc du poids du toit flottant. Cela est rendu possible par la diminution des efforts exercés par le pont sur le caisson annulaire. En revanche, ces toits introduisent un inconvénient majeur pour le drainage des eaux, qu il est difficile de rendre efficace. C est la source de sévères problèmes de corrosion sur le pont Toits flottants double pont Ils sont constitués (figure 8) de deux voiles circulaires en tôle (le pont inférieur en contact avec le liquide et le pont supérieur avec l air ambiant) qui couvrent tous deux la surface complète du réservoir. Ces ponts sont séparés par une série de couronnes concentriques verticales formant des caissons de flottaison étanches au liquide. Le caisson annulaire extérieur est, de plus, divisé en compartiments par des cloisons radiales, également étanches au liquide. La flottabilité du toit doit être assurée avec deux compartiments ou caissons quelconques percés ou en cas d'accumulation d'eau sur le toit. La charge d'eau à considérer correspond à une chute d'eau de 250 mm sur 24 h ou à une valeur plus faible si le toit est équipé de trop-pleins de secours, ce qui est, en général, le cas. Le pont inférieur est le plus souvent plat, mais peut être construit avec une légère conicité vers le haut. Quelle que soit sa configuration, le toit double pont possède une capacité de déformation suffisante pour piéger les évaporations au centre du toit. Les effets de la température extérieure sont d ailleurs bien moindres sur ce type de toit, car le matelas d air qui existe entre les deux ponts constitue une excellente isolation thermique au-dessus du liquide. Le pont supérieur repose sur des chevrons en profilés, installés radialement entre les couronnes concentriques qui séparent les deux ponts. Il comporte une pente qui favorise le drainage des eaux vers le centre du toit (figure 8a). Pour les toits de diamètre supérieur à 60 m, le pont supérieur est souvent réalisé avec un profil conique à deux pentes opposées pour limiter la hauteur de la couronne extérieure sur laquelle est fixé le joint d étanchéité (figure 8b). Dans ce cas, le point bas de collecte des eaux se situe sur un cercle intermédiaire où l on installe trois systèmes de drainage, du même type que ceux qui équipent les toits simple pont. Les toits flottants double pont sont habituellement équipés de drains de secours qui permettent, en agissant comme des troppleins (évacuation de l'eau dans le produit), de limiter la charge Caisson annulaire cloisonné a double pont avec simple pente Figure 8 Toits flottants externes double pont Chevrons supports de tôlerie Tôlerie du Cloisons pont supérieur b double pont avec double pente d'eau sur le toit. L'utilisation de ces trop-pleins de secours, réalisés par de simples tubes ouverts traversant les deux ponts, n'est pas envisageable sur les toits flottants simple pont. En effet, sur ce type de toit, la grande déformation sous charge du pont central ne permet pas l'installation de ces accessoires car ils favoriseraient l'inondation du pont par les remontées du produit stocké. L'équipement des toits double pont comprend également un ensemble de pieds supports tubulaires, réglables sur deux positions, répartis sur toute la surface de la structure. La construction de ces toits est réalisée à partir de tôles, de 5 mm d'épaisseur minimale, assemblées par recouvrement et soudées par dessus. Les toits flottants double pont sont employés pour des réservoirs de diamètre compris entre 15 et 125 m. Malgré leur coût plus élevé, ils présentent un certain nombre d avantages. La surface lisse et sans relief du pont supérieur permet un entretien plus facile, une meilleure résistance à la corrosion externe et une prise au vent plus faible. Le pont supérieur est beaucoup plus stable aux effets du vent. La couche d air emprisonnée entre les deux ponts constitue un espace isolant efficace au-dessus du liquide et limite sensiblement les effets de la température ambiante. Par rapport à un toit flottant simple pont, on estime que l augmentation de la température de surface du liquide stocké, au contact du toit exposé au soleil, est inférieure d environ 10 C sur un toit double pont. Cela conduit à sélectionner de préférence ce type de toit pour le stockage des liquides les plus volatils et pour les pays chauds. Ce toit permet aussi, sous des climats très froids, l installation d une isolation thermique complémentaire sur le pont inférieur. BM Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

9 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Par ailleurs, lorsqu il est permis qu une certaine quantité d eau traverse le produit stocké par les trop-pleins de secours, le toit double pont est aussi recommandé pour les régions sujettes à des pluies torrentielles. Joint d'étanchéité Pieds supports Poteau du toit fixe supporté Goussets Réservoirs à toit flottant interne Généralités Les réservoirs à toit flottant interne sont des réservoirs à toit fixe (cf. 1.3), dans lesquels est installé un toit flottant simplifié, également désigné sous l appellation d écran flottant. Le toit fixe peut être soit du type supporté ( 1.3.2), avec des poteaux verticaux à l intérieur du réservoir, soit du type autoportant sans poteau ( 1.3.3). Lorsque la structure comporte des poteaux, ils traversent le toit flottant interne par des puits équipés de joints d étanchéité. Il est recommandé que ces poteaux soient de section tubulaire pour faciliter les déplacements du toit et la réalisation de l étanchéité des puits. Ces réservoirs sont particulièrement bien adaptés pour le stockage des produits volatils dont il faut assurer la conservation, préserver la pureté ou limiter l émission des vapeurs toxiques vers l atmosphère. La présence du toit fixe élimine aussi les problèmes d exploitation rencontrés sur les toits flottants externes dans les régions soumises à d importantes chutes de neige, à forte pluviométrie ou exposées au vent : le blocage du joint d étanchéité sur la robe par le gel n est pas à craindre, le drainage des eaux n est pas nécessaire et l entretien général est inexistant. Le fonctionnement du toit flottant, à l abri des turbulences du vent, contribue énormément à réduire les pertes par évaporation et rend ce type de réservoir plus performant que les toits flottants externes. Des évents (dont le nombre et les dimensions sont fixés par le code de construction) sont installés à intervalles réguliers au sommet de la robe ou en périphérie du toit, pour permettre une circulation d air dans l espace compris entre l écran flottant et le toit. Ils empêchent la formation éventuelle d un mélange air-vapeur inflammable ou dangereux au-dessus du toit flottant. Cependant, sur les stockages de produits toxiques où l on désire éviter, pour la sécurité de l environnement, les émissions vers l atmosphère, ces évents sont supprimés et la respiration de cet espace s effectue en circuit fermé, le plus souvent sous gaz neutre. Les toits flottants internes les plus employés appartiennent à l un des deux types généraux suivants : toit flottant de conception soudée ( ) ; écran flottant de conception boulonnée ( ). Ces toits sont dimensionnés pour flotter sur un liquide ayant une masse volumique au moins égale à 700 kg/m 3. Ils doivent avoir une flottabilité suffisante pour supporter au moins deux fois leur propre poids lorsque deux compartiments ou deux flotteurs quelconques sont crevés. De plus, ils doivent permettre, en flottaison ou au repos, la circulation en toute sécurité de deux hommes sur n importe quelle partie du toit. Ils sont équipés (comme les toits flottants externes) d un ensemble de pieds supports qui peuvent être fixes ou réglables sur deux positions. Ces supports doivent résister à une surcharge uniformément répartie sur le toit de 60 dan/m 2 lorsqu ils reposent sur le fond du réservoir Toits flottants internes soudés Ils sont réalisés à partir de tôles d acier de 4 à 5 mm d épaisseur soudées entre elles par recouvrement sur leur face supérieure, pour former un pont continu et étanche en contact direct avec le liquide Fourreaux des pieds supports a soudé à contact liquide b soudé à contact liquide avec compartiments annulaires Figure 9 Toits flottants internes soudés Compartiments ouverts Cloisons stocké. Une couronne verticale soudée au-dessus du pont borde le périmètre du toit et permet l installation du joint annulaire d étanchéité (figure 9a). La flottaison de ce simple couvercle n est assurée que par le volume correspondant à l enfoncement de la structure dans le liquide. Ce type de toit est largement employé jusqu à 50 m de diamètre. u-delà et jusqu à 100 m de diamètre, sa flottabilité est augmentée par l adjonction de compartiments annulaires placés au-dessus du pont (figure 9b). Ces compartiments ne comportent pas de fermeture supérieure en raison de la protection atmosphérique assurée par le toit fixe. Lorsque l on recherche une plus grande sécurité, ils peuvent être couverts pour former des caissons annulaires étanches, comme sur les toits flottants externes simple pont. Ces toits à contact ont tous les avantages d une construction soudée. Ils sont résistants et durables, ont une bonne stabilité en présence de produits émulsionnés ou gazeux et sont particulièrement étanches aux vapeurs. Leur conception simple ne permet pas au produit d être piégé et, lors de mise hors service du réservoir pour entretien, leur dégazage avant intervention s effectue sans problème et d une façon sûre Toits flottants internes boulonnés Ils peuvent être à contact liquide ou comporter une phase vapeur. Les écrans boulonnés à contact liquide sont constitués de panneaux rigides préfabriqués de 25 à 40 mm d épaisseur comportant un revêtement de surface (figure 10a). Ils sont mécaniquement reliés entre eux par boulonnage pour former un pont continu étanche, posé directement sur le liquide. Ces panneaux peuvent être réalisés soit en mousse de polyuréthanne à cellules fermées, prise en sandwich entre deux feuilles minces d'aluminium, soit en mousse de plastique rigide moulée recouverte de résine renforcée de fibres de verre. Une couronne périphérique délimite la surface de ces panneaux en permettant la fixation du joint d'étanchéité. Ce type d'écran est insubmersible, mais il peut s'imprégner du liquide stocké sur lequel il baigne. ll n'est pas aussi étanche aux vapeurs que les toits soudés. ll peut atteindre 80 m de diamètre. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM

10 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Joint d'étanchéité Fourreaux des pieds supports Membrane métallique Pieds supports Figure 10 Toits flottants internes boulonnés Les écrans boulonnés avec phase vapeur sont constitués d'une membrane métallique très mince (0,5 mm), réalisée par une série de bandes étroites et parallèles de feuillard réunies entre elles par boulonnage sur des longerons qui reposent sur des flotteurs tubulaires de 200 à 250 mm de diamètre (figure 10b). Un espace de vapeur de 150 à 200 mm de hauteur existe entre le liquide stocké et cette membrane. Une jupe verticale ceinture cette structure flottante en plongeant dans le liquide pour contenir les vapeurs. Elle assure également le support du joint d'étanchéité annulaire. L'ensemble des matériaux constituant ces écrans doit résister à l'éventuelle action corrosive des vapeurs. En général, la totalité des composants sont soit en aluminium, soit en acier inoxydable. La conception boulonnée et la présence d'un matelas gazeux sous le pont sont des éléments défavorables sur le plan des pertes de produit. En revanche, ces écrans présentent certains avantages : ils possèdent une importante réserve de flottabilité qui donne une grande sécurité de service ; leur conception modulaire permet leur installation sur des réservoirs à toit fixe existants sans qu il soit nécessaire de pratiquer une ouverture de montage dans la robe : tous les éléments de ces écrans peuvent, en effet, être introduits dans le réservoir par un simple trou d homme placé sur la robe Joints d étanchéité Poteau du toit fixe supporté Panneaux rigides a boulonné à contact liquide b 150 à 200 mm Flotteurs cylindriques Jupe annulaire boulonné avec phase vapeur Le composant le plus important d'un toit flottant est le joint d'étanchéité installé sur son périmètre contre la robe du réservoir. Ce joint doit à la fois fermer le plus efficacement possible l'espace annulaire compris entre la robe et le toit flottant pour empêcher les évaporations, mais également permettre au toit de coulisser librement dans la cuve pour suivre les fluctuations du liquide. ll doit également posséder une capacité de déformation radiale suffisante pour s'accommoder des défauts de rotondité et de verticalité de la robe et des mouvements du toit sous l'action d'une force latérale (vent, turbulences du produit, etc.). Les défauts de forme de la robe peuvent provenir de la construction du réservoir ou du tassement des fondations. Ce dernier point affecte particulièrement les réservoirs de grands diamètres ou d'une hauteur importante. L espace annulaire est en principe de 200 mm pour les toits flottants externes, valeur généralement portée à 300 mm pour les diamètres supérieurs à 80 m. Pour les toits flottants internes, on adopte en général une largeur de 150 mm qui est souvent portée à 200 mm lorsque le diamètre est supérieur à 50 m. La largeur de cet espace varie lors des déplacements en altitude du toit pour s'adapter à la forme de la robe ou aux poussées du toit. Les joints sont conçus pour permettre, en cas de nécessité, leur compression jusqu'à une largeur minimale de 75 mm en un point de la périphérie, tout en restant, bien entendu, au contact de la robe sur le reste de leur longueur. Le système d étanchéité d un toit flottant est le plus souvent constitué d un joint unique appelé joint primaire. Cette étanchéité principale peut être complétée, pour réduire encore les pertes de produit, par un autre joint de conception plus simple, placé au-dessus, et appelé joint secondaire. L installation d un joint secondaire tend à se généraliser en raison de la sévérité des réglementations actuelles sur la limitation de la pollution atmosphérique. Trois types principaux de joints sont employés : joint métallique avec patins en tôle ; joint élastique en mousse ou avec liquide ; joint flexible à lèvre ou métallique Joint métallique Il est constitué de patins flexibles en tôle d acier galvanisé ou inoxydable, de 1,5 mm d épaisseur, formant une ceinture dont la partie basse trempe dans le liquide. Cette ceinture est maintenue au contact de la robe par un système de pantographes et de contrepoids (figure 11a) ou à l aide de ressorts (figure 11b). L étanchéité du volume, compris entre ces patins et le toit flottant, est assurée par une bande de caoutchouc synthétique placée en principe audessus de l espace vapeur. Patins métalliques Membrane d'étanchéité Pantographes Espace vapeur Contrepoids a avec pantographe et contrepoids Patins métalliques Membrane d'étanchéité Lames de ressort Espace vapeur b avec ressort Figure 11 Joints primaires d étanchéité métalliques pour toits flottants externes BM Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

11 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Cette membrane doit avoir une bonne tenue au contact des vapeurs et à l exposition atmosphérique (rayons ultraviolets, ozone), et un bon comportement au feu en cas d incendie. L écoulement des charges électrostatiques et la mise à la terre du toit flottant se font par l intermédiaire de lames d acier inoxydable souples (shunts) disposées à intervalles réguliers entre le toit flottant et les patins métalliques. Ce joint est essentiellement utilisé sur les toits flottants externes. Il est très employé en raison de son exceptionnelle robustesse et de sa bonne étanchéité. Son emploi doit cependant être limité aux cuves dont la paroi interne n est pas protégée par un revêtement de peinture Joints élastiques Ils comprennent deux versions : le joint mousse et le joint liquide. Ces deux joints comportent une enveloppe en tissu caoutchouté, fixée au toit flottant et remplie d un matériau qui, par élasticité ou expansion, assure le contact entre la robe et le toit. Il s agit soit d élément en mousse de polyuréthanne élastique comprimée (figures 12a et 12b), soit d un liquide (figure 12c) qui, selon le régime des températures ambiantes, peut être un hydrocarbure (kérosène, fuel, huile, etc.) ou de l eau. Le liquide est directement contenu dans l enveloppe ou placé dans des tubes de caoutchouc, de longueur limitée pour former des sections indépendantes. Ce dernier système présente l avantage d éviter de vider le joint lorsque l enveloppe principale est percée. En raison de leur poids important, les joints liquide ne sont montés que sur les toits externes. En revanche, les joints mousse peuvent équiper tous les types de toits flottants. Les enveloppes de ces joints doivent être de nature compatible avec le produit stocké et avoir une bonne résistance à l abrasion, en particulier pour les joints liquide. Les joints en mousse peuvent être installés dans l espace annulaire de telle manière que leur partie inférieure trempe ou non dans le liquide stocké. Les joints à contact liquide sont beaucoup plus efficaces pour limiter les pertes que les joints à contact vapeur, mais leur coût est plus élevé en raison de leur hauteur plus importante. Le volume de vapeur qui existe sous les joints à contact vapeur (figure 12b) est, en effet, difficile à conserver, en raison de l étanchéité imparfaite de l enveloppe sur la robe et de la succion due aux turbulences créées par le vent au-dessus du joint. Sur les joints à contact liquide (figure 12a), l absence de vapeur élimine cet inconvénient et permet donc une meilleure performance. Lorsqu un joint secondaire n est pas prévu, une protection atmosphérique doit être installée au-dessus des joints élastiques. Elle a pour but d empêcher la pénétration d eau, de sable ou de débris dans le produit stocké et de protéger les enveloppes des effets atmosphériques. Elle est réalisée par des tuiles (écailles), en tôles minces galvanisées, fixées au moyen de charnières sur le toit flottant pour s appuyer contre la paroi du réservoir en formant une pente. Ces écailles assurent également la liaison électrique entre le toit et la robe Joints flexibles Enveloppe Écailles de protection atmosphérique Enveloppe Mousse de polyuréthanne Butoir a joint mousse à contact liquide b Écailles de protection atmosphérique Mousse de polyuréthanne Espace vapeur joint mousse à contact vapeur Ils existent en deux modèles : à lèvre ou métallique. Le joint flexible à lèvre est réalisé par une simple bavette en caoutchouc synthétique comportant ou non une armature métallique interne (figure 13a). Ce joint est placé au-dessus de l espace annulaire. Il est maintenu plaqué contre la robe par flexion. Le matériau qui le constitue doit avoir un bon comportement à l exposition atmosphérique et aux vapeurs du produit stocké. L armature interne, lorsqu elle existe, a pour objet de conserver le joint à lèvre tourné vers le haut, y compris lorsque le toit flottant s élève dans la cuve, au cours du remplissage du réservoir. Lorsque la bavette n est pas armée, le joint, qui a une bonne position quand le toit descend, se retourne vers le bas dès que le toit monte et forme ainsi une gouttière qui favorise le passage dans le produit des eaux de pluie, du sable et des débris. Écailles de protection atmosphérique Écailles de protection atmosphérique Racleur en élastomère Liquide Enveloppe striée sur face externe Liquide Enveloppe striée sur face externe Sections tubulaires contenant le liquide Bavette en élastomère Écailles métalliques étanches entre elles Butoir Supportage du joint c joints liquide Butoir a joint à lèvre caoutchouc b joint métallique Figure 12 Joints primaires d étanchéité élastiques pour toits flottants externes Figure 13 Joints secondaires d étanchéité flexibles pour toits flottants Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM

12 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Toit flottant externe Légères pertes Vapeur a joints primaires avec joints secondaires sur toits flottants externes Liquide Jour a pertes de positionnement Liquide Nuit Toit flottant interne Légères pertes Liquide Remplissage Surface mouillée Liquide Vidange b joints primaires avec joints secondaires sur toits flottants internes b pertes de mouillage au soutirage Figure 14 Joints d étanchéité primaires avec joints secondaires pour toits flottants Figure 15 Réservoirs à toit flottant : pertes de produit Le joint flexible métallique est constitué par un ensemble d écailles, en tôles minces pliées, en acier galvanisé ou inoxydable, fixées sur le toit flottant (figure 13b). Par juxtaposition, elles forment une surface approximativement conique qui, par effet ressort, maintient contre la robe de la cuve un racleur en élastomère. L étanchéité de ces écailles entre elles est en général assurée par du ruban adhésif et des boulons. Les joints flexibles n ont pas une raideur suffisante pour maintenir le toit centré dans la cuve et ils ne sont, en principe, retenus sur les toits flottants externes que pour constituer une barrière secondaire (figure 14a). Cependant, sur des structures légères et abritées telles que les toits flottants internes, les joints souples à lèvre peuvent être utilisés comme joint primaire (figure 14b). Les joints flexibles doivent être équipés de barrettes métalliques souples frottant contre la robe pour assurer le transfert des charges électriques du toit à la terre. Lorsque la cuve est peinte intérieurement, cette liaison électrique doit être assurée par un autre moyen, par exemple à l aide d un câble conducteur relié au sommet de la robe Pertes par évaporation Les réservoirs à toit flottant permettent d éliminer les importantes pertes par respiration et par remplissage que l on déplore sur les réservoirs à toit fixe ( 1.3.4). L espace vapeur au-dessus du liquide, qui est la cause de ces évaporations, n existe plus sur les toits à contact ou est confiné sans possibilité de respiration sous le pont boulonné des écrans avec phase vapeur. Les pertes qui subsistent encore sur les toits flottants sont peu importantes et n ont aucune commune mesure avec celles constatées sur les réservoirs à toit fixe. Les deux types de pertes que l on observe sont les pertes de positionnement et les pertes de mouillage au soutirage (figure 15). Les pertes de positionnement sont inhérentes à l imperfection de l étanchéité sur les joints annulaires et les accessoires de service traversant la structure tels que les pieds supports réglables, les puits de jauge ou de guidage, les poteaux du toit fixe, etc. Ce type de fuite est permanent et intervient même lorsque le toit est en stationnement sans aucun mouvement de produit. ces pertes, il faut ajouter les pertes de mouillage au soutirage qui sont le résultat de l évaporation du film de liquide déposé sur les parois de la cuve et des accessoires à l occasion de la descente du toit, au cours de la vidange du réservoir. On notera que l installation d un joint secondaire améliore considérablement l étanchéité en périphérie du toit, spécialement sur les toits flottants externes exposés au vent. La réduction obtenue peut atteindre dans certains cas, avec un joint secondaire bien adapté et correctement installé, 90 % des émissions du joint primaire. Sur les écrans flottants boulonnés ( ), il y a lieu de tenir compte d une source supplémentaire de fuite sur les assemblages du pont qui ne sont pas totalement étanches. L estimation des pertes sur les toits flottants peut être établie, pour les produits pétroliers, à partir des travaux développés par l merican Petroleum Institute ; ils ont fait l objet des publications référence 2517 pour les toits flottants externes et référence 2519 pour les toits flottants internes. 1.5 Codes d étude et de construction L étude et la construction des réservoirs de stockage atmosphériques sont régies par des codes ou des normes qui regroupent un ensemble de dispositions considérées comme minimales pour la sécurité. Ces règles concernent la conception, le calcul, le choix des BM Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

13 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE matériaux, la construction, la soudure, les contrôles et les essais de résistance. Elles sont élaborées conjointement par les utilisateurs et les constructeurs et sont régulièrement mises à jour pour être complétées ou pour tenir compte des résultats de l expérience acquise sur les structures en service. Les documents existants sont peu nombreux. Ce sont tous des documents nationaux, mais leur audience s étend largement audelà des frontières des pays émetteurs au profit des pays qui ne possèdent pas de réglementation propre. Les codes et normes les plus connus et les plus fréquemment employés sont donnés dans le fascicule Doc. BM «Pour en savoir plus» ( 1.1). 1.6 Qualités des aciers utilisés Les réservoirs de stockage atmosphériques sont réalisés en acier au carbone. Cependant, pour quelques applications particulières assez rares, l utilisation d aciers inoxydables peut être nécessaire (nature corrosive des produits stockés, stockage alimentaire, impératifs de pureté, etc.). Les aciers au carbone employés sont de deux types : les aciers de construction et les aciers pour chaudières et appareils à pression. Les aciers de construction sont utilisés en priorité pour la réalisation des réservoirs atmosphériques. L emploi des aciers pour chaudières ou pour appareils à pression est, en général, limité aux viroles basses épaisses des robes des ouvrages de grande capacité. Les caractéristiques mécaniques minimales de ces aciers restent dans les fourchettes suivantes : résistance à la rupture 360 à 530 N/mm 2 ; limite d élasticité 235 à 355 N/mm 2. Les aciers utilisés sont généralement choisis parmi ceux couverts par les normes données dans le fascicule Doc. BM ( 2.1). 2. Réservoirs sous faible et forte pressions 2.1 Généralités Cette catégorie de réservoirs est destinée à contenir des liquides volatils dont la tension de vapeur, à la température ambiante, est supérieure à la pression atmosphérique. Ces réservoirs peuvent être aussi utilisés pour le stockage de liquides non volatils mais maintenus sous une pression de gaz pour les besoins de l exploitation. Ces produits ne peuvent pas être stockés dans les réservoirs atmosphériques ( 1), qui ne sont conçus que pour de très faibles surpressions. Pour assurer leur stockage, il faut avoir recours à des enceintes hermétiquement closes et résistantes, capables de supporter la pression interne. Ces réservoirs sont systématiquement équipés de soupapes de sécurité installées au point haut de la phase vapeur du stockage. Le dimensionnement de ces soupapes est défini par le code de construction ou la réglementation applicable. En l absence d exigences particulières, il peut être fait à partir des règles émises par le document PI-2000 (pression effective 1 bar) pour les réservoirs sous faible pression et PI-520 pour les stockages sous forte pression. On distingue dans cette catégorie les quatre types de structure. Réservoirs cylindriques verticaux Ce sont des réservoirs à toit fixe sphérique comportant soit un fond plat ancré, soit un fond sphérique non ancré. La géométrie de ces stockages ne permet leur utilisation que pour de faibles pressions. Sphéroïdes Ils sont utilisés comme moyen de stockage intermédiaire entre les réservoirs cylindriques verticaux sous faible pression et les ballons ou les sphères sous forte pression. Ballons cylindriques horizontaux Ils peuvent être aériens ou placés sous un talus de terre. Ils conviennent bien pour le stockage sous forte pression et c est leur destination première. Néanmoins, il faut citer leur emploi courant pour les petits stockages de produits inflammables liquides sans pression dans les stations de distribution de carburants (normes NF M et NF M ). Sphères Elles représentent la forme idéale pour les stockages sous forte pression. Elles permettent de réaliser économiquement des capacités importantes. Les capacités maximales que l on peut envisager pour ces divers réservoirs sont beaucoup plus modestes que pour les réservoirs atmosphériques en raison de la pression interne. 2.2 Réservoirs cylindriques verticaux Généralités Ces réservoirs, étudiés pour fonctionner sous faible pression, permettent de réduire ou d éliminer les pertes par évaporation et remplissage que l on ne peut éviter sur les réservoirs à toit fixe atmosphériques. Ils assurent en ce sens un service comparable à celui des réservoirs à toit flottant, mais sous des conditions d exploitation différentes et avec des capacités beaucoup plus limitées. Le contrôle de ces pertes est obtenu en dimensionnant le réservoir pour une pression interne suffisamment élevée capable de supporter, aux heures les plus chaudes de la journée, l accroissement de la pression du mélange air-vapeur produit par l évaporation du liquide. Une pression effective d étude de l ordre de 0,15 à 0,2 bar convient, en général, pour les produits les plus volatils habituellement stockés sous pression sensiblement atmosphérique. Cette pression permet également de réduire les pertes au remplissage par compression de l air contenu dans le mélange gazeux et condensation partielle des vapeurs avant ouverture des soupapes de sécurité. En raison de cette propriété de conservation, les réservoirs de ce type sont souvent retenus pour la réalisation des dépôts. On utilise également ces réservoirs, sous des pressions supérieures, pour le stockage de produits plus volatils (essences légères, pentane, etc.). Dans ce cas, les pressions effectives retenues ne sont généralement pas supérieures à 0,5 bar. Cependant, pour de petites capacités, il est possible d envisager des pressions de l ordre du bar. Ces capacités sont en principe étudiées pour une dépression interne d étude limitée à 5 mbar, afin de ne pas grever le coût de l ouvrage par un raidissage de robe plus important et un renforcement du toit. Cette faible dépression ne permet pas toujours d éviter les entrées d air dans le réservoir au cours des soutirages de produit, lorsque la température ambiante baisse ou quand la pression atmosphérique augmente. L inévitable saturation de cet air par la vaporisation du liquide qui s ensuit reste encore un élément de la réduction du stock de produit qu il n est pas possible d éliminer. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM

14 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Soupape de sécurité r = 0,8 à 1,5d Détail 1 nneau de compression Tôlerie de toit Chevron Chevrons Tôlerie de toit Détail 1 nneaux d r = 0,8 à 1,5d Détail 2 Détail 1 d a coupe du toit nneau de compression Tôlerie de toit Tôlerie de toit Chaises d'ancrage Boulons Fond d'ancrage nneau de fondation béton Chevrons Tôlerie de toit Coupe - Tôlerie de toit B Tôlerie de toit B B Tôlerie de toit B Détail 1 : anneau de compression supérieur Figure 16 Réservoir cylindrique vertical avec fond plat ancré La taille maximale de ces stockages est limitée par la pression d étude. Celle-ci affecte, bien entendu, les épaisseurs de paroi (en particulier dans les régions de la structure où des discontinuités de forme existent, comme, par exemple, à la jonction de la robe avec le fond et le toit) et également le dimensionnement des ancrages et de la fondation. Les deux conceptions suivantes peuvent être envisagées Réservoirs avec fond plat ancré Détail 2 : ancrages d diamètre du réservoir r rayon de courbure du toit (ou du fond) La robe et le fond plat de ces stockages (figure 16) sont de la même conception que ceux des réservoirs atmosphériques ( 1.2). Le fond est en général équipé d une bordure (figure 2b). Les épaisseurs de la robe, dont la hauteur peut être comprise entre 14 et 20 m, sont calculées en considérant la pression développée par le liquide et la pression de la phase gazeuse (pression d étude). Elles sont limitées par les codes de construction à 40 mm environ. Un raidissage circonférentiel de la robe est quelquefois nécessaire pour éviter un flambage local de la paroi sous les effets combinés du vent et de la dépression interne. Des ancrages, solidaires d un anneau de fondation en béton, doivent être prévus sur la périphérie du fond (détail 2, figure 16). Ils ont pour rôle d empêcher le soulèvement de la robe sous l action de la pression interne qui agit sur le toit et de reprendre les effets de renversement développés sur la structure par le vent ou un éventuel séisme. Le système d ancrage est réalisé par un ensemble de boulons installés à intervalles réguliers (entre 1,5 et 3 m) sur des chaises solidaires de la robe et de la bordure du fond. Tôlerie de toit Chevron Chevron Goussets nneaux Goussets Coupe B-B b vue partielle de dessus d diamètre r rayon du toit (ou du fond) Figure 17 Toit sphérique à charpente intégrée, type coque raidie La jonction robe-toit doit être renforcée par un anneau de compression (détail 1, figure 16) qui a pour but d éviter la déformation de cette zone sous les effets de la pression qui agit sur le toit. La section de compression peut être réalisée par une cornière de tête ou par un anneau en tôle découpée dont l épaisseur est, comme pour la robe, limitée à 40 mm. Cet anneau est, en général, placé dans le prolongement du toit. Lorsque l anneau est trop important, la section résistante est répartie sur la robe et le toit. Le toit sphérique autoportant ( 1.3.3) ne comporte pas de charpente pour les petits diamètres. Pour les diamètres plus grands, on utilise une charpente à chevrons (figure 5a). On emploie aussi des toits avec charpente intégrée du type coque raidie, qui sont constitués d une tôlerie et d une charpente légère intimement associées (figure 17). Cette charpente est réalisée par plusieurs zones concentriques de chevrons rayonnants en cornière, séparées par des anneaux. Elle est fixée par soudure sous les tôles et forme ainsi avec cette tôlerie un ensemble monolithique. BM Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

15 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Le toit doit être vérifié pour une surcharge externe d au moins 120 dan/m 2 (charge de neige et dépression d étude), mais également pour la pression d étude interne. La pression d étude qui définit l importance des ancrages et de la fondation en béton est en général le critère qui limite la capacité de ces réservoirs. C est ainsi que la capacité optimale que l on peut envisager sous une pression effective de 0,15 bar par exemple, se situe autour de m 3. On notera que, pour limiter les effets de la pression, il est intéressant de réduire le diamètre du réservoir au profit de sa hauteur Réservoirs avec fond sphérique non ancré Ces ouvrages, souvent appelés hémisphéroïdes, se différencient seulement des précédents par la présence d un fond à profil sphérique et par l absence d ancrage et de fondation en béton (figure 18). Ils peuvent accepter des pression plus importantes que les réservoirs à fond plat, mais avec des capacités plus réduites. Le fond a un rayon de courbure qui est en général proche de 1,5 fois le diamètre du réservoir, afin de limiter la profondeur de l assise. Il est réalisé à partir de tôles embouties de 6 à 6,5 mm d épaisseur. Ces tôles sont soudées soit par recouvrement, soit bout à bout, en fonction de la valeur de la pression d étude. La forme sphérique du fond élimine la nécessité des ancrages, car elle permet d équilibrer la force de soulèvement exercée par la pression sur le toit. Un anneau de compression doit en revanche être mis en place à la jonction robe-fond (détail ) ; il est comparable à celui placé au raccordement robe-toit (détail 1), mais sa section est plus importante en raison de la pression supplémentaire exercée par le liquide. L absence d ancrage est intéressante, car elle évite la réalisation d une fondation périphérique en béton. L assise du réservoir est simplement constituée d un lit de sable placé entre la tôlerie du fond et le sol préalablement compacté et formé suivant le profil d une calotte sphérique. Pour assurer le drainage indispensable de cette fondation, le point bas de la calotte doit être situé au-dessus de la nappe phréatique. Soupape de sécurité r = 0,8 à 1,5d r = 1,5d d Détail 1 Détail Fond Lit de sable compacté Détail : anneau de compression inférieur d diamètre du réservoir r rayon de courbure du toit (ou du fond) Le détail 1 est identique à celui de la figure 16 Figure 18 Réservoir cylindrique vertical avec fond spérique non ancré L importance du stockage est, sur ce type de structure, limitée par l épaisseur de l anneau de compression inférieur qui ne doit pas excéder 40 mm. En considérant cette limite, des capacités de l ordre de m 3 sont réalisables sous une pression effective de 0,35 bar. Sous une pression effective de 1 bar, elles n excèdent pas m Sphéroïdes La géométrie de ces ouvrages est plus favorable pour le stockage sous pression interne que celle des réservoirs cylindriques verticaux ( 2.2). Elle autorise des pressions plus importantes. Ces réservoirs sont également mieux adaptés que les sphères pour le stockage des liquides sous pression moyenne ( 2.4), en raison du système de supportage direct de la capacité sur le sol. Cependant, la construction de ces structures est complexe et leur coût est relativement élevé. Pour ces raisons, elles ne sont plus très employées et lorsque les pressions d étude envisagées sont supérieures à celles permises par les réservoirs cylindriques verticaux, on s oriente le plus souvent vers des solutions du type ballon ou sphère. Les proportions de l enveloppe d un sphéroïde sont calculées pour s approcher au plus près de la forme que prendrait une membrane mince, posée sur un support plan déformable, partiellement remplie d un liquide au-dessus duquel une pression pneumatique est présente. L action du liquide tend à aplatir la membrane tandis que la pression du gaz s oppose à cet affaissement et arrondit la forme. La géométrie finale de l ouvrage est obtenue lorsque l équilibre des contraintes de membranes est réalisé dans toutes les directions. Ce type de réservoir est le plus souvent utilisé pour des pressions d étude effectives n excédant pas 2 ou 3 bar. Ces valeurs ne constituent pas une limite et pourraient être dépassées. Cette opportunité n est cependant que peu exploitée car, pour des pressions supérieures, il est plus rationnel et plus économique de s orienter vers un ballon ou une sphère. La dépression interne d étude de ces ouvrages est en général de 10 mbar, car ils se prêtent mieux aux pressions extérieures que les réservoirs cylindriques. Ce niveau de dépression permet de résoudre partiellement le problème des entrées d air et des pertes de stock évoquées au paragraphe 2.2. Ces réservoirs stockent les mêmes produits que les ouvrages cylindriques verticaux ( 2.2.1), mais également des produits plus volatils comme, par exemple, l isopentane. Ils sont aussi souvent utilisés sur les champs d extraction pour le dégazage des pétroles bruts émulsionnés, à la sortie des puits. Les capacités maximales mises en œuvre habituellement n excèdent pas m 3. Pour cette taille, le diamètre à l équateur est de l ordre de 25 m et la hauteur totale de 20 m. L enveloppe de ces réservoirs est constituée de plusieurs rangées de tôles embouties et de deux calottes sphériques couvrant les pôles (figure 19). Chaque tôle est formée suivant le profil d un tore à plusieurs rayons dans le plan méridien, et suivant un cercle dans le plan horizontal. près formage, ces tôles sont découpées et soudées bout à bout. La calotte inférieure de l enveloppe repose sur un lit de sable en contact direct avec le sol, creusé au profil du réservoir et consolidé pour reprendre les charges verticales. Le supportage périphérique de l enveloppe est réalisé par une série de goussets raidisseurs verticaux, soudés à l extérieur des tôles de l équateur inférieur et sur un anneau horizontal assez large. Cet anneau de base non ancré s appuie sur le sol sans aucune fondation en béton. Le drainage correct des eaux vers la nappe phréatique doit, ici aussi, être assuré. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM

16 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Soupape de sécurité Soupape de sécurité r1 r2 r3 d r6 r5 r4 d diamètre à l'équateur r rayons méridiens Lit de sable compacté Goussets raidisseurs nneau de base Berceau métallique Boulons Massifs d'ancrage de fondation a ballon avec fonds torisphériques ou elliptiques B Soupape de sécurité Figure 19 Sphéroïde Le calcul de l épaisseur des différentes zones de l enveloppe sous pression est effectué au niveau le plus bas de chaque rangée de tôles. Dans ce calcul, il est tenu compte de la pression de la phase gazeuse (pression d étude), de l action exercée par le liquide et de la masse propre de l enveloppe. Les contraintes de membrane peuvent être établies de différentes façons, et, en particulier, par la méthode simple et rigoureuse dite des corps libres exposée dans le code PI-620. Berceau béton B b ballon avec fonds hémisphériques Méthode des corps libres : elle consiste à étudier l équilibre des forces en présence sur un élément de coque et son contenu, isolés du reste de l ouvrage par une coupe horizontale fictive traversant la structure, et à en déduire les contraintes de membrane Tôle d'usure Les épaisseurs de ces ouvrages sont peu importantes en raison de la géométrie favorable de leur enveloppe, des faibles pressions d étude adoptées et des faibles capacités habituellement réalisées. Ces épaisseurs sont largement inférieures à la limite de 30 ou 40 mm, généralement fixée par les codes de construction, pour échapper au traitement thermique après soudage de l ouvrage terminé. 2.4 Ballons cylindriques horizontaux Ces réservoirs couvrent essentiellement le domaine du stockage sous forte pression des gaz liquéfiés. Ces produits très volatils présentent à température ambiante des tensions de vapeur élevées. Dans ces enceintes, le produit est à la fois présent sous forme liquide et gazeuse. La phase gazeuse est totalement saturée. Les deux phases sont en équilibre de pression et de température et évoluent en fonction des fluctuations de la température du milieu ambiant extérieur. Le stockage de ces gaz liquéfiés est effectué sous des pressions effectives qui restent en général inférieures à 30 bar, pour la plupart des gaz et pour une température maximale d étude de l ordre de 50 C. Boulons d'ancrage Coupe - : berceau métallique Figure 20 Ballons cylindriques horizontaux Coupe B-B : berceau béton Du fait de leur pression de fonctionnement élevée, ces ouvrages sont soumis au contrôle des administrations et doivent donc répondre aux exigences des réglementations nationales. Les ballons cylindriques horizontaux sont bien adaptés à ces fortes pressions et permettent également des dépressions internes importantes pouvant aller jusqu au vide complet. De ce fait, ils assurent une parfaite conservation des stocks en éliminant totalement le problème des pertes. Pendant très longtemps, les ballons ont été utilisés pour des stockages de faibles importances, n excédant pas 200 à 300 m 3 (figure 20). Pour des capacités plus grandes, les sphères étaient en général retenues. Cependant, à partir de 1975, la réalisation de gros réservoirs cylindriques horizontaux sous talus de terre, pouvant atteindre m 3 (figure 21), s est développée sous l impulsion des administrations chargées de la Sécurité et de l Environnement, d abord en llemagne puis sur le reste de l Europe. La réglementation française, publiée en 1990 sur ce sujet, a fixé à m 3 la capacité maximale de ces réservoirs et a confirmé cette limitation en Cette évolution s est effectuée au détriment des sphères jugées moins sécurisantes pour l environnement. BM Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

17 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Soupape de sécurité Orifice de visite et d'exploitation nneau raidisseur Sable Talus de terre Pente Lit de sable 35 à 40 compacté Coupe longitudinale Pot de purge Face du talus brute ou engazonnée nneau raidisseur Talus de terre Sable Lit de sable compacté à 40 Coupe - L'axe longitudinal du ballon a une légère pente dirigée vers le pot de purge. Les cotes sont données en millimètres. Figure 21 Ballon cylindrique horizontal sous talus Ces gros réservoirs sont caractérisés par leurs grandes dimensions et par le talus de sable ou de terre qui les recouvre après construction (figure 21). Ce talus, dont l épaisseur n est en général pas inférieure à 1 m, constitue un bouclier de protection très efficace contre les agressions extérieures : il possède, en effet, une grande inertie thermique, une importante capacité isolante et une excellente résistance aux explosions et à la pénétration de projectiles. Il permet également d éliminer, en cas d incendie, l éventualité d un foyer actif sous l ouvrage comme ce peut être le cas pour les réservoirs surélevés. Ce mode de stockage permet aussi, grâce à l effet isolant du talus de terre, d abaisser les pressions de fonctionnement. En contrepartie, il introduit un problème important de corrosion sur les parois externes du réservoir, en contact direct avec le talus, dont il faut se protéger très efficacement. Cette protection est en général assurée par un revêtement de peinture anticorrosion très élaboré et par une protection cathodique. près la réalisation du talus, l inspection des parois du réservoir et le contrôle des épaisseurs ne peuvent plus être assurés que par l intérieur de l ouvrage, ce qui implique un arrêt de l exploitation. L absence de visibilité extérieure ne simplifie pas non plus le contrôle des épreuves périodiques réalisées sous talus. Suivant leur dimension, les ballons sont fabriqués en atelier ou sur chantier. Les réservoirs ne dépassant pas 200 à 300 m 3 (diamètre voisin de 3 m et longueur comprise entre 30 et 40 m) sont entièrement construits en atelier et transportés en une pièce sur le site. Pour des capacités plus importantes, le diamètre des ballons doit être augmenté pour ne pas exagérer leur longueur. Exemple : le diamètre des unités de m 3 est d environ 8 m pour une longueur voisine de 80 m. Le transport et le levage de tels réservoirs en une pièce sont difficilement réalisables et, en principe, ces ballons sont assemblés et soudés sur les lieux d exploitation à partir d éléments préfabriqués en usine. Le dimensionnement des ballons horizontaux est conditionné par l épaisseur maximale des parois qu il est possible de souder ou pour laquelle un traitement thermique après soudage est imposé par les codes de construction et les règlements officiels. Pour les ouvrages épais réalisés en atelier, le soudage est bien maîtrisé mais encore faut-il que l ouvrage terminé puisse être traité thermiquement dans le four de l établissement. En France, le traitement thermique après soudage est exigé, par la réglementation et le code de construction, lorsque l épaisseur dépasse 30 ou 40 mm, suivant la nature de l acier au carbone mis en œuvre. Il est essentiel de prendre en compte ces limites pour les réservoirs de grandes dimensions assemblés sur site, car il est extrêmement difficile d effectuer convenablement un traitement thermique de ces longues structures horizontales sur chantier. Il faut donc, dans ce cas, que le diamètre du ballon soit sélectionné pour obtenir des épaisseurs n excédant pas 30 ou 40 mm. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM

18 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Les ballons sont constitués d un corps cylindrique terminé à ses extrémités par des fonds emboutis. La robe cylindrique est réalisée par plusieurs viroles soudées bout à bout. En fonction du diamètre, chaque virole comporte une ou deux tôles roulées. Les fonds emboutis ont un profil torisphérique, elliptique (figure 20a) ou sphérique. Les fonds hémisphériques (figure 20b) sont souvent retenus car ils sont facilement réalisés, en plusieurs secteurs, par emboutissage à froid, au moyen des presses classiques qui équipent habituellement les ateliers de chaudronnerie. Les autres types de fonds sont en général obtenus par emboutissage à chaud ou par repoussage soit en une pièce lorsque leur diamètre n excède pas 3 m, soit en plusieurs éléments au-delà. Le supportage de ces ballons sur le sol peut être assuré de plusieurs façons. La plus courante consiste à installer le stockage sur des appuis ponctuels appelés berceaux qui prennent place sur des massifs de fondation en béton. Ces berceaux peuvent être réalisés à partir d éléments en tôle directement soudés sur le ballon ou bien par une extension, au-dessus du sol, des massifs de fondation qui épousent la forme du réservoir (figure 20). Dans ce cas, une tôle d usure est soudée à l extérieur du ballon au droit des appuis en béton. Lorsque cela est possible, le nombre des berceaux supports doit être limité à deux, car c est la solution la plus rationnelle pour le calcul en flexion du ballon. Les supportages qui mettent en œuvre plus de deux berceaux sont difficiles à vérifier en raison de l incertitude qui existe au niveau de la stabilité verticale de chaque appui sous charge. Sur les ballons de grand diamètre, les berceaux sont quelquefois remplacés par des poteaux supports verticaux installés par paire de part et d autre du diamètre. Enfin, lorsque le terrain est de constitution suffisamment homogène avec un sous-sol relativement stable, le supportage continu sur lit de sable est largement employé, en particulier pour les gros stockages sous talus (figure 21). Le supportage est réalisé par appui direct de la structure sur un lit de sable compacté qui épouse sur au moins 120 la partie inférieure du ballon sur toute sa longueur. L épaisseur du lit de sable sous le réservoir est de l ordre du mètre. Ce lit est obligatoirement réalisé au-dessus du niveau maximal de la nappe phréatique pour éviter sa liquéfaction en régime de hautes eaux et assurer son drainage et celui du talus lors des pluies. Ce type de supportage convient parfaitement pour des terrains de faible portance mais relativement homogènes, afin d éviter des tassements différentiels sur la longueur de l ouvrage. Le calcul des épaisseurs de l enveloppe des ballons est effectué à partir des formules simples du code de construction, en considérant les effets combinés des phases liquides et gazeuses du produit stocké. L enveloppe ainsi définie est ensuite vérifiée pour s assurer que les épaisseurs retenues conviennent pour résister à un vide partiel interne de niveau suffisant en regard des conditions d exploitation. Les conditions de supportage sur appuis doivent également être examinées. Elles conduisent quelquefois à augmenter l épaisseur des parois ou à mettre en place des anneaux raidisseurs au droit des appuis. Sur les gros réservoirs de stockage sous talus, qui doivent de plus supporter des charges importantes de terre, les parois cylindriques comportent également des anneaux raidisseurs intérieurs régulièrement répartis sur toute la longueur de la robe pour reprendre les poussées extérieures. 2.5 Sphères Les sphères (figures 22 et 23) sont largement employées pour les stockages importants de gaz liquéfiés sous forte pression. C est la forme idéale pour résister à la pression car c est sur ce type de coque que le niveau des contraintes de membrane reste le plus faible ; c est ainsi que l épaisseur d une enveloppe sphérique est, par exemple, moitié moindre que celle d une enveloppe cylindrique de même diamètre soumise à la même pression et réalisée avec le même matériau. C est aussi la forme géométrique qui présente la plus petite surface de paroi pour un volume donné. Par ailleurs, mm Figure 22 Sphère sur poteaux Figure 23 Sphère sous talus Soupape de sécurité Poteau r support tubulaire Tirants Semelle Massif de fondation Boulons d'ancrage ÀÀ CC ƒƒ ÁÁ BB ÀÀ ÂÂ, CC ƒƒ ÁÁ ÀÀ,, QQ BB  Soupape de sécurité Face du talus brute ou engazonnée 75 Couche interface de contact déformable Orifices de visite et d'exploitation Massif de fondation en béton mm Talus de sable armé Remblai de sable normal l implantation de ces ouvrages nécessite moins de place au sol que les réservoirs cylindriques horizontaux (figures 20 et 21). Toutes ces propriétés contribuent à rendre ces réservoirs très économiques et bien adaptés aux stockages sous pression de grandes capacités. Les sphères supportent également très bien d importantes dépressions internes pouvant aller jusqu au vide total. Comme pour les ballons cylindriques horizontaux, les pertes de produit dues à la variation de la température ambiante ou aux mouvements de produit sont nulles. Comme indiqué au paragraphe 2.4, un traitement thermique après soudage est exigé en France lorsque les épaisseurs mises en œuvre sont supérieures à 30 ou 40 mm. La forme sphérique se prête parfaitement à cette opération qui est réalisée d une façon courante sur chantier après achèvement complet de la construction. Pour ce faire, l ouvrage est couvert extérieurement d un calorifuge provisoire pour permettre de porter sa température au voisinage de 580 C à l aide d un brûleur à flamme vive ou par circulation d air chaud. r BM Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

19 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE La capacité unitaire des sphères habituellement installées est comprise entre 200 m 3 (Æ = 7,25 m) et m 3 (Æ = 21,25 m), mais des ouvrages de capacités supérieures pouvant atteindre m 3 (Æ = 26,75 m) sont aussi quelquefois réalisés. Compte tenu de leur géométrie et de leur grande dimension, la construction des sphères est effectuée directement sur le site d implantation à partir d éléments transportables préfabriqués en usine. La capacité maximale d une sphère dépend de l épaisseur de paroi que l on souhaite ne pas dépasser, en raison des difficultés de mise en œuvre et, en particulier, de soudage en plein air sur chantier. L expérience montre, pour les nuances d acier au carbone habituellement retenues pour la construction des sphères (nuances des normes NF EN 10028, NF , NF ou équivalentes), qu il est raisonnable de situer cette limite entre 50 et 60 mm. L épaisseur des parois est fonction de la dimension de l ouvrage, de la tension de vapeur du produit stocké à la température maximale d étude, des caractéristiques mécaniques des aciers mis en œuvre et de la sévérité des codes d étude ou des réglementations locales. L enveloppe sphérique sous pression est constituée d un ensemble de tôles élémentaires soudées bout à bout et disposées en rangées horizontales entre deux calottes polaires. En général, elle est supportée au niveau de l équateur par des poteaux verticaux de section tubulaire, espacés de 5 à 6 m, qui prennent appui sur des massifs de fondation (figure 22). La hauteur de ces poteaux est prévue pour permettre une distance libre d au moins 1,5 m sous le pôle inférieur. D autres systèmes de supportages sans poteaux sont plus rarement retenus. Il s agit principalement de jupe cylindrique ou conique en tôle, placée sous l hémisphère inférieur, ou d appui polaire sur massif de béton (avec interposition d un matériau de contact déformable : élastomère, polyuréthane, feutre bitumineux, etc.). Le formage des secteurs sphériques est réalisé le plus souvent à froid par emboutissage progressif des tôles. Les dimensions de la tôle élémentaire sont, en général, de l ordre de 2,5 à 3 m pour la largeur et de 10 à 12 m pour la longueur. Le calcul de l enveloppe sous pression consiste à définir l épaisseur de chaque zone en son point le plus bas sous les effets de la pression intérieure, du contenu liquide, du poids propre et des charges extérieures. Ce calcul est conduit à partir des règles du Code de construction, les contraintes de membrane pouvant être déterminées par différentes méthodes et, en particulier, suivant la méthode des corps libres isolés mentionnée au paragraphe 2.3 pour les sphéroïdes. L enveloppe ainsi définie est ensuite vérifiée pour un vide partiel ou total qui pourrait se développer en exploitation pour certaines circonstances de vidange ou sous certaines températures. La ceinture équatoriale des sphères sur poteaux doit ensuite faire l objet d un calcul complémentaire pour prendre en compte les réactions de supportage. En général, cela conduit à renforcer l épaisseur des tôles équatoriales sur lesquelles sont fixés les poteaux. Ces derniers ne sont sollicités que pour des efforts de compression verticaux et leur dimensionnement relève d un simple calcul au flambage. La stabilité du système de supportage sous l action des forces horizontales dues au vent ou à un éventuel séisme est assurée par la mise en place de tirants placés en croix entre la base et le sommet des poteaux et par des boulons d ancrage fixés sur les semelles. Depuis 1993, la mise sous talus des ouvrages sphériques existants ou neufs est autorisée en France par l administration alors que cette technique était jusque-là réservée aux ballons cylindriques horizontaux ( 2.4, figure 21) ; cette décision a permis, sur de nombreux sites, de maintenir en exploitation les sphères existantes, en raison de la réduction des distances de sécurité, entre les zones d habitation et le stockage, autorisée par la réglementation pour ce type d ouvrage. La capacité maximale ne doit pas excéder m 3 comme pour les ballons et l épaisseur minimale du talus de sable ou de terre reste fixée à 1 m. L utilisation de sable armé (mélange intime de sable et de fils synthétiques) permet de réduire l emprise au sol du talus en autorisant des angles de talus de l ordre de 75 degrés (figure 23). Les ouvrages neufs sont, en principe, réalisés sur appui polaire sans poteaux, afin de minimiser les surfaces externes en contact avec le talus et susceptibles de se corroder (figure 23). Les épaisseurs de l enveloppe des sphères sous talus doivent être vérifiées pour les charges supplémentaires amenées par le talus. Sur les sphères existantes, les fondations doivent être renforcées. 2.6 Codes d étude et de construction Les réservoirs de stockage sous pression sont régis par de nombreux codes nationaux. Tous les pays fortement industrialisés ont développé le leur, tandis que ceux en voie de développement n en possèdent généralement pas et se réfèrent à des codes étrangers. Ces codes sont très complets et rassemblent un ensemble de règles qui concernent les études, le choix des matériaux, les dispositions de construction, la soudure, les contrôles et les essais de résistance. Ils sont émis par des associations ou des institutions professionnelles nationales et reflètent, en principe, les exigences imposées par la législation locale en vigueur. Leur évolution est permanente et ils font l objet de révisions périodiques. Tous ces codes sont rédigés dans le même esprit de sécurité, mais conduisent, en fait, à des structures d épaisseurs très différentes. Les figures 24 et 25, qui montrent le taux de travail maximal admissible et les épaisseurs obtenues avec les principaux codes, illustrent clairement ce point particulier. Les codes les plus fréquemment employés dans l industrie sont donnés dans le fascicule Doc. BM «Pour en savoir plus» ( 1.2). 2.7 Qualités des aciers utilisés Les différents types d acier employés pour la construction des stockages sous pression sont les mêmes que ceux déjà cités paragraphe 1.6 et sont donnés dans le fascicule Doc. BM «Pour en savoir plus» ( 2.2). La sélection de la qualité se fait en fonction de la pression d étude, de la température d utilisation et de l épaisseur de paroi. Pour les réservoirs sous faible pression, on utilise de préférence la gamme des aciers de construction qui convient parfaitement pour les ouvrages minces de ce type. Lorsque la taille des ouvrages détermine des épaisseurs plus importantes, on a recours, pour les parties du réservoir les plus épaisses, aux aciers pour chaudières et appareils à pression. Les ouvrages sous forte pression ou épais ne sont réalisés qu avec des aciers de qualité pour chaudières ou pour appareils à pression. Ce sont principalement des aciers normalisés au carbonemanganèse calmés au silicium qui sont élaborés selon la technique du grain fin. Ces aciers garantissent de bonnes valeurs d allongement et de résilience à basse température. Il est en effet nécessaire de tenir compte des conditions de fonctionnement sous pression à température négative et de se prémunir du risque de rupture fragile sous contrainte. Pour les ouvrages très épais, l utilisation des nuances d aciers du type trempé et revenu (STM et STM 738-B par exemple), en remplacement des nuances normalisées, abaisse les épaisseurs de 15 à 20 %. Ces aciers présentent des caractéristiques Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique BM

20 RÉSERVOIRS MÉTLLIQUES : STOCKGE DES LIQUIDES À TEMPÉRTURE MBINTE Taux de travail admissible (% R) Soit 46,7 % R Re/1,5 LLEMGNE -D-Merkblatt R/2,35 R/2,4 Re/1,5 Re/1,5 UK BS-5500 FRNCE CODP (1) R/2,7 Re/1,6 FRNCE CODP (1) R/3 Re/1,5 (SME), Re/1,6 (CODP) FRNCE/CODP (1) US/SME VIII Division 2 R/3,33 Re/1,66 US PI-620 R/4 Re/1,5 US SME VIII Division 1 Code d'étude mécaniques élevées, associées à une composition chimique simple. Ces nuances sont en effet obtenues, non par addition d éléments d alliage durcissants, mais par un traitement thermique approprié en forges. Cette technique permet de conserver sur des aciers à haute performance une excellente soudabilité comparable à celle des aciers normalisés. L emploi des aciers trempés et revenus permet également de réaliser des unités de stockage plus importantes tout en restant dans les limites d épaisseur fixées pour le soudage ou par le code de construction. Variation des épaisseurs de paroi 1 0,75 0,5 0,25 0,536 0,587 0,6 0,675 0,75 0,832 1 R résistance à la traction garantie à la température ambiante Re limite d'élasticité garantie à la température de calcul Le taux de travail est défini pour chaque code par les valeurs minimales des rapports : R x avec x coefficient de sécurité se rapportant à R y coefficient de sécurité se rapportant à Re et Il a été admis que l'on a : Re R 0,7 (1) Le CODP permet l'utilisation de trois taux de travail différents. Chacun est fonction du niveau de réception des matériaux et des contrôles de fabrication. La sévérité des conditions de réception et de contrôle augmente avec l'élévation du taux de travail. Le taux de travail R/2,4 est lié à des exigences réglementaires complémentaires. Figure 24 Valeur du taux de travail maximal admissible en fonction du code d étude Re y 0 LLEMGNE -D-Merkblatt UK BS-5500 FRNCE CODP FRNCE CODP FRNCE/CODP US/SME VIII Division 2 US PI-620 US SME VIII Division 1 Figure 25 Épaisseurs comparées de paroi en fonction du code d étude Code d'étude Les épaisseurs de paroi définies pour les différents codes à partir du taux de travail de la figure 24 sont comparées à l'épaisseur déterminée pour le code SME VIII Division 1. BM Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique