Brevet FR2349099A1 — publié le 19771118

La présente invention a pour objet des réservoirs de stockage de gaz liquifiés et le procédé de construction de ceux-ci. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des réservoirs de stockage de liquides à basses ou très basses températures dits réservoirs réfrigérés ou cryogéniques, par exemple des réservoirs de méthane liquéfié. On connaît des réservoirs de stockage de gaz liquéfiés à parois verticales et à double enveloppe métallique. L'enveloppe interne contient le liquide. Elle est construite, par exemple,en acier inoxydable ou en alliage d'aluminium. Elle résiste à la pression hydrostatique du liquide. L'espace entre les deux enveloppes est rempli d'un isolant thermique, de préférence un isolant pulvérulent, par exemple de la perlite expansee. L'enveloppe externe sert à maintenir en place l'isolant et à confiner les gaz. Elle résiste uniquement à la surpression du gaz par rapport à la pression atmosphérique qui est faible, de l'ordre de 0,1 à 0,4 bar. L'enveloppe externe est en acier au carbone et elle est recouverte d'un toit en forme de dôme ou de cône. Ce toit supporte généralement un toit suspendu, supportant un matelas isolant thermique, place au sommet du réservoir interne. On tonnas également une deuxième catégorie de réservoirs de stockage de gaz liquéfiés comportant des parois verticales et un toit en béton, par exemple en béton précontraint, portant, à l'intérieur, une couche isolant thermique revetue d'une enveloppe métallique qui contient le gaz liquéfié. Dans ce cas, ce sont les parois en béton qui résistent aux pous s~=shydrostatiques et à la surpression des gaz. Ces poussées sont transmises au béton par I'intermédiaire de la couche isolante thermique qui doit etre constituée par une mousse rigide zu type verre cellulaire pouvant résister à des contraintes de compression de plusieurs bars. Les réservoirs de la première catégorie présentent l'avantage d'utiliser un isolant thermique pulvérulent ayant, à prix égal, de meilleures propriétes d'isolation. Les réservoirs de cette catégorie présentent donc une bonne isolation pour un cout relativement bas et les pertes de gaz par évaporation, qui compensent les apports de calories, sont faibles. Par contre, ces réservoirs présentent certains inconvénients. Lten- veloppe externe est soumise aux influences climatiques : vent et différences de température qui entraînent des déformations et des dilatations d'où un risque de tassement des produits pulvérulents placés dans l'espace intermédiaire et, à la longue, des défauts d'isolation dus à ces tassements. n'auto part, ces réservoirs sont vulnérables. Si l'enveloppe interne vient à se déchirer accidentellement ou à la suite d'un attentat ou d'non bombardement, le liquide se répand en s'évaporant d'où des risques d'explosion ou d'incendie. Les réservoirs de la deuxième catégorie sont mieux protégés par l'epaisseur des parois en béton contre les influences atmosphériques et contre les risques d'une rupture due à un attentat, à un bombardement ou à un incendie. Toutefois, si les parois en béton se fissurent et perdent leur étanchéIté, le liquide se répand à l'extérieur et ces réservoirs ne présentent donc pas une sécurité suffisante pour pouvoir etre implantés n'importe où.D'autre part, le reservoir en béton résiste à la fois aux poussées hydrostatiques et à la surpression des gaz et si cette surpression s 'élève accidentellement, il en résulte un risque supplémentaire de rupture de l'enveloppe en béton qui n'existe pas dans le cas des réservoirs à double enveloppe dans lesquels le réservoir interne résiste uniquement aux poussées hydrostatiques. Enfin l'isolation thermique des réservoirs de cette deuxième catégorie est généralement inférieure à celle des réservoirs à double enveloppe pour un même coût de construction. L'objectif de la présente invention est de procurer des réservoirs de grande capacité, à parois verticales, pour stocker à basse ou à très basse température des gaz liquéfiés, par exemple du gaz naturel liquéfié, qui présentent les avantages des réservoirs à double enveloppe dans lesquels l'enveloppe interne résiste aux poussées hydrostatiques et qui comportent de plus, une enveloppe externe étanche aux gaz et capable de résister efficacement aux agressions externes telles que les influences climatiques, les attentats, les bombardements, les incendies, et capable en meme temps de resister à la pression hydrostatique du liquide et de retenir celui-ci en cas de rupture du réservoir interne. Cet objectif est atteint au moyen d'un réservoir de stockage de gaz liquéfiés, à double enveloppe, compose - - drune cuve cylindrique interne, métallique, autoportante, ouverte à la partie supérieure, qui contient la phase liquide. - d'une enceinte entourant ladite cuve en délimitant avec elle un espace intermédiaire, laquelle enceinte est composée d'une paroi verticale et d'un toit en béton, revetus intérieurement d'une garniture métallique étanche au gaz. - et d'un isolant thermique remplissant ledit espace intermédiaire. De préférence, la cuve interne comporte, à la partie supérieure, un plafond qui est suspendu au toit de l'enveloppe externe et qui supporte un matelas isolant thermique. La garniture métallique placée à l'intérieur de la paroi verticale de l'enceinte en béton est composée, d'une part, de profiles métalliques. qui sont insérés pattiellemént dans le béton de telle sorte qu'ils affleurent sur la face interne apres décoffrage et, d'autre part, de feuillards métalliques qui sont soudes sur lesdits profilés. Le toit de l'enceinte externe est composé d'un dome en béton armé dont la face inférieure est revêtue d'une garniture métallique. Un réservoir selon l'invention peut comporter un joint étanche aux gaz qui sépare la cuve interne de l'espace intermédiaire entre les deux enveloppes. De préférence, ce joint est composé d'une goulotte circulaire fixée au bord supérieur de la cuve interne et, d'autre part, d'une jupe cylindrique verticale, soudée au toit de l'enveloppe externe, dont le bord inférieur est situé à l'intérieur de ladite goulotte qui peut être remplie d'un liquide formant un joint liquide. Un réservoir selon l'invention est construit suivant un procédé qui comporte les principales étapes suivantes - on construit d'abord le radier et la paroi verticale en béton de l'enceinte externe en insérant dans celles-ci des profilés apparents sur la face interne apres décoffrage. - on préfabrique dans le fond de l'enceinte en béton, le dôme en acier et le plafond suspendu. - on leve ceux-ci par un procédé pneumatique et on soude la pé riphérie du dôme sur une ceinture métallique scellée au sommet de la paroi en béton. on coule le dôme en béton armé sur le dôme métallique qui sert de coffrage supporté par une mise en pression de l'air contenu à l'intérieur de l'enceinte. - on complète la garniture métallique de la paroi verticale en béton en soudant des feuillards métalliques entre les profilés insérés dans le béton. - et on construit un radier isolant dans le fond de l'enceinte externe puis on construit sur celui-ci la cuve interne autoportante. L'invention a pour résultat de nouveaux réservoirs de stockage a tres basse température de gaz liquéfiés, notamment de gaz combustibles liquéfiés, tels que méthane, propane ou gaz naturel. Le transport par navires du gaz naturel liquéfié se développe rapidement ce qui entra me la nécessité de stocker de grandes quantités de gaz liquéfiés a la fois aux usines de liquéfaction placées à proximité des postes de chargement des navires et à proximité des ports de débarquement. Les réservoirs selon l'invention conviennent particulièrement bien pour réaliser de tels stockages dits aériens par opposition avec les stockages enterrés. Ils présentent l'avantage que l'enceinte extérieure en béton, de préférence en béton précontraint, confère à l'ouvrage une protection efficace contre les agents externes. En premier lieu, les déformations de l'enceinte externe dues aux influences climatiques, notamment au vent et aux dilatations provoquées par les différences de température sont très faibles. I1 en résulte que l'isolant pulvérulent ou fibreux, qui remplit l'espace intermédiaire entre les deux enveloppes, n'est pas soumis à des compressions et décompressions successives. En ajoutant à cet isolant un matelas élastique, par exemple une couche d'isolant fibreux qui recouvre la face extérieure de la cuve interne, dont les déformations compensent les dilatations et contractions éventuelles de la cuve interne, on évite tout risque de tassement de l'isolant et on garantit ainsi que l'isolation thermique restera bonne. L'enceinte externe en béton protège également l'ouvrage, dans certaines limites, contre des agressions externes violentes telles qutex- plosions, bombardements, attentats qui risquent d'entraîner une explosion violente du gaz contenu dans le réservoir. En cas d'incendie à l'extérieur du réservoir, l'enceinte en béton constitue un écran supplémentaire ayant une inertie thermique élevée et retarde la transmission de calories vers l'espace isolant et vers la cuve interne ce qui permet au réservoir de mieux résister à l'incendie, sans exploser, pendant une durée plus grande que des réservoirs à double enveloppe métallique. L'enceinte en béton soumise à une surpression accidentelle pourra se fissurer sans perdre son étanchéIté grâce au revêtement métallique intérieur tanche ce qui accroît la sécurité en cas d'incendie extérieur. Enfin l'enceinte extérieure est calculée pour résister éventuellement a la poussée hydrostatique du liquide dans le cas où le réservoir interne viendrait à se fissurer ce qui permettrait de limiter les effets d'un tel accident. Dans 'm tel cas, l'enceinte en béton, même si elle se fissure sous l'effet du choc thermique du au contact brutal du liquide avec la paroi, conserve son étanchéIté grâce au revetement qui garnit la face interne de la paroi de 11 enceinte en béton. Dlautre part1 ce revetement forme une barrière qui évite que l'humidité du béton ne se propage vers l'isolant pulvérulent, très hygrophile, ce qui réduirait 11 efficacité de celui-ci et évite également que de l'air extérieur ne puisse pénétrer par diffusion dans le réservoir. Ces réservoirs présentent donc l'avantage dune double barrière tanche au liquide. La constitution particulière de la garniture métallique composée de profilés et de feuillards soudés entre ceux-ci permet d'obtenir une garniture dont le eoût en matériaux et en travail de mise en place est réduit. Les matériaux sont constitués par des profilés en acier tels que des plats, des cornières ou des tés et par des feuillards minces, en acier au carbone, qui sont des demi produits d'un coût relativement bas par rapport à des tôles. La mise en place des profilés verticalement ou horizontalement dans le béton puis la soudure des feuillards sur ces profilés sont des opérations qui peuvent être exécutées par du personnel sans grande qualification et le coût de ces opérations est beaucoup moins élevé que celui de la construction d'une enveloppe métallique capable de résister à la pression de la phase gazeuse. Par rapport aux réservoirs comportant une enceinte en béton qui résiste à la poussée hydrostatique du liquide et qui est revêtue intérieu- rement d'une couche d'isolant thermique et une cuve' métallique contenant le liquide, les réservoirs selon l'invention présentent l'avantage de permettre l'utilisation d'un isolant pulvérulent ou fibreux du fait qu'il n'est soumis à aucune contrainte de compression. Cet isolant pulvérulent ou fibreux, par exemple de la perlite expansée, présente une meilleure tenue au feu que les isolants rigides qui résistent aux contraintes de compression, et des prix d'achat et de mise en place nettement inférieurs. Le joint liquide constitué par une goulotte circulaire fixée au sommet de la cuve interne et par une jupe qui descend dans celle-ci permet à volonté, d'isoler l'intérieur de la cuve interne de l'espace intermédiaire entre les deux enveloppes ou bien de les mettre en communication simplement en remplissant ou en vidant la goulotte. Il est avantageux de pouvoir isoler l'un de l'autre de ces deux espaces au moment des essais d'etanchelte de la cuve interne ce qui permet de remplir celle-ci d'une atmosphère gazeuse et de vérifier l'étanchéité en détectant la présence éventuelle du gaz dans l'espace intermédiaire. De même, dans le cas où une intervention d'entretien est nécessaire soit dans l'espace intermédiaire, soit dans la cuve, par exemple une soudure qui exige un dégazage préalable de la zone de travail pour éviter tout risque d'explosion, il suffit de remplir la goulotte de liquide pour isoler les deux enceintes l'une de l'autre et de dégazer seulement l'enceinte dans laquelle on doit intervenir. Ceci est très avantageux lorsqu'une intervention doit avoir lieu dans la cuve interne car on évite ainsi d'avoir à dégazer le compartiment contenant le calorifuge, ce qui est une opération très longue. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent un exemple de réalisation d'un réservoir selon l'invention sans aucun caractère limitatif. La figure I est une vue en perspective avec arrachement partiel d'un réservoir selon l'invention. La figure 2 est une coupe verticale partielle du réservoir de la figure 1. La figure 3 est une coupe horizontale suivant III-III de la figure 2. Les figures I et 2 représentent un réservoir aérien de stockage de gaz naturel liquéfié, par exemple un réservoir de stockage ayant une ca pacité de 50.000 m3 avec une hauteur utile de l'ordre de 40 m et un diamètre extérieur de l'ordre de 45 m. La température du liquide est de - 1680C et les pertes par évaporation doivent être inférieures à 0,06 % de la capacité utile du réservoir. Ce réservoir comporte une cuve cylindrique interne 1, qui est une cuve métallique ouverte au sommet. Cette cuve contient la phase liquide et elle est autoportante, c'est-à-dire qu'elle résiste à la poussée hydrostatique du liquide. Par contre, elle n'a pas à résister à une surpression de la phase gazeuse car celle-ci s' exerce sur ses deux faces. La cuve 1 est construite, par exemple, en alliage d'aluminium ou bien en acier au nickel qui conservent de bonnes propriétés mécaniques aux basses températures. Le réservoir comporte une enceinte extérieure 2, étanche aux gaz. Cette enceinte est composée, d'une part, d'une paroi verticale cylindrique 3, en béton précontraint, revêtue intérieurement d'une garniture métallique 4 et d'autre part, d'un toit 5 qui est formé d'un dôme en béton armé 6 revêtu intérieurement d'une garniture métallique 7 qui est soudée à la garniture 4 de faucon à constituer une garniture continue étanche aux gaz et aux liquides. L'enceinte extérieure 2. est séparée de la cuve interne l par un espace intermédiaire 8 qui est rempli de produits isolants thermiques constitués par un matelas élastique 9, par exemple une couche de laine de roche ou de verre appliquée sur la paroi externe de la cuve I et par un isolant pulvérulent 10, par exemple de la perlite expansée qui remplit la totalité de l'espace 8 jusqu'en haut de la cuve 1. La cuve I est ouverte à la partie supérieure et elle comporte un plafond il suspendu par des tiges 12 à la charpente du toit 5. Le plafond Il supporte un matelas isolait thermique 13, par exemple un matelas en fibre de verre ou de roche ayant une épaisseur de l'ordre de 600 à 800 mm. Ce plafond suspendu n'obture pas le sommet de la cuve de façon étanche aux gaz de sorte qu'en fonctionnement normal, la pression des gaz s'exeree dans tout l'espace intermédiaire. Il permet à la cuve de se dilater librement vers le haut ce qui évite les contraintes élevées. Enfin, il évite que le dôme 7 ne soit soumis à des températures très basses ce qui permet de le construire en acier au carbone. L'enceinte extérieure 2 est construite sur un radier en béton 14 qui peut être posé sur le sol si celui-ci est suffisamment résistant ou construit sur des pieux 15 comme le représente la figure 1. Sur le radier 14 est posé un anneau métallique en acier au carbone 16 qui est relié de façon étanche par sa périphérie à la garniture 4, par exemple en étant soudés tous deux sur une ceinture métallique 17 formée par un profilé inséré dans le béton. La largeur de l'anneau 16 est telle qufil garnit entièrement le fond de l'espace intermédiaire 8. Cet anneau 16 peut etre remplacé par une garniture métallique s'étendant sur toute la surface du fond. Sur le radier 14, on construit une couche 18 d'un isolant pouvant supporter des contraintes de compression suffisantes pour porter le poids du liquide et de la cuve intérieure, par exemple une couche de briques de verre cellulaire (foam-glass) ou tout autre matériau isolant équivalent. Cette couche isolante permet de réduire les pertes thermiques à travers le radier. Elle porte, à sa périphérie supérieure, une ceinture en béton armé 19 sur laquelle s'appuient les parois verticales de la cuve 1 et sur le reste de la surface supérieure un lit de sable 20, sur lequel est posé le fond de la cuve 1. La figure 2 montre à plus grande échelle, la composition particu lière du toit qui est composé d'un dôme en béton 6 dont la face inférieure est revetue d'une garniture metallique 7 liée au béton par des connecteurs. La figure 2 représente un mode de réalisation d'un réservoir comportant un joint étanche aux gaz 22 qui permet de séparer momentanément la cuve interne 1 de l'espace intermédiaire 8. Ce joint est constitué d'une part par une goulotte circulaire 23, fixée tout autour du bord supérieur de la cuve 1, par exemple par l'intermédiaire d'une couronne cylindrique 24 et, d'autre part, par une jupe cylindrique verticale 25 qui est soudée au dôme 7 et dont le bord inférieur pénètre à l'intérieur de la goulotte 22. Lorsqu'on désire isoler la cuve de l'espace intermédiaire, iI suffit de remplir la goulotte 22 d'un liquide dans lequel plonge la jupe 25. Ce type de joint permet donc d'isoler ou de mettre en communication, à volonté, l'intérieur de la cuve avec l'espace intermédiaire et de façon très simple, en remplissant ou en vidant la goulotte 22. I1 présente de plus, l'avantage de s'adapter aux différences importantes de dilatation entre la cute 1 et le dôme 7 dues aux variations importantes de température selon le degré de remplissage du réservoir. D'autre part, on peut prévoir une goulotte 22 ayant une hauteur relativement importante, par exemple une hauteur de l'ordre du mètre, de telle sorte que le joint peut supporter une différence de pression entre l'intérieur de la cuve et l'espace intermédiaire de l'ordre de 100 millibars. La figure 3 représente une coupe horizontale suivant III-III de la figure 2. On voit sur cette coupe une portion de la paroi en béton 3 dans laquelle sont insérés pendant le coulage des profilés métalliques verticaux 26 régulièrement espacés, par exemple des profilés en forme de Té ou de U ou de cornière ou de plats. Ces profilés sont placés de telle sorte qu'ils présentent, après décoffrage, une face plane 26a apparente sur la face interne de la paroi. Sur deux profilés voisins, on soude ensuite des feuillards métalliques minces 27 qui constituent avec les profilés 26 la garniture 4. En variante, les profilés 26 et les feuillards 27 peuvent etre horizontaux. Le procédé pour construire un réservoir selon l'invention comporte les étapes suivantes. On construit d'abord les pieux 15 et le radier 14. Sur celui-ci, on construit la paroi verticale 3, par exemple au moyen d'un coffrage coulissant, en insérant dans le béton les profilés 26. En même temps, on construit à l'intérieur de l'enceinte 2 et dans le fond de celleci, le dôme métallique 7 , comportant éventuellement la garniture 6a ainsi que le plafond suspendu 11. Une fois la robe en béton 3 terminée, on la met partiellement en précontrainte puis on lève le dôme métallique et le faux plafond par un procédé pneumatique, c'est-à-dire en envoyant de l'air comprimé sous le dôme qui est soulevé par la poussée de l'air. Lorsque le dôme a atteint le haut de la robe, on soude sa périphérie sur une ceinture mé 'taîlique scellée dans le béton au sommet de la robe. On coule ensuite le dôme en béton armé sur le dôme métallique 7 qui sert de coffrage grâce à une mise en pression de l'intérieur de l'enceinte 2. La precontrainte de la robe en béton est achevée. On soude les feuil lards 27 sur les profilés 26 pour compléter la garniture 4. On soude celle-ci sur la ceinture de base 17 et sur la ceinture de jonction du toit 28 et on soude l'anneau 16 sur la ceinture 17. On construit le radier isolant 18 et la cuve interne 1. Cette dernière opération peut être menée parallèlement à la pose de la garniture 4 pour gagner du temps On pose ensuite le revêtement isolant 9 sur la face externe de la cuve interne I puis on deverse pneumatiquement dans l'espace intermédiaire 8 l'isolant pulvérulent. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, -les divers éléments constitutifs du réservoir qui vient d'etre décrit à titre d'exemple, pourront être remplacés par des éléments équivalents. REVENDICATIONS 1 - Réservoir de stockage de gaz liquéfiés, à double enveloppe, caractérisé en ce qu'il est composé - d'une cuve cylindrique interne,métallique, autoportante, ouverte à la partie supérieure, qui contient la phase liquide; - d'une enceinte entourant ladite cuve en délimitant avec elle un espace intermédiaire, laquelle enceinte est composée d'une paroi verticale et d'un toit en béton revêtues intérieurement d'une garniture métallique étanche au gaz; - et d'un isolant thermique remplissant ledit espace intermédiaire. 2 - Réservoir selon la revendication i, caractérisé en ce que ladite cuve interne comporte, à la partie supérieure, un plafond qui est sus pendu au toit de l'enveloppe externe et qui supporte un matelas isolant thermique. 3 - Réservoir selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que ladite garniture métallique placée à l'intérieur de la paroi verticale de l'enceinte en béton est composée, d'une part, de profilés métalliques qui sont insérés partiellement dans le béton, de telle sorte qu'ils affleurent sur la face interne, après décoffrage et, d'au tre part, de feuillards métalliques qui sont soudés sur lesdits profi les. 4 - Réservoir selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que ledit toit de l'enceinte externe est composé d'un dôme en béton armé, dont la face inférieure est revêtue d'une garniture métal lique. 5 - Réservoir selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un joint étanche aux gaz qui permet de séparer mo mentanément la cuve interne de l'espace intermédiaire entre les deux enveloppes. 6 - Réservoir selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit joint est composé, d'une part, d'une goulotte circulaire fixée tout autour du bord supérieur de la cuve interne et, d'autre part, d'une jupe cy lindrique verticale soudée au toit de l'enceinte externe, dont le bord inférieur est situé à l'intérieur de ladite goulotte qui peut être remplie d'un liquide formant un joint liquide. 7 - Réservoir selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que le fond de l'enceinte externe est composé d'un radier en béton et d'une garniture métallique qui est posée à plat sur ledit radier et qui est soudée à la garniture métallique des parois verticales en béton. 8 -. Procédé de construction d'un réservoir de gaz liquéfiés selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que : - on construit d'abord le radier et la paroi verticale en béton de l'enceinte externe en insérant dans celles-ci des profilés apparents sur la face interne après décoffrage; - on préfabrique au fond de T enceinte en béton le dôme en acier et le plafond suspendu; - on lève eeux-ci par un procédé pneumatique et on soude la périphérie du dome sur une ceinture métallique scellée au sommet de la paroi en béton; - on coule le dôme en béton armé sur le dôme métallique qui sert de coffrage supporté par une mise en pression de ltair contenu à Teinté rieur de l'enceinte; ; - on complète la garniture métallique de la paroi verticale en béton en soudant des feuillards métalliques entre lesdits profilés insérés dans le béton; - on construit un radier isolant sur le fond de l'enceinte externe puis on construit, sur celui-ci, la cuve interne autoportante.