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Guide international de sécurité Chapitre 33 pour les bateaux citernes de la navigation intérieure et les terminaux Types de bateaux-citernes transportant du gaz

Edition 1 - 2010 © CCNR/OCIMF 2010 Page 505

Chapitre 33

TYPES DE BATEAUX-CITERNES TRANSPORTANT DU GAZ

Le présent chapitre donne un aperçu des normes écrites portant sur la construction des bateaux-citernes transportant du gaz. Il aborde aussi les principaux éléments de la conception tels que les systèmes de confinement de la cargaison et types de bateaux-citernes. Il est important de souligner qu'en plus des normes écrites il existe quelques aspects concernant la construction des bateaux-citernes transportant du gaz qui sont couverts par les exigences supplémentaires de propriétaires expérimentés de bateaux. 33.1 Types de bateaux-citernes transportant du gaz

La gamme des bateaux-citernes transportant du gaz s'étend des petits bateaux-citernes pressurisés d'une capacité comprise entre 500 à 6.000 m3 pour le transport du propane, de butane et de gaz chimiques à température ambiante jusqu'aux navires de mer entièrement isolés ou réfrigérés bateaux-citernes en mer d'une capacité supérieure à 100.000 m3 pour le transport de GNL et de GPL. Entre ces deux types distincts de bateaux-citernes, il existe un troisième type, à savoir les bateaux-citernes semi-pressurisés transportant du gaz. Ces bateaux-citernes très flexibles sont capables de transporter de nombreuses cargaisons entièrement réfrigérées à la pression atmosphérique ou à des températures correspondant à une pression de transport comprise entre cinq et neuf bar. Le transport de gaz liquéfiés par voies navigables est désormais une industrie aboutie, bénéficiant d'une flotte composée de nombreux bateaux-citernes, d'un réseau de terminaux d'exportation et d'importation ainsi que d'un savoir-faire étendu des différentes personnes impliquées. Les bateaux-citernes transportant du gaz présentent certains points communs avec d'autres bateaux-citernes utilisés pour le transport de liquides en vrac tels que ceux transportant des hydrocarbures et des produits chimiques. Une caractéristique presque spécifique aux bateaux-citernes transportant du gaz est que la cargaison est maintenue sous pression positive pour empêcher l'air de pénétrer dans le système de cargaison. Ceci signifie que seulement de la cargaison liquide et de la vapeur de cargaison sont présentes dans la citerne de cargaison et que des atmosphères inflammables ne peuvent pas s'y développer. En outre, tous les bateaux-citernes transportant du gaz utilisent des systèmes de chargement fermés lors du chargement ou du déchargement, sans dégagement de vapeur dans l'atmosphère. Dans le segment du GNL sont toujours mises à disposition des conduites de retour de vapeur entre le bateau-citerne et la terre afin de transférer la vapeur déplacée par la manutention de la cargaison. Dans le segment du GPL, tel n'est pas toujours le cas, étant donné que dans des circonstances normales de chargement, la reliquéfaction permet de conserver la vapeur à bord. Ces procédures excluent quasiment le dégagement de cargaison dans l'atmosphère et le risque d'inflammation de vapeurs s'en trouve réduit autant que possible.



Les bateaux-citernes transportant du gaz doivent être conformes aux normes fixées par les codes de gaz ou les règles nationales et doivent satisfaire à toutes les exigences concernant sécurité et de prévention de la pollution applicables aussi à d'autres bateaux-citernes. Les caractéristiques de sécurité inhérentes aux exigences de conception des bateaux-citernes ont contribué de manière significative à améliorer la sécurité de ces bâtiments. Les équipements nécessaires à bord des bateaux-citernes transportant du gaz comprennent des appareils de surveillance de la température et de la pression, des détecteurs de gaz et des indicateurs de niveau de liquide dans les citernes de cargaison, ces dispositifs étant tous équipés d'alarmes et d'instruments connexes. Compte tenu de la variété des équipements d'un bateau-citerne transportant du gaz, ces bâtiments peuvent être considérés comme faisant partie des unités les plus sophistiquées de la flotte actuelle. Il existe des différences considérables dans la conception, la construction et l'exploitation des bateaux-citernes transportant du gaz, en raison de la variété des cargaisons transportées et des nombreux systèmes de stockage de la cargaison qui sont utilisés. Les systèmes de confinement de la cargaison peuvent se composer de citernes indépendantes (pressurisés, semi-pressurisées ou entièrement réfrigérées) ou de citernes à membrane.

Bateaux-citernes entièrement pressurisés

La plupart des transporteurs de GPL entièrement pressurisés sont équipés d'un certain nombre de citernes à cargaison horizontales, cylindriques ou sphériques, avec une capacité allant jusqu'à 6.000 m3. De nombreux bateaux-citernes entièrement pressurisés sont toujours construits actuellement et ces bâtiments constituent un moyen de transport simple et rentable pour le GPL en provenance ou à destination de terminaux de gaz plus modestes.

Bateaux-citernes semi-pressurisés

Parallèlement à la mise au point de métaux appropriés pour le confinement de gaz liquéfiés à de basses températures, des citernes semi-pressurisées ont été conçues. Le fait d'équiper les bâtiments d'installations de re-liquéfaction, d'isoler les citernes à cargaison et d'utiliser des aciers spéciaux a permis de réduire l'épaisseur des installations sous pression et donc de réduire leur poids. Ces bâtiments équipés de citernes cylindriques, sphériques ou bilobées sont capables de charger ou de décharger des cargaisons de gaz dans des installations de stockage à la fois réfrigérées et pressurisées.

Bateaux-citernes entièrement réfrigérés

Les bateaux-citernes entièrement réfrigérés sont construits pour transporter des gaz liquéfiés à basse température et à la pression atmosphérique entre des terminaux équipés de citernes de stockage entièrement réfrigérées. Les bateaux-citernes sont équipés de citernes à cargaison prismatiques réalisées en acier avec 3,5 % de nickel, ce qui permet le transport de cargaisons à des températures pouvant atteindre - 48 °C, soit une tempé-rature légèrement inférieure au point d'ébullition du propane pur. Les citernes prismatiques permettent d'optimiser la capacité de transport du bâtiment, ce qui rend les bateaux-citernes entièrement réfrigérés très performants pour le transport sur de longues distances de gros volumes de cargaisons telles que le GPL, l'ammoniac et le chlorure de vinyle.

Bâtiments transportant du gaz naturel liquéfié (GNL)

Le GNL est transporté à son point d'ébullition, soit - 162 °C. Les systèmes de confinement de GNL se sont considérablement améliorés. Les bâtiments transportant du GNL sont équipés de citernes à cargaison indépendantes ou de citernes à membrane.



33.2 Systèmes de confinement de la cargaison

Un système de confinement de la cargaison comprend tous les dispositifs destinés à stocker de la cargaison, y compris le cas échéant : • Une première barrière (la citerne à cargaison) ; • Une barrière secondaire (le cas échéant) ; • Une isolation thermique ; • Des espaces intermédiaires, et • Des structures adjacentes, si nécessaire, assurant le soutien de ces éléments. Pour les cargaisons transportées à des températures comprises entre – 10 °C et – 55 °C, la coque du bateau-citerne peut tenir lieu de barrière secondaire et, dans de tels cas, elle peut délimiter l'espace de cale. Les principaux types de citernes à cargaison utilisés à bord des bateaux-citernes transportant du gaz bord sont les suivants : • Citerne indépendante de type "A" (entièrement réfrigérée.) • Citerne indépendante de type "B" (citerne de GNL classique) • Citerne indépendante de type "C" (entièrement pressurisée) • Citerne à membrane (citerne de GNL classique)

Les différentes réglementations sont susceptibles d'utiliser des définitions différentes pour les types de citernes.

33.2.1 Citernes indépendantes Les citernes indépendantes sont totalement autonomes et ne font pas partie de la structure de la coque du bateau. En outre, elles ne contribuent pas à la résistance de la coque d'un bateau-citerne. Comme défini dans le Code IGC et principalement en fonction de la pression de conception, il existe trois types de citernes indépendantes pour les bateaux-citernes transportant du gaz : on les appelle les types "A", "B" et "C".

Citernes de type "A"

Les citernes de type "A" sont principalement constituées de surfaces planes. La pression de conception maximale admissible de la citerne dans l'espace vapeur pour ce type de système est de 0,7 barg, ce qui signifie que les cargaisons doivent être transportées dans un état entièrement réfrigéré à la pression atmosphérique ou à une pression voisine (normalement inférieures à 0,25 barg). La figure 33.1 présente une coupe de ce type de réservoir tel que rencontré à bord d'un bateau transportant du GPL entièrement réfrigéré. Il s'agit d'une citerne prismatique autoportée qui nécessite les renforts internes habituels. Dans cet exemple, la citerne est entourée d'une barrière de mousse isolante. Lorsqu'une isolation en perlite est utilisée, elle remplit l'ensemble de l'espace de cale.



Figure 33.1 - Citerne prismatique autoportée de type "A" - transport de GPL entièrement réfrigéré

Le matériau utilisé pour les citernes de type A n'est pas résistant à la propagation de fissures. Par conséquent, afin d'assurer la sécurité dans le cas improbable d'une fuite sur une citerne à cargaison, un système de confinement secondaire est nécessaire. Ce système de confinement secondaire est appelé barrière secondaire et constitue une caractéristique de tous les bateaux-citernes équipés de citernes de type "A" capables de transporter des cargaisons d'une température inférieure à - 10 °C. Pour un bâtiment transportant du GPL entièrement réfrigéré (qui ne transportera pas de cargaisons à une température inférieure à - 55 °C) la barrière secondaire doit être une barrière intégrale, capable de contenir entièrement le volume de la citerne à un angle de gîte défini et pouvant faire partie de la coque du bateau-citerne, tel qu'illustré. Il s'agit de la configuration généralement retenue. Dans ce cas, les parties appropriées de la coque du bateau-citerne sont réalisées en un acier spécial, capable de résister à de basses températures. L'alternative est de construire une barrière secondaire distincte autour de chaque citerne à cargaison. Le Code IGC stipule qu'une barrière secondaire doit être capable de contenir des fuites de la citerne sur une période de 15 jours. A bord de ces bateaux-citernes, l'espace entre les citernes à cargaison (parfois appelé la barrière primaire) et la barrière secondaire sont appelés l'espace de cale. Lorsque des car-gaisons inflammables sont transportées, ces espaces doivent être remplis de gaz inerte pour éviter la formation d'une atmosphère inflammable en cas de fuite sur la barrière primaire.

Citernes de type "B"

Les citernes de type "B" peuvent être constituées de surfaces planes ou peuvent être de type sphérique. Ce type de système de confinement fait l'objet d'une analyse beaucoup plus détaillée des tensions par rapport aux citernes de type "A". Ces contrôles doivent inclure des vérifications concernant la durée de vie en fatigue et une analyse de la propagation des fissures.



La configuration la plus courante de citernes de type "B" est une citerne sphérique telle que représentée en figure 33.2 (a). Cette citerne est de conception Kvaerner Moss. En raison des facteurs de conception améliorés, une citerne de type "B" ne nécessite qu'une barrière secondaire partielle sous la forme d'un bac de récupération. L'espace de cale avec ce type de citerne est normalement rempli de gaz inerte sec. Toutefois, la pratique moderne est de remplir l'espace d'air sec, à condition que l'inertage de l'espace soit possible si le système de détection signale des fuites de vapeur de cargaison. Un dôme de protection en acier couvre la barrière primaire au-dessus du niveau du pont et une isolation est installée à l'extérieur de la citerne. La citerne sphérique de type "B" est presque exclusivement utilisée à bord des bateaux-citernes transportant du GNL, rarement pour le transport de GPL.

Figure 33.2 (a) – Citerne sphérique autoportée de type "B"



Toutefois, une citerne de type "B", n'est pas nécessairement sphérique. Il existe des citernes de type "B" de forme prismatique utilisées pour le transport de GNL. La citerne de type "B" prismatique présente l'avantage de maximiser le rendement volumétrique de la coque du bateau-citerne et de pouvoir installer l'intégralité de la citerne de cargaison sous le pont principal. Lorsque la forme prismatique est utilisée, la pression de conception maximale de l'espace vapeur est limitée à 0,7 barg, comme pour les citernes de type "A". Un croquis d'une citerne prismatique autoportée de type "B" est présenté en figure 33.2 (b).

Figure 33.2 (b) – Citerne prismatique autoportée de type "B"' Citernes de type "C" (entièrement pressurisées)

Les citernes de type "C" sont normalement des réservoirs pressurisés, sphériques ou cylindriques, avec des pressions de conception supérieures à 4 barg. Les citernes de forme cylindrique peuvent être montées verticalement ou horizontalement. Ce type de système de confinement est toujours utilisé pour les bateaux-citernes pressurisés ou semi-pressurisés transportant du gaz. Dans le cas des bateaux-citernes semi-pressurisés, il peut aussi être utilisé pour le transport entièrement réfrigéré, à condition que soient utilisés des aciers appropriés pour les basses températures pour la construction des citernes. Les citernes de type "C" sont conçues et construites conformément aux normes habituelles de pression et, par conséquent, peuvent être soumis à des analyses précises des contraintes. En outre, les contraintes de conception sont maintenues à un niveau bas. Par conséquent, aucune barrière secondaire n'est nécessaire pour les citernes de type "C" et l'espace de cale peut être rempli soit de gaz inerte ou d'air sec, de l'air ordinaire pouvant être autorisé pour les bateaux-citernes entièrement pressurisés.



Dans le cas d'un bateau-citerne typique entièrement pressurisé (à bord duquel les cargaisons sont transportées à température ambiante), les citernes peuvent être conçues pour une pression de service maximale d'environ 18 barg. Pour un bateau-citerne semi-pressurisé, les citernes à cargaison et équipements associés sont conçus pour une pression de service d'environ 5 à 7 barg et un vide de 0,3 barg. En règle générale, les aciers des citernes semi-pressurisées sont capables de supporter des températures de transport de - 48 °C pour le GPL ou de – 104 °C de l'éthylène. (Il va de soi qu'un bateau conçu pour le transport d'éthylène peut également être utilisé pour le transport de GPL.) La figure 33.3 présente des citernes de type "C" telles qu'installées à bord d'un bateau-citerne typique transportant du gaz entièrement pressurisé. Dans une telle configuration, le volume de coque est relativement mal utilisé, mais ceci peut être amélioré en utilisant des citernes pressurisées à intersection ou des citernes bilobées pouvant être conçues avec un cône à l'extrémité avant du bateau-citerne. Il s'agit d'une configuration courante à bord des bateaux-citernes semi-pressurisés présentée à la figure 33.4.

Figure 33.3.1 – Type courant de bateau-citerne Figure 33.3.2 - Type courant de bateau-citerne transportant du gaz, entièrement pressurisé, transportant du gaz, entièrement pressurisé, double coque et double fond simple coque

33.2.2 Citernes à membrane (membrane d'une épaisseur comprise entre 0,7 à 1,5 mm) Le concept du système de confinement à membrane est basé sur une très fine barrière primaire (membrane d'une épaisseur comprise entre 0,7 à 1,5 mm), qui est soutenue par l'isolant. Ces citernes ne sont pas autoportées comme les citernes indépendantes décrites à la section 33.2.1 ; une coque intérieure forme la structure portante. Les systèmes de confinement à membrane doivent toujours être équipés d'une barrière secondaire pour assurer l'intégrité de l'ensemble du système en cas de fuite sur la barrière primaire. La membrane est conçue de telle sorte que l'expansion ou la contraction thermique soient compensées sans contraintes excessives exercées sur la membrane elle-même. Il existe deux principaux types de systèmes à membrane d'usage courant, chacun portant le nom de la société qui l'a mis au point et chacun étant conçu principalement pour le transport du GNL. Ces deux sociétés ont désormais fusionné et de futurs développements sont probables.

La présence d'eau de ballastage dans la cale n'est pas recommandée durant le chargement des citernes

Eau de ballastage



Système de membrane GTT 96 Les figures 33.5 (a) et 33.5 (b) présentent le système GTT 96 qui comprend une mince barrière primaire en invar. L'invar est un alliage d'acier inoxydable contenant environ 36 % de nickel et 0,2 % de carbone. Cette barrière est fixée à la surface intérieure (froide) de caisses en bois remplies de perlite, lesquelles sont utilisées en tant qu'isolant primaire. Ces boîtes ont une épaisseur comprise entre 200 et 300 millimètres. Ces boîtes sont elles-mêmes fixées à une couche intérieure en invar identique à celle mentionnée précédemment (la barrière secondaire), puis une nouvelle série de boîtes similaires remplies de perlite est utilisée pour l'isolation secondaire. L'invar est utilisé pour les membranes en raison de son coefficient de dilatation thermique très faible, ce qui rend inutile les joints de dilatation ou les cannelures dans les barrières. Des modèles plus récents du système GTT 96 utilisent des membranes en invar de 0,7 millimètres d'épaisseur en virures de 0,5 mètres de largeur et des caisses en bois renforcées contenant la perlite pour l'isolation. La perlite est traitée avec de la silicone pour la rendre imperméable à l'eau et à l'humidité. L'épaisseur des boîtes d'isolation peut être ajustée pour obtenir le volume d'évaporation requis. La figure 33.5 (b) présente la section d'un système de confinement simple GTT 96.

Figure 33.5 (a) - Système de confinement à membrane GTT 96 Transporteurs de GNL de plus grandes dimensions



Figure 33.5 (b) - Construction du système à membranes GTT 96 GTT Mk III

Le système GTT Mk II illustré à la figure 33.6 (a), comporte une barrière primaire en acier inoxydable (1,2 millimètres d'épaisseur) avec des cannelures ou des gaufrages destinés à permettre l'expansion et la contraction. Dans la configuration originale Mark I, l'isolation qui supporte la membrane primaire était composée de panneaux stratifiés en bois de balsa maintenus entre deux couches de contreplaqué, le contreplaqué de surface formait la barrière secondaire. Les panneaux en bois de balsa étaient reliés entre eux par des joints spécialement conçus comportant des coins en mousse de PVC et des éclisses en contreplaqué et ils étaient supportés par des fonds de clouage en bois posés sur la coque intérieure en charge sur la coque intérieure du bateau-citerne.



Figure 33.6 (a) - Système de confinement à membrane GTT Mk III Transporteurs de GNL de plus grandes dimensions

Figure 33.6 (b) - Construction de la membrane GTT Mk III



Dans la configuration Mark III, l'isolation en bois de balsa est remplacée par de la mousse cellulaire renforcée. La mousse contient une couche de tissage en fibre de verre et aluminium agissant comme barrière secondaire. La figure 33.6 (b) présente le système de confinement GTT Mk III en coupe.

33.2.3 Citernes à semi-membrane Le concept de semi-membrane est une variante du système de citerne à membrane. La barrière primaire est beaucoup plus épaisse que pour le système à membrane, avec des côtés plats et de grands angles arrondis. La citerne est autoportée lorsqu'elle est vide, mais non lorsqu'elle est remplie. Dans ce cas, le liquide (hydrostatique) et la pression de vapeur agissant sur la barrière principale sont transmis à travers l'isolant à la coque intérieure comme avec le système à membrane. Les angles et les bords sont conçus pour permettre l'expansion et la contraction. Bien que les citernes à semi-membrane aient été initialement développées pour le transport de GNL, aucun bateau-citerne de dimensions commerciales n'a encore été construit de cette manière pour le transport de GNL. Le système a toutefois été adopté pour une utilisation à bord de bateaux-citernes transportant du GPL et plusieurs bateaux de construction japonaise destinés au transport de GPL entièrement réfrigéré utilisent ce système.

33.2.4 Citernes intégrales

Les citernes intégrales constituent une partie de la structure de la coque du bateau-citerne et subissent les mêmes charges que celles subies par la structure de la coque. Les citernes intégrales ne sont généralement pas autorisées pour le transport de gaz liquéfiés si la température de la cargaison est inférieure à – 10 °C. Certaines citernes utilisées à bord d'un nombre limité de bateaux-citernes japonais destinés au transport de GPL sont du type citerne intégrale pour le transport dédié de butane entièrement réfrigéré.

33.3 Matériaux de construction et d'isolation

33.3.1 Matériaux de construction

Le choix des matériaux des citernes à cargaison est dicté par la température minimum de service et, dans une moindre mesure, par la compatibilité avec les cargaisons transportées. La propriété la plus importante à prendre en considération lors du choix des matériaux constituant la citerne de cargaison est la résistance à de basses températures. Cet aspect est essentiel car la plupart des métaux et alliages (sauf l'aluminium) deviennent cassants en-dessous d'une température donnée. Un traitement des aciers de construction au carbone permet d'obtenir une résistance aux basses températures et les codes de gaz précisent les limites de basses températures pour les différentes qualités d'acier jusqu'à – 55 °C. Il convient de consulter les codes de gaz et les règles des sociétés de classification pour plus d'informations sur les différentes qualités d'acier.



Selon les codes de gaz, les bateaux-citernes transportant des cargaisons de GPL entièrement réfrigéré sont susceptibles d'être équipés de citernes capables de résister à des températures jusqu'à - 55 °C. Habituellement, la température réelle est fixée par le propriétaire du bateau, selon les cargaisons devant être transportées. Cette température est souvent déterminée par le point d'ébullition du propane liquide à la pression atmosphérique et, par conséquent, les limites de température des citernes à cargaison sont souvent fixées à environ – 46 °C. Pour atteindre cette température de service sont utilisés des aciers tels que l'acier entièrement calmé, à grain fin, au carbone-manganèse, parfois alliés avec 0,5 % de nickel. Si un bateau-citerne a été spécialement conçu pour transporter de l'éthylène entièrement réfrigéré (avec un point d'ébullition à la pression atmosphérique de – 104 °C) ou de GNL (avec un point d'ébullition à la pression atmosphérique de – 162 °C), des aciers au nickel, des aciers inoxydables (tels que l'invar) ou de l'aluminium doivent être utilisés en tant que matériau de construction des citernes.

33.3.2 Isolation de la citerne

Les citernes à cargaison réfrigérées doivent être pourvues d'une isolation thermique pour les raisons suivantes : • Afin de limiter les flux de chaleur vers l'intérieur des citernes à cargaison, ce qui réduit

l'évaporation. • Pour protéger la structure du bateau-citerne contre les effets des basses températures

autour des citernes à cargaison. Les matériaux d'isolation utilisés à bord de bateaux-citernes transportant du gaz doivent posséder les caractéristiques principales suivantes : • Faible conductivité thermique. • Capacité à supporter les charges. • Capacité à résister à des dommages mécaniques. • Faible poids. • Résistance aux cargaisons liquides et aux vapeurs de cargaison.

L'étanchéité du système d'isolation à la vapeur est importante pour empêcher la pénétration d'eau ou de vapeur d'eau. La pénétration d'humidité peut non seulement affecter l'efficacité de l'isolation, mais la condensation progressive et le gel peuvent occasionner des dommages importants à l'isolation. Le degré d'humidité doit par conséquent être maintenu aussi bas que possible dans les espaces de cale. Une méthode pour protéger l'isolation est de mettre en place une pellicule d'aluminium agissant comme un pare-vapeur par rapport au système environnant.



Matériaux Utilisation Conductivité thermique W/m K

Bois de balsa Isolant et support de charge 0.05

Laine minérale Normalement fourni en plaques ou en rouleaux 0.03

Perlite Oxyde de silicium/aluminium utilisé en vrac pour le remplissage des espaces de cale ou dans les boîtes modulaires

0.04

Polystyrène Préformé, pulvérisé ou mousse 0.036

Polyuréthane Préformé, pulvérisé ou mousse 0.025

Tableau 33.1 - Matériaux d'isolation standard

Le tableau 33.1 comporte des indications sur les matériaux d'isolation normalement utilisés pour la construction des bateaux-citernes transportant du gaz, ainsi que des valeurs approximatives pour leur conductivité thermique à 10 °C. L'isolation thermique peut être utilisée sur diverses surfaces en fonction de la conception du système de confinement. Pour les systèmes de confinement de type "B" et "C", l'isolant est appliqué directement sur les surfaces extérieures de la citerne. Pour les citernes à cargaison de type "A", l'isolation peut être posée soit directement sur la citerne à cargaison ou sur la coque intérieure (le cas échéant), la pose sur la citerne à cargaison étant la plus fréquente. La plupart des matériaux d'isolation étant inflammables, une attention particulière est nécessaire durant la construction ou la remise en état afin d'éviter les incendies.

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