Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki PROBLEMY ZWIĄZANE Z OCENĄ STANU TECHNICZNEGO PRZEWODÓW STALOWYCH WYSOKICH KOMINÓW ŻELBETOWYCH

Transkrypt

1 Bogusław LADECKI Andrzej CICHOCIŃSKI Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki PROBLEMY ZWIĄZANE Z OCENĄ STANU TECHNICZNEGO PRZEWODÓW STALOWYCH WYSOKICH KOMINÓW ŻELBETOWYCH 1. WPROWADZENIE Jednym z najistotniejszych problemów związanych z eksploatacją stalowych przewodów kominowych, jest korozyjny ubytek grubości ścianki przewodu. W przypadku kominów stalowych wolnostojących lub z konstrukcją wsporczą w postaci trójnogu, odciągów linowych czy też konstrukcji kratowej, zgodnie z wymaganiami normy [1], wykonywać należy badania i ocenę ich stanu technicznego, która zawierać powinna: pomiary grubości ścianki trzonu metodami nieniszczącymi, kontrolę złączy spawanych oraz śrubowych, sprawdzenie i regulację sił w odciągach linowych, okresowe pomiary geodezyjne pionowości, jak również sprawdzające obliczenia statyczno-wytrzymałościowe. Spełnienie warunków nośności, trwałości zmęczeniowej oraz dopuszczalnych przemieszczeń daje podstawę do dopuszczenia takiej konstrukcji do dalszej eksploatacji. Sytuacja komplikuje się w przypadku kominów o złożonej konstrukcji: żelbetowych z przewodami stalowymi. Kominy takie, często o znacznych wysokościach, projektowane były zgodnie z wymaganiami normy [2]. W normie tej brak jednak wymagań dotyczących kontroli stanu technicznego przewodów stalowych, które podlegają zjawiskom korozyjnym jak również obciążeniom związanym z odkształceniami przewodów stalowych, na które wpływ mają odkształcenia trzonu żelbetowego. Skumulowanie efektu odkształcenia komina żelbetowego przenoszonego na przewód stalowy, z ubytkiem grubości ścianki przewodu, może stać się przyczyna wystąpienia lokalnej utraty stateczności ścianki przewodu stalowego. 2. UBYTKI KOROZYJNE Do wykonania przykładowej analizy wytrzymałościowej, wybrano komin z trzonem żelbetowym o średnicy ( )15,6m i wysokości 250 m, ze stalowym przewodem spalinowym o średnicy ( )3,lm. Przewód stalowy wykonano ze stali gatunku 10HNAP, z izolacją termiczną z locm wełny mineralnej. Konstrukcję komina pokazano na rys. 1. Pomimo prawidłowej

2 eksploatacji komina oraz zastosowania na przewód stalowy materiału o podwyższonej odporności, ze względu na zużycie korozyjne, wykonane nieniszczące pomiary grubości z wykorzystaniem metody ultradźwiękowej wykazały, że pomimo niewielkiego przeciętnego tempa postępu procesów korozyjnych przewodu wynoszącego 0,01-0,04mm/rok, dla wierzchołka przewodu oraz dla poziomu 207,5 m, prędkość ubytków korozyjnych wyniosła 0,12mm/rok (grubość przeciętna ok. 6,4 mm przy grubości nominalnej 8,0 mm). Maksymalne lokalne ubytki grubości wystąpiły dla poziomu 207,5m i wyniosły 49% grubości nominalnej. W tej sytuacji wykonanie oceny stanu technicznego przewodu stalowego wymagało przeprowadzenia odpowiedniej analizy wytrzymałościowej konstrukcji przewodu stalowego z podparciami. Rys. l Schemat komina 3. ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA Analizę statyczno-wytrzymałościową konstrukcji przewodu stalowego komina przeprowadzono metodą elementów skończonych (MES), w oparciu o opracowane jego modele numeryczne, posługując się programami FEMAP i NE/Nastran. W przygotowaniu odpowiednich danych umożliwiających przeprowadzenie analizy wykorzystano wyniki

3 pomiarów przemieszczeń uzyskane na podstawie pomiarów geodezyjnych pionowości komina, jak również wykonane pomiary grubości przewodu stalowego. Opracowano dwa modele numeryczne: belkowy i powłokowy. Obliczenia wykonane w oparciu o model belkowy dostarczyły informacji o stanie naprężeń i wielkości obciążenia krytycznego oraz reakcjach w punktach podparcia przewodu w trzonie żelbetowym, natomiast model powłokowy o stanie odkształceń, naprężeń i stateczności przewodu. W oparciu o posiadaną dokumentację rysunkową przyjęto geometrię modeli oraz sposobu ich podparcia. Modelami tymi objęto przewód stalowy od poziomu +32,0 m do poziomu m, to jest cały przewód stalowy powyżej punktu jego posadowienia, realizując w odpowiedni sposób podparcie analizowanej konstrukcji zarówno w miejscu jej posadowienia na konstrukcji wsporczej, jak i miejsc wsparcia o żelbetowy trzon. Geometrię przewodu w modelu powłokowym odwzorowano za pomocą elementów skończonych typu powłokowego, które zostały połączone w węzłach. Grubość poszczególnych elementów dobierano zgodnie z wymaganiami przyjętymi dla danego wariantu analizy wytrzymałościowej. W modelu wyróżniono trzy obszary, dla których w zależności od wariantu analizy, przyjmowano odpowiednio stałą wartość grubości elementów. Obszar pierwszy obejmuje odcinek modelu od jego podparcia na dole do wysokości 13,0 m, drugi obejmujący pozostałąjego część za wyjątkiem obszaru, dla którego stwierdzono ubytki korozyjne o wartościach przekraczających znacznie wartości średnie dla całego przewodu. Obszar trzeci o długość 0,5 m, równej długości jednego elementu skończonego, to miejsce o zwiększonych ubytkach korozyjnych, usytuowane powyżej póz. +207,5 m. Analizę statyczno-wytrzymałości ową przewodu kominowego wykonano wariantowo, zmieniając odpowiednio grubość poszczególnych części przewodu oraz sposób jego obciążenia. Informacje o parametrach wyróżniających poszczególne warianty obliczeń numerycznych zestawiono w tablicy l. Dla wariantów BW1 i PW1 przyjęto grubość przewodu zgodną z dokumentacją projektową. W wariancie PW2 uwzględniono lokalną zmianę grubości przewodu na poziomie +207,5 m, stwierdzoną w czasie pomiarów grubości, natomiast w wariancie PW3 założono, że w wyniku korozji w dalszej przyszłości dojść może do zmniejszenia się grubości ścianki przewodu o dwa milimetry. Tablica l Informacja o parametrach wyróżniających poszczególne warianty analizy MES Model Wariant Grubość elementów w części [mm] Obciążenie obliczeń pierwszej drugiej trzeciej modelu Belkowy BW1C Cd) BW1(C+O) C + 0 (2) Powłokowy PW1C C PW2C c PW3C c PW1(C+O) c+o PW3(C+O) c+o (1) - Ciężar modelowanej części przewodu komina, pomostów i ocieplenia (2) - Maksymalne dopuszczalne sprężyste ugięcie poziome trzonu żelbetowego (H 0 /200) Wybrane wyniki obliczeń numerycznych dla poszczególnych ich wariantów przedstawiono na kolejnych rysunkach w formie graficznej w postaci planów warstwicowych i wykresów zmian wartości poszczególnych wielkości.

4 Rys. 2 Stan równowagi obojętnej dla obciążenia krytycznego, wariant BW1C Rys. 3 Stan równowagi obojętnej dolnej części przewodu dla obciążenia krytycznego, wariant PW1C Rys. 4 Rozkład wartości naprężeń zredukowanych w dolnej części przewodu, wariant PW1(C+O)

5 Rys. 5 Rozkład wartości naprężeń zredukowanych w miejscu zamocowania wsporników ustalających położenie przewodu na poziomie +72,5m, wariant PW1(C+O) Rys. 6 Stan równowagi obojętnej dolnej części przewodu dla obciążenia krytycznego, wariant PW1(C+O) W rezultacie przeprowadzonych obliczeń, dla poszczególnych wariantów analizowanych modeli, otrzymano informacje o stanie naprężeń i możliwości utraty stateczności przez konstrukcję przewodu kominowego. Dla wariantów; BW1C, PW1C i PW2C obliczone wartości naprężeń normalnych nie przekraczają poziomu o = 23 MPa, natomiast dla wariantu BW1(C+O) zawierają się w granicach od omi = -69 MPa do omax = 33 MPa. W modelu powłokowym wariant PW1(C+O), maksymalne naprężenia zredukowane (wg Hipotezy H-M-H) nie przekraczają wartości oz = 62 MPa. W przypadku wariantu PW3(C+O), w którym uwzględniono przewidywane możliwe zmniej szenie się, w rezultacie korozj i grubości ścianki przewodu o dwa milimetry, stwierdzono nieznaczne obniżenie się poziomu naprężeń zredukowanych do wartości oz = 59 MPa. Zostało to w tym przypadku spowodowane obniżenie ciężaru przewodu, wynikającym ze zmniejszenia grubości jego ścianki. Lokalna zmiana grubości przewodu przyjęta w wariancie PW2C, praktycznie nie wpływa na wytrzymałość analizowanej konstrukcji.

6 W rezultacie przeprowadzonych, dla poszczególnych wariantów obliczeń, określono wartość współczynnika akr, który określa, o ile należy zmienić wartość przyjętego obciążenia, aby osiągnęło ono wartość krytyczną. Przekroczenie przez obciążenie wartości krytycznej może doprowadzić do utraty stateczności ogólnej w przypadku modelu belkowego, względnie lokalnej modelu powłokowego. W tablicy 2, dla poszczególnych wariantów obliczeń zestawiono wartości tego współczynnika. Model Belkowy Powłokowy Tablica 2 Zestawienie wartości współczynnika Wariant obliczeń Wartości współczynnika a kr BW1C BW1(C+O) P WIC 2.84 PW2C 2.84 PW3C 1.56 PW3(C+O) 0.74 Analiza przedstawionych rezultatów obliczeń wskazuje, że omawiana konstrukcja stalowego przewodu kominowego posiada aktualnie dostateczną wytrzymałość (nośność) i spełnia wymagania stateczności. Wykonane obliczenia wskazuj jednak, że podczas dalszej eksploatacji przewodu, w przypadku jednoczesnego wystąpienia zmniejszenia się grubości ścianki przewodu spowodowanego korozją w jego dolnej części o 2 mm oraz sprężystego przemieszczenia przewodu stalowego, porównywalnego z dopuszczanym sprężystym przemieszczeniem trzonu żelbetowego, może dojść do lokalnej utraty stateczności ścianki przewodu. 4. WNIOSKI KOŃCOWE Na podstawie obliczeń i analiz wykonanych dla rozważanej konstrukcji można stwierdzić, że w przypadku kominów żelbetowych z przewodem stalowym, niezbędne jest prowadzenie okresowych pomiarów grubości przewodu, wraz z kontrolą stanu technicznego konstrukcji, przy zwróceniu szczególnej uwagi na obszar posadowienia przewodu w jego dolnej części. W przypadku stwierdzenia znaczniejszych ubytków grubości, powyżej poziomu posadowienia przewodu stalowego, w połączeniu z występowaniem sprężystego ugięcia poziomego komina o wartości bliskiej wartości dopuszczalnej, wykonać należy dokładniejszą analizę wytrzymałościową konstrukcji, w aspekcie możliwości wystąpienia lokalnej utraty stateczności ścianki, względnie pęknięć złączy spawanych przewodu w jego dolnej części. LITERATURA [1] PN-93/B-03201: Konstrukcje stalowe. Kominy. Obliczenia i projektowanie. [2] PN-88/B-03004: Kominy murowane i żelbetowe. Obliczenia statyczne i projektowanie. [3] Lądecki B., Cichociński A.: Ekspertyza stanu technicznego przewodu stalowego 03,Im, dla którego konstrukcję wsporczą stanowi komin żelbetowy o wysokości 250m. B.P. UNISERY Sp. z o.o. Katowice 2003.