BADANIA STALOWYCH PODZIEMNYCH ZBIORNIKÓW BUNKROWYCH Z WYKORZYSTANIEM METODY EMISJI AKUSTYCZNEJ

Transkrypt

1 XXVII Konferencja awarie budowlane 2015 Naukowo-Techniczna BADANIA STALOWYCH PODZIEMNYCH ZBIORNIKÓW BUNKROWYCH Z WYKORZYSTANIEM METODY EMISJI AKUSTYCZNEJ GRZEGORZ ŚWIT, gswit@tu.kielce.pl WIESŁAW TRĄMPCZYŃSKI ALEKSANDRA KRAMPIKOWSKA Katedra Wytrzymałości Materiałów i Konstrukcji Budowlanych, Politechnika Świętokrzyska Streszczenie: W pracy przedstawiono metodę diagnostyki stalowych podziemnych zbiorników bunkrowych z wykorzystaniem analizy sygnałów emisji akustycznej generowanych w czasie obciążeń eksploatacyjnych do wykrywania ewentualnych nieszczelności zbiornika. Zaproponowano kryteria oceny stanu technicznego zbiorników bazującego na sygnałach emisji akustycznej. Słowa kluczowe: diagnostyka, emisja akustyczna, trwałość, stalowe zbiorniki podziemne, kryteria trwałości. 1. Wstęp W czasie eksploatacji podziemnych zbiorników na produkty ropopochodne elementy ich konstrukcji mogą ulegać uszkodzeniom korozyjnym. Szczególnie niebezpieczna jest korozja ścian zbiornika, gdyż brak jest zazwyczaj dostępu do ich powierzchni, co uniemożliwia lub utrudnia przeprowadzenie inspekcji i ocenę stopnia uszkodzenia badanej konstrukcji. Prognozowanie trwałości dna zbiornika i jego podatności na dalsze uszkodzenia korozyjne jest również trudne ze względu na wielorakość czynników mających zasadniczy wpływ na procesy korozji. W efekcie w różnych miejscach poszycia zbiornika mogą wystąpić różne typy uszkodzeń korozyjnych, co w sposób istotny komplikuje wybór sposobu naprawy a także prognozę czasu dalszej eksploatacji. Jednym z czynników mających znaczny wpływ na rozwój korozji jest przechowywane w zbiorniku medium takie jak olej napędowy, lekki olej opałowy, mazut, czy pochodne benzyn oraz niedostateczny sposób zabezpieczenia płaszcza zbiornika przed działaniem czynników zewnętrznych (woda, prądy błądzące, itp.). W przypadku zbiorników podziemnych problem ich monitoringu jest szczególnie istotny ze względu na skutki ekologiczne dla środowiska i społeczne ewentualnej awarii lub katastrofy. Dlatego tak istotne jest poszukiwanie różnych technik diagnostycznych umożliwiających ocenę stanu technicznego takich zbiorników. W prowadzonych badaniach zastosowano metodę analizy sygnałów emisji akustycznej AE. Metoda ta polega na rejestracji i analizie fal sprężystych generowanych przez aktywne procesy destrukcyjne towarzyszące korozji, nieszczelności poszycia ewentualnie uplastycznienia stali lub rozwojowi pęknięcia. Emisja akustyczna towarzyszy jedynie procesom aktywnym, rozwijającym się. Nie występuje natomiast w przypadku uszkodzenia korozyjnego stabilnego, to znaczy, gdy nie powiększa się ono, a produkty korozji nie zmieniają swojej struktury. Dodatkowo w celu oceny stan struktury gruntu nad i wokół zbiornika oraz lokalizacji potencjalnych wycieków produktów ropopochodnych zastosowano badanie z wykorzystaniem georadaru.

2 270 Badania stalowych podziemnych zbiorników bunkrowych Celem badań było wykrycie czynnych ognisk korozyjnych blach stalowych i ewentualnych wycieków produktu ze zbiornika służącego do magazynowania mazutu. Analizie szczegółowej poddano jeden zbiornik, a badanie polegało na rejestracji sygnałów EA, podczas normalnej eksploatacji badanego obiektu oraz analizie obrazu radiogramów zarejestrowanych za pomocą georadaru. 2. Badania Badaniom poddano stalowy zbiornik cylindryczny przedstawiony na rysunku 1 o pojemności nominalnej V = 161 m 3 i wymiarach głównych: średnica D z = 4,00 m długość L = 13,06 m Konstrukcja płaszcza składa się z dwóch blach: wewnętrznej gr. 10 mm i zewnętrznej gr. 6 mm. Czołowe blachy zbiornika wykonano również, jako podwójne: wewnętrzne gr. 12 mm (odczyt z rysunku archiwalnego wg skali) i zewnętrzne gr. 10 mm. Konstrukcja zbiornika wykonana została ze stali gatunku St3SX. Płaszcz zbiornika zaizolowany powłokami bitumicznymi, przykryty warstwą ziemi i płytami betonowymi, a część zaizolowana wełną mineralną i blachami. Na długości 10 m zbiornik posadowiony jest na fundamencie z podsypki piaskowomazutowej. Pozostała część zbiornika (ok. 3 m) znajdująca się w budynku, pracuje jak wspornik i jest oparta na ścianie budynku. Rys. 1. Model stalowego cylindrycznego zbiornika podziemnego Analiza stateczności i wytrzymałości płaszcza zbiornika Obliczenia statyczne wykonano przy użyciu komercyjnego programu inżynierskiego. Obliczeniom poddano przestrzenny model składający się z powłokowej konstrukcji zbiornika. Oszacowanie wytrzymałości płaszczy zbiornika oparto na analizie wartości naprężeń zredukowanych σ red wyznaczonych wg hipotezy HMH dla najniekorzystniejszego układu obciążeń. Rozkłady naprężeń zredukowanych dla płaszcza zbiornika zostały przedstawione na rysunku 2 natomiast dla blach czołowych na rysunku 3.

3 Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji 271 Rys. 2. Ekstremalne rozkłady naprężeń zredukowanych dla płaszcza zbiornika Rys. 3. Ekstremalne rozkłady naprężeń zredukowanych dla blach czołowych zbiornika W wyniku przeprowadzonej analizy uzyskano następujące wyniki: Maksymalne wartości naprężeń zredukowanych w płaszczu zbiornika występowały w obrębie górnej powierzchni carg i wyniosły σ red = 110,4 MPa. Wytrzymałość stali St3SX dla grubości t 16 mm wynosi f d = 215 MPa, stąd warunki nośności płaszcza zbiornika σ red / f d = 110,4 / 215 = 0,51 < 1 są spełnione. Maksymalne wartości naprężeń zredukowanych w blachach czołowych zbiornika występowały w środkowej i dolnej ich części. Z uwagi na osobliwości jakie występują na połączeniach elementów skończonych, bardziej miarodajne są wartości naprężeń zredukowanych w środkowej części blach czołowych, które wyniosły σ red = 397,8 MPa. Wytrzymałość stali

4 272 Badania stalowych podziemnych zbiorników bunkrowych St3SX dla grubości t 16 mm wynosi: f d = 215 MPa, stąd warunki nośności blach czołowych zbiornika σ red / f d = 397,8 / 215 = 1,85 > 1 nie są spełnione. Analiza szczelności i procesów destrukcyjnych blach zbiornika metodą emisji akustycznej Dalszym etapem badań były pomiary intensywności procesów destrukcyjnych w zbiorniku z zastosowaniem analizy sygnałów akustycznych (AE). Przeprowadzono badanie wstępne szczelności, procesów korozyjnych blach stalowego zbiornika oraz lokalizację potencjalnych procesów destrukcyjnych. Celem badania było wykrycie i zlokalizowanie czynnych ognisk korozyjnych i ewentualnych przecieków podczas normalnej eksploatacji badanego obiektu i ocena ich wpływu na stan techniczny zbiornika. W ocenie stopnia uszkodzenia zastosowano kryteria podane w tabeli 1. Pierwsze dwie kolumny przestawiają kryteria podane przez Van De Loo i Kronemeijera [1], które bazują na analizie sumy zdarzeń sygnałów emisji akustycznej zarejestrowanych podczas godzinnego monitoringu. Natomiast kolumny od 3 do 5 przedstawiają propozycję autorów niniejszej publikacji uzupełnienia nowymi kryteria wykorzystującymi wybrane parametry EA: amplitudę, energię oraz czas trwania sygnału EA. Dodatkowe kryteria zostały opracowane na podstawie 15. letnich badań ponad 30 zbiorników na produkty ropopochodne oraz badań finansowanych przez KBN w ramach rozwojowego projektu badawczego nr R Zgodnie z opracowaną klasyfikacją zbiorników i doświadczeniem zdobytym na podstawie przeprowadzonych badań przyjęto pięć stopni skorodowania blach poszycia zbiornika (tabela 1). Przyjęte kryteria pozwalają na przybliżoną ocenę stanu technicznego blach zbiornika, jak i na określenie harmonogramu kolejnych przeglądów względnie napraw. Czujniki umieszczono na włazie zbiornika połączonego z płaszczem w odległości 1,0 m od końca zbiornika na zewnątrz oraz na blasze czołowej zbiornika, jak na rysunku 4. Rys. 4. Rozmieszczenie czujników EA na zbiorniku Do badania zastosowano rezonansowe czujniki emisji akustycznego o płaskiej charakterystyce częstotliwości w zakresie khz, z maksimum dla 55 khz. Przyjęta klasyfikacja zbiorników w zależności od liczby zdarzeń sygnałów akustycznych oraz amplitudy, energii i czasu trwania sygnału EA [1, 2, 3]

5 Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji 273 Klasa zbiornika A brak ognisk korozyjnych lub niewielkie ogniska korozyjne na małej powierzchni, następne badanie po 5 latach B brak ognisk korozyjnych lub niewielkie ogniska korozyjne na małej powierzchni, następne badanie po 5 latach C niewielkie ogniska korozyjne na znacznej powierzchni. Ewentualnie wymiana częściowa blach, jeżeli taka możliwość istnieje. Następne badanie po 3 latach. D Znaczna korozja blach zbiornika. Ewentualna wymiana częściowa lub całkowita blach. Remont należy przeprowadzić w ciągu 1 roku. W przypadku remontu częściowego przeprowadzić lokalizację pełną uszkodzeń metodą emisji akustycznej. E blachy skorodowane z wyraźnymi zmianami struktury. Zbiornik przeznaczony do natychmiastowego remontu i całkowitej wymiany blach Średnia liczba zdarzeń akustycznych Amplituda [db] Energia EA [mvs/zliczenie] Czas trwania sygnału EA [ms] < <10 <5000 < <50 < < <200 < < <500 < > >500 > Przed przystąpieniem do właściwego pomiaru przeprowadzono kalibrację czujników polegającą na zarejestrowaniu wzorcowego sygnału, wygenerowanego w określonej odległości od czujnika EA. Jako sygnał wzorcowy zastosowano wzorzec HSU-NILSENA, sygnał akustyczny towarzyszący złamaniu grafitu ołówka na powierzchni badanego obiektu. W ten sposób sprawdzono poprawność pracy systemu pomiarowego. W trakcie pomiaru rejestrowano podstawowe parametry sygnałów emisji akustycznej, tj. sumę zdarzeń (events), czas trwania sygnału (duration), amplitudę sygnału oraz energię sygnału. Jak pokazano na wykresach sumacyjnych przedstawionych na rysunku 5 w okresie 60 minut czujnik nr 2 zarejestrował 1946 zdarzeń, natomiast czujnik nr 4 w tym samym czasie zarejestrował 56. Średnia wartość liczby zdarzeń przez czujniki wynosiła 1001 sygnałów. Co zgodnie z kryterium [1] klasyfikuje zbiornik do klasy B. W celu oceny intensywności zachodzących procesów destrukcyjnych w zbiorniku oraz potwierdzenia przyjętej klasy trwałości, na rysunkach 6, 7 i 8 przedstawiono w postaci punktowej sygnały EA opisane poprzez dodatkowe deskryptory: amplitudę, energię oraz czas trwania sygnału EA przez czujnik 2. Amplituda sygnałów w obrębie tego czujnika nie przekracza 60 db

6 274 Badania stalowych podziemnych zbiorników bunkrowych Rys. 5. Suma zdarzeń w funkcji czasu zarejestrowana przez czujnik w punkcie 2 i 4 Rys. 6. Punktowy wykres amplitudy w funkcji czasu zarejestrowany przez czujnik 2 Aby ocenić proces, który inicjuje powstawanie sygnałów o amplitudzie powyżej 50 db należy wykonać analizę czasu trwania (rys. 7) oraz energii (rys. 8). Oba deskryptory pozwalają na identyfikację zagrożeń. Czas trwania sygnałów EA, jest krótki poniżej µs natomiast energia jest stosunkowo wysoka i wynosi ok. 700 EC#. Te pojedyncze sygnały są efektem odspajania się produktów korozji od poszycia zbiornika wywołanych podgrzewaniem produktu. Sygnały te w trakcie pomiaru występują pojedynczo, czyli nie stwarzają zagrożenia dla pracy zbiornika.

7 Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji 275 Rys. 7. Punktowy wykres czasu trwania sygnału EA w funkcji czasu zarejestrowany przez czujnik 2 Rys. 8. Punktowy wykres energii sygnału EA w funkcji czasu zarejestrowany przez czujnik 2 Dla sygnałów o amplitudzie poniżej 60 db, czas trwania sygnałów EA nie przekraczał µs a energia była rzędu 20. Tak niskie parametry informują iż w zbiorniku nie zachodzą procesy destrukcyjne związane ze zjawiskiem korozji blach zbiornika, a sygnały generowane są przez czynniki eksploatacyjne. W celu zlokalizowania potencjalnych miejsc inicjacji procesów destrukcyjnych na rys. 9 wskazano miejsca o zwiększonej aktywności emisyjnej, które w przyszłości mogą stanowić zagrożenie dla stanu technicznego zbiornika.

8 276 Badania stalowych podziemnych zbiorników bunkrowych Rys. 9. Lokalizacja aktywnych korozyjnie obszarów w badanym zbiorniku Obszary o podwyższonej aktywności emisyjnej zlokalizowano w obszarze przejścia zbiornika z ziemi przez ściany budynku, co wskazuje na niedoskonałości w wykonaniu izolacji w tym obszarze. 3. Wnioski Klasa zbiornika B średnia liczba sygnałów akustycznych < Brak ognisk korozyjnych lub niewielkie ogniska korozyjne na małej powierzchni blach zbiornika, następne badanie po 5 latach. Zalecana obserwacja wizualna blachy czołowej zbiornika ze względu na niespełnienie warunku nośności blach czołowych zbiornika σ red / f d = 397,8 / 215 = 1,85 > 1. Zalecany ponowne badanie EA przy zmianie magazynowanego medium (możliwy wzrost procesów korozyjnych). Literatura 1. Van De Loo P.J., Kronemeijer D.A., Screening of tank bottom corrosion with a single point AE detector: AE- simple", Journal of Acoustic Emission No 18 pp , Świt G., Trąmpczyński W., Płonecki L. Zastosowanie emisji akustycznej w diagnostyce stalowych elementów urządzeń wielkogabarytowych, Przegląd Mechaniczny, (10), s , Goszczyńska B., Świt G., Trąmpczyński W. Monitoring of Active Destructive* Processes as a Diagnostic Tool for the Structure Technical State Evaluation, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, ISSN , 61 (1), s , THE USE ACOUSTIC EMISSION TESTING METHOD OF UNDERGROUND TANKS BUNKER ON PETROLEUM PRODUCTS Abstract The paper presents a method for the diagnosis of underground bunker tanks using analysis of acoustic emission signals generated at the time of service loads. to detect any leaks tank. Criteria of evaluation of the technical condition of tanks based on acoustic emission signals. Keywords: diagnosis and monitoring, underground steel tank, damage processes, acoustic emission.