Stanovení tlakové odolnosti výbuchem ohrožené technologie

• Foto

ÚVOD

Úkolem technologie odprášení je odvést a vyčistit spaliny z průmyslové pece. Svou funkcí a okolním provozem vznikají v technologii ideální podmínky pro vznik výbušné atmosféry. V případě výbuchu uvnitř technologie by mohla vzniknout nevratná poškození, mohlo by dojít dokonce ke kolapsu technologie a v neposlední řadě úniku nebezpečných zplodin do ovzduší a ohrožení lidských životů.

Pokud není možné zamezit vzniku výbušné atmosféry, je nutné přistoupit k návrhu protivýbuchové ochrany, pro jejíž správný návrh a funkci je nutné znát přesnou hodnotu tlakové odolnosti chráněné technologie. Příspěvek pro tyto účely ukazuje vhodnost užití metody konečných prvků. Výpočet uvedený v tomto článku je navíc specifický tím, že nositelem informace o geometrii konstrukce byla pouze papírová výrobní dokumentace.

OBECNÉ INFORMACE

Popis konstrukce

Odprášení průmyslové pece je rozděleno na tři technologické celky. První je tvořen odtahovým obloukem spalin z pece do potrubí. Jedná se o dvouplášťovou konstrukci s tloušťkou plášťů 10 mm, s mezerou 20 mm. Mezera je zajištěná pomocí nýtových spojů.

Druhý technologický celek slouží ke snížení teploty spalin. Pro chlazení spalin se užívá vodního chlazení. Součástí posudku bylo i zjištění úbytku materiálu vlivem koroze, způsobené kontaktem kovových součásti s vodou. Ochlazené spaliny pak kouřovodem vstupují do třetího technologického celku, kde dochází k jejich čištění a následnému odvodu komínem.

Materiály

Informace o materiálech řešené technologie byly kompletně převzaty z původní dokumentace.

Nejčastěji použité materiály jsou tyto:

• 11 373 – konstrukční ocel (S 235 JRG 1, Fe360B).
• 11 353 – běžná konstrukční ocel (S 235).
• 17 348 – nerezová ocel (označení podle nových norem 1.4571).

Návrhová pevnost materiálu je získána jako součin charakteristické pevnosti materiálu a návrhových a redukčních součinitelů. Redukční součinitel pevnosti a dalších mechanických vlastností materiálu byl zvolen na základě podkladů o měření teploty uvnitř zařízení v průběhu tavby.

Předpoklady výpočtu

Každý výpočet má nutně své okrajové podmínky. Tyto okrajové podmínky jsou nastavovány na základě známých skutečností a možností.

Plná celistvost konstrukce - Ačkoliv byly při osobní prohlídce zaznamenány časté poruchy celistvosti konstrukce, netěsnosti spojů a viditelné plastické deformace, geometrie konstrukce pro výpočet tlakové odolnosti byla uvažována v plné celistvosti podle výrobnětechnické dokumentace.

Úbytek tloušťky materiálu vlivem koroze byl vyhodnocen na základě ultrazvukového měření - Tloušťky jednotlivých částí technologie byly ověřeny ultrazvukovým měřením na několika místech.

Pružné působení materiálů - Na technologii nebyl přípustný vznik trvalých deformací vlivem působení výbuchového tlaku. Pokud by se uvažovalo s plným využitím materiálu, došlo by k nárůstu hodnoty tlakové odolnosti, avšak na úkor zachování funkce technologie. 

VÝPOČET TLAKOVÉ ODOLNOSTI

Geometrický model konstrukce

I v tomto projektu se ukázal charakteristický jev již stávajících průmyslových technologií. A to absence 3D geometrického modelu. Jednotlivé části technologie byly proto vymodelovány z investorem dodané papírové dokumentace a to včetně sestavení do kompletního modelu celku, včetně zajištění návaznosti. Takto připravený geometrický model obsahuje informace o tloušťkách a rozměrech částí konstrukce.

Numerický model konstrukce

Na základě geometrického modelu byl sestaven model výpočetní, který je sestaven ze střednic jednotlivých částí. Pro vytvoření sítě konečných prvků bylo užito prvků typu skořepina s velikostí dle řešeného detailu, které věrně popisují chování ocelových tenkostěnných konstrukcí.

Zatížení konstrukce

Exponované části konstrukce byly zatíženy tlakem a vystaveny teplotnímu zatížení. Hodnota velikosti tlaku byla zvolena lineárním výpočtem podle napjatosti stěny technologie. Účinky tohoto zatížení byly dále analyzovány nelineárním výpočtem.

Vyhodnocení tlakové odolnosti konstrukce

Hodnota tlakové odolnosti konstrukce byla vyhodnocena pro elastické působení bez trvalých deformací. Výpočtem stanovena velikost tlakové odolnosti byla interpretována na celkovém modelu konstrukce.

ZÁVĚR

V článku byl představen výpočet tlakové odolnosti průmyslové technologie s využitím výpočetních nástrojů založených na metodě konečných prvků. Samotnému výpočtu předcházelo vytvoření geometrického modelu technologie na základě papírové dokumentace. Pro zjištění korozního úbytku materiálu bylo provedeno ultrazvukové měření tloušťek pláště technologie. Následně byl vytvořen výpočetní model a stanovena velikost tlakové odolnosti jednotlivých částí technologie.

Hodnota tlakové odolnosti konstrukce bude dále užita pro funkční návrh systému protivýbuchové ochrany. Pokud dojde k instalaci ochranných prvků na bázi odlehčení výbuchu, je bezpochyby nutné provést analýzu odezvy technologie na silové účinky vznikající při odlehčení tak, jak to definují normové požadavky.

Stanovení hodnoty tlakové odolnosti je jen jednou z oblastí, kde je vhodné užít výpočet pomocí metody konečných prvků. S rostoucím výpočetním výkonem je dnes již možné simulovat kritické a havarijní stavy konstrukce a odhalit tak včas nejslabší místo. Následně je již možné na tyto stavy reagovat např. zesílením konstrukce či přijmout provozní opatření. Pro výše uvedené výpočty je již ale nutné aplikovat know-how nejen z oblasti pevnostních výpočtů, ale také z oblasti chemie, stavebního, strojního a bezpečnostního inženýrství.

LITERATURA
[1] ČSN EN 14994 Ochranné systémy pro odlehčení výbuchu plynu. Praha: ÚNMZ, září 2007.
[2] ČSN EN 1991-1-7 Zatížení konstrukcí - Část 1-7: Obecná zatížení - Mimořádná zatížení. Praha: ÚNMZ, říjen 2007.
[3] ČSN EN 13480-3 - Kovová průmyslová potrubí - Část 3: Konstrukce a výpočet, Praha: ÚNMZ, listopad 2013.
[4] ČSN EN 1591-1 Příruby a přírubové spoje - Pravidla pro navrhování těsněných kruhových přírubových spojů - Část 1: Výpočet, Praha: ÚNMZ, květen 2015.
[5] ČSN EN 14460 Konstrukce odolné výbuchovému tlaku, Praha: ÚNMZ, prosinec 2006.
[6] KOVÁŘ M., Rizika návrhu a posouzení protivýbuchové ochrany, udrzbapodniku.cz, 5/2016
[7] KOVÁŘM., PODSTAWKA T., Legislativa týkající se návrhu protivýbuchové ochrany, tlakinfo.cz, 7/2016

Determining the pressure resistance of equipment at risk of explosion
ELSA Consulting Ltd., specializing in complex computational analyses for EX-environment and industry, has been selected to determine the level of the pressure resistance equipment for dedusting industrial furnaces, necessary for the proper design of explosion protection. This article sets out to show readers the need to link up know-how from the field of structural analysis using advanced computational methods and other typical sectors, such as chemistry, civil, mechanical and safety engineering. Only then is it possible to design high-quality anti-explosion protection systems, protect equipment and above all human lives.

Autoři

• Kovář Martin
• Podstawka Adam