Reklama

Posouzení spolehlivosti korozně oslabených nádrží

doc. Ing. Vít Křivý, Ph.D., Ing. Monika Kubzová

Recenzovaný

V článku jsou představeny vybrané části metodického přístupu pro vyhodnocování technického stavu ocelových válcových nádrží vystavených účinkům korozního oslabování. Technické podklady byly vytvořeny pro pracovníky energetických společností, kteří realizují či vyhodnocují diagnostická měření provozovaných nádrží. Na základě zjednodušených analytických výpočtů je možno v reálném čase vyhodnotit vliv zjištěného korozního oslabení na spolehlivé fungování nosné ocelové konstrukce válcové nádrže. Vypracované podklady slouží především pro rozhodnutí správce objektu, zda je potřeba provést podrobné statické posouzení nosné konstrukce nádrže či zda je zjištěné korozní oslabení nevýznamné z hlediska zajištění dlouhodobého spolehlivého fungování provozované nádrže.

Reklama

1. Úvod

Obr. 1: Ocelová nádrž pro skladování vápencové suspenze

Při výrobě elektrické energie v uhelných elektrárnách vyvstává potřeba skladovat různé tekuté materiály (obdobné požadavky vznikají také v dalších průmyslových odvětvích – chemický průmysl, cukrovary atd.). Mezi tradiční skladované tekuté materiály patří ropné produkty, vápencové či sádrovcové suspenze, roztoky NaOH, demineralizovaná voda a mnoho dalších. Pro skladování těchto tekutých materiálů se obvykle využívají ocelové nádrže různých velikostí. Staticky ocelové nádrže působí jako tenkostěnné válcové skořepiny. Příklad nádrže pro skladování vápencové suspenze je uveden na obrázku 1 (nádrž v době opravy je bez tepelné izolace a vnějšího opláštění trapézovým plechem).

Aby bylo možno spolehlivě provozovat nádrže po celou dobu jejich plánované životnosti, je nutné provádět jejich pravidelnou kontrolu a údržbu [1]. Při kontrolních prohlídkách je nutno věnovat zvýšenou pozornost problematice možného korozního oslabování nosné konstrukce nádrže. Stěny nádrží jsou dimenzovány jako tenkostěnné skořepiny a mohou být proto velmi citlivé na snížení původní tloušťky v důsledku koroze. Korozní napadení stěny nádrže může nastat jak na vnějším povrchu, především působením atmosférické koroze [2, 3], tak také na vnitřních površích (viz obrázek 2) v závislosti na typu skladované tekutiny, provozních podmínkách a otevřenosti vnitřního prostoru nádrže vnějším atmosférickým vlivům.

Obr. 2: Korozní napadení vnitřního povrchu nosné konstrukce nádrže

V technické praxi se rozlišuje několik druhů koroze kovových materiálů [4], ze statického hlediska je však potřeba sledovat především hodnotu a plošný rozsah korozního oslabení. Z diagnostických měření provedených na reálně provozovaných konstrukcích vyplývá, že stěny nádrží jsou obvykle vystaveny plošnému koroznímu oslabení. Jsou však zaznamenány také případy, kdy je korozní oslabení identifikováno na lokálně ohraničené ploše, například v oblasti otvorů či v oblasti nad trvalou hladinou skladované tekutiny. Při tvorbě technických podkladů bylo proto nutno vyhodnotit vliv lokálně ohraničené korozně oslabené oblasti na spolehlivost válcové skořepiny (základní principy navržené metodiky jsou uvedeny v navazujících částech tohoto článku). V technických podkladech jsou rovněž uvedena doporučení pro diagnostická měření reálných tlouštěk stěny nádrží, přičemž důležitým hlediskem je získání dostatečného počtu měření umožňujícího statistické vyhodnocení změřených tlouštěk a také identifikaci lokálně ohraničených oblastí se zvýšeným korozním oslabením (hlavní doporučení jsou shrnuta v části 2 tohoto článku).

Samotné měření reálných tlouštěk zbytkových průřezů nádrží obvykle provádějí specializované firmy zabývající se diagnostikou konstrukcí a strojních zařízení. Z praktických zkušeností autorů článku vyplývá doporučení, aby se přípravy a samotné realizace měření účastnil také odborník se znalostí statického působení ocelových válcových nádrží. Plánovaný rozsah měření je někdy nutné upravovat na základě průběžně zjištěných výsledků, například při podezření na lokální oslabení konstrukce. Optimální je situace, kdy je již před samotným měřením provedena statická analýza a je znám stupeň využití jednotlivých nosných částí nádrže.

Zatížení působením kapaliny vyvolává ve stěně válcové skořepiny obvodová tahová napětí σ_θ,Ed, jejichž hodnota lineárně narůstá s hloubkou skladované tekutiny. Vysoké nádrže jsou proto obvykle navrženy s odstupňovanou tloušťkou stěny. Kromě zatížení od skladovaných kapalin je však nutno při návrhu a hodnocení spolehlivosti uvážit také další zatížení, především pak zatížení stálá, zatížení sněhem, zatížení větrem, účinky teplotních změn, vznik podtlaku v prostoru nádrže [5–9]. Zatímco zatížení kapalinami vyvolává ve stěně nádrže obvodová tahová napětí σ_θ,Ed, jiná zatížení způsobují tlakové namáhání válcové skořepiny či jejich částí a je nutno posoudit stěnu nádrže na účinky těchto tlakových napětí – osové tlakové napětí σ_x,Ed či obvodové tlakové napětí σ_θw,Ed. Podrobný rozbor statického působení válcových skořepin při tahovém či tlakovém namáhání je nad rámec tohoto článku, podrobnosti lze nalézt například v [10–12]. Je však nutno alespoň zjednodušeně poznamenat, že válcové skořepiny jsou velmi citlivé na účinky tlakových namáhání a tato napětí nesmí být při hodnocení spolehlivosti provozovaných konstrukcí podceněna. Rovněž je vhodné podotknout, že tlakové namáhání se může nejvíce projevit v horních tenkých lubech skořepiny, které jsou pouze minimálně ovlivněny zatížením od náplně. Korozní oslabení tak může mít větší vliv u méně zatíženého horního lubu, který však má v porovnání s nižšími luby menší tloušťku stěny.

2. Měření reálných tlouštěk stěny válcové skořepiny

Měření reálných tlouštěk se obvykle provádí s využitím přenosných ultrazvukových tloušťkoměrů. Rozsah měření je potřeba individuálně naplánovat s ohledem na rozměry hodnocené konstrukce, zvolené konstrukční řešení a přístupnost jednotlivých hodnocených povrchů. Obecně platný postup pro stěny všech válcových nádrží nelze, podle názoru autorů článku, sestavit. V následujících bodech jsou alespoň uvedena vybraná doporučení pro měření zbytkových tlouštěk stěn válcových skořepin:

Měření je potřeba provést na všech lubech skořepiny, tj. na všech částech stěny nádrže výškově ohraničených obvodovými svary či mechanickými spoji.
Pro každou výškovou úroveň je potřeba provést dostatečný počet měření, aby byl měřením rovnoměrně pokryt celý obvod stěny nádrže. Například pro nádrž s poloměrem R = 7200 mm uvedenou na obrázku 1 bylo pro každou výškovou úroveň doporučeno provést alespoň 48 měření po obvodě, rozsah byl následně upravován podle možností měření v místě objektu.
Místa jednotlivých měření je vhodné jednoznačně identifikovat (například pomocí permanentních popisovačů) a také zanést do výkresové dokumentace. Zaznamenání míst měření je potřebné nejen pro statické posouzení konstrukce, ale také pro případná budoucí kontrolní měření, která budou prováděna na stejných místech a bude tak možno průběžně sledovat časový průběh korozního poškození konstrukce.
Výsledky měření je vhodné pokud možno okamžitě statisticky vyhodnotit a na základě vyhodnocení případně provést doplňková měření. Pro každou měřenou výškovou úroveň je vhodné určit hodnotu dolního 5% kvantilu, která v následných statických analýzách reprezentuje hodnotu tloušťky rovnoměrně oslabeného lubu skořepiny [13].
Je potřeba identifikovat všechna individuální měření, u kterých byla naměřena hodnota nižší, než je vypočítaný 5% kvantil. V lokalitách splňujících výše uvedenou podmínku se provede doplňkové podrobnější měření, při kterém se zjistí rozsah lokálně korozně významněji oslabené oblasti. Počet měřících bodů zvolí osoba provádějící měření individuálně pro každou konkrétní lokálně oslabenou plochu.

Hodnotu dolního 5% kvantilu lze stanovit podle přílohy D normy ČSN EN 1990 [14] v závislosti na průměru m_x, variačním koeficientu V_x a počtu měření n ze vztahu:

t_0,05 = m_x (1 −k_n V_x) (1)

kde hodnota koeficientu k_n se určí podle tabulky D.1 této normy a za konzervativního předpokladu, že neexistuje apriorní znalost variačního koeficientu.

3. Lokální korozní poškození

Hlavním cílem autorů článku bylo vytvořit technické podklady pro pracovníky energetických společností, kteří realizují či vyhodnocují diagnostická měření provozovaných nádrží. Za tímto účelem bylo nutno odvodit zjednodušené analytické vztahy, pomocí kterých je možno předběžně vyhodnotit vliv korozního oslabení na spolehlivé fungování nosné konstrukce válcové nádrže. Vstupními veličinami popisujícími míru korozního oslabení jsou hodnoty zbytkových tlouštěk průřezů a také informace o rozsahu a poloze korozně poškozené oblasti. Je zjevné, že korozně oslabené oblasti o malém plošném rozsahu nemohou mít stejný vliv na spolehlivé fungování konstrukce jako celkové rovnoměrné oslabení (při uvažování stejných zbytkových tlouštěk v korozně napadených částech).

Pro odvození potřebných analytických vztahů bylo nutno provést rozsáhlou parametrickou studii na numerických modelech typických válcových nádrží používaných v energetickém průmyslu. Ve statickém software Scia Engineer byly vymodelovány modely nádrží sestávajících se ze skořepinových plošných prvků (bez uvážení vnitřních výztuh) o poloměrech R = 1 m až R = 10 m. Nádrže byly systematicky oslabovány ve směru horizontálním i vertikálním různými korozními úbytky na různě plošně rozsáhlé části stěny.

Z provedených numerických analýz vyplývá, že hodnoty obvodových membránových napětí σ_θ,Ed jsou závislé na výšce lokálně korozně oslabené plochy. Od určité „vyrovnávací výšky“ již však maximální hodnota v místě oslabení stěny válcové skořepiny dosáhne hodnoty obvodového napětí odpovídající celoplošnému oslabení nádrže. Šířka oslabené plochy nemá na hodnoty obvodových membránových napětí σ_θ,Ed významný vliv. Hodnoty osových (meridiálních napětí) σ_x,Ed jsou naopak závislé na šířce korozně oslabené oblasti. Rozměr korozně oslabené oblasti se analogicky projevuje také při stanovení návrhové pevnosti při boulení, problematika boulení skořepin je však sama o sobě poměrně složitá a přesahuje rámec tohoto článku.

Obr. 3: Vliv výšky korozně oslabené oblasti na průběh obvodových membránových napětí

Problematiku určení vyrovnávací výšky lze demonstrovat na konkrétním příkladu – nádrž o poloměru R = 10 m, původní tloušťka stěny nádrže t = 10 mm, oslabená tloušťka t_o = 5 mm, zatížení rovnoměrným vnitřním tlakem p_n,d = 43 kN/m² po celé výšce nádrže. S využitím numerického modelování byly vypočteny hodnoty obvodového membránového napětí σ_θ,Ed po výšce stěny nádrže, přičemž se uvažovaly různé výšky korozně oslabených oblastí. Z výsledků uvedených na obrázku 3 vyplývá, že se zvětšující se výškou korozně oslabené oblasti dochází k nárůstu hodnot obvodových membránových napětí σ_θ,Ed až po hodnotu vyrovnávací výšky – cca 20 % výšky posuzované nádrže. Při vyšších výškách korozního oslabení se již nezvětšuje maximální hodnota obvodového napětí, která zůstává přibližně rovna hodnotě odpovídající celoplošnému oslabení nádrže na tloušťku t_osl = 5 mm.

4. Výpočet membránových napětí

Na základě provedených parametrických studií bylo možno vytvořit grafické pomůcky a analytické vztahy pro výpočet membránových napětí při známé hodnotě poloměru válcové skořepiny, korozního poškození, neboli zbytkové tloušťce stěny, a rozměrech korozně napadené plochy. Použití je omezeno poloměrem nádrže – pomůcky využít pouze pro nádrže s poloměrem v rozmezí hodnot R = 1 m až R = 10 m. Analytické vztahy a závislosti byly aplikovány do tabulkového editoru Microsoft Office Excel a umožnily sestavit jednoduchý nástroj pro efektivní výpočet hodnot napětí. Dále je uveden postup pro výpočet obvodových membránových napětí, postup pro určení osových (meridiálních) membránových napětí je obdobný.

Návrhová hodnota obvodového membránového napětí v místě oslabené stěny válcové nádrže se určí podle vztahu:

σ_θ,Ed,osl = σ_θ,Ed,neosl ∙ (1 + k_s) (2)

kde násobitel obvodového membránového napětí ks byl odvozen na základě parametrických studií v software Scia Engineer. Součinitel k_s byl stanoven pro korozní úbytky 10 %, 25 %, 50 %, 75 % a 90 % původní tloušťky a pro rozmezí poloměrů válcových nádrží R = 1 m až R = 10 m. Pro určení součinitelů k_s byly vypracovány grafické pomůcky (viz vybrané grafy na obrázku 5, ze kterých je patrná interpretace pro korozní oslabení 25 % a 50 %). Mezilehlé hodnoty se určí lineární interpolací.

5. Ukázkový výpočet

Určení výšky oslabené oblasti

Výška oslabené oblasti h_osl se konzervativně určí na základě aproximace naměřené korozně oslabené plochy v souladu s obrázkem 4.

Obr. 4: Aproximace korozně oslabené plochy; určení h_osl; určení výškové pořadnice oslabené korozní plochy x_osl

Výška oslabené plochy se vztáhne k hodnotě poloměru skořepiny R podle vztahu:

h_osl,rel = a ∙ R = h_osl R ∙ R

Například pro výšku aproximačního obdélníku h_osl = 375 mm a poloměr nádrže R = 7500 mm obdržíme:

h_osl,rel = 375 7500 ∙ R = 0,05 R

Výpočet vnitřního tlaku pro původní neoslabenou nádrž

Vnitřní tlak se spočítá s ohledem na maximální provozní výšku hladiny h_provoz, hodnotu výškové pořadnice oslabené korozní plochy x_osl a objemovou tíhu skladované kapaliny γ. Pokud se v nádrži očekávají dynamické účinky od skladování kapaliny, např. od míchadel, pak se do výpočtu zavede dynamický součinitel δ. Výšková pořadnice oslabené plochy se konzervativně vztahuje k nejnižší části naměřeného oslabení, viz obrázek 4.

Například pro válcovou nádrž výšky h = 16 000 mm, maximální výšku provozní hladiny h_provoz = 13 000 mm, pořadnici oslabené korozní plochy x_osl = 8 000 mm, skladovanou vápennou suspenzi s objemovou tíhou γ = 12,0 kN/m³ a při zohlednění míchadel pomocí dynamického součinitele δ = 1,2 se vnitřní tlak v místě korozního oslabení spočítá podle následujících vztahů:

rozdíl výšky nádrže a provozní hladiny:

h_nezat = h − h_provoz = 16 − 13 = 3,0 m

pořadnice pro výpočet napětí v korozně oslabené ploše:

x = x_osl − h_nezat = 8 − 3 = 5,0 m

vnitřní tlak (charakteristická hodnota) v místě korozního oslabení:

p_n,k (x = 5,0 m) = γ ∙ x ∙ δ ∙ 10⁻³ = 12 ∙ 5,0 ∙ 1,2 ∙ 10⁻³ = 0,072 MPa

vnitřní tlak (návrhová hodnota) v místě korozního oslabení:

γ_F = 1,2 (podle ČSN EN 1993-4-2)
p_n,d (x = 5 m) = γ_F ∙ p_n,k (x) = 1,2 ∙ 0,072 = 0,086 MPa

Výpočet obvodového tahového membránového napětí

Návrhová hodnota obvodového tahového napětí pro původní neoslabenou tloušťku t stěny nádrže o poloměru R se určí podle ČSN EN 1993-1-6:

σ_θ,Ed,neosl (x) = p_n,d (x) R t (3)

Pro výše uvedený příklad tedy vyjde:

σ_θ,d,neosl (x = 5 m) = p_n,d (x) R t = 0,086 ∙ 7500 10 = 64,5 MPa

Pro výšku aproximačního obdélníku h_osl = 375 mm, poloměr nádrže R = 7500 mm a korozní úbytek například 35 % se určí hodnota součinitele k_s následujícím postupem:

Odečtením z grafu se určí hodnota součinitele k_s pro oslabení 25 % a 50 %.

k_s, 25 = 0,28 (viz obrázek 5)
k_s, 50 = 0,78 (viz obrázek 5)
Hodnota součinitele k_s, 35 se určí lineární interpolací:

k_s, 35 = k_s, 25 + 35 − 25 50 − 25 ∙ (k_s, 50 − k_s, 35) = 0,28 + 35 − 25 50 − 25 ∙ (0,78 − 0,28) = 0,48
Určí se napětí v oslabeném místě s využitím vypočteného součinitele k_s:

σ_θ,Ed,neosl (x = 5 m) = p_n,d (x) R t = 0,086 ∙ 7500 10 = 64,5 MPa

σ_θ,Ed,osl = σ_θ,Ed,neosl ∙ (1 + k_s, 35) = 64,5 ∙ (1 + 0,48) = 95,5 MPa

σ_θ,Ed,osl = 95,5 MPa ≤ f_y γ_M0 = 235 1,00 = 235 MPa

⇨ Vyhovuje

Obr. 5: Násobitel obvodového napětí k dolní index s pro korozní úbytky 25 % a 50 %

Obr. 5: Násobitel obvodového napětí k_s pro korozní úbytky 25 % a 50 %

6. Závěr

V příspěvku byla představena vybraná část technických podkladů pro vyhodnocení korozního oslabení válcových nádrží. Podklady jsou primárně určeny pro pracovníky energetických společností, kteří provádějí a/nebo vyhodnocují diagnostická měření provozovaných válcových nádrží. Podklady slouží pracovníkům energetických společností výhradně pro rozhodnutí, zda je nutné na základě změřených údajů zajistit podrobné statické posouzení nádrže autorizovanou osobou.

Statické posouzení nádrží se dnes obvykle provádí v komerčních statických softwarech s využitím numerických modelů aplikujících skořepinové konečné prvky, viz obrázek 6. Komerční statické softwary umožňují provádět i poměrně náročné analýzy umožňující zahrnout do výpočtu geometrickou i materiálovou nelinearitu a také imperfekce. Takovýto výpočet je v souladu s platnými normami pro navrhování a posuzování konstrukcí [11, 12].

Obr. 6: Ukázka srovnávacího napětí HMH stanoveného geometricky nelineární pružnostní analýzou s uvážením imperfekcí pro jednu vybranou kombinaci zatížení

Pokročilé výpočetní metody je vhodné použít právě v případech, kdy je potřeba výstižně vyhodnotit statické působení korozně a/nebo deformačně poškozené nosné konstrukce nádrže. Se stoupající náročností výpočtu však roste riziko neodhalení chyb zavedených do numerické analýzy konstrukce, velmi náročná je také interpretace výsledků. Výsledky numerických analýz je proto vhodné ověřit porovnáním s výsledky zjednodušených analytických modelů. Vytvořené technické podklady s analytickými vztahy a grafickými pomůckami tak mohou pomoci také statikům při kontrole výsledků numerických analýz nosných konstrukcí válcových nádrží.

Poděkování

Příspěvek byl vypracován za finanční podpory MŠMT v rámci programu koncepčního rozvoje VaV na Fakultě stavební, VŠB-TU Ostrava.

Literatura

ČSN 73 2604 Ocelové konstrukce – Kontrola a údržba ocelových konstrukcí pozemních a inženýrských staveb. ÚNMZ, 2012.
Kreislová, K., Knotková, D., Geiplová, H. Korozní chování kovů a kovových povlaků v atmosférickém prostředí. Praha: SVUOM Praha, 2014, ISBN 978-80-87444-08-5.
Kreislová, K., Knotková, D. Korozní agresivita atmosfér a metody predikce atmosférické koroze. Praha: SVUOM Praha, 2014, ISBN 978-80-87444-11-5.
Černý, M. a kol.: Korozní vlastnosti kovových konstrukčních materiálů, Praha: SNTL Praha,1984.
ČSN EN 1991-4 ed. 2 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 4: Zatížení zásobníků a nádrží. ČNI, 2013.
ČSN EN 1991-1-1 Eurokód 1:Zatížení konstrukcí – Část 1-1: Obecná zatížení – Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb. ČNI, 2004.
ČSN EN 1991-1-3 ed. 2 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-4: Obecná zatížení – Zatížení sněhem. Praha, ÚNMZ, 2013.
ČSN EN 1991-1-4 ed. 2 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-4: Obecná zatížení – Zatížení větrem. ČNI, 2007.
ČSN EN 1991-1-5 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-5: Obecná zatížení – Zatížení teplotou. ČNI, 2005.
Rotter, J. M. and Schmidt, H. (ed.) Buckling of Steel Shells – European Design Recommendations, 5^th Edition, Revised Second Impression. ECCS, 2013, ISBN 978-92-9147-116-4.
ČSN EN 1993-1-6 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-6: Pevnost a stabilita skořepinových konstrukcí. Praha, ČNI, 2008.
ČSN EN 1993-4-2 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 4-2: Nádrže. Praha, ČNI 2008.
Holický, M, Marková, J. Zásady navrhování stavebních konstrukcí. Příručka k ČSN EN 1990. Praha: Informační centrum ČKAIT, 2007, ISBN 978-80-87093-27-6.
ČSN EN 1990 ed. 2 Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí. UNMZ, 2011.

English Synopsis

Reliability assessment of corrosion-weakened tanks

The paper introduces selected parts of the methodology for the technical state evaluation of the steel cylindrical tanks affected by the corrosion weakening. Technical conditions have been mainly worked out for the energetic company experts who are responsible for the realization and evaluation of the steel tanks diagnostics. Simplified analytical procedures have been developed to evaluate the influence of the measured corrosion weakening on the reliability of steel tank structures. The technical conditions serve mainly for a decision about the relevance of the corrosion damage: the corrosion weakening is insignificant with respect to the structural reliability or the corrosion failures are potentially dangerous with respect to the structural reliability and a detailed statistical assessment of the steel tank is necessary.