Posuzování ocelových nádrží vystavených koroznímu oslabování

• Foto

Stěny provozovaných nádrží jsou často vystaveny významnému koroznímu napadení, které může mít vliv na spolehlivé fungování nosné konstrukce. Pro provozovatele nádrží byl autory příspěvku vypracován metodický postup pro vyhodnocení závažnosti zjištěného korozního poškození. Postup lze poměrně jednoduše využít pro konzervativní rozhodnutí, zda zjištěné korozní oslabení může významně snižovat mechanickou odolnost konstrukce (a je nutno provést podrobné statické posouzení) či zda je zjištěné korozní oslabení z hlediska spolehlivého fungování nevýznamné.

Na provozovaných konstrukcích je obvykle identifikováno celoplošné oslabení jednotlivých lubů válcové nádrže, v některých případech však má oslabení pouze lokální charakter (korozní oslabení zasahuje pouze určitou omezenou plochu stěny nádrže). Při zpracování metodických podkladů bylo proto potřeba vyhodnocovat nejen samotnou hodnotu korozního úbytku, ale také vliv plošného rozsahu korozního poškození. Problematiku bylo nutno rozpracovat pro všechny základní způsoby namáhání válcových skořepin, tj. především pro obvodová tahová membránová napětí od zatížení skladovanými tekutinami a pro boulení od normálového meridiálního napětí či tlakového obvodového napětí. V předkládaném příspěvku nelze popsat celou šíři problematiky, představeny jsou proto pouze základní aspekty související s vyhodnocením vlivu korozního oslabení na tahová membránová napětí.

VLIV OSLABENÍ NA OBVODOVÉ TAHOVÉ MEMBRÁNOVÉ NAPĚTÍ
S využitím numerického modelování byly sestaveny modely nádrží o poloměrech 1 až 10 m, na kterých byly systematicky vyhodnocovány různé rozsahy korozního poškození (sledoval se vliv míry korozního oslabení a také rozsah a tvar korozně napadené plochy).

Z provedených analýz vyplývá, že hodnoty obvodového tahového membránového napětí σ_θ(x) vyvolaného po výšce proměnným vnitřním tlakem p_n(x) jsou závislé na výšce 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 napětí významný vliv.

Pro konkrétní zvolený případ (například nádrž o poloměru R = 10 m, původní tloušťka stěny nádrže 10 mm, oslabená tloušťka 5 mm, zatížení rovnoměrným vnitřním tlakem 43 kN/m²) dochází k nárůstu hodnot obvodových napětí až po hodnotu vyrovnávací výšky – cca 20 % výšky nádrže. Při vyšších výškách oslabení se již nezvětšuje maximální hodnota obvodového napětí, která zůstává přibližně rovna hodnotě odpovídající celoplošnému oslabení nádrže na tloušťku 5 mm, viz obrázek 2.

Na základě provedených parametrických studií založených na použití numerických modelů byly odvozeny analytické vztahy a grafické pomůcky pro výstižný výpočet obvodového napětí v místě oslabení skořepiny. Uvedený postup lze aplikovat pro kruhové válcové nádrže s rozsahem poloměru válce R = 1 m až 10 m. Návrhová hodnota obvodového tahového napětí v místě oslabené stěny válcové nádrže se určí podle vztahu:

σ_θ,d,sl = σ_θ,d,neosl . (1 + k_s)   (1)

kde násobitel obvodového napětí k_s byl odvozen na základě vyhodnocení parametrických numerických studií, v rámci kterých se sledovala závislost mezi výškou korozně oslabené oblasti, hodnotou korozního oslabení tloušťky stěny nádrže a poloměrem válcové nádrže. Hodnoty součinitele k_s byly stanoveny pro korozní úbytky 10 %, 25 %, 50 %, 75 % a 90 % a pro rozmezí poloměrů válcových nádrží R = 1 m až R = 10 m. Pro určení součinitelů byly vypracovány grafické pomůcky (viz grafy na obrázku 4, ze kterých je patrná interpretace pro korozní oslabení 25 a 50 %). Mezilehlé hodnoty se určí lineární interpolací.

UKÁZKOVÝ VÝPOČET
Určení výšky oslabené oblasti
Výška oslabené oblasti hosl se konzervativně určí na základě aproximace naměřené korozně oslabené plochy v souladu s obrázkem 3.

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



Například pro výšku aproximačního obdélníku h_osl = 375 mm a poloměr nádrže R = 7 500 mm obdržíme:



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 3.

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 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 = 5,0m) = 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=5,0m )= 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:

Pro výše uvedený příklad tedy vyjde:


Pro výšku aproximačního obdélníku h_osl = 375 mm, poloměr nádrže R = 7 500 mm a korozní úbytek například 35 % se určí hodnota součinitele k_s následujícím postupem:

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


k_s,25 = 0,28 (viz obrázek 4)
k_s,50 = 0,78 (viz obrázek 4)

b) Hodnota součinitele k_s,35 se určí lineární interpolací:

c) Určí se napětí v oslabeném místě s využitím vypočteného součinitele k_s:

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

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

Assessment of Steel Tanks Exposed to Corrosion Fatigue
The requirement of company ČEZ, a. s. for elaboration of evaluation method for the measured residual thickness of the walls of operated steel tanks was an incentive for carrying out a study of corrosion fatigue effects. The submitted paper introduces a part of methodological approach concerned with the effects of corrosion fatigue on the extent of external tensile membrane force in the wall of a cylindrical tank.

Autoři

• Ing. Kubzová Monika
• Doc. Ing. Křivý Vít PhD.