Zagrożenie katastrofą postępującą wież służących do produkcji stężonego kwasu siarkowego

Celem ekspertyzy opracowanej w 2016 r. było określenie stanu technicznego wież suszących i absorpcyjnych węzła wydziału produkcji kwasu jednego z zakładów przemysłowych w Polsce oraz ocena spowodowanych tym zagrożeń, określenie zakresu i terminów wymaganych napraw i wpływu stanu technicznego wież na jakość produkowanego kwasu i bezpieczeństwo dalszej eksploatacji obiektów.

Opis analizowanej konstrukcji

Zespół susząco-absorpcyjny wydziału produkcji kwasu siarkowego wybudowany wg projektów z lat 1977-1978 jest eksploatowany od 1986 r. bez żadnych przerw (z wyjątkiem postojów technologicznych zakładu) do chwili obecnej. Żywotność tego typu konstrukcji określa się na maksymalnie 20 lat.

Podstawowymi elementami zespołu są dwie pary wież suszących i absorpcyjnych wraz z urządzeniami towarzyszącymi. Węzeł wyposażony jest konstrukcję pomostów roboczych i wsporczych w postaci ramy przestrzennej żelbetowej. Wieże są pionowymi zbiornikami walcowymi wykonanymi ze stali St3S.

Rys. 1. Schemat budowy dolnych części wież suszących i absorpcyjnych

Wieże suszące i absorpcyjne

Wieże zlokalizowane w węźle susząco-absorpcyjnym składają się ze stalowych zbiorników walcowych o średnicy zewnętrznej 4900 mm i wysokości części cylindrycznej dla wież suszących 14 026 mm, wież absorpcyjnych zaś 16 228 mm. Pokrywy wież stożkowe, wykonane z blachy stalowej grubości 14 mm, a płaszcze części cylindrycznych – z blach stalowych o grubości 10 mm, z segmentów o wysokości 2500 mm, dna płaskie z blachy o grubości 16 mm dla wież suszących i 18 mm dla wież absorpcyjnych. Dna spawane do płaszczy wież dwustronnymi spoinami pachwinowymi.

Płaszcze wież suszących są wzmocnione pierścieniami obwodowymi z kątowników, płaszcze wież absorpcyjnych – pierścieniami obwodowymi z ceowników. Pierścienie stanowią jednocześnie oparcie konstrukcji stalowego pomostu roboczego rozpiętego między wieżami. Wieże spoczywają na fundamentach żelbetowych za pośrednictwem rusztów. Dna i płaszcze wież zostały wyłożone od wewnątrz dwiema warstwami papieru azbestowego i obmurowane cegłą kwasoodporną (grubość wymurówki den 300 mm, ścian 114 mm).

Wewnątrz wież wymurowano słupy z cegły kwasoodpornej, na których ułożono ruszty z kształtek ceramicznych kwasoodpornych podpierające wypełnienie wież.

Na rusztach ułożono wypełnienie z pierścieni ceramicznych Raschiga.

Wewnątrz wież powyżej wypełnienia umieszczono zraszacze żeliwne zapewniające równomierne rozprowadzenie kwasu w całym przekroju wież. W świetle kolektorów zraszaczy ułożono warstwami pierścienie.

Kwasoodporne wyroby ceramiczne cechuje duża porowatość i niska wytrzymałość mechaniczna, szczególnie na kruche pękanie.

Schemat części dolnej konstrukcji wież pokazano na rys. 1.

Fot. 1. Baterie zbiorników – wież suszących i absorpcyjnych

Posadowienie węzła susząco-absorpcyjnego

Węzeł susząco-absorpcyjny składający się z wież, wraz z pomostami roboczymi, oraz pozostałych urządzeń technologicznych posadowiony jest na wspólnej płycie żelbetowej grubości 80 cm, wykonanej z betonu Rw 200 (B17,5 MPa), zbrojonej stalą St0S. Płyta stanowi jednocześnie dno wanny ochronnej, zabezpieczającej przed rozlewaniem się kwasu i jego przedostawaniem się do środowiska.

Na wannie są wykonane ścianki żelbetowe (bloki fundamentowe) podpierające ruszty stalowe, na których spoczywają wieże suszące i absorpcyjne.

Wnętrze wanny w 2010 r. wyremontowano i wyłożono wykładziną kwasoodporną, osłoniętą następnie płytkami kamionkowymi kwasoodpornymi.

Fot. 2. Żelbetowe pomosty robocze i wanna ochronna

Wizja lokalna

Dokonano wizji lokalnej (dokładne oględziny wież, zinwentaryzowanie widocznych miejsc napraw płaszczy wież) połączonej z wykonaniem badań nieniszczących obecnej grubości blach tworzących płaszcze wież, dokonano pomiarów geodezyjnych rzeczywistej geometrii płaszczy wież oraz pomiarów stwierdzonych podczas wizji lokalnej szczelin między krawędzią części dennych wież a rusztami podporowymi. Stwierdzono, że:

• wieże suszące o odtworzonej zewnętrznej powłoce antykorozyjnej wykazują miejscowe ubytki farby i miejscowe uszkodzenia powłok spowodowane działaniem kwasu w wyniku jego parowania i wycieków;
• wieże absorpcyjne nie były od wielu lat malowane, powłoki antykorozyjne są w bardzo złym stanie, na znacznej powierzchni w ogóle ich brak; zaistniała daleko posunięta korozja powierzchniowa części płaszczy wież.

Płaszcze wszystkich wież były wielokrotnie naprawiane przez doraźne przyspawanie łat stalowych w miejscach wycieku (fot. 3). Miejsca naprawione doraźnie były zastępowane nowymi blachami poszycia powłoki wież w okresach postoju technicznego huty.

Rurociągi dochodzące do wież także wykazują ślady napraw (łaty naspawane na rury).

We wszystkich wieżach stwierdzono również: znaczne wybrzuszenie się blach dennych, płaszcze wież uniesione w stosunku do rusztu podporowego, podparte klinami stalowymi. Oddalenie krawędzi dna od rusztu podporowego wynosi 15-45 mm i pogłębia się.

Zauważono bardzo zły stan konstrukcji stalowych pomostów roboczych wież suszących i absorpcyjnych – brak w ogóle zabezpieczeń antykorozyjnych.

Korozja niektórych elementów rozwinęła się w stopniu redukującym ich nośność i zmniejszającym bezpieczeństwo obsługi.

Fot. 3. Naprawy płaszcza wieży

Wyniki badań ultradźwiękowych

Przeprowadzono wyrywkowe badanie grubości blach płaszczy wież za pomocą miernika ultradźwiękowego. W trakcie pomiarów stwierdzono dużą niejednorodność grubości materiału płaszczy wież. Świadczy to o nierównomiernym zużyciu płaszczy i powstawaniu miejsc lokalnych głębokich wżerów korozyjnych spowodowanych działaniem kwasu. Ubytek grubości blach dochodził miejscami do 52%.

Fot. 4. Korozja spoiny łączącej płaszcz z dnem

Odkształcenia konstrukcji

W ramach wizji lokalnej przeprowadzono geodezyjny pomiar odkształceń wież. Dokonano pomiarów odchylenia powierzchni płaszczy wież od teoretycznej powierzchni walcowej i od pionu. Wszystkie pomiary wykonano dla każdego poziomu pomiarów w czterech punktach, rozmieszczonych wzdłuż obwodu płaszcza wieży. Inwestor nie dysponuje inwentaryzacją geodezyjną z okresu budowy i oddawania wież do eksploatacji. Wykonane pomiary można było odnosić wyłącznie do wartości teoretycznych projektowanego kształtu wież przy założeniu ich wstępnego przekroju okrągłego, pionowości wstępnej zgodnej z dopuszczalnymi normami i projektowanego wspólnego poziomu oparcia den wszystkich wież na blokach fundamentowych.

Stwierdzono wychylenie osi wież od pionu i owalizację płaszczyzny.

We wszystkich wieżach stwierdzono też znaczne wybrzuszenie się blach dennych wież, płaszcze ścian bocznych wież uniesione w stosunku do rusztu podporowego i podparte klinami stalowymi (fot. 5). Dokonano pomiarów szczeliny między krawędzią dna wieży a rusztem stalowym, na którym oparto wieżę.

Wykonano niwelację wzajemnego położenia charakterystycznych punktów posadowienia poszczególnych wież. Odnotowano odchylenia od wspólnej płaszczyzny „zerowej” zbliżone w parach wież suszących i absorpcyjnych.

Fot. 5. Wybrzuszenie dna wieży i kliny podpierające pobocznicę

Ocena stanu technicznego wież

Ocenę stanu technicznego wież suszących i absorpcyjnych wykonano na podstawie wyników wizji lokalnej i przeprowadzonych kontrolnie obliczeń statyczno-wytrzymałościowych.

W ramach analizy statycznej wykonano zestawienie obciążeń stałych i zmiennych działających na konstrukcję wież, analizę wytrzymałościową wież w obecnym stanie zużycia korozyjnego poddanych obciążeniom stałym i zmiennym, a także analizę wpływu odkształceń płaszcza wież na nośność konstrukcji.

W archiwum właściciela nie odnaleziono obliczeń statycznych wież, toteż dokonano zebrania obciążeń dla stanu istniejącego, zgodnie z PN-EN 1991 (Eurokod 1) [2]. Przyjęto dane odnośnie do ciśnienia i rodzajów oraz ciężarów materiałów wypełniających według danych w DTR i udostępnionej dokumentacji powykonawczej wież [9]. Obciążenia stałe i zmienne zestawiono dla obecnego wyposażenia wież. W obliczeniach zastosowano zredukowane grubości blach poszczególnych segmentów płaszczy, zgodnie z uśrednionymi wynikami pomiarów na obiekcie. Do płaszczy w schemacie obciążeń stałych przyłożono powierzchniowe obciążenie zastępcze rozłożone na części obwodu poszczególnych segmentów płaszczy, uwzględniające ponadnormatywne odkształcenia płaszczy wież (owalizację) w stosunku do teoretycznej powierzchni walcowej. Wielkość obciążenia dobrano metodą kolejnych przybliżeń aż do otrzymania odkształceń w kombinacji składającej się z obciążeń stałych i zmiennych – obciążenie ciśnieniem, o wartości odkształceń płaszcza zbliżonej do wyników pomiarów z natury.

Obciążeniami zmiennymi było obciążenie ciśnieniem technologicznym oraz obciążenie wiatrem.

Sprawdzono nośność na wyboczenie blach płaszcza wież w dwóch charakterystycznych miejscach dla zredukowanych grubości blach [3].

Fot. 6. Wpływ wieloletniego działania kwasu na beton podpór zbiorników

Wyniki kontrolnych obliczeń statycznych wież

Konstrukcję wież sprawdzono obliczeniowo dla rzeczywistej grubości blach, uwzględniając ubytki korozyjne i odkształcenia płaszcza.

W trakcie badań stwierdzono znaczne wybrzuszenie płyt dennych wież w stosunku do płaszczyzny teoretycznej dna (fot. 5).

W ramach analizy uwzględniono odkształcenie płyt dennych i wprowadzone przez to oddziaływania na strefę przydenną płaszczy. Należy zwrócić uwagę na znaczne spiętrzenie naprężeń spowodowane sztywnym węzłem połączenia krawędzi płaszczy z odkształconymi dnami i pokrywami. W tych miejscach występują lokalne przekroczenia nośności materiału płaszczy wież dochodzące do 373%. Obliczenia pokazały, że konstrukcje powłokowe wież (pomijając miejscowe spiętrzenie naprężeń stref dennych) w projektowanym modelu sztywności węzłów w obecnym stopniu zużycia korozyjnego charakteryzują się wytężeniem do 45%, spełniając warunki stanu granicznego nośności.

Walcowe płaszcze wież mocowane były do płaskich blach dennych obustronnymi spoinami pachwinowymi. Na skutek odkształcenia plastycznego den wież nastąpiło przekroczenie dopuszczalnego odkształcenia złączy, zniszczenie wewnętrznych spoin pachwinowych i penetracja kwasu do wnętrz złączy. Obecnie złącza nie spełniają swojej funkcji, powierzchnia zewnętrzna złączy, szczególnie w wieżach absorpcyjnych, uległa daleko posuniętej korozji, co pokazuje fot. 4.

W obliczeniach kontrolnych uwzględniono przewidywane uszkodzenie spoin pachwinowych łączących płaszcze wież z płytami dennymi. Zrealizowano to, zmniejszając sztywność złącza, tj. wprowadzając w modelu obliczeniowym podparcie przegubowe płaszczy wież.

W otrzymanych rezultatach stwierdzono spełnienie warunków stanu granicznego nośności spoin zewnętrznych łączących płaszcz z dnem w schemacie maksymalnego obciążenia konstrukcji.

Wytężenie blach płaszczy wynosi 45%, a spoin (tylko zewnętrznych) 21%. Jest to jednak wartość otrzymana przy czysto hipotetycznym założeniu, że zewnętrzna część złącza nie uległa uszkodzeniu i jest zdolna do dalszego przenoszenia obciążeń, a otrzymany wynik nie uwzględnia zmniejszenia efektywnego wymiaru spoin spowodowanego postępującą destrukcją kwasową wnętrz złączy poprzez nieszczelność zniszczonych spoin.

Rys. 2 Mapa naprężeń SXX z programu ROBOT dla pobocznicy utwierdzonej w dnie

Posadowienia i płyty denne. Katastrofa postępująca

Prawdopodobną przyczyną odkształcenia się den wież jest destrukcja żelbetowych bloków fundamentowych, spowodowana wieloletnią penetracją kwasu z wycieków powstałych przez nieszczelności płaszczy, rurociągów i złączy instalacji.

Przyczyną osiadania rusztów podporowych może być destrukcja kwasowa bloków podporowych (fundamentowych) pod samymi belkami rusztu bądź w miejscach połączenia ich z płytą denną oraz produkty korozji den wież nawarstwiające się pod okładziną ceglaną. Ze względu na znacznie utrudniony dostęp niemożliwe było jednoznaczne wskazanie miejsca powstania osiadań, a zatem ostateczne podanie sposobu i zakresu koniecznej naprawy.

Wnętrza wież wypełnione nasączonymi kwasem (czyli o znacznie większej masie niż w stanie suchym) pierścieniami Raschiga, których ciężar przenoszony jest przez ruszty wewnątrz wież. Belki rusztów oparte były na murowanych słupach i murowanej okładzinie ścianek wież. Elementy te (belki rusztu, słupy i gzymsy podpierające) wykonane z materiału kruchego, w dodatku poddane wieloletniemu działaniu kwasu siarkowego, przy zmianie geometrii podpór mogą popękać, powodując zawalenie się zabudowy wnętrza wież. Dodatkowo narożne słupy przez wybrzuszenie dna wież mają bardzo niekorzystny sposób podparcia – w jednym narożniku. Powoduje to powstanie w słupach dodatkowych momentów zginających, na które słupy nie były projektowane.

Rys. 3. Mapa naprężeń SYY z programu ROBOT dla pobocznicy utwierdzonej w dnie

Załamanie choćby jednej belki rusztu podpierającego wypełnienie z pierścieni Raschiga spowoduje wsypanie się wypełnienia do przestrzeni między słupami, powodując przez boczne obciążenie słupów katastrofę postępującą i destrukcję całej struktury podpierającej wypełnienie.

Dynamiczne oddziaływanie zawalenia się wypełnienia wieży na pobocznicę i połączenie jej z dnem może spowodować rozerwanie już uszkodzonego połączenia i niekontrolowany wypływ kwasu oraz naruszyć szczelność połączeń rurociągów z wieżami (tabl.).

Tabl. Katastrofa postępująca

Ocena dotychczasowych napraw

Wieże suszące i absorpcyjne były sukcesywnie w ciągu swojej eksploatacji naprawiane. Pojawiające się przecieki spowodowane kwasową perforacją blach były na bieżąco zakrywane naspawanymi łatami z blach stalowych.

Zastosowaną technologię można ocenić jako prowizoryczną, ale jedyną możliwą do użycia w warunkach ciągłej produkcji. Takie rozwiązanie może zostać zastosowane wyjątkowo, w przypadkach jednostkowych, a nie przy tak silnym zużyciu konstrukcji, czego wyrazem jest częstotliwość występowania perforacji blach.

Przeprowadzane naprawy płaszczy wież, polegające na wymianie całych odcinków blach powłok walcowych płaszczy wież przy jednostronnym dostępie do konstrukcji, spowodowały odspojenie wykładzin wewnętrznych od płaszczy, a zatem możliwość bezpośredniego dostępu stężonego kwasu siarkowego do wewnętrznych powierzchni płaszczy wież. W występujących wahaniach stężenia kwasu w wieżach, w momentach obniżonego stężenia, następowały wzmożone procesy korozyjne, które przez niejednorodną strukturę stali postępowały nierównomiernie. Szczególnie narażone na destrukcję są miejsca o naruszonej strukturze materiału, np. spoiny. Stan ten pogarsza się z czasem.

Rys. 4. Mapa naprężeń SXY z programu ROBOT dla pobocznicy utwierdzonej w dnie

Bezpieczeństwo konstrukcji i pracowników

Zgodnie z przeprowadzoną analizą obliczeniową i wnioskami z badań geometrii konstrukcji można stwierdzić, że stan wież suszących i absorpcyjnych zagraża katastrofą postępującą spowodowaną zawaleniem się wewnętrznych konstrukcji podpierających wypełnienie z pierścieni Raschiga. Katastrofa ta może nastąpić w każdej chwili, a moment jej wystąpienia jest niemożliwy do przewidzenia.

Schemat powstania katastrofy postępującej przedstawiono na rysunkach zamieszczonych w tablicy.

Obecnie powtarzające się perforacje płaszczy wież powodują wycieki stężonego kwasu siarkowego. Jest to zjawisko zwiększające w znacznym stopniu zagrożenia występujące przy normalnej eksploatacji tego typu obiektów. Wystąpienie awarii konstrukcji wypełniającej wieże może spowodować – przez działanie dynamiczne zmieniające geometrię płaszczy wież – rozszczelnienie się połączeń spawanych dna z pobocznicą wież, połączeń kołnierzowych istniejących rurociągów z wieżami oraz uszkodzenie samych rurociągów, powodując dodatkowe zagrożenia gwałtownego wycieku kwasów i gazów do środowiska. Utrudni również w znacznym stopniu wykonywanie jakichkolwiek prac związanych z zabezpieczaniem miejsca i usuwaniem skutków awarii.

Konstrukcja wież, ich wypełnienia oraz zastosowana technologia produkcji kwasu przez brak wpływu ewentualnych pęknięć zabudowy wewnętrznej na jakość wyrobu gotowego eliminuje pojawienie się w okresie bezpośrednio poprzedzającym wystąpienie katastrofy postępującej sygnałów ostrzegających o zbliżającej się awarii.

Rys. 5. Mapa naprężeń NXY z programu ROBOT dla pobocznicy utwierdzonej w dnie

Podsumowanie

Z przeprowadzonej analizy stanu konstrukcji wież wynika, że:

• Stan powłoki bocznej wież można określić jako dostateczny. Miejsca lokalnych przecieków spowodowanych perforacją płaszczy wież można doraźnie naprawiać łatami z blach stalowych. Jest to rozwiązanie tymczasowe, do momentu wymiany wież.
• Wytężenie blach płaszczy wież wynosi ok. 45%. Stwierdzono przekroczenie stanu granicznego nośności blach płaszczy wież w rejonie spoin łączących płaszcze z dnami (wytężenie 373%).
• Obecnie po zniszczeniu spoin wewnętrznych i spowodowaną tym zmianą sztywności złącza oraz po podklinowaniu krawędzi płaszcza wytężenie spoin wynosi 21%, powiększane w stopniu znacznym przez postępującą destrukcję kwasową spoiny zewnętrznej złącza, do której swobodnie penetruje kwas. Złącze nie nadaje się do dalszej eksploatacji.
• Dno wież przez odkształcenie plastyczne, większe niż dopuszczalne, nie kwalifikuje się do dalszej eksploatacji.
• Osiadanie rusztu podporowego opartego na fundamentach wież przekracza wartości dopuszczalne. Destrukcja części fundamentów wymaga natychmiastowych działań naprawczych i wzmacniających.
• Zakres koniecznych prac wzmacniających fundamenty możliwy będzie do określenia po demontażu wież.
• Odkształcenie den wież spowodowało uszkodzenie spoin łączących dna z płaszczami wież. Stan ten zagraża utratą szczelności połaczenia i niekontrolowanym wypływem kwasu.
• Zabudowa wewnętrzna wież przez zmianę geometrii podparcia słupów i belek rusztów grozi w każdej chwili wystąpieniem katastrofy postępującej wnętrz wież, co poprzez wygenerowaną zmianę geometrii pobocznicy może pociągnąć za sobą uszkodzenie instalacji rurowych zasilających urządzenia i odbierających wyprodukowane kwasy oraz rozszczelnienie połączenia den wież z płaszczami.
• Wszystkie awarie powodujące rozszczelnienie instalacji stanowią poważne zagrożenie zdrowia i życia pracowników przebywających w pobliżu instalacji i znaczne obciążenie dla środowiska.
• Nie jest możliwe podanie okresu bezpiecznej eksploatacji wież suszących i absorpcyjnych. Awaria podparcia wypełnienia powodująca katastrofę postępującą może wystąpić w każdej chwili.

mgr inż. Olgierd Donajko

TUV Rheinland Polska

Zdjęcia autora

UWAGA: Artykuł oparty na referacie z konferencji naukowej „Awarie budowlane 2017”.

Literatura

1. PN-EN 1990 Podstawy projektowania konstrukcji.
2. PN-EN 1991 Oddziaływania na konstrukcje, różne części.
3. PN-EN 1993 Projektowanie konstrukcji stalowych, różne części.
4. PN-EN 1090-1+A1:2012P Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych – Część 1: Zasady oceny zgodności elementów konstrukcyjnych.
5. PN-EN 1090-2+A1:2012P Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych – Część 2: Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych.
6. J. Ziółko, Zbiorniki metalowe na ciecze i gazy, Arkady, Warszawa 1970.
7. E. Masłowski, D. Spiżewska, Wzmacnianie konstrukcji budowlanych, Arkady, Warszawa 2000.
8. K. Rykaluk, Zagadnienia stateczności konstrukcji metalowych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2012.
9. Archiwalna dokumentacja projektowa 1977/1978 opracowana przez Centrum Projektowe Miedzi „Cuprum – Projekt” Sp. z o.o. i Przedsiębiorstwo Projektowania i Dostaw Kompletnych Obiektów Przemysłowych „Chemadex”, Oddział Kraków, 1977/1978.