Kominy odprowadzające spaliny do atmosfery zostały w zdecydowanej większości wykonane 25–50 lat temu, kiedy były znacznie mniej narażone na obciążenia chemiczne.
W związku z coraz wyższymi standardami ochrony środowiska i dążeniem do oszczędności energetycznych wprowadza się do układów odprowadzania spalin wysokosprawne urządzenia odpylające, ekonomizery, instalacje odsiarczania spalin (IOS) itp. Paliwa konwencjonalne w postaci węgla kamiennego czy brunatnego zastępuje się lub wzbogaca biopaliwami: trocinami, zrębkami drewna, korą, trzciną, wierzbą energetyczną etc., a kotły energetyczne modernizuje i podnosi wydajność.
Wszystkie te zabiegi mają jednak bardzo istotny wpływ na zmianę parametrów odprowadzanych gazów spalinowych – spada znacząco ich temperatura i wzrasta wilgotność. Pomimo ograniczenia emisji szkodliwych (i często agresywnych) związków środowisko, na które narażone są układy odprowadzania spalin, coraz częściej staje się bardzo wymagające. Nawet dość małe z punktu widzenia standardów emisyjnych ilości chlorków, siarczków czy fluorków w połączeniu ze wzrostem wilgotności spalin i spadkiem ich temperatury powodują zbliżenie się lub wręcz przekroczenie kwaśnego punktu rosy i wykraplanie się bardzo agresywnych substancji. Praktycznie często można traktować wewnętrzne powierzchnie układów odprowadzania spalin jako pracujące w ciągłym zanurzeniu, poddane stałemu narażeniu na duże obciążenia chemiczne.
Rys. 1. Termogram fragmentu trzonu komina o wyraźnie zróżnicowanej temperaturze w profilu pionowym [11]
Rys. 2. Termogram fragmentu trzonu komina
Kominy odprowadzające spaliny do atmosfery zostały w zdecydowanej większości wykonane 25–50 lat temu, kiedy takie zjawiska nie występowały. Nie są więc projektowane na współczesne parametry spalin, a w minimalnym stopniu przystosowane do zmienionych warunków eksploatacji.
Każdorazowa modernizacja kotłów czy układu oczyszczania spalin powinna zostać poprzedzona szczegółową analizą zarówno zmodyfikowanych parametrów spalin, jak i obecnego stanu oraz odporności korozyjnej wszystkich elementów układu odprowadzania spalin, nie mówiąc już o szacowaniu trwałości.
Współczesne kominy wymagają coraz bardziej zaawansowanej i precyzyjnej diagnostyki stanu konstrukcji oraz prognozowania ich trwałości.
Rys. 3. Fragment płaszcza komina nagrzany przez gorący zbiornik
Ocena stanu technicznego kominów przemysłowych
Ocena stanu technicznego kominów przemysłowych wymaga przeprowadzenia: obserwacji wizualnych, badań próbek materiałów konstrukcyjnych oraz zachowania się całej konstrukcji komina [1, 2, 8, 9]. W celu lokalizacji i dokumentacji uszkodzeń wykorzystuje się fotografię, badania fotogrametryczne i termowizyjne. Wyniki przeglądu, badań i pomiarów powinny zostać przedstawione szczegółowo w formie ekspertyzy, oceny stanu technicznego czy opinii budowlanej oraz odnotowane w specjalnej książce obiektu zwanej metryką komina [5, 6].
Badanie stanu izolacji komina
Właściwa izolacyjność termiczna przegrody budowlanej, jaką jest ściana komina wraz z przewodem spalinowym, ma często decydujące znaczenie w przypadku podejmowania decyzji o zakresie modernizacji, przystosowania czy wręcz przebudowy obiektu pod kątem dostosowania do zmienionych warunków eksploatacji. Dążenie do wyższego efektu ekonomicznego wymusza często ciągłą pracę kotłów energetycznych, co utrudnia lub wręcz uniemożliwia dostęp, okresową rewizję wewnętrzną drąży kominowych i ocenę stanu technicznego kanałów spalin.
W sukurs inżynierom i ekspertom idą nowoczesne, nieniszczące techniki diagnostyczne, pozwalające na ocenę stanu izolacji termicznej w czasie eksploatacji, a jedną z ważniejszych jest termografia. Umożliwia ona analizę układu pól termicznych na zewnętrznej powierzchni trzonu komina.
Rys. 4. Ślad dobowej wędrówki wierzchołka stalowego komina o wysokości 75 m
Rys. 5. Rzut osi komina żelbetowego w różnych porach na płaszczyznę poziomą
Na termogramie przedstawionym na rys. 1 w płaszczyźnie pionowej widoczne są cykliczne zmiany temperatury (ok. 7°C) odpowiadające rytmowi poszczególnych bębnów wykładziny ceramicznej opartych na wewnętrznych wspornikach podwykładzinowych (co 10–15 m). Widoczne różnice w temperaturze płaszcza betonowego świadczą o osunięciu się bądź całkowitej degradacji izolacji w przestrzeniach w pewnej odległości od podparcia na tych wspornikach [11].
Nieznaczne różnice w temperaturze powierzchni zewnętrznej trzonu (2,5°C) widoczne na termogramie (rys. 2) są związane z jednakowym stanem izolacji termicznej na rozpatrywanym odcinku pionowym. Wykonanie punktowych odwiertów z bezpośrednią oceną stanu izolacji pozwala uogólnić wyniki z lokalnych badań in situ na całą powierzchnię bez konieczności wykonywania drogich i czasochłonnych odwiertów co kilka metrów w pionie, szczególnie iż są to badania niszczące.
Termogram na rys. 3 ilustruje wpływ otoczenia na wartość temperatury na zewnętrznej powierzchni komina. W pobliżu komina znajduje się gorący zbiornik, który poprzez promieniowanie cieplne powoduje lokalne nagrzanie ściany komina. Przeprowadzając badania oraz rozpatrując ich wyniki, należy zwracać szczególną uwagę na tego typu korelacje. Ponieważ wpływ otoczenia w tym przypadku jest bardzo duży, obrazy termograficzne tego rejonu powinny zostać wyłączone z interpretacji, wynik badań zaś musi być opatrzony stosownym komentarzem.
Rys. 6. Rozkład temperatury na zewnętrznej powierzchni komina żelbetowego o godz. 14.20
Wyznaczenie kształtu osi trzonu komina
Oś trzonu komina powinna być pionową linią prostą. W praktyce rzeczywista oś komina odbiega od pionowej linii prostej i może ulegać przemieszczeniom i odkształceniom w czasie eksploatacji.
Wielkości przemieszczeń pionowych konstrukcji wyznaczane są metodami geodezyjnymi na podstawie okresowych obserwacji reperów zastabilizowanych na fundamencie. Sprawdzenie osiadania fundamentów ma na celu wykrycie jego nierównomiernego osiadania, będącego przyczyną przechylania się trzonu komina.
Trzon komina może ulegać odkształceniom również z powodu innych przyczyn niezależnie od nierównomiernego osiadania fundamentów. Badanie kształtu osi komina jest możliwe poprzez obserwacje geodezyjne lub fotogrametryczne trzonu na różnych wysokościach z trzech stanowisk.
Odchylenia osi trzonu komina od linii pionu powinny być wyznaczone z dużą dokładnością. Średni błąd kwadratowy wyznaczenia wychylenia wierzchołka komina, będący miarą dokładności pomiarów, powinien być kilkukrotnie mniejszy od takiej wartości wychylenia, którą można by uznać za istotną.
Dopuszczalne odchyłki montażu zależą od rodzaju konstrukcji komina i wynoszą dla kominów:
stalowych – 0,0005 H [7],
ceramicznych – 0,0013÷0,0020 H [12],
żelbetowych – 0,00018÷0,0022 H
[3, 12].
Rys. 7. Rozkład temperatury na zewnętrznej powierzchni komina żelbetowego o godz. 16.50
Przykładowo dopuszczalne wychylenie wierzchołka komina w warunkach odbioru powykonawczego dla komina H = 120 m (takich kominów jest w Polsce najwięcej) wynosi 62 mm [12]. Praktycznie osiągalny średni błąd kwadratowy to ok. 20 mm przy dobrych warunkach obserwacji, co stanowi 30% wychylenia dopuszczalnego. W przypadku pomiaru w warunkach eksploatacyjnych dla komina o tej samej wysokości, przy przeciętnym wychyleniu wierzchołka ok. 150–250 mm, zadowalający byłby średni błąd kwadratowy rzędu 30 mm (czyli 1/4000 wysokości komina).
Można by zatem rozróżnić dokładność pomiaru w warunkach odbioru powykonawczego (praktycznie osiągalna to 30% wychylenia dopuszczalnego, czyli ok. 1/6500 H) oraz w warunkach eksploatacyjnych (wystarczająca wartość to ok. 1/4000 H).
Pomiar wychylenia osi komina w ramach ekspertyzy powinien być zatem wykonywany z dokładnością umożliwiającą wiarygodne stwierdzenie, czy zmiana wychylenia komina jest istotna. Za istotną wartość zmiany wychylenia można przyjąć 10–20% wartości wychylenia otrzymanego z poprzednich pomiarów, oczywiście pod warunkiem wykonania ich w porównywalnych warunkach.
Na dokładność wyznaczenia kształtu osi komina wpływa nie tylko dokładność pomiarów geodezyjnych, ale również nierówność powierzchni komina, niekołowość przekroju poziomego, a przede wszystkim zachowanie się trzonu komina w czasie pomiarów.
Jeśli trzon komina walcowego jest nagrzany jednostronnie od nasłonecznienia, to nastąpi jego ugięcie, którego strzałka określona jest wzorem [13]:
(1)
gdzie: α – współczynnik rozszerzalności cieplnej,
?t – różnica temperatury maksymalnej i minimalnej na obwodzie komina,
d – średnica,
h – wysokość.
W przypadku ogólnym, kiedy zmienna jest średnica trzonu i różnica temperatury wraz z wysokością, dokonuje się podziału trzonu na odcinki o wysokości hi i średniej średnicy di. Wielkość strzałki ugięcia w wybranym punkcie trzonu określa wzór:
(2)
Przykładowy wykres dobowej wędrówki wierzchołka stalowego komina przedstawiony jest na rys. 4. Rzeczywiste wychylenie trzonu komina w punkcie wierzchołkowym wyznaczono z pomiarów fotogrametrycznych przeprowadzonych siedmiokrotnie w czasie letniego słonecznego dnia. Wychylenie to określono również na podstawie obliczeń. Wartość wychylenia obliczono ze wzoru (2), a jego kierunek przyjęto zgodnie z kierunkiem największej różnicy temperatury na zewnętrznej powierzchni płaszcza. Rozkład temperatury uzyskano z obrazowania termograficznego [10].
Niezgodność obliczonego teoretycznie śladu dobowej wędrówki wierzchołka komina ze śladem otrzymanym z pomiarów fotogrametrycznych wynika z uproszczonego modelu obliczeń oraz być może z niedokładności wyznaczenia różnicy temperatury pomiędzy nasłonecznioną i zacienioną stroną komina. Podobną niezgodność stwierdzili również inni autorzy [4].
Rys. 8. Rozkład temperatury na zewnętrznej powierzchni komina żelbetowego o godz. 22.00
Pomiary kształtu osi komina (rys. 5) i równoczesną rejestrację termograficzną przeprowadzono również dla komina żelbetowego o wysokości 80 m w różnych warunkach nasłonecznienia. Pomiary wykonywano jedynie przez część doby. Na rys. 6, 7 i 8 przedstawiono otrzymany z pomiaru termograficznego rozkład temperatury na powierzchni komina w trzech momentach czasu. Pomiędzy godziną 14.20 (rys. 6) a 16.50 (rys. 7) położenie maksymalnych i minimalnych temperatur przesunęło się zgodnie ze zmianą kierunku, z którego świeciło słońce. Średnia wartość różnicy temperatury maksymalnej i minimalnej na powierzchni komina w obu przypadkach wynosiła ok. 7°C. Około godziny 18.00 słońce skryło się za chmurami i do zachodu (ok. 21.10) już nie świeciło. Pomiar termograficzny wykonany o godzinie 22.00 (rys. 8) pokazał, że nagrzanie powierzchni komina z powodu nasłonecznienia znacznie się zmniejszyło, ale wartości temperatury nie były jeszcze całkowicie wyrównane. Średnia wartość różnicy temperatury maksymalnej i minimalnej powierzchni komina wynosiła ok. 2°C.
Wychylenie komina pomierzone w godzinach 20.00–21.00 zmieniło się o ok. 100 mm w kierunku południowym w stosunku do pomiaru wykonanego w godzinach 16.30–18.30 (rys. 5), a jak można sądzić po wynikach pomiaru termograficznego, komin nie osiągnął jeszcze stanu spoczynku. Na rys. 5 przedstawiono również wychylenie tego samego komina wyznaczone pięć lat wcześniej w godzinach dopołudniowych, przy słonecznej pogodzie. Z którym wynikiem pomiaru w 2011 r. należałoby go porównywać?
Typowy czas pomiaru komina z trzech stanowisk wynosi ok. 2,5–3 godzin. Jeżeli pomiar osnowy geodezyjnej wykonany zostanie odrębnie (jako pomiar wstępny), to czas obserwacji trzonu komina z trzech stanowisk może ulec skróceniu do ok. 1,5 godziny. Skrócenie czasu obserwacji trzonu komina jest ważne z uwagi na to, że trzon komina jest układem dynamicznym, zmieniającym wartość i kierunek wychylenia pod wpływem czynników zewnętrznych, z których najważniejsze to nasłonecznienie i wiatr.
W przypadku powtarzanych okresowo badań komina interpretacji podlegają zmiany kształtu jego osi zachodzące w czasie pomiędzy kolejnymi pomiarami. Poszukiwane są też przyczyny tych zmian. Dlatego ważne jest, aby wyznaczanie kształtu osi komina przeprowadzane było w jego stanie spoczynkowym.
W czasie pomiarów geodezyjnych należy odnotować warunki zewnętrzne, takie jak: temperatura, parcie wiatru i nasłonecznienie, a także godzina pomiaru. Jedyną metodą umożliwiającą oszacowanie stopnia nagrzania powierzchni komina z powodu nasłonecznienia jest pomiar termograficzny.
dr hab. inż. Alina Wróbel
dr inż. Andrzej Wróbel
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
mgr. inż. Mariusz Kędzierski
PBP EMKA Sp. z o.o.
Praca niniejsza została wykonana w ramach badań statutowych nr AGH 11.11.150.949; 11.11.150.005.
Literatura
1. R. Ciesielski, O diagnostyce technicznej kominów przemysłowych, materiały z seminarium na temat remontów kominów żelbetowych, Kraków 1993.
2. Instrukcja ITB nr 323/1993 Ocena stanu technicznego i wzmacnianie kominów żelbetowych i murowanych.
3. Instrukcja ITB nr 459/2010 Wolno stojące kominy żelbetowe. Obliczanie i projektowanie według norm PN-EN.
4. R. Kocierz, E. Puniach, O. Sukta, Wpływ dobowych zmian temperatury na wyniki geodezyjnych pomiarów wychyleń trzonu komina przemysłowego, „Interdyscyplinarne zagadnienia w górnictwie i geologii”, tom II, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011.
5. Norma PN-93/B-03201 Konstrukcje stalowe. Kominy. Obliczenia i projektowanie.
6. Norma PN-88/B-03004 Kominy murowane i żelbetowe. Obliczenia statyczne i projektowanie.
7. Norma PN-B-06200:1997 Konstrukcje stalowe budowlane. Warunki wykonania i odbioru. Wymagania podstawowe.
8. Norma PN-EN 13084-1 Kominy wolno stojące – Część 1: Wymagania ogólne.
9. Norma PN-EN 13084-4. Kominy wolno stojące – Część 4: Wykładziny murowe – Projektowanie i wykonanie.
10. Al. Wróbel, Wykorzystanie termowizji w pomiarach inżynierskich obiektów przemysłowych, rozprawa doktorska, AGH, Kraków 1987.
11. Al. Wróbel, M. Kędzierski, Przydatność badań termowizyjnych w diagnostyce żelbetowych kominów energetycznych, „Elektroinfo” nr 9/2008.
12. Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlano-montażowych, tom IV Obmurza pieców przemysłowych i kotłów oraz kominy i chłodnie energetyczne, Arkady 1988.
13. M. Żak, Obsługa geodezyjna przemysłowego budownictwa wieżowego, Geodezja inżynieryjna, tom II (praca zbiorowa), PPWK, Warszawa 1994.
