Kompozit anyagú önhordó ipari kémény +

Mûszaki fejlesztés

Kompozit anyagú önhordó ipari kémény+ KECSKEMÉTHY GÉZA* DIVIKI NAGY ATTILA* HARASZTI MIHÁLY** KIRÁLY LÁSZLÓ*** SCHMID LÁSZLÓ**** 1. Feladat megfogalmazás A KOMPOZITOR KFT. a 90-es években kifejlesztett és FuranFlex® márkanéven piacra dobott fenol-furángyanta prepregbõl készült kéménybélelõ csöveket. Az eljárás lényege, hogy a javítandó kéménybe lapos tömlõ formájában behúzzák a FuranFlex® béléscsövet (1. ábra), majd kisnyomású gõzzel felfújják és kikeményítik (2. ábra).

1. ábra. Furanflex tömlõ bevezetése

A kb. 2 mm falvastagságú FuranFlex® tömlõ felveszi a kémény alakját, követi nyomvonalát, acél szilárdságú és ellenáll a 250°C hõmérsékletû füstgázok hõ- és korróziós hatásának is. A kémények bélelése akkor vált fontossá, amikor kiderült, hogy gáz és olajfûtésnél savas kondenzátum csapódik le a kémény belsõ falán, tönkreteszi a betont, a vakolatot, az alumínium, sõt sokszor még a rozsdamentes acél csöveket is. A keletkezett réseken szénmonoxid szivároghat be a lakóhelyiségekbe, évente sok halálesetet okozva. A meglévõ hosszú, nem teljesen egyenes kémények utólagos bélelése csak a falszerkezet bontásával oldható meg. A FuranFlex® az elsõ és a mai napig egyetlen eljárás, ahol nincs szükség falbontásra, toldás

nélkül kialakítható a tökéletesen tömör kémény béléscsõ. A FuranFlex® kémény béléscsöveket a KOMPOZITOR KFT. Európa több országába exportálja 80–800 mm átmérõkben. A leghosszabb beépített FuranFlex® csõ 65 m volt (Franciaország). Jelenleg kísérletek folynak nagyobb átmérõk (800–1200 mm) elérésére. Természetesen a FuranFlex® technológiának is vannak alkalmazási határai. Ilyen pl. a nagyobb füstgázhõmérséklet és a nagyobb méretek. A következõkben beszámolunk egy olyan esetrõl, amikor a FuranFlex® már nem volt használható, de helyette született egy új megoldás.

2. ábra. Furanflex kéménybélelés

Budapesttõl nem messze, Dorogon van az ONYX MAGYARORSZÁG KFT. veszélyes hulladék égetõ üzeme. A 100%-ban francia tulajdonú üzem hazánkban az egyetlen olyan égetõmû, ahol vegyi hulladékokat, pl. oldószereket, festékeket, mûanyagokat semmisítenek meg. Ebben az üzemen évente 30 000 tonna ilyen hulladékot égetnek el. Az elégetett hulladék 20%-át, mint nem veszélyes szervetlen anyagot, deponálják. Az égetésbõl keletkezõ hõenergia egy részével gõzturbinát üzemeltetnek és elektromos áramot állítanak elõ, melyet az országos hálózatba táplálnak. A már nem hasznosítható füstgáz és vízgõz az égetõmû kéményén keresztül jut a környezetbe. A 3. ábrákon látható az égetõmû kéménye, amelynek legmagasabb pontja a földfelszín felett 74 m. Az ONYX MAGYARORSZÁG KFT. felkérte a KOMPOZITOR KFT-t, hogy tegyen ajánlatot egy építendõ új ké-

+Az

Erõsített Mûanyaggyártók Szövetsége Nemzetközi Balaton Konferenciáján, 2006. május 24-én elhangzó elõadás szerkesztett változata. Kft. **Komplex Kft. ***Koopolimer Kht. ****Budaplast Rt. *Kompozitor

242

2006. 43. évfolyam, 6. szám

3. ábra. A dorogi égetõmû acélkéménye

mény FuranFlex® anyaggal történõ bélelésére. Az ajánlattétel elõtt összegyûjtöttük az 1989-ben üzembe helyezett kémény legfontosabb mûszaki adatait: Belsõ átmérõ: 1100 mm Külsõ átmérõ: 1300 mm Függõleges szakasz hossza: 42 m + 5 m cseppfogó Acélkémény tömege: 16 tonna Füstgáz hõmérséklet: 90°C A függõleges részt 4 m hosszú, külsõperemes csõszakaszokból csavarozással erõsítették össze. Az acélkémény falszerkezetének konstrukcióját mutatja a 4. ábra. A gumival bélelt acélkémény üzembe helyezését követõ tizedik évben már megjelentek ez elsõ korróziós jelek. Egyes pontokon, a hõszigetelésen keresztül, gõz áramlott ki a környezetbe. Ezeket a hibahelyeket hegesztéssel kellett javítani. A hegesztés azonban a belsõ gumibevonatot is károsította. Évrõl évre egyre több helyen jelentkeztek a hibák, és 2004 végére már attól lehetett tartani, hogy az acélkémény a korrózió miatt saját szilárdságát is elveszti, ami súlyos következményekkel járhat (5. ábra). Az ONYX vezetõsége javaslatot kért a KOMPOZITOR KFT-tõl egy új acélkémény felépítésére és annak Furanfex technológiával történõ kibélelésére. Ez az elgondolás abból származik, hogy a gumi bélelés hibája az,

2006. 43. évfolyam, 6. szám

hogy egyes pontokon észrevehetetlen lyukak keletkeznek pl. a vulkanizálás folyamán, ott áthatolhat a savas kondenzátum és a túloldalon korrodálja az acél4. ábra. Acélkémény falszerkezete lemezt. A FuranFlex® teljes hosszában tökéletesen tömör. Két ok azonban kétségessé tette a FuranFlex® bélelés alkalmasságát. Az elsõ a méretek. Az új kéménynél 1250 mm belsõ átmérõt kívánt az ONYX. Ekkora méretû bélelés

5. ábra. Gõzkiáramlás

243

FuranFlex® technológiával még nem készült, a legnagyobb méret 700 mm volt. A másik, ennél súlyosabb ok a hõtágulási tulajdonságok különbsége: míg az acél hõtágulása 100°C-al emelve a hõmérsékletét 1 mm/m, addig az üvegszálas mûgyantáké 2,5 mm/m. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy ha pl. egy 40 m hosszú bélelt acél kéménycsõ hõmérséklete 100°C-kal emelkedik, a FuranFlex® bélelés a kéménycsõ végén 6 cm hosszan kicsúszik. Így rés keletkezik az acélcsõ és a béléstest között, oda behatol a savas, nedves gõz és kívülrõl nem látható módon, a belsõ oldalon kezdi tönkretenni az acélkéményt. Az ONYX vezetõi mindenképpen olyan megoldást kerestek, amely egyrészt a gumírozott acélnál lényegesen hosszabb, 30 év korrózióállóságot biztosít, másrészt, hogy korróziós meghibásodás esetén a kéménycsõ könynyen javítható legyen. E feltételek csak 100%-ban kompozit konstrukciókkal teljesíthetõk. Egy ilyen kémény kifejlesztését, gyártását és felépítését vállalta el a KOMPOZITOR KFT. Elsõ lépésként külföldi példákat kellett keresni. Anynyi információt lehetett csak kapni, hogy veszélyes hulladék égetõk kéményei általában gumilemezzel burkolt acélból vannak. Kompozit kémény anyagára, konstrukciójára nem voltak hozzáférhetõ adatok. Ezt követõen azt vizsgáltuk meg, hogy milyen gyantarendszert alkalmazzunk, ami megfelel a kéményszerkezetet érõ alábbi hatásoknak: Füstgázhõmérséklet: 5–80°C Füstgázmennyiség (normál 20°C-on): 50 000 m3/h Füstgázsebesség: 16 m/s Megengedhetõ falhõmérséklet: 120°C Minimális hõmérséklet: –25°C Tûzállóság: önkioltó Korrózióállóság: pH 5 kondenzátum Abrazív hatások: a kéménycsõ belsõ falán óránként 4 tonna lefolyó, kismennyiségû szemcséket tartalmazó kondenzátum UV hatás: napfény A gyantarendszerrel szemben támasztott egyéb követelmények: – a gyanta legyen egyrészt nagy szilárdságú, kis szakadó nyúlású, másrészt legyen rugalmas, nagy nyúlású, – a korróziós hatásoknak kitett felület legyen felújítható, – 30 év élettartam garancia. A megfelelõ gyantákat laboratóriumi kísérletek eredményei alapján választottuk ki. Sok szempontot kellett figyelembe venni, többek között az alábbiakat: Önkioltó tulajdonságú, gyárilag elõállított vinilészter, izoftálsavas vagy ortoftálsavas poliészter gyanták hõ-

244

és korrózióállósági tulajdonságai a követelményeknek nem feleltek meg. Ezért saját receptura szerinti adalékokkal módosított gyantákat alkalmaztunk. Szilárdsági szempontból a kisnyúlású, kopásállóság szempontjából a nagy6. ábra. Falszerkezet metszete nyúlású gyanták alkalmasak. A feladatot kétrétegû falszerkezettel lehetett megoldani (6. ábra). Külön hõszigetelés nincs a mûanyagcsövön. Az acél kéménycsõ falvastagsága hõszigeteléssel együtt 103 mm. A 10%-kal nagyobb átmérõjû mûanyag kéménycsõ falvastagsága 25 mm. A kompozit kéménycsõ gyártásánál felhasznált erõsítõ anyagok: roving, erre a célra gyártatott üvegszövet, üvegfátyol, illetve bizonyos helyeken kevlár szövet. 2. A mûanyag kéménycsõ konstrukciója A 7. ábrán a mûanyag kéménycsõ méretei és vonalvezetése látható. A mûanyag kéménycsõt három, elõre gyártott egységbõl erõsítettük össze: – bevezetõ alsó ív (BI), – függõleges kéménycsõ szakasz (FK), – cseppfogó (CS). A mûanyagkémény fõbb adatai az alábbiak: – 1250 mm-es belsõ átmérõ, – 25 mm-es falvastagság, – 40,7 m függõleges kéménycsõ szakasz hossz, – 9,3 tonna függõleges csõszakasz tömege, 7. ábra. A mûanyag kémény– 0,7 tonna alsó, becsõ méretei vezetõ ív tömeg,

8. ábra. Csõelemek

2006. 43. évfolyam, 6. szám

9. ábra. Csõelemek peremmel és támasztó gyûrûvel

10. ábra. Kompozit kéménycsõ pereme

– 2500 mm cseppfogó átmérõ, – 1,7 tonna cseppfogó tömeg. A 40,7 m hosszú függõleges csõszakasz 7 darab, kb. 1,3 tonna súlyú, tekercselési technikával elõállított csõelembõl készült (8. ábra). Az alsó (A) és a felsõ (F) csõelem végén saját anyagából kiképzett perem (P) helyezkedik el. Az alsó csõelemen szintén saját anyagából készült támasztó gyûrû (T) van. Ez a gyûrû adja át a mûanyagkémény teljes terhelését a kéménycsövet körülvevõ vasszerkezetnek. Az alsó csõelemen van továbbá a csavarokkal rögzített ellenõrzõ ablak is. A kb. 5,8 m hosszú csõelemek összeerõsítéséhez új technológiát és gépet kellett kifejleszteni. Az összeerõsítés követelményei az alábbiak: – a kéménycsõ tengelye tökéletesen egyenes legyen, – a belsõ átmérõ végig azonos legyen, – az összeerõsítéseknél a külsõ átmérõ minimálisan növekedjen, – szilárdságilag a teljes csõszakasz homogén legyen, – az illeszkedés folyadék és légtömör legyen. A KOMPOZITOR KFT. budapesti telephelyén két-két csõelemet illesztettek össze, majd ezeket a kb. 12 m hosszú egységeket a felállítás helyére szállították és a teljes függõleges csõszakaszt vízszintes elrendezésben ott állították össze (9–12. ábrák).

2006. 43. évfolyam, 6. szám

11. ábra. Összeerõsítés elõtt a kéménycsõ elemek

12. ábra. Dorogon a még festetlen kéménycsõ

Az alsó, 90°-os bevezetõ ív két darabból, laminálással készült (13. ábra). Még vízszintes helyzetben, a beemelés elõtt csavarokkal a függõleges csõszakaszhoz erõsítették (14. ábra). A cseppfogó rendeltetése a következõ. A nagymenynyiségû füstgázzal együtt óránként több tonna vízgõz és vízcsepp kerül a környezetbe. A cseppfogóban körpályára kényszerítjük a füstgázt, amelybõl a vízcseppeket a centrifugális erõ a külsõ falra sodorja (15. ábra). A cseppfogó úgy mûködik, mint egy nagy háztartási cent-

245

nikai számításokat igényelt, amelyeket csak felsoroljuk és röviden kommentáljuk. 3.1. Álló kémény (statikus) vizsgálata

13. ábra. A 90°-os bevezetõ ív

A függõleges kéménycsõ alsó végén, a perem felett lévõ gyûrû három ponton támaszkodik a tartó vasszerkezetre. Ez az önsúly a kémény keresztmetszet alsó szakaszában 1,05 MPa nyomófeszültséget eredményez. A szélnyomás oldalirányú terhelést idéz elõ. A szabványok szerint 121 kg/m2 (1210 Pa) szélnyomást kell figyelembe venni, ami 158 km/h szélsebességet jelent. Mind az acélkéményt, mind a mûanyagkéményt külsõ vasszerkezet támasztja meg csúszó pofákkal három magasságban. A csúszó támasz lehetõvé teszi a kéménycsõ függõleges irányú elmozdulását, de korlátozza a kihajlást. Az oldalirányú elmozdulás két egymástól 10 és 20 méterre lévõ csúszótámasz között 3,3 mm, a legnagyobb feszültség 8,6 MPa. A belsõ füstgáznyomás 10 000 Pa, ami a kéménycsõ falában 0,45 MPa kerület irányú feszültséget hoz létre. 3.2. Mozgó kémény (dinamikus) vizsgálata

14. ábra. Felcsavarozott ív és a támasztó gyûrû

A szél hatására a kompozit kémény lengésbe jöhet, ami veszélyes helyzetet idézhet elõ. Ezért számításokkal meg kellett állapítani a kémény saját frekvenciáit és a kémény gerjesztett rezgéseit. Ezekkel lehet meghatározni a vasszerkezeten kialakított csúszó támaszok számát, egymástól való távolságát. Megemlítjük, hogy egy olyan pontján a kéménycsõnek, amely statikus oldalirányú szélterhelés hatására csak néhány tized mm-re hajlik ki, rezonancia esetén 50 mm-es kilengések is lehetségesek. 3.3. Vízszintes kéménycsõ lehajlása A kompozit kéménycsõ beemelés elõtt vízszintes helyzetben a talajon van. Daruval való emeléskor elõször mindkét vége felemelkedik és a közel 10 tonna súlyú, 41,7 m hosszú csõ lehajlik. Ez törést vagy a csõ behorpadását eredményezheti. A véges elemes számítások szerint, emeléskor középen a lehajlás 340 mm lesz, az ebbõl eredõ feszültség 19,8 MPa. A csõ két végét megemelve és lézersugárral mérve az önsúly alatti lehajlás 300 mm volt (16. ábra).

15. ábra. Cseppfogó a gyártócsarnokban

rifuga. Csavarozott peremmel csatlakozik a függõleges csõszakasz felsõ pontjához. 3. Mechanikai számítások A kompozit ipari kémény tervezése részletes mecha-

246

16. ábra. Önsúly alatti behajlás két ponton alátámasztva

2006. 43. évfolyam, 6. szám

4. A mûanyag kompozit kémény felállítása A szerelési munkákat ipari alpinisták végezték. Elsõ feladat a régi acél kémény lebontása volt. Két darut kellet igénybe venni. A nagyobbik emelõ magassága 100 m volt, mert a kémény felsõ pontjának magassága 74 m. A régi acél kéményt hegesztõ pisztolyokkal felülrõl lefelé darabokra vágták és azokat daruval kiemelték. Ezt követõen a vasszerkezet egyes részeit átalakították a kompozit kémény fogadására. A kompozit kéménycsövet két daruval emelték be. A nagy daru emelte a kéménycsõ felsõ pontját, a kisebb daru az alsó pontját és segítette függõlegesbe állítását. Az utolsó fázisban már csak a nagy daru emelte a 10 tonna súlyú kompozit kéményt (17. és 18. ábrák). A függõleges kéménycsõ rögzítése után a daru felhelyezte az 1,7 tonna súlyú cseppfogót (19. ábra), amely szintén mûanyagból készült. A bontás és a kompozit kémény beemelése hat napot vett igénybe. Az égetõmû nem állt le, a füstgázt egy ideiglenes kéményen vezették ki. A szerelés befejezése után a kompozit ipari kéményt sikeresen üzembe helyezték (20. ábra). A nagyméretû mûanyag kompozit ipari kémény gondolatának felmerülése és a kémény üzembe helyezése között 12 hónap telt el.

2006. 43. évfolyam, 6. szám

17. ábra. Kompozit kéménycsõ beemelése (vázlat)

18. ábra. Kompozit kéménycsõ beemelése

19. ábra. A cseppfogó felhelyezése

20. ábra. Kész kompozit kémény

247