Rizika návrhu a posouzení protivýbuchové ochrany

-- 18.05.2016

ABSTRAKT

Reálné havárie poslední doby ukázaly, že současné návrhy výbuchové ochrany obsahují nedostatky, které mohou vést k závažným haváriím. Nemalou zásluhu na tom má špatné pochopení legislativních požadavků, čímž jsou dodavatelé výbuchové ochrany stavěni do výhodnější pozice než zaměstnavatel, tedy uživatel chráněného zařízení. Současná praxe je bohužel taková, že dodavatel výbuchové ochrany vystaví zaměstnavateli dokument, že použitá výbuchová ochrana (jednotlivé prvky) má ES (nově EU) Prohlášení o shodě nikoliv již dokument potvrzující, že navržená protivýbuchová ochrana je schopna konstrukci ochránit. Na problematiku návrhu a posudku protivýbuchové ochrany je nutno pohlížet jako na multioborový problém (chemie, stavební, strojní, bezpečnostní inženýrství), jedině tak je možné navrhovat kvalitní systémy protivýbuchové ochrany a bezpečně tak chránit technologie a především pak lidské životy.

1 ÚVOD

1.1 MOTIVACE

Motivací tohoto příspěvku je kriticky zhodnotit současný stav návrhu protivýbuchové ochrany. Především pak objektivně posoudit, jak může protivýbuchová ochrana ovlivnit chování chráněné konstrukce. Následující text bere v úvahu všechny kritické body návrhu a posudku protivýbuchové ochrany. Díky reálným haváriím poslední doby, si již mnoho uživatelů konstrukcí s rizikem výbuchu uvědomilo, že návrh protivýbuchové ochrany nelze podcenit a je jej nutno provést komplexně. Komplexnost spočívá ve skloubení know-how nejen z oblasti chemie, bezpečnostního inženýrství, ale i z oblasti pevnostních výpočtů konstrukcí. Především poslední uvedená znalost dodavatelům výbuchové ochrany chybí. Proto si příspěvek klade za cíl vyšší osvětu zejména pro uživatele, tak aby věděl jaké kroky má po dodavatelích protivýbuchové ochrany vyžadovat. Jelikož uživatel bývá často v roli investora může po dodavateli tyto kroky vyžadovat, což je jeho jediným prostředkem, jak docílit správného a funkčního návrhu výbuchové ochrany. 

1.2 LEGISLATIVA

1.2.1 OBECNĚ ZNÁMÁ LEGISLATIVA

Požadavek na protivýbuchovou ochranu, její návrh a správné užívání je spjato se závaznou evropskou a českou legislativou platnou jak pro zaměstnavatele, tak pro dodavatele protivýbuchové ochrany. Pro zaměstnavatele (provozovatele) jsou závazné především následující dokumenty:

Nařízení vlády č.406/2004 Sb. [1] spadající pod zákoník práce [2] ukládá zaměstnavateli povinnost zpracovat dokumentaci ochrany před výbuchem (DOPV) a vést ji aktuální v písemné formě. DOPV kategorizuje prostory na prostory s nebezpečím výbuchu (zóny) a prostory bez nebezpečí výbuchu. Pro prostory s nebezpečím výbuchu nařizuje provedení opatření k zamezení iniciace a tam, kde k tomu nelze spolehlivě zabránit nařizuje řešit následky výbuchu, tedy použít systémy protivýbuchové ochrany. 

Druhé z nařízení je Nařízení vlády č.405/2004 Sb. [4], které mimo jiné stanovuje nové vyobrazení značky pro výbušné prostředí (viz Obrázek 1).

Dalším dokumentem je Zákon č.133/1985 Sb. [5], který pojednává o požární ochraně staveb. V jedné z kapitol tohoto zákona je uvedeno, jak nakládat s látkami vytvářející výbušné směsi. Na tento zákon navazuje Vyhláška č. 246/2001 Sb. [6] pojednávající o požární prevenci. Vyhláška ukládá provozovateli povinnost provádět pravidelné revize protivýbuchové ochrany.

Pro výrobce protivýbuchové ochrany do nedávna platil Zákon č. 22/1997 Sb. definující technické požadavky na výrobky. Uvedený zákon byl nahrazen Zákonem č. 90/2016 Sb. [7]. Technickými požadavky na zařízení a ochranné systémy určené pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu a jejich uváděním na trh se zabývá nové Nařízení vlády č. 116/2016 Sb. [8], kterým se stanoví technické požadavky na zařízení a ochranné systémy určené pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu. Platnost výše zmiňovaného nařízení je od 20. dubna 2016. 

Toto NV č. 116/2016 Sb. je kompatibilní se Směrnicí 2014/34/EU Evropského parlamentu a Rady o sbližování právních předpisů členských států týkajících se zařízení a ochranných systémů určených k použití v prostředí s nebezpečím výbuchu [9]. Platnost tohoto NV je od 20. dubna 2016.

1.2.2 PROBLÉM VÝKLADU LEGISLATIVY

Všeobecně akceptovaný výklad legislativy staví do značné výhody výrobce a dodavatele protivýbuchové ochrany. Problémem je, že protivýbuchová ochrana není chápána jako systém. Systémem je myšleno spojení protivýbuchové ochrany a chráněné konstrukce. Uvedený výrok znamená, že konstrukce nemusí být chráněna, i když je na ni nainstalována protivýbuchová ochrana. 

Příkladem může být stav, kdy dojde k výbuchu, protivýbuchová ochrana uvolní přebytečný tlak, ale konstrukce zkolabuje ztrátou stability působením zpětných sil od odlehčení. Jak je vidět, tak protivýbuchová ochrana zareagovala správně jako výrobek, nikoliv však jako systém. Běžně užívaný přístup (Obrázek 2 nahoře) návrhu vede na mylnou představu bezpečí, kdy protivýbuchová ochrana skutečně zafunguje, ale konstrukci nechrání. Pokud je totiž proveden posudek interakce systému (Obrázek 2 dole), je zjištěno, že konstrukce selhává vlivem účinků zpětných sil. 

V uvedeném příkladě je dodavatel protivýbuchové ochrany chráněn, jelikož protivýbuchová ochrana zareagovala (jako výrobek) správně a splňuje legislativní požadavky Zákona č. 90/2016 Sb. [7] a Nařízení vlády č. 116/2016 Sb. [8]. Dodavatel protivýbuchové ochrany již často neřeší konkrétní instalaci ochranných prvků, protože zabezpečení na zařízení a instalaci provádí například výrobce zařízení (filtr, elevátor,…) nebo dodavatel většího technologického celku, který má již velmi omezený rozsah znalostí z oblasti komplexního návrhu protivýbuchové ochrany.

Na základě výše uvedené legislativy dodavatel protivýbuchové ochrany v lepším případě vystaví zaměstnavateli dokument, že použitá protivýbuchová ochrana je schopna konstrukci ochránit, nikoliv dokument, že konstrukce bude skutečně ochráněna! Tento velice nebezpečný a zaměstnavatele silně znevýhodňující stav je problémem právě špatného výkladu a pochopení legislativních požadavků.    

Špatný výklad legislativy vede ke špatnému chápání systému protivýbuchové ochrany, což může mít pro zaměstnavatele fatální následky. To, že je protivýbuchovou ochranu nutno chápat jako systém složený právě z protivýbuchové ochrany a chráněné konstrukce je ostatně uvedeno i v samotném Nařízení vlády č. 116/2016 Sb. [8].  Konkrétně v příloze č. 2, odstavec 3.1.2 tohoto nařízení říká: "Ochranný systém navržený k tomu, aby odolal výbuchům nebo výbuchy zachytil musí být schopen vydržet očekávanou tlakovou vlnu bez ztráty integrity sytému." Dále v článku 1.0.1 tohoto NV se říká, že: „Zařízení a ochranné systémy mají být navrhovány s ohledem na komplexní bezpečnost z hlediska výbuchu.

Pro ucelený pohled na problematiku je nutno legislativu doplnit i o Nařízení vlády č. 378/2001 Sb. [12], které stanovuje minimálními požadavky na bezpečný provoz. Jedním z bodů je např., že při riziku výbuchu má být konstrukce vybavena vhodným ochranným zařízením tak, aby chránilo zaměstnance zejména před možným poškozením zdraví způsobeným zachycením nebo destrukcí pohybující se části zařízení. 

V části Směrnice Evropského parlamentu a rady 2009/104/ES [13] je pojednáváno o možném prasknutí nebo zlomení části pracovního zařízení, které může následně ohrožovat zaměstnance. Směrnice říká, že pokud je takovéto ohrožení bezpečnosti nebo zdraví zaměstnanců reálné, je nutno přijmout vhodná ochranná opatření. 

Zda a jak bude vypadat destrukce zařízení, či zda dojde k uvolnění některé z jeho částí, je možné zjistit pouze podrobným výpočtem.

Výše uvedená legislativa ukazuje, že na protivýbuchovou ochranu je nutno pohlížet jako na systém a ne jako na jednotlivé výrobky. U tohoto systému je pak nutno vyšetřit všechny jeho možné typy interakce, tak aby nebyl ohrožen život a zdraví zaměstnanců.

1.2.3 PODMÍNKY POJIŠŤOVEN

Pro kompletní pohled na problematiku je vhodné doplnit skrze praktické informace týkající se pojistných podmínek. Následující data jsou přebrána z pojistných podmínek předních pojistných domů v ČR.  

Pojistitel má právo snížit pojistné plnění, pokud zjistí porušení povinnosti pojištěného. Mezi porušení povinností se bere vliv na vznik pojistné události, její průběh a na zvětšení rozsahu jejích následků. Prakticky to znamená, že pokud pojišťovna zjistí, že protivýbuchová ochrana byla navržena nedostatečně, může snížit pojistné plnění. Bohužel z textu uvedeného výše plyne, že veškerá odpovědnost je na zaměstnavateli.   

Pojištěný musí samozřejmě dbát, aby pojistná událost nenastala, zejména nesmí porušovat povinnosti směřující k odvrácení nebo zmenšení nebezpečí vzniku škody. Pojištěný je dále povinen zajistit udržování pojištěných věcí v dobrém technickém stavu a jejich používání pouze k účelu stanovenému výrobcem.

2 PROTIVÝBUCHOVÁ OCHRANA

2.1 NÁVRH PROTIVÝBUCHOVÉ OCHRANY

Pro správný návrh protivýbuchové ochrany je nutno znát minimálně výbuchové parametry látky (prachu, plynu a par kapalin), materiál, geometrii a tlakovou odolnost konstrukce. 

Současný stav návrhu protivýbuchové ochrany není uspokojující a nevede k eliminaci rizika kolapsu konstrukce při výbuchu (viz Obrázek 3). Současně užívaný sled kroků návrhu je důležité upravit a obohatit o jeden mezikrok (viz Obrázek 4). 

Riziko kolapsu

Zatížení

Odhad odolnosti konstrukce

Návrh protivýbuchové ochrany

Riziko kolapsu

Obrázek 3 Současný postup návrhu protivýbuchové ochrany

Riziko kolapsu

Zatížení

Výpočet

odolnosti konstrukce

Návrh protivýbuchové ochrany

Analýza celku

Eliminace rizika kolapsu

Obrázek 4 Doporučený postup návrhu protivýbuchové ochrany

Výbuchové parametry skladované látky definují výbuchové zatížení konstrukce. Pomocí laboratorní metody lze přesně stanovit hodnoty výbuchových parametrů, jako jsou například maximální výbuchový tlak pmax nebo konstantu výbušnosti Kst.

Pro každý pevnostní výpočet, tudíž i pro stanovení tlakové odolnosti, je důležitá podrobná znalost geometrie a materiálových charakteristik konstrukce. Avšak získat tato data již není tak jednoduché jako v případě stanovení výbuchových parametrů skladovaných látek. Důvodem je, že prvky protivýbuchové ochrany jsou montovány na starší konstrukce. Původní výkresová dokumentace, kde bývají i údaje o užitém materiálu, se povětšinou nedochová. Z uvedeného důvodu je nutno konstrukci řádně proměřit s kladením důrazu na stanovení tloušťky stěn a stěžejní detaily, jako jsou různé prostupy, otvory a napojení. Všechny uvedené skutečnosti je nutno do nové výkresové dokumentace pečlivě zaznamenat. 

Materiálové charakteristiky lze obecně získat dvěma způsoby: destruktivním a nedestruktivním zkoušením. V případě destruktivní zkoušky jsou získána velice přesná a průkazná data. Bohužel tento typ zkoušení nepřipadá ve většině případů v úvahu, jelikož dochází ke znehodnocení testovaného vzorku a tudíž i poškození celistvosti konstrukce. Nedestruktivní typ testování materiálu sice nemá takovou vypovídající hodnotu, ale pro základní představu o pevnostech je dostačující. 

Pokud jsou známa data o geometrii a materiálu, je možné stanovit hodnotu tlakové odolnosti konstrukce. Tlaková odolnost konstrukce může být stanovena analytickým či numerickým výpočtem. Analytický výpočet je možno využít pouze pro určitý typ geometricky jednoduchých konstrukcí. Tento výpočet nedokáže postihnout tak typické detaily průmyslových konstrukcí, jako jsou místa s připojením armatur, otvory a tvarové zlomy. Výsledná hodnota tlakové odolnosti pak je mnohonásobně podhodnocena (viz kapitola 3.1 PŘÍKLAD POSUDKU VÝBUCHOVÉ OCHRANY). Proto je pro stanovení hodnoty tlakové odolnosti mnohem přesnější a bezpečnější použít numerický výpočet založený na metodě konečných prvků. 

Bohužel reálné zkušenosti ukázaly, že hodnota tlakové odolnosti není stanovována ani pomocí zjednodušeného analytického výpočtu, ale je pouze odhadována! Tento naprosto nepřijatelný stav může mít v lepším případě za následek předimenzování protivýbuchové ochrany, v tom horším dohází k omezení a špatné funkci protivýbuchové ochrany, což může vést kolapsu konstrukce.

2.2 TYPY PROTIVÝBUCHOVÉ OCHRANY

Následující odstavec nemá za úkol vyjmenovávat všechny známé typy protivýbuchové ochrany, ale objektivně zhodnotit jen ty nejčastěji používané a seznámit se s jejich riziky a výhodami. Společným jmenovatelem všech níže uváděných typů protivýbuchových ochran (tlakově odolná konstrukce, potlačení výbuchu, odlehčení výbuchu) je nutnost přesného stanovení tlakové odolnosti konstrukce pomocí výpočtu. Jedině tak je následně zajištěna dostatečná spolehlivost a efektivní využití daného typu výbuchové ochrany.

2.2.1 TLAKOVĚ ODOLNÁ KONSTRUKCE 

Tlakově odolná konstrukce je dostatečně robustní, aby odolala výbuchovému tlaku, jak ukazuje obrázek níže. Tento typ protivýbuchové o

Vyšší úrovně tlakové odolnosti lze obecně docílit zvětšením tloušťky, či užitím kvalitnějších materiálů. Obě uvedené varianty vedou na zvýšení ceny. Právě vysoká cena a požadavky na konstrukci jsou hlavními negativy tohoto typu protivýbuchové ochrany. Pokud však je konstrukce provedena kvalitně, hodnota tlakové odolnosti stanovena správně, tak je zaručena vysoká spolehlivost a odolnost proti selhání. K dalším pozitivům, lze přičíst i to, že krom správného návrhu a následného provedení nejsou potřebné (kromě běžné údržby) žádné další lidské zásahy, což snižuje úroveň rizika selhání systému.  

Obrázek 5 Princip tlakově odolné konstrukce

2.2.2 SYSTÉM POTLAČENÍ VÝBUCHU

Vysoce sofistikovaný systém potlačení výbuchu sníží výbuchový tlak již v samotném jeho zárodku, tak že do prostoru vznikající exploze vstříkne hasivo. Hasivo od sebe oddělí hořící částice prachu, čímž je zamezeno dalšímu růstu výbuchového tlaku (viz Obrázek 6). 

Obrázek 6 Princip potlačení výbuchu

Tato aktivní ochrana vyžaduje minimální zásahy do konstrukce. Výbuch je rychle eliminován a v poměrně krátkém časovém úseku se je možné vrátit k provozu. Systém potlačení výbuchu je také s výhodou možné použít i uvnitř budov, protože nedochází k žádnému uvolňování zplodin či plamenů do okolních prostor.

Avšak řadu potencionálních uživatelů může odrazovat vysoká pořizovací cena. Bohužel cena za pořízení není konečná, je totiž nutné připočítat náklady na pravidelné revize a výměnu hasiva. Další z možných nevýhod může být, že systém je přes svou sofistikovanost značně komplikovaný a je náchylný na výskyt poruchy.

I pro tento systém je nutné stanovit hodnotu minimální tlakové odolnosti konstrukce. Pro ulehčení práce mnoho dodavatelů protivýbuchové ochrany tuto hodnotu odhaduje či počítá pomocí jednoduchých analytických výpočtů. V neposlední řadě se je možné setkat i se stavem, kdy hodnota tlakové odolnosti konstrukce není ani odhadována a je stanovena na minimální možnou hodnotu povolenou normou. Tak či onak, všechna uvedená zjednodušení jsou pro fungování takto sofistikovaného typy protivýbuchové ochrany nebezpečná a snižuji jeho účinnost. V lepším případě si zákazník pouze připlatí (systém potlačení výbuchu je nainstalován ve větším rozsahu), v tom horším dojde selhání. Proto je důležité stanovení tlakové odolnosti konstrukce věnovat dostatečnou pozornost a využít přesných výpočtových metod.  

2.2.3 SYSTÉM ODLEHČENÍ VÝBUCHU

Nejpoužívanějším typem protivýbuchové ochrany je systém odlehčení protivýbuchu, kde je uvolnění přebytečného tlaku realizováno pomocí membrán. Membrány mohou být průtržné, výklopné nebo magnetické a jsou užívány na zásobníky, sila či filtry do objemu 1000 m3

Obrázek 7 Princip odlehčení výbuchu pomocí membrán

Uvedený typ protivýbuchové ochrany, především pak průtržné membrány, je díky své příznivé ceně, levné výrobě, montáži a provozu oblíbený a hojně užívaný. Pokud je systém správně navržen, je jej možno považovat za velice spolehlivý. Spolehlivost je dána tím, že systém funguje nezávisle na lidském faktoru po celou dobu své životnosti.

Existuje ale i řada negativ. Jedním ze základních je těsnost systému, která může způsobit, že přes netěsnosti v nainstalovaných membránách může skladovaná látka unikat ven. Systém odlehčení výbuchu to nejsou pouze samotné membrány, ale navíc je potřeba zbudovat servisní lávky. Lávky zabírají prostor okolo chráněné technologie, avšak mnohem více prostoru zabírá nově vzniklá nebezpečná zóna pro odlehčení, která může být až do vzdálenosti 50 m od technologie.

Během užívání je také nutno myslet na to, že není možné zasypat membránu nad její rub, což by mělo negativní vliv na její funkčnost. Dalším z ryze praktických problému je, že je nutné myslet i na to, že pokud jsou odlehčovací membrány umístěny na střeše technologie, je nutné v zimních měsících pravidelně odklízet sníh a led. Díky kluzkým střechám je odklízení rizikovou činností. Navíc membrány pod nánosy sněhu nemusí být vidět a může docházet jejich promáčknutí či k jinému poškození vedoucímu ke ztrátě těsnosti a funkčnosti systému.

3 INTERAKCE

Jak bylo napsáno v části 1.2.2, protivýbuchovou ochranu je nutné chápat jako systém tvořený právě protivýbuchovou ochranou a chráněnou konstrukcí. Norma ČSN EN 14994 [15] zabývající se návrhem a posudkem odlehčení výbuchu, protivýbuchovou ochranu chápe jako systém a říká, že je nutné posoudit interakci tohoto systému (interakci výbuchové ochrany a chráněné konstrukce). Přesněji říká, že se mají posoudit tlakové účinky odlehčení výbuchu, možnost odlétajících úlomků a účinek zpětných sil na konstrukci.

V případě tlakových účinků od odlehčení výbuchu je nutné posoudit dosah tlakové vlny a její sílu. Následně je vhodné posoudit, zda konstrukce a objekty v dosahu tlakové vlny jsou schopny odolat jejím účinkům, či jaké důsledky bude mít jejich poškození (např. vysypání okenních výplní). Samozřejmostí je posudek možného zásahu zaměstnanců tlakovou vlnou. To samé platí i pro odlétající úlomky. Je vhodné zjistit, zda se mohou nějaké uvolnit, případně určit jejich hmotnost a předpokládanou dráhu a následně přijmout bezpečnostní opatření. 

Norma doporučuje také posoudit účinek zpětných sil na konstrukci. Účinek zpětných sil může na konstrukci vyvolat např. přetížení stojek, základů, přídavný tah do základů či překlopení celé technologie vlivem odlehčení výbuchu (viz Obrázek 8).

Obrázek 8 Příklad interakce protivýbuchové ochrany a chráněné konstrukce

Norma ČSN EN 14994 [15] uvádí odhad statického zatížení v kN v důsledku zpětných sil:

kde A je celková odlehčovací plocha v m2, pred je redukovaný výbuchový tlak v barech. Tímto přídavným zatížením je nutno konstrukci zatížit a posoudit. Navíc zatížení musí vystupovat v kombinaci s ostatními zatíženími dle ČSN EN 1991-1-7 [16]:

kde:

Gk,j označuje charakteristickou hodnotu j-tého stálého zatížení,

P příslušnou reprezentativní hodnotu předpětí,

Ad návrhovou hodnotu mimořádného zatížení,

ψ1,1 součinitel pro tzv. časovou hodnotu proměnného zatížení,

ψ2,1, ψ1,i součinitel pro tzv. kvazistálou hodnotu proměnného zatížení,

Qk,1 charakteristickou hodnotu hlavního proměnného zatížení,

Qk,i charakteristickou hodnotu vedlejšího i-tého zatížení,

+ "kombinovaný s dalšími zatíženími",

kombinovaný účinek.

Výbuch je dynamický jev trvající několik milisekund, tento fakt je nutno ve výpočtu zohlednit a konstrukci posoudit na dynamické namáhání. Jelikož většina technologických konstrukcí dle uváděné normy ČSN EN 1991-1-7 [16] je kategorie CC3 (kategorie s velkými následky na životech a majetku), je silně doporučeno dynamický výpočet provádět vždy. Výpočet pouze se statickou hodnotou síly vede k podhodnocení velikosti zatížení a následně k fatálním následkům v případě výbuchu konstrukce.

Řídící rovnici dynamického výpočtu lze napsat ve tvaru:

kde M je matice hmotnost, C matice tlumení a K matice tuhosti konstrukce. y´´, y´, y představují vektory zrychlení, rychlosti a posunu a F je vektor pravých stran (vektor zatížení). Řešením této rovnice lze získat výslednou odezvu konstrukce na dynamické zatížení. Výsledná odezva konstrukce je vyjádřena pomocí dynamického součinitele. Dynamický součinitel je funkcí poměru frekvenčních charakteristik budícího impulzu a dané vlastní frekvence (při které kmitání konstrukce přenese největší podíl buzení).

3.1 PŘÍKLAD POSUDKU PROTIVÝBUCHOVÉ OCHRANY

Úkolem posudku bylo stanovit tlakovou odolnost sila nutnou pro posudek stávající protivýbuchové ochrany. Zařízení disponuje tržnými membránami umístěnými na střeše, které jej chrání především před nadměrným zvýšením tlaku a poškozením celistvosti při výbuchu. Otevírací tlak tržných membrán je 0,1 bar. Membrány pro odlehčení výbuchu jsou umístěny na střeše sila ve speciální nástavbě. Stávající silo při své výšce 14 m a 3,5 m v průměru umožňuje skladovat až 80 tun náplně. Plášť sila je tvořen prstenci výšky 2 m o různých tloušťkách.

Obrázek 9 Konstrukce posuzovaného sila

Materiál pláště zásobní nádoby je hliník s příměsí hořčíku. Materiál je přirozeně tvrdý, nevytvrditelný, odolný mořské vodě a chemicky stálý. Bližší specifikace materiálu nebyla dodána, proto byly materiálové charakteristiky přebrány z normy. Hliníkové konstrukce jsou teplotně velice ovlivnitelné, proto je nutno ve výpočtech zohlednit tepelně ovlivněnou zónu materiálu, která je charakteristická sníženou pevností a vzniká např. svařováním. Do výpočtu vstupuje toto ovlivnění jako tzv. HAZ faktor. 

Pro posudek jsou použity dva přístupy: analytický a numerický výpočet. Výsledky obou přístupu jsou porovnány.


3.1.1 ANALYTICKÝ VÝPOČET

Pro analytický výpočet je užita bez-momentová teorii skořepin, která předpokládá, že v řezech nevznikají žádné momenty. Pomocí této zjednodušené teorie nelze počítat napjatost ve spojení pláště a dna nádoby. Hlavními předpoklady jsou:

Pro tenkostěnné nádoby (rotačně symetrická tělesa) je síla stěny oproti průměru zanedbatelná. Radiální napětí se zanedbává, protože je řádově nižší než napětí obvodové nebo osové. Výpočet probíhá na základě Laplaceovy rovnice, která vychází z podmínek rovnováhy v tečném a meridiánovém směru. Výsledky analytického výpočtu ukazují, že maximální hodnota vnitřního tlaku, tak aby byl plášť posuzované konstrukce namáhán pružně, je 1,45 bar.

3.1.2 NUMERICKÝ VÝPOČET

Podrobnější analýza je provedena pomocí metody konečných prvků. K této metodě bylo přistoupeno z důvodů komplikovanějších detailů konstrukce: výstupy z víka a napojení víka na plášť.

Metoda konečných prvků (MKP) je numerická metoda sloužící k simulaci průběhů napětí a deformací na vytvořeném fyzikálním modelu. Principem metody (implicitního přístupu) je diskretizace spojitého kontinua do konečného počtu prvků. Pro každý takto definovaný bod jsou známy parametry materiálové charakteristiky a hodnoty zatížení. Naopak neznámými parametry jsou hodnoty uzlových deformací. Výše uvedenou formulaci je možné přepsat do tvaru:

kde K je matice tuhosti konstrukce, r je vektor neznámých posunů a f je vektor zatížení.

Vytvořený numerický model respektoval reálnou geometrii, zatížení a uložení konstrukce. Výpočetní síť byla zjemněna v okolí otvorů a prostupů (viz Obrázek 10). Ve spodní části je konstrukce uložena na základ. Tento stav je modelovaný okrajovou podmínkou odebírající konstrukci všechny stupně volnosti.

Obrázek 10 Numerický model konstrukce

Numerické simulace ukázaly, že rozhodujícím detailem je napojení víka na plášť sila. Na obrázku níže jde vidět, že hodnoty napětí jsou řádově vyšší právě v uvedeném napojení víka na plášť.

Obrázek 11 Napětí v okolí víka

Jsou posuzovány dva stavy: namáhání do meze kluzu a do meze pevnosti materiálu. Do meze kluzu se materiál chová pružně a po odtížení se vrátí do původního stavu. Po překročení meze kluzu zůstávají na konstrukci nevratné deformace. Pro obě hranice namáhání byly stanoveny hodnoty vnitřního tlaku.

Hodnota tlakové odolnosti pro pružnou oblast je 0,1 bar. Dále byla stanovena hodnota tlakové odolnosti na 0,19 bar pro plastickou oblast namáhání. Pro tuto hodnotu tlakové odolnosti konstrukce budou vznikat plastické (trvalé) deformace, ale konstrukce neztratí svou celistvost. 

Nejvyšší hodnoty tlakových namáhání a poškození budou v místě napojení víka na plášť sila. Maximální přípustné plastické deformace v těchto místech jsou s přihlédnutím na HAZ faktor stanoveny na 15%. Samotné svary, za předpokladu tupých svarů, nejsou nejslabším článkem. Nejslabším místem je samotný materiál konstrukce v okolí těchto svarů.

3.1.3 POROVNÁNÍ PŘÍSTUPŮ

Analytický výpočet ukázal, že tlaková odolnost pláště je 1,45 bar. Na tuto hodnotu byly také navrženy membrány pro odlehčení výbuchu.

Napěťová analýza pomocí numerického výpočtu určila kritické místo. Tímto místem je napojení víka konstrukce na její plášť. Toto napojení je předpokládáno pomocí tupých svarů. Provedení těchto tupých svarů tepelně ovlivňuje okolní materiál. Limitní hodnota tlakové odolnosti pro stav, kdy nevznikají trvalé deformace, je 0,10 bar. Pokud jsou trvalé deformace připuštěny, je hodnota tlakové odolnosti 0,19 bar a to bez ztráty celistvosti konstrukce. To znamená, že konstrukce v kritických místech svaru bude mít trvalé (nevratné) poškození, ale nedojde k oddělení víka od pláště konstrukce.

Porovnání obou přístupů ukázalo palčivý problém návrhu a posudku konstrukcí. Současný přístup, kdy protivýbuchová ochrana je navrhována pomocí pouhého odhadu tlakové odolnosti konstrukce, vede na vysokou hodnotu rizika kolapsu celé v konstrukci. Pokud by v uvedeném příkladě došlo k výbuchu, navržený systém protivýbuchové ochrany by nestačil uvolnit přebytečný tlak a došlo by ke ztrátě celistvosti a roztrhání celé konstrukce sila.   

ZÁVĚR

Příspěvek si kladl za cíl kriticky zhodnotit současný stav návrhu protivýbuchové ochrany. Především pak objektivně posoudit, jak může protivýbuchová ochrana ovlivnit chování chráněné konstrukce. 

Článek poukázal na to, že současný stav návrhu protivýbuchové ochrany je krajně nevyhovující a nebezpečný. Nemalou zásluhu na tom má špatné pochopení legislativních požadavků, čímž jsou dodavatelé protivýbuchové ochrany stavěni do lepší pozice než zaměstnavatel. Současná praxe je bohužel taková, že dodavatel protivýbuchové ochrany vystaví zaměstnavateli dokument, že použitá protivýbuchová ochrana je schopna konstrukci ochránit, nikoliv dokument, že konstrukce bude skutečně ochráněna! 

Příklad uvedený na konci příspěvku ukázal, že pouhý odhad či jednoduchý výpočet hodnoty tlakové odolnosti konstrukce nestačí a může vést ke kolapsu celé konstrukce.

Uvedený nevyhovující stav návrhu výbuchové ochrany je možno změnit tím, že zaměstnavatel bude po dodavateli výbuchové ochrany požadovat preciznější práci popsanou v tomto článku, jako je stanovení tlakové odolnosti numerickým výpočtem, posudek interakce systému či dynamický výpočet. Jedině tak je možné navrhovat kvalitní systémy protivýbuchové ochrany a spolehlivě tak chránit technologie a především pak lidské životy.

PODĚKOVÁNÍ

Autor děkuje za důležité poznatky a připomínky z oblasti EX prostředí soudnímu znalci Ing. Tadeáši Podstawkovi, Ph.D. z firmy IHAS s.r.o., bez jehož znalostí problematiky by předkládaný článek vznikal jen velice pomalu.

LITERATURA

  1. Nařízení vlády č. 406/2004 Sb. O bližších požadavcích na zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví při práci v prostředí s nebezpečím výbuchu. Platnost od: 2. června 2004.
  2. Zákon č. 262/2006 Sb. Zákoník práce. Aktuální znění od: 1. ledna 2016.
  3. Nařízení vlády č. 406/2004 Sb. O bližších požadavcích na zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví při práci v prostředí s nebezpečím výbuchu. Platnost od: 2. června 2004.
  4. Nařízení vlády č. 405/2004 Sb. kterým se stanoví vzhled a umístění bezpečnostních značek a zavedení signálů. Praha:  1. září 2004.
  5. Zákon č. 133/1985 Sb. O požární ochraně. Platnost od: 1. září 2004.
  6. Vyhláška č. 246/2001 Sb. O stanovení podmínek požární bezpečnosti a výkonu státního požárního dozoru. Praha:  23. července 2001.
  7. Zákon č. 90/2016 Sb. O posuzování shody stanovených výrobků při jejich dodávání na trh. Platnost od: 3. března 2016.
  8. Nařízení č. 116/2016 Sb. kterým se stanoví technické požadavky na zařízení a ochranné systémy určené pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu. Platnost od: 20.dubna 2016
  9. Směrnice 2014/34/EU Evropského parlamentu a Rady. O sbližování právních předpisů členských států týkajících se zařízení a ochranných systémů určených k použití v prostředí s nebezpečím výbuchu. Platnost od: 20. dubna 2016.
  10. Nařízení vlády č. 378/2001 Sb. kterým se stanoví bližší požadavky na bezpečný provoz a používání strojů, technických zařízení, přístrojů a nářadí. Platnost od: 1. ledna 2003.
  11. Směrnice Evropského parlamentu a rady 2009/104/ES o minimálních požadavcích na bezpečnost a ochranu zdraví pro používání pracovního zařízení zaměstnanci při práci (druhá samostatná směrnice ve smyslu čl. 16 odst. 1 směrnice 89/391/EHS). Platnost od: 16. září 2009.
  12. ČSN EN 14994 Ochranné systémy pro odlehčení výbuchu plynu. Praha: ÚNMZ, září 2007.
  13. ČSN EN 1991-1-7 Zatížení konstrukcí - Část 1-7: Obecná zatížení - Mimořádná zatížení. Praha: ÚNMZ, říjen 2007.
  14. ČSN EN 1999 - Eurokód 9: Navrhování hliníkových konstrukcí. Praha: ÚNMZ, únor 2009.

ELSA Consulting s.r.o.
Ing. Martin Kovář, Ph.D.
martin.kovar@elsaconsulting.eu
777 157 734

www.elsaconsulting.eu

Autor: Ing. Martin Kovář, Ph.D.