Ipari acélkémény hosszabbítása kompozit szerkezettel KECSKEMÉTHY GÉZA * ügyvezetõ igazgató CSAPÓ JÓZSEF * fõmérnök Innováció Elõzmények A KOMPOZITOR KFT. 1994 és 1998 között kifejlesztett egy új kéménybélelési technológiát és anyagot. Ennek lényege, hogy a bélelendõ kéménybe behúznak egy elõre gyártott, még lágy állapotú, üvegszálas mûanyagból készült csövet, melyet gõzzel felfújnak és irreverzibilisen kikeményítenek. A kikeményedett béléscsõ falvastagsága 2 mm, átmérõ tartomány 60 900 mm, az eddig beépített legnagyobb hossz pedig 80 m. Szilárdsági tulajdonságai megközelítik a fémekét. Hõállósága tartósan 450 C, engedélyezett érték 350 C. A FuranFlex márkanevû kémény béléscsõbõl eddig több mint 1,4 millió métert építettek be Európa 22 országában. Ez a technológia nagyobb átmérõjû kéményekben már nem alkalmazható. Ezért a KOMPOZITOR KFT. 2005-ben kifejlesztett egy önhordó, 100%-ban kompozit anyagú ipari kéményt a dorogi veszélyes hulladék égetõ (akkori nevén ONYX MAGYARORSZÁG) részére. Errõl a munkáról a MÛANYAG ÉS GUMI 2006. júniusi számában részletesen beszámoltunk. Ez a 47 m magas, 1,25 m belsõ átmérõjû, 12 tonna súlyú, önhordó kompozit kémény az eltelt közel 4 év alatt semmiféle károsodást nem mutatott. Belsõ felülete az agresszív kondenzátumok (4 tonna/óra) ellenére a mai napig is tükörfényes. 2008-ban a KOMPOZITOR KFT. újabb megkeresést kapott, mely szokatlan kihívást jelentett a kéményipar területén. A BÉM BORSODI ÉRC, ÁSVÁNY- ÉS HULLADÉK HASZNOSÍTÓ MÛ ZRT. (továbbiakban BÉM) egy több évtizede bevált technológiával különbözõ hulladékokat dolgoz fel, hogy azok vastartalmát feldúsítsa, és ezzel lehetõvé tegye kohászati felhasználásukat. A gyártás folyamán füstgáz keletkezik, mely 100 C alatti hõmérsékletû, nem korrozív, 20% vizet tartalmaz, nem tûzveszélyes, és a hivatalos mérések szerint a környezetre sem ártalmas. Azonban rossz illatú és finom por tartalmú. A gyár közelében lévõ község lakosai kedvezõtlen széljárás esetén a kiáramló gõz kellemetlen hatásait érzékelik. Ezért a BÉM ellen hatósági fórumokon többször felléptek. Döntés a kémény hosszabbításról A BÉM a környezeti hatások csökkentése miatt eldöntötte, hogy egy régen épült acélkéményüket meghoszszabbítják, és ezzel együtt a kiáramló füstgáz sebességét megnövelik, hogy az minél magasabban terüljön el, elkerülve a község légterét. A meglévõ kémény adatai: Anyag: acél (ötvözetlen) Átmérõ: 6,5 m Magasság: 60 m Tömeg: 200 tonna Füstgáz mennyiség: 200 000 250 000 Nm 3 /h Füstgáz sebesség az acélkéményben: 1,7 2,1 m/s A füstgáz hõmérséklete: 60 80 C Kondenzátum: enyhén savas Elõzetes számítások szerint, a meglévõ acélkémény számára a saját tömege, a szélhatások olyan megterhelést jelentenek, hogy ha a hosszabbító szakasz acélból készülne, annak többlet terhelését már nem tudná felvenni. Ezért merült fel a gondolat, hogy a kéményhosszabbító kompozit anyagból készüljön. Kéményhosszabbító elvi kialakítása A kéményhosszabbító elvárt magassága 22 m, belsõ átmérõje 2,5 m. Ezzel a kilépõ füstgáz sebesség 11 14 m/s, a jelenleginek 7 10-szerese. Az acélkémény 60 méteres magassága egy ilyen méretû toldat szerelését jelentõsen megnehezíti. Ezért olyan megoldás kellett kidolgozni, hogy minimális legyen a magasban végzett szerelési munka. A daruzás sem látszott egyszerûnek, mert egy 100 m magasságú daru elhelyezését a közelben álló épületek megnehezítették. Több változat mérlegelése után született meg a végleges döntés. A hosszabbító két elõre gyártott darabból készül, melyeket daruk emelnek az acélkéményre, ott csavarokkal rögzítik egymáshoz és az acélkéményhez az 1. ábra szerint. Az acélcsõre (1) elõször egy tartókúpot (2) szerelnek fel, melynek méretei: Belépõ átmérõ: 6,5 m Kilépõ átmérõ: 2,5 m Magasság: 3,8 m Kúp dõlésszöge: 60 Tömeg (acéllétrával együtt): 3 t A tartókúp egy darabban, daruzással kerül fel az acél kéménycsõre. Annak rögzítése után a kúp felsõ peremé- * Kompozitor Kft. 2009. 46. évfolyam, 7. szám 269
1. ábra. Kompozit kémény hosszabbító elvi rajza re helyezik daruval a hosszabbító csövet (3), melynek méretei: Belsõ átmérõ: 2,5 m Hossz: 18 m Tömeg: 7 t (acéllétrával és körjárdával együtt) A tartókúphoz a hosszabbító csõ peremmel csatlakozik. Erre elõre felszerelik a létrát és a felsõ peremnél a körjárdát. Az ipari kéményeknél elõírás, hogy a felsõ peremhez ellenõrzések céljából fel lehessen menni. Kidolgozott megoldás az alábbi elõnyökkel jár: a szerelési munkák legnagyobb része még a talajon elvégezhetõ, két daruzási mûvelettel a kémény hosszabbító az acélkéményre felhelyezhetõ, a magasban végzendõ szerelési munka 2 3 nap alatt elvégezhetõ. Anyagkiválasztás A kompozit szerkezethez kiválasztott alapgyanta típusa izoftálsavas poliészter gyanta (Christic 199). A gyantába különbözõ adalékanyagokat (pl. égésgátló) kevernek be. Az erõsítõ üvegszálakat roving, szövet, paplan, fátyol formájában építették be. Méretezés A kompozit szerkezetet véges elemes módszerrel dr. Új József, a BUDAPESTI MÛSZAKI EGYETEM tanára, valamint a GKSOFT MÉRNÖKI SZOLGÁLTATÓ BT. tervezte meg, akik közel azonos eredményhez jutottak. Az önsúlyból adódó statikus erõhatások nem jelentõsek. A horpadási merevség lényegesen nagyobbnak bizonyult a szükségesnél. Jelentõsebb igénybevétel a statikus szélnyomás. A legveszélyesebb azonban a dinamikus szélhatás, és az abból származó saját frekvenciájú rezgés. Itt már jelentõs erõk és elmozdulások várhatók. Szélhatásnak kitett hengeres testeknél hátrányos, ha a külsõ felület tökéletesen sima. Ennek az az oka, hogy a henger belépõ felületén laminárisan áramló levegõ jelentõs vákuumot hoz létre a kilépõ, azaz hátsó felületen. Ez a vákuum erõsíti a szélnyomás hatását és rezgéseket gerjeszt. Ennek elkerülésére alkalmaznak a magas, hengeres fém kéményeknél spirál vonalban felhegesztett 100 200 mm széles acélszalagot. Ez erõs turbulenciát hoz létre, ami csökkenti a henger kilépõ hátsó oldalán a vákuum keletkezését. Üvegszálas mûanyag hengeres test esetén ilyen spirális lemez felhelyezése rendkívül nehézkes. Ezért más megoldás született. A 18 m magas hengeres kompozit kémény külsõ, megszokott sima felületén saját anyagából kiképzett, rücskös mintázat van. Itt a kiemelkedések és mélyedések 2 3 mm mélységûek. Ez a tördelt felület az áramló levegõnek a hengeres testtel érintkezõ rétegében turbulenciát hoz létre, ami csökkenti a hátoldali vákuum kialakulásának lehetõségét. A méretezés minimálisan 4-szeres biztonsági tényezõvel történt. Gyártástechnológia A hosszabbító csõ tekercseléssel készült tekintettel arra, hogy az igénybevétel nem belsõ nyomás, hanem a henger középvonalához viszonyított hajlítás. Ezért a rovingok menetemelkedését a belsõ nyomásra alkalmazott 54,6 -ról 70 -ra kellett növelni. Az alkotó irányú szilárdság további növelésére a tekercselés folyamán hosszirányú szálakat is beépítettek. A 18 m hosszú csõ három 6 méteres darabban készült el, melyeket a gyártócsarnokban laminálással erõsítettek össze. Érdemes megfigyelni, hogy ezek az összeerõsítõ helyek alig vehetõk észre. A hosszabbító csõ alsó végén saját anyagából kör formájú peremet kellett kialakítani a tartókúphoz való csatlakoztatáshoz. A 18 m hosszú csövet egy darabban szállították a helyszínre (2. ábra). 2. ábra. Függõleges csõszakasz, hátsó végén a csatlakozó peremmel (6. ábra) 270 2009. 46. évfolyam, 7. szám
A tartókúp 12 szegmensbõl épült fel, melyek egymáshoz az alkotó irányú oldalaikon kiképzett peremekkel csatlakoznak. Egy-egy kúpszegmens kerület irányú végein kialakított perem képezte az alsó és felsõ kör alakú 3. ábra. Tartókúp szerelési csontváza perem tizenketted részét. Ez a perem csatlakozik alul az acélcsõhöz, felül a hosszabbító csõhöz. Ez a konstrukció nagy gyártási és szerelési pontosságot igényel. Az egyenként 180 kg tömegû kúpszeletek elõre gyártva érkeztek a helyszínre. Az acélrudakból összeállított csontváz lehetõvé tette a nem teljesen sík talajon a pontos szerelést (3. ábra). Az egyes kúpszeletek alkotó irányú peremeit ragasztással, csavarozással és helyzetrögzítõ csapokkal erõsítették össze (4. ábra). Az összeszerelt kész tartókúpot az 5. ábra mutatja. Külsõ szerelvények A kémény hosszabbítóra a következõ szerelvényeket szerelték fel: kúppalásttal párhuzamos létra a tartókúp oldalán, függõleges létra a hosszabbító csõ oldalán, körjárda a hosszabbító csõ felsõ pereménél, ideiglenes körjárda a tartókúpon. Ezeket még a földön kellett felszerelni igen nagy pontossággal. A létratartó karok rögzítése nem csavarokkal (korrózió veszély), hanem laminálással történt. Figyelemmel kellett lenni arra is, hogy a kompozit szerkezet és az acéllétra hõtágulási együtthatója eltérõ, ami ilyen méreteknél több centiméteres különbségeket jelenthet. A 6. ábrán a felerõsített szerelvények, létrák láthatók. 4. ábra. Tartókúp szerelése a csontvázon 6. ábra. Felerõsített létrák, körjárdák 5. ábra. Összeszerelt kész tartókúp Felhelyezés az acélkéményre Az elõkészített tartókúp és a hosszabbító csõ felhelyezésének a 60 m magas acélkéményre emberi és tárgyi feltételei voltak. Kellett egy 30 m, valamint egy 100 m magasságú daru és öt ipari alpinista. A felhelyezés elõkészítõ fázisában szerelési próbát kellett végezni. A kisebb daru még a földön a tartó kúpra helyezte a hosszabbító csövet (7. ábra). Itt összeillesztették a két csatlakozó peremet, ellenõrizték a csavarfuratok helyzetét, pontosan beállították a létrákat (8. ábra). Ezek után kezdõdött meg az acélkéményre való felhelyezés. A 100 méteres daru elõször a tartókúpot kezdte 2009. 46. évfolyam, 7. szám 271
7. ábra. Próbaemelés a földön 8. ábra. Peremek, létrák összeillesztése 9. ábra. A tartókúp éppen elhagyja a földet felemelni és a végleges helyére tenni (9 11. ábrák). Ott már az alpinisták azonnal megkezdték a szorító csavarokkal történõ rögzítést. A következõ lépés a hosszabbító csõ felemelése és felhelyezése. Ehhez az elsõ fázisban két daru kellett, mert a vízszintesbõl függõleges helyzetbe kellet hozni a 18 m hosszú csövet. Ez úgy történt, hogy a csõ alsó peremes végét a 30 méteres daru lassan kezdte emelni, míg a felsõ végét, ahol a körjárda van, a 100 méteres daru emelte, nagyobb sebességgel. Így sikerült függõlegesbe állítani a hosszabbító csövet az acélcsõ közvetlen közelében (12 15. ábrák). A daruk helyzetét úgy kellett meghatározni a rendkívül szûk területen, hogy az acélkéménytõl néhány arasznyira sikerüljön a hosszabbító csövet a kellõ magasságba emelni. Innen milliméter pontossággal kellett a tartókúpra helyezni, ahol az alpinisták elkezdték a 32 csavar behelyezését és megszorítását az elõírt nyomatékkal (16. ábra). Ezzel a kompozit kéményhosszabbító a helyére került. Az alpinisták leszerelték a tartókúpon lévõ ideiglenes körjárdát, a daruk elvonultak, és másnap már üzembe állt a kompozitkémény (17. ábra). 10. ábra. A tartókúp félúton 11. ábra. A tartókúp a végleges helyére került 12. ábra. A csövet mindkét daru emeli, elõtérben a 30 méteres daru 272 2009. 46. évfolyam, 7. szám
13. ábra. A felsõ, körjárdás perem kezd függõlegesbe fordulni 14. ábra. A hosszabbító csõ függõleges helyzetben lebeg 15. ábra. A hosszabbító csõ a szükséges magasságban mûtárgy nem valósulhatott volna meg, amit ezúton köszönnek meg a szerzõk. 16. ábra. Alpinisták behelyezik a peremeket összekötõ csavarokat A fejlesztésben és kivitelezésben részt vett Smid László (BUDAPLAST ZRT.), Király László (KOOPOLIMER KKT.) és Haraszti Mihály (KOMPLEX KFT.) munkája nélkül ez a 17. ábra. Áll a kémény, indulhat az üzem 2009. 46. évfolyam, 7. szám 273