3. Freiberger Feuerfest Symposium 2018

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1 3. Freiberger Feuerfest Symposium 2018 Schadensfälle von feuerfesten Zustellungen und Wege zu deren Vermeidung 1 KONSTRUKTION 2 SCHÄDEN 3 ANALYSEN 4 SCHADENSMECHANISMUS V. Lavrentyev Prof. P. Noakowski

2 1 KONSTRUKTION Gesamtanlage AUFBAU & BETRIEB BETRIEBSMERKMALE Temperatur Gasdruck Gasgeschwindigkeit Innenradius max.1050 C max mbar 2 bis 8 m/s bis 500 mm 13,9 m Verbindungsstellen Gas Gas + Feststoff Feststoff

3 2 KONSTRUKTION Kreisring & Microporöse Dämmung SCHICHTMERKMALE SCHICHT PRODUKT ZUG- FESTIGKEIT ft[mn/m²] (1) Feuerbeton Calde Flow MM 68 CO E-MODUL E[MN/m²] 3, AUSDEH- NUNG a T [1/ C] SCHWIND- MASS e s [ ] WÄRME- LEITUNG l [W/mK] BESONDERHEITEN EIGENSCHAFTEN 6,5 x ,61-1,68 Extreme Festigkeit u. E-Modul (2) Kalziumsilikatplatte Microcal ,8 x ,09-0,13 (3) Microporöse Dämmung Silcapor Ultra 950 5,5 x ,02-0,04 Extreme Wasserempfindlichkeit (4) Stahlmantel St. 37 (S 235) ,1 x ,5 (5) Anker Stahl ,7x Alle Werte entsprechen 20 C

4 3 SCHÄDEN Kreisring & Microporöse Dämmung 22 mm 26 mm 25 mm SCHICHT FINDUNG ERKENNTNIS (1) Feuerbeton 3 Radialrisse Undichtigkeitgegenüber Dampf und Staub (2) Kalziumsilikatplatte Schwarzstaub in Fugen Undichte Fugen im Betriebszustand (3) MicroporöseDämmung Auflösung am Stahlmantel Eindrang und Kondensierungvon Dampf (4) Stahlmantel Keine Auffälligkeiten (5) Anker 6 Stück, plastische Verformungen Schwache Lagesicherung

5 4 SCHÄDEN Kreisring & Microporöse Dämmung MICROPORÖSE DÄMMUNG Planmäßige Dicke 5,0 cm Kondenswasser Wasserdampf Schrumpfung durch Kondenswasser von 5,0 cm auf 4,5 cm Neuwertige Dämmung Angegriffene Dämmung Zerstörte Dämmung

6 5 SCHÄDEN Kreisring & Microporöse Dämmung ANKERVERFORMUNGEN u 3 = 9 mm j=ca.14 u 3 = 2,5 mm (1) Verdrehung der Ankerachse (2) Plastische Ankerverschiebung (3) Plastischer Ankerverdrehung Verdrehter Anker Plastisch verbogener Anker Gerader Anker

7 6 ANALYSEN Temperaturanalyse STATIONÄRE TEMPERATURVERTEILUNG [ C] T i = 1050 C Ta = 20 C ELEMENT Wanddicke [mm] Temperatur Differenz [ K] Mittlere Temperatur [ C] (1) Feuerbeton (2) Kalziumsilikat Platten (3) Microporöse Dämmung (4) Stahlmantel (5) Anker ca. 600 Die der Spannungsanalyse zugrunde gelegten Schichttemperaturen: Gas T = 1050 C Feuerbeton T = 1020 C DT=40 K Stahlmantel T = 66 C 5

8 7 ANALYSEN Spannungsanalyse RECHENSYSTEM UND RECHENWERTE RECHENSYSTEM RECHENGRUNDLAGEN Innenring aus (1) Feuerbeton Außenring aus (2) Stahlmantel Kopplung mit (3) Stahlankern Nichtlineares Spannungsverhalten der Anker s/e Keine mechanische Relevanz der weichen Dämmschichten Beanspruchung durch die zugehörigen Schichttemperaturen r MASSGEBLICHE SCHICHTEIGENSCHAFTEN ELEMENT Abmessungen [mm] Temperatur [ C] Ausdehnung [1/ K] Schwindmass [1/ K] r2 (1) Feuerbeton r 1 = 131,5 T 1 = 1020 a T1 = 6,5e -6 e S1 = 2,0e -6 Kalziumsilikat Platten 950 Microporöse Dämmung 517 (2) Stahlmantel r 2 = 251 T 2 = 66 a T2 = 1,1e -5 (3) Anker L 3 = 75 T 3 = 600 a T3 = 1,7e -5

9 8 ANALYSEN Spannungsanalyse VERTRÄGLICHKEIT UND GLEICHGEWICHT VERTRÄGLICHKEIT 1 u1 2 u2 u2t u2p N1 N2 GLEICHGEWICHT TRAGELEMENTE SCHICHTAUFBAU (1) Feuerbeton (2) Stahlmantel (3) Stahlanker p1 p2 r1 3 u3t u3p u3 N3 r2 N1 3 α = T ΔT1 r na 2π E N αt ΔT2 r2 + α 2 r1 na r2 + t h 2π E t 1 3 N T ΔT3 l3 - ε l3 + h E A s r 1

10 9 ANALYSEN Spannungsanalyse MATERIALVERHALTEN UND DEHNUNGSERMITTLUNG s [MN/m²] Thermisch abhängige Materialgesetze Anker Iterative Ermittlung der Dehnungen Ansetzung des Start-E-Moduls E start Suche nach dem maßgeblichen SekantenmodulE sek Ermittlung der Ankerstauchung e 3 und -spannung s E-Modul T = 20 C s = N 3 /A % 250 R p N 3 E neu = s/e T = 600 C % 100 E sek -Sekantenmodul T = 800 C 50 6 % e [ ] E start s 3 e 3 E sek

11 10 ANALYSEN Spannungsanalyse ANKERVERHALTEN s [MN/m²] T = 20 C T = 600 C s 3 = 115 MN/m 2 r1 N 3 = 7,2 kn s 3 =115 MN/m 2 u 3 = 1,1 mm E 3sek = 7700 MN/m 2 e 3 = 15 e [ ] r2 ANKERVERHALTEN IM BETRIEB, Iterative Ermittlung Plastische Ankerstauchung e 3pl = s 3 /E 3sek = 115/7700 = 15,0 Gesamtstauchung der Anker u 3pl = e 3pl l 3 = 15,0 x 75 mm = 1,10 mm Ankerkraft aus dem Betondrang N 3 = s 3 A 3 = 115 x 63/ = 7,2 kn

12 11 ANALYSEN Spannungsanalyse BETONVERHALTEN Materialwerte gem. DIN 1045 Maßgebliche Rechenwerte: Temperaturdifferenz DT = 40 K Beton E-Modul E 1 = MN/m 2 Betonzugfestigkeit f ct1 = 3,7 MN/m 2 Betondicke t 1 = 83 mm Ankeranzahl n 3 = 4 Stk. Ankerdruckkraft N 3 = 7,2 kn N 1 s 1 = 5,7 MN/m 2 Druckspannung aus Ankerpressung p: p 1 = N 3 /(2p r 1 /n 3 ) N 1 = p 1 r = N 3 /(2p r 1 /n 3 ) r 1 = N 3 /(2p/n 3 ) s 1D = N 1 /(t 1 l) = N 3 /(2p t 1 l/n 3 )=0,0072/(2p 0,083 0,30/4)= - 0,20 MN/m 2 Zugspannung aus Temperaturdifferenz DT: k T = a T DT/t 1 k s = 2 e 1 /t 1 = 2 s 1Z /E 1 /t 1 k T = k s s 1Z = a T DT E 1 /2 = 6,5 x /2 = 5,90 MN/m 2 Gesamtspannung s 1 = s 1D + s 1D = - 0,20 + 5,90 = 5,70 MN/m 2 Rissbildung durch Überschreitung der Betonzugfestigkeit f ct s 1 = 5,70 MN/m 2 > f ct = 3,7 MN/m 2

13 12 ANALYSEN Spannungsanalyse RISSVERHALTEN Maßgebliche Rechenwerte: Betontemperatur T 1 =1020 K Manteltemperatur T 2 = 46K Ankertemperatur T 3 = 600 K Rissanzahl n R = 3 Stk. w n R = 3 u 30 Rissbreite nach der Erstabkühlung: Ankerlage u 30 (u 3pl ) u 2T = - e 2T r 2 = a 2T T 2 r 2 = -1,1 x ,251 = -0,13 mm u 3T = e 3T l 3 = a 3T T 3 l 3 = 1,7 x ,074 = 0,75 mm u 30 = u 3pl -u 2T + u 3T = 1,10 0,13 + 0,75 = 1,72 mm Rissbreite w 30 w e R r 1 = u 30 Ł w 30 /(2p r 1 /n R ) r 1 = u 30 w 30 = u 30 /r 1 2p r 1 /n R = 2p u 30 /n R = 2p 1,72/3 = 3,60 mm

14 13 SCHADENSMECHANISMUS Repräsentativer Bereich ERSTE ERHITZUNG 1. ERSTE ERHITZUNG (1) BEANSPRUCHUNG DURCH TEMPERATUR Gleichmäßige Ausdehnung des Betons durch Erwärmung T 1 3 Ungleichmäßige Ausdehnung des Betons durch Erwärmung DT 1 Ausdehnung der Anker infolge Erwärmung T 3 s 1D 2 s 1Z s 3 T 3 (2) AKTIVIERUNG DER ZWANSPANNUNGEN Tangentialer Betondruck s 1D durch Behinderung der Ausdehnung Tangentialer Betonzug s 1Z durch Verhinderung der Verkrümmung Radialer Ankerdruck s 3 durch Behinderung der Ausdehnung (3) AUSWIRKUNG DER ZWANSPANNUNGEN Rissbildung im Beton durch Überschreitung der Zugfestigkeit Plastifizierung der Anker durch Überschreitung der thermisch reduzierten Streckgrenze Quetschung der Dämmung durch ausgeprägten Radialdruck 1

15 14 SCHADENSMECHANISMUS Repräsentativer Bereich ERSTE ABKÜHLUNG 2. ERSTE ABKÜHLUNG Trennriss (1) VORGÄNGE WÄHREND ABKÜHLUNG Durchreißen der Risse bis zur Innenseite der Betonschicht Festhaltung der Betonschicht durch die plastisch gestauchten Anker Lockerung der zuvor komprimierten Wärmedämmung (2) VERÄNDERUNGEN INFOLGE ABKÜHLUNG Teilung der Betonschicht in einzelne an den Ankern angebundene Teile Keine Rückstellung der Betonteile durch die plastisch gestauchten Anker Microverlagerung der Wärmedämmung Verformter Anker (3) SZENARIO NACH ABKÜHLUNG Große durchgehende Trennrisse zwischen den freien Betonteilen Verbogene und verdrehte Anker Undichte Wärmedämmung Undichte Dämmung

16 15 SCHADENSMECHANISMUS Repräsentativer Bereich ERNEUTE ERHITZUNG Dampfeindrang Wirbelbettfüllung 3. ERNEUTE ERHITZUNG (1) VORGÄNGE WÄHREND ERHITZUNG Verfüllung der offenen Risse mit Wirbelbett Eindrang des Wasserdampfes in die offene Risse Weiterleitung des Dampfes bis zum Stahl durch undichte Dämmung (2) VERÄNDERUNGEN INFOLGE ERHITZUNG Wiederholter Drang der ausgesteiften Betonteile gegen die Anker Kondensierung des Dampfes am kaltem Stahlmantel Angriff des Wassers auf die microporöse Dämmung (3) SZENARIO NACH ERHITZUNG Zunahme der plastischen Ankerstauchung Transport des Kondenswassers in die Regelbereiche der Anlagensegmente Massive Lockerung der Dämmung durch Schrumpfung der microporösen Schicht Wasserkondensation

17 16 SCHADENSMECHANISMUS Repräsentativer Bereich WEITERE BETRIEBSZYKLEN Extremer Trennriss Verdrehter Betonteil 4. WEITERE BETRIEBSZYKLEN (1) VORGÄNGE Aufweitung der Risse durch zunehmende plastische Ankerstauchung Massiver Eindrang der Rauchgase in die permanent offenen Risse Weiterleitung des Dampfes bis zum Stahl durch die lockere Dämmung (2) VERÄNDERUNGEN Eindrang des Wirbelbetts in die Wärmedämmung Massive Kondensierung des Dampfes am Stahlmantel Weitgehende Zerstörung der microporösen Platten durch vagabundierende Rauchgase Verformter Anker (3) ZERSTÖRUNG Stark verbogene und schräg stehende Anker Verdrehte und verkantete Betonteile angebunden an Anker Hot-Spots am Stahlmantel aufgrund des Verlusts der Wärmedämmung Zerstörte Dämmung Hot-Spots

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!