Poškození průmyslových komínů

Příspěvek je věnován riziku poškození železobetonových komínů vlivem vysokých teplot. Úvodem je popsána teorie problematiky zatížení železobetonu sálavým teplem včetně průběhu poškození betonu i výztuže. V textu jsou dále uvedeny rozdíly mezi jednotlivými ochrannými konstrukcemi železobetonových dříků komínů před působením spalin, konkrétně mezi přizděným a odsazeným ochranným pouzdrem a ochrannou vložkou.

Závěrem se příspěvek zabývá popisem stavebně technického průzkumu a diagnostiky u konkrétního případu – železobetonového komínu M 130 m v rafinerii Unipetrol, kde v roce 2015 došlo k požáru etylenové jednotky odvádějící spaliny do komínu.

Beton i železobeton mají, stejně jako ostatní materiály, kromě výhod i svoje nevýhody. Železobeton má nízkou odolnost vůči agresivním látkám a vysokým teplotám, které jsou typické pro průmysl a týkají se i průmyslových komínů.

Tyto objekty jsou vždy klíčem k provozu celého závodu nebo města a musí se řádně chránit před negativními vlivy. I když je odolnost betonu vůči požáru (vysoké teplotě) omezena, ve srovnání se dřevem nebo ocelí dosahuje vždy lepších hodnot a delší životnosti.

Degradace betonu v důsledku vysokých teplot

V případě železobetonu se zvýšená teplota negativně projevuje kombinací několika faktorů degradace. Dochází k poklesu vlhkosti, což je spojeno s objemovými změnami, dále dochází ke změnám v jednotlivých minerálech obsažených v cementu a v neposlední řadě k odlišné tepelné roztažnosti různých materiálů – cementového tmelu, kameniva a výztuže. [1, 2, 3]

Při vystavení povrchu betonu teplotám cca 100 °C dochází k odpařování volné vody obsažené v porézní struktuře. Tento proces je obvykle postupný a nemá negativní vliv na beton. I když teplota dosáhne 300 až 350 °C, dochází pouze k mírnému poklesu pevnosti.

Obecně může beton zahřátý na 400 °C obnovit své vlastnosti po ochlazení v důsledku atmosférické vlhkosti (asi 90 % původní hodnoty). Další zvýšení teploty se projevuje změnou jednotlivých minerálů obsažených v betonu.

Asi při 500 °C se vázaná voda uvolňuje z hydroxidu vápenatého za vzniku oxidu vápenatého, dochází k tzv. dehydrataci. Při rychlém nárůstu teploty však pára způsobuje značný porézní tlak, protože při přeměně z kapalného do plynného stavu vznikne z 1 litru vody na 1 700 litrů vodní páry, a na druhé straně přispívá k uvolňování vazeb.

Pokud dojde k ochlazení, může dojít k částečné rehydrataci oxidu vápenatého, zejména při použití cementu s obsahem strusky. Při teplotách nad 700 °C se z kalcitu uvolňuje CO₂.

Jak se teplota zvyšuje, modul pružnosti se snižuje a následně se snižuje pevnost, což v krajním případě vede k celkovému rozpadu struktury a rozpadu zasaženého betonu. Kromě cementu se teplota zvyšuje i na jednotlivých zrnech použitého kameniva.

Jednotlivé typy kameniva reagují na zvýšenou teplotu různě a volba kameniva je tak zásadní z hlediska teplotní odolnosti. Některé kameniva jsou kvůli teplotě spáleny (vápenec), některé jsou roztaveny (struska) a některé podléhají změnám objemu (křemen).

V důsledku expanze vytvořené páry dochází také k rozsáhlým tlakům, které jsou doprovázeny odstřelením povrchové vrstvy betonu, což je zvláště problematické během případné evakuace a následného zásahu hasičů.

Další problematickou skutečností při požáru je, že zvýšená teplota nejčastěji postihuje pouze jednu stranu prvku, a proto dochází k nerovnoměrnému ohřevu. Kromě výše popsaných jevů vzniká napětí v důsledku tepelné roztažnosti, které u silnostěnných konstrukcí mohou dosáhnout i velmi vysokých hodnot.

Samotné výchylky také podporují vznik trhlin, čímž poškozují i nezasažené části konstrukce. [1, 2, 3, 7, 8]
Při teplotách nad 100 °C dochází k významným změnám koeficientu tepelné roztažnosti, který je výraznější při vyšších teplotách u oceli než u betonu.

Ocelová výztuž se tedy natahuje a dochází ke ztrátě soudržnosti s betonem. Výztuž a beton přestávají spolupracovat jako celek, čímž se snižuje statická únosnost. Ocel má všeobecně velmi nízkou odolnost proti teplotě a při 600 °C se snižují pevnostní vlastnosti zhruba na polovinu.

V případě ztrátě únosnosti výztuže obvykle dochází k částečnému zhroucení nosného prvku. K poškození způsobenému teplotou jsou náchylnější zejména stropní konstrukce (v důsledku koncentrace horkého plynu stoupajícího nahoru) a tenké konstrukce. Problémem životnosti prvků je také hašení proudem vody.

Rychlé ochlazování často způsobuje vybočení výztuže, dochází ke vzniku trhlin a je narušena soudržnost. [1, 2, 4, 7, 8]. Potřeba diagnostikovat případnou expozici betonu vůči vysokým teplotám není obvykle nutná a informace, že stavební konstrukce byly vystaveny teplotám nad 500 °C, budou pravděpodobně všeobecně známé.

Má-li být však toto podezření ověřeno, může být použita termogravimetrie. Beton po kontaktu s ohněm není zasažen karbonatací, tedy vyskytuje-li se v betonu vyšší koncentrace uhličitanu vápenatého, lze zasažení požárem vyloučit.

Zkušený technik se rovněž může orientovat dle změny barvy. Beton s křemenným kamenivem může být zbarven do světlého odstínu oranžovorůžové barvy při vystavení teplotě vyšší než 350 °C a vápencové betony se mohou změnit na žlutohnědou barvu.

Přítomnost světle růžového odstínu však může znamenat významnou etapu karbonatace v některých betonech, takže tyto vizuální metody by měly být použity pouze jako orientační. [4, 5, 6]

Ochrana průmyslových komínů

V případě dnešních moderních energetických komínů, kde spaliny obvykle dosahují teplot do 100 °C, je ohrožení konstrukce vlivem teploty nejčastěji spojeno s nehodou. Mnoho komínů ze železobetonu je však v provozu i v jiných oborech, např. v hutnickém průmyslu, kde jsou teploty značně vyšší.

Aby bylo možné zajistit dostatečnou funkčnost a životnost nosného dříku komínu, je naprosto nezbytné chránit nosný dřík komínu před spalinami vnitřním ochranným pouzdrem nebo vložkou.

Přizděné ochranné pouzdro

Přizděné ochranné pouzdro je historickým, ale současně nejrozšířenějším způsobem ochrany dříku komína před působením spalin. Tvarovky samotné vyzdívky jsou spolu s tepelnou izolací přizděny přímo na vnitřním líci nosného dříku komína.

Pouzdro je děleno na jednotlivé etáže pomocí dilatační spár. Etáže jsou založeny na železobetonových konzolách na vnitřním povrchu samotného dříku. Dilatační spáry byly v minulosti utěsněny několika zpravidla azbestovými provazci namočenými v asfaltovém laku.

V současné době jsou rekonstrukce obvykle prováděny tkaninovými kompenzátory nebo jednodušeji pomocí krycích segmentů z nerezového plechu a utěsnění pomocí skelných provazců nebo rohoží z minerální vlny.

Odsazené ochranné pouzdro nebo vložka

Modernější variantou jsou komíny s odsazeným pouzdrem nebo vložkou. Konstrukce pouzdra nebo vložky je odsazena od stěny dříku komína, což vytváří odvětraný meziprostor. Ten umožňuje odvětrání případně proniknuvších spalin nebo vysychání kondenzátu.

Rozdíl výrazu mezi pouzdrem a vložkou je v použitém materiálu. Pouzdro je vyrobeno z kusových prvků – keramických tvarovek, nejčastěji z kyselinovzdorného šamotu. Vložky jsou složeny z jednotlivých dílů, které jsou zpravidla ocelové (korozivzdorná ocel, ocel Cor-ten) nebo kompozitů.

V chemicky agresivních provozech jsou kompozitní materiály (polymer vyztužený skleněnými vlákny) vhodnou alternativou. V případě komínů s vložkou lze do jednoho dříku umístit i větší množství vložek, např. pro různé kotle provozu.

Nosné konstrukce pouzdra nebo vložky jsou vyrobeny z ocelových profilů nebo jako mezikružná železobetonová deska. Odsazeným pouzdrem nebo vložkou může být při rekonstrukci opatřen i komín, projektovaný na pouzdro přizděné.

Havárie M130 m Unipetrol Záluží

Pro odvod spalin z etylenové jednotky v rafinérii Unipetrol, Záluží u Litvínova, se používá 130 m vysoký železobetonový komín s přizděným ochranným pouzdrem. Dne 13. srpna 2015 proběhla mimořádná událost – požár etylenové jednotky, při které byla v komíně zaznamenána tlaková vlna a vysoké teploty.

Přesné načasování události a výsledné teploty nejsou dostupné. Na přiložených fotografiích jsou dobře zřetelné následné závady. Na mnoha místech bylo zdivo výrazně poškozeno.

Prvky vnitřní ocelové výstroje jsou silně poškozeny teplotami, kryty dilatačních spár jsou deformovány a vnitřní žebřík se částečně rozpadl. Výsypka na dně komína byla pokryta sutí z poškozeného zdiva až do výšky 1 m. Hlava komína byla rovněž poškozena a beton pod hlavou byl částečně poškozen teplem. [9, 10]

Diagnostika M130 m Unipetrol Záluží

Na základě stavu zjištěného při revizi komína bylo následně provedeno několik sérií jádrových vývrtů (celkem 11), které sloužily k dalšímu posouzení. Bylo provedeno vizuální posouzení vývrtů, které se zabývalo strukturou betonu a možnými příčinami zjištěných závad a poruch.

Dva vzorky obsahovaly horizontální trhliny, které byly rozšířeny na povrchu konstrukce. Vzhledem k tomu, že tyto trhliny již byly opatřeny sanační stěrkou, bylo jasné, že v důsledku havárie nevznikly. U ostatních byly zaznamenány vodorovné trhliny maximální tloušťky 0,2 mm a lomové plochy neprošly kamenivem vzorku.

Dokonce i povrch těchto trhlin byl opatřen sanační stěrkou, která vylučuje jejich výskyt až v důsledku nehody. V návaznosti na další zjišťování poruch se inspekce vzorků zaměřila na změny barev betonu, použitého kameniva, hloubky karbonatace betonu a umístění výztuže.

Následně byly připraveny vzorky pro testování pevnosti betonu v tlaku. Zkouška byla provedena v souladu se standardními normovými požadavky. Po přepočítání na základě zjištěných válcových pevností byly stanoveny kubické pevnosti v tahu.

Bylo zjištěno, že beton odebraný ve výšce 35 m odpovídá třídě pevnosti C 16/20, kdy průměrná pevnost v tlaku byla 24,0 MPa. Beton odebraný ve výšce 81 m, jehož průměrná pevnost v tlaku byla 33,2 MPa, odpovídá pevnostní třídě C 25/30 a průměrná pevnost 39,4 MPa byla zjištěna pro vzorky betonu odebrané ve výšce 127 m, což odpovídá pevnostní třídě C 30/37.

Acidobazická reakce povrchu vzorků betonu byla ověřena alkoholovým roztokem fenolftaleinu pro přibližné stanovení pH povrchové vrstvy betonu. U všech vzorků byla zaznamenána karbonatace, a to jak na vnějším, tak i vnitřním líci.

Pomocí dife­renční skenovací kalorimetrie s termogravimetrií byly vzorky monitorovány především z hlediska toho, zda na základě pozorovaných minerálních fází došlo v minulosti k výrazným tepelným změnám v betonu. Bylo zjištěno, že u všech testovaných vzorků nedošlo k tomuto zatížení, ale v několika vzorcích byla zjištěna síranová koroze. [9, 10]

Výsledky a diskuse

Na základě výše popsaných závad a stavebních prohlídek bylo zjištěno podezření na možné poškození vnitřního povrchu železobetonového komína. Následně bylo provedeno jedenáct vývrtů pro laboratorní analýzy.

Vizuálně nebylo ve vývrtech zaznamenáno žádné poškození, které by souviselo bezprostředně s havárií. Při stanovení pevnosti v tlaku se výsledná hodnota pohybovala od 17,0 MPa do 25,0 MPa, což eliminuje případné požární poškození.

Pomocí 1% fenolftaleinového indikátoru bylo zjištěno, že betonové části jsou významně ovlivněny karbonatací. Následnou termickou analýzou (DSC/TG) bylo zjištěno, že betonové části jsou výrazně ovlivněny síranovou korozí.

Skutečnost, že jsou detekovány sírany, tak eliminuje možné účinky vysokých teplot přímo na konstrukci a lze říci, že ochranné pouzdro zabránilo poškození betonu a absorbovalo extrémní účinky jak teplot, tak tlakové vlny, ovšem za cenu vlastního poškození ochranného pouzdra, které tak dostálo svému účelu. [5, 6, 9, 10]

Poděkování
Práce byla podpořena koncepčním rozvojem vědy, výzkumu a inovací uděleným Ministerstvem školství,
mládeže a tělovýchovy ČR.

Technické dokumentace, revizní zprávy, zprávy ze stavebnětechnických průzkumů i fotodokumentace byly poskytnuty firmou Betochem, s. r. o.

Literatura
[1] V. KUPILÍK Building construction from the fire point of view. Prague: Grada Publishing (2006)
[2] J. BILČÍK, J. DOHNÁLEK Restoration of concrete structures. Bratislava: Jaga group (2003)
[3] P. EMMONS, Z. JEŘÁBEK, R. DROCHYTKA, Restoration and maintenance of concrete in illustrations. CER M (1999)
[4] R. DROCHYTKA Technical conditions for rehabilitation of concrete structures. TP SS BK III. Brno: Association for the rehabilitation of concrete structures (2012)
[5] M. PEŠATA Constructional technical surveys of reinforced concrete chimneys of industrial buildings. Thesis Ostrava: FAST VŠ B-TUO, (2017)
[6] L. ŽÍDEK, P. MEC , D. BUJDOŠ . Construction diagnostics. Ostrava: VŠ B-TUO (2015)
[7] J. JACO BS Comprehensive fire protection and safety with concrete. Brussels: AS BL (2007)
[8] T. ENNON Fire safety of concrete structures: background to BS 8110 fire design. Watford: BRE Bookshop (2004)
[9] L. ŽÍDEK Evaluation of concrete samples from chimney construction M130 Unipetrol. Ostrava: VŠ B – TUO (2015)
[10] F. BALOGH, J. WAGNER. Technical inspection of the chimney M 130 m in Unipetrol. Revision Report No. 2015/427/01 Ostrava:Betochem (2015)

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb 2/2019.