Im Juli 2024 kam es bei der Entnahme einer kleinen Menge Bitumen aus einem beheizten und isolierten Lagertank in einer britischen Hafenanlage zu einem teilweisen Innenvakuum und einer erheblichen Formveränderung der Tankhülle, als die Tankbelüftung nicht wie vorgesehen funktionierte.
Nach dem raschen Eingreifen des örtlichen Betriebsteams konnte das Vakuum durch manuelle Entlüftung des Tanks beseitigt werden, so dass der Tank anscheinend wieder seine ursprüngliche Form annehmen konnte. Es wurden Bedenken hinsichtlich der Integrität des Tanks geäußert, die sich auf eine örtlich begrenzte, dauerhafte Verformung der Ummantelung, eine verbleibende plastische Verformung und mögliche Risse bezogen, die alle eine umfangreiche Entfernung der Isolierung oder eine vollständige Entleerung und gründliche Innenreinigung erforderten.
Wir haben einen analytischen Screening-Ansatz mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse (FEA) vorgeschlagen, um die Wahrscheinlichkeit dauerhafter plastischer Verformungen unter den vermuteten Vakuumbedingungen zu bewerten und potenzielle Schadensstellen für eine gezielte Inspektion zu identifizieren.
Das Fehlen sichtbarer Verformungen an der äußeren Isolierverkleidung erschwerte die visuelle Erkennung potenzieller Bereiche plastischer Verformung.
Dies erforderte eine umfangreiche Kampagne zur Entfernung der Isolierung, um eine hohe Inspektionsabdeckung zu erreichen und zu bestätigen, dass es keine schädlichen plastischen Verformungen gibt.
Alternativ hätte der Kunde den Tank vollständig entleeren und gründlich reinigen können, um einen sicheren Zugang für eine visuelle Inspektion durch einen Menschen oder eine Drohne zu erhalten. Beide Inspektionsansätze hätten erhebliche Ausfallzeiten erfordert, erhebliche Vorbereitungs- und Inspektionskosten verursacht und große Mengen an Abfallprodukten mit erheblichen Umweltauswirkungen erzeugt.
Wir schlugen die Verwendung eines vereinfachten Finite-Elemente-Modells des Tanks vor, um die vorherrschenden Bedingungen während des Ereignisses zu simulieren und die Wahrscheinlichkeit einer plastischen Verformung während des Vakuumereignisses zu bestimmen.
Die damit verbundene Knickanalyse des Modells sollte die wahrscheinlichste Stelle der plastischen Verformung aufzeigen, um eine gezielte Entfernung und Inspektion der Isolierung zu ermöglichen, was zu einer Minimierung der Vorbereitungs-, Inspektions- und Ausfallzeiten der Anlage führt.
Ein vereinfachtes und repräsentatives dreidimensionales Finite-Elemente-Modell des Tanks wurde auf der Grundlage der Bestandszeichnungen erstellt, wobei die angegebenen (und variierenden) Konstruktionsdicken für die einzelnen Schalenstege verwendet wurden.
Da sich zum Zeitpunkt des Ereignisses ein Produkt im Tank befand, wurde der Boden als starre Oberfläche betrachtet, während das Dach und die Stützstruktur detailliert modelliert wurden, um sicherzustellen, dass die Steifigkeit, die sie dem Tankmantel verleihen, genau dargestellt wurde. Es wurde davon ausgegangen, dass untergetauchte interne Zubehörteile im Boden des Tanks, wie z. B. Heizschlangen, keinen Einfluss auf das Beulverhalten des Tanks haben und wurden daher weggelassen, während entsprechende zusätzliche Faktoren für externe Laufstege und andere Anlagen in das Modell aufgenommen wurden.
Das Team führte eine Knickanalyse und eine linear-elastische Spannungsanalyse des Tankmodells für verschiedene Belastungsszenarien durch, wobei die allgemeinen Richtlinien von ASME VIII Div 2 Part 5 befolgt wurden, jedoch ohne Anwendung von Auslegungslastfaktoren, um die tatsächlichen Betriebsbedingungen zu simulieren.
Für jede bewertete Bitumenfüllhöhe wurde der innere Dampfraumdruck reduziert, bis der Lastmultiplikator in der Knickbewertung auf einen Wert von eins sank, was das Einsetzen der Knickinstabilität anzeigt. Anschließend prüften die Ingenieure mit Hilfe einer linear-elastischen Analyse am Knickpunkt, ob die maximale Spannung die Materialstreckgrenze übersteigt, was auf den Beginn einer dauerhaften plastischen Verformung hindeutet.
Leider wurden aufgrund der kurzen Dauer des Vakuumereignisses wichtige Betriebsdaten wie die Bitumenfüllhöhe und der Dampfraumdruck nicht genau aufgezeichnet. Das Team konnte eine Sensitivitätsanalyse durchführen, um Unsicherheiten zu beseitigen, indem es wichtige Betriebsdaten variierte, um alle möglichen Szenarien zu erfassen.
Obwohl die Knickanalyse ergab, dass der Tank nur eine sehr begrenzte Kapazität hat, um einem Teilvakuum standzuhalten, wurde gezeigt, dass das Teilvakuum, bei dem die Knickinstabilität auftritt, um Größenordnungen größer ist als die ursprünglichen Konstruktionsanforderungen, was die Angemessenheit der ursprünglichen Konstruktion bestätigt.
Die Sensitivitätsanalyse ergab eine Reihe von maximal zulässigen Vakuumdruckbedingungen für verschiedene Tankfüllhöhen, wobei der höchste Vakuumdruck erwartungsgemäß mit der niedrigsten Füllhöhe und dem größten Dampfraum verbunden ist.
Im Gegensatz dazu wurde durch Anwendung des Boyle'schen Gesetzes nachgewiesen, dass das Risiko der Entstehung eines größeren Vakuums bei höheren Füllhöhen am größten ist, wo kleinere Änderungen des Bitumenvolumens zu einem größeren Anstieg des Vakuums führen würden.
Alle Bewertungsszenarien zeigten, dass die Spannungswerte im Tankmantel zu Beginn der Beulinstabilität deutlich unter der Materialstreckgrenze lagen. Es wurde auch gezeigt, dass ein erheblicher Anstieg des Unterdrucks weit über den Punkt der Knickinstabilität hinaus erforderlich wäre, um eine plastische Verformung einzuleiten, was darauf hindeutet, dass ein katastrophaler Zusammenbruch des Tanks weit vor dem Einsetzen einer signifikanten dauerhaften Verformung eintreten würde. Außerdem wurde gezeigt, dass die erste plastische Verformung in einem solchen (unwahrscheinlichen) Szenario an der Schnittstelle zwischen Tank und Dach auftreten würde und nicht in einem der Bereiche, in denen eine Verformung der Hülle beobachtet wurde.
Unser innovativer analytischer Ansatz ermöglichte eine Quantifizierung der Wahrscheinlichkeit einer dauerhaften Beschädigung des Tanks durch das Vakuumereignis, was den Kunden in die Lage versetzte, eine risikobasierte Entscheidung zur Wiederinbetriebnahme des Tanks nach einer überwachten und kontrollierten Erstbefüllung zu treffen.
Die schnelle Durchlaufzeit des analytischen Ansatzes, der in wenigen Tagen abgeschlossen war, reduzierte die Ausfallzeit des Tanks auf ein absolutes Minimum. Darüber hinaus führte der Wegfall umfangreicher Inspektionsanforderungen zu einer erheblichen direkten Kosteneinsparung sowie zu einer erheblichen Verringerung der Umweltbelastung, da keine Isolierabfälle, entsorgten Produkte oder kontaminiertes Wasser anfielen.
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