Consolidarea structurii de sustinere a Reactorului de Cracare Catalitica din cadrul Rafinariei Petrobrazi, Ploiesti

Consolidarea structurii de sustinere a Reactorului de Cracare Catalitica din cadrul Rafinariei Petrobrazi, Ploiesti prin transformarea structurii metalice in sistem de tip cadre cu noduri rigide si sporirea amortizarii structurii folosind amortizori vascosi (I) 

Pentru cei interesati, va prezentam in cele ce urmeaza o solutie de consolidare a structurii care sustine reactorul de cracare catalitica din cadrul Rafinariei Petrobrazi. Structura metalica zabrelita a fost proiectata si construita in anii 1965-1968, dupa normele americane de la acea vreme. Prin aceasta noua solutie se intentioneaza marirea capacitatii reactorului existent, crescand, astfel, cu cca. 43% greutatea acestuia.

A fost nevoie de o solutie care sa tina cont de atingerea mai multor deziderate, atat de natura tehnica, cat si de natura tehnologica. Dupa analizarea mai multor posibilitati, s-a stabilit ca singura solutie viabila pentru atingerea tuturor dezideratelor este sporirea semnificativa a amortizarii vascoase a structurii – prin introducerea de amortizori vascosi in diagonalele structurii, concomitent cu consolidarea propriu-zisa a structurii metalice si transformarea acesteia intr-o structura de tip cadre cu noduri rigide.

In Judetul Prahova, in cadrul Rafinariei Petrobrazi se afla o instalatie de cracare catalitica, avand in componenta sa un Reactor de Cracare Catalitica.

Instalatia cuprinde, in principal, trei utilaje tehnologice: reactor, regenerator si camera cu orificii (fig. 1).

Proprietarul Rafinariei intentioneaza sa modernizeze tehnologic aceasta instalatie prin modificarea Reactorului, in sensul sporirii capacitatii acestuia si, implicit, a masei si greutatii sale.

Intrucat este vorba despre o structura care a fost realizata si data in folosinta in urma cu cca. 40 ani, care a fost proiectata si executata dupa metode si dupa norme care s-au modificat semnificativ in aceasta perioada, norme mult depasite la ora actuala din punct de vedere al sigurantei in exploa­tare, a fost obligatorie reali­zarea unei expertize tehnice, pentru a se stabili daca si in ce conditii modificarile dorite se pot realiza.

Expertiza Tehnica care a stat la baza pro­iectului de con­solidare a fost efectuata de dr. ing. Traian Popp.

Este de mentionat faptul ca in anul 2000 structura a mai trecut printr-un proces de consolidare care, dupa analize indelungate, a constat intr-un sistem structural ce implica disipare de energie, printr-o amortizare cu o masa acordata amplasata la partea superioara a constructiei. Interesant este ca, inca din anul 2000, calculele au aratat ca solutia cea mai buna este introducerea amortizarii suplimen­tare in constructie.

In anii 2011 si 2012 s-au mai intocmit doua expertize tehnice, care au vizat posibilitatea maririi capa­citatii reactorului cu 83, respectiv 13 tone.

Si atunci, dar si acum, la 14 ani distanta de consolidarea din anul 2000, odata cu o noua cerere de marire a capacitatii reactorului, calcule sistematice au indicat, inca o data, ca solutia cea mai buna este aceeasi, respectiv introducerea unei amortizari globale suplimentare in constructie.

Prezentare structura existenta

Radierul general are grosimea de 90 cm iar grinzile intoarse au inaltimea totala de 554 cm; intre grinzi este realizata o umplutura de balast (fig. 2, 3, 4).

Stalpii structurii de rezistenta metalice sunt din profile “H” si reazema la intersectia grinzilor radierului, iar prinderea bazelor stalpilor este realizata cu cate 8 buloane de ancoraj M68; bazele stalpilor, inclusiv buloanele de ancoraj, sunt inglobate in cuzineti de beton.

Elementele metalice structurale sunt betonate, in vederea protectiei la foc, pana la cota de +10 m fata de baza (pe primele doua niveluri), conform normelor si reglementarilor Rafinariei.

Ansamblul tehnologic si constructiv initial a fost proiectat si executat in SUA, in anii ‘60.

Structura metalica de rezistenta care sustine reactorul are alcatuire spatiala si este un turn vertical zabrelit cu doua celule de forma patrata in plan, cele doua celule avand regim de inaltime usor diferit. Celula principala, care sustine coloana reactorului, are 6,045 m ┤ 6,045 m in plan si inaltimea actuala de 36,27 m iar celula secundara adiacenta, in care se afla scara, liftul si diferite podeste, are 6,045 m ┤ 6,045 m in plan si inaltimea actuala de cca. 43 m (fig. 5, 6).

Structura metalica de rezistenta are o inaltime ma­xima de circa 47,3 m deasupra terenului. Nivelurile principale sunt urmatoarele: +4,461, +10,367, +16,272, +21,416, +27,321, +33,350, +36,541, +38,570, +44,115, +47,315. Cota de rezemare a reactorului este aproximativ +38,00. La cota +3,540 m structura metalica este echipata cu un sistem rigid zabrelit realizat in scopul de a opri deplasarile laterale ale partii inferioare a riser-ului.

Celula reactorului are sapte niveluri de inaltimi diferite, delimitate de platforme tehnologice iar celula secundara (structura in zona in care se afla scara si ascensorul) are inca doua niveluri in plus fata de celula principala.

Contravantuirile sunt realizate cu diagonale in “X”, “/”, “\”, in functie de cerintele tehnologice, care in multe locuri nu au permis amplasarea a doua diagonale. Diagonalele in “X” sunt alcatuite din perechi de corniere solidarizate cu gusee si fururi, iar diagonalele simple din profile americane („H”).

Toate grinzile sunt din profile “I” sau “H”, cu doua talpi si inima plina, rezemarea si prinderea reciproca si pe stalpi fiind realizata cu suruburi plasate numai pe inimile grinzilor (prindere articulata).

Structura de rezistenta este rea­lizata din otel OL37 (S235).

Obiectul si cerintele temei de proiectare

La ora actuala se doreste o noua modernizare din punct de vedere tehnologic, prin inlocuirea reactorului. Tronsoanele superioare (reactorul propriu-zis si Striper-ul) vor fi inlocuite cu unele cu capacitate / greutate mai mare. Tronsonul inferior – Riser – va ramane nemodificat.

Rezulta un spor de masa si greutate de 152,1 tone, adica cca. 43% (tabelul 1).

Fata de toate situatiile propuse si analizate in anii precedenti, aceasta reprezinta cea mai mare cres­tere a capacitatii reactorului, cu cele mai importante si severe implicatii asupra structurii de rezistenta pe care este sustinut acesta.

O alta constrangere, venita din partea Beneficiarului, a fost ca deplasarile maxime de la cota de rezemare a reactorului sa nu depaseasca 32 cm pentru actiunea seismica – SLU.

Structura trebuie inclusa in Clasa I de importanta, datorita continutului extrem de periculos al interiorului reactorului, precum si a importantei economice deose­bite pe care o are functionarea in parametri normali a rafinariei.

Interventiile la nivelul fundatiilor trebuie sa fie minimale si doar la partea superioara a acestora. In plus, consolidarea structurii trebuie reali­zata pastrandu-se reac­torul in functiune.

Analiza structurii existente cu reactorul propus

– Actiunea seismica:

Acceleratia maxima a terenului in amplasament: a_g = 0,28 g

Factorul de importanta-expunere g₁ = 1,4

Spectrul inelastic de proiectare  (fig. 7)

Pentru Ploiesti: TB=0,1 s, TC=1,0 s, TD=3,0 s

Constructia are comportarea unui pendul inversat, avand cca. 80% din masa concentrata la varf. Din acest motiv, factorul de comportare global, folosit in analizele elastice bazate pe spectre de raspuns, a fost: q=2.

Incarcarea utila pe platformele de acces si mentenanta: 0,70 kN/m2.

Incarcari tehnologice: conform schemelor tehnologice si datelor primite de la Proiectantul General. Nu vom detalia aici aceste incarcari, intrucat au o configuratie complicata si nu fac obiectul articolului de fata. Ca ordin de marime, totalul acestor incarcari tehnologice este de 457 kN (fara a include in aceasta valoare si coeficientii partiali de siguranta).

Actiunea vantului a fost luata in calcul conform CR 1-1-1-4:2012.

Actiunea zapezii, pentru structura de fata, se poate neglija. Este o structura zabrelita deschisa, care nu permite si nu favorizeaza depunerea zapezii, iar procesul tehnologic este insotit de degajare mare de caldura in zona reactorului, ceea ce conduce la topirea eventualelor depuneri de zapada.

Combinarea efectelor actiunilor s-a realizat conform Cod de Proiectare CR0 – 2012 – Bazele Proiectarii Constructiilor.

Rezultatele analizei modale pentru structura existenta, cu reactorul nou propus sunt redate in figura 8.

Greutatea constructiei, in gruparile care includ actiunea seismica: G = 6.400 kN.

Deplasarea maxima la cota de rezemare a reactorului (+36,27):

• intrucat deplasarile pe ambele directii sunt comparabile, cele de pe directia transversala – Y – fiind, totusi, usor mai mari, vom prezenta valorile numai pentru aceasta directie transversala (fig. 9).

Indicatorul R3 si clasa de risc seismic, rezultate in urma evalu­arii prin calcul a structurii:

• din analize spectrale: R3 = 0,38.
• din analize dinamice neliniare: R3 = 0,50.

Prin urmare, structura existenta, cu reactorul propus, se incadreaza in Clasa II de risc seismic.

– In ceea ce priveste sistemul de fundare existent:

S-a verificat posibilitatea aparitiei efectului de rasturnare, dar acesta nu reprezinta un pericol sau o pro­blema reala, intrucat fundatia este una comuna pentru Reactor, Rege­nerator si Camera de Orificii de Admisie. Problema reala, la nivelul fundatiilor, este constituita de eforturile care pot aparea in sectiunea de fundatie dintre structura reactorului si cea a regeneratorului.

In urma evaluarii capacitatii de rezistenta la incovo­iere a sistemului de fundare, in sectiunea aratata, a rezultat o capacitate:

Abordare si concept de calcul pentru stabilirea solutiei de consolidare

Solutii analizate si solutia aleasa

Au fost analizate diverse solutii, cu diverse particula­ritati de abordare si calcul. Unele dintre solutiile studiate nu pot aduce structura in parametrii de siguranta impusi de norme.

In termeni de energie, sistemul este caracterizat de urmatoarea ecuatie:

E_I = E_k + E_s + E_h + E_d

Unde:

– E_I reprezinta energia de “input” sau energia seismica

– E_k reprezinta energia cinetica a structurii (care se poate neglija)

– E_s reprezinta energia disipata prin deformatii elastice

– E_h reprezinta energia disipata prin histerezis (deformatii plastice)

– E_d reprezinta energia disipata prin amortizare

Principial, pentru o energie de input data, raspunsul structurii se poate conforma prin diferite abordari:

1. a) Fie prin sporirea capacitatii structurii de deformatii elastice;
2. b) Fie prin sporirea ductilitatii structurii si sporirea capacitatii acesteia de a se deforma plastic;
3. c) Fie prin sporirea amortizarii structurii.

Vom trece in revista mai intai solutiile analizate, in concordanta cu principiile a) si b) de mai sus.

Consolidarea clasica

Prin consolidare clasica s-a incercat sporirea capa­citatii de rezistenta a stalpilor, grinzilor si contravantui­rilor, fie prin inlocuirea acestora, fie prin adaugarea de tole metalice sudate.

Factorul de comportare s-a considerat q=2.

Practic, in ecuatia generala a egalitatii energiilor, se intervine prin incercarea de crestere a valorii termenului Es.

E_I = E_k + E_s + E_h + E_d

Consolidare prin folosirea de diagonale impiedicate la flambaj (brb), deci cu sporirea ductilitatii structurii

Principiul acestui tip de consolidare este asemanator cu cel al unei consolidari clasice (in sensul consolidarii sau inlocuirii elementelor structurale), cu diferenta majora data de faptul ca diagonalele din profile laminate se inlocuiesc cu diagonale impiedicate la flambaj, care conduc la o structura cu ductilitate mare, caracterizata de un factor de comportare mult mai mare.

Practic, in ecuatia generala a egalitatii energiilor, se intervine prin incercarea de crestere a valorii termenului E_h.

E_I = E_k + E_s + E_h + E_d

Pentru ca in cadrul unui singur articol nu putem detalia si analizele sau rezultatele analizelor pentru toate solutiile studiate, vom spune pe scurt doar ca niciuna dintre variantele de mai sus nu a condus la o solutie care sa satisfaca toate cerintele, atat din punct de vedere al rezistentei si stabilitatii globale si la nivel de element, cat si din punct de vedere al conditionarilor tehnologice.

Rezultatele analizelor prin calcul, precum si imposibilitatea fizica de a realiza consolidarea stalpilor, pana la un nivel acceptabil de siguranta, rezistenta si stabilitate, au condus la concluzia ca o abordare clasica a reabi­litarii structurii nu este practic posibila.

Izolarea bazei

S-a pus si problema studierii si implementarii unui sistem de izolare a bazei constructiei. Aceasta solutie a fost eliminata, insa, inca de la bun inceput, la cerinta Clientului, intrucat ar fi fost imposibil de realizat deoare­ce la nivelul bazei constructiei exista extrem de multe instalatii, echipamente, conducte ingropate intre grinzile de fundare etc. Prezenta acestora face imposibila modificarea sistemului de fundare pentru a permite montarea unor izolatori de baza.

Sporirea amortizarii structurale

Ideea acestei solutii consta in transformarea structurii intr-un sistem de tip cadre cu noduri rigide (“moment frame”), concomitent cu introducerea unui sistem de sporire a amortizarii structurale.

Sistemul structural devine mai flexibil, amplificarile dinamice sunt, insa, mai mici decat in cazul unui sistem zabrelit, deci input-ul seismic si eforturile in elementele structurale scad.

Dar, pentru a obtine o scadere cu adevarat semnificativa de eforturi in elementele structurale, este nevoie si de sporirea amortizarii structurale, care sa si limiteze deplasarile laterale ale sistemului devenit mai flexibil. Acest lucru se poate obtine folosind diverse sisteme sau dispozitive seismice.

In cazul de fata, cele mai potrivite sunt elementele de tip amortizori vascosi, montati in diagonalele structurii, mentinandu-se, astfel, nemodificata geometria structurii si traseele tehnologice.

Practic, in ecuatia generala a egalitatii energiilor, se intervine prin incercarea de crestere a valorii termenului Ed.

E_I = E_k + E_s + E_h + E_d 

(Va urma) 

Autori:
ing. Ionut Vasilescu – Dir. tehnic, Popp & Asociatii Consulting Engineers
ing. Emil Tanase – Popp & Asociatii Consulting Engineers 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 108 – octombrie 2014, pag. 30