サイロの失敗: ジョン W. カーソン博士が学んだ事例と教訓

2023 年 3 月 23 日 | ジェニケ＆ヨハンソン著

主催

サイロやビンは、他のほとんどの産業用機器よりもはるかに高い頻度で故障します。 場合によっては、故障には歪みや変形が含まれるだけで、見た目は悪いものの、安全性や動作上の危険は生じません。 他の場合には、故障によって構造が完全に崩壊し、それに伴う使用不能や人命の損失さえも伴います。

構造上の欠陥に関わる数多くの事例が紹介されており、よくある間違いや設計の限界が示されています。

統計は入手できませんが、何百もの工業用および農場のサイロ、ビン、ホッパーが毎年ある程度の故障を経験しています。 [1-3] 場合によっては、失敗は完全かつ劇的な構造崩壊となることがあります。 また、失敗がそれほど劇的でも明らかでもない場合もあります。 たとえば、コンクリートの壁に亀裂が生じたり、鋼鉄製の外殻にへこみが生じたりすることがありますが、どちらも何気なく観察している人には無害に見えるかもしれません。 それにもかかわらず、これらはおそらく是正措置が必要であることを示す危険信号です。

サイロの障害による経済的コストは決して小さくありません。 所有者は生産の損失と修理による当面のコストに直面し、近隣の従業員は重大な危険にさらされ、設計者と建設者は責任を問われる可能性から訴訟に直面する可能性があります。

サイロ障害の主な原因は、設計、構築、使用法、メンテナンスの 4 つのカテゴリのうち 1 つ以上の欠陥によるものです。 これらのそれぞれについて、例と教訓を示しながら以下で検討します。

サイロ設計には専門知識が必要です。 設計者は、まず材料の流れ特性 [4] を確立し、次に流路の形状、流れと静圧の発生、動的効果などの項目を考慮する必要があります。 必要な速度で確実に排出できるようにしながら、ガタつきやサイロの自発振動などの問題を防止する必要があります。 不均一な荷重、熱荷重、および非標準的な製造詳細の影響を考慮する必要があります。 何よりも、デザイナーは、不完全な情報や誤解を招く情報、ハンドブックからの推奨事項、または「いつもこのように行われてきた」症候群を持つ人々からの推奨事項に直面したときに、どのような場合に注意すべきかを知っておく必要があります。

図 1、偏心引抜きによる不均一な圧力

設計基準を確立したら、それに従った適切な設計を行う必要があります。 ここで設計者は、荷重の組み合わせ、荷重経路、構造要素に対する一次および二次効果、および要素の相対的な柔軟性を十分に理解する必要があります。 [5,6] 設計の要件と意図を完全に実現するには、構造の最も重要な詳細をどのように構築するかに特別な注意を払う必要があります。

設計者が無視しがちな最も一般的な 5 つの問題と、それぞれのいくつかの例を以下に説明します。

これは見落とされがちなため、サイロ構造の問題の最も一般的な原因の 1 つです。 これは、ホッパーからの取り出しポイントが円形サイロの垂直中心線上にない場合に発生し [7,8]、複数のホッパーを備えたサイロを使用し、ホッパー出口のうちの 1 つまたは 2 つだけが一度に使用される場合に特によく発生します。時間。 結果として生じる流路がサイロの壁と交差すると、不均一な圧力がサイロの周囲に発生し、水平および垂直の曲げモーメントが発生します。 図 1 を参照してください。多くのサイロ設計者は、フープ張力を高めるだけでこれらの不均一な圧力を誤って考慮しています。 [9,10]

いくつかの例：

図2 等ピッチスクリューフィーダーの偏心離脱

混合サイロは 24 本の外部チューブを利用して、シリンダー部分とコーン部分からさまざまな高さでプラスチック ペレットを取り出しました。 いくつかのチューブの上のシリンダー部分に大きなしわが発生しました。 ここで学べる教訓は次のとおりです。

サポートビーム、逆コーン、ブレンドチューブ、その他のタイプの内部構造により、サイロの壁に大きな集中荷重や非対称な圧力がかかり、許容できない曲げ応力が発生する可能性があります。

2 つの例:

学んだ教訓：

図 3、仮定した漏斗流による壁常圧と実際の質量流量の比較

漏斗流用に構造的に設計されたサイロ内で質量流量が発生することがあります。 [4] たとえこれが起こらなかったとしても、漏斗流路がサイロの壁と交差する場所で発生する局所的な圧力ピークは、壊滅的なものになる可能性があります。 [6]

状況によっては、保管するバルク固体の特性を無視することは、誤った流れパターンを仮定するよりも悪い場合があります。 たとえば、石炭を貯蔵するための鋼製サイロの設計を考えてみましょう。 設計の基礎を形成するためにテストできる石炭のサンプルが不足しているため、設計者は、石炭の種類を考慮せずに、「鋼鉄上の石炭」の壁摩擦角を列挙した、よく引用される設計コード [12] に頼る可能性があります。 、水分、粒子サイズ、灰分含有量、鋼の種類、表面仕上げなど。この設計アプローチを採用する場合、流れと構造の問題がよく発生します。

2 つの例:

学んだ教訓：

図4、想定された高壁面摩擦と実際の低摩擦による壁面常圧の比較

多くのサイロはボルト締めされた金属パネル (通常は鋼鉄またはアルミニウム) で構築されていますが、他のサイロは鉄筋コンクリートで構築されています。 どちらのタイプの構造にも特定の設計要件があります。

ボルト締結はさまざまな荷重経路を通じて荷重を伝達し、ボルトのせん断、ネット部分の張力、穴の引き裂き、およびボルト穴の周囲の積み重ねという少なくとも 4 つの異なるモードで破損する可能性があります。 どのモードが最も低い破損荷重をもたらすかは、金属の特性 (例: 降伏強度と極限強度、厚さ)、ボルト (例: サイズ、強度、完全ねじかどうか、どの程度の高トルクがかかっているか)、ボルト穴間の間隔によって異なります。 、ボルトの列数など [14-16]

特にボルトで固定されたサイロが波形の壁を備えている場合、またはアルミニウムで構築されている場合は、圧縮座屈も考慮する必要があります。

鉄筋コンクリート構造にはさまざまな問題があります [17,18]。 コンクリートは圧縮には強いですが、引っ張りには非常に弱いです。 したがって、引張応力に対する耐性を提供するために鉄筋が使用されます。 水平鉄筋が 1 層しかないサイロは、フープ張力に耐えることができますが、曲げ抵抗はほとんどありません。 したがって、不均一な圧力が発生すると（たとえば、偏心した流路が原因で）サイロに亀裂が入る可能性があります。 残念ながら、亀裂を検出するのが難しいサイロ壁の内面は、曲げによる最大引張応力が最も発生しやすい場所です。 検出されない亀裂は、サイロが差し迫った崩壊の危険にさらされるまで成長し続ける可能性があります。

例：

学んだ教訓：

屋外の金属サイロの壁は、日中は膨張し、夜間は温度が下がると収縮することがあります。 排出が発生せず、サイロ内の材料が自由に流れる場合、サイロが膨張するにつれて材料は沈降します。 ただし、サイロの壁が収縮しても押し上げることができないため、収縮に抵抗し、壁の引張応力が増加します。 材料が静止していると毎日繰り返されるこの現象は、熱ラチェットと呼ばれます。 [19-23]

もう 1 つの異常な荷重状態は、水分が停滞粒子間、または停滞粒子の塊の間を移動するときに発生する可能性があり、停滞粒子に水分が加えられると膨張します。 材料が引き出されていないときにこれが発生すると、上方への膨張が大幅に抑制されます。 したがって、膨張の大部分は水平面内で発生する必要があり、その結果、サイロ壁にかかる横圧力とフープ応力が大幅に増加します。

2 つの例:

学んだ教訓：

構築段階では、2 つの方法で問題が発生する可能性があります。 中でもよくあるのが、仕上がりの悪さです。 間違った材料を使用したり、適切な補強材を使用しなかったりするなどの欠陥のある建設や不均一な基礎の沈下は、そのような問題の 2 つの例にすぎません。

建設上の問題のもう 1 つの原因は、工事を促進したりコストを削減したりするために、建設中に誤って選択された変更、場合によっては無許可の変更が導入されることです。

設計仕様が遵守されていることを確認するには、請負業者の作業を綿密に検査することが重要です。 これには、正しいボルトの使用 (サイズ、強度など)、鉄筋の正しいサイズと間隔、サイロの壁の指定された種類と厚さなどの確認が含まれます。

例：

学んだ教訓：

サイロの基礎設計は、他の構造の基礎設計とそれほど変わりません。 その結果、不等沈下が起こりにくくなります。 しかし、それが実際に起こると、通常、質量の重心は地面よりかなり上にあるため、壊滅的な結果が生じる可能性があります。

例：

学んだ教訓：

建設中に許可されていない変更を行うと、サイロ構造が危険にさらされる可能性があります。 一見些細な細部が、特定のタイプの流れパターン (特に質量流量) を確保したり、加えられた荷重に構造が耐えられるようにする上で重要であることがよくあります。

例：

学んだ教訓：

適切に設計され、適切に構築されたサイロは長寿命である必要があります。 残念ながら、常にそうとは限りません。 材料の流動特性が変化したり、摩耗により構造が変化したり、爆発状態が発生したりすると、問題が発生する可能性があります。

サイロが設計されたものとは異なるバルク材料がサイロ内に配置される場合、アーチやネズミ穴などの障害物が形成される可能性があり、流れのパターンと荷重が予想とはまったく異なる可能性があります。 出口の形状を変更した場合、側面出口を中央排出サイロに設置した場合、または流量制御インサートまたは絞りを追加した場合にも、負荷分散は根本的に変更される可能性があります。 このような変更を実装する前に、その影響について設計者またはサイロの専門家に相談する必要があります。

流動性の悪い物質を保管および取り扱うように設計されていないサイロに入れると、アーチ状またはガタつきによる流れの停止が発生する可能性があります。 これらの障害物は自然に解消される場合もありますが、多くの場合、オペレーターは障害物を解消するためにさまざまな (時には大胆な) 手段に頼らなければなりません。 どの方法を使用するかに関係なく、アーチまたはネズミ穴が破損したときに生じる動的荷重によってサイロが崩壊する可能性があります。 [26]

サイロの自己誘発振動も、ほとんどのサイロが耐えるように設計されていない重大な動的負荷を引き起こす可能性があります。 [27,28] さらに、内部または外部を問わず、爆発による負荷に耐えられるサイロは、たとえあったとしてもほとんどありません。

2 つの例:

学んだ教訓：

サイロの材料特性を変更したり、サイロの内面を研磨したりすると、漏斗流用に構造的に設計されたサイロ内で質量流量が発生する可能性があります。 (逆の現象、つまり質量流量用に構造的に設計されたサイロ内での漏斗流が発生することもありますが、これは通常、それほど深刻な問題ではありません。) 質量流量は、特に上部で漏斗流の場合とは劇的に異なる壁圧力負荷をもたらします。ホッパー部分。

2 つの例:

図 5、漏斗流用に構造的に設計されたサイロ内で発生する質量流量の最終結果

学んだ教訓：

加圧シリンダーは、加圧されていないシリンダーよりも圧縮座屈に対する耐性が高くなります。 [9] さらに、この圧力が（液体や気体ではなく）バルク固体によって引き起こされる場合、圧力はさらに強くなります。 その理由は次のとおりです。気体または液体の圧力はサイロの周囲で一定であり、サイロが変形し始めても変化しません。 一方、バルク固体がサイロの壁に及ぼす圧力は、壁が内側に変形している領域では増加し、壁が拡張している領域では減少します。 これにより、座屈が始まると大きな抑制効果が得られます。

ここで、サイロのシリンダー部分にアーチが形成され、その下の材料が取り出された場合に何が起こるかを考えてみましょう。 バルク固体の拘束効果が失われるだけでなく、アーチ上のサイロ内容物の全重量がサイロ壁の支持されていない領域に伝達されます。 これが発生すると、座屈破壊が発生する可能性があります。

例：

学んだ教訓：

サイロのメンテナンスは所有者またはユーザーの領域に属するものであり、無視してはなりません。 2種類のメンテナンス作業が必要です。 1 つ目は、流れの促進、構造の保護、またはその両方のために使用される壁やライナーの定期的な検査と修理などの定期的な予防作業です。 研磨性または腐食性の製品ではライナーの損失は避けられない場合がありますが、サイロが設計どおりに動作するには、ライナーを適切な動作状態に維持することが必要です。 予防保守項目の他の例には、屋根通気口、レベルプローブ、フィーダー、ディスチャージャー、ゲートなどがあります。

メンテナンスの 2 番目の領域には、損傷の兆候 (亀裂、壁の歪み、構造物の傾きなど) を探し、それらに対応することが含まれます。 [29] 問題の証拠が現れた場合は、直ちに専門家の助けを呼ぶ必要があります。 サイロのフィル レベルを下げようとする一般的な本能を含め、何か問題が発生している兆候に対する不適切な対応は、障害の発生をより迅速に、そして場合によってはより深刻なものにする可能性があります。

腐食や侵食によって薄くなったサイロの壁は、新しいときよりも加えられた荷重に耐えることができなくなります。 これは、研磨材を扱うとき、または湿った環境や腐食性の環境で炭素鋼構造を使用するときに特に問題になります。 摩耗と腐食の影響が組み合わさると、問題が大幅に加速します。 これは、たとえば特殊な時効鋼で発生する可能性があります。 摩耗により表面層が除去され、それによって新しい材料が露出し、構造を著しく弱める老化プロセスが加速します。

3 つの例:

学んだ教訓：

サイロの障害は多くの場合重大な損害を引き起こし、場合によっては死に至ることもあります。 多くの場合、これらの故障は定期的な検査を通じて得られた情報によって防止できた可能性があるか、損害を最小限に抑えることができたはずです。

例：

学んだ教訓：

サイロ問題の兆候に対する一般的な反応は、無視することです。これは多くの場合、担当者が無視することの意味と結果の両方を認識していないためです。 もう 1 つの一般的な反応は好奇心です。 好奇心のために間違った時間に間違った場所に行ってしまったために命を落とした人もいます。 危険な兆候を理解していても、失敗の可能性を「減らす」ために不適切な行動が取られることはよくあります。 極端な場合には、適切な措置を講じていれば被害は比較的軽微であった可能性があるにもかかわらず、壊滅的な障害が引き起こされることがあります。

2 つの例:

学んだ教訓：

サイロが適切に設計、構築、運用、保守されていれば、寿命が長くなります。 上記の各事例は、設計、建設、使用、およびメンテナンスにおいて起こり得る 1 つ以上の欠点の影響を示しています。 どの例でも、修理や再建の費用、訴訟の費用、保険の費用を合計すると、最初に適切に仕事を行うための費用の数倍に達しました。

バルク材料用のサイロ、ビン、またはホッパーの設計に対する最良のアプローチは、合理的で徹底的かつ保守的で、測定されたパラメータに基づいたものです。 設計エンジニアは、実践規範を遵守しても法的に保護されません。 ローカルに適用されるコードへの準拠はもちろん必要ですが、それ自体を満足のいく設計を実行するための十分条件と見なすべきではありません。

設計が確実で、扱われる材料に関する完全な知識に基づいていること、設計が有能であること、および予測可能な荷重の組み合わせをすべてカバーしていることを確認するのは設計者の責任です。 建設が許容可能な基準に達し、設計の意図を満たしているかどうかは、設計者、施工者、所有者の共同責任です。 構造的および機械的コンポーネントを適切に保守するのは所有者の責任です。 また、使用法、吐出形状やハードウェア、ライナーの材質、その他の指定されたパラメータの意図的な変更が必要に応じて強化が適用された設計レビューが行われることを確認するのも所有者の責任です。