Απαιτήσεις ADR για Δεξαμενές-Οχήματα Μεταφοράς Επικίνδυνων Υλών και των Μέσων Πρόσδεσης αυτών

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 19 Απαιτήσεις ADR για Δεξαμενές-Οχήματα Μεταφοράς Επικίνδυνων Υλών και των Μέσων Πρόσδεσης αυτών Α. Θ. Διαμαντούδης Χ. Αποστολόπουλος Διπλ. Μηχ. Μηχανικός Δρ Πολιτικός Μηχανικός Περίληψη Στην παρούσα εργασία αξιολογήθηκε η επάρκεια της αντοχής των μέσων πρόσδεσης δεξαμενών στο πλαίσιο του φέροντος οχήματος σύμφωνα με τον ισχύοντα από το 2002 κανονισμό ADR. Η ανάλυση έγινε με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων από τα αποτελέσματα της ανάλυσης προέκυψε η ανεπάρκεια της αντοχής των μέσων πρόσδεσης, όπως αυτά σήμερα χρησιμοποιούνται και η αναγκαιότητα για πιο αξιόπιστες λύσεις, οι οποίες είναι και κατ ανάγκην περισσότερο δαπανηρές. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η μεταφορά επικίνδυνων υλών για τον άνθρωπο και το περιβάλλον είναι ένα λεπτό ζήτημα που απασχολεί ιδιαίτερα τους υπεύθυνους κρατικούς φορείς. Στα πλαίσια της Ευρωπαϊκής Ένωσης τα κράτη μέλη για την ασφαλή μεταφορά επικίνδυνων υλών μέσω οδικών, σιδηροδρομικών και πλωτών δικτύων κατέληξαν στην κοινή συμφωνία ADR (European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road). Οι κανονιστικές διατάξεις της συμφωνίας αυτής πρόσφατα τέθηκαν σε εφαρμογή και στη χώρα μας, με σκοπό να προσαρμοστούν οι μέχρι τώρα πρακτικές που αφορούν στη μελέτη, στο σχεδιασμό και στην κατασκευή των δεξαμενών των βυτιοφόρων οχημάτων και των μέσων πρόσδεσής τους στους νέους κανόνες και τις απαιτήσεις της συμφωνίας ADR, ώστε να είναι ασφαλής η μεταφορά τους από τόπο σε τόπο. Η κατοχύρωση της ασφάλειας των μεταφορών διασφαλίζεται μέσω πιστοποίησης και ελέγχου αλλά και μέσω συστηματικής παρακολούθησης του οχήματος δεξαμενής από εξειδικευμένους φορείς (περιοδικοί έλεγχοι, δοκιμές, κ.λπ.), που προβλέπονται στη συμφωνία ADR. Για τους κατασκευαστές των δεξαμενών και των συστημάτων πρόσδεσης δεξαμενών-φερόντων οχημάτων στη χώρα μας, αυτό σημαίνει μια νέα φιλοσοφία παραγωγής προϊόντων, στην οποία αργά ή γρήγορα πρέπει να προσαρμοσθούν. Με την εφαρμογή της συμφωνίας ADR είναι πλέον υποχρεωτικό η κατασκευή μιας νέας δεξαμενής και των μέσων πρόσδεσής της με το όχημα να γίνεται βάσει ειδικής τεχνικής μελέτης, η οποία θα στηρίζεται σε αναγνωρισμένη από την αρμόδια αρχή προδιαγραφή σχεδιασμού πιεστικών δοχείων (όπως είναι οι κώδικες BS550, EN13445, ASME section VIII, AD- Merkblδtter Code, κ.ά.), αλλά και να παρακολουθείται από κοντά η διασφάλιση της υλοποίησης της μελέτης. Σύμφωνα με τις διατάξεις ADR, η τεχνική μελέτη ελέγχεται και αφού πιστοποιηθεί η ορθότητά της παραδίδεται στον κατασκευαστή για υλοποίηση. Καθ όλη τη διάρκεια της παραγωγής πρέπει να γίνονται έλεγχοι οι οποίοι να πιστοποιούν την εφαρμογή της μέλετης στην κατασκευή. Για να γίνει αυτό, πρέπει οι κατασκευαστές να εισάγουν διαδικασίες διασφάλισης της ποιότητας της κατασκευής σε όλα τα στάδια της παραγωγής, να διεξάγουν οι ίδιοι συστηματικούς ελέγχους ποιότητας των υλικών που προμηθεύονται και έλεγχους ποιότητας των παραγομένων συγκολλήσεων. Από δείγματα πρώτων μελετών που συντάχθηκαν για συγκεκριμένους τύπους δεξαμενών και μέσων πρόσδεσης δεξαμενής-φέροντος οχήματος έδειξαν ανεπάρκεια αντοχής και διαπιστώθηκε ότι οι κατασκευαστικές επιλογές δεν διαφοροποιήθηκαν πολύ από τις παλαιότερες συνήθεις κατασκευές, ιδιαίτερα όσον αφορά στα «μέσα πρόσδεσης». Η παρούσα εργασία έχει σκοπό να αναδείξει το συγκεκριμένο πρόβλημα και παράλληλα να βοηθήσει τους κατασκευαστές να αναζητήσουν πιο αξιόπιστες λύσεις, αλλά και να προσαρμόσουν τις παραδοσιακές τους τεχνικές, ώστε η παραγωγή τους να έχει πάντα την ίδια καλή ποιότητα, ώστε να είναι ανταγωνιστικοί στο διεθνές περιβάλλον. 2. ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΠΑΡΚΕΙΑΣ ΤΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ Η επάρκεια της αντοχής των δεξαμενών και των μέσων πρόσδεσης για τη μεταφορά επικίνδυνων υλών, όπως προβλέπεται από τους κανονισμούς της συμφωνίας ADR, ελέγχεται σε στατικά φορτία που αναφέρονται στο μέγιστο βάρος της ύλης που επιτρέπεται να μεταφέρουν. Κατά ADR τόσο η δεξαμενή όσο και τα μέσα πρόσδεσης δεξαμενής - οχήματος πρέπει να έχουν επαρκή, αντοχή ώστε να είναι

20 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 Σχήμα 1: Τέσσερις περιπτώσεις στατικής φόρτισης κατά ADR. ικανά να παραλάβουν με ασφάλεια υπό τη μέγιστη πίεση λειτουργίας τα παρακάτω φορτία ξεχωριστά: Σε καμία από τις παραπάνω περιπτώσεις καταπονήσεων και σε κανένα σημείο της δεξαμενής και των μέσων πρόσδεσης η μέγιστη τάση δεν επιτρέπεται να ξεπεράσει το 0,75 του ορίου διαρροής του υλικού ή το 0,5 του ορίου θραύσης του. Η εκπλήρωση της απαίτησης αυτής δεν επαρκεί αν συγχρόνως δεν είναι εγγυημένη ότι η μελέτη και η κατασκευή έγιναν σύμφωνα με ένα συγκεκριμένο κώδικα πιεστικών δοχείων. Ο κατασκευαστής δεν αρκεί να επικαλείται τα πιστοποιητικά των υλικών των εταιριών προμηθευτών που συνοδεύουν τις πρώτες ύλες. Θα πρέπει για το συμφέρον του και τη διαφύλαξη της ανταγωνιστικότητάς του να προβαίνει σε συστηματικούς ελέγχους για επιβεβαίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών, γιατί η διασπορά των τιμών μπορεί να είναι μεγάλη και εν πάσει περιπτώσει οποιαδήποτε αστοχία μόνο εις βάρος του κατασκευαστή μπορεί να αποβεί, αλλά και η ελεγκτική αρχή μπορεί να ζητήσει έλεγχο πιστοποίησης των υλικών. Ο μελετητής ενδεχομένως θα μπορούσε να σχεδιάσει την κατασκευή και να συντάξει την τεχνική του μελέτη με βάση τα παραπάνω φορτία με την πεποίθηση, ότι αφού η κατασκευή έχει επάρκεια αντοχής κατά ADR, είναι και εντάξει. Εδώ πρέπει να τονισθεί ότι τα παραπάνω φορτία

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 21 είναι για έλεγχο, όχι για σχεδίαση, γιατί μπορεί να οδηγήσουν σε ασύμφορα πάχη. Η σχεδίαση οφείλει να γίνεται βάσει αναγνωρισμένου κώδικα πιεστικών δοχείων, π.χ. του κανονισμού ΕΝ13445, διαφορετικά οι ραφές συγκόλλησης μπορεί να είναι προβληματικές. 3. ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΩΝ ΜΕΣΩΝ ΠΡΟΣΔΕΣΗΣ Από ελέγχους των μέσων πρόσδεσης, που έχουν γίνει, διαπιστώνεται ότι συνεχίζει η μέχρι πρότινος διαδικασία στήριξης της δεξαμενής με μεταλλικά άγκιστρα (δέστρες) που απολήγουν σε περικόχλια ασφαλείας (Σχήμα 2). Η σύνδεση αυτή αποδείχθηκε ότι δεν διαθέτει επαρκή αντοχή και εκτός των άλλων δεν ικανοποιεί τις απαιτήσεις ADR, γιατί εξαιτίας της εκκεντρότητας των 16 mm αναπτύσσονται καμπτικές τάσεις που ξεπερνούν κατά πολύ το όριο διαρροής του υλικού. Με μια μικρή αλλαγή (Σχήμα 3) θα μπορούσε ενδεχομένως να ξεπερασθεί το πρόβλημα της επάρκειας της αντοχής. Αυτό μόνο όμως δεν επαρκεί, γιατί η συνδεσμολογία πρέπει να ικανοποιεί και τις απαιτήσεις του κατασκευαστή του σχήματος, αλλά και τις απαιτήσεις προδιαγραφής αναγνωρισμένης από την αρμόδια αρχή. Μερικοί τύποι συνδέσεων, που προτείνονται από διεθνή προδιαγραφή, φαίνονται στο σχήμα 4. Με την επιλογή κατάλληλου τύπου και μεγέθους στοιχείου παράγονται τα διακριτοποιημένα μοντέλα σύνδεσης που αποτελούνται από πεπερασμένα στοιχεία, όπως φαίνεται στα σχήματα 5 & 6. Στη μόρφωση του διακριτού προβλήματος ελήφθησαν υπ όψιν οι συνθήκες επαφής μεταξύ των χαλύβδινων ελασμάτων έδρασης με το πλαίσιο του φέροντος οχήματος. 4. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ - ΣΥΜΠΕΡΙ- ΦΟΡΑ Στα σχήματα 5 και 6 παριστάνεται η προσομοίωση της «πρόσδεσης» δεξαμενής στο φέρον όχημα με πεπερασμένα στοιχεία. Χρησιμοποιήθηκαν τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία για τα μέρη της πρόσδεσης. Η σύνδεση τύπου 1 αποτελείται από 2338 κόμβους και 1108 στοιχεία και η σύνδεση τύπου 2 από 3628 κόμβους και 1108 στοιχεία, Σχήμα 2: Εφαρμοζόμενη συνδεσμολογία (Σύνδεση τύπου 1) Σχήμα 3: Τροποποιημένη συνδεσμολογία (Σύνδεση τύπου 2)

22 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 Σχήμα 4: Προτεινόμενοι τύποι σύνδεσης από προδιαγραφή. Σχήμα 5: Διακριτοποίηση της Σύνδεσης τύπου 1

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 23 Σχήμα 6: Διακριτοποίηση της Σύνδεσης τύπου 2 ενώ τα άγκιστρα και οι κοχλίες προσομοιώθηκαν με διδιάστατα δίκομβα στοιχεία. Ο συντελεστής τριβής μεταξύ του ελάσματος και του πέλματος της δοκού πλαισίου οχήματος ελήφθη μ=0,20. Η δεξαμενή (σχήμα 7) κατάλληλη για οχήματα τύπου 814 προσομοιώθηκε με στοιχεία κελύφους (Shell 63) και αποτελείται από 16568 κόμβους και 16768 στοιχεία. Η δεξαμενή και τα μέσα πρόσδεσης υπεβλήθησαν στις παραπάνω περιπτώσεις φόρτισης κατά ΑDR. Για την προσομοίωση της περιοχής της πρόσδεσης χρησιμοποιήθηκε συνδυασμός τρισδιάστατων στοιχείων (Solid 45) δισδιάστατων στοιχείων (Beam 3) και στοιχείου επαφής (Contact 52). Από την επίλυση, που έγινε με το πρόγραμμα ANSYS, προέκυψαν δύο ομάδες αποτελεσμάτων (Πίνακας 1). Η πρώτη ομάδα αποτελεσμάτων αναφέρεται στην περίπτωση σύνδεσης τύπου 1 και η δεύτερη ομάδα αποτελεσμάτων αναφέρεται στην περίπτωση σύνδεσης τύπου 2. Αναλύοντας το εντατικό πεδίο, που αναπτύσσεται στη σύνδεση τύπου 1, παρατηρείται έντονη συγκέντρωση τάσεων στο άγκιστρο στο κάτω μέρος στην ακμή του κάτω πέλματος της δοκού. Παρ ότι εκ πρώτης όψεως μία τόσο μικρή εκκεντρότητα των 16mm δεν προϊδεάζει για μία τόσο ακραία ένταση, φαίνεται ότι στην περίπτωση της φόρτισης 2G προς τη διεύθυνση της κίνησης η ακολουθούμενη μέχρι και σήμερα πρακτική πρόσδεσης δεν είναι επαρκής κατά ADR. Επίσης, βρέθηκε ότι με μια μικρή τροποποίηση στη Σχήμα 7: Τύπος Δεξαμενής διακριτοποιημένος με πεπερασμένα στοιχεία

24 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 Πίνακας 1: Αποτελέσματα. Μέγιστες Τάσεις (ΜPa) % Αύξηση Τάσεων Σύνδεσης τύπου 1 Μέλος Σύνδεσης Σύνδεση τύπου 1 Σύνδεση τύπου 2 (Εφαρμοζόμένη) (Προτεινόμενη) Άνω Έλασμα 246 215 14.4% Πλαίσιο Οχήματος 165 100 65% Άγκιστρα / Κοχλίες 418 55 660% σύνδεση τύπου 1 (που χρησιμοποιείται σήμερα), οι αναπτυσσόμενες ορθές τάσεις στα άγκιστρα μειώθηκαν κατά 660%, που σημαίνει ότι με κατάλληλο σχεδιασμό και σωστή μελέτη οι ελληνικές κατασκευές μπορεί να γίνουν και φθηνές και συναγωνίσιμες. Στον πίνακα 1, επίσης, φαίνεται η μείωση των τάσεων στο πλαίσιο του οχήματος. Είναι σημαντικό να σημειωθεί σ αυτό το σημείο πως το πλαίσιο των οχημάτων σχεδιάζεται με ορισμένη δυσκαμψία και δυστρεψία. Όταν στο πλαίσιο του οχήματος προσδένεται ένας δύσκαμπτος φορέας, όπως είναι μία χαλύβδινη δεξαμενή, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στα μέσα πρόσδεσης καθώς είναι συνήθες το φαινόμενο της αστοχίας του πλαισίου λόγω υπερβολικής δυσκαμψίας. Η πρόσδεση πρέπει να σχεδιαστεί είτε άμεσα πάνω στο πλαίσιο δίχως όμως να αυξάνεται η δυσκαμψία του πλαισίου, είτε με τη χρήση ψευδοπλαισίου το οποίο να παρεμβάλεται μεταξύ της δεξαμενής και του πλαισίου του οχήματος. Ένα δεύτερο σημείο που πρέπει να εξετάζει μια τεχνική μελέτη είναι οι θέσεις των στηρίξεων σε συνδυασμό με το κέντρο βάρους του φορτίου και την κατανομή των μαζών, ώστε να είναι εγγυημένη η ασφάλεια της συμπεριφοράς του οχήματος-δεξαμενής στις εθνικές και διεθνείς μεταφορές διότι οι στηρίξεις επηρεάζουν την κατανομή των τάσεων στη δεξαμενή. Σε μια περίπτωση ελέγχου δεξαμενής για παράδειγμα βρέθηκε οι τάσεις στην κοιλοδοκό στην περιοχή της Σχήμα 8: Κατανομή ισοδύναμων τάσεων σε κοιλοδοκό στήριξης δεξαμενής.

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 25 στήριξης (βλ. Σχ. 8) να έχουν ξεπεράσει τις επιτρεπόμενες από τον κανονισμό ADR τιμές. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 2. The Design-by-Analysis Manual,European Commision Joint research Centre-EPERC European pressure equipment research council,netherlands 1999. 3. ANSYS Theory Manual, Version 5.7.3, Ansys Inc.,Germany 2001. 1. Restructed ADR European Agreement Concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road, United Nations, Vol I & II, July 2001,ECE. Α. Θ. Διαμαντούδης, Διπλ. Μηχ. Μηχανικός, Εργαστήριο Τεχνολογίας & Αντοχής των Υλικών, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών & Αεροναυπηγών, Πανεπιστήμιο Πάτρων, Τηλ: 2610-991027, e-mail: diamant@mech.upatras.gr Χ. Α. Αποστολόπουλος, Δρ Πολιτικός Μηχανικός, Λέκτορας Πανεπιστημίου Πατρών, Εργαστήριο Τεχνολογίας & Αντοχής των Υλικών, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών & Αεροναυπηγών, Πανεπιστήμιο Πάτρων, e-mail: capostolo@tee.gr

26 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 Extended summary Body Mounting And Adr Requirements For Tank Vehicles Carrying Dangerous Goods A. Th. DIAMANTOUDIS Ch. A. APOSTOLOPOULOS Dipl-Eng. Mech. Engineer Dr-Eng. Civil Engineer-Lecturer Univ. of Patras Abstract The safety of a specific type of body mounting for a tank on a semi-rigid tank-vehicle according to the 2002 ADR (European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road) regulations is examined in this study. The body mounting type examined in this study is widely used by the pressure vessel manufacturing industry and uses U-bolts to connect the pressure vessel to the body of the vehicle. The stresses, developed in the U-bolts and the body of the vehicle were calculated and it was determined whether they exceed the limits specified by the regulations. The stresses were calculated by means of finite element analysis. The body mounting connection was simulated by a 3d-model taking into account the effect of friction with the use of contact elements. Further-more an alternative body mounting type was examined under the same loading scenarios prescribed by ADR and compared to the type in use at the moment. Finally a general overview of the design and inspection procedures of pressure vessels for tank vehicles according to ADR is outlined, highlighting the critical points of the procedures. 1. INTRODUCTION The recently applied ADR regulations brought many changes in the manufacturing procedure of tank-vehicles in Greece. A technical study of the design of the pressure vessel and the mounting of the vessel on the body of the vehicle is now required. After inspection of the study by a certified authority from the ministry of transportation, the manufacturer may proceed to the manufacturing of the structure, which is also subject to inspection. In the first case studies submitted for inspection the inadequacy of the traditional body mounting types used, involve the use of U-bolts has been observed. The goal of the present study is to highlight the problems that arise from the use of such connections. 2. INSPECTION FOR SAFETY SUFFICIENCY The safety sufficiency of the designed pressure vessel, according to the ADR regulations, is examined by ensuring that the stresses raised in the structure do not exceed 75% of the yield stress (0.75σ y ) or 50 % of the ultimate stress (0.50σ u ) of the material, for the load cases shown in fig.1 The body mounting type that is widely used in the industry (fig. 2) was examined in this study. The results of the finite element model (fig. 5) showed that for load case 1, a high stress concentration area develops in the U-bolt, which exceeds the limits prescribed by ADR. An alternative connection is presented (fig. 3) which eliminates the stress concentration area. However, this is not enough, since the connections have to be designed according to international design codes and standards. Examples of body mounting types proposed by such standards are shown in figure 4. 3. NUMERICAL ANALYSIS The analysis was conducted by means of finite element analysis. The steel plates and the body of the vehicle were modeled with 3D solid elements, the bolts with 2D Beam elements and the contact of the steel plates with the body was taken into account with contact elements assuming a friction coefficient of 0.2 (figures 5 & 6). The forces applied in both models were calculated from the reaction solution of the pressure vessel model (fig. 7), which was subjected to the load cases prescribed by ADR. The results obtained are summarized in table 1, where one can see the maximum principal stresses raised in each member of the connection (Bolts, body, steel plates) for both connection types. It is worth noting that the stresses raised in the U-bolts are very high and with the modification proposed in connection

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IV, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, IV, No 1-2 27 type 2 (i.e. replacing the U-bolt with two straight bolts and a steel plate) the stresses reduce dramatically. The reason for this high stress in the U-bolt is the 16 mm eccentricity of the U-bolt, which causes high bending stresses at the bottom of the connection. It is very important to mention the significance of the connections, since the body of the vehicle is greatly influenced when mounting such a stiff structure as a steel pressure vessel. The bodies of semi-rigid vehicles are designed to withstand certain levels of stiffness and when these are exceeded it is often the case that failure occurs. An additional factor in the stiffness sensitivity of the vehicle is the number and positioning of the connections with respect to the center of gravity of the load and the distribution of the masses. In general such details may influence significantly the behavior and stress distribution of the structure, which may prove to be catastrophic. A. Th. Diamantoudis, Dipl.-Eng Mechanical Engineer, Laboratory of technology and Strength of Materials, Department of Mechanical & Aeronautical Enfineering, University of Patras, Tel.: 2610-991027, e-mail: diamant@mech.upatras.gr Ch. A. Apostolopoulos, Dr.-Eng. Civil Engineer, Lecturer- University of Patras, Laboratory of technology and Strength of Materials, Department of Mechanical & Aeronautical Enfineering, Tel.: 2610-991027, e-mail: capostolo@tee.gr