Kiedy materiał sypki blokuje się w silosie

1. Trzy różne przyczyny blokowania się sypkich materiałów

Sklepienie

Pierwszym problemem jest tworzenie się sklepienia, nazywane również mostkowaniem. Pomyśl o zamku z piasku. Suchy piasek przesypuje się między palcami, natomiast z wilgotnego można budować wieże, ponieważ jego ziarna łączą się ze sobą.

Podobne zjawisko zachodzi w silosie. Gdy cząstki łączą się ze sobą, mogą utworzyć nad wylotem samonośne sklepienie, przypominające kamienny łuk. Materiał znajdujący się wyżej wywiera nacisk, ale sklepienie pozostaje stabilne i blokuje opróżnianie silosu.

Zdolność cząstek do wzajemnego przylegania określa się jako kohezję, czyli spoistość materiału.

W praktyce występują dwa rodzaje sklepień. Powstają z innych przyczyn i nie usuwa się ich w ten sam sposób.

Sklepienie kohezyjne

Sklepienie kohezyjne powstaje, gdy cząstki wiążą się lub przywierają do siebie. W wilgotnym materiale odpowiada za to między innymi woda, podobnie jak w przypadku zamku z piasku. Dlaczego nawet niewielka jej ilość może działać jak spoiwo?

Znasz ten efekt z kawiarni: podnosisz szklankę, a mokra podkładka unosi się razem z nią. Nie ma na niej kleju, wystarcza cienka warstwa wody.

Działają tu dwa zjawiska, które wzmacniają ten sam efekt.

Pierwszym jest napięcie powierzchniowe. Dzięki niemu woda może wybrzuszać się ponad krawędź pełnej szklanki, nartnik utrzymuje się na powierzchni jeziora, a krople deszczu na nawoskowanym samochodzie przybierają niemal kulisty kształt. Powierzchnia cieczy dąży bowiem do możliwie najmniejszego pola.

Gdy woda znajdzie się między dwoma ziarnami, tworzy mostek cieczowy. Rozdzielenie ziaren wymaga zwiększenia powierzchni cieczy, czemu przeciwstawia się napięcie powierzchniowe. W rezultacie ziarna pozostają połączone.

Drugim zjawiskiem jest różnica ciśnień. Ciecz między ziarnami przyjmuje kształt przewężony w środku. Powstające w niej ciśnienie jest nieco niższe od ciśnienia otoczenia, dlatego powietrze dociska ziarna do siebie. Mechanizm przypomina działanie przyssawki.

Te dwa zjawiska utrzymują mokrą podkładkę pod szklanką i pozwalają wilgotnemu piaskowi zachować nadany kształt. W silosie mogą utrzymać sklepienie nad otworem wylotowym.

Nie potrzeba przy tym dużej ilości wody. Wystarczy, że znajdzie się ona w punktach styku między ziarnami. Dlatego nawet wzrost wilgotności o kilka punktów procentowych może całkowicie zmienić zachowanie materiału w silosie. [27]

W przypadku całkowicie suchego materiału działa inny mechanizm. Nawet pozbawione wilgoci cząstki mogą się wzajemnie przyciągać.

Podobny efekt obserwujemy w przypadku balonika potartego o włosy, który wskutek nierównowagi ładunków elektrycznych przylega do ściany. Siły działające między bardzo drobnymi cząstkami nie wymagają jednak tarcia, pojawiają się samorzutnie.

Aby zrozumieć przyczynę, trzeba przypomnieć budowę atomu: dodatnio naładowane jądro otaczają ujemnie naładowane elektrony.

Zwykle rozkład ładunku jest równomierny, dlatego cząstka jako całość pozostaje elektrycznie obojętna. Elektrony są jednak w ciągłym ruchu. Chwilowe nierównomierne rozmieszczenie ładunku sprawia, że po jednej stronie cząstki pojawia się słaby ładunek ujemny, a po drugiej dodatni.

To wystarcza, aby wpłynąć na rozkład elektronów w sąsiedniej cząstce. Powstają chwilowe, przeciwnie skierowane ładunki, które wzajemnie się przyciągają.

Taki układ utrzymuje się jedynie przez ułamek sekundy, lecz natychmiast powstaje kolejny. Zjawisko powtarza się miliardy razy na sekundę na całej powierzchni styku. Suma tych oddziaływań daje słabą, ale stałą siłę przyciągania.

Oddziaływania te noszą nazwę sił van der Waalsa. Johannes van der Waals, holenderski nauczyciel, który został fizykiem, nie mógł początkowo studiować na uniwersytecie, ponieważ nie znał greki i łaciny. Uczył więc w dzień, a wieczorami zajmował się fizyką. W 1873 roku opublikował pracę wyjaśniającą, dlaczego gazy i ciecze nie zachowują się zgodnie z ówczesną teorią. Badania nad równaniem stanu gazów i cieczy przyniosły mu w 1910 roku Nagrodę Nobla. Ta sama fizyka pomaga dziś wyjaśnić, dlaczego bardzo drobny cement może przywierać w silosie. [4]

W praktyce znaczenie mają dwie właściwości tych sił.

Pierwsza to bardzo mały zasięg. Oddziaływanie występuje tylko wtedy, gdy powierzchnie niemal się stykają. Może być jednak zaskakująco silne przy odpowiednio dużej powierzchni kontaktu. Dzięki milionom mikroskopijnych włosków pod palcami gekon potrafi poruszać się po pionowej szybie. Badania z 2002 roku wykazały, że nie odpowiadają za to klej, przyssawki ani wilgoć, lecz właśnie siły działające między włoskami a szkłem. [5]

Druga właściwość wiąże się z powierzchnią. Siły przyciągania działają na powierzchni cząstek, podczas gdy grawitacja zależy od ich masy. Po rozdrobnieniu materiału jego masa się nie zmienia, ale łączna powierzchnia cząstek gwałtownie rośnie. Jeśli sześcian podzielimy na 1000 mniejszych sześcianów, ich łączna powierzchnia będzie dziesięciokrotnie większa, mimo że masa pozostanie taka sama.

Stąd wynika praktyczna zasada: im drobniejszy materiał, tym większa powierzchnia wzajemnego oddziaływania cząstek i tym mniejsza masa pojedynczego ziarna, która mogłaby pomóc je rozdzielić. Dlatego drobne proszki przesypują się trudniej niż materiały gruboziarniste.

Co oznacza „drobny”? Mówimy o mikrometrach, czyli tysięcznych częściach milimetra. Ludzki włos ma około 70 mikrometrów grubości. Cząstki cementu i popiołu lotnego mają zwykle mniej niż 45 mikrometrów, a ziarna zwykłego piasku plażowego ponad 200 mikrometrów.

Dane z praktyki pokazują, jak duże znaczenie mają te niewielkie różnice. W przypadku popiołu lotnego spoistość gwałtownie rośnie wraz ze zmniejszaniem się cząstek, a granicę między materiałem spoistym a swobodnie przesypującym się określono na 53 mikrometry. Dla mąki pszennej zmierzono sklepienie o rozpiętości 348 milimetrów. [1] Ta sama mąka po zagęszczeniu może mieć gęstość nawet o około 50 procent większą niż w stanie luźno usypanym. [2]

Często zakłada się, że wyłącznie wilgoć odpowiada za zbrylanie proszków, a suchy materiał zawsze przesypuje się swobodnie. To nieprawda. Bardzo drobny pył rudy żelaza wykazywał właściwości kohezyjne nawet po wysuszeniu do zawartości wody poniżej 0,2 procent. [3]

W suchym materiale pozostają dwa niezależne mechanizmy. Pierwszym są stale występujące siły van der Waalsa. Drugim jest elektryczność statyczna, czyli ładunek powstający podczas tarcia materiału o rury, ściany instalacji i inne cząstki. Ładunek elektrostatyczny można odprowadzić, natomiast siły van der Waalsa występują samoczynnie. Oba zjawiska zwiększają skłonność cząstek do przylegania.

Wniosek jest prosty: samo osuszenie materiału nie zawsze rozwiązuje problem. Jeśli cząstki są wystarczająco drobne, nadal mogą tworzyć spójną strukturę.

Sklepienie zaklinowane. Ten rodzaj sklepienia powstaje w zupełnie inny sposób.

Wyobraź sobie próbę wyciągnięcia pojedynczej gałęzi ze sterty chrustu. Gałęzie nie są lepkie, lecz układają się jedna na drugiej i wzajemnie blokują ruch.

Tak powstaje drugi rodzaj sklepienia. Cząstki lub kawałki materiału są zbyt duże, zbyt długie albo zbyt kanciaste w stosunku do otworu wylotowego, dlatego zaklinowują się nawzajem.

Różnicę między sklepieniem kohezyjnym a zaklinowanym dobrze opisuje zasada znana z górnictwa: materiał gruboziarnisty blokuje się wskutek zaklinowania większych kawałków, natomiast materiał drobny wskutek wzajemnego przylegania cząstek. [6]

Kształt cząstek ma kluczowe znaczenie. W eksperymencie z elementami drukowanymi w 3D najłatwiej zakleszczały się sześciany i trójwymiarowe krzyże, ponieważ mogły się o siebie zaczepiać i utrudniały wzajemne przemieszczanie. Kule o tej samej wielkości powodowały znacznie mniej problemów. [9]

Sklepienia zaklinowane występują między innymi w następujących materiałach:

Zrębki drzewne. W badaniu zrębków przeznaczonych do celów energetycznych największy wpływ na tworzenie się sklepień miał udział kawałków dłuższych niż 100 milimetrów. Decydowała przede wszystkim długość, a nie wilgotność czy gatunek drewna. [7]

Pelet drzewny. Badacze z Sheffield wskazują, że sklepienie może powstawać nie wskutek kohezji, lecz wzajemnego zaklinowania peletów. Zgodnie z podaną przez nich zasadą praktyczną szerokość wylotu powinna wynosić od dziesięciu do dwunastu średnic peletu. [8]

Odpady i recykling. Wolfson Centre opisuje materiały, których długość jest zwykle od czterech do dziesięciu razy większa od szerokości, między innymi folie z tworzyw sztucznych, odłamki szkła, rozdrobnione opony i sieczkę ze słomy. Nie są one lepkie, ale po sprasowaniu silnie się zazębiają i mogą zablokować opróżnianie zbiornika. [10]

Recyklat PET. W badaniu płatki z butelek z tworzywa sztucznego zakleszczały się między ślimakiem a rurą podającą. Miały średnią powierzchnię 12,6 milimetra kwadratowego i bardzo nieregularny kształt. [11]

Odpady komunalne. W spalarniach odpady mogą zostać ściśnięte i zaklinować się w poprzek otworu chwytaka suwnicy. [12]

Duże kamienie. W górnictwie rozróżnia się zatory powodowane przez zaklinowane bloki oraz zatory tworzone przez zbrylony materiał drobny. To dwa odrębne problemy występujące w tym samym zsypie. [13]

Ponieważ przyczyną jest geometria, a nie spoistość, rozwiązanie również musi być inne. Zmniejszenie przyczepności materiału nie pomoże. Otwór wylotowy powinien być odpowiednio duży w stosunku do największych kawałków. W literaturze branżowej dla okrągłego wylotu podaje się zwykle szerokość odpowiadającą od sześciu do dziewięciu wymiarów największej cząstki. Jest to jednak zasada oparta na doświadczeniu, a nie wynik obliczeń, nie istnieje powszechnie uznany wzór pozwalający przewidzieć powstanie sklepienia zaklinowanego.

Warto odróżnić wylot silosu od rury lub węża ssącego. Powyższa zasada dotyczy otworu, przez który materiał ma się wysypywać grawitacyjnie. W transporcie pneumatycznym materiał jest unoszony przez strumień powietrza, a zator powstaje zwykle wtedy, gdy prędkość powietrza jest zbyt mała, na trasie znajduje się kolano albo na wewnętrznej ściance narasta osad. Podłużne i kanciaste kawałki nadal mogą blokować się w wąskim przekroju, lecz zaleceń dotyczących szerokości wylotu leja nie można bezpośrednio przenosić na średnicę rury.

Trzeba przy tym zaznaczyć, że według Wolfson Centre sklepienia zaklinowane występują stosunkowo rzadko. Większość problemów spotykanych w praktyce ma charakter kohezyjny. [14]

Co to jest tunelowanie

Wyobraź sobie wysypywanie mąki z torebki bez potrząsania. Materiał przesypuje się środkiem, natomiast przy ściankach pozostaje nieruchomy. Po pewnym czasie wysyp ustaje, mimo że w opakowaniu nadal znajduje się mąka.

To zjawisko nazywa się tunelowaniem. W silosie przemieszcza się jedynie materiał znajdujący się bezpośrednio nad wylotem. Od powierzchni zasypu do otworu wylotowego tworzy się pionowy kanał otoczony nieruchomym materiałem. Pozostała część zawartości zalega przy ścianach i nie bierze udziału w opróżnianiu. [15]

Jeśli porusza się tylko część materiału, mamy do czynienia z przepływem lejowym. Jego przeciwieństwem jest przepływ masowy, w którym podczas opróżniania obniża się cała zawartość silosu. Z punktu widzenia stabilnego procesu korzystniejszy jest przepływ masowy, jednak w praktyce wiele instalacji pracuje w trybie przepływu lejowego.

Kanał nie zapada się, ponieważ otaczający go materiał ma wystarczającą wytrzymałość, aby utrzymać własny ciężar. Mechanizm przypomina sklepienie nad wylotem, lecz działa w kierunku pionowym.

Wynika z tego jasna zasada projektowa: aby wyeliminować ryzyko tunelowania, wylot musi być co najmniej tak szeroki jak kanał, który dany materiał jest w stanie utrzymać. Jeśli wylot jest szerszy, kanał się zapadnie; jeśli węższy, może pozostać stabilny. [16]

Zasada jest prosta, lecz w praktyce trudna do spełnienia.

W badaniu trzech proszków do prania obliczono szerokość stabilnego kanału dla każdego materiału. W najbardziej niekorzystnym przypadku wyniosła ona 1,5 metra. [17]

Oznacza to, że w silosie o średnicy 2 metrów bezpieczny otwór wylotowy musiałby zajmować większość dna. Trudno nazwać go wówczas typowym wylotem, byłoby to niemal otwarte dno.

Takie rozwiązania są rzadko stosowane. Dlatego w wielu instalacjach wylot jest znacznie węższy niż stabilny kanał tworzony przez materiał, a tunelowanie pozostaje częstym problemem eksploatacyjnym.

Skutki mogą być poważne. Dane z przemysłu spożywczego wskazują, że przy tunelowaniu wykorzystuje się realnie jedynie od 10 do 20 procent pojemności leja. Jednocześnie nawet 90 procent lejów w branży może pracować w trybie przepływu lejowego. [18]

W praktyce oznacza to, że znaczna część instalacji pracuje w warunkach sprzyjających tunelowaniu. Po jego wystąpieniu z silosu można odebrać zaledwie jedną dziesiątą do jednej piątej zgromadzonego materiału. Reszta zalega przy ścianach, dopóki nie zostanie poruszona, często w sposób ręczny i niebezpieczny. Długotrwały postój dodatkowo zwiększa konsolidację i utrudnia późniejsze opróżnienie.

2. Najprostszy błąd do wyeliminowania

Najczęstszą przyczyną nieskutecznej pracy wibratora nie jest jego wielkość ani typ, lecz niewłaściwy moment uruchomienia.

Znasz ten efekt z kuchni. Gdy uderzysz pełną torebką kawy lub mąki o blat, jej zawartość osiada i zajmuje mniej miejsca. Materiału nie ubyło, bo ziarna ułożyły się ciaśniej, ponieważ usunięto część powietrza znajdującego się między nimi.

To samo dzieje się w silosie, gdy wibrator pracuje przy zamkniętym wylocie. Materiał nie ma dokąd się przemieścić, dlatego drgania jedynie zwiększają jego zagęszczenie.

Nie jest to nowe odkrycie. Już w 1983 roku brytyjscy badacze A.R. Reed i C.H. Duffell opisali urządzenia wspomagające opróżnianie lejów w czasopiśmie „bulk solids handling”. Ich wniosek był jednoznaczny: urządzenia wibracyjne nie powinny pracować przy zamkniętym wylocie, ponieważ prowadzi to do zagęszczania produktu. [22]

W konsekwencji wibrator musi później uruchomić materiał o większej wytrzymałości niż przed jego włączeniem. Błąd nie tylko nie rozwiązuje problemu, lecz dodatkowo go pogłębia.

Wniosek ten potwierdzono 29 lat później na łamach tego samego czasopisma: urządzenie powinno pracować wyłącznie podczas odbioru materiału z silosu. W przeciwnym razie drgania prowadzą do jego konsolidacji. Dwa artykuły opublikowane w odstępie trzech dekad wskazują tę samą zasadę eksploatacyjną. [23]

Dlaczego usunięcie powietrza z proszku nie pomaga?

Nasuwa się uzasadnione pytanie: skoro nadmiar powietrza w proszku może wywołać flushing, czyli niekontrolowany wysyp, czy jego usunięcie nie powinno być korzystne?

Nie zawsze. Kluczowa jest różnica między spokojnym odpowietrzaniem a mechanicznym zagęszczaniem materiału.

Gdy proszek pozostaje w spoczynku i stopniowo się odpowietrza, osiada i zwiększa gęstość nasypową. Kiedy natomiast wstrząsamy materiałem, który nie ma możliwości wysypu, cząstki zostają mocniej dociśnięte do siebie, a powierzchnie ich styku rosną. To właśnie na tych powierzchniach działają siły kohezji. Drgania nie tylko usuwają więc powietrze, zwiększają również wytrzymałość skonsolidowanego materiału.

Całkowite odpowietrzenie również nie jest celem. [19] Johanson, który opisał zjawisko flushingu, zwraca uwagę, że niewielka ilość powietrza ułatwia równomierne przemieszczanie się proszku. Po całkowitym odpowietrzeniu wydajność wysypu może spaść poniżej poziomu wymaganego przez instalację. Problemem nie jest więc samo powietrze, lecz jego nadmiar w niewłaściwym miejscu.

Zasada ta nie dotyczy jednak wszystkich instalacji. W silosie materiał przemieszcza się przede wszystkim pod wpływem grawitacji, a powietrze może ten proces wspomagać lub zakłócać. W instalacji ssącej albo w transporcie pneumatycznym to strumień powietrza jest główną siłą transportującą. Stan, który w silosie może oznaczać flushing, w przewodzie transportu pneumatycznego jest normalnym warunkiem pracy. Nie wolno więc bezpośrednio przenosić doświadczeń z jednego układu na drugi. Najpierw trzeba ustalić, co faktycznie wprawia materiał w ruch.

Dlaczego ten błąd łatwo usunąć

Zagęszczanie proszku pod wpływem drgań jest na tyle dobrze poznane, że w farmacji wykorzystuje się je w znormalizowanej metodzie oznaczania gęstości po ubiciu. Próbkę proszku umieszcza się w cylindrze miarowym, poddaje określonej liczbie mechanicznych uderzeń, a następnie mierzy zmniejszenie jej objętości. Metodę opisują Farmakopea Europejska i Farmakopea Stanów Zjednoczonych. Ten sam mechanizm prowadzi do konsolidacji materiału w silosie, gdy wibrator pracuje przy zamkniętym wylocie. [24]

Mike Bradley, kierujący badaniami nad transportem i przetwarzaniem materiałów sypkich na University of Greenwich, formułuje tę zasadę jednoznacznie: wibratory powinny pracować wyłącznie wtedy, gdy materiał jest odbierany spod wylotu. Nie jest to jedynie środek ostrożności, lecz warunek prawidłowego działania urządzenia. [25]

Rozwiązanie jest proste i niedrogie: wystarczy elektryczne sprzężenie wibratora z przenośnikiem znajdującym się pod wylotem. Można zastosować przekaźnik i odpowiednio ustawiony timer, aby wibrator uruchamiał się tylko podczas odbioru materiału. Reed i Duffell opisują cykl sprawdzony w praktyce: 30 sekund pracy w każdej minucie, wyłącznie podczas ruchu przenośnika.

Dlatego urządzenia pneumatyczne często są wyposażone w zawór elektromagnetyczny i timer, a dostępne sterowniki mogą obsługiwać nawet 15 jednostek. Sterowanie nie jest dodatkiem, ale decyduje o tym, czy urządzenie spełni swoje zadanie.

Kiedy więc wibracja pomaga?

Nie oznacza to, że wibracja jest niekorzystna. Eksperyment z 2009 roku dobrze pokazuje, kiedy przynosi oczekiwany efekt.

Badacze z Francji i Hiszpanii zbudowali niewielki lej i obserwowali wysyp ziaren. Bez wibracji istnieje dolna granica wielkości otworu: gdy jest on mniejszy niż kilka średnic ziarna, nad wylotem tworzy się łuk i wysyp ustaje. Jest to sklepienie zaklinowane opisane w rozdziale 1, tyle że w małej skali.

Po wprawieniu leja w drgania, przy otwartym i drożnym wylocie, ziarna przesypywały się przez otwory znacznie mniejsze niż te, przy których bez wibracji dochodziło do zakleszczenia. [26]

Dlaczego w jednym przypadku wibracja pomaga, a w drugim pogarsza sytuację? Odpowiedź wynika z budowy sklepienia.

Sklepienie nie jest jednolitą bryłą, lecz konstrukcją utrzymywaną przez równowagę sił. Każde ziarno opiera się o sąsiednie pod kątem, który umożliwia przeniesienie ciężaru wzdłuż łuku na ściany. Równowaga jest delikatna i nawet niewielkie przemieszczenie ziaren może spowodować zawalenie sklepienia.

Tak właśnie działa drganie: przesuwa ziarna o kilka tysięcznych milimetra, zaburza układ sił i powoduje rozpad łuku.

Dalszy efekt zależy od tego, czy materiał ma drogę ujścia.

Jeśli wylot jest otwarty, materiał opada i wysypuje się z silosu. Sklepienie znika, a materiał nie pozostaje w miejscu, w którym mogłoby natychmiast powstać kolejne.

Przy zamkniętym wylocie materiał również opada, lecz nie może opuścić silosu. Zagęszcza warstwę znajdującą się niżej, po czym może utworzyć nowe, mocniejsze sklepienie. Jeśli wibrator nadal pracuje, cykl się powtarza, a stopień konsolidacji rośnie.

Ten sam rodzaj drgań może więc zarówno zniszczyć sklepienie, jak i doprowadzić do powstania kolejnego, jeszcze stabilniejszego. Decyduje o tym drożność wylotu.

Dlatego przy wyborze urządzenia warto pytać nie tylko o jego siłę, lecz przede wszystkim o sposób sterowania.

3. Im dłuższy postój, tym większe ryzyko zatoru

Znasz to z codziennych sytuacji: sól w solniczce zbryla się, cukier w otwartym opakowaniu twardnieje, a kawa z czasem traci sypkość.

Podobne procesy zachodzą w silosie, tylko na znacznie większą skalę. Wiele materiałów podczas postoju konsoliduje się i zwiększa wytrzymałość. Dlatego problemy z opróżnianiem często ujawniają się po weekendzie lub dłuższej przerwie.

W literaturze opisano trzy główne mechanizmy. Wszystkie mogą zachodzić samoczynnie podczas postoju instalacji. [29]

Wilgoć rozprzestrzenia się. W proszkach niemal zawsze znajduje się pewna ilość wilgoci. Przy dobowych zmianach temperatury woda migruje, a podczas odparowywania pozostawia rozpuszczone substancje. W przypadku soli, cukru, nawozów czy proszków do prania w punktach styku ziaren mogą powstawać drobne kryształy. Tworzą one trwałe mostki między cząstkami, a materiał nie tylko wykazuje kohezję, lecz zostaje miejscowo spojony.

Nacisk zwiększa powierzchnie styku. Materiał znajdujący się w dolnej części silosu przenosi ciężar warstw położonych wyżej. Pod naciskiem punkty styku cząstek ulegają spłaszczeniu, a ich powierzchnia rośnie. Ponieważ właśnie na powierzchniach styku działają siły kohezji, dłuższy czas obciążenia zwiększa wytrzymałość materiału.

Materiał mięknie pod wpływem temperatury. Niektóre proszki po przekroczeniu określonego zakresu temperatur stopniowo przechodzą ze stanu twardego w bardziej plastyczny i lepki, podobnie jak karmel. Nie jest to gwałtowne topnienie, lecz stopniowa zmiana właściwości. Cząstki zaczynają łączyć się w punktach styku, a po ponownym ochłodzeniu pozostają ze sobą związane.

Skala tych zmian może być zaskakująca.

Jeden z wyraźnych przykładów pochodzi z górnictwa platyny. Szerokość kanału, który materiał mógł utrzymać bez zapadania, wzrosła z 5,79 do 7,12 metra już po dwóch dobach postoju. W innym badaniu zwiększenie wilgotności z 5 do 10 procent spowodowało, że z silosu zawierającego 2000 ton materiału można było odebrać zaledwie 999 ton. Wzrost wilgotności o pięć punktów procentowych ograniczył więc dostęp do około połowy zawartości silosu. [20]

Przykład z przemysłu mleczarskiego dobrze pokazuje znaczenie temperatury. Odtłuszczone mleko w proszku przechowywane 2,5°C poniżej temperatury mięknienia zaczęło się zbrylać po 110 godzinach. Po podniesieniu temperatury o 4°C czas ten skrócił się do 18 godzin. Niewielka zmiana warunków magazynowania ograniczyła więc o około 80 procent czas do wystąpienia problemu. [21]

Właściwości materiału można zbadać, aby określić jego zachowanie podczas postoju.

W badaniu laboratoryjnym próbkę zagęszcza się pod obciążeniem odpowiadającym warunkom panującym w konkretnym silosie, pozostawia na czas równy rzeczywistemu przestojowi instalacji, a następnie mierzy siłę potrzebną do zniszczenia powstałej struktury. Wynik pozwala określić wymaganą wielkość wylotu dla danego materiału i sposobu eksploatacji. Koszt takiego badania jest zwykle znacznie niższy niż koszt niewłaściwie dobranego urządzenia. [23]

Badanie ma największą wartość na etapie projektowania nowego silosu, ponieważ jego wyniki można uwzględnić przy doborze geometrii i wielkości wylotu. Jeśli instalacja już istnieje, a materiał blokuje się podczas opróżniania, pozostają rozwiązania opisane w rozdziałach 4 i 5. Przebudowa silosu nie zawsze jest możliwa, dlatego stosuje się odpowiednio dobrane urządzenia wspomagające przepływ materiałów sypkich.

4. Rodzaj materiału determinuje wybór rozwiązania

Urządzenia wspomagające przepływ można podzielić na cztery główne grupy. Każda działa w inny sposób i jest przeznaczona do innego rodzaju problemu.

Powietrze

Gdy powietrze przepływa ku górze przez warstwę proszku, może częściowo przejąć ciężar cząstek. Przy pełnej fluidyzacji materiał zachowuje się podobnie do cieczy. Aeratory i płyty fluidyzacyjne wykorzystują znacznie łagodniejszy efekt: doprowadzają tylko tyle powietrza, aby ograniczyć tarcie między materiałem a ścianą silosu i ułatwić jego zsuwanie, bez wprowadzania całego złoża w stan pełnej fluidyzacji.

Reed i Duffell podają jako wartość wyjściową około 0,1 metra sześciennego powietrza na minutę na każdy metr kwadratowy powierzchni leja. Metoda sprawdza się najlepiej w przypadku suchych proszków o wielkości cząstek poniżej około 70 mikrometrów. [22]

Ważna jest jedna różnica eksploatacyjna: powietrze do aeratorów lub płyt fluidyzacyjnych należy doprowadzać w sposób ciągły, nie tylko podczas opróżniania silosu. Jest to zasada odwrotna niż w przypadku wibracji mechanicznej, która powinna działać wyłącznie wtedy, gdy materiał ma otwartą drogę ujścia. Pomieszanie tych zasad może obniżyć skuteczność obu rozwiązań.

Wibracja

Wibracja może przyjmować dwie podstawowe formy: wiele drobnych, szybkich drgań albo rzadsze, mocne uderzenia.

Drobne, szybkie drgania działają przede wszystkim w strefie kontaktu materiału ze ścianą silosu i pomagają odrywać osad od blachy. Mocne uderzenia przenikają głębiej i mogą poruszyć większą część kolumny materiału.

Badania potwierdzają ten podział. W eksperymencie z suchymi, drobnymi proszkami oddziaływanie o niższej częstotliwości poprawiało zdolność materiału do przemieszczania się, natomiast bardzo szybkie drgania zmniejszały tarcie i rozbijały aglomeraty. Są to dwa różne zadania. [25]

W praktyce pneumatyczne wibratory montowane na ścianie pracują z częstotliwością od 20 do 120 drgań na sekundę. Modele rotacyjne osiągają znacznie wyższe wartości, a wibratory turbinowe do 42 000 drgań na minutę. Na drugim końcu skali znajduje się młotek pneumatyczny, który wykonuje pojedyncze, silne uderzenia. [26] Największy z przywołanych modeli przy ciśnieniu 6 barów osiąga siłę do 2186 niutonów, co odpowiada statycznemu ciężarowi około 220 kilogramów.

Zgodnie z powszechnie stosowaną zasadą praktyczną materiały drobne i suche lepiej reagują na wiele niewielkich drgań, a materiały wilgotne i lepkie na rzadsze, mocne uderzenia. Zależność tę opisują przede wszystkim materiały producentów, a nie niezależne badania. Sama fizyka obu rodzajów oddziaływania jest dobrze udokumentowana, lecz przypisanie konkretnego materiału do określonych ustawień opiera się w dużej mierze na doświadczeniu. [28] Reed i Duffell podkreślają, że warunki są zbyt złożone, aby wszystkie parametry wyliczyć, dlatego ustawienia często dobiera się podczas prób. Warto o tym pamiętać, gdy wybór urządzenia jest przedstawiany jako wynik jednoznacznych obliczeń.

Armatki powietrzne

Armatka powietrzna działa inaczej. Zbiornik napełnia się sprężonym powietrzem, które następnie zostaje gwałtownie uwolnione przez zawór o dużym przekroju. Powstająca fala ciśnienia oddziałuje bezpośrednio na materiał i odrywa osady od ściany. [29]

Armatki pracują zwykle przy ciśnieniu od 3 do 6 barów. Stosuje się je tam, gdzie sama wibracja jest niewystarczająca: w przypadku materiałów gruboziarnistych, nieregularnych i włóknistych oraz osadów nagromadzonych na wewnętrznych ścianach dużych zbiorników.

Reed i Duffell zwracają jednak uwagę na ryzyko: jeśli fala ciśnienia nie oderwie materiału, energia może obciążyć konstrukcję silosu. Opisano przypadki uszkodzeń jego ścian. Dlatego wielkości i rozmieszczenia armatek nie należy dobierać orientacyjnie. [22] Sposób postępowania opisuje rozdział 5.

Elektryka i hydraulika

Sprężone powietrze nie zawsze jest najlepszym źródłem napędu. W najprostszym ujęciu wibrator elektryczny jest silnikiem z niewyważonymi masami umieszczonymi na wale. Podczas obrotu generują one okresową siłę odśrodkową, która wprawia urządzenie w drgania. Siłę można regulować przez zmianę wzajemnego położenia mas po zdjęciu osłony i poluzowaniu mocowania. Masy znajdują się wewnątrz wibratora. Urządzenia elektryczne stosuje się między innymi na silosach, dozownikach, mieszalnikach i filtrach workowych.

Wibratory hydrauliczne nie wymagają ani zasilania elektrycznego, ani sprężonego powietrza. Podłącza się je do układu hydraulicznego maszyny, dlatego sprawdzają się na wywrotkach, koparkach i maszynach rolniczych. W instalacjach stacjonarnych, w których dostępne są już prąd i sprężone powietrze, stosuje się je rzadziej.

Kiedy nie należy stosować wibracji w problemach z przesuwaniem się materiału

W niektórych przypadkach wibracja nie rozwiąże problemu niezależnie od wielkości urządzenia. Wolfson Centre wskazuje trzy grupy materiałów.

Pierwszą są materiały bardzo lepkie, które pod wpływem nacisku dodatkowo twardnieją. Drugą: materiały silnie sprężyste, pochłaniające drgania zamiast przekazywać je dalej. Trzecią są bardzo drobne proszki, o cząstkach rzędu 30 mikrometrów lub mniejszych, w których siły adhezji i kohezji dominują nad oddziaływaniem drgań. [14]

Warto rozpoznać taką sytuację przed zakupem urządzenia. Dobra diagnoza pozwala uniknąć inwestycji w rozwiązanie, które z założenia nie będzie skuteczne.

5. Od objawu do rozwiązania

Wiemy już, jakie zjawiska mogą zakłócać opróżnianie silosu. Teraz można przejść od objawu do właściwego rozwiązania.

Poniższe rozwiązania są uporządkowane według funkcji, a nie nazw produktów. Najpierw należy dobrać zasadę działania, a dopiero potem wielkość urządzenia, sposób przyłączenia i wymagane dopuszczenia.

Wybierz opis najbardziej zbliżony do sytuacji występującej w twojej instalacji.

W silosie i leju

Drobny, suchy proszek tworzy sklepienie nad wylotem. Dotyczy to między innymi cementu, wapna, popiołu lotnego, mąki i pigmentów. Cząstki są na tyle drobne, że dominują siły kohezji i adhezji. Sama wibracja może wówczas dodatkowo zagęszczać materiał zamiast ułatwiać jego wysyp.

Rozwiązaniem może być doprowadzenie niewielkiej ilości powietrza przez ścianę stożka. Stosuje się porowate płyty napowietrzające lub dysze napowietrzające, które tworzą warstwę powietrza między materiałem a stalą, zmniejszają tarcie i ułatwiają zsuwanie materiału. Drugą możliwością są wibroaeratory membranowe. Jednocześnie doprowadzają powietrze i poruszają elastyczną membraną, dzięki czemu odrywają materiał od ściany i kierują go w stronę wylotu. Skoncentrowane oddziaływanie w określonej strefie może zwiększyć skuteczność opróżniania.

Trzeba dopilnować trzech rzeczy. Powietrze należy doprowadzać w sposób ciągły podczas pracy systemu. Powinno być suche i filtrowane, ponieważ wilgoć zwiększa skłonność materiału do zbrylania. Strumień powietrza musi być również dozowany: zbyt duża ilość może wywołać flushing, czyli nagły i niekontrolowany wysyp materiału.

Wilgotny lub lepki materiał przywiera do ściany stożka. Może to być glina, gips, placek filtracyjny, osad ściekowy albo mieszanka paszowa. W takim przypadku napowietrzanie zwykle nie przynosi oczekiwanego efektu, ponieważ problemem jest silne przyleganie materiału do powierzchni.

Rozwiązaniem może być mocne uderzenie. Młot pneumatyczny z tłokiem napędzanym sprężonym powietrzem uderza w płytę zamontowaną na zewnętrznej stronie silosu. Impuls rozchodzi się po płycie i odrywa warstwę materiału od ściany. Jedno urządzenie może generować siłę ponad 2000 niutonów, odpowiadającą statycznemu ciężarowi około 220 kilogramów.

Gdy potrzebne jest równomierne oddziaływanie zamiast pojedynczych impulsów, można zastosować urządzenie pracujące w sposób ciągły. Takie rozwiązania wykorzystuje się między innymi w posypywarkach soli, wywrotkach i wagonach kolejowych przewożących mokre, lepkie materiały.

Należy uwzględnić hałas. Pojedyncze uderzenie może osiągać około 125 decybeli, dlatego lokalizacja urządzenia, czas pracy i ochrona słuchu wymagają wcześniejszego zaplanowania.

Materiał gruboziarnisty, włóknisty lub nieregularny tworzy sklepienie zaklinowane. Dotyczy to zrębków drzewnych, kory, odpadów, RDF, płatków tworzyw sztucznych oraz innych materiałów zawierających długie lub kanciaste kawałki. Przyczyną jest geometria elementów, a nie ich spoistość, dlatego napowietrzanie i łagodne drgania mogą być nieskuteczne.

Rozwiązaniem może być fala ciśnienia wytwarzana przez armatkę powietrzną. Sprężone powietrze zgromadzone w zbiorniku zostaje gwałtownie uwolnione przez zawór o dużym przekroju. Fala oddziałuje bezpośrednio na materiał i równocześnie usuwa nawarstwienia z wewnętrznej powierzchni zbiornika. Po skierowaniu wzdłuż ściany może wspomagać zsuwanie materiału w stronę wylotu.

Kluczowe są prawidłowy dobór wielkości i rozmieszczenia urządzeń. W dalszej części rozdziału opisano, jakie dane są do tego potrzebne.

Powstało tunelowanie, a wykorzystywana jest tylko część pojemności silosu. Typowymi objawami są wysoki poziom materiału wskazywany przez czujnik, bardzo mała wydajność na wylocie oraz lejowate zagłębienie na powierzchni zasypu.

Możliwe są dwa podejścia.

Rozwiązanie podstawowe ma charakter geometryczny. Kanał nie utrzyma się, jeśli wylot będzie od niego szerszy. Poszerzenie otworu, zwiększenie kąta nachylenia stożka lub wygładzenie jego powierzchni może wyeliminować problem, ale zwykle wymaga przebudowy silosu.

W istniejącej instalacji częściej stosuje się rozwiązanie praktyczne: poszerza się aktywną strefę materiału za pomocą aeratorów lub impulsów ciśnienia rozmieszczonych wokół stożka. Ich zadaniem jest uruchomienie materiału zalegającego przy ścianach i włączenie go do strumienia kierowanego ku wylotowi. O skuteczności decydują liczba urządzeń oraz ich rozmieszczenie względem martwych stref.

Po postoju materiał jest twardy, choć wcześniej wysypywał się bez problemu. To typowa konsolidacja w czasie, opisana w rozdziale 3. Podczas postoju wzrosła wytrzymałość materiału.

Rozwiązanie składa się z dwóch elementów. Pierwszym jest silny impuls, uderzenie albo fala ciśnienia, uruchamiany przy rozruchu i zdolny zniszczyć skonsolidowaną strukturę. Drugim jest odpowiednie sterowanie: urządzenie powinno rozpocząć pracę kilka sekund przed otwarciem wylotu, a następnie działać w sprzężeniu z przenośnikiem, zgodnie z zasadą opisaną w rozdziale 2.

W takim układzie timer szybko przynosi oszczędności. Urządzenie pracujące tylko podczas rozruchu i odbioru materiału zużywa znacznie mniej sprężonego powietrza niż jednostka działająca bez przerwy.

Co dzieje się głębiej w zapchanej instalacji

Materiał zalega w rurach, rynnach lub na powierzchniach pochyłych. Nie tworzy wówczas wysokiej kolumny obciążonej od góry, lecz cienką warstwę, której trzeba jedynie ułatwić zsunięcie.

Rozwiązaniem są drgania o wysokiej częstotliwości i małej amplitudzie. Kulka, rolka lub turbina napędzana sprężonym powietrzem wytwarza wiele tysięcy drobnych drgań na minutę. Oddziałują one w strefie kontaktu materiału ze stalą i ułatwiają jego przemieszczanie. Wibrator turbinowy jest najcichszy, nie wymaga smarowania i dlatego często wybiera się go do zastosowań o podwyższonych wymaganiach higienicznych.

Istotny jest montaż. Urządzenie powinno być zamocowane na rurze lub rynnie za pośrednictwem odpowiednio sztywnego elementu. Podatny wspornik pochłonie część energii i ograniczy skuteczność drgań.

Podajnik, stół wibracyjny lub urządzenie dozujące ma transportować materiał równomiernie. Nie chodzi tu o rozbicie zatoru, lecz o utrzymanie stałego i kontrolowanego ruchu.

Można zastosować wibrator tłokowy z regulacją, w którym tłok porusza się bez uderzania metalu o metal. Takie urządzenie jest stosunkowo ciche, zwykle poniżej 80 decybeli, a regulacja siły i częstotliwości pozwala uzyskać równomierny transport bez nadmiernego podrzucania materiału. W mniejszych instalacjach często stosuje się kompaktowe wibratory elektryczne.

Worki filtracyjne zapychają się, ponieważ pył osadza się na ich zewnętrznej powierzchni i ogranicza przepływ powietrza.

Rozwiązaniem może być wibrator elektryczny zamontowany na obudowie filtra. W regularnych odstępach wprawia kosz worków w drgania, dzięki czemu warstwa pyłu odpada i trafia do leja pod filtrem. Napęd elektryczny sprawdza się tu szczególnie dobrze, ponieważ urządzenie może pracować przez dłuższy czas bez zużywania sprężonego powietrza.

Na maszynach i pojazdach

Cysterna lub naczepa silosowa rozładowuje się zbyt długo. Każda dodatkowa minuta postoju oznacza koszt, a skrócenie rozładunku może zwiększyć liczbę kursów wykonywanych w ciągu dnia.

Rozwiązaniem są aeratory membranowe do silonaczep (VBT) montowane w dolnej części każdego stożka. Zasilane powietrzem z dmuchawy pojazdu kierują strumień ku wylotowi i ograniczają osadzanie się materiału. Do transportu produktów spożywczych dostępne są wersje z membraną przeznaczoną do kontaktu z żywnością oraz membrany wykrywalne przez detektory metalu.

Materiał zalega w skrzyni wywrotki, łyżce koparki lub maszynie rolniczej, a w miejscu pracy nie ma dostępu do sprężonego powietrza ani zasilania trójfazowego.

Możliwe są dwa rozwiązania. Jeśli maszyna ma układ hydrauliczny, można zastosować wibrator hydrauliczny podłączony bezpośrednio do tego układu. Jeśli dostępny jest wyłącznie akumulator, stosuje się urządzenia 12- lub 24-woltowe przystosowane do drgań, zanieczyszczeń i pracy na zewnątrz. Wykorzystuje się je między innymi na wywrotkach, pompach do betonu i posypywarkach soli.

Kiedy obowiązują szczególne wymagania

Przy przetwarzaniu żywności, pasz lub produktów farmaceutycznych nie wystarcza sama skuteczność urządzenia. Konieczna jest również właściwa dokumentacja materiałowa i higieniczna.

Wybieraj urządzenia z membranami przeznaczonymi do kontaktu z żywnością. Jeśli na dalszym etapie procesu produkt jest kontrolowany detektorem metali, warto rozważyć membranę wykrywalną. Do zastosowań wibracyjnych często nadaje się model turbinowy, ponieważ pracuje bez smarowania i nie stwarza ryzyka zanieczyszczenia olejem. Dokumentację należy zawsze zamówić i zweryfikować zgodnie z zasadami opisanymi w rozdziale 8.

W strefie zagrożonej wybuchem urządzenie musi mieć oznakowanie odpowiednie do klasyfikacji strefy. Dotyczy to także urządzeń nieelektrycznych.

Urządzenia pneumatyczne nie zawierają elektrycznego źródła zapłonu, ale nadal muszą być dopuszczone do zastosowania w danej atmosferze wybuchowej. Oznakowanie urządzenia należy porównać z klasyfikacją zapisaną w dokumencie zabezpieczenia przed wybuchem. W razie wątpliwości dokument ten powinien być punktem wyjścia przed złożeniem zamówienia.

Jeżeli w pobliżu pracują ludzie, poziom hałasu musi być jednym z kryteriów doboru urządzenia.

Różnice między typami są znaczne. Wytłumiony wibrator tłokowy może pracować poniżej 80 decybeli, modele rotacyjne poniżej 90, armatka powietrzna może osiągać około 105, a pojedyncze uderzenie młotka pneumatycznego nawet 125 decybeli. Ryzyko można ograniczyć przez zmianę lokalizacji, czasu pracy albo typu urządzenia. Każde z tych działań jest łatwiejsze i tańsze niż konsekwencje trwałego uszkodzenia słuchu.

Jak dobrać właściwe urządzenie do posiadanego materiału

Właściwej wielkości urządzenia nie powinno się dobierać orientacyjnie. Potrzebne są dane o materiale, zbiorniku i sposobie pracy instalacji.

Proces obejmuje cztery kroki i zwykle kosztuje mniej niż zakup jednej niewłaściwie dobranej jednostki.

Najpierw należy opisać materiał: wielkość cząstek, wilgotność, gęstość nasypową i maksymalny czas postoju. Jeśli dane są niepewne, właściwości materiału można zbadać w laboratorium, jak opisano w rozdziale 3.

Następnie potrzebne są dane zbiornika: średnica, kąt stożka, wymiary wylotu, materiał ściany i grubość blachy. Grubość blachy wpływa między innymi na sposób mocowania urządzenia.

Kolejny krok to opis eksploatacji: praca ciągła czy wsadowa, liczba cykli opróżniania na dobę oraz rodzaj urządzenia znajdującego się pod wylotem.

Na tej podstawie dostawca powinien przeprowadzić dobór. Narzędzia obliczeniowe uwzględniają właściwości materiału, geometrię zbiornika i dostępne zasilanie, a następnie wskazują odpowiedni typ i wielkość urządzenia. Przed złożeniem zamówienia warto poprosić o uzasadnienie doboru. Sam numer katalogowy bez analizy danych nie daje pewności, że rozwiązanie będzie właściwe.

Możesz również skorzystać z wyszukiwarki komponentów Particulair. Dziewięć pytań o materiał, obserwowany objaw i instalację pozwala wstępnie określić, jaki rodzaj rozwiązania będzie odpowiedni. Narzędzie wskaże także sytuacje, w których główną przyczyną problemu jest geometria leja, a nie brak właściwego urządzenia.

6. Silos to także konstrukcja

Zegnij spinacz biurowy wielokrotnie w tę i z powrotem. Każde pojedyncze odkształcenie jest niewielkie, a mimo to po pewnym czasie metal pęka.

To zmęczenie materiału. Element może bez problemu wytrzymać pojedyncze obciążenie, lecz ulec uszkodzeniu po wielu powtórzeniach. Znaczenie ma więc nie tylko wartość siły, ale także liczba cykli.

Dlatego sposób montażu urządzenia na ścianie silosu ma zasadnicze znaczenie. Wibrator nie wywołuje pojedynczego obciążenia, lecz powtarza je tysiące lub miliony razy podczas pracy.

Wspólne europejskie zasady projektowania konstrukcji nośnych określają Eurokody. Część dotycząca obciążeń silosów wymienia wibratory, armatki powietrzne i obrotowe wygarniacze denne. Zmienne obciążenia generowane przez te urządzenia należy ocenić pod kątem zmęczenia materiału [30]. Przepisy dotyczące silosów stalowych wymagają pełnych obliczeń zmęczeniowych w określonych klasach konsekwencji i po przekroczeniu wskazanej liczby cykli obciążenia.

Wniosek jest ważny: montaż urządzenia wspomagającego przepływ w istniejącej instalacji może wprowadzić obciążenia, których pierwotne obliczenia konstrukcji nie uwzględniały.

Nie oznacza to, że urządzenia nie należy montować. Oznacza natomiast, że przed modernizacją trzeba ocenić wpływ dodatkowych obciążeń na konstrukcję silosu.

Cztery podstawowe zasady montażu wibratora przemysłowego

Montuj nisko, a nie wysoko. Mike Bradley z University of Greenwich zaleca rozpoczynać od dolnej części stożka, ponieważ drgania łatwiej rozchodzą się ku górze, w bardziej podatnej części konstrukcji, niż w dół [14]. Wysoko zamontowany wibrator może uruchomić materiał znajdujący się powyżej, który następnie dociska i zagęszcza warstwę przy wylocie. Efekt może być więc odwrotny do zamierzonego.

Nie montuj bezpośrednio do blachy. Trzech niezależnych producentów zaleca zamocowanie wibratora na profilu lub belce, która rozkłada obciążenie na większą powierzchnię ściany [31]. Profil powinien mieć co najmniej powierzchnię stopy wibratora i zwykle obejmować około dwóch trzecich wysokości stożka. Spoiny wykonuje się odcinkami z przerwami, na przykład 75 milimetrów spoiny i 25 milimetrów odstępu; nie prowadzi się ich przez naroża. Ciągła spoina wokół narożnika powoduje koncentrację naprężeń i sprzyja powstawaniu pęknięć. Jeden z producentów wskazuje spawanie przez narożniki jako najczęstszą przyczynę pękania wspornika wibratora.

Ponownie dokręć śruby po uruchomieniu. Stosuj co najmniej SAE Grade 5, w przybliżeniu odpowiadające klasie 8.8, i sprawdź dokręcenie po kilku minutach pracy, chyba że producent przewiduje zabezpieczenie klejem do gwintów. Wymagany moment dokręcania zależy od modelu. Jeśli nie podano go w dokumentacji wibratora, należy uzyskać tę wartość od dostawcy.

Uwzględnij strefę wibratora w planie kontroli. Wytyczne AIG dotyczące przeglądów silosów stalowych wprost wskazują konieczność poszukiwania pęknięć i degradacji w rejonie konstrukcji wsporczych oraz wibratorów [32]. Regularna kontrola tego obszaru jest więc standardowym działaniem prewencyjnym.

Na co zwrócić uwagę podczas kontroli silosu

W dokumentacji organów nadzoru wymieniono szereg objawów, które mogą poprzedzać awarię silosu: przesypywanie się materiału przez połączenia, luźne lub brakujące śruby, owalizacja otworów, pęknięcia między otworami, pofalowane krawędzie blach, wybrzuszenia oraz odchylenie konstrukcji od pionu.

Brytyjski inspektorat pracy opisał 28-metrowy silos, którego dno uległo awarii po dwudziestu latach eksploatacji, uwalniając około 600 ton pszenicy. Wcześniej obserwowano drobne nieszczelności na połączeniach i brakujące śruby [33]. Są to objawy widoczne również podczas zwykłej kontroli wzrokowej.

J.W. Carson, jeden z najczęściej cytowanych ekspertów w dziedzinie awarii silosów, zaleca, aby przy pierwszych oznakach problemu natychmiast przerwać opróżnianie i zlecić ocenę konstrukcji [34]. Materiał przesypujący się przez połączenie nie jest więc jedynie problemem porządkowym.

Co zrobić, gdy brakuje dokumentacji lub kontaktu z producentem silosu

To częsta sytuacja. Poszukiwanie informacji należy rozpocząć od tabliczki znamionowej i deklaracji właściwości użytkowych towarzyszącej konstrukcji. Dokument zawiera nazwę producenta oraz dane jednostki uczestniczącej w ocenie produkcji.

Jeśli dokumentacji brakuje, można zwrócić się do producenta silosu, o ile firma nadal działa, do inżyniera specjalizującego się w konstrukcjach silosów albo do specjalisty oceniającego obiekt na zlecenie ubezpieczyciela. W praktyce ta ostatnia droga bywa najszybciej dostępna.

Przepisy dotyczące kontroli po modernizacji

W Polsce zagadnienie to reguluje Rozporządzenie Ministra Gospodarki z 30 października 2002 r. w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy w zakresie użytkowania maszyn przez pracowników podczas pracy (Dz.U. 2002 nr 191 poz. 1596). Paragraf 27 wymaga, aby po pracach modyfikujących maszynę, które mogą pogorszyć jej bezpieczeństwo, przed ponownym dopuszczeniem do użytkowania przeprowadzono specjalną kontrolę przez upoważnioną jednostkę lub osobę. Kontrola jest wymagana również po zainstalowaniu urządzenia, jeżeli bezpieczeństwo zależy od warunków montażu. Rozporządzenie wdraża dyrektywę 2009/104/WE, dlatego analogiczna zasada obowiązuje w całej Unii Europejskiej [35].

Trzeba jednak wskazać istotną lukę. Przepis dotyczy sprzętu roboczego, czyli wibratora i jego zamocowania. Nie wprowadza natomiast odrębnego obowiązku ponownej oceny nośności całego silosu po dodaniu nowego obciążenia. W tym zakresie pozostają wymagania Eurokodów oraz ogólny obowiązek zapewnienia bezpieczeństwa konstrukcji.

Nie istnieją wiarygodne, opublikowane statystyki określające procentowy udział poszczególnych przyczyn awarii silosów. Carson wskazuje, że każdego roku dochodzi do wielu awarii o różnej skali, ale brak danych pozwalających przypisać im jednoznaczne udziały procentowe [34]. Literatura podkreśla natomiast, że awarie zwykle wynikają ze współdziałania kilku błędów. Dlatego nawet pozornie niewielka modernizacja powinna zostać oceniona także pod kątem wpływu na całą konstrukcję.

7. Nowe przepisy o obciążeniach silosów w 2026 roku

W 2026 roku zaktualizowano europejskie zasady określania obciążeń silosów. Nowe wydanie ma znaczenie dla projektantów, wykonawców i właścicieli planujących modernizację instalacji.

Nowe wydanie zatwierdzono w grudniu 2025 roku i opublikowano 31 marca 2026 roku. Zastępuje ono wersję z 2006 roku, przewidzianą do wycofania 30 marca 2028 roku. Tego samego dnia opublikowano powiązaną normę dotyczącą silosów stalowych. Oba dokumenty należy stosować łącznie: jeden określa obciążenia, drugi zasady sprawdzania nośności konstrukcji.

Najważniejszą zmianą jest nowy podział przypadków obciążenia na podstawowe i szczególne. Wprowadzono schemat obejmujący strefę przejścia między częścią pionową silosu a stożkiem. Zakres normy rozszerzono między innymi na stożki niesymetryczne i wyloty przesunięte względem osi. Dodano także zapis dotyczący lejów, w których materiał zawiera domieszkę powietrza, a więc sytuacji występującej podczas napowietrzania.

W Polsce i pozostałych krajach UE należy zwrócić uwagę na dwa szczegóły.

Silosy dzieli się na trzy klasy zależnie od konsekwencji potencjalnej awarii. Najwyższa klasa obejmuje co do zasady silosy o pojemności powyżej 10 000 ton, a także powyżej 1000 ton, jeśli wylot jest odpowiednio mocno przesunięty. Najniższa klasa dotyczy silosów poniżej 100 ton. Klasa środkowa jest kategorią pozostałą, a nie prostym przedziałem tonażu. Dlatego silos o pojemności 2000 ton z przesuniętym wylotem może zostać zakwalifikowany do najwyższej klasy, mimo że sama pojemność nie prowadziłaby do takiej kwalifikacji.

Poszczególne kraje mogą dostosować wartości graniczne w załącznikach krajowych. Dlatego w projekcie realizowanym w Polsce należy sprawdzić polski załącznik krajowy do odpowiedniej części Eurokodu, to on określa wartości obowiązujące w danym zastosowaniu [36].

Na dzień publikacji artykułu nie udało się potwierdzić, czy Polski Komitet Normalizacyjny wydał już polską wersję językową normy z 2026 roku. Data publikacji krajowej może być późniejsza niż data wydania europejskiego.

8. Bezpieczeństwo: ATEX, hałas i wymagania higieniczne

Pył palny może tworzyć atmosferę wybuchową

Zagrożenie wybuchem pyłu jest znane od czasów dawnych młynów, w których pojedyncza iskra mogła zapalić obłok mąki. Nie jest to jedynie historyczna ciekawostka, ten sam mechanizm może wystąpić w nowoczesnym silosie.

Do wybuchu pyłu potrzeba pięciu elementów: palnego pyłu, tlenu, rozproszenia pyłu w postaci obłoku, zamkniętej przestrzeni oraz źródła zapłonu. Usunięcie jednego z nich zapobiega wybuchowi. Silos może jednak z natury zapewniać aż cztery z tych warunków.

Dlatego urządzenia przeznaczone do pracy w atmosferach z pyłem palnym podlegają wymaganiom ATEX. Wbrew częstemu przekonaniu dotyczą one nie tylko urządzeń elektrycznych. Dyrektywa unijna z 2014 roku obejmuje również urządzenia nieelektryczne, dla których opracowano odrębne normy. Z tego powodu także wibrator pneumatyczny może mieć oznaczenie w rodzaju II 2G Ex h IIB Tx Gb, mimo że nie zawiera instalacji elektrycznej. [37]

Obowiązki pracodawcy wynikają z dyrektywy z 1999 roku. W Polsce wdraża ją Rozporządzenie Ministra Gospodarki z 8 lipca 2010 r. (Dz.U. 2010 nr 138 poz. 931), które wymaga sporządzenia dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem. Dokument powinien powstać przed rozpoczęciem pracy i obejmować ocenę ryzyka związanego z atmosferą wybuchową, klasyfikację stref, opis środków ochronnych oraz zasady bezpiecznej pracy. Należy go aktualizować po zmianie warunków, w tym po dodaniu nowych urządzeń do istniejącej instalacji. [45] Zarówno amerykańskie i brytyjskie organy nadzoru, jak i wytyczne Komisji Europejskiej wskazują, że tarcie oraz uderzenia elementów metalowych mogą stanowić źródło zapłonu. Ma to szczególne znaczenie przy doborze urządzeń wykonujących wielokrotne uderzenia metal-metal. [38]

Hałas

Przepisy UE określają trzy poziomy narażenia na hałas odnoszone do średniej z ośmiogodzinnego dnia pracy. Przy 80 dB pracodawca musi udostępnić ochronniki słuchu. Przy 85 dB ich stosowanie jest obowiązkowe. Wartość 87 dB stanowi górną granicę ekspozycji. [39]

Skala decybelowa nie jest liniowa. Wzrost o 3 dB oznacza podwojenie energii akustycznej. Różnica między 85 a 88 dB oznacza więc dwukrotnie większą energię dźwięku.

Poziomy hałasu urządzeń pneumatycznych znacznie się różnią. Wytłumione wibratory liniowe mogą pracować poniżej 80 dB, modele rotacyjne poniżej 90 dB, armatki powietrzne osiągają około 105 dB, a młotki jednoudarowe nawet 125 dB. Nie wyklucza to stosowania urządzeń o dużej sile, ale wymaga świadomego wyboru miejsca montażu, czasu pracy i środków ochrony osób znajdujących się w pobliżu. [26]

Żywność i leki

W tym obszarze często pojawia się nieprawidłowe odniesienie do przepisów.

Rozporządzenie (UE) nr 10/2011 dotyczy materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością. Nie obejmuje gumy ani silikonu. [40]

Ma to praktyczne znaczenie, ponieważ membrany wibroaeratorów są wykonywane z silikonu. Właściwym punktem odniesienia jest dla nich rozporządzenie (WE) nr 1935/2004 dotyczące materiałów przeznaczonych do kontaktu z żywnością, uzupełnione odpowiednimi przepisami krajowymi, w praktyce często niemieckimi. W Stanach Zjednoczonych zastosowanie ma między innymi FDA 21 CFR 177.2600 dotyczące wyrobów gumowych wielokrotnego użytku. Jeśli dokumentacja silikonowej membrany odwołuje się wyłącznie do rozporządzenia 10/2011, warto poprosić dostawcę o wyjaśnienie podstawy zgodności.

Niebieskie membrany zawierają dodatek umożliwiający wykrycie ich fragmentów przez detektor metali. Ma to konkretne uzasadnienie. Amerykański urząd ds. żywności wskazuje, że twarde lub ostre ciała obce o wielkości od 7 do 25 milimetrów mogą sprawić, że żywność gotowa do spożycia zostanie uznana za niezdatną do sprzedaży. Zwykły silikon może być niewidoczny zarówno dla detektora metali, jak i dla systemu rentgenowskiego. [41] Membrana wykrywalna zwiększa szansę wykrycia fragmentu, zanim produkt opuści zakład.

Nie istnieje jednak norma wymagająca stosowania membran wykrywalnych przez detektor metali. Jest to decyzja konstrukcyjna i element zarządzania ryzykiem, a nie ogólny wymóg prawny.

9. Sześć pytań, które pomogą zamówić właściwe urządzenie

Dobór urządzenia wspomagającego przepływ można rozpocząć od sześciu pytań. Im dokładniejsze odpowiedzi, tym mniejsze ryzyko nietrafionego rozwiązania.

Jaki problem występuje? Sklepienie, tunelowanie czy flushing? Czy wysyp ustaje całkowicie, wydajność stopniowo maleje, czy materiał nagle wydostaje się w sposób niekontrolowany?

Jaki materiał jest magazynowany? Potrzebne są informacje o wielkości cząstek, gęstości nasypowej, wilgotności, kleistości i ścieralności. Trzeba również uwzględnić zmiany sezonowe, ten sam materiał może zachowywać się inaczej zimą i latem.

Jak długo materiał pozostaje bez ruchu? Może to być weekend, przerwa urlopowa albo cały sezon. Jak pokazano w rozdziale 3, czas postoju silnie wpływa na konsolidację, a mimo to często jest pomijany podczas doboru urządzenia.

Jak wygląda wylot? Należy podać jego średnicę lub szerokość, kąt stożka, materiał ściany i stan powierzchni. Zardzewiała stal zachowuje się inaczej niż polerowana stal nierdzewna.

Jakie zasilanie jest dostępne? Trzeba określić wydajność i ciśnienie instalacji sprężonego powietrza, napięcie i liczbę faz zasilania elektrycznego albo parametry układu hydraulicznego. W przypadku pneumatyki należy sprawdzić, czy sprężarka ma wystarczającą rezerwę wydajności.

Jak pracuje instalacja? W trybie ciągłym czy wsadowym? Czy urządzenie wspomagające przepływ zostanie sprzężone z podajnikiem znajdującym się pod wylotem? To ostatnie pytanie często rozstrzyga o skuteczności rozwiązania.

Pierwszych pięć pytań dotyczy materiału i instalacji. Szóste dotyczy sposobu sterowania zakupionym urządzeniem.

Jeśli nie znasz wszystkich odpowiedzi, specjaliści Particulair pomogą zebrać potrzebne dane przed złożeniem zamówienia. To znacznie bezpieczniejsze niż dobór urządzenia dopiero po wystąpieniu kolejnego zatoru.