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

Jedną z najczęstszych przyczyn nieskutecznego działania wibratora nie jest jego niewłaściwy dobór, lecz moment, w którym zostaje uruchomiony.

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

To samo dzieje się w silosie, gdy wibrator pracuje przy zamkniętym wylocie. Materiał nie ma możliwości swobodnego przemieszczania się, dlatego drgania zamiast ułatwiać wysyp, powodują jego zagęszczanie.

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 rezultacie wibrator musi później wprawić w ruch materiał bardziej skonsolidowany niż przed jego uruchomieniem. Nie tylko więc nie rozwiązuje problemu, ale może go dodatkowo pogłębić.

Tę samą zasadę 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. Dwie publikacje, które dzielą niemal trzy dekady, prowadzą więc do tego samego wniosku. [23]

Dlaczego usunięcie powietrza z proszku nie pomaga?

Dlaczego usunięcie powietrza z proszku nie zawsze pomaga? Nasuwa się pytanie: skoro nadmiar powietrza w proszku może powodować flushing, czyli nagły i niekontrolowany wysyp materiału, czy jego usunięcie nie powinno poprawić sytuacji?

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

Gdy proszek pozostaje w spoczynku i stopniowo się odpowietrza, osiada, a jego gęstość nasypowa wzrasta. Jeśli natomiast poddajemy drganiom materiał, który nie ma możliwości wysypu, cząstki zostają mocniej dociśnięte do siebie i zwiększa się powierzchnia ich styku. To właśnie w tych miejscach działają siły kohezji. Drgania nie tylko usuwają więc powietrze, ale mogą również zwiększać wytrzymałość skonsolidowanego materiału.

Całkowite odpowietrzenie również nie jest celem. 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 sama obecność powietrza, lecz jego nadmiar w niewłaściwym miejscu. [19]

Zasady tej nie można jednak bezpośrednio odnosić do wszystkich instalacji. W silosie materiał przemieszcza się przede wszystkim pod wpływem grawitacji, a powietrze może ten proces wspomagać lub zakłócać. W transporcie pneumatycznym to właśnie strumień powietrza jest główną siłą wprawiającą materiał w ruch. Stan, który w silosie może prowadzić do flushingu, w przewodzie transportu pneumatycznego jest normalnym warunkiem pracy. Dlatego zawsze najpierw trzeba ustalić, co w danej instalacji odpowiada za transport materiału.

Dlaczego ten błąd łatwo usunąć

Dlaczego ten błąd łatwo wyeliminować Zagęszczanie proszku pod wpływem drgań jest zjawiskiem na tyle dobrze poznanym, 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 zmianę jej objętości. Metodę tę opisują zarówno Farmakopea Europejska, jak 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 tylko wtedy, gdy materiał jest odbierany spod wylotu. Nie jest to jedynie środek ostrożności, lecz warunek prawidłowego działania urządzenia. [25]

Rozwiązanie jest proste i niedrogie: wibrator można elektrycznie sprzężyć z przenośnikiem znajdującym się pod wylotem. Przekaźnik i odpowiednio ustawiony timer pozwalają uruchamiać go wyłącznie podczas odbioru materiału. Reed i Duffell opisują sprawdzony w praktyce cykl: 30 sekund pracy w każdej minucie, ale tylko wtedy, gdy pracuje również przenośnik.

Dlatego urządzenia pneumatyczne często wyposaża się w zawór elektromagnetyczny i timer, a dostępne sterowniki mogą obsługiwać nawet 15 jednostek. Sposób sterowania nie jest więc dodatkiem do urządzenia – w dużej mierze decyduje o skuteczności jego działania.

Kiedy więc wibracja pomaga?

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

Badacze z Francji i Hiszpanii zbudowali niewielki lej i obserwowali wysyp ziaren. Bez wibracji istnieje graniczna wielkość otworu: jeśli jest on mniejszy niż kilka średnic ziarna, nad wylotem tworzy się łuk i wysyp ustaje. Jest to opisane wcześniej sklepienie zaklinowane, tylko w niewielkiej 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 więc w jednym przypadku wibracja pomaga, a w drugim pogarsza sytuację? Odpowiedź wynika ze sposobu, w jaki powstaje sklepienie.

nie jest jednolitą bryłą, lecz konstrukcją utrzymywaną przez układ wzajemnie równoważących się sił. Każde ziarno opiera się o sąsiednie w taki sposób, że ciężar jest przenoszony wzdłuż łuku na ściany. Równowaga ta jest stosunkowo delikatna – nawet niewielkie przemieszczenie ziaren może doprowadzić do zawalenia sklepienia.

Tak właśnie działa wibracja: niewielkie przemieszczenia ziaren zaburzają równowagę sił i powodują rozpad łuku.

To, co wydarzy się później, zależy jednak od drożności wylotu.

Jeśli wylot jest otwarty, materiał opada i opuszcza silos. Sklepienie znika, a materiał nie pozostaje w miejscu, w którym mogłoby natychmiast powstać kolejne.

Przy zamkniętym wylocie materiał również opada, ale nie może wydostać się z silosu. Zagęszcza więc warstwę znajdującą się niżej i może utworzyć nowe, jeszcze stabilniejsze sklepienie. Jeśli wibrator nadal pracuje, proces się powtarza, a stopień konsolidacji rośnie.

Ten sam rodzaj drgań może więc zarówno zniszczyć sklepienie, jak i przyczynić się do powstania kolejnego. Kluczowe znaczenie ma to, czy materiał może swobodnie opuścić silos.

Dlatego przy wyborze urządzenia warto pytać nie tylko o jego siłę, ale również 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. Podczas postoju wiele materiałów stopniowo się konsoliduje i zwiększa swoją wytrzymałość. Dlatego problemy z opróżnianiem często pojawiają się właśnie po weekendzie lub dłuższej przerwie.

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

Wilgoć przemieszcza się w materiale. W proszkach niemal zawsze znajduje się pewna ilość wilgoci. Wraz z dobowymi zmianami temperatury woda migruje, a podczas odparowywania pozostawia rozpuszczone w niej substancje. W przypadku soli, cukru, nawozów czy proszków do prania w punktach styku ziaren mogą powstawać drobne kryształy. Tworzą one trwałe mostki między cząstkami, przez co materiał nie tylko wykazuje kohezję, ale zostaje miejscowo spojony.

Nacisk zwiększa powierzchnię styku. Materiał w dolnej części silosu przenosi ciężar warstw znajdujących się powyżej. Pod wpływem nacisku punkty styku cząstek ulegają spłaszczeniu, a ich powierzchnia rośnie. Ponieważ właśnie w tych miejscach działają siły kohezji, długotrwałe obciążenie zwiększa wytrzymałość materiału.

Materiał mięknie pod wpływem temperatury. Niektóre proszki po przekroczeniu określonego zakresu temperatur stopniowo stają się bardziej plastyczne i lepkie – 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 stabilnego kanału, który materiał był w stanie utrzymać bez zapadania, wzrosła z 5,79 do 7,12 m już po dwóch dobach postoju. W innym badaniu zwiększenie wilgotności z 5 do 10% spowodowało, że z silosu zawierającego 2000 ton materiału można było odebrać zaledwie 999 ton. Wzrost wilgotności o pięć punktów procentowych ograniczył więc dostępną pojemność silosu mniej więcej o połowę. [20]

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

Zachowanie materiału podczas postoju można zbadać laboratoryjnie.

Próbkę zagęszcza się pod obciążeniem odpowiadającym warunkom panującym w konkretnym silosie i pozostawia na czas odpowiadający rzeczywistemu przestojowi instalacji. Następnie mierzy się 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 kolejnych rozdziałach. Przebudowa silosu nie zawsze jest możliwa, dlatego w istniejących instalacjach stosuje się odpowiednio dobrane urządzenia wspomagające przepływ.

4. Rodzaj materiału determinuje wybór rozwiązania

4. Rodzaj materiału decyduje o wyborze rozwiązania Urządzenia wspomagające przepływ można podzielić na cztery główne grupy. Każda działa inaczej i odpowiada na inny rodzaj problemu.

Powietrze

Gdy powietrze przepływa ku górze przez warstwę proszku, może częściowo przejąć ciężar cząstek. Przy pełnej fluidyzacji materiał zaczyna zachowywać się podobnie do cieczy. Aeratory i płyty fluidyzacyjne wykorzystują jednak znacznie łagodniejszy efekt: doprowadzają tylko tyle powietrza, aby zmniejszyć 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 m³ powietrza na minutę na każdy metr kwadratowy powierzchni leja. Metoda sprawdza się najlepiej w przypadku suchych proszków o wielkości cząstek poniżej około 70 μm. [22]

Ważny jest sposób sterowania. Płyty porowate i dysze zapewniają równomierny, niewielki przepływ powietrza podczas odbioru materiału. Aeratory wibracyjne działają inaczej: pracują impulsowo lub sekwencyjnie, od dolnego pierścienia ku górze, i powinny być sterowane razem z wylotem. Stały nadmuch drobnego proszku w zamkniętym zbiorniku może przynieść efekt odwrotny do zamierzonego. Niezależnie od zastosowanego rozwiązania zbiornik musi mieć możliwość odprowadzenia powietrza przez odpowiednio filtrowane odpowietrzenie.

Wibracja

Wibracja może przyjmować dwie podstawowe formy: częste drgania o niewielkiej amplitudzie albo rzadsze, silne uderzenia.

Szybkie, niewielkie drgania oddziałują przede wszystkim w strefie kontaktu materiału ze ścianą silosu i pomagają odrywać osad od powierzchni. Silne uderzenia przenoszą energię głębiej i mogą wprawić w ruch większą część kolumny materiału.

Badania potwierdzają, że są to dwa różne rodzaje oddziaływania. W eksperymencie z suchymi, drobnymi proszkami niższa częstotliwość poprawiała zdolność materiału do przemieszczania się, natomiast bardzo szybkie drgania zmniejszały tarcie i pomagały rozbijać aglomeraty. [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 – nawet 42 000 drgań na minutę. Na drugim końcu skali znajduje się młotek pneumatyczny, który wykonuje pojedyncze, silne uderzenia. Największy z przywołanych modeli przy ciśnieniu 6 bar osiąga siłę do 2186 N, odpowiadającą statycznemu ciężarowi około 220 kg. [26]

Zgodnie z powszechnie stosowaną zasadą praktyczną materiały drobne i suche lepiej reagują na częste drgania o niewielkiej amplitudzie, natomiast materiały wilgotne i lepkie – na rzadsze, silniejsze uderzenia. Zależność ta opiera się jednak w dużej mierze na doświadczeniu producentów i praktyce przemysłowej, a nie na jednoznacznych wynikach niezależnych badań. Reed i Duffell podkreślają, że warunki są zbyt złożone, aby wszystkie parametry można było dokładnie obliczyć. Dlatego ostateczne ustawienia często dobiera się podczas prób. [28]

Armatki powietrzne

Armatka powietrzna działa inaczej. Zbiornik napełnia się sprężonym powietrzem, które następnie jest gwałtownie uwalniane przez zawór o dużym przekroju. Powstająca fala ciśnienia oddziałuje bezpośrednio na materiał i pomaga odrywać osady od ścian. [29]

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

Reed i Duffell zwracają jednak uwagę na związane z tym ryzyko: jeśli fala ciśnienia nie wprawi materiału w ruch, energia może zostać przeniesiona na konstrukcję silosu. W literaturze opisano przypadki uszkodzeń ścian. Dlatego wielkości i rozmieszczenia armatek nie należy dobierać orientacyjnie. [22]

Elektryka i hydraulika

Wibratory elektryczne i hydrauliczne Sprężone powietrze nie zawsze jest najlepszym źródłem napędu. W najprostszym ujęciu wibrator elektryczny składa się z silnika oraz niewyważonych mas umieszczonych na wale. Podczas obrotu generują one okresową siłę odśrodkową, która wprawia urządzenie w drgania. Siłę można regulować poprzez zmianę wzajemnego położenia mas. Wibratory elektryczne stosuje się m.in. na silosach, dozownikach, mieszalnikach i filtrach workowych.

Wibratory hydrauliczne nie wymagają ani zasilania elektrycznego, ani sprężonego powietrza. Podłącza się je bezpośrednio do układu hydraulicznego maszyny, dlatego dobrze sprawdzają się na wywrotkach, koparkach i maszynach rolniczych. W instalacjach stacjonarnych, gdzie dostępne są już energia elektryczna i sprężone powietrze, wykorzystuje się je rzadziej.

Kiedy nie należy stosować wibracji w problemach z przesuwaniem się materiału

Kiedy wibracja nie jest właściwym rozwiązaniem? W niektórych przypadkach wibracja nie rozwiąże problemu niezależnie od wielkości urządzenia. Wolfson Centre wskazuje trzy grupy materiałów, dla których jej skuteczność może być ograniczona.

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 μm lub mniejszych, w których siły adhezji i kohezji mogą dominować nad oddziaływaniem drgań. [14]

Warto rozpoznać taką sytuację przed zakupem urządzenia. Prawidłowa 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 możemy przejść od obserwowanego objawu do rozwiązania odpowiadającego jego rzeczywistej przyczynie.

Poniższe rozwiązania uporządkowano według sposobu działania, a nie nazw produktów. Najpierw należy określić, jaki mechanizm ma rozwiązać problem, a dopiero później dobrać wielkość urządzenia, sposób montażu 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 m.in. 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 zmniejszają tarcie między materiałem a stalą i ułatwiają jego zsuwanie. Drugą możliwością są wibroaeratory membranowe. Jednocześnie doprowadzają powietrze i poruszają elastyczną membraną, dzięki czemu oddziałują bezpośrednio w miejscu, w którym materiał ma tendencję do zalegania.

Trzeba przy tym pamiętać o trzech zasadach. Powietrze powinno być podawane tylko podczas odbioru materiału i sterowane razem z wylotem. Zbiornik musi mieć możliwość jego odprowadzenia przez odpowietrzenie z filtrem. Samo powietrze powinno być suche i filtrowane, ponieważ wilgoć zwiększa skłonność materiału do zbrylania, oraz odpowiednio dozowane: zbyt duży strumień może doprowadzić do flushingu, czyli nagłego, niekontrolowanego wysypu materiału.

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

Rozwiązaniem może być silny impuls mechaniczny. Młot pneumatyczny z tłokiem napędzanym sprężonym powietrzem uderza w płytę zamontowaną na zewnętrznej stronie silosu. Impuls rozchodzi się po płycie i pomaga oderwać warstwę materiału od ściany. Jedno urządzenie może generować siłę ponad 2000 N, odpowiadającą statycznemu ciężarowi około 220 kg.

Gdy zamiast pojedynczych impulsów potrzebne jest oddziaływanie ciągłe, można zastosować wibrator tłokowy o ciągłym uderzeniu. Takie rozwiązania wykorzystuje się między innymi w posypywarkach soli, wywrotkach i wagonach kolejowych przewożących wilgotne, lepkie materiały.

Należy również uwzględnić hałas. Pojedyncze uderzenie może osiągać około 125 dB, dlatego lokalizację urządzenia, czas jego pracy oraz ochronę słuchu należy zaplanować przed montażem.

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 może jednocześnie usuwać nawarstwienia z wewnętrznej powierzchni zbiornika. Skierowana wzdłuż ściany może wspomagać zsuwanie materiału w stronę wylotu.

Kluczowe znaczenie mają prawidłowy dobór wielkości oraz rozmieszczenie urządzeń.

W silosie powstał kanał, a wykorzystywana jest tylko część jego pojemności. Typowymi objawami są wysoki poziom materiału wskazywany przez czujnik, niewielka wydajność na wylocie oraz lejowate zagłębienie na powierzchni zasypu.

Możliwe są dwa podejścia.

Podstawowym rozwiązaniem jest zmiana geometrii. Kanał nie może pozostać stabilny, jeśli wylot jest od niego szerszy. Poszerzenie otworu, zwiększenie kąta nachylenia stożka lub zmniejszenie tarcia jego powierzchni może wyeliminować problem, ale zwykle wymaga przebudowy silosu.

W istniejących instalacjach częściej stosuje się rozwiązanie praktyczne: zwiększa się aktywną strefę przepływu za pomocą aeratorów lub impulsów ciśnienia rozmieszczonych wokół stożka. Ich zadaniem jest wprawienie w ruch materiału zalegającego przy ścianach i skierowanie go ku wylotowi. O skuteczności decydują przede wszystkim liczba urządzeń i ich rozmieszczenie względem stref zalegania materiału.

Po postoju materiał jest twardy, choć wcześniej wysypywał się bez problemu. To typowy przykład konsolidacji w czasie, opisanej w rozdziale 3. Podczas postoju wzrosła wytrzymałość materiału.

Rozwiązanie składa się z dwóch elementów. Pierwszym jest silny impuls, uderzenie lub fala ciśnienia, które przy rozruchu pomagają 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 może również ograniczyć zużycie sprężonego powietrza. Urządzenie pracujące tylko podczas rozruchu i odbioru materiału zużywa go znacznie mniej niż jednostka działająca bez przerwy.

Gdy materiał zalega dalej w instalacji Ten nagłówek jest moim zdaniem lepszy niż „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 warstwę, której trzeba ułatwić zsunięcie.

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

Istotny jest sposób montażu. Urządzenie powinno być zamocowane na rurze lub rynnie za pośrednictwem odpowiednio sztywnego elementu. Zbyt 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 dB – a regulacja siły i częstotliwości pozwala uzyskać równomierny transport bez nadmiernego podrzucania materiału. W mniejszych instalacjach często stosuje się również 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 czasu 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 w stronę wylotu i ograniczają zaleganie materiału. Do transportu produktów spożywczych dostępne są wersje z membranami przeznaczonymi do kontaktu z żywnością oraz membranami wykrywalnymi 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 pracy w warunkach drgań, zanieczyszczeń i na zewnątrz. Wykorzystuje się je m.in. 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 odpowiednia dokumentacja materiałowa i higieniczna.

Należy wybierać urządzenia z membranami przeznaczonymi do kontaktu z żywnością. Jeśli na dalszym etapie procesu produkt jest kontrolowany detektorem metali, warto rozważyć zastosowanie membrany wykrywalnej. W zastosowaniach wibracyjnych często sprawdzają się modele turbinowe, ponieważ pracują bez smarowania. Dokumentację materiałową 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 również urządzeń nieelektrycznych.

Urządzenia pneumatyczne nie mają elektrycznego źródła zapłonu, ale nadal muszą być odpowiednie do zastosowania w danej atmosferze wybuchowej. Oznakowanie urządzenia należy porównać z klasyfikacją stref określoną w dokumencie zabezpieczenia przed wybuchem. W razie wątpliwości dokument ten powinien być jednym z podstawowych punktów odniesienia przed doborem urządzenia.

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

Różnice pomiędzy poszczególnymi typami są znaczne. Wytłumiony wibrator tłokowy może pracować poniżej 80 dB, modele rotacyjne poniżej 90 dB, armatka powietrzna może osiągać około 105 dB, a pojedyncze uderzenie młotka pneumatycznego nawet 125 dB. Ryzyko można ograniczyć poprzez odpowiedni dobór urządzenia, jego lokalizacji i czasu pracy oraz zastosowanie właściwych środków ochrony słuchu.

Jak dobrać właściwe urządzenie do posiadanego materiału

Jak dobrać właściwe urządzenie do konkretnego materiału? Wielkości urządzenia nie powinno się dobierać orientacyjnie. Potrzebne są dane o materiale, zbiorniku oraz 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 laboratoryjnie, jak opisano w rozdziale 3.

Następnie potrzebne są dane zbiornika: średnica, kąt stożka, wymiary wylotu, materiał ściany oraz grubość blachy. Ta ostatnia wpływa m.in. na sposób mocowania urządzenia.

Kolejnym krokiem jest opis sposobu pracy instalacji: praca ciągła czy wsadowa, liczba cykli opróżniania na dobę oraz rodzaj urządzenia znajdującego się pod wylotem.

Na tej podstawie dostawca powinien przeprowadzić właściwy dobór. Narzędzia obliczeniowe mogą uwzględniać właściwości materiału, geometrię zbiornika i dostępne źródło zasilania, a następnie wskazać odpowiedni typ i wielkość urządzenia. Przed złożeniem zamówienia warto poprosić o uzasadnienie doboru. Sam numer katalogowy, bez analizy warunków pracy, nie daje pewności, że rozwiązanie będzie właściwe.

Możesz również skorzystać z wyszukiwarki komponentów Particulair. Dziewięć pytań dotyczących materiału, obserwowanego problemu i instalacji pozwala wstępnie określić odpowiedni rodzaj rozwiązania. Narzędzie pomaga także rozpoznać sytuacje, w których główną przyczyną problemu jest geometria leja, a nie brak urządzenia wspomagającego przepływ.

6. Silos to także konstrukcja

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

To właśnie zmęczenie materiału. Element może bez problemu wytrzymać pojedyncze obciążenie, a mimo to ulec uszkodzeniu po jego wielokrotnym powtórzeniu. Znaczenie ma więc nie tylko wielkość siły, ale również liczba cykli.

Dlatego sposób montażu urządzenia na ścianie silosu ma zasadnicze znaczenie. Wibrator nie wywołuje jednego obciążenia – podczas eksploatacji powtarza je tysiące lub miliony razy.

Eurokody określają wspólne europejskie zasady projektowania konstrukcji nośnych. Część dotycząca obciążeń silosów uwzględnia m.in. wibratory, armatki powietrzne i obrotowe wygarniacze denne. Zmienne obciążenia generowane przez te urządzenia należy oceniać pod kątem zmęczenia materiału. [30]

Wniosek jest istotny: montaż urządzenia wspomagającego przepływ w istniejącym silosie może wprowadzić obciążenia, których nie uwzględniono w pierwotnych obliczeniach konstrukcji.

Nie oznacza to, że takiego urządzenia nie można zamontować. Przed modernizacją należy jednak 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. Wysoko zamontowany wibrator może uruchomić materiał znajdujący się powyżej, który następnie dociska i zagęszcza warstwę przy wylocie. Efekt może być więc odwrotny do zamierzonego. [14]

Nie montuj wibratora bezpośrednio na blasze silosu. Trzech niezależnych producentów zaleca zamocowanie urządzenia 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, np. 75 mm spoiny i 25 mm odstępu, i nie prowadzi się ich przez naroża. Ciągła spoina wokół narożnika powoduje koncentrację naprężeń i sprzyja powstawaniu pęknięć.

Sprawdź i 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 wskazują na konieczność kontroli pęknięć i degradacji w rejonie konstrukcji wsporczych oraz wibratorów. [32] Regularna kontrola tego obszaru powinna więc stanowić element działań prewencyjnych.

Na co zwrócić uwagę podczas kontroli silosu

? Dokumentacja organów nadzoru wskazuje szereg objawów, które mogą poprzedzać awarię silosu: nieszczelności i przesypywanie się materiału przez połączenia, luźne lub brakujące śruby, owalizację otworów, pęknięcia między otworami, pofalowanie krawędzi blach, wybrzuszenia oraz odchylenie konstrukcji od pionu.

Brytyjski inspektorat pracy opisał przypadek 28-metrowego silosu, którego dno uległo awarii po 20 latach eksploatacji, uwalniając około 600 ton pszenicy. Wcześniej obserwowano niewielkie nieszczelności na połączeniach oraz brakujące śruby. To objawy, które można zauważyć podczas zwykłej kontroli wzrokowej. [33]

J.W. Carson, jeden z najczęściej cytowanych ekspertów zajmujących się awariami silosów, zaleca, aby po zauważeniu pierwszych oznak problemu natychmiast przerwać opróżnianie i zlecić ocenę konstrukcji. Materiał wydostający się przez połączenie nie jest więc jedynie problemem porządkowym – może być sygnałem uszkodzenia konstrukcji. [34]

Co zrobić, gdy brakuje dokumentacji lub kontaktu z producentem silosu

? To częsta sytuacja. Poszukiwanie informacji warto rozpocząć od tabliczki znamionowej oraz deklaracji właściwości użytkowych towarzyszącej konstrukcji. Dokumentacja może zawierać 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 wykonującego ocenę obiektu na potrzeby ubezpieczyciela.

Przepisy dotyczące kontroli po modernizacji

Kontrola 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 przewiduje specjalną kontrolę po pracach modyfikujących maszynę, które mogą pogorszyć jej bezpieczeństwo, przed ponownym dopuszczeniem do użytkowania. Kontrola jest wymagana również po zainstalowaniu urządzenia, jeżeli bezpieczeństwo zależy od warunków montażu. [35]

Przepis dotyczy jednak sprzętu roboczego i jego instalacji. Nie ustanawia odrębnego obowiązku ponownej oceny nośności całego silosu po wprowadzeniu dodatkowego obciążenia. W tym zakresie znaczenie mają wymagania dotyczące bezpieczeństwa konstrukcji, w tym odpowiednie Eurokody.

Nie istnieją wiarygodne, opublikowane statystyki pozwalające określić procentowy udział poszczególnych przyczyn awarii silosów. Carson wskazuje, że każdego roku dochodzi do wielu awarii o różnej skali, ale brak danych umożliwiających przypisanie im jednoznacznych udziałów procentowych. [34] Literatura pokazuje natomiast, że awarie często wynikają ze współdziałania kilku czynników. Dlatego nawet pozornie niewielką modernizację należy ocenić również pod kątem jej wpływu na całą konstrukcję.

7. Nowe zasady dotyczące obciążeń silosów w 2026 roku

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

Nowe wydanie opublikowano na poziomie europejskim 18 marca 2026 roku, a tego samego dnia ukazała się powiązana norma dotycząca silosów stalowych. Oba dokumenty stosuje się razem: jeden określa obciążenia, drugi zasady sprawdzania nośności konstrukcji. Wydania krajowe ukazują się we własnym tempie, brytyjskie 31 marca 2026 roku. Wydanie z 2006 roku zastąpiono na poziomie europejskim tego samego dnia, natomiast dla wydań krajowych podawany jest okres przejściowy do 30 marca 2028 roku.

W nowym wydaniu zmieniono m.in. podział przypadków obciążenia na podstawowe i szczególne. Wprowadzono schemat obejmujący strefę przejścia między pionową częścią silosu a stożkiem. Zakres normy rozszerzono m.in. na stożki niesymetryczne i wyloty przesunięte względem osi. Dodano również zapis dotyczący lejów, w których materiał zawiera domieszkę powietrza, a więc sytuacji mogącej występować podczas napowietrzania.

W przypadku projektów realizowanych w Polsce należy zwrócić uwagę na klasy konsekwencji oraz wymagania wynikające z właściwego załącznika krajowego.

Silosy dzieli się na trzy klasy w zależności od konsekwencji potencjalnej awarii. Zalecane wartości graniczne, obowiązujące w tej postaci od wydania z 2006 roku, to 10 000 ton dla klasy najwyższej oraz 1000 ton, jeśli wylot jest odpowiednio mocno przesunięty. Klasa najniższa 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. Nie zweryfikowaliśmy, czy wydanie z 2026 roku utrzymuje te same wartości, dlatego przed zastosowaniem w projekcie należy sprawdzić je w samej normie.

Każdy kraj może ponadto określić lub zmienić te wartości we własnym załączniku krajowym. Polska ma załącznik krajowy do obecnego wydania tej części Eurokodu: PN-EN 1991-4:2008/NA:2010. W projekcie realizowanym w Polsce wartości należy więc sprawdzić właśnie tam, a nie wyłącznie w tekście europejskim. [36]

Na dzień opracowania artykułu nie udało się potwierdzić, czy Polski Komitet Normalizacyjny opublikował 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

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 jednak wyłącznie historyczny problem – ten sam mechanizm może wystąpić we współczesnym silosie.

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

Dlatego urządzenia przeznaczone do pracy w atmosferach potencjalnie wybuchowych podlegają wymaganiom ATEX. Wbrew częstemu przekonaniu wymagania te nie dotyczą wyłącznie urządzeń elektrycznych. Dyrektywa 2014/34/UE obejmuje również urządzenia nieelektryczne, dla których opracowano odpowiednie normy. Dlatego także wibrator pneumatyczny może posiadać oznakowanie Ex, mimo że nie zawiera instalacji elektrycznej. [37]

Obowiązki pracodawcy związane z ochroną pracowników przed zagrożeniami wynikającymi z atmosfer wybuchowych określa dyrektywa 1999/92/WE. 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 obejmować m.in. ocenę ryzyka związanego z atmosferą wybuchową, klasyfikację stref, opis środków ochronnych oraz zasady bezpiecznej pracy. Należy go aktualizować po zmianach mających wpływ na bezpieczeństwo, w tym po wprowadzeniu nowych urządzeń do istniejącej instalacji [45].

Wytyczne organów nadzoru i Komisji Europejskiej wskazują, że tarcie oraz uderzenia elementów metalowych mogą stanowić źródło zapłonu. Ma to szczególne znaczenie przy doborze urządzeń powodujących powtarzające się uderzenia metal–metal. [38]

Hałas

Przepisy UE określają wartości odnoszące się do narażenia na hałas w ciągu ośmiogodzinnego dnia pracy. Przy 80 dB pracodawca musi udostępnić ochronniki słuchu, a przy 85 dB ich stosowanie jest obowiązkowe. Wartość 87 dB stanowi górną granicę ekspozycji. [39]

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

Poziom hałasu generowanego przez urządzenia pneumatyczne znacznie się różni. 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 odpowiedniego doboru miejsca montażu, czasu pracy oraz środków ochrony osób znajdujących się w pobliżu. [26]

Żywność i leki

W tym obszarze szczególnie ważne jest prawidłowe określenie podstawy zgodności materiałowej.

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 mogą być wykonywane z silikonu. Punktem odniesienia dla materiałów przeznaczonych do kontaktu z żywnością jest rozporządzenie (WE) nr 1935/2004, uzupełnione wymaganiami dotyczącymi konkretnego materiału i rynku. W Stanach Zjednoczonych w dokumentacji takich materiałów może pojawiać się odniesienie do FDA 21 CFR 177.2600 dotyczącego wyrobów gumowych wielokrotnego użytku.

Jeżeli dokumentacja silikonowej membrany odwołuje się wyłącznie do rozporządzenia (UE) nr 10/2011, warto zweryfikować z dostawcą podstawę deklarowanej zgodności.

Niebieskie membrany mogą zawierać dodatek umożliwiający wykrycie ich fragmentów przez detektor metali. Ma to praktyczne uzasadnienie w procesach, w których produkt końcowy jest kontrolowany pod kątem obecności ciał obcych. Amerykański urząd ds. żywności wskazuje, że twarde lub ostre ciała obce o wielkości od 7 do 25 mm mogą stanowić podstawę do uznania żywności gotowej do spożycia za niezdatną do sprzedaży. [41] Zwykły silikon może pozostać niewidoczny zarówno dla detektora metali, jak i dla systemu rentgenowskiego.

Membrana wykrywalna zwiększa możliwość wykrycia jej fragmentu, zanim produkt opuści zakład. Nie oznacza to jednak, że istnieje ogólny wymóg prawny stosowania membran wykrywalnych przez detektor metali. Jest to rozwiązanie konstrukcyjne stosowane w ramach zarządzania ryzykiem.

9. Sześć pytań, które pomogą zamówić właściwe urządzenie

9. Sześć pytań, które pomogą dobrać właściwe urządzenie Dobór urządzenia wspomagającego przepływ warto rozpocząć od sześciu pytań. Im dokładniejsze odpowiedzi, tym mniejsze ryzyko wyboru niewłaściwego rozwiązania.

Jaki problem występuje? Czy materiał tworzy sklepienie, tuneluje, czy dochodzi do flushingu? Czy wysyp zatrzymuje się całkowicie, jego 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. Należy również uwzględnić zmiany sezonowe – ten sam materiał może zachowywać się inaczej zimą niż latem.

Jak długo materiał pozostaje bez ruchu? Może to być weekend, przerwa urlopowa albo cały sezon. Jak pokazano wcześniej, czas postoju ma duży wpływ na konsolidację materiału, a mimo to często jest pomijany podczas doboru urządzenia.

Jak wygląda wylot? Należy podać jego średnicę lub szerokość, kąt stożka, materiał ściany oraz stan powierzchni. Zardzewiała stal stawia materiałowi inny opór niż polerowana stal nierdzewna.

Jakie źródło zasilania jest dostępne? Należy określić wydajność i ciśnienie instalacji sprężonego powietrza, napięcie i liczbę faz zasilania elektrycznego albo parametry układu hydraulicznego. W przypadku pneumatyki trzeba również sprawdzić, czy sprężarka dysponuje odpowiednią rezerwą wydajności.

Jak pracuje instalacja? W sposób ciągły czy wsadowy? Czy urządzenie wspomagające przepływ będzie sprzężone z podajnikiem znajdującym się pod wylotem? To ostatnie pytanie często decyduje o skuteczności całego rozwiązania.

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

Jeśli nie znasz wszystkich odpowiedzi, specjaliści Particulair pomogą zebrać potrzebne dane przed doborem rozwiązania. To znacznie bezpieczniejsze niż wybór urządzenia metodą prób i błędów po wystąpieniu kolejnego zatoru.

Dobór rozwiązania zaczyna się od właściwej diagnozy

Ten sam objaw, zatrzymanie lub ograniczenie wysypu, może mieć różne przyczyny: kohezję materiału, jego wielkość i kształt, wilgotność, czas postoju, geometrię silosu albo niewłaściwy sposób sterowania urządzeniem. Dlatego przed wyborem wibratora, aeratora czy armatki powietrznej trzeba najpierw ustalić, co rzeczywiście utrudnia przepływ.