prof.dr.ir.A.S.G.Bruggelinghoogleraar Betonconstructeurs TH-Delft Betonconstructies voor deopslag van vloeibaargemaakte gassenUitgangspunten bij het ontwerp vanbovengrondse installaties1. InleidingNiet alleen de oliecrisis, maar ook de ontwikkelingen op het gebied van de tot vl.oeistof gekoeldegassen en van de chemische industrie hebben de opslag van vloeibare koolwaterstoffen, vaak ingekoelde toestand onder nagenoeg atmosferische druk, min of meer noodzakelijk gemaakt.Gebleken is dat de opslag daarvan het meest economisch kan plaatshebben in grote reservoirs,die vaak een inhoud hebben van 50 000 tot 80 000 m3en meer. Dit betekent dat grote hoeveel-heden licht ontvlambare of snel verdampbare vloeibare koolwaterstoffen in een relatief kleineruimte bij elkaar worden gebracht. Dat geldt met name voor een opslagterrein met meer reser-voirs, waar de noodzakelijke koel- en bijbehorende installaties economischer worden benut.Wanneer het gaat om opslag van het vloeibaar gemaakt aardgas, dat voor de verwarming vandichtbevolkte gebieden (steden) wordt gebruikt, is de opslag vanzelfsprekend niet ver van dezegebieden verwijderd. En daarmee is dan de opdracht ontstaan de veiligheid van deze opslagnader te bezien, alsmede risico-analyses te maken, om deze veiligheid met alle facetten vandien ook economisch te kunnen taxeren.De laatste jaren is gebleken, dat de risico's van deze opslag veel groter zijn dan tot nu toe werdaangenomen [1]*. Een aantal ongelukken, dat gelukkig klein is, heeft de verantwoordelijkebedrijven en vooral ook de autoriteiten ertoe aangespoord nieuwe veiligheidsmaatregelen teontwerpen en door te voeren. Daarbij spelen de mogelijkheden van betonnen reservoirs en vanbetonnen veiligheidswanden een grote rol. In dit artikel wordt nader ingegaan op de betekenisvan beton voor de bovengrondse opslag van gekoelde koolwaterstoffen. Het zal duidelijkzijn datin een tijd waarin veel in beweging is, een oplossing, die vandaag als juist wordt ervaren, morgenalweer verlaten kan zijn,lomdat nieuwe ontwikkelingen een vraagteken achter deze oplossinghebben gezet. Daarom wordtCflier niet zozeer ??n bepaalde oplossing behandeld, maar veelmeer getracht de ontwikkelingen aan te geven en duidelijk te maken waarom in de toekomstbovengrondse reservoirs van beton kunnen worden ontwikkeld.Tot slot wordt erop gewezen dat met name de FIP zich zeer intensief met deze kwestiebezighoudt en wel in twee commissies, namelijk [2]:Pressure vessels and storage vessels - (voorzitter Closner, VS) enPrestressing Steel and Systems - (voorzitter Bruggeling, Nederland).2. Vloeistoffen die gekoeld worden opgeslagen* De tussen vierkante haakjes geplaatstecijfers verwijzen naar de literatuur op blz. 63.Cement XXXI (1979) nr. 2Om een indruk te geven van de vloeistoffen waarover het hiergaat, wordt verwezen naar onder-staande tabel, die niet de pretentie heeft volledig te zijn.vloeistof chemische soortelijk kookpuntsamenstelling gewicht (g/cm3)CC)methaan CH4 0,5 -160ethaan C2Hs 0,6 - 88ethyleen C2H4 0,6 -103propaan C3Ha 0,6 - 45propyleen C3Hs 0,6 - 48ammoniak NH3 0,7 - 33butaan C4H10 0,6 - 5Vermeld dienen ook te worden de opslag van Nafta, waarbij zich helaas reeds ongelukkenhebben voorgedaan, en stikstof (-196?C), waarvan de opslag niet ontvlambaar is.Methaan is het vloeibaar gemaakte gas (LNG), waarover men vaak spreekt, omdat het hier omde gekoelde toestand van dit gas gaat. Als normaal gas wordt dit via vele buisleidingen doorEuropa (eigenlijk doorde hele wereld) getransporteerd (Noordzee, Nederland, USSR, Algerije-sCheepstransporten). Indien men zich over de ontwikkelingen op het gebied van de LNG-opslagnader wil ori?nteren, is er interessante literatuur aanwezig [3]. Bijzondere aandacht wordt hierook gevraagd voor het propaangas (LPG) dat in een aantal opzichten gevaarlijker is dan LNG.49Cement XXXI (1979) nr. 23. VeiligheidsmaatregelenWanneer men spreekt over noodzakelijke veiligheidsmaatregelen met betrekking tot de opslagvan deze produkten, zal er eerst overeenstemming moeten zijn over de aard van de ongelukkendie zich kunnen voordoen, en wat daarvan de gevolgen zijn. In dit artikel kan hierop slechts in hetkort worden ingegaan.De veiligheidsmaatregelen zijn vergelijkbaar met die welke bij de bouw van kerncentralesworden getroffen. Vanzelfsprekend zijn de maatregelen bij kerncentrales veel ingrijpenderomdat beschadiging e.d. van zulke constructies bijzonder ernstige gevolgen kan hebben (t.a.v.explosie en radioactieve straling). Dat neemt nietweg datook bij de opslag van vloeibare gassenongelukken in beschouwing moeten worden genoemen.Mogelijke ongelukken zijn te onderscheiden in:Schade veroorzaakt door invloeden van binnenuitEen oorzaak kan zijn dat zich te veel vloeistof in de tank bevindt en/of dat daarin een overdrukontstaat. Bij slechte uitvoering kunnen onder bepaalde omstandigheden ook scheuren in eenstalen binnentank optreden. Door te voorzien in een goed systeem van veiligheids-ventielen endoor het uitoefenen van een strenge kwaliteitscontrole tijdens de bouw van stalen tanks, kan hetvoorgaande worden voorkomen. Toch is het echter realistisch om er desondanks rekening meete houden dat de stalen tank kan?openrijten.Schade veroorzaakt door invloeden van buitenafa. Aardbevingen, orkanen, overstromingen, afhankelijk van de plaats waar zo'n tank wordtgebouwd.b. Explosie in de installatie en wegvliegende delen daardoor, die met grote snelheid tegen detankwand kunnen slaan. In bepaalde gevallen dient ook met sabotage rekening te wordengehouden. Een onbetrouwbare afdichting van ??n van de buisleidingen in de omgeving van detank kan een explosie of brand ten gevolge hebben.c. Luchtdruk veroorzaakt door een explosie in de installatie. In bepaalde gevallen kunnen waardenvan 0,3 bar (30N/m2) optreden.d. Hittestraling door brand in de omgeving van de tank.e. Bij een grote catastrofe, zoals bij voorbeeld het neerstorten van vliegtuigdelen op het dak van detank dat onder invloed daarvan bezwijkt, is het mogelijk dat een explosief gasmengsel ontsnapten wordt meegevoerd. Om dat laatste te vermijden, moet in of in de nabijheid van de tank devloeistof tot ontbranding kunnen worden gebracht, zodat zich geen gaswolk kan vormen.Bij beschouwing van de genoemde mogelijkheden blijkt duidelijk dat, afgezien van als uit-zondering aan te nemen materiaalgebreken en invloeden van binnenuit, de meeste gevarenvoor de tanks van buitenaf komen (vuur, explosie, beschadiging). Het is dus van groot belang dereservoirs tegen deze invloeden te beschermen.Stalen tanks zijn eigenlijk niet goed in staat deze bescherming te bieden. Zij vormen slechts eenhuid met een zodanige treksterkte, dat alleen trekkrachten veroorzaakt door de opslag kunnenworden opgenomen. Weliswaar vormt die huid een uitstekende vloeistof-dichte en dampdichteafscherming. Door een zorgvuldige keuze van de materialen en een zeer nauwgezetteuitvoering van de laswerkzaamheden kan er voor worden gezorgd dat de staalconstructie ookvoldoende veilig is bij zeer lage temperaturen van de opgeslagen vloeistoffen. Desondanks zijnspontane breuken toch niet volledig uit te sluiten.Hier komen de mogelijkheden van het beton naar voren, omdat dit materiaal, gezien zeerinteressante eigenschappen, speciaal in staat is die gewenste bescherming te geven,tegen invloeden van buitenafEen betonwand is in staat de constructie achter die wand te beschermen tegen:a. hittestraling bij brand in naastgelegen installaties,b. rondvliegende delen,c. explosie die buiten de wand plaatsheeft,d. sabotage.en tegen invloeden van binnenuitEen betonwand vormt een tweede beschermwand voor het geval de binnentank zou scheuren.Deze tweede wand, is in staat ook extreem koude vloeistoffen tegen te houden, dat wil zeggenonder meer de stootbelasting op te vangen bij het plotseling leeg lopen van de binnentank. Ookwanneer het reservoir in brand is gevlogen, zal de betonnen beschermwand niet instorten. Hetreservoir zal dan langzaam uitbranden, als was het een sigaar.Het bovenstaande houdt in dat het beton zijn beschermende functie kan vervullen dank zij deonderstaande gunstige eigenschappen van beton en wapeningsstaal:? gedrag bij zeer lage temperaturen? gedrag bij hoge temperaturen ten gevolge van hittestraling aan de buitenzijde? gedrag bij stootbelasting? onmogelijkheid van het bros breken van betonconstructies.Deze eigenschappen zullen hier in het kort worden behandeld alvorens de mogelijkheden vanverschillende constructietypes voor betonnen reservoirs nader worden besproken.4. Eigenschappen van betonconstructies4.1. Gedrag bij zeer lage temperaturenOver het gedrag van beton bij zeer lage temperaturen is voldoende informatie beschikbaar [4].Wanneer men de eigenschappen beschouwt van beton dat normaal is verhard en dan voorbeproeving tot lage temperaturen wordt afgekoeld, kan het volgende worden vastgesteld (zieartikel van Dr.-lng.H.W.Reinhardt in Cement 1979, nr. 1):50i~SPlIJTSTERKTEt20~E ~E~ :::!:z z8 80--- --4 lIJDRUKSTERKTE __ onder water bew..rdi""""---- ~___ bij 50 % R.y. bewaard'"_._ gedroogd bij 105 ?C"'-..........~------ -- --- ~---_.- 1-'- -- :"::.:::::F=:::-'" t----._.Ol+-----I---_+----~----r_--_+----_r----r_--_+----~ o-160-160 -111J -120 -100 -80 -601Splijt- en druksterkte van beton bij lagetemperaturen2Invloed van extreme temperaturen op deeigenschappen van voorspanstaalCement XXXI (1979) nr. 2-40 -20 o 20 -140 -120 -100 -80 -60 -lIJ -20 o 20?C----+ ?C----t-De sterkte en de elasticiteitsmodulus van het beton worden door afkoelen tot temperaturentussen -150?C en -200?C, afhankelijk van de vochtigheidsgraad van het beton, 1,5 tot 3 maalverhoogd (fig. 1a en 1b).De uitzettingsco?ffici?nt van beton blijkt bij zeer lage temperaturen kleiner dan bij normale. Dewarmtegeleidingsco?ffici?nt is dan ongeveer twee maal zo groot als bij normale temperaturen.Proeven met grote gewapend-betonplaten hebben aangetoond dat geen barsten, diepescheuren of andere ernstige beschadigingen optreden, wanneer daarop vloeibaar stikstofgaswordt gespoten, ondanks het feit dat door eenzijdige afkoeling in de betonhuid een sterketemperatuurgradi?nt optreedt.Over het gedrag van diverse staalsoorten (voorspanstaal- betonstaal), die in dit soort beton-constructies worden toegepast, heeft een FIP-commissie de nodige informatie verschaft (zieartikel van G.Sleigh in Cement 1979, nr. 1).Gebleken is dat de keuze aan voorspanstaal niet beperkt is, wanneer het onder zeer lagetemperaturen wordt toegepast. Men dient er echter voor te zorgen dat ter plaatse van sterkekrommingen enz., geen plaatselijke ontoelaatbare hoge spanningen in het voorspanstaaloptreden. Normaal gesproken worden de sterkte en de rekgrens van het voorspanstaal doorafkoelen verhoogd. De verhouding tussen de rekgrens en de sterkte blijft nagenoeg constant(fig. 2).De verankering van voorspanstaal geeft in het algemeen geen problemen, vooropgesteld dathet materiaal van de verankeringslichamen zeer zorgvuldig wordt gekozen en bewerkt.Moerverankeringen van staven hebben in bepaalde gevallen een tamelijk sterke verminderingvan de treksterkte onder zeer lage temperaturen te zien gegeven.Bij het normale wapeningsstaal moet ervan worden uitgegaan dat het onder zeer lage tempera-turen niet betrouwbaar is. Wanneer onvoldoende informatie omtrent de eigenschappen van eenbepaald soort betonstaal onder zeer lage temperaturen bestaat, mag het in deze constructiesniet worden toegepast, met uitzondering als hulpwapening. In zulke gevallen moet dan inconstructies het voorspanstaal als normale wapening dienst doen.120?;'0::::.-._- 110,,/----:::::-~ ~'......I-.._----.~....--",,,/V .,--- ------::................. ,Oir90 .,......---// '-.,.~~,/' 80 -...../ -J