Проблемы эксплуатационной надежности строительных конструкций

Слесарев В.А., Слесарев С.В. // Промышленное и гражданское строительство, Москва, 2005г., №7, с.60-61 // "Проблемы эксплуатационной надежности строительных конструкций открытых распределительных устройств и электроподстанций"

Открытые распределительные устройства и элекроподстанции (далее ОРУ) являются одними из наиболее распространенных видов специальных промышленных объектов, от надежности строительных конструкций которых зависит гарантировання работа энергопредприятий, электрических сетей, промышленных и транспортных объектов. В настоящее время в Российской Федерации находится в эксплуатации более 500 крупных ОРУ напряжением 110-220 кВ, которые построены в 60-90 годах прошлого столетия.

Большая часть действующих ОРУ сооружена с использованием центрифугированных предварительно напряженных железобетонных элементов стоек и, частично, траверс порталов. Устойчивость порталов ОРУ со сборными железобетонными элементами обеспечивается системой оттяжек и закреплением стоек в грунте. Различная высота продольных и поперечных порталов позволяет развязывать высоковольтные провода в двух уровнях. В пределах ячеек ОРУ также выполняется несколько сотен опор под электротехническое оборудование в виде сборных железобетонных стоек или свай сечением 250 х 250 мм  выстой 2-5 м.

Особенности компоновки строительных конструкций и оборудования типового ОРУ-220 кВ показаны на (Фото 1).

Необходимость решения проблем повышения эксплуатационной надежности строительных конструкций ОРУ продиктована следующими причинами:

• Многолетний опыт обследования строительных конструкций ОРУ показывает, что после 20-30 лет эксплуатации техническое состояние части элементов порталов и опор под оборудование характеризуется как неработоспособное или аварийное.
• Многоярусное расположение строительных конструкций и ошиновки вызывает опасность многократного увеличения зоны разрушения конструкций при отказе одного из элементов системы. Например, при отказе одной стойки или траверсы портала может произойти разрушение смежных, соединенных между собой траверсами и высоковольтными проводами, разрушение электротехнического оборудования и, как следствие, масштабное отключение потребителей.
• Отсутствует система получения объективной информации о техническом  состоянии строительных конструкций ОРУ. По многим из них обследования не проводились, а обслуживание их в течение последних 10-15 лет находилось на низком уровне или отсутствовало. Это привело к опасному развитию деструктивных процессов и накоплению системных нарушений от демонтажа или выхода из строя оттяжек, деформаций элементов и др.

В настоящей статье обобщен опыт работы нашей фирмы по определению уровня эксплуатационной надежности и методов его повышения для строительных конструкций ОРУ. Прежде всего, следует отметить, что работы по обследованию строительных конструкций серьёзно усложняются из-за отсутствия заводской и исполнительной документации на объектах. На всех сборных железобетонных элементах полностью отсутствует заводская маркировка, требуемая ГОСТом [1], что затрудняет идентификацию изделий. Наличие сложных деструктивных процессов в различных строительных конструкциях ОРУ от воздействия атмосферных факторов, электрических полей от высоковольтных линий и электротехнического оборудования, негативное влияние скрытых дефектов изготовления и монтажа на долговечность и надежность делают обследования строительных конструкций основой для надежного прогнозирования эксплуатационной надежности этих объектов. Поэтому эффективный анализ эксплуатационной надежности строительных конструкций ОРУ могут сделать специалисты, имеющие опыт проектирования, авторского надзора и исследований таких специальных объектов.

Эксплуатационная надежность объекта определяется многими факторами, основными из которых применительно к объектам ОРУ, следует считать системную надежность и долговечность строительных конструкций, а так же методы их оценки.

Системная надежность – это способность системы из порталов, оттяжек и высоковольтных линий воспринимать все возможные комбинации нагрузок. При этом конструктивные решения всех элементов системы должны соответствовать проекту, а отклонения геометрических размеров не должны превышать допустимые СНиПом [2].

Долговечность конструкций и материалов означает, что деструктивные процессы не снизили их возможность воспринимать эксплуатационные нагрузки.

Оценка фактических показателей эксплуатационной надежности производится на основе материалов исследований состояния несущих элементов, обеспечивающих неизменяемость пространственной системы объекта и долговечности материалов и конструкций. Приведем характерные примеры нарушений по факторам, составляющим эксплуатационную  надежность строительных конструкций ОРУ:

Системные нарушения:

• Отсутствие или недостаточная несущая способность оттяжек стоек порталов.
• Отклонения от вертикали стоек порталов и опор под оборудование в 2-10 раз превышающее допустимые СНиПом [2].
• Деформации траверс, особенно из центрифугированных элементов, превышающие допустимые СНиПом [2].

Развитие недопустимых отклонений стоек и опор обычно свидетельствует о наличии скрытых дефектов в узлах закрепления их в грунте. При отсутствии исполнительной документации такие скрытые дефекты удаётся выявить только выборочным вскрытием опорных узлов. Обычно причиной отклонения стоек бывает отсутствие проектных грунтовых анкерных элементов.

В целом, на стадии макродиагностики выявляется 80-90% системных нарушений.

Долговечность материалов и конструкций.

Определение сроков безопасной эксплуатации конструкций ОРУ – долговечности их, является сложной и трудоёмкой проблемой. Это вызвано применением в комплексе несущих конструкций разнородных по характеристикам и технологии изготовления элементов, каждый из которых имеет свои характерные скрытые дефекты и ведет себя при эксплуатации по-разному. Как известно из работ отечественных и зарубежных специалистов по надежности строительных конструкций подавляющее число отказов конструкций вызвано скрытыми дефектами изготовления и монтажа, которые не были своевременно выявлены системами контроля изготовителя, строителя и заказчика. Эти скрытые дефекты или их последствия проявляются при эксплуатации и, как правило, существенно снижают долговечность конструкций и объекта в целом.

Приведем примеры наиболее часто встречающихся скрытых дефектов, негативно влияющих на долговечность конструкций в условиях ОРУ:

• Опоры под оборудование – сборные железобетонные стойки или сваи сечением 250 х 250 мм из бетона классов В15-20. Расчетное время карбонизации проектного защитного слоя бетона в условиях ОРУ равно 25-30 лет, что соответствует данным наших исследований. Это значит, что только после 25-30 лет эксплуатации может начаться коррозия рабочей арматуры в бетоне. Фактически уже через 15-20 лет после ввода ОРУ от 40 до 60% железобетонных опор под оборудование имеет разрушение защитного слоя бетона и коррозию арматуры. Причина такого снижения долговечности – скрытые дефекты изготовления. Арматурные каркасы располагаются при бетонировании вплотную к одной или двум сторонам опалубки и величина защитного слоя бетона с этих сторон составляет 5-10 мм. Такой дефект является грубым нарушением СНиПа [3], но выявить его при приемке конструкций на объекте можно только при помощи специальной аппаратуры.
• Центрифугированные предварительно напряжённые железобетонные элементы стоек и траверс порталов после 20 – 30 лет эксплуатации имеют от 10 до 20 % конструкций с повреждениями. Они представляют собой продольные трещины различной длины и ширины раскрытия. Все они являются следствием скрытых дефектов, допущенных при изготовлении с нарушением технических условий ГОСТа [1]. Вот один из скрытых дефектов и его последствие:
• Наличие зазоров в стыках форм до 3-4 мм приводит к выносу цементного молока при центрифугировании из бетона в зоне стыка. Бетон в зоне стыка щебенистый и не работает на растяжение от температурных воздействий. При таких дефектах изготовления образуются продольные трещины вдоль стыка форм  длиной до 8 -10 м и с шириной раскрытия до 5-7 мм (Фото 2). Ультразвуковое профилирование таких трещин показывает, что они имеют сквозной характер. Бетон в зоне трещин карбонизирован и предварительно напряженная рабочая арматура коррозирует. Согласно ГОСТу [1]  зазоры между формами не допускаются.
• Оттяжки порталов. После 20-30 лет эксплуатации в условиях агрессивной воздушной среды промышленных предприятий на 5-10 % канатов оттяжек наблюдается разрушение цинкового покрытия и коррозия проволок в местах отсутствия или разрушения защитной электротехнической смазки (ЗЭС). Степень снижения площади сечения оттяжки определяется в наиболее ослабленном сечении каната в зависимости от величины и вида коррозии.

Методика  оценки надежности строительных конструкций ОРУ.

Из-за невозможности определения эксплуатационной надежности прямыми расчетами считаем, что наиболее применимым для оценки является метод выделения «слабого звена» по аналогии с Методикой [4]. При безусловной необходимости устранения выявленных системных нарушений, устранение нарушений, связанных со снижением степени долговечности конструкций и материалов необходимо их «ранжировать» по срокам безопасной эксплуатации согласно результатам обследований. Минимальный ресурс из всех групп поврежденных конструкций и определяет «слабое звено» - минимальный срок, которым фактически располагает комплекс строительных конструкций ОРУ до расчетного отказа. Выявление «слабого звена» позволит производить адресные ремонтно-восстановительные работы по увеличению сроков безопасной эксплуатации ОРУ.

Ремонт и восстановление строительных конструкций ОРУ по результатам обследований.

Очередность, технические решения и необходимые объемы ремонтно-восстановительных работ приводятся в рекомендациях, разработанных в составе отчета по обследованиям ОРУ. При этом нужно учитывать, что чем раньше будет производиться ремонт, тем меньше потребуется для него денежных средств и затрат труда. Поясним это положение на примере ремонтов железобетонных опор под оборудование ОРУ при различных стадиях развития деструктивных процессов. Если при обследовании выявлены начальные признаки карбонизации защитного слоя бетона, то эти процессы могут быть остановлены или замедлены специальной окраской. При среднем развитии повреждений – трещинах в защитном слое бетона и коррозии арматуры – требуется уже средний ремонт с заменой защитного слоя бетона и усилением арматуры. При уменьшении расчетного сечения бетона и коррозии арматуры, требуется капитальный ремонт опор, с устройством обойм различного типа или замена опор.

Сложные технические и организационные проблемы приходиться решать при разработке конструкций усиления и методов ремонта порталов из центрифугированных элементов. И здесь также действует правило, чем раньше произведен ремонт, тем он проще и дешевле. Ремонт конструкций порталов включает, как правило, устройство различных типов обойм, чтобы исключить негативное влияние трещин на несущую способность конструкций и дополнительное закрепление стоек порталов в грунте для устранения роста отклонения их от вертикали.

Выводы

1. В связи с отнесением электроподстанций (ОРУ) к критически важным для национальной безопасности объектам (КВО) и неудовлетворительным состоянием строительных конструкций на этих объектах, в целях усиления их надежности и безопасности, необходимо провести обследование ОРУ с определением эксплуатационной надежности.
2. Низкий уровень контроля при изготовлении и монтаже строительных конструкций ОРУ вызывает существенное снижение их долговечности (до 2-3 раз) за счет скрытых дефектов. Поэтому считаем целесообразным, при сооружении новых и реконструкции действующих ОРУ, осуществлять научное сопровождение всего цикла работ для выявления скрытых дефектов на стадии изготовления и приемки конструкций и работ.

Литература

1. ГОСТ 22687.0-3.-85 «Стойки железобетонные центрифугированные для опор высоковольтных линий электропередачи», М., 1986 г.
2. СНиП 3.05.06-85 «Электротехнические устройства», М., Госстрой СССР, 1988 г.
3. СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции», М., Госстрой России, 2002 г.
4. РД 03-418-01 «Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов», М., ГУП «НТЦ Промышленная безопасность», Госгортехнадзора России, 2003 г.