Живучесть строительных конструкций

Слесарев В.А., Слесарев С.В. // Сборник научных трудов АНО НИИ Промышленная безопасность, Предотвращение аварий зданий и сооружений, Москва, 2008г., с.75-79 // "Живучесть строительных конструкций зданий и сооружений стареющих ТЭС"

Большинство крупных тепловых электростанций (ТЭС), составляющих основной энергетический потенциал России, находятся в эксплуатации 30-50 лет. Известно, что уже после 40-50 лет эксплуатации строительные конструкции зданий и сооружений находятся в зоне ускоренного износа, когда частота появления опасных деформаций и повреждений резко возрастает. В дальнейшем процесс старения ТЭС продолжиться. Одновременно происходит снижение надежности основного технологического оборудования. Уже к 2005г проектный ресурс (100 тыс. часов) на всех действующих ТЭС исчерпан. Все это вызывает рост аварий строительных конструкций зданий и сооружений ТЭС. При этом отмечается, что надежность и безопасность эксплуатации строительных конструкций и основного технологического оборудования связаны друг с другом.

На основе многолетнего опыта проектирования и исследований строительных конструкций крупных ТЭС, участия в работе комиссий по рассмотрению аварий на энергетических объектах, считаем целесообразным остановиться на двух проблемах, которые, на наш взгляд, определяют живучесть строительных конструкций ТЭС и могут значительно продлить сроки их безопасной эксплуатации.

Во-первых, это низкая живучесть металлоконструкций покрытий главных корпусов ТЭС, которая проявляется в практически ежегодно повторяющих масштабных обрушениях ферм покрытия машинных залов на объектах, в различных регионах РФ. При этих авариях повреждаются строительные конструкции, оборудование, создается реальная угроза для жизни персонала и значительный ущерб для энергопредприятий. Сценарий обрушения металлических ферм покрытия, как правило, одинаков. После отказа одной из ферм происходит последовательное обрушение соседних, связанных между собой элементами плитами покрытия, системой связей и распорок, так называемое прогрессирующее разрушение конструкций, с минимальным количеством обрушившихся ферм 3-4 и максимальным 10-15 ферм

В связи с высоким уровнем унификации конструктивных и компоновочных решений существующих зданий главных корпусов крупных ТЭС основным показателем надежности ферм покрытия является уровень риска обрушения этих конструкций. Для анализа риска их обрушения использованы сведения о находящихся в эксплуатации фермах более чем на 30 объектах, включая аварийные, а также количество лет, в течение которых они эксплуатировались. Расчеты показывают, что показатель уровня риска обрушения фермы покрытия главного корпуса составляет 5х10^-3,что в 50 раз превышает максимально допустимый уровень риска, который равен 1х10^{- 4} обрушений в год. Учитывая, что ущерб от аварий строительных конструкций главных корпусов составляет 50-70% полного ущерба от аварий по объекту, а также высокий показатель уровня риска обрушения ферм, особое внимание следует обратить на проблемы обеспечения живучести и безопасности конструкций покрытия при проектировании новых, реконструкции и эксплуатации существующих ТЭС.

В целях определения основных направлений работ по снижению уровня риска обрушения ферм покрытия главных корпусов ТЭС по литературным данным [1] и по материалам нашей фирмы рассчитано соотношение различных причин, вызвавших отказ ферм. Эти причины выделены в три группы с процентным соотношением между ними следующими:

• 10% - ошибки, допущенные при изготовлении и монтаже конструкций;
• 20% - различные нарушения при эксплуатации (перегрузка при ремонтах кровли, образование мощного слоя льда в районе выхлопов паропроводов, сверхнормативные отложения золы и другие);
• 70% - различные отказы основного технологического оборудования (турбоагрегатов и, в меньшей степени котлов).

Если для устранения причин отказов ферм первых двух групп можно ограничиться разработкой организационных мероприятий - тщательная приемка, авторский надзор, постоянный мониторинг, регулярное обследование через 1 – 2 года с привлечением специализированных фирм и др., то обеспечение живучести при воздействии третьей группы причин необходима разработка специальных теоретических и конструктивных проблем.

Нашей фирмой подробно исследованы проблемы повышения живучести покрытий главных корпусов ТЭС при различных сценариях развития аварии на турбоагрегате:

• при механическом повреждении элементов фермы частями аварийного оборудования, например лопаткой турбины без пожара. Таких аварий происходит менее 10%. Для повышения живучести покрытий главных корпусов ТЭС разработана система металлоконструкций, исключающая падение фермы, даже при разрушении одного или нескольких элементов фермы, а также препятствующая развитию разрушения соседних ферм (прогрессирующему разрушению). Система покрытия повышенной живучести может эффективно применяться при проектировании и строительстве новых ТЭС и АЭС. Конструктивное решение покрытия повышенной живучести разработано на уровне изобретения и является «ноу-хау» фирмы.
• при пожарах на турбоагрегатах с возгоранием масла, водорода. Основное количество обрушений ферм происходит от мощного теплового воздействия на них продуктов горения, которые не могут эффективно удаляться за пределы здания при существующих компоновках главных корпусов ТЭС. Как известно, промежуток времени, в течение которого могут разрушиться фермы машинного зала при пожарах, сопровождающих аварию турбоагрегата, составляет несколько минут [2]. Существует несколько способов защиты металлоконструкций ферм покрытия главного корпуса ТЭС от пожаров, включая различные системы автоматического пожаротушения. Однако устройство таких систем на действующих ТЭС требует начительных затрат и недостаточно эффективно. Например, по данным исследований ВНИИИС Госстроя СССР, [3] при изучении развития 14 крупных пожаров на объектах с автоматизированной системой пожаротушения в 5 случаях автоматика сработала, но не дала эффекта, а в 9 случаях не сработала вовсе. Нашей фирмой разработана система противопожарной защиты металлоконструкций ферм покрытия от обрушения при пожарах на турбоагрегатах путем установки на кровле специальных противопожарных проемов, автоматически открывающихся при температуре 160-180^о С для удаления продуктов горения в атмосферу, что исключает нагрев элементов ферм до критической температуры 600-700^о С, при которой они теряют несущую способность. Конструктивное решение системы противопожарной защиты позволяет устанавливать её на любой конструкции покрытия главного корпуса ТЭС как строящегося, так и находящегося в эксплуатации и может дублировать любые системы противопожарной защиты покрытия из-за своей простоты и надежности. Система противопожарной защиты также разработана на уровне изобретения и является «ноу-хау» нашей фирмы.

Во-вторых, важной проблемой повышения живучести строительных конструкций зданий и сооружений ТЭС является абонентская система взаимодействия энергетических предприятий и специализированных фирм, предусматривающая мониторинг аварийноопасных конструкций, такая система может существенно повысить безопасность эксплуатации стареющих ТЭС путем своевременного выявления опасного развития деструктивных процессов, разработку и внедрение современных технологий и материалов при ремонтах. При долговременном договоре на абонентское обслуживание специализированная фирма может сосредоточить работы на мониторинге наиболее опасных конструкций и узлов, оперативно выдавать необходимую документацию для ремонта или усиления аварийных элементов, осуществлять техническое сопровождение за их реализацией и так далее. При этом быстро теряющие прочностные характеристики, стареющие несущие конструкции будут практически постоянно находиться под наблюдением квалифицированных специалистов, что обезопасит предприятие от их неожиданных отказов, а затраты на эти работы не сопоставимы с затратами на ликвидацию аварий. Наш опыт и опыт ряда фирм, специализирующихся по обследованию энергетических предприятий позволил выявить большое количество зданий, сооружений, конструкций и узлов, которые характеризуются повышенной аварийной опасностью. Высокий уровень унификации проектов и строительных конструкций энергетических объектов, сооруженных в 1960-1990гг позволит при абонентской системе обслуживания с большей степенью вероятности и меньшими трудозатратами выявлять аварийные конструкции в зданиях и сооружениях ТЭС. Подтверждением эффективности длительного сотрудничества нашей фирмы в течение 5-7 лет с крупными ТЭС служат многочисленные примеры выявленных и своевременно устраненных аварийных ситуаций, в том числе:

• выявленные и устраненные многочисленные обрывы элементов крепления подкрановых балок под мостовые краны ГП- 125 тс и 50 тс к колоннам каркаса Главного корпуса;
• выявленные и восстановленные элементы крепления стеновых панелей к колоннам каркаса главного корпуса, которые до ремонта вышли из плоскости стены на 50 – 100 мм;
• выявленные и восстановленные железобетонные порталы и стойки ОРУ 110 – 500 кВ. и многие другие

Выводы

1. Строительные конструкции большинства крупных ТЭС после 30-50 лет эксплуатации находятся в зоне интенсивного износа и аварийности, что требует усиления работ по поддержанию их живучести.
2. Для исключения обрушения ферм и прогрессирующего разрушения покрытия главного корпуса ТЭС в случае отказа одной из ферм при проектировании и строительстве объекта следует применять системы покрытия повышенной живучести, [4].
3. Для снижения уровня теплового воздействия и исключения обрушения ферм покрытия главного корпуса при пожарах на основном технологическом оборудовании, которые являются основной причиной этих обрушений, необходимо на покрытиях строящихся и эксплуатируемых объектов предусматривать специальные противопожарные проемы [5], которые автоматически открываются при температурах в 3 раза ниже критической для стальных конструкций.
4. Стремительно стареющие строительные конструкции объектов ТЭС требуют постоянного наблюдения специализированных фирм за их техническом состоянии для своевременного выявления и предотвращения аварийных ситуаций. Наиболее эффективной системой взаимодействия энергетического предприятия и специализированной фирмы является абонентское обслуживание на долговременной основе.

Список литературы

1. Анализ нарушений зданий и сооружений Энергопедприятий за 1986 – 1990 гг, М, ОРГРЭС, 1992 г.
2. Соковиков В. В.и другие, Автоматизированное тушение пожаров на электростанциях, Энергетик, 2006, № 6, стр.,34-38.
3. ВНИИИС Госстроя СССР, Промышленные комплексы, Обзорная информация В. 5, Исследование поведения промышленных зданий в условиях реальных пожаров, М, 1982 г.
4. «Покрытие», Заявка №2008109360 на патент РФ.
5. «Способ повышения огнестойкости покрытия и противопожарный для его осуществления», Заявка№2008111920 на патент РФ.