Проблемы обеспечения надежности железобетонных вытяжных башен градирен

Публикация из СМИ

Башенные градирни широко применяются в системах оборотного водоснабжения в энергетике и других отраслях промышленности. Башенные градирни возводятся из монолитного железобетона в виде тонкостенных оболочек или из металлического каркаса с обшивкой.

Учитывая, что градирня является ответственным технологическим сооружением, обеспечивающим процесс производства электроэнергии абсолютно ясно, что сохранение и надежность эксплуатации вытяжных башен градирен является важной стратегической задачей обеспечения устойчивости энергетического потенциала страны. В этой связи для определения правильного пути развития градирен необходимы знания не только в области конструирования и проектирования, но и в эксплуатации таких значимых высотных сооружений.

Башни из монолитного железобетона.

Градирни с вытяжной башней из железобетона сооружаются в нашей стране с 1949 г.

Обследования вытяжных башен градирен, расчеты на прочность и устойчивость выполненные ГК "ИРВИК" на Ново-Горьковской ТЭЦ, Ярославской ТЭЦ-3, Артемовской ТЭЦ, градирен ОАО «Мосэнерго», Новолипецкого металлургического комбината и др. выявили массовые структурные разрушения железобетона, коррозию внутренней арматуры создающих разрушающие напряжения в оболочке превышающие предельно-допустимые значения.

Анализ результатов обследований более раннего периода показывает, что процессы разрушения оболочек проявлялись уже в первый же год эксплуатации. Несмотря на проводимые ремонтные работы , площади и объемы разрушений бетона постоянно увеличиваются, что в конечном итоге приводит к образованию сквозных разрушений и потере несущей способности сооружения.

По состоянию обследованных сооружений очевидно, что примененные технологии ремонта, в большинстве своем, не учитывают конструктивные и эксплуатационные особенности конкретного сооружения.

Башенные градирни, возводимые из монолитного железобетона - специфические сооружения, как по конструкции, так и по условиям их эксплуатации. Оболочка вытяжной башни представляет собой тонкостенную монолитную железобетонную конструкцию, сильно насыщенную арматурой.

В процессе эксплуатации железобетон оболочек подвергается большому многообразию воздействий вызывающих или способствующих процессу разрушения сооружений. Условно агрессивные воздействия на оболочки градирен можно разделить на физические и химические. К физическим воздействиям относятся:

• перепады температур внутренней и наружной поверхности оболочки, а также поверхностей обращенных к солнцу и находящихся в тени, достигающие соответственно 50-60 и 25-30оС;
• изменение влажности бетона от максимальной в конце зимы до минимальной летом;
• изменения режима работы градирен и колебания температур окружающей среды с частыми переходами через 0оС в холодные периоды года приводящие к многократным циклам замораживания и оттаивания бетона;
• постоянный контакт бетона оболочки с воздушной средой, имеющей температуру 40-45оС и влажность 95-100%, вызывающей одностороннее увлажнение бетона;
• разряжение при всех режимах работы градирен, составляющие 1-30 Па.

Кроме этого, в системах технического водоснабжения часто производится химическая обработка циркуляционной воды, в результате которой вода имеет слабокислую или слабощелочную реакцию, что оказывает существенное влияние на состав и соотношение химических воздействий.

К химическим воздействиям на железобетон оболочек относятся :

• коррозия I вида - вымывание из цементного камня бетона гидроксида кальция Са(ОН)2. Данный процесс и его результаты видны не вооруженным глазом на поверхности виде подтеков белого цвета. Вымывание происходит в результате фильтрации конденсата пара и атмосферной воды, градиент которой направлен от внутренней поверхности оболочки к наружной. Гидроксид кальция или иначе свободная известь выделяется в бетоне в количестве до 15% в процессе гидролиза и гидратации цементного клинкера Гидроксид кальция является структурной составляющей цементного камня, поддерживает высокую щелочность бетона РН>11 и тем самым обеспечивает защиту внутренней арматуры от коррозии. Снижение РН нарушает пассивированное состояние арматуры, что создает благоприятные условия для развития коррозии арматуры.
• коррозия II вида – развитие обменных реакций между кислотами и солями окружающей среды и составными частями цементного камня. При коррозии II вида разрушение цементного камня идет в поверхностных слоях бетона, соприкасающихся с агрессивной средой и процесс разрушения этих слоев может достичь полного развития при сохранившихся в прилегающих слоях бетона почти без изменения всех элементов цементного камня. Если новообразования не обладают достаточной плотностью, чтобы воспрепятствовать дальнейшему проникновению агрессивной среды, растворяются и смываются, то обнажаются более глубинные слои бетона и так коррозия протекает до полного разрушения цементного камня.
• коррозия III вида – накопление солей в порах бетона вызывающих нерасчетные напряжения и разрушения бетона.

Отдельно в чистом виде коррозия всех видов встречается редко, при действии агрессивной водной среды на бетон в последнем обычно происходят процессы разрушения всех трех видов коррозии, в разной степени, причем развитие одного вида коррозии может повлечь за собой развитие других видов.

В железобетонных оболочках градирен преобладающим видом коррозии является коррозия 1 вида вызываемая односторонним действием воды и конденсата пара. Нейтрализацию коррозии 1 вида на протяжении всего периода строительства и эксплуатации железобетонных оболочек пытались и пытаются решить различными способами, в том числе и за счет изменения состава применяемых цементов, применения различных ремонтных составов специального назначения.

Важным и принципиальным отличием эксплуатации железобетонных башен в нашей стране и в западных странах являются климатические условия, стабильность тепловых нагрузок при эксплуатации. Качество применяемых материалов, технология возведения и ее соблюдение также являются определяющим фактором надежности и долговечности. Последние критерии в свою очередь зависят от условий эксплуатации.

До 1963 г. для приготовления бетона оболочек проектами предусматривалось применение смеси цементов: 2/3 (по весу) портландцемента марки 400 без активных добавок и 1/3 пуццоланового цемента марки 300 с активными гидравлическими добавками. В такой смеси содержалось 10-12% добавки-трепела (пуццолановая добавка), предназначенной для связывания свободной извести и предотвращения ее выноса из бетона. На данных цементах возводились оболочки градирен №№ 3,4 Артемовской ТЭЦ, разрушения бетона которых имеет массовый характер.

С 1963 г. для бетона оболочек в основном использовался сульфатостойкий портландцемент без активных или неактивных добавок. На данном цементе в частности возводилась оболочка башни градирни № 1 Ивановской ТЭЦ-3 имеющей значительные разрушения характерные для бетонов приготовленных на сульфатостойком цементе без активных гидравлических добавок .

Совершенствование технологии производства и повышение качества цемента оценивали по увеличению его прочности, но это еще не говорит об одновременном повышении его стойкости. Увеличение тонкости помола и коэффициента насыщения цемента известью может в известной мере вызвать снижение стойкости цементного камня при некоторых внешних воздействиях Именно стойкость цементов против воздействия определенных агрессивных факторов является определяющим , основным показателем долговечности бетона. Необходимо понимать, что степень агрессивности среды определяется не только ее химическим составом но и комплексом физических и физико-механических факторов, характеризующих условия контакта среды с капиллярно-пористой структурой бетона, особенности процессов коррозии. Степень агрессивности различна по отношению к бетонам разной плотности и разного состава. Относительность этого понятия легко просматривается на примере применения пуццолановых добавок.

Гидравлические добавки / пуццолановые добавки / играют важную роль в затвердевшем цементном камне, связывая гидроксид кальция и улучшая микроструктуру цементного камня и образуя микробетон более однородной структуры. С этой точки зрения введение даже не активной или малоактивной добавки, например, молотого известняка или молотого песка, обеспечивает повышение плотности цементного камня с соответствующим увеличением его стойкости. Поглощение гидроксида кальция введенной активной минеральной добавкой мешает скоплению кристаллов Са(ОН)2 в толще цементного камня. Эти скопления являются очагами разрушения цементного камня при действии сульфатов. Однако при введении добавки, например трепела или опоки, т.е. материалов обладающих большой влагоемкостью, скорость капиллярного подсоса воды в цементном камне значительно увеличивается. Это особенно сказывается на стойкости бетона при одностороннем действии воды и наличии поверхности испарения. В этом случае гидравлическая добавка не повышает, а понижает стойкость цементного камня.

При оценке стойкости и долговечности бетона необходимо учитывать как физические / в основном плотность /, так и химические факторы / степень связывания гидроксида кальция, состав вяжущего и т.д.

Очень важную роль на коррозионную стойкость бетона оказывает водоцементное отношение. Многочисленные исследования, проведенные в середине 60х гг. подтвердили ранее имевшиеся результаты в том, что повышение водоцементного отношения, увеличение продолжительности в бетонировании и снижение влажности среды, в которой происходит твердение бетона, повышает проницаемость бетона. Исследования различных составов бетона в условиях, приближенных к условиям работы бетона в оболочке башенной градирни, показали, что применение бетонов с водоцементным отношением 0,40 на сульфатостойком цементе и высококачественных заполнителях обладает наибольшей их устойчивостью к коррозии. Водоцементное отношение должно устанавливаться и в зависимости от климатических условий эксплуатации. Для суровых и умеренных климатических условий водоцементное отношение необходимо устанавливать 0,38-0,40, а для южных районов 0,43-0,45 . Однако, несмотря на достаточно глубокие научные исследования в области составов бетона и применения их на практике, добиться требуемого качества приготовления бетона, способа его укладки и ухода не удается. Процесс разрушения бетона оболочек вытяжных башен под воздействием фильтрующей влаги до сих пор предотвратить не удается, что вполне объяснимо наличием большого количества вышеприведенных сочетаний факторов способствующих разрушению. Соотношения этих факторов имеют индивидуальный характер для каждого конкретного сооружения.

На водонепронецаемость бетона существенное влияние оказывает технология и качество возведения оболочек. Как известно, в мировой практике существует два варианта возведения железобетонных оболочек: в переставной опалубке, с большим количество швов и в скользящей позволяющей вести непрерывное бетонирование. Так, например, водонепронецаемость бетона, имеющего рабочие швы бетонирования, примерно в два раза ниже, чем бетона без швов.

В оболочках, возведенных в скользящей опалубке, как правило, пониженной водонепронецаемостью обладают поверхности образующие цилиндрические вертикальные полости, оставшиеся от опорных стержней опалубки. Помимо развития процессов коррозии бетона характерных для вытяжных башен градирен из железобетона, по направлению расположения вертикальных полостей, начинается преждевременное разрушение бетона в виде вертикальных трещин, возникающих от физических усилий замерзающей в них воды.

Очевидно, что механизмы разрушений бетона оболочек башен намного сложнее и многообразнее любых других сооружений из железобетона.

При этом деструктивные процессы в теле оболочек башен имеют необратимый характер. Ремонтные мероприятия не имеют гарантии остановки процессов деструкции. Накоплен большой опыт по применению различных защитных материалов. Многие из них, по различным причинам оказывались непригодными в условиях эксплуатации железобетонных башен градирен. В качестве гидроизоляции использовались покрытия на основе битумного праймера, перхлорвиниловых лаков, эпоксидных смол, специальных ремонтных и гидроизоляционных материалов на цементной основе и многих других составов. Также как и у железобетона разрушения защитных покрытий происходит после первого года их эксплуатации. Практикой эксплуатации и научными исследованиями определено, что защитные свойства различных видов покрытий в значительной степени зависят от состояния поверхности железобетона. Оптимальные показатели адгезии достигаются при поверхностной пористости не более 5-7% и ее влажности менее 5%. Данные условия во многих случаях невыполнимы, как уже отмечалось выше по конструктивным условиям, качеству укладки бетонной смеси, наличия структурных разрушений в бетоне возникших в процессе длительной эксплуатации и др. До настоящего времени основным видом гидроизоляции является торкретное покрытие на основе цементно-песчанных смесей. Торкретное покрытие внутренней поверхности оболочек по тем же причинам, что и другие покрытия не обеспечивает надежную и долговечную гидроизоляцию. В основном торкрет приготавливается на портландцементе и подвергается тем же коррозионным разрушениям, что и бетон оболочки. В процессе эксплуатации на поверхности торкрета образуются многочисленные трещины являющиеся первым признаком начала его разрушения. Трещины возникают из-за несоизмеримых отношений толщины торкретного слоя и температурных напряжений возникающих в нем.

Срок эксплуатации торкретного покрытия не превышает 3-4 лет Ремонты наружной поверхности железобетона торкретированием способствуют ускорению структурного разрушения бетона оболочек вызываемые коррозией I-III вида. Прочность бетона под торкретом снижается до 50 кг/смпри расчетных 300 кг/см2, в местах полного разрушения образуются сквозные дыры. Одновременно торкретное покрытие создает нерасчетную нагрузку на опорную колоннаду и фундаменты градирни, таким образом способствуя процессу разрушения опорных конструкций. Например, для башни градирни площадью орошения 1520 м2 дополнительная нерасчетная нагрузка при двухстороннем торкретировании составляет 800 т.

Железобетонная башня требует значительных затрат на их ремонт, частота и периодичность которого зависит от многих факторов. Ремонтные расходы превосходят первоначальные капитальные затраты. на устранение которых требуются существенные затраты в течение всего срока работы сооружения. Единовременные затраты только на ремонт оболочки градирни площадью орошения 1520 м2 достигают 50-60 млн.руб. При этом ремонты начинают проводить уже в первые пять лет. Для сравнения замена отдельных элементов в башнях из металлических каркасов после 30-40 лет эксплуатации составляет 3-10 млн.руб. Стоимости зависят от агрессивности среды, качества антикоррозионного покрытия и периодичности ее восстановления.

Территориально применение железобетонных башен градирен ограничено СНиП в зависимости от отрицательных значений температуры атмосферного воздуха. Расчетным значением является температура наиболее холодной пятидневки.

В нормах технологического проектирования ВНТП 81, п.10.1.37 ограничения записаны: «…Градирни с башнями из монолитного или сборного железобетона следует применять в районах с расчетной температурой наиболее холодной пятидневки минус 280С и выше.»

По СНиП 2.01.01.-82 температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,98 для г. Москва -300С.

СНиП 2.04.02-84 (табл 4.2, п.7) ужесточил эти ограничения. При расчетных температурах наружного воздуха ниже -200С до -400С вытяжные башни из железобетона не применяются.

Таким образом даже г. Москва является районом, где недопустимо строительство градирен из железобетона.

Башни из металлического каркаса.

Градирен с башнями из металлического каркаса значительно больше и из общего числа установленных составляет около 80%.

Очевидно, что по надежности, капитальным и эксплуатационным затратам на территории Российской Федерации предпочтительным является вариант с каркасно-обшивной башней градирни из металлических конструкций.

Металлокаркас вытяжной башни градирни представляет собой пространственную стержневую конструкцию, состоящую из угловых стоек, раскосов и горизонтальных колец жесткости. Усилия от металлокаркаса на фундаменты передаются через опорные узлы угловых стоек. Угловые стойки металлокаркаса, как правило, выполнены в виде спаренных ферм, что обусловлено характером возникающих усилий (изгибающий момент). Для проектирования сооружений важным условием является знание и выполнение расчетов.

Расчеты железобетонной башни и башни из металлического каркаса имеют существенные отличия. Железобетонная башня градирни рассчитывается на восприятие нагрузок, как тонкостенная оболочка. В ней возникают усилия только в плоскости оболочки. Усилия, направленные из плоскости оболочки, отсутствуют.

Усилия от железобетонной оболочки передаются на нижнее кольцо жесткости, которое рассчитывается как балка-стенка. В балке-стенке все усилия также распределяются в ее плоскости. Усилия, направленные из плоскости балки-стенки, отсутствуют.

Усилия от нижнего кольца жесткости передаются на опорную колоннаду, элементы которой рассчитаны как центрально-сжатые стержни и фундамент выполнен виде кольцевой наклонной плиты.

Стенка водосборного бассейна является одновременно фундаментом опорной колоннады. Стойки наклонной колоннады и стенка расположены в одной плоскости. Поэтому стенка водосборного бассейна рассчитана на восприятие только сжимающих усилий, передаваемых на нее наклонной колоннадой.

От металлокаркаса вытяжной башни на фундаменты передаются радиально направленные изгибающие моменты. Стенка водосборного бассейна не рассчитана на восприятие радиально направленных изгибающих моментов и не может быть использована как фундамент новой башни.

Наличие изгибающего момента, конструктивные особенности угловых стоек и условия передачи усилий определяют разное конструктивное исполнение фундаментов под башни из железобетона и металлокаркаса.

Для замены отработавших свой ресурс вытяжных башен градирен площадью орошения 1520 м2 на действующих электростанциях ГК «ИРВИК» разработан и внедрен уникальный проект каркасно-обшивной башни градирни площадью орошения 1800 м2. Помимо преимуществ конструкции башни, данный тип градирни позволяет увеличить производительность градирни и системы технического водоснабжения электростанции. Данная технология успешно применена в системе технического водоснабжения ТЭЦ-ПВС Новолипецкого комбината при замене градирен №№1,2.

При разработке проекта замены железобетонных градирен были учтены определенные ограничительные условия по:

• архитектурным требования высота башни не должна быть выше установленных рядом градирен №№ 3-7;
• стесненности территории с рядом расположенными градирнями и сооружениями;
• геодезической отметке расположения опорных конструкций водораспределения;
• конструктивным исполнением схемы СТВ ТЭЦ.

Башни вновь установленных градирен представляют пространственно жесткий металлический каркас. Геометрия башни максимально вписана в плановое расположение демонтированной железобетонной башни. При этом использованы конструктивные особенности чаши, фундаментов, конфигурации башни.

Проекты градирен выполняются с применением современных САПР, используя программные комплексы трехмерного моделирования.

САПР позволяет создавать трехмерные модели металлокаркасов с детальной проработкой узлов, из которой затем автоматически генерируются деталировочные чертежи металлоконструкций, сборочные чертежи (планы, разрезы), общие виды (изометрии, перспективы), различные спецификации металла и метизов. Одновременно возможна трехмерная визуализация созданной модели в интерактивном режиме. Использование САПР обеспечивает высокую точность изготовления чертежей и конструкций, совпадение размерностей которых производится контролирующей программой обеспечивающей сборку трехмерной модели в компьютере.

С помощью программного комплекса САПР разработаны уникальные проекты металлокаркасов башенных и вентиляторных градирен, по которым построены объекты на Березниковской ТЭЦ, Пермской ТЭЦ-9, Северо-Западной ТЭЦ (г. Сакт-Петербург), Тюменской ТЭЦ-2, Рязанском и Саратовском нефтеперерабатывающих заводах и др.

Каждый из проектов индивидуален. Например, башня градирни площадью орошения 3200 м2 Северо-Западной ТЭЦ, с целью сохранения единства архитектурного восприятия, имеет геометрическую форму рядом стоящей башни из железобетона. В отличие от традиционно воспринимаемых башен из металлического каркаса с внутренней обшивкой, башня градирни Северо-Западной ТЭЦ имеет внутреннюю и внешнюю обшивки, металлический каркас находится между ними в вентилируемом естественным путем пространстве. При этом исключается разрушающее и способствующее развитию коррозии прямое воздействие атмосферных воздействии и воздействий пара из градирни непосредственно на металлический каркас, цикличность увлажнения и высыхания, температурная цикличность. Таким образом, разработанная конструкция является еще одним шагом по обеспечению надежности сооружений подобного типа.