Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема эксплуатационной надежности промышленных сооружений
1.1. Аспекты развития теории надежности зданий и сооружений 7
1.2. Анализ аварий промышленных сооружений 10
1.3. Анализ современного состояния объектов нефтехимии и нефтепереработки
1.3.1. Особенности эксплуатационной среды технологических установок предприятий нефтехимии и нефтепереработки 17
1.3.2. Характеристика конструктивных решений производственных зданий и сооружений 19
1.3.3. Анализ причин и видов повреждений конструкций, характерных для предприятий нефтехимии и нефтепереработки 21
1.4. Воздействие агрессивной среды на железобетонные конструкции сооружений 25
1.5. Воздействие взрывов на здания и сооружения 28
1.6. Огневое воздействие на железобетонные конструкции 32
2. Объект, методика и методы исследования
2.1. Сведения об объекте исследования 35
2.2. Анализ нормативных документов и существующих методик по оценке технического состояния конструкций сооружений при проведении экспертизы их безопасной эксплуатации 38
2.3. Методика и методы проведения обследований 40
2.4. Методы определения прочностных характеристик 43
2.4.1. Определение прочности бетона 43
2.4.2. Определение толщины защитного слоя 44
2.4.3. Определение глубины нейтрализации бетона 45
2.5. Исследование агрессивности эксплуатационной среды 45
3. Результаты исследований
3.1. Характеристика эксплуатационной среды установки 25-4/2 ОАО «НОВОЙЛ» 47
3.2. Результаты обследования конструкций этажерки по внешним признакам 48
3.3. Фактические прочностные свойства материалов несущих конструкций 51
3.4. Оценка остаточной несущей способности конструкций этажерки 55
4. Оценка фактической надежности и прогнозирование долговечности
4.1. Оценка долговечности конструкций этажерки 59
4.2. Обоснование рационального способа повышения долговечности 61
4.3. Анализ влияния эксплуатационной среды на надежность конструкций 63
Общие выводы 70
Список использованной литературы 72
Приложение 1: Методика оценки технического состояния
железобетонных конструкций 83
Приложение 2: Рисунки 93
Приложение 3: Фотографии 111
Приложение 4: Документ о внедрении 125
- Анализ причин и видов повреждений конструкций, характерных для предприятий нефтехимии и нефтепереработки
- Огневое воздействие на железобетонные конструкции
- Фактические прочностные свойства материалов несущих конструкций
- Анализ влияния эксплуатационной среды на надежность конструкций
Введение к работе
В настоящее время в нефтехимии и нефтепереработке различают три возрастных группы предприятий: I - 30 - 50-е гг. основания; II - 50 - 70-е гг.; III - 70-е гг. и позже. На сегодня основные фонды предприятий I группы полностью обновлены и модернизированы, предприятия III группы еще не достигли такого уровня износа, который требует принятия мер по замене оборудования и сооружений. Наиболее значительна II группа предприятий, поскольку их становление приходится на период интенсивного развития нефтехимии и нефтепереработки в СССР. К началу XXI века технологическое оборудование этих предприятий прошло несколько модернизаций, в результате которых производительность предприятий увеличилась в 1,5-2 раза, что привело к резкому повышению энергонасыщенности этих предприятий. В связи с этим, в нефтяной и нефтехимической промышленности все большее внимание уделяется безопасной эксплуатации производств.
Технологические установки, где происходит переработка углеводородного сырья в товарные продукты или полуфабрикаты, являются опасными производственными объектами. К элементам этой системы относится не только оборудование, но и сооружения для их размещения (эстакады, постаменты, этажерки, фундаменты под оборудование и др.). Предъявляя к таким сооружениям определенные требования с позиций технологии производства, как правило, не учитываются условия длительной эксплуатации, часто сопровождаемые агрессивным воздействием среды. Исследования показывают, что износ строительных конструкций в производствах с химически агрессивными реагентами и повышенными тепло - и влаговыделениями протекает быстрее, чем предусмотрено нормами отчислений. Мнимая экономия оказывается несоизмеримой с размерами расходов на устройство дорогостоящей защиты [80]. При этом расходы на ремонт и восстановление конструкций приближаются к расходам на их изготовление [43]. Это подтверждает так называемый "закон Де Ситтера", согласно которому, чем на более поздней
стадии эксплуатации осуществляются мероприятия по обеспечению долговечности конструкции, тем дороже они обходятся [47]. Кроме прямого ущерба, необходимо учитывать потери вследствие нарушения функционирования сооружения [40].
Федеральный закон №116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» устанавливает требования для всех элементов технологической системы, включая сооружения. На опасных производственных объектах существует большое разнообразие возможностей развития аварийных ситуаций. Известны случаи, когда отказы нескольких или даже одного элемента сооружения, накопленные в процессе длительного износа, приводили к цепному разрушению всего сооружения (так называемый эффект «домино»).
На сегодняшний день срок службы многих сооружений нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий составляет 40 - 50 лет и превышает нормативный. Как показывают исследования [55-60, 65-67], их техническое состояние является крайне тревожным, что ставит под угрозу безопасную работу технологической системы в целом. В связи с этим, для обеспечения безопасной эксплуатации, необходимо заменить неисправные конструкции и сооружения, что невозможно, так как это ведет к остановке всего технологического процесса. Решение проблемы может быть в продлении срока эксплуатации сооружений, исчерпавших свой нормативный ресурс. Для этого, согласно «Положения о порядке продления срока безопасной эксплуатации технических устройств, оборудования и сооружений на опасных производственных объектах» (РД 03 - 484 — 01), необходимо провести объективный анализ технического состояния сооружений, установить их фактическую надежность и определить условия их дальнейшей безопасной эксплуатации.
Анализ причин и видов повреждений конструкций, характерных для предприятий нефтехимии и нефтепереработки
По условиям эксплуатации все строительные конструкции подразделяются на подземные и надземные. Как показывают обследования [117,43], надземные конструкции разрушаются под воздействием агрессивных газов и аэрозолей, а наружные надземные конструкции ещё и под влиянием знакопеременных температур. Разрушение подземных же конструкций связано с действием агрессивных жидкостей. При попадании агрессивных жидкостей в грунт или непосредственно на конструкции возникает опасность разрушения частей фундаментов, полов, перекрытий нижележащих этажей, нижних частей колонн [7].
Результаты обследований [55-60, 65-67] сооружений ряда установок топливного, газокаталитического и масляного производств ОАО «НОВОИЛ» позволили систематизировать виды и причины повреждений в зависимости от материала и типа конструкций (табл. 1.7). Их анализ выявил, что наиболее существенные повреждения произошли в результате пожаров и взрывов.
В 1990 г. на установке «Жекса» произошел взрыв в результате пропуска теплообменника и образования газового облака (фото 1 прил.4). В результате аварии были разрушены следующие здания: подстанции с обрушением перекрытия, частично - компрессорная с обрушением глухой стены внутрь помещения, операторная. Находившиеся на территории установки 8 человек получили травмы различной степени тяжести от воздействия ударной волны и разлетающихся частей строительных конструкций. 23 В 1992г. произошли два последовательных взрыва: первый в трансфор маторной подстанции №11 на действующей установке 25-4/1, последующий в трансформаторной подстанции №17 на установке 25-4/2, находящейся на ремонте. В результате полностью разрушены оба здания трансформаторных, частично - здания в радиусе 20-3 Ом (фото 2 прил.4), а также опоры эстакад трубопроводов. В результате крупного пожара на установке ТК-3 в 1997г. были повреждены огнем кирпичные стены печной насосной, растрескалось и частично обсыпалось покрытие из асбестоцементных листов, выбиты стекла, обгорели оконные блоки (фото 4 прил.4). Также в результате пожара на установке АВТМ-9 в 1999г. были повреждены металлические конструкции печи (фото 3 прил.4).
Анализ повреждений, полученных в результате аварийных ситуаций, показал, что для металлических конструкций это, как правило, прогибы, искривления, обрывы элементов конструкций. Для железобетонных конструкций - термические повреждения арматуры и бетона, значительные трещины, разрушение стыков, частичное обрушение, перемещения конструкций. Степень повреждения конструкций в аварийных ситуациях во многом зависит от их технического состояния. Так повреждение или отсутствие защитного слоя бетона на момент пожара, значительно сокращает огнестойкость конструкции.
Чаще, чем аварийные, имеют место эксплуатационные повреждения, связанные с влиянием агрессивной среды и носят коррозионный характер. Результатом воздействия агрессивных газовых сред на железобетонные конструкции является коррозия арматуры, проявляющаяся на поверхности бетона в виде ржавых пятен, и как следствие, растрескивание и отколы бетона защитного слоя под давлением продуктов коррозии. Воздействие жидких сред выражается коррозией бетона в виде отслоений с последующим обнажением и интенсивной коррозией арматуры.
Обследование, проведенное на Уфимском химическом заводе, показало, что за 9 лет глубина разрушения бетона фундамента цеха гербицидов составила в среднем 0,7 см. На Усольском химическом заводе в результате проливов кислот фундаментная балка разрушилась за 6 лет эксплуатации, вследствие чего на стенах цеха образовались вертикальные трещины, что привело здание в аварийное состояние. На Стерлитамакском химическом заводе вследствие проливов соляной кислоты на пол, произошло разрушение железобетонного перекрытия этажерки [3].
Обследование ряда производств химических заводов, проведенное Киевским НИИСК [13], позволило установить, что под действием газовоздушной среды (аэрозоль серной кислоты 0,001-0,045 мг/л, сернистый газ 0,001-0,015, сероводород 0,001- 0,08, сероуглерод 0,02- 0,1 мг/л) наблюдаются два вида разрушения железобетонных конструкций. Первый связан с коррозией арматуры и отколами защитного слоя под давлением продуктов коррозии, второй происходит при периодическом увлажнении поверхности конструкций конденсатом и связан с коррозией бетона защитного слоя с последующей интенсивной коррозией арматуры.
Вышеназванные факторы, влияющие на долговечность бетона, могут усугубляться воздействием нефтепродуктов. Г.М.Арский и Н.И.Рындин [38] при натурных исследованиях отмечали, что прочность на сжатие образцов промасленного бетона, выпиленного из перекрытия, составляет около 50% от прочности бетона непромасленных участков, а прочность сцепления арматуры с бетоном оказалась на 30% ниже. А.Ф.Северов и А.С.Трусов [39] при обследовании конструкций, пораженных маслами, установили, что прочность бетона данных конструкций после 36 лет эксплуатации достигает 40.. .50%.
Огневое воздействие на железобетонные конструкции
Обследование зданий после пожаров показывает, что железобетонные конструкции имеют различную степень повреждения от огневого воздействия. В условиях пожара их поверхности нагреваются до высоких температур. При огневом воздействии и после него (вследствие тепловой инерции) происходит неравномерный прогрев сечений. Перепад температур между обогреваемой и необогреваемой поверхностями (или центром сечений элементов) находится в пределах 800 - 1000С. При этом изменяются физико-механические свойства бетона и арматурной стали, возникают температурные напряжения, уменьшается работоспособное сечение элемента вследствие прогрева поверхностных слоев до критических температур [8].
Свойства бетона и железобетона при воздействии высоких температур определяются поведением их составляющих: заполнителя, цементного камня и стальной арматуры.
Заполнители при небольшом нагреве снижают первоначальные напряжения, и прочность их на сжатие возрастает. При повышении температуры (более 200 С) происходят структурные изменения некоторых минералов. При t = 800С и более из-за температурных деформаций появляются трещины и прочность заполнителя снижается. Температурные деформации заполнителей при нагреве до 1000С значительно отличаются от деформаций цементного камня [34].
Цементный камень при нагреве до 150С повышает прочность в результате процесса самозапарки. При этом пары воды способствуют дополнительной гидратации минералов цемента. При нагреве до 200 - 300С прочность на сжатие возрастает из-за уплотнения структуры цементного камня.
При нагреве выше 300С происходит усадка и нарушение структуры последнего. Усадка цементного камня вызывает внутренние напряжения и образование трещин, вследствие чего его прочность начинает уменьшаться. При нагреве выше 900С происходят значительные нарушения структуры и снижение прочности камня вследствие диссоциации углекислого кальция и увеличения минералов в объёме [34].
Таким образом, поведение бетона при нагреве определяется изменением его составляющих (заполнителя и цементного камня), различием их тем-пературных деформаций и другими факторами. Повышение температуры до 100-150С способствует стабилизации и некоторому повышению прочности бетона. При t = 200С из бетона удаляется химически и физически связанная вода. Основную массу связанной воды бетон теряет при температуре выше 350 С. Обезвоживание бетона сопровождается его усадкой, возникновением температурных напряжений и трещин в местах соединения цементного камня и заполнителя. Вследствие этого бетон увеличивает деформации ползучести и снижает прочность и модуль упругости. При температуре 520-580С (когда происходит интенсивная дегидратация минералов цементного камня и нарушение структуры вследствие вторичного гашения окиси кальция) прочность бетона снижается. Значительное снижение прочностных и деформативных свойств бетона происходит в интервале температур 600-650С, снижение которых объясняют распадом гидроокиси кальция цементного камня [35].
После охлаждения, бетон, нагретый выше 500С, уже не восстанавливает свои прочностные и деформативные свойства, т.к. структура бетона нарушается вследствие гашения свободной окиси кальция влагой воздуха со значительным увеличением объёма. Прочность охлаждённого бетона по истечении 30 суток снижается дополнительно на 10 % [11]. Также с возрастанием температуры нагрева изменяются прочностные характеристики арматурных сталей, снижается их модуль упругости, увеличиваются температурные деформации, ползучесть и релаксация напряжений [8]. Огневое воздействие значительно влияет и на совместную работу арматуры и бетона. При высоких температурах нагрева уменьшается прочность сцепления арматуры с бетоном, уменьшается величина предварительного напряжения арматуры [35,36]. Огнестойкость здания в целом зависит и от общей работы конструкций при пожаре, т.к. во время пожара линейные температурные деформации и прогибы элементов оказывают существенное влияние на работу конструкций, связанных между собой. Объектом исследования выбрано сооружение - этажерка под оборудование, которая находится на установке сернокислотного алкилирования 25-4/2 ОАО «НОВОИЛ» (рис.1 прил.2). Этажерка построена в 1959г. и представляет собой двухэтажное каркасно-рамное сооружение, выполненное из монолитного железобетона. Она состоит из колонн, главных и вспомогательных балок, а также плит перекрытия. Габаритные размеры сооружения в плане составляют 32,0 х 9,0 м. Перекрытие первого этажа располагается на отм. +4.000м., второго - на отм. + 10.000м. (рис.3 прил.2). Проектная приз-менная прочность бетона конструкций RB= 110 кг/см , что соответствует бетону класса В20 [16]. Арматура выполнена из стали Ст-3. Общий внешний вид этажерки, а также ее отдельных элементов представлены на фото 5 (прил. 3).
Фактические прочностные свойства материалов несущих конструкций
В ходе визуального осмотра отклонений от проектных решений в конструктивном исполнении не обнаружено. Однако выявлены некоторые дефекты строительства: несоосность, а также отклонение ряда колонн от вертикали.
Обнаруженные повреждения конструкций этажерки носят эксплуатационный характер. В зависимости от степени поврежденности техническое состояние конструкций при визуальном обследовании оценивалось по 5-бальной системе. Результаты оценки технического состояния по внешним признакам повреждений зафиксированы в виде карты дефектов (рис. 4-7, прил.2). Наиболее поврежденными оказались конструкции перекрытия -плиты и балки (фото 6-11, прил.З). Осмотр сколов бетона позволил сделать вывод о том, что в процессе эксплуатации произошла карбонизация бетона, а именно - его структура приобрела характер и типовую окраску известняковых пород. Установлено, что в «работоспособном» состоянии находятся всего 23 % плит. Обнаруженные в них повреждения, а именно разрыхление и выкрошиваение бетона, незначительны и носят локальный характер. Более половины всех плит (76 %) характеризуются «ограничено-работоспособным» состоянием и имеют повреждения, не грозящие в момент осмотра опасностью разрушения, но с развитием могут перейти в «аварийное» состояние. Из них 56 %, соответствующие оценке «3», имеют многочисленные нарушения защитного слоя, локальные трещины. В 20 % плит этой же категории состояния, соответствующих оценке «4», установлено наличие коррозионных процессов в арматуре, которые выражаются как в пятнах ржавчины, так и непосредственном оголении и коррозии арматуры. Интенсивной коррозии бетона плит этой группы способствовало и его вымораживание, о чем свидетельствует потемнение его поверхности. Кроме этого, в ряде случае имеет место промасливание плит нефтепродуктами. В отдельных плитах имеются сквозные разрушения в местах прежней прокладки труб. Бетон и арматура в этих проемах значительно подверглись коррозии. В нескольких плитах обнаружены повреждения, позволяющие отнести их к категории состояния «неработоспособное», а именно — массовое обнажение и коррозия арматуры. Подобные повреждения обнаружены и у балок перекрытий. 70 % главных и 56 % второстепенных балок характеризуются состоянием «ограничено-работоспособное». Следует отметить, что в отличие от плит разрушение бетона и обнажение арматуры в балках происходит в ребрах. Колонны подверглись коррозии в меньшей степени (фото 6, 12,13 прил.З). Наиболее уязвимыми оказались стыки колонн между собой. Здесь повсеместно наблюдается выкрашивание бетона защитного слоя, обнажение и коррозия рабочей арматуры. В некоторых колоннах имеются значительные по длине вертикальные трещины. Появление последних, вызвано коррозией арматуры и, следовательно, нарушением ее сцепления с бетоном. У большинства колонн наблюдается шелушение бетона, в ряде случаев с обнажением рабочей арматуры. На отдельных колоннах имеется ранее установленное усиление обоймой из металлических уголков. Усиление выполнено без защитного покрытия, поэтому также подвернуто коррозии. Визуальный осмотр показал, что техническое состояние конструкций зависит от вида и места их расположения. Так под перекрытием, влажность и концентрация агрессивных веществ выше, чем на нижних отметках этажей. При этом конструкции перекрытия работают на изгиб, что сопровождается возможностью образования и раскрытия трещин в бетоне. Трещины способствуют прониканию влаги и агрессивных реагентов, вызывающих коррозию арматуры. Кроме того, плиты перекрытия, являясь тонкостенными конструкциями, имеют наименьшую толщину защитного слоя. Среднюю поврежденность каждой группы элементов производили по формуле (2.1). При оценке общей поврежденности сооружения по формуле (2.2), учитывалась наиболее поврежденная конструкция, так как авария сооружений обычно происходит из-за наличия критического дефекта в отдельно взятой конструкции. Результаты расчетов приведены в табл. 3.2. Согласно результатам оценки технического состояния по внешним признакам, 30...40% всех конструкций находятся в «работоспособном» состоянии. Состояние остальных конструкций характеризуется от «ограниченно-работоспособного» до «неработоспособного». Таким образом, общее состояние обследуемой этажерки можно характеризовать как «ограничено работоспособное», т.е. имеются повреждения, снижающие несущую способность конструкций, но отсутствует опасность внезапного разрушения. Однако при дальнейшем их развитии или в случае аварийной ситуации могут стать причиной разрушения [100]. Функционирование конструкций возможно при контроле ее состояния и условий эксплуатации [101].
Анализ влияния эксплуатационной среды на надежность конструкций
По данным табл. 4.3 построены зависимости категорий технического состояния и коэффициента надежности от степени влияния среды. Как видно из рис.3, влияние агрессивной среды в большей степени отразилось на плитах перекрытия и балках. Это подтверждает тот факт, что конструкции перекрытия находятся в более тяжелых условиях эксплуатации по сравнению с колоннами. Концентрация газов и содержание влаги под перекрытием выше, чем на средних и нижних отметках этажей. Сравнение графиков конструкций перекрытия показывает, что снижение несущей способности у плит происходит интенсивней, чем у балок. Это связано с тем, что перекрытия являются тонкостенными конструкциями и имеют небольшую толщину защитного слоя.
Тот факт, что 0 1, говорит о том, что фактическая несущая способность конструкций оказалась ниже расчетной. Тем не менее, отдельные конструкции сохраняют работоспособное состояние, т.е. для них выполняется условие надежности: фактическая несущая способность больше требуемой по нагрузке. При этом имеется резерв несущей способности при ее снижении в среднем на 8% для колонн и 18 % для балок и плит. Предельное состояние для этой группы конструкций будет достигнуто при 0 =1,11 и 0=1,25 соответственно. Однако для 60% конструкций условие надежности не выполняется, т.е. их состояние близко или достигнуто предельного.
При этом потеря прочности составляет в среднем 17% для колонн и 35% для конструкций перекрытия. Из этого следует, что сохранение работоспособного состояния всех конструкций было бы возможно при изначальном повышении несущей способности на 9% и 17% соответственно. Коэффициент надежности rji при одинаковом техническом состоянии наиболее израсходован также у плит перекрытий (рис.4). Значение коэффициента меньше единицы, указывает на то, что обеспечиваемый им запас полностью исчерпан на более ранней стадии. При всем при этом, имеется некоторый резерв, обеспечивающий работоспособное состояние при снижении коэффициента надежности на 7% для колонн и 15% для плит и балок. Последующее его снижение ведет к переходу конструкций в Категории состояния Зависимость коэффициента надежности от агрессивности среды (рис.5) показывает, что понижение его до 15% одинаково отражается на несущей способности конструкций независимо от их типа. При его дальнейшем снижении несущая способность у балок и плит перекрытия исчерпывается интенсивней, чем у колонн. Достижение необходимого запаса несущей способности в 9% для колонн и 17% для конструкций перекрытия обеспечивается увеличением коэффициента надежности на 7% и 11% соответственно. Рассмотренный выше коэффициент надежности затронул две стороны безопасности: одна из них связана с условиями работы, другая с длительностью эксплуатации. Отсутствие данных по износу конструкций за предыдущий период не позволяет трактовать его как коэффициент, учитывающий фактор времени. Несмотря на то, что связь его со степенью влияния среды очевидна. В связи с этим, приведенный коэффициент надежности по своей идеологии более всего соответствует коэффициенту условий работы. Проведенный анализ влияния эксплуатационной среды на надежность конструкций показал, что резерв надежности конструкций зависит не только от степени агрессивности среды, а также от их типа и расположения. В нормативных документах коэффициенты не учитывают эти факторы. В связи с этим целесообразно было бы дифференцировать коэффициент условия работы в зависимости от типа конструкций и срока эксплуатации. В частности, при проектировании этажерок, эксплуатируемых в слабоагрессивной среде более 40 лет, предлагается повысить коэффициент условия работы на 9% для колонн и 17% для конструкций перекрытия. 1. Проведена оценка фактической надежности функционирования железобетонной этажерки под оборудование при сверхнормативной эксплуатации в слабоагрессивной среде. 2. Показано, что одним из факторов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию оборудования, является надежность сооружений технологических установок. Аварийное состояние конструкций таких сооружений может послужить причиной вторичной аварии. Выявлены повреждения, характерные для сооружений НПЗ, а также установлены факторы, снижающие их эксплуатационную надежность. 3. Разработанная методика апробирована при проведении экспертизы безопасной эксплуатации ряда сооружений ОАО «НОВОИЛ». 4. Обследование этажерки под оборудование на установке сернокислотного алкилирования 25-4/2 ОАО «НОВОИЛ» позволило установить, что ее техническое состояние можно характеризовать как «ограниченно-работоспособное». Определены конструктивные элементы, снижающие общий уровень надежности. Установлено, что отклонения по толщине защитного слоя бетона снижают предел огнестойкости конструкций. 5. Определена фактическая долговечность конструкций этажерки по признаку сохранности арматуры. Установлено, что для продления срока службы на 20 лет, более 50 % конструкций требуется восстановление защитного слоя бетона. Однако, с учетом недостаточной стойкости бетона в данных условиях, оптимальным является устройство защитных покрытий для всех конструкций. 6. Анализ влияния эксплуатационной среды показал, что элементы сооружений имеют различные характеристики надежности. В связи с этим, предложено дифференцировать коэффициент условий работы в зависимости от типа конструкций и срока эксплуатации. 7. Определены количественные показатели степени снижения несущей способности конструкций, эксплуатируемых в слабоагрессивных средах, по категориям технического состояния. Сохранение работоспособного состояния при сверхнормативной эксплуатации возможно при изначальном повышении несущей способности на 9% для колонн и 17% для конструкций перекрытия. Достижение необходимого запаса несущей способности введением коэффициента условий работы (г) 0,07 и 0,11 соответственно. 8. Результаты проведенных исследований внедрены при разработке проекта и проведении капитального ремонта конструкций этажерки на установке сернокислотного алкилирования 25-4/2 ОАО «НОВОЙЛ».
