Влияние масла на прочность бетона фундаментов под энергетическое оборудование

Козлов А. Б., Пермякова В. В., кандидаты техн. наук ОАО “ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева”
Обследование фундаментов под турбоагрегаты [1, 2] и вспомогательного оборудования, находящихся в длительной эксплуатации, показывает, что основными причинами снижения надежной работы этих сооружений, наряду с дефектами строительного периода, являются нарушения условий эксплуатации оборудования, связанные с попаданием смазочных масел на бетон строительных конструкций, превышением температуры окружающей среды сверх нормативного значения, повышенными вибрациями и нагрузками, вызванными главным образом неудовлетворительным расширением турбины.
Железобетонные конструкции фундаментов турбоагрегатов, испытывающие воздействие нефтепродуктов в процессе эксплуатации, по сравнению с аналогичными сооружениями, расположенными на других промышленных объектах, находятся в менее благоприятных условиях. Это объясняется тремя причинами:
элементы фундаментов пропитываются, как правило, наиболее агрессивным отработанным маслом в течение длительного периода времени;
большинство указанных конструкций находится в зоне повышенной температуры, значение которой иногда превышает 100°С и при пусках-остановах может меняться в больших пределах;
все элементы фундаментов при работе турбоустановок подвергаются вибрациям, способствующим периодическому раскрытию трещин.
Снижение прочности бетона под воздействием нефтепродуктов происходит вследствие ослабления контактов между цементным камнем и заполнителями. Содержащиеся в отработанных маслах высокомолекулярные смолы придают нефтепродуктам способность легко проникать в мельчайшие поры и трещины. В микропорах и микротрещинах бетона молекулы смол создают расклинивающие напряжения, снижающие прочность бетона. Таким образом, чем больше пористость бетона и больше в нем микродефектов, тем быстрее идет его пропитка и тем больше снижается несущая способность элементов фундамента. Кроме этого, отработанное масло содержит в своем составе кислоты, которые, вступая во взаимодействие с цементным камнем, способствуют его разрушению.
Во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева были проведены опыты с бетонными образцами, которые после набора прочности в течение 1 года были помещены в ванны, заполненные отработанным турбинным маслом.
По истечении 1 года пребывания в масле образцы имели непромасленное ядро светло-серого цвета и 10 - 12-миллиметровый темный, насыщенный маслом, наружный слой. По истечении 2 лет промасливания ядро составило около 50% площади поперечного сечения образцов и около 50% - насыщенный маслом наружный слой.

Результаты испытаний показали, что при действии сжимающей нагрузки промасленный бетон, по сравнению с непромасленным, имеет меньшую деформативность в направлении действия усилий и большие поперечные деформации. При действии растягивающей нагрузки продольные деформации у промасленного бетона больше.
В течение 3,5 лет пребывания образцов в масле при действии сжимающей нагрузки после 1 года насыщения маслом прочность снизилась на 7%, а после 3,5 лет - на 20%.
Таким образом, проведенные эксперименты показали, что прочность бетона, подверженного воздействию масла, ниже, чем у непромасленного бетона, и эта разница увеличивается с увеличением длительности промасливания.
Другие исследования [3] показали, что процесс разрушения бетона ускоряется с повышением температуры и количество масла, поглощаемого бетонными образцами при одноразовом скачкообразном нагревании до температуры 200°С и последующем охлаждении, способствует такой же пропитке бетона, какая имеет место при пребывании бетона в течение 1 года в нормальных условиях. Потеря прочности в этом случае составляет 12 - 15%, так как при скачкообразном повышении и снижении температуры происходит дополнительный подсос масла.
В реальных условиях железобетонные элементы фундаментов турбоагрегатов нагреваются до температуры 100°С и более. Так, на элементах фундамента под турбоагрегат К-300 блока № 3 Ириклинской ГРЭС в районе цилиндра высокого давления была зафиксирована температура 98°С, а на фундаменте турбоагрегата ГТ-100 блока № 2 Ивановской ГРЭС в районе выхлопа - 120°С.
Промасливание бетона происходит в наиболее ответственных зонах сооружения. Насыщение маслом бетона, расположенного под подшипниками генераторов и турбин, приводит к нарушению сцепления бетона с закладными плитами, что сказывается на вибрационных характеристиках фундаментов под машины и может привести к аварийному состоянию.
Такое явление имело место на первом ригеле блока № 3 Ириклинской ГРЭС, где была нарушена связь закладной плиты подшипниковой опоры с бетоном ригеля.
Насыщение маслом бетона в узловых соединениях фундаментов турбоагрегатов снижает жесткость узлов и увеличивает податливость поперечных ригелей фундаментных рам, следствием чего является закручивание ригелей и нарушение нормальной работы турбоагрегата.
Повышенные вибрации турбоустановки в сочетании с большими статическими нагрузками вызывают увеличение раскрытия трещин в железобетонных элементах, главным образом, в поперечных ригелях фундаментов. Величины таких трещин часто превышают регламентированное [4] значение 0,3 мм. Так, например, на фундаменте энергоблока № 14 Сургутской ГРЭС-1 размахи колебаний достигали 45 мкм, а угловые деформации поперечного ригеля Р2 в зоне ЦВД - 2,5 мм/м (при норме 0,2 - 0,4 мм/м). Это привело к образованию трещин с шириной раскрытия до 0,5 мм.
Ухудшение вибрационного состояния конструкций монолитных фундаментов под вспомогательное оборудование, вследствие разуплотнения бетона под воздействием нефтепродуктов, также отрицательно сказывается на работе этих установок.
Проведенное ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева обследование фундаментов под турбоагрегаты тепловых электростанций [1, 2] показало, что почти на всех энергоблоках железобетонные конструкции, расположенные в зоне установки подшипников турбины и подшипников генератора, подвержены промасливанию. При длительном обильном промасливании в условиях воздействия динамических нагрузок и повышенной температуры, изменяющейся в больших диапазонах, железобетонные элементы фундаментов частично или полностью выходят из строя.
В таблице представлены результаты исследований влияния отработанного масла на состояние бетона фундаментов ТЭС.
Из таблицы видно, что на фундаменте турбоагрегата энергоблока № 4 Кировской ТЭЦ-5 потеря прочности бетона вследствие попадания на него масла уже через 8 лет составила 8%. При этом следует заметить, что бетон этой конструкции был хорошо провибрирован и относился к классу по прочности на сжатие В20.
На энергоблоке № 6 Кировской ТЭЦ-3, вследствие насыщения бетона маслом и снижения его прочности, образовалась продольная трещина в подгенераторной балке, вызвавшая недопустимо высокую вибрацию подшипниковой опоры генератора. Ремонтные работы, выполненные по рекомендациям ВНИИГ, включали замену подгенераторной балки.
За 15 лет эксплуатации энергоблока № 3 Ириклинской ГРЭС прочность бетона промасленной зоны ригелей в подгенераторной части фундамента турбоагрегата заметно снизилась и стала меньше проектной.
На Сургутской ГРЭС-1 за 18-летний период эксплуатации фундамента промасленный бетон снизил свою прочность на 19 - 36%.
На Северодвинской ТЭЦ-2 был обследован фундамент турбоагрегата энергоблока № 1, а также фундаменты под питательные насосы. Промасленный бетон за 17-летний период эксплуатации снизил прочность на 15 - 45%.
На Костромской ГРЭС за 20 лет эксплуатации энергоблока № 8 сильно промаслился бетон на ригелях первой и второй поперечных рам фундамента в зоне установки цилиндра высокого давления. Прочность промасленного бетона на 15 - 20% была ниже проектной и на 30% ниже прочности бетона, не подверженного попаданию на него масла.
На энергоблоке № 6 Светлогорской ТЭЦ масло пропитало со всех сторон бетон ригелей поперечных рам фундамента под турбиной. В результате этого прочность бетона, насыщенного маслом, составила 9,5 - 20,0 МПа. За 29-летний период воздействия масла на бетон этих элементов фундамента прочность бетона снизилась на 30 - 50% и он превратился в дестругированную массу, а сами ригели рам оказались непригодными для дальнейшей эксплуатации.
Сильное промасливание бетона в подгенера- торной зоне и под подшипниками турбины было зарегистрировано на фундаменте турбоагрегата № 4 Курской ТЭЦ-1, находящемся в эксплуатации более 34 лет. Проникновение отработанного масла в бетон элементов фундамента значительно ухудшило их состояние и понизило прочность бетона, которая составила 8,0 - 15,0 МПа, что в среднем на 22% ниже проектной и на 42% меньше прочности непромасленных зон фундамента. Исследования проводились во время проведения на фундаменте ремонтных работ по замене оборудования. На конструкциях под генератором, на боковой грани по всей высоте ригеля был снят поверхностный слой бетона глубиной 120 мм и было обнаружено, что масло проникло на еще большую глубину. Для обеспечения надежного сцепления нового бетона со старым рекомендовано увеличить слой удаляемого бетона.
На Уруссинской ГРЭС (фундамент турбоагрегата № 6) за 36-летний период эксплуатации в некоторых зонах бетон промаслился до такой степени, что прочность его стала ниже проектной.

Большое снижение прочности бетона вследствие проникновения в него масла наблюдалось на энергоблоках № 1 и № 2 Черепетской ГРЭС, эксплуатируемой в течение 40 лет. Проведенные исследования показали, что в большинстве конструкций фундаментов турбоагрегатов бетон сохранил плотную ненарушенную структуру и там, где он подвергся воздействию отработанного масла, его прочность была ниже проектной. При обильном постоянном промасливании отдельных зон фундамента под опорами турбины и в узловых соединениях прочность бетона понизилась на 34 - 39% по сравнению с непромасленными участками. При этом бетон превратился в мокрую рассыпчатую массу, утратив связь между цементным камнем и заполнителями.
На энергоблоках № 1 и № 2 Безымянской ТЭЦ, находящихся в эксплуатации более 50 лет, сильное промасливание бетона отмечено под первым, вторым и третьим подшипниками, на боковых гранях фундаментов турбоагрегатов, а также в торце со стороны турбины. Если средняя прочность бетона этих фундаментов составила 18 МПа, то прочность промасленного бетона находилась в пределах от 5,4 до 9,8 МПа, т.е. на 30 - 35% меньше.
На Кировской ТЭЦ-3 в подгенераторной зоне фундамента турбоагрегата блока № 6 за 38-летний период эксплуатации энергоблока прочность бетона за счет попадания на него масла снизилась и стала меньше проектной.
Снижение прочности бетона, вызванное насыщением его нефтепродуктами, имело место на фундаментах под турбоагрегаты Киришской ГРЭС (энергоблок № 3), Северодвинской ТЭЦ-2 (энергоблок № 3), Сырдарьинской ГРЭС (энергоблоки № 6 и № 7), Алма-Атинской ТЭЦ-1 (энергоблок № 10) и ряде других электростанций.
Проведенное обследование фундаментов под тягодутьевые установки на Ижевской теплоцентрали № 1 показало, что в отдельных зонах сооружений бетон из-за насыщения маслом претерпел деструктивные изменения, снизил свою прочность и местами утратил связь между растворной частью и заполнителями. Так, на фундаменте под вентилятор котла № 2 прочность промасленного бетона составила 2,0 - 3,0 МПа вместо 14,0 МПа на ненасыщенных маслом участках. Из-за проникновения масла в бетон фундаментов под дымосос котла № 7 прочность бетона снизилась с 10 - 16,0 до 8,4 МПа.

К сожалению, не существует способов, позволяющих увеличить прочность пропитанного маслом бетона и создать нормальное сцепление между промасленным бетоном и металлоконструкциями. Приходится при проведении ремонтных работ полностью удалять бетон с поврежденных участков конструкции. Поэтому большое значение приобретают мероприятия, предохраняющие железобетонные конструкции от попадания на них масла. Прежде всего, необходимо предпринять меры для предотвращения утечки масла. Эффективной защитой является применение лакокрасочных, мастичных, пленочных и других покрытий, стойких к среде нефтепродуктов. Возможна частичная облицовка поверхности конструкций металлическим листом.

Выводы

1. Повышенные температуры, постоянно действующие динамические и неучтенные проектом статические нагрузки способствуют проникновению в бетон фундаментов турбоагрегатов отработанного масла и нарушают сцепление между бетоном и арматурой, а также бетоном и закладными деталями машины.
2. Длительная пропитка маслом бетона фундаментов под энергетическое оборудование приводит к заметному снижению его прочности, а в отдельных случаях к полному разрушению, влекущему останов энергоблока.
3. В местах возможного попадания масла на поверхность железобетонных конструкций необходимо проведение мероприятий по защите бетона от его вредного воздействия.
4. Для своевременной оценки состояния фундаментов под энергетическим оборудованием следует проводить комплексные статические и динамические обследования фундаментов, по результатам которых могут быть выданы рекомендации по нормализации их работы и предотвращению аварийных остановов оборудования.

Список литературы

1. Козлов А. Б., Пермякова В. В. Опыт натурных исследований фундаментов мощных турбоагрегатов. - Электрические станции, 1996, № 6.
2. Козлов А. Б., Пермякова В. В. Результаты обследования и ремонта фундаментов турбоагрегатов электрических станций. - Электрические станции, 1999, № 4.
3. Шелегов В. Г., Малекин В. Ф. Влияние нагревания на прочность тяжелого бетона, пропитанного маслом. - Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1991, № 9.
4. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.