Способ определения остаточного ресурса железобетонных дымовых и вентиляционных промышленных труб

Изобретение относится к области промышленного строительства, а именно к технологии проведения обследования технического состояния промышленных железобетонных дымовых и вентиляционных труб. Технический результат: определение остаточного ресурса промышленных железобетонных дымовых и вентиляционных труб. Способ определения остаточного ресурса железобетонных дымовых или вентиляционных промышленных труб включает замер в процессе обследования трубы в ее расчетных сечениях величин параметров, изменяемых в процессе эксплуатации трубы и влияющих на степень ее безопасной эксплуатации, определение с их использованием значений критериев, характеризующих степень безопасной эксплуатации трубы, сравнение вычисленных значений критериев с их предельными значениями и последующее определение с использованием полученных и предельных значений критериев числа лет эксплуатации трубы остаточного ресурса трубы. В процессе обследования отбирают пробу материала теплозащитного слоя и определяют марку материала теплозащитного слоя, а по марке - значение величины теплопроводности, предельную величину растягивающего напряжения для вертикальной арматуры [R_S], в качестве изменяемых в процессе эксплуатации трубы и влияющих на степень ее безопасной эксплуатации замеряют величины параметров - толщину бетона δ_b и толщину теплозащитного слоя δ_t, диаметр d_S вертикальной арматуры, предельное напряжение [R_b] бетона на сжатие и величину крена ствола, затем для каждого года последующей после обследования эксплуатации трубы с использованием замеряемых и проектных значений толщины бетона δ_bp, теплозащитного слоя δ_tp, диаметра d_sp вертикальной арматуры и предельного напряжения [R_bp] бетона на сжатие определяют соответствующие прогнозируемые значения толщины бетона δ_bV, толщины теплозащитного слоя δ_tV, диаметра d_SV вертикальной арматуры и предельного напряжения [R_bV] в качестве критериев, характеризующих степень безопасной эксплуатации трубы, с использованием прогнозируемых значений изменяемых параметров и с учетом замеренного крена ствола и нагрева бетона, определенного с использованием, в том числе теплопроводности теплозащитного слоя, определяют максимальные величины напряжений - сжимающих σ_bVΣ в бетоне и растягивающих σ_SV в вертикальной арматуре, в качестве предельных значений параметров определяют - для бетона прогнозируемое предельное напряжение сжатия [R_bV], при этом величины критериев определяют для каждого года последующей после обследования эксплуатации трубы, а остаточный ресурс определяют как минимальное количество лет последующей после обследования эксплуатации трубы, для которого значения критериев безопасной эксплуатации не меньше их соответствующих предельных значений, соответственно - σ_bVΣ<[R_bV] и σ_SV<[R_S]. 5 з.п. ф-лы, 16 ил.

 

Изобретение относится к области промышленного строительства, а именно к технологии проведения обследования технического состояния железобетонных дымовых и вентиляционных промышленных труб (далее по тексту - дымовых труб).

Актуальность разработки способа по определению остаточного ресурса железобетонных дымовых и вентиляционных промышленных труб очевидна по той причине, что большее их количество из эксплуатируемых в России (более чем 190 тыс. дымовых и вентиляционных труб), во-первых, установлено на опасных производственных объектах и, во-вторых, основная масса этих дымовых труб практически выработала свой ресурс и находится по терминологии [1] «в ограниченно работоспособном состоянии».

За последние же годы (после 1991 г.) построено и введено в эксплуатацию не более 20 дымовых труб высотой более 100 м.

Большинство дымовых труб построено в эпоху плановой экономики России. Переход плановой экономики России на рыночную экономику и распад экономических связей привел к снижению промышленных тепловых нагрузок в большинстве регионов России. Это в свою очередь привело к изменению режима эксплуатации дымовых труб.

Кроме того, анализ результатов обследований дымовых труб показал, что эксплуатация дымовых труб проходит с нарушением практически всех пунктов обеспечения срока эксплуатации, назначенной проектной организацией. Так теплоизоляция из минераловатных плит, примененная на кирпичных или железобетонных дымовых трубах, по истечении 10 лет полностью исчезает. Принудительная вентиляция практически не работает ни на одной дымовой трубе, где она запланирована. Крен ствола дымовой трубы превышает предельную величину. На это накладываются дефекты строительства, например, плохо провибрированный бетон в местах соединения секций железобетонной дымовой трубы. Нарушена толщина защитного слоя бетона. Ремонты проводятся несвоевременно и т.д.

В связи с этим срок эксплуатации, установленный проектными организациями, должен быть пересмотрен с учетом фактического состояния параметров дымовой трубы.

Актуальность этой проблемы подтверждается еще и тем, что «Ростехнадзор» ставит вопрос об обоснованном принятии решения по безопасной эксплуатации дымовых труб, выработавших свой ресурс, и им разработаны нормативные документы [2, 3], регламентирующие мероприятия по исключению аварий на объектах.

Под остаточным ресурсом железобетонных дымовых и вентиляционных промышленных труб будем понимать минимальное количество лет последующей после обследования эксплуатации трубы, когда значения критериев безопасной эксплуатации не меньше их соответствующих предельных значений, соответственно - σ_bVΣ<[R_bV] и σ_SV<[R_S],

где σ_bVΣ - максимальное расчетное напряжение сжатия в бетоне на участке ствола определяют с учетом фактических параметров железобетонного ствола дымовой трубы и ее условий эксплуатации, установленных при обследовании; [R_bV]=γ_b2γ_b3γ_b6γ_b9γ_btR_b - предельное напряжение сжатия бетона ствола; γ_b2, γ_b3, γ_b6, γ_b9 - коэффициенты условий работы СНиП 2.03.04-84 [6]; γ_bt - принимают по табл.10 СНиП 2.03.04-84 [6] в зависимости от температуры наиболее нагретой поверхности стенки ствола трубы при длительном нагреве; R_b - расчетное сопротивление бетона на сжатие определяют по классу прочности бетона на сжатие;

σ_S - максимальное расчетное напряжение в вертикальной арматуре на участке ствола трубы определяют с учетом фактических параметров железобетонного ствола промышленной трубы и ее условий эксплуатации, установленных при обследовании; [R_S]=0,85γ_StR_S - предельное напряжение растяжению вертикальной арматуры; γ_St - принимают по табл.20 СНиП 2.03.04-84 в зависимости от температуры арматуры; R_S - расчетное сопротивление арматуры при растяжении.

Остаточный ресурс железобетонных дымовых и вентиляционных труб будем определять по критерию достаточной прочности ствола, при этом необходимо знать скорость коррозии бетона и арматуры, кроме того, необходимо определение фактической прочности бетона и скорости их снижения. Также необходимо определение фактических размеров повреждений - щелей и скорости разрушения теплозащитного слоя (ТЗС), выполненного, например, из минераловатных плит.

При осуществлении предлагаемого способа необходимо для дымовой трубы провести экспертизу промышленной безопасности с обязательным выбуриванием проб бетона и последующим определением всех необходимых параметров.

Способ определения остаточного ресурса промышленных железобетонных дымовых или вентиляционных труб, включающий замер в процессе обследования трубы в ее расчетных сечениях величин параметров, изменяемых в процессе эксплуатации трубы и влияющих на степень ее безопасной эксплуатации, определения с их использованием значений критериев, характеризующих степень безопасной эксплуатации трубы, сравнения вычисленных значений критериев с их предельными значениями и последующее определение с использованием полученных и предельных значений критериев числа лет эксплуатации трубы остаточного ресурса трубы.

Согласно предлагаемому способу в процессе обследования отбирают пробу материала теплозащитного слоя и определяют марку материала теплозащитного слоя, а по марке - значение величины теплопроводности, предельную величину растягивающего напряжения для вертикальной арматуры [R_S], в качестве изменяемых в процессе эксплуатации трубы и влияющих на степень ее безопасной эксплуатации замеряют величины параметров - толщину бетона δ_b и толщину теплозащитного слоя δ_t, диаметр d_S вертикальной арматуры, предельное напряжение [R_b] бетона на сжатие и величину крена ствола, затем для каждого года последующей после обследования эксплуатации трубы с использованием замеряемых и проектных значений толщины бетона δ_bP, теплозащитного слоя δ_tP, диаметра d_SP вертикальной арматуры и предельного напряжения [R_bP] бетона на сжатие определяют соответствующие прогнозируемые значения толщины бетона δ_bV, толщины теплозащитного слоя δ_tV, диаметра d_SV вертикальной арматуры и предельного напряжения [R_bV], в качестве критериев, характеризующих степень безопасной эксплуатации трубы, с использованием прогнозируемых значений изменяемых параметров и с учетом замеренного крена ствола и нагрева бетона, определенного с использованием, в том числе теплопроводности теплозащитного слоя, определяют максимальные величины напряжений - сжимающих σ_bVΣ в бетоне и растягивающих σ_SV в вертикальной арматуре, в качестве предельных значений параметров определяют - для бетона прогнозируемое предельное напряжение сжатия [R_bV], при этом величины критериев определяют для каждого года последующей после обследования эксплуатации трубы, а остаточный ресурс определяют как минимальное количество лет последующей после обследования эксплуатации трубы, для которого значения критериев безопасной эксплуатации не меньше их соответствующих предельных значений, соответственно - σ_bVΣ<[R_bV] и σ_SV<[R_S].

Прогнозируемые значения толщины бетона δ_bV, теплозащитного слоя δ_tV, диаметр d_SV вертикальной арматуры и предельное напряжение [R_bV] изменяемых в процессе эксплуатации трубы и влияющих на степень ее безопасной эксплуатации параметров определяют по следующим зависимостям δ_bV=δ_b-t·ϑ_b, d_SV=d_S-t·ϑ_S, δ_tV=δ_b-t·θ_t и [R_bV]=[R_b]-t·ϑ_R, где ϑ_b (мм/год), ϑ_S (мм/год) - скорость коррозии соответственно бетона и вертикальной арматуры, θ_t (мм/год) - скорость уменьшения толщины теплозащитного слоя, ϑ_R (кгс/мм²)/год) - скорость снижения предельного напряжения бетона на сжатие.

Скорости коррозии бетона и вертикальной арматуры определяют по выражениям - соответственно ϑ_b=(δ_bP-δ_b)/t и ϑ_S=(d_SP-d_S)/t, скорость уменьшения из-за разрушения толщины теплозащитного слоя по выражению θ_t=(δ_tP-δ_t)/t, а скорость снижения призменной прочности бетона на сжатие - [ϑ_Rb]=([R_bR]-[R_b])/t, где t (годы) - число лет эксплуатации дымовой трубы, отсчитываемое от года ввода трубы в эксплуатацию до года проведения экспертизы.

От осевой сжимающей нагрузки N и изгибающего момента М, определенного с учетом фактического крена ствола, определяют значения сжимающих напряжений σ_bP в бетоне и растягивающих - σ_SP в вертикальной арматуре по проектным параметрам и величин напряжений σ_b и σ_S по замеряемым параметрам, σ_bt - сжимающие напряжения от температурного перепада по толщине бетона при фактической толщине бетона и полностью разрушенном теплозащитном слое, проектное предельное [R_bP] и замеренное предельное [R_b] напряжения бетона на сжатие, а в качестве остаточного ресурса принимают минимальное значение, определенное по следующим выражениям

и

Марку материала теплозащитного слоя определяют на основе химического анализа пробы, полученной при обследовании, а значение величины теплопроводности определяют на основе марки по справочным данным.

Крен ствола определяют путем геодезической съемки и его величину определяют как отклонение фактической оси ствола от вертикали, например, в метрах.

Фиг.1. Табл.1, содержащая общие характеристики дымовой трубы и местности ее расположения, полученные на основании анализа проектной документации на железобетонную дымовую трубу и нормативной документации [2].

Фиг.2. Табл.2, содержащая проектные толщины слоев стенки ствола дымовой трубы и размеры арматуры (δ_S и b_S - диаметр поперечного сечения и шаг установки арматуры в ряду), полученные на основании анализа проектной документации на железобетонную дымовую трубу и нормативной документации [2].

Фиг.3. Табл.3, содержащая наименования слоев ствола дымовой трубы и величины их теплопроводностей λ_k (Вт/(м·град)) и удельных весов d ((кгс/м³).

Фиг.4. Уменьшение термического сопротивления ствола дымовой трубы через 5 и 10 лет эксплуатации без разрушения теплозащитного слоя (ТЗС) и с его разрушением.

Фиг.5. Увеличение перепада температуры в бетоне через 5 и 10 лет эксплуатации при разрушении ТЗС и без разрушения.

Фиг.6. Доля термических напряжений в бетоне в начале и после 5 и 10 лет эксплуатации ДТР.

Фиг.7. Увеличение напряжений в бетоне через 5 и 10 лет после начала эксплуатации при разрушении ТЗС и без его разрушения.

Фиг.8. Увеличение растягивающих напряжений в арматуре через 5 и 10 лет после начала эксплуатации дымовой трубы (ДТР) при разрушении ТЗС и без разрушения.

Фиг.9. Сжимающие напряжения в бетоне через 10 лет эксплуатации ДТР при разрушении ТЗС и без и сравнение с предельными.

Фиг.10. Коэффициенты увеличения напряжений в бетоне и арматуре за счет наличия проемов и щелей (0 и 3 м) в стволе ДТР.

Фиг.11. Процесс разрушения теплозащитного слоя при эксплуатации ДТР в виде графика, на котором приведена зависимость координаты Z сечения ДТР, до которой в данный момент времени существует слой ТЗС при принятой скорости ϑ_t=10 (мм/год) его разрушения,

Фиг.12. Зависимость изменения перепада температуры Δt_b в бетоне от времени t эксплуатации ДТР для трех сечений ствола ДТР.

Фиг.13. Зависимость изменения составляющих σ_b, σ_bt и суммарных σ_bΣ напряжений в бетоне от времени эксплуатации ДТР t (годы) для сечения Z=5(м) ствола ДТР.

Фиг.14. Зависимость изменения суммарных сжимающих напряжений σ_bΣ в бетоне от времени t эксплуатации ДТР для трех сечений ствола ДТР.

Фиг.15. Зависимость изменения растягивающих напряжений σ_S в вертикальной арматуре от времени t эксплуатации ДТР для трех сечений ствола ДТР.

Фиг.16. Результаты аппроксимации суммарных напряжений σ_bΣ.

Способ определения остаточного ресурса железобетонных дымовых и вентиляционных промышленных труб основан на замере в процессе обследования трубы в ее сечениях величин параметров, изменяемых в процессе эксплуатации трубы и влияющих на степень ее безопасной эксплуатации. В качестве изменяемых в процессе эксплуатации дымовой трубы и влияющих на степень ее безопасной эксплуатации замеряют фактические значения параметров - толщины бетона δ_b и толщины теплозащитного слоя δ_t, диаметр d_S вертикальной арматуры, предельное напряжение [R_b] бетона на сжатие и крен ствола,

Также в процессе обследования определяют фактические марки стали вертикальной арматуры и материала теплозащитного слоя, педельную величину растягивающего напряжения для вертикальной арматуры [R_S] и координаты расположения на стволе поперечных трещин и повреждений в бетоне.

Затем для различных периодов последующей эксплуатации трубы с использованием фактических и проектных значений толщины бетона δ_bP, толщины теплозащитного слоя δ_tP, диаметр d_SP вертикальной арматуры и предельное напряжение [R_bP] бетона на сжатие, т.е. изменяемых параметров при эксплуатации, расчетным путем определяют соответствующие прогнозируемые значения толщины бетона δ_bV, толщины теплозащитного слоя δ_tV, диаметр d_SV вертикальной арматуры и предельное напряжение [R_bV] бетона на сжатие.

Прогнозируемые толщины бетона δ_bV и толщины теплозащитного слоя δ_tV, прогнозируемый диаметр d_SV вертикальной арматуры и прогнозируемое предельное напряжение (по результатам замера призменной прочности) [R_bV] бетона на сжатие определяются по выражениям

где ϑ_b (мм/год), ϑ_S (мм/год), ϑ_t (мм/год) и ϑ_R (кгс/мм²)/год) - скорости соответственно коррозии бетона, вертикальной арматуры, уменьшения толщины теплозащитного слоя и снижения предельного напряжения (по результатам измерения призменной прочности) бетона на сжатие.

Скорости соответственно коррозии бетона, вертикальной арматуры, уменьшения из-за разрушения толщины теплозащитного слоя и снижения призменной прочности бетона на сжатие определяют по выражениям

где t (годы)- число лет эксплуатации дымовой трубы, отсчитываемое от года ввода трубы в эксплуатацию до года проведения экспертизы; толщины бетона δ_bP, толщины теплозащитного слоя δ_tP, диаметр d_SP вертикальной арматуры и предельное напряжение [R_bP] - проектные значения параметров.

На основе анализа результатов обследования ряда дымовых труб получены следующие значения скорости коррозии для бетона ϑ_b=2(мм/год), для теплозащитного слоя ϑ_t=10 (мм/год), для вертикальной арматуры ϑ_S=0,05 (мм/год) и скорость понижения предельного напряжения бетона на сжатие ϑ_R=0,001 (кгс/мм²)/год).

В качестве критериев, характеризующих степень безопасной эксплуатации трубы, расчетным путем с использованием прогнозируемых значений изменяемых параметров вычисляют максимальные величины расчетных напряжений - сжимающих σ_bVΣ в бетоне и растягивающих σ_SV в вертикальной арматуре, при этом величины критериев определяют для различных периодов последующей эксплуатации трубы.

Напряжения в бетоне и в вертикальной арматуре определяются по выражениям

где σ_b - сжимающие напряжения в бетоне от осевой сжимающей нагрузки N и изгибающего момента М; χ_b - коэффициент увеличения напряжений в бетоне при наличии в стволе дымовой трубы проемов под газоходы или повреждений (щелей); σ_bt - сжимающие напряжения от температурного перепада по толщине бетона; - растягивающие напряжения в бетоне от осевой сжимающей нагрузки N и изгибающего момента М; σ_b и реализуются на внешней поверхности в плоскости действия изгибающего момента; χ_S - коэффициент увеличения напряжений в арматуре при наличии в стволе дымовой трубы проемов под газоходы или повреждений (щелей).

Из анализа методики расчета напряжений в бетоне и арматуре ЖБ ДТР следует, что величина расчетных напряжений зависит от ряда конструктивных параметров ствола, изменяемых в процессе эксплуатации дымовой трубы. К этим параметрам относятся - толщина бетона и диаметр арматуры, предельное напряжения сжатия (по результатам измерения призменной прочности) для бетона, толщина теплозащитного слоя, размеры поперечных трещин в бетоне или иных повреждений, например, локальные отверстия в бетоне из-за его разрушения и, наконец, крен ствола ДТР. К изменяемым параметрам можно отнести и предельное напряжения сжатия (по результатам измерения призменной прочности) для бетона, от которого зависит величина остаточного ресурса.

В качестве предельных значений параметров определяют - для бетона прогнозируемое предельное напряжение на сжатие [R_Vb], a для вертикальной арматуры используют определенное по марке ее стали предельное напряжение растяжения [R_S].

Остаточный ресурс определяют как минимальное количество лет последующей после обследования эксплуатации трубы, для которого значения критериев безопасной эксплуатации не меньше их соответствующих предельных значений, соответственно -

При назначении по результатам расчетов обоснованной величины остаточного ресурса дымовой трубы необходимо четкое представление о степени влияния изменяемых в процессе эксплуатации конструктивных параметров ДТР на величину напряжений в бетоне (кирпиче) и арматуре, принимаемых согласно предложенной методике в качестве критерия при определении остаточного ресурса.

Представление о степени влияние конструктивных параметров по сечениям Z ствола можно получить, основываясь на результатах расчетов по методике [4], проведенных для типовой ЖБ ДТР высотой 250 м по исходным данным, приведенным в табл.1 - табл.3.

На фиг.1 приведена табл.1, содержащая общие характеристики дымовой трубы и местности ее расположения, полученные на основании анализа проектной документации на железобетонную дымовую трубу и нормативной документации [5-8].

Стенка дымовой трубы изготовлена из бетона марки М300 (класс прочности В22,5) с проектной призменной прочностью на сжатие [R_bP]=1,7 (кгс/мм²) и модулем упругости Е_b=2350 (кгс/мм²).

Арматура состоит из двух рядов (соответственно внешний и наружный ряды), класс прочности стали А-III, нормативное напряжение по пределу текучести σ_0,2=40 (кгс/мм²), расчетное сопротивление равно [R_S]=25 (кгс/мм²).

На фиг.2 приведена табл.2, содержащая проектные толщины слоев стенки ствола дымовой трубы и размеры арматуры (δ_S и b_S - диаметр поперечного сечения и шаг установки арматуры в ряду), полученные на основании анализа проектной документации на железобетонную дымовую трубу и нормативной документации [2].

На фиг.3 приведена табл.3, содержащая наименования слоев ствола дымовой трубы и величины их теплопроводностей λ_k (Вт/(м·град)) и удельных весов d (кгс/м³).

На фиг.4 показано уменьшение суммарного термического сопротивления многослойной стенки ствола при принятых скоростях коррозии бетона и разрушения ТЗС за 5 и 10 лет эксплуатации ДТР. Очевидно, что учет только коррозии бетона незначительно влияет на уменьшение термического сопротивления стенки, основной вклад дает фактор разрушения ТЗС и замещение его воздушным зазором.

На фиг.5 показано увеличение перепада температуры по толщине бетонной стенки ствола при принятых скоростях коррозии бетона и разрушения ТЗС за 5 и 10 лет эксплуатации ДТР.

Уменьшение суммарного термического сопротивления многослойной стенки ствола приводит к увеличению перепада температуры по толщине бетонной стенки ствола.

При учете только коррозии бетона увеличение перепада температуры незначительно и им можно пренебречь, а разрушение ТЗС приводит к значительному увеличению перепада температуры в бетоне, что является негативным фактором, так как приводит к увеличению напряжений в бетоне с учетом того, что термические напряжения дают существенный вклад в суммарные расчетные напряжения.

На фиг.6 показано увеличение доли термических напряжений в суммарных напряжениях в бетоне при принятых скоростях коррозии бетона и разрушения ТЗС за 5 и 10 лет эксплуатации ДТР. Из расчета следует, что доля термических напряжений при разрушении ТЗС существенно возрастает.

На фиг.7 показано увеличение суммарных сжимающих напряжений в бетоне при принятых скоростях коррозии бетона и разрушения ТЗС за 5 и 10 лет эксплуатации ДТР.

Уменьшение толщины ТЗС приводит за счет термических напряжений к существенному увеличению суммарных напряжений в бетоне. При учете только коррозии бетона увеличение суммарных напряжений в бетоне меньше.

На фиг.8 показано увеличение растягивающих напряжений в арматуре при принятых скоростях коррозии бетона и разрушения ТЗС за 5 и 10 лет эксплуатации ДТР.

При учете разрушения ТЗС увеличение напряжений в арматуре несколько превышает увеличение напряжений без учета разрушения ЕЗС, что объясняется тем, что происходит незначительное уменьшение осевой сжимающей силы.

На фиг.9 приведены суммарные сжимающие напряжения в бетоне при принятых скоростях коррозии бетона и разрушения ТЗС за 5 и 10 лет эксплуатации ДТР и предельные напряжения по проекту и по результатам экспертизы промышленной безопасности (ЭПБ) - фактические. Этот пример показывает, что на практике возможна ситуация, когда результаты обследования способствуют обоснованию приемлемой величины остаточного ресурса, так как в нашем примере фактические предельные напряжения для бетона превышают проектные.

На фиг.10 приведены величины коэффициентов увеличения напряжений в бетоне и арматуре при учете проемов и дефектов (щелей).

Существенную долю в суммарных сжимающих напряжениях в бетоне составляют термические напряжения, вызываемые перепадом температуры по толщине бетона, а учитывая, что разрушение теплозащитного слоя и замещение его воздушным зазором приводит к снижению термического сопротивления стенки ствола (более чем в 2 раза) и к существенному увеличения напряжений в бетоне, то фактор разрушения ТЗС является одним из основных, приводящим к уменьшению остаточного ресурса ДТР.

На фиг.11 показан процесс разрушение теплозащитного слоя при эксплуатации ДТР в виде графика, на котором приведена зависимость координаты Z сечения ДТР, до которой в данный момент времени существует слой ТЗС при принятой скорости ϑ_t=10 (мм/год) его разрушения,

Из графика фиг.11 следует, что по истечении 12 лет эксплуатации происходит разрушение ТЗС по всей высоте ствола ДТР.

На фиг.12 для трех сечений ствола ДТР показана зависимость изменения перепада температуры Δt_b в бетоне от времени t эксплуатации ДТР.

Результаты расчетов фиг.12 показывают, что увеличение перепада температуры происходит в течение периода лет, за который, от верхнего торца ДТР до рассматриваемого сечения ствола ДТР происходит разрушение ТЗС. Так, например, для сечения Z=105 (м) ствола ДТР увеличение перепада температуры в бетоне происходит в течении восьми лет, т.е периода эксплуатации ДТР, за который согласно данным фиг.(11) происходит разрушение ТЗС от верхнего торца ДТР до сечения Z=105 (м). В дальнейшем величина перепада начинает уменьшаться, что объясняется уменьшением толщины бетона за счет его коррозии.

На фиг.13 для сечения Z=5 (м) ствола ДТР показана зависимость изменения составляющих σ_b, σ_bt и суммарных σ_bΣ напряжений в бетоне от времени эксплуатации ДТР t (годы).

Результаты расчетов фиг.13 показывают, что в течении всего периода эксплуатации ДТР происходит увеличение сжимающих напряжений σ_b в бетоне от осевой сжимающей нагрузки N и изгибающего момента М. Характер изменения в процессе эксплуатации сжимающих напряжений σ_bt от температурного перепада Δt_b по толщине бетона аналогичен характеру изменения температурного перепада. Увеличение суммарных сжимающих напряжений σ_bΣ в бетоне происходит в течение периода эксплуатации ДТР, за который от верхнего торца ДТР до рассматриваемого сечения ствола ДТР происходит разрушение ТЗС. Так, например, для сечения Z=5 (м) ствола ДТР увеличение суммарных сжимающих напряжений σ_bΣ в бетоне происходит в течении двенадцати лет, т.е периода эксплуатации ДТР, за который согласно данным фиг.(11) происходит разрушение ТЗС от верхнего торца ДТР до сечения Z=5 (м). В дальнейшем рост суммарных сжимающих напряжений σ_bΣ в бетоне прекращается.

На фиг.14 для трех сечений ствола ДТР показана зависимость изменения суммарных сжимающих напряжений σ_bΣ в бетоне от времени t эксплуатации ДТР.

Результаты расчетов фиг.14 показывают, что для некоторых сечений ствола отмечается незначительное уменьшение суммарных сжимающих напряжений σ_bΣ в бетоне, при этом отмечено, что для всех сечений ствола ДТР максимальные величины этих напряжений достигают в момент времени, в который в рассматриваемом завершился процесс разрушении ТЗС.

С учетом анализа результата расчетов напряжений в бетоне остаточный ресурс ДТР по критерию прочности бетона можно оценивать на основе напряжений, рассчитанных при полностью разрушенном ТЗС, сравнивая их с предельными напряжениями с учетом их уменьшения в процессе эксплуатации.

На основе анализа проведенных расчетов можно сделать вывод, что учет коррозии бетона и арматуры приводит к незначительному увеличению сжимающих напряжений в бетоне и растягивающих в арматуре.

Существенную долю в суммарных сжимающих напряжениях в бетоне составляют термические напряжения, вызываемые перепадом температуры по толщине бетона, а учитывая, что разрушение теплозащитного слоя и замещение его воздушным зазором приводит к снижению термического сопротивления стенки ствола (более чем в 2 раза) и к существенному увеличению напряжений в бетоне, то фактор разрушения ТЗС является одним из основных, приводящим к уменьшению остаточного ресурса ДТР.

Вторым существенным фактором, существенно влияющим на остаточный ресурс ДТР, является наличие поперечных трещин и повреждений в бетоне, от размера которых зависят напряжения в бетоне, вызываемые изгибающим моментом и осевой сжимающей силой.

Так как наличие поперечных трещин и повреждений в бетоне приводит к существенному росту напряжений в бетоне, то их наличие приводит к существенному уменьшению остаточного ресурса, поэтому необходимо проведение мероприятий по их устранению.

Далее по вкладу в уменьшение остаточного ресурса являются факторы коррозии бетона, арматуры и увеличения крена ствола.

На фиг.15 для трех сечений ствола ДТР показана зависимость изменения растягивающих напряжений σ_S в вертикальной арматуре от времени t эксплуатации ДТР.

Результаты расчетов фиг.15 показывают, что в течение всего периода эксплуатации железобетонной дымовой трубы происходит увеличение растягивающих напряжений σ_S в вертикальной арматуре.

По истечении времени, равного 0,5…1,0 количеству лет остаточного ресурса, проводят дополнительное обследование трубы с определением значений параметров, далее сравнивают их значения с соответствующим прогнозируемыми значениями параметров, ранее определенными при первом обследовании и на основе их сравнения корректируют величину остаточного ресурса.

С учетом анализа результата расчетов напряжений в бетоне остаточный ресурс ДТР по критерию прочности бетона можно оценивать на основе напряжений, рассчитанных при полностью разрушенном ТЗС, сравнивая их с предельными напряжениями с учетом их уменьшения в процессе эксплуатации.

В этом случае изменение суммарных напряжений σ_bΣ в бетоне от времени эксплуатации ДТР можно аппроксимировать линейной зависимостью.

На фиг.16 показаны результаты аппроксимации суммарных напряжений σ_bΣ в бетоне, при этом составляющие напряжений σ_bt от температурного перепада для каждого сечения для всего периода эксплуатации приняты постоянными и их величина определена при фактической толщине бетона и полностью разрушенном теплозащитном слое, что идет в запас прочности.

Принимая аппроксимацию суммарных напряжений σ_bΣ в бетоне по линейной зависимости, остаточный ресурс ДТР на основе критерия прочности бетона можно определять по зависимости

где σ_bP и σ_b - сжимающие напряжения в бетоне от осевой сжимающей расчетной нагрузки N и расчетного изгибающего момента М, определенные соответственно по проектным и фактическим параметрам; σ_bt - сжимающие напряжения от температурного перепада по толщине бетона, определенные при фактической толщине бетона и полностью разрушенном теплозащитном слое; [R_bP] и [R_b] - проектное и фактическое предельные напряжения бетона на сжатие.

Результаты расчетов фиг.16 показывают, что в течение всего периода эксплуатации ДТР происходит увеличение растягивающих напряжений σ_S в вертикальной арматуре, при этом изменение напряжений в арматуре от времени эксплуатации ДТР происходит практически по линейной зависимости.

Принимая аппроксимацию растягивающих напряжений σ_S в вертикальной арматуре по линейной зависимости, остаточный ресурс ДТР на основе критерия прочности арматуры можно определять по зависимости

где σ_SP и σ_S - растягивающие напряжения σ_S в вертикальной арматуре от осевой сжимающей расчетной нагрузки N и расчетного изгибающего момента М, определенные соответственно по проектным и фактическим параметрам; [R_S] - предельное напряжение для арматуры.

Источники информации

1. Правила безопасности при эксплуатации дымовых и вентиляционных промышленных труб. ПБ. 03-445-02, Госгортехнадзор России, НТЦ «Промышленная безопасность», Москва, 2002.

2. «Положение о порядке продления срока безопасной эксплуатации технических устройств, оборудования и сооружений на опасных производственных объектах» РД 03-484-02, Серия 03, Нормативный документ межотраслевого применения по вопросам промышленной безопасности и охраны недр. Выпуск 21, ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», Москва, 2003 г.

3. «Методические указания о порядке продления срока службы технических устройств, зданий и сооружений с истекшим нормативным сроком эксплуатации в горнорудной промышленности», РД 06-565-03, Серия 06, Нормативный документ по безопасности, надзорной и разрешительной деятельности в горнорудной промышленности, Выпуск 2, ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», Москва, 2004 г.

4. Указания по расчету железобетонных дымовых труб ВСН 286-90, М., 1990 г.

5. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. Госстрой СССР, М, 1987»;

6. СНиП 2.03.04-84. Бетонные железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия повышенных температурах.

7. СНиП 2.03.01-81. Бетонные железобетонные конструкции.

8. ГОСТ 28570-90 БЕТОНЫ. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций.

1. Способ определения остаточного ресурса железобетонных дымовых или вентиляционных промышленных труб, включающий замер в процессе обследования трубы в ее расчетных сечениях величин параметров, изменяемых в процессе эксплуатации трубы и влияющих на степень ее безопасной эксплуатации, определение с их использованием значений критериев, характеризующих степень безопасной эксплуатации трубы, сравнение вычисленных значений критериев с их предельными значениями и последующее определение с использованием полученных и предельных значений критериев числа лет эксплуатации трубы остаточного ресурса трубы, отличающийся тем, что в процессе обследования отбирают пробу материала теплозащитного слоя и определяют марку материала теплозащитного слоя, а по марке - значение величины теплопроводности, предельную величину растягивающего напряжения для вертикальной арматуры [R_S], в качестве изменяемых в процессе эксплуатации трубы и влияющих на степень ее безопасной эксплуатации замеряют величины параметров - толщину бетона δ_b и толщину теплозащитного слоя δ_t, диаметр d_S вертикальной арматуры, предельное напряжение [R_b] бетона на сжатие и величину крена ствола, затем для каждого года последующей после обследования эксплуатации трубы с использованием замеряемых и проектных значений толщины бетона δ_bP, теплозащитного слоя δ_tP, диаметра d_SP вертикальной арматуры и предельного напряжения [R_bP] бетона на сжатие определяют соответствующие прогнозируемые значения толщины бетона δ_bV, толщины теплозащитного слоя δ_tV, диаметра d_SV вертикальной арматуры и предельного напряжения [R_bV], в качестве критериев, характеризующих степень безопасной эксплуатации трубы, с использованием прогнозируемых значений изменяемых параметров и с учетом замеренного крена ствола и нагрева бетона, определенного с использованием, в том числе теплопроводности теплозащитного слоя, определяют максимальные величины напряжений - сжимающих σ_bVΣ в бетоне и растягивающих σ_SV в вертикальной арматуре, в качестве предельных значений параметров определяют для бетона прогнозируемое предельное напряжение сжатия [R_bV], при этом величины критериев определяют для каждого года последующей после обследования эксплуатации трубы, а остаточный ресурс определяют как минимальное количество лет последующей после обследования эксплуатации трубы, для которого значения критериев безопасной эксплуатации не меньше их соответствующих предельных значений соответственно - σ_bVΣ<[R_bV] и σ_SV<[R_S].

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прогнозируемые значения толщины бетона δ_bV, теплозащитного слоя δ_tV, диаметр d_SV вертикальной арматуры и предельное напряжение [R_bV] изменяемых в процессе эксплуатации трубы и влияющих на степень ее безопасной эксплуатации параметров определяют по следующим зависимостям δ_bV=δ_b-t·ϑ_b, d_SV=d_S-t·ϑ_S, δ_tV=δ_b-t·θ_t и [R_bV]=[R_b]-t·ϑ_R, где ϑ_b, ϑ_S - скорость коррозии соответственно бетона и вертикальной арматуры, мм/год, θ_t - скорость уменьшения толщины теплозащитного слоя, мм/год, ϑ_R - скорость снижения предельного напряжения бетона на сжатие, кгс/мм²/год.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что скорости коррозии бетона и вертикальной арматуры определяют по выражениям соответственно ϑ_b=(δ_bP-δ_b)/t и ϑ_S=(d_SP-d_S)/t, скорость уменьшения из-за разрушения толщины теплозащитного слоя по выражению θ_t=(δ_tP-δ_t)/t, а скорость снижения призменной прочности бетона на сжатие - [ϑ_Rb]=([R_bR]-[R_b])/t, где t - число лет эксплуатации дымовой трубы, отсчитываемое от года ввода трубы в эксплуатацию до года проведения экспертизы, годы.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что от осевой сжимающей нагрузки N и изгибающего момента М, определенного с учетом фактического крена ствола, определяют значения сжимающих напряжений σ_bP в бетоне и растягивающих - σ_SP в вертикальной арматуре по проектным параметрам и величин напряжений σ_b и σ_S по замеряемым параметрам, σ_bt - сжимающие напряжения от температурного перепада по толщине бетона при фактической толщине бетона и полностью разрушенном теплозащитном слое, проектное предельное [R_bP] и замеренное предельное [R_b] напряжения бетона на сжатие, а в качестве остаточного ресурса принимают минимальное значение, определенное по следующим выражениям
и

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что марку материала теплозащитного слоя определяют на основе химического анализа пробы, полученной при обследовании, а значение величины теплопроводности определяют на основе марки по справочным данным.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что крен ствола определяют путем геодезической съемки и его величину определяют как отклонение фактической оси ствола от вертикали, например в метрах.