Технология ремонта и усиления сгустителей калийной промышленности

Авторы:  Р. Х. Сабиров, В. Л. Чернявский, Л. И. Юдина
(ОАО «Сильвинит», ООО «Интераква»)

Опубликована в журнале «Химическая промышленность», 02'2002.

Статья посвящена вопросам состояния строительных конструкций инженерных сооружений на предприятиях калийной промышленности. Предложены основные принципы, которыми надо руководствоваться при выборе ремонтных материалов и технологий при проведении капитальных работ. Рассмотрены проблемы усиления железо-бетонных конструкций, рабо­тающих в агрессивной среде и определен принципиально новый подход к решению задач восстановления несущей способности и усиления путем введения внешнего армирования композитными материалами. Продемонстрирован комплексный подход к ремонту конструк­ций на примере работ по восстановлению несущей способности железобетонной чаши сгус­тителя на третьем рудоуправлении ОАО «Сильвинит» в г. Соликамске.

В настоящее время сложилась серьезная ситуация с состоянием строительных конструкций инженерных сооружений на предприятиях калийной промышленности. Проведенные обследования показали наличие характерных повреждений конструкций. На железобетонных конструкциях повсеместно имеются трещины, сколы, отстрелы защитного слоя бетона, обнажение и значительная коррозия арматуры. Все это приводит к потере несущей способности конструкций и создает аварийные ситуации на предприятиях. Для сохранения и поддержания необходимых эксплуатационных свойств конструкций необходимо привлечение значительных материальных средств и трудовых ресурсов на проведение капитальных ремонтов. В условиях действующих производств и сильно агрессивной среды выбор технологии ремонта для восстановления утерянных эксплуатационных свойства конструкций и обеспечения гарантии дальнейшей безопасной эксплуатации является сложной технической и научной задачей.

Основные проблемы ремонта находятся в сфе­ре борьбы с коррозией бетона и арматуры. Восста­новление геометрии железобетонной конструкции (ремонт сколов, восстановление защитного слоя) не решают проблемы предотвращения и остановки процессов коррозии арматуры. Именно коррозия арматуры вследствие проникновения внутрь бето­на различных по фазовому солевому составу сред и ионов хлора приводит к образованию на поверх­ности арматурных стержней продуктов коррозии, которые и вызывают образование новых трещин и отстрел защитного слоя бетона.

В связи с этим любая предлагаемая технология ремонта таких конструкций должна в обязатель­ном порядке предусматривать средства для борь­бы с начавшимися процессами коррозии армату­ры, в том числе не доступной в процессе ремонта. Современный рынок строительных материалов предлагает широкую номенклатуру выбора. Одна­ко применительно к рассматриваемой проблеме необходимо разработать критерии отбора матери­алов, с помощью которых решались бы проблемы не только эффективного ремонта, но и обеспече­ния долговечности конструкций. Ремонтные мате­риалы должны обладать высокой адгезией к «ста­рому» насыщенному различными солями бетону, обладать повышенной водонепроницаемостью и трещиностойкостью, химической стойкостью, в том числе высокой сопротивляемостью проникнове­нию ионов хлора, быстрым набором прочности, морозостойкостью. Эти технологии должны быть адаптированы к производству работ в условиях действующего предприятия и наличию сильной агрессивной среды.

Современное состояние строительных конст­рукций на калийных производствах показывает, что одного ремонта поврежденного бетона конструк­ций уже недостаточно и требуются мероприятия по усилению конструкций.

Традиционные методы усиления конструкций в виде установки металлических подкрепляющих элементов в таких агрессивных средах применены быть не могут по нескольким причинам:

• во-первых, в условиях действующего производ­ства возникают значительные трудности применения такого усиления из-за наличия технологического оборудования, трубопрово­дов, площадок обслуживания и т. д.
• во-вторых, использование традиционных методов усиления в таких условиях сопровождается значительными материальными затратами не только на проведение самих работ по усиле­нию, но и на поддержание эксплуатационных свойств (защита от коррозии).
• в-третьих, усиление конструкций металлически­ми элементами часто не может решить других задач, например, по повышению трещиностойкости, жесткости существующих конструк­ций и часто приводит к увеличению собствен­ного веса, нагрузок на фундаменты. Серьез­ные проблемы возникают в обеспечении совместной работы конструкций и элементов усиления при динамических, вибрационных, температурных и других воздействиях.

Рис. 1. Конструкция сгустителя: 1- центральная опора; 2- опорная балка; 3- колонны; 4- подвижная ферма; 5- скребки; 6- кольцевой рельс.

В связи с этим важнейшими критериями выбо­ра системы усиления являются: коррозионная стой­кость, возможность выполнения работ в условиях действующего предприятия, максимальное сниже­ние дополнительных нагрузок на уже поврежден­ные конструкции. Такой метод не только существу­ет, но широко используется для усиления конструк­ций за рубежом. Сущность метода заключается в организации внешнего армирования надежно от­ремонтированных конструкций путем наклейки на поверхность специальными эпоксидными клеями полос тканей из особо высокопрочных углеродных волокон (с прочностью на растяжение выше проч­ности высокопрочных сталей). Такой метод за ру­бежом широко используется для усиления карка­сов здания, перекрытий, мостов, стальных конструкции и кирпичной кладки.

Используемые элементы уси­ления обладают чрезвычайно высокой химической стойкос­тью, сопротивлению ударным и циклическим (в том числе ди­намическим) воздействиям. Этот метод усиления позволяет также повысить трещиностойкость и жесткость конструкций.

Таким образом, анализ мирового опыта показывает, что система реабилитации по­врежденных в ходе эксплуата­ции конструкций включает ремонт бетона с предотвраще­нием процессов коррозии и усиление конструкций.

В связи с отсутствием конкретных рекомендаций для восстановления эксплуатационных свойств конст­рукций сооружений калийного производства авто­ры предприняли опытно-экспериментальные рабо­ты по ремонту конструкций, учитывающие зару­бежный опыт. Эти работы явились первым шагом выработки общей концепции ремонта таких кон­струкций.

Примером комплексного подхода к ремонту конструкций явились работы по ремонту чаши сгу­стителя на 3-ем рудоуправлении ОАО «Сильвинит» в г. Соликамске.

 Рис. 2. Схема расположения трещин на внутренней поверхности чаши.

Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования.

Железобетонная чаша предназначена для сгу­щения галитовых отходов флатофабрики. Сгусти­тель представляет собой монолитную железобетон­ную емкость цилиндрической формы с коническим днищем, опирающимся на центральную опору и колонны, расположенные по периметру перифе­рийной опорной балки (рисунок 1).

Сгуститель выполнен из бетона марки М200. Рабочая и конструктивная арматура - из стерж­ней класса AII.

На центральную опору и кольцевой рельс, ус­тановленный по периметру стенки чаши, опирает­ся металлическая ферма. С помощью подвешенных на ферме скребков при ее вращении осуществля­ется перемешивание галитовых отходов.

Нагрузки на конструкцию сгустителя скла­дываются из:

• собственного веса конструктивных элементов (0.72т/м2);
• технологических нагрузок от галитовых отходов (4.2 - 7.1т/м2);
• нагрузки от металлоконструкции подвижной фермы (20т).

При обследовании были выявлены многочис­ленные дефекты и повреждения - кольцевые и ра­диальные трещины в районе опорной балки и цен­тральной опоры (рисунок 2), отслоения бетона на внутренней поверхности чаши на глубину до 8 см, многочисленные бухтящие зоны, следы коррозии арматуры. Протечки технологического раствора свидетельствуют о наличии сквозных трещин.

На основании результатов об­следования дефектов и деформа­ций пространственной конструк­ции сгустителя выполнено ком­пьютерное моделирование фак­тической несущей способности и деформативности конструктив­ных элементов. Расчеты на проч­ность и деформативность были выполнены с учетом фактичес­ких физико-механических ха­рактеристик бетона и арматуры, геометрического расположения имеющихся трещин и данных о неравномерных деформациях сгустителя.

Результаты компьютерного моделирования позволили уста­новить (рисунок 3), что зоны максимальных растягивающих напряжений в бетоне при фик­сированном положении под­вижной фермы имеют ширину порядка 1.5ч3.0 метров и расположены как над центральной опорой, так и над кольцевой опор­ной балкой. Абсолютное значение растягиваю­щих напряжений равно 76.34 кГс/см2 и превы­шает предел прочности бетона на растяжение со­гласно СНиП (10.7 кГс/см2) в 7 раз. Этот факт объясняет образование кольцевых трещин в зоне центральной опоры и по периметру кольцевой опорной балки. Учитывая перемещение подвиж­ной фермы, размеры зон критических напряже­ний распространяются по всему периметру кон­струкции чаши.

Зона опасных концентраций растягивающих напряжений на нижней поверхности чаши распо­ложена в средней пролетной части между кольце­вой опорной балкой и центральной опорой. В це­лом, результаты компьютерного моделирования прогнозируют образование сложной простран­ственной картины трещин, что и наблюдается в действительности.

Вероятно, что образование трещин и прочих дефектов в чаше сгустителя вызвано не только дей­ствием расчетных нагрузок, но и таких неблагоп­риятных факторов, как неравномерность осадки фундаментов, агрессивное воздействие галитовых отходов и пр.

На основании анализа распределения зон мак­симальных напряжений была разработана схема усиления чаши сгустителя высокопрочным угле­пластиком (рисунок 4).

Рис. 4. Схема усиления чаши углепластиковыми полосами.

Накладки из углепластика выполняют роль внешнего армирования и образуются путем на­клейки углеродной ленты на поверхности чаши специальными эпоксидными составами. Содержа­ние углеродных волокон в композите - около 60%, основные физико-механические свойства углепла­стика по завершении полимеризации:

• прочность на растяжение - 1450 МПа;
• модуль упругости - 126000 МПа;
• относительное удлинение при разрыве - 0.8%.

В результате расчетов установлено, что для восстановления несущей способности конструк­ции необходимо осуществить наклейку углепла­стика в двух зонах по внутренней поверхности чаши сгустителя:

• по периметру кольцевой опорной балки;
• в зоне вокруг центральной опоры.

Накладка в зоне кольцевой опорной балки дол­жна состоять из шести монослоев ленты, три из ко­торых укладываются в радиальном направлении и три - в тангенциальном. Ширина нижнего радиаль­ного слоя - 3 м, двух последующих - по 2 м. Ширина всех 3-х слоев тангенциальной накладки - по 2 м.

Кольцевая накладка в зоне центральной опоры с радиусом 4 м выполняется из двух радиальных слоев шириной по 1 м.

Результаты компьютерного моделирования прочности пространственной конструкции сгустителя с учетом усиления свидетельствуют, что величины растягивающих напряжений в бетоне не превышают 5 кГс/см2, что в 2 раза ниже нормируемой СНиП величины (10.7 кГс/см2).

Наклейке углеродных лент предшествовали работы по блокированию процессов коррозии арматуры, ремонту и восстановлению сечения конструкции. Блокирование процессов коррозии арматуры
имеет принципиальное значение, поскольку в противном случае образующие продукты коррозии будут отрывать защитный слой из ремонтных материалов, что сведет на нет работы по наклейке композитов. Не менее важным является и прочность основания (защитного слоя), на которую осуществляется наклейка углеродных лент. Прочность бетона на отрыв должна состав­лять не менее 1.5 МПа. Указанное должно учиты­ваться при выборе материалов и технологии ремон­та деструктивной поверхности, обеспечивающих высокую прочность и адгезию к «подложке».

На рисунках 5 и 6 представлен процесс наклей­ки углеродных лент.

После завершения наклейки всех слоев угле­родной ленты поверхность накладок покрывалась составом АЭ-1. Оставшаяся часть поверхности чаши с целью защиты от воздействия галитовых растворов была покрыта слоем хлорсульфированного полиэтилена.

Для оценки степени жесткости и качества гид­роизоляции чаши сгустителя после завершения ремонтных работ были проведены испытания пу­тем заполнения чаши солевым раствором с удель­ной массой 1.23 г/см3.

Оценка деформативности осуществлена путем точного геометрического нивелирования ряда то­ чек на днище чаши и колоннах. Схема нивелирования приведена на рисунке 7.

Рис. 5. Общий вид сгустителя в процессе усиления.

Рис. 6. Наклейка радиальных лент.

Для определения деформаций чаши в 10-ти точках нижней поверхности ее днища и верхних точках 5-ти опорных колонн, были закреплены металлические дюбели. К дюбелям были подвешены металлические рулетки с миллиметровыми делениями. Величины деформаций определялись нивелированием с вычислением разницы отметок дюбелей. Разность отметок одноименных дюбелей соответствует вертикальным деформациям точек днища чаши и опорных колонн, которых закреплены дюбели. Отметки дюбелей определялись в условной системе высот относительно трех опорных реперов, расположенных вне зоны действия на­грузок чаши.

Рис. 7. Схема нивелирования:

• Дюбели, установленные на колоннах;

° Дюбели, установленные на днище чаши.

Нивелирование деформационных точек и опорных реперов выполнялось 9 раз по одной и той же схеме при различной наполняемости чаши со­ляным раствором.

Первый цикл нивелирования был выполнен перед первичным наполнением чаши. Второй этап - после наполнения чаши на 1/3 объема при на­грузке в 420 т. Третий этап - после наполнения чаши на 2/3 объема при нагрузке 840 т. Четвертый этап - после полного наполнения чаши, что соответству­ет нагрузке в 1260 т. Пятый цикл нивелирования выполнен после полного опорожнения чаши. Ше­стой - девятый циклы нивелирования выполнены при вторичном наполнении и опорожнении чаши по той же схеме наполнения.

В результате установлено, что деформации чаши при максимальных нагрузках не превысили 4 мм, что более чем в 2 раза ниже расчетных. Протечек и на­рушений гидроизоляции не зафиксировано.

Последующая эксплуатация сгустителя в тече­ние нескольких месяцев свидетельствует об удов­летворительном качестве ремонта - разрушений ремонтного слоя и отслоений углепластиковой на­клейки не наблюдается.

В целом по результатам выполненной работы можно сделать вывод, что использование компози­ционных материалов может положить начало но­вому направлению реконструкции железобетон­ных инженерных сооружений, обеспечивающему существенное сокращение трудоемкости, стоимо­сти и сроков выполнения работ.