microbik.ru
1 2 ... 6 7
МИНИСТЕРСТВО энергетики И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР
ГЛАВНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОСИСТЕМ
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО НАЛАДКЕ, СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И СЕТЕЙ "СОЮЗТЕХЭНЕРГО"

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБСЛЕДОВАНИЮ И ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ

СВАРНЫХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭСТАКАД ТОПЛИВОПОДАЧ

ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
СО 34.21.669
УДК 662.6/.8:621.8/.9

РАЗРАБОТАНО Московским головным предприятием Производственного объединения по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей "Союзтехэнерго" при участии Новосибирского инженерно-строительного института им. В.В. Куйбышева и Днепропетровского инженерно-строительного института
ИСПОЛНИТЕЛИ В.Н. ДИДЕНКО (ПО "Союзтехэнерго"); А.В. СИЛЬВЕСТРОВ (Днепропетровский инженерно-строительный институт); В.В. БИРЮЛЕВ, С.Д. ШАФРАЙ, С.А. ГЛАДКОВ, Г.Г. ЧИБРЯКОВ, С.В. МИРОНОВ, В.В. КАРАМАН, С.Ю. ИСАКОВ, В.Г. КУДРИН (Новосибирский инженерно-строительный институт им. В.В. Куйбышева)
УТВЕРЖДЕНО Производственным объединением по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей (ПО "Союзтехэнерго")

Заместитель генерального директора В.П. КОРОВИН

Настоящие Рекомендации разработаны в соответствии с решением Госстроя СССР № 26-Д от 20.03.79 г. о необходимости обследования несущих сварных стальных конструкций, изготовленных из кипящей стали марки Ст3 по ГОСТ 380-50 и другим ранее выпущенным нормативным документом, а также в связи с намеченной широкой реконструкцией тепловых электростанций.

Рекомендации составлены в целях развития и конкретизации Руководства [1] применительно к конструкциям эстакад топливоподачи тепловых электростанций. При этом дополнительно рассматриваются вопросы коррозионных поражений, механических и прочих повреждений, которые могут привести к хрупким разрушениям.

Рекомендации составлены на основе обобщения опыта эксплуатации сварных металлоконструкций эстакад различного назначения и других металлоконструкций ПО "Союзтехэнерго" и другими организациями, результатов выполненных в Новосибирском инженерно-строительном институте исследований хладостойкости металлоконструкций, а также работ Днепропетровского инженерно-строительного института.

Рекомендации предназначены для инженерно-технических работников служб зданий и сооружений электростанций и РЭУ (ПЭО), специализированных проектных, научно-исследовательских и монтажных организаций и предприятий.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Настоящие Рекомендации распространяются на обследование, анализ результатов, а также оценку обследованных конструкций и направлены на повышение надежности сварных несущих металлоконструкций эстакад топливоподач, выполненных из кипящей стали. В необходимых случаях (при недостаточной надежности) Рекомендации предусматривают демонтаж обследованных конструкций.

В связи с общностью опасности хрупких разрушений для металлоконструкций, выполненных из статей других марок (Ст0, Ст0с, Ст2, Ст3пс, Ст3сп, 09Г2С и т.д.), Рекомендации могут быть использованы при обследовании стержневых конструкций, включающих фермы, балки, прогоны и стойки, а также пространственных стержневых конструкций типа опор ВЛ и структурных конструкций из сталей практически всех марок, применяемых в строительстве.

1.2. Действующими нормами, а также ранее разработанными начиная со СНиП II-В.3-62 (в настоящее время замененными), запрещено применение кипящей стали для ответственных несущих сварных конструкций в связи с повышенной склонностью этой стали к трещинообразованию в сварных конструкциях и хрупкому разрушению при низких температурах. Для конструкций группы I (СНиП II-23-81), к которой относятся пролетные строения и опоры конвейерных галерей, применение кипящей стали запрещено независимо от температуры их эксплуатации.

До введения в действие СНиП II-В.3-62 применение малоуглеродистой кипящей стали марки Ст3 для указанных конструкций, в том числе и для эстакад топливоподач, носило массовый характер. До введения ГОСТ 380-50 не делалось разделения строительной стали по степени раскисления (на спокойную и кипящую) и в технической документации при указании марки стали отсутствовала информации о степени ее раскисления. В 50-е годы широкое распространение получила углеродистая сталь обыкновенного качества марки Ст3 по ГОСТ 380-50. С введением в действие ГОСТ 380-60 с новой классификацией марок стали, эта сталь получила наименование Ст3 кипящая. Таким образом, металлоконструкции, смонтированные (изготовленные) до 1960 г. в основном выполнены из кипящей стали. Анализ отказов в работе, происшедших с металлоконструкциями, в том числе эстакадами топливоподач в 60-е годы, свидетельствует о достаточно широком применении в эти годы этой стали.

1.3. В соответствии с указанием Госстроя СССР и Госкомитета СССР по науке и технике все несущие сварные стальные конструкции, выполненные из кипящей стали, должны быть подвергнуты детальному обследованию для оценки опасности их хрупкого разрушения и обеспечения дальнейшей безопасной эксплуатации. В первую очередь это относится к конструкциям открытых установок.
2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭСТАКАД
2.1. В расчетном отношении эстакады топливоподач представляют собой пролетные балочные или ферменные конструкции, опирающиеся на плоские податливые в продольном направлении эстакады стойки (рис. 1). На одном из своих концов эстакада крепится жестко, другой ее конец выполнен конструктивно-подвижным. Обычно плоскость перемещения подвижной опоры горизонтальна, что позволяет исключить появление скатной составляющей усилия в пролетных конструкциях эстакад от вертикальных нагрузок. Поперечные горизонтальные нагрузки от давления ветра воспринимаются связевыми фермами в плоскости нижних и верхних поясов и передаются на опоры-стойки и далее на фундаменты. При этом пояса стоек работают в основном на сжатие.

Рис. 1. Пространственно-стержневая схема несущих металлоконструкций открытой эстакады топливоподачи:

a - пролетные конструкции из балок и ферм; б - схема стоек; в - схема связей по верхним поясам ферм и балок; 1 - стойка; 2 - ферма; 3 - балка; 4 - опорный узел и узел соединения пролетных конструкций; 5 - поперечная связевая ферма
Пролетные конструкции эстакад (фермы и балки) по всей длине с определенным шагом соединены поперечными связевыми фермами, которые совместно с ветровыми связями несколько повышают надежность эстакад в случае разрушения отдельных элементов пролетных конструкций. Однако расчетом (при проектировании) последнее обстоятельство не учитывается.

2.2. Кроме нагрузок от собственной массы галерей и оборудования эстакады рассчитываются на временную монтажную нагрузку, которая во время эксплуатации конвейеров отсутствует, за счет чего конструкции эстакад при эксплуатации должны работать с некоторой недогрузкой. Однако, как правило, фактическая собственная масса перекрытия и покрытия галереи оказывается на 15-20% выше расчетной, что сводит на нет указанную недогрузку.

К перегрузке эстакады приводит и намерзание льда на конструкциях вследствие протечек перекрытия галерей при гидросмыве.

2.3. Открытые конструкции эстакад регулярно подвергаются воздействию наружных температур, часто довольно низких.

2.4. Работа конвейеров топливоподачи и работающих рядом механизмов вызывает вибрацию элементов конструкций эстакад.

2.5. Расположение под эстакадами автомобильных и железнодорожных путей активно способствует появлению и накоплению механических повреждений металлоконструкций эстакад.

2.6. Воздействие угольной пыли и золы, агрессивных выбросов находящихся вблизи электростанции производств, близость моря, или соленого озера, а также другие факторы приводят к активной коррозии металлоконструкций.

2.7. Функционально-технологические особенности тепловых электростанций таковы, что наибольшая нагрузка на эстакады приходится на зимнее время. Следует отметить, что резервирование топливоподачи осуществляется в основном за счет изменения вида топлива, если другой вид топлива предусмотрен технологией. Однако включение этого резерва связано с перерывом в работе оборудования. Поэтому к надежности конструкций эстакад топливоподачи предъявляются высокие требования. В соответствии с [2], сварные стальные конструкции конвейерных эстакад отнесены к группе I, что предусматривает повышенные требования к качеству стали и условиям ее поставки.

2.8. Технические требования к металлоконструкциям группы I [2] предусматривают применение при расчетных температурах эксплуатации до минус 40°C включительно спокойных (18сп, 18Гсп, ВСт3сп5) и полуспокойных сталей (18Гпс, ВСт3Гпс5, ВСтТпс). Для большинства сталей ударная вязкость при расчетной температуре эксплуатации и после механического старения (при температуре +20°С) должна составлять не менее 0,30 МДж/м2 (3 кгсм/см2). В соответствии с ГОСТ 380-71*, к сталям марки Ст3 категорий поставки 5 предъявляются дополнительные требования к химическому составу (содержание углерода 0,14  С  0,22%, серы не более 0,04%, фосфора не более 0,05%), пределу текучести [250 МПа (25 кгс/мм2)], временному сопротивлению [380 МПа (38 кгс/мм2)], относительному удлинению (25%), изгибу в холодном состоянии при d = 0,5 (d - диаметр оправки мм, а  - толщина листа мм).
3. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И ОБСЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ,

ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ КИПЯЩЕЙ СТАЛИ И НАХОДЯЩИХСЯ

В ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
3.1. Кипящая малоуглеродистая сталь в основном не удовлетворяет требованиям п. 2.8.

3.2. Особенностью эксплуатации сварных конструкций, выполненных из кипящей стали, является повышенная опасность возникновения хрупких разрушений растянутых и изгибаемых элементов, а также узлов соединений элементов и конструкций при пониженных температурах.

В связи с длительной эксплуатацией таких конструкций большое влияние на их техническое состояние оказывают степень поражения узлов и отдельных сечений элементов конструкций коррозией, в том числе щелевой, а также накопленные в процессе эксплуатации механические повреждения. При этом щелевая коррозия в "карманах" (местах соприкосновения полок стыкуемых стержней) способствует хрупкому разрушению сварных швов с развитием трещин изнутри "кармана", а механические повреждения элементов конструкций приводят к исчерпанию пластичности в местах пластического деформирования, что, в свою очередь, способствует увеличению опасности хрупкого разрушения.

3.3. Основные факторы, влияющие на склонность стальных конструкций к хрупкому разрушению:

- низкая температура;

- концентраторы напряжений, в том числе трещины любого происхождения (металлургического, технологического или эксплуатационного);

- характер напряженного состояния и уровень местных и общих растягивающих напряжений;

- характер нагружения. Наибольшую опасность возникновению хрупкого разрушения представляют ударные и циклические нагрузки;

- качество стали. Оно зависит от марки стали и технологии ее изготовления; предопределяется химическим составом и в основном размером зерна, формой и распределением структурных составляющих, методом раскисления, характером предшествующих деформационных и термических воздействий. Среди химических элементов углеродистой строительной стали наиболее вредными с точки зрения хрупкого разрушения являются: фосфор, сера, азот, кислород и водород. Повышенное содержанке углерода также неблагоприятно сказывается на склонности стали к хладноломкости: при прочих равных условиях стали с содержанием углерода менее 0,16% оказываются более стойкими к хрупкому разрушению, чем стали с содержанием углерода 0,17-0,22%, и особенно если содержание углерода превосходит верхнее указанное значение;

- технология изготовления и монтажа;

- геометрические размеры элементов (в том числе толщина проката), узлов и конструкции в целом, т.е. ее габаритные размеры. С увеличением размеров металлоконструкций их стойкость к хрупким разрушениям уменьшается вследствие проявления масштабного фактора и увеличения запаса упругой энергии, которая накапливается в конструкции в результате упругих деформаций под нагрузкой, что сказывается на стадии развития трещины. Кроме того, с увеличением толщины проката его качество ухудшается и склонность к хрупкому разрушению увеличивается;

- время года ввода сооружений в эксплуатацию, а для конструкций, находящихся в длительной эксплуатации, время безотказной эксплуатации и характер предшествующей работы конструкции. При этом имеется в виду в основном возможность приспособления конструкции при ее работе в условиях действия положительных температур. Таким образом, сооружения, введенные в эксплуатацию в теплое время года, оказываются менее подверженными хрупким разрушениям.

Физическое проявление отдельных из указанных факторов и их взаимосвязь в процессе хрупкого разрушения приводятся в приложении 1.

3.4. В настоящих Рекомендациях конструктивные (наличие концентраторов напряжений, неравномерность эпюры напряжений, объемный характер напряженного состояния) и технологические (сварка, резка, правка) факторы, могущие привести к хрупкому разрушению элементов конструкций, представлены в виде обобщенных и конкретных конструктивно-технологических форм выполнения узловых сопряжений металлоконструкций, обладающих низкой хладостойкостыо. Конкретные конструктивно-технологические формы низкой хладостойкости (ККТФНХ) пролетных конструкций эстакад приведены в разд. 4 и рекомендуются для использования при обследовании несущих металлоконструкций как один из основных материалов для оценки опасности хрупких разрушений сооружений.

3.5. С точки зрения качества стали наименее стойкими к хрупким разрушениям являются кипящие стали (более подробно об этом см. приложение 1). Однако установленный при обследовании факт применения кипящей стали в эксплуатируемой долгие годы конструкции не дает оснований для каких-либо выводов о невозможности дальнейшей ее эксплуатации.

3.6. Для оценки сооружений большое значение имеет фактическое время безотказной работы металлоконструкций и информация о фактических низких температурах и их продолжительности в процессе эксплуатации.

3.7. О возможности появления в обследуемых металлоконструкциях, выполненных из кипящей стали, в процессе их дальнейшей эксплуатации хрупких трещин следует судить не только по качеству стали, но и по наличию в конструкциях ККТФНХ, а также по фактическому состоянию конструкций на момент обследования (качество сварки, наличие или отсутствие "холодных" и горячих" трещин) с учетом длительности и фактической температуры эксплуатации.

3.8. Для оценки металлоконструкций с точки зрения опасности хрупких разрушений большое значение имеют наличие двух стадий работы конструкции при ее хрупком разрушении, а именно стадии зарождения трещины и стадии ее развития по всему сечению элемента, а также совершенно разные закономерности работы конструкции и материала на двух указанных стадиях, что автоматически исключает влияние конструктивно-технологической формы на второй стадии работы (после появления трещины) и, кроме того, значительная, как правило, продолжительность второй стадии работы.

Сказанное позволяет при имеющейся теоретической возможности возникновения хрупких разрушений так организовать эксплуатацию конструкций, что появление трещин в характерных и определенных (указанных в заключении по обследованию) узлах конструкции может быть зафиксировано до ее физического разрушения.

3.9. Анализ отказов в работе эксплуатируемых металлоконструкций из-за хрупкого разрушения показывает, что не произошло ни одного хрупкого разрушения сжатых стержней, в том числе стоек эстакад. Однако это не позволяет исключать стойки эстакад из обследований на предмет хрупких разрушений, особенно их сварных швов, в том числе при активной щелевой коррозии, но подтверждает более высокую надежность стоек эстакад по сравнению с их пролетными строениями.

3.10. Более надежны с точки зрения возникновения хрупких разрушений сплошностенчатые изгибаемые стержни (балки, прогоны и т.п.), чем сквозные конструкции (фермы). Прогоны, выполненные из единого прокатного профиля, не подвергаются хрупким разрушениям. Опасность полного разрушения меньше для неразрезных статически неопределимых систем.

Маловероятно хрупкое разрушение элементов конструкций из проката толщиной менее 6 мм. Наиболее подвержены хрупкому разрушению растянутые элементы конструкций из проката толщиной более 12 мм и в особенности 20 мм и выше, что необходимо учитывать при обследовании конструкций.

3.11. Для конструкций из углеродистой кипящей стали особенно опасна предварительная пластическая деформация, тем более в сочетании с последующим нагревом до температуры порядка 200-300°С, что приводит к деформационному старению.

3.12. Интенсивность коррозионного поражения металлоконструкций не связана явным образом со степенью и способом раскисления стали. Степень коррозионного износа зависит от условий и продолжительности эксплуатации.

Вплоть до 1962 г., т.е. до введения СНиП II-В.3-62, применение кипящей стали при строительстве эстакад не было исключено, поэтому продолжительность эксплуатации конструкций из кипящей стали находится в основном в пределах от 23-25 до 40-42 лет. Последний интервал лет приходится на стройки военного периода, многие из которых еще продолжают функционировать. Поэтому при оценке указанных конструкций по результатам их натурного обследования необходимо учитывать, что степень их поражения коррозией является вторым основным фактором (после опасности хрупкого разрушения), снижающим несущую способность и надежность конструкций. При этом указанное снижение определяется в основном уменьшением фактической площади поперечного сечения элементов, а в некоторых случаях (при действии агрессивной среды) также снижением механических свойств стали. Последнее существенно при толщине проката 5 мм и менее или коррозионных поражениях, соизмеримых с толщинами полок и стенок элементов (более 25% толщины). В этих случаях (при исключении возможности хрупкого разрушения) следует снижать расчетное сопротивление стали в зависимости от степени агрессивности среды:

- слабоагрессивная среда - на 5%;

- среднеагрессивная среда - на 10%;

- сильноагрессивная среда - на 15%.

Под воздействием сильноагрессивной среды существенно уменьшается также ударная вязкость стали и повышаются критические температуры хрупкости (например, для стали Ст3 - до 15°С), а устойчивость конструкции к распространению хрупкого разрушения - вторая стадия работы (см. п. 3.8) - не изменяется. Такое влияние коррозионных поражений объясняется повреждениями поверхности металлоконструкций в зонах концентрации напряжений.

При натурном обследовании необходимо фиксировать состояние (в части поражения коррозией) опасных с точки зрения появления хрупких разрушений зон, обнаруженных ККТФНХ на обследуемой конструкции.

При обследовании металлоконструкций, эксплуатируемых в сильно агрессивной среде, рекомендуется оценивать первую критическую температуру (см. приложение 2) и прочность с учетом снижения механических характеристик стали.

Большую опасность для дальнейшей эксплуатации металлоконструкций, особенно выполненных из кипящей стали, представляет глубинная коррозия, способствующая повышению концентрации напряжений и склонности стали к хрупкому разрушению.

Щелевая коррозия в полостях, образуемых в местах соприкосновения поверхностей сочленяемых элементов, приводит к накоплению в них продуктов коррозии и последующему, как правило, фиксируемому глазом выпучиванию листовых элементов (планок, накладок, узловых фасонок и пр.) и частичному или полному разрушению сварных швов. Следует учитывать связь разрушения сварных швов при щелевой коррозии с хрупким разрушением. Силовое воздействие продуктов щелевой коррозии активизирует проявление трещиноподобного дефекта, присущего сварным узлам сочленяемых внахлест элементов с угловыми швами. При отрицательных температурах разрушение сварных швов происходит при напряжениях, существенно меньших предела текучести.

Известны и другие виды щелевой коррозии: между прокатными слоями стали; в непроваренных корнях сварных стыковых швов.

В стержнях, подвергшихся значительному коррозионному поражению (20% и более площади сечения), возможно обезуглероживание стали, что уменьшает ее прочность и предел текучести.

3.13. Металлоконструкции эстакад (стойки и пролетные конструкции) из-за пересечения (в плане) с транспортными магистралями электростанции подвергаются механическим повреждениям при нарушении правил дорожного движения. Эти повреждения довольно легко обнаруживаются визуально в виде общих и местных искривлений стержней и разрушений сварных швов крепления элементов и самих элементов в непосредственной близости к транспортным путям.

Механические повреждения, как правило, сопровождаются значительными пластическими деформациями и часто с их полным исчерпанием, о чем свидетельствуют наблюдавшиеся при обследованиях местные разрывы отдельных полок стержней, что может привести к хрупким разрушениям. В связи с этим при обследовании необходимо обращать внимание на состояние деформированных от механического воздействия элементов металлоконструкций, особенно в местах расположения концентраторов напряжений (окончания сварных швов, поджоги от сварки, забоины и пр.), и учитывать это при разработке схемы усиления деформированных конструкций.

Особое внимание следует обращать на предварительную деформацию элементов при обнаружении в них местных хрупких разрушений.

3.14. К особым видам эксплуатационных повреждений несущих металлоконструкций эстакад топливоподач относятся последствия теплового воздействия (возгорание угля или угольной пыли вблизи металлоконструкций) и воздействия взрывного характера (при взрыве смеси угольной пыли и воздуха внутри галерей).

При обследовании металлоконструкций, подверженных тепловому воздействию, следует иметь в виду, что при нагреве стальных конструкций до температуры 200-250°С разрушается лакокрасочное защитное покрытие, при температуре 300-400°С происходит коробление элементов конструкции. Нагрев свыше 400°C приводит на период нагрева к резкому падению прочностных характеристик стали и несущей способности конструкций.

3.15. Прочие дефекты обследуемых в соответствии с данными Рекомендациями металлоконструкций, связанные с несоответствием проекту их геометрической и расчетной схемы, фактических сечений стержней и элементов, размеров сварных швов узловых сопряжений, фактических нагрузок и воздействий, а также действительных условий работы сооружения, не имеют особой специфики проявления в зависимости от применения кипящей стали и рассматриваются в общем порядке [4, 5].

следующая страница >>