МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

Федеральное государственное унитарное предприятие

«Российский государственный концерн по производству электрической и тепловой энергии на атомных станциях»

Концерн «РОСЭНЕРГОАТОМ»

УТВЕРЖДАЮ:

Технический директор

Сорокин Н.М.

28.12.2002 год

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ И ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ АЭС, ВАЖНЫХ ДЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ

РД ЭО 0447-03

Лист визирования

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АС - атомная станция, предназначенная для производства электрической энергии.

АЭС - атомная электрическая станция.

ЖБК - железобетонные несущие и ограждающие строительные конструкции.

КИН - коэффициент интенсивности напряжений.

ЛСБ - локализующие системы безопасности.

НДС - напряженно-деформированное состояние.

НТД - нормативно-техническая документация.

УЗК - ультразвуковой контроль.

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Безопасность АС - свойства АС при нормальной эксплуатации и в случае аварий ограничивать радиационное воздействие на персонал, население и окружающую среду установленными пределами (ОПБ-88/97).

Блок АС - часть АС, выполняющая функцию АС в определенном проектом объеме (НП-017-2000).

Дефектная ведомость - перечень дефектов в железобетонных конструкциях зданий и сооружений с указанием их параметров и места расположения, представленный в табличной форме (строительный термин).

Дефектосхемы - схемы расположения выявленных дефектов на планах и разрезах зданий (строительный термин).

Долговечность - свойство элемента сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта (ГОСТ 27.002-89).

Системы (элементы), важные для безопасности - системы (элементы) безопасности, а также системы (элементы) нормальной эксплуатации, отказы которых нарушают нормальную эксплуатацию АС или препятствуют устранению отклонений от нормальной эксплуатации и могут приводить к проектным и запроектным авариям (ОПБ-88/97, НП-001-97).

Невосстанавливаемый элемент - элемент, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации или экономически нецелесообразно (ГОСТ 27.002-89).

Нормальная эксплуатация - эксплуатация АС в определенных проектом эксплуатационных пределах и условиях (ОПБ-88/97).

Остаточный ресурс - суммарная наработка элемента от момента контроля его технического состояния до перехода в предельное состояние (ГОСТ 27.002-89)

Техническое состояние - состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды, значениями параметров, установленных технической документации на элементы (ГОСТ 20911-89).

Ремонт - комплекс операций по восстановлению исправности или работоспособности изделия и восстановлению ресурса изделий или их составных частей (ГОСТ 18322-78).

Условия безопасной эксплуатации - установленные проектом минимальные условия по количеству, характеристикам, состоянию работоспособности и условиям технического обслуживания систем (элементов), важных для безопасности, при которых обеспечивается соблюдение пределов безопасной эксплуатации и/или критериев безопасности (ОПБ-88/97).

Фотодокументы - материалы фотосъемки состояния объекта и конструкций в ходе обследования (строительный термин).

Эксплуатация - стадия жизненного цикла изделия, на котором реализуется, поддерживается и восстанавливается его качество.

Примечание: эксплуатация изделия включает в себя в общем случае использование по назначению, транспортирование, хранение, техническое обслуживание и ремонт. (ГОСТ 25866-83)

Эксплуатационные пределы - значения параметров и характеристик состояния систем (элементов) и АС в целом, заданных проектом для нормальной эксплуатации (ОПБ-88/97).

Эксплуатационные условия - установленные проектом условия по количеству, характеристикам, состоянию работоспособности и техническому обслуживанию систем (элементов), необходимые для работы без нарушения эксплуатационных пределов (ОПБ-88/97).

Элементы - оборудование, приборы, трубопроводы, кабели, строительные конструкции и другие изделия, обеспечивающие выполнение заданных функций самостоятельно или в составе систем и рассматриваемые в проекте в качестве структурных единиц при выполнении анализов надежности и безопасности (ОПБ-88/97).

ВВЕДЕНИЕ

Значительная часть строительных конструкций в комплексе зданий и сооружений АС выполнена в железобетоне. Оценка технического состояния железобетонных конструкций АС является важным фактором в обеспечении их безопасной эксплуатации. От надежности строительных конструкций АС во многом зависит безаварийная работа станции.

Применяемые на АС железобетонные конструкции (монолитные, сборно-монолитные и сборные) выполняют разноплановые функции, являясь несущими и ограждающими конструкциями, воспринимают разного рода механические и температурные нагрузки. К ним предъявляются требования по прочности, надежности и долговечности. Как и другие элементы АС, наиболее важные элементы строительных конструкций требуют управления ресурсными характеристиками.

Оценка технического состояния и остаточного ресурса строительных конструкций АС следует производить с учетом классификации ЖБК зданий и сооружений АС на категории по ответственности за радиационную и ядерную безопасность (ПиН АЭ-5.6) [5].

Подробная классификация строительных конструкций, элементов зданий и сооружений АС с реакторами типов РБМК, ВВЭР 440 и ВВЭР1000 приведена в Приложении Б.

К I категории относятся здания, сооружения и конструкции, которые помимо восприятия силовых и технологических воздействий, обеспечивают функции защиты окружающей среды и населения от воздействия радиации как в условиях нормальной эксплуатации, так и при аварии. К ним относятся ЖБК:

- реакторного отделения с контайнментом;

- технологических систем, включая бассейны выдержки и помещения дизель-генераторов;

- сооружений обработки и хранения отходов;

- поддерживающих эстакад трубопроводов (техводы для аварийных систем, отходов);

- гидросооружений (забора и сброса воды, в том числе плотины, каналы и бетонные коллекторы).

К ЖБК I категории предъявляются требования по достаточности несущей способности, устойчивости, долговечности и герметичности. Доступ к ЖБК, обеспечивающим ядерную безопасность, в большинстве случаев, в том числе при проведении обследования, ограничен или невозможен. Ремонт или замена этих конструкций, в случае возникновения в этом необходимости, невозможны или практически неосуществимы.

Поэтому ЖБК I категории требуют особого подхода к оценке состояния и прогнозированию срока службы. Герметичность конструкции можно оценить с позиции оценки остаточного ресурса бетона биозащиты, с учетом изменения во времени его структуры и трещиностойкости, определяющих долговечность бетона.

В данной методике расчет долговечности и остаточного ресурса ЖБК I категории осуществляется аналитически, с использованием подходов механики разрушения и основан на учете изменения структурных особенностей конкретного вида бетона во времени.

Ко II-ой категории относятся строительные конструкции, элементы зданий и сооружений (не вошедшим в I категорию), нарушение работы которых в отдельности или в совокупности с другими может привести к перерыву в выработке атомной станцией ее продукции и/или к дозовым нагрузкам сверх допустимых годовых, установленных для нормальной эксплуатации. К ним относятся строительные конструкции градирен, турбинного отделения, отделения обессоливания вод, здания вспомогательных механизмов общего назначения) и предъявляются требования по достаточности несущей способности, устойчивости и долговечности. Доступ к этим конструкциям при проведении обследования реально возможен. Ремонт или замена этих конструкций осуществимы на практике. Оценка технического состояния и остаточного ресурса ЖБК II-ой категории должна базироваться на материалах расчетов конструкций в каждом конкретном случае, с учетом фактических технологических воздействий на конструкции.

К III категории относятся остальные ЖБК, здания и сооружения АС, не вошедшие в категории I и II, (административные и служебно-бытовые корпуса, складские помещения и т. п.). Оценка технического состояния этих ЖБК производится традиционным способом.

Таким образом, к ЖБК, важным для безопасности, относятся конструкции I и II категорий ответственности за радиационную и ядерную безопасность (согласно классификации ПиН АЭ-5.6) [5].

Настоящая методика определяет порядок, методы, средства и способы оценки технического состояния и остаточного ресурса ЖБК АС, важных для безопасности.

Методика разработана в соответствии с требованиями общих положений обеспечения безопасности атомных станций ПНАЭ Г-1-011-89/97 (ОПБ-88/97) [1] с учетом требований РД-ЭО-007-93 [13], РД-ЭО-0141-98 [14], НП-017-2000 [9] и НП-024-2000 [8].

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Оценка технического состояния и остаточного ресурса ЖБК АС, важных для безопасности, осуществляется в рамках общих работ по управлению сроком службы энергоблоков.

Настоящая «Методика оценки технического состояния и остаточного ресурса железобетонных конструкций АС, важных для безопасности» (далее методика) распространяется на ЖБК зданий и сооружений АС 1-ой и 2-ой категории ответственности за радиационную и ядерную безопасность (согласно ПиН АЭ-5.6), расположенные на площадке АС и находящиеся в эксплуатации.

Методика рассматривает вопросы оценки технического состояния и остаточного ресурса ЖБК АС, важных для безопасности.

Методика не рассматривает состояние ЖБК после особых природных и техногенных нагрузок, таких как сейсмики уровня ПЗ и МРЗ, внешней ударной волны и падения самолета.

Положения настоящей методики рекомендуются для АС и специализированных предприятий, привлекаемых эксплуатирующей организацией к работам по оценке технического состояния и остаточного ресурса железобетонных конструкций.

Методика устанавливает порядок проведения работ с учетом градации ЖБК по категориям ответственности [5], указывает объемы и методы работ, перечень параметров, необходимых для оценки технического состояния и остаточного ресурса ЖБК, классификацию возможных дефектов ЖБК, а также содержит перечень приборов, необходимых для проведения инструментального обследования.

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1. Организация работ по оценке технического состояния и остаточного ресурса ЖБК

Работы по оценке технического состояния и остаточного ресурса ЖБК осуществляются комиссией под руководством главного инженера АС. В состав комиссии входят представители разработчика АС, разработчиков ЖБК, эксплуатирующей организации АС. Для проведения работ эксплуатирующая организация или АС может привлекать Главного конструктора ЖБК и другие специализированные предприятия и организации, имеющие лицензию Госатомнадзора России на выполнение соответствующих видов работ. При необходимости привлекаются представители специализированных предприятий и институтов.

Комиссия на основании заключений по результатам работ готовит решение о возможности продления срока службы ЖБК зданий и сооружений АС.

Обследование производственных зданий и сооружений должно производиться по программе, разработанной специализированной организацией, согласованной с Генпроектировщиком и утвержденной главным инженером АС.

2.2. Разработка программы выполнения работ

Программа обследования разрабатывается на основе технического задания, проектной, исполнительной и эксплуатационной документации, первичного визуального осмотра объекта обследования.

В программе обследования должно быть отражены следующие разделы:

Использованные сокращения.

1) Общие положения.

В этот раздел входят сведения о документах и исходных данных, включающих перечень технической документации, на основании которых разработана программа.

2) Назначение и область применения Программы.

В этот раздел входят краткое изложение целей разработки программы, перечень нормативных и руководящих документов, на требованиях которых базируется документ и организации, которые обязаны руководствоваться данной программой;

3) Цель, задачи и объекты обследования.

В данном разделе излагаются цель и задачи обследования и подробно перечисляются элементы, блоки, здания и сооружения, подлежащие обследованию, с учетом их зонирования в комплексе АС;

4) Организация комплекса работ по обследованию ЖБК.

Данный раздел должен содержать порядок организации и проведения технического обследования от разработки программы до передачи материалов обследования в эксплуатирующую организацию, перечень организаций, участвующих в обследовании, их функции и границы ответственности, требования к исполнителям работ, основные этапы и сроки проведения обследования.

5) Методология (порядок) проведения обследования ЖБК.

Этот раздел включает методологические требования к проведению обследования, процедурную последовательность выполнения работ по обследованию, методы и объемы контроля и средства контроля необходимых характеристик, требования к порядку сбора и систематизации исходных данных, требования к оценке ресурсных характеристик.

6) Методика оценки технического состояния и остаточного ресурса ЖБК.

Данный раздел включает критерии оценки состояния, являющиеся базовыми данными для оценки состояния конструкций и их остаточного ресурса.

7) Содержание отчетной документации и порядок ее оформления.

В данном разделе излагаются требования к составу отчетных документов, содержанию и оформлению результатов обследования с указанием уровня согласования и утверждения конкретных документов.

8) Меры безопасности и технологические ограничения при выполнении работ. Особые условия.

9) Материально-техническое обеспечение.

10) Обеспечение качества комплексного обследования ЖБК.

11) Перечень нормативно-технической и руководящей документации.

3. ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ АС, ВАЖНЫХ ДЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ

3.1. Общие положения

Основная цель оценки технического состояния ЖБК - определение текущего состояния ЖБК и элементов при реализованных режимах и условиях эксплуатации, параметрах устройств, обеспечивающих их безопасную эксплуатацию и защиту окружающей среды.

Оценка технического состояния ЖБК производится путем определения состояния их элементов, конструкций и/или здания в целом, на основе анализа технической документации за весь эксплуатационный период, результатов технического обследования состояния ЖБК и выполнения поверочных расчетов конструкций.

При оценке технического состояния ЖБК зданий и сооружений каждая конструкция рассматривается как элемент, входящий в конструктивную схему работы здания или единого блока здания.

Техническое обследование строительных конструкций зданий и сооружений должно проводиться с учетом классификации (или принципа зонирования) ЖБК, зданий и сооружений АЭС.

Методы технического обследования состояния ЖБК устанавливаются программой обследования: визуальный и/или инструментальный. Визуальным методом выявляются видимые дефекты, повреждения и деформации строительных конструкций. Инструментальным методом определяются механические характеристики бетона и арматуры, производятся замеры параметров обнаруженных дефектов и повреждений (например, трещин), вскрытия конструкций для установления причин их возникновения.

3.2. Параметры оценки технического состояния ЖБК

Параметры оценки технического состояния ЖБК, которые необходимо определить в ходе технического обследования как на стадии анализа технической документации, так и в ходе обследования ЖБК, приведены в Табл. 3.1.

Таблица 3.1.

3.3. Порядок проведения оценки технического состояния ЖБК

Проведение оценки технического состояния ЖБК должно осуществляться в следующей последовательности:

1. Анализ технической документации.

2. Визуальное обследование состояния ЖБК.

3. Инструментальное обследование состояния ЖБК.

4. Анализ результатов визуального и инструментального обследования состояния ЖБК.

5. Выполнение поверочных расчетов.

Далее приводится описание содержания соответствующих этапов оценки технического состояния ЖБК.

3.4. Анализ технической документации

К технической документации, необходимой для анализа технического состояния ЖБК, важных для безопасности, относится нормативная, проектная, исполнительная и эксплуатационная документация.

3.4.1. Перечень нормативной документации

Перечень нормативно-технической и руководящей документации для объектов атомной энергетики приведен в Приложении 1. В рабочей программе в зависимости от типа энергоблока перечень конкретизируется и уточняется.

3.4.2. Перечень проектной документации:

технические паспорта на здания и сооружения;

заводские паспорта или сертификаты на существующие конструкции и материалы: архитектурно-строительные чертежи (КЖ, АР, КМ, КМД), с указанием изменений, внесенных при производстве строительно-монтажных работ;

данные о геологических изысканиях грунтов оснований под фундаменты зданий и сооружений, допускаемых нагрузках и гидрогеологических условиях площадки;

схемы приложения эксплуатационных нагрузок,

параметры технологических воздействий, предусмотренных при проектировании;

расчеты ЖБК на несущую способность, в том числе на основе объемной модели здания или блока (если таковой имеется), по проектным характеристикам материалов и воздействий.

3.4.3. Перечень исполнительной документации:

акты сдачи-приемки скрытых работ и акты промежуточной приемки отдельных конструкций;

акты на выполнение работ нулевого цикла (в том числе по устройству гидроизоляции);

акты проверки качества сварных швов;

документы о согласовании допущенных отступлений от проекта;

акты приемки зданий и сооружений в эксплуатацию, с указанием незавершенных работ (если таковые имеются).

3.4.4. Перечень эксплуатационной документации:

данные о продолжительности работы на номинальном, промежуточных и переходных режимах, включая стояночные;

документы, характеризующие фактические эксплуатационные нагрузки и воздействия и их изменения в процессе эксплуатации;

сведения об аварийных ситуациях, отклонениях и изменениях эксплуатационных режимов нагрузок и технологических воздействий;

данные наблюдений физических параметров среды внутренних помещений объектов в эксплуатационный период: влажность, температура, тепловыделения, вибрация, агрессивная среда;

результаты замеров уровней радиации в помещениях и их отклонений в течение периода эксплуатации;

результаты ежегодных замеров осадок фундаментов зданий и оборудования за весь эксплуатационный период с приложением схемы размещения осадочных марок на планах зданий и сооружений;

результаты ежегодной геодезической съемки положения конструкций в процессе эксплуатации: отклонения колонн от вертикали, съемки подкрановых путей в эксплуатационный период;

результаты ежегодных лабораторных исследований химического анализа грунтовых вод за весь эксплуатационный период;

журналы периодических наблюдений за состоянием строительных конструкций за весь эксплуатационный период;

документы приемочных испытаний и контрольных испытаний в процессе эксплуатации (в том числе, кранового оборудования);

отчеты, документы и заключения специализированных организаций о ранее выполненных обследованиях, включая дефектные ведомости и дефектосхемы конструкций, а также рекомендации по их устранению;

сведения о ремонтах, перепланировках и реконструкциях в зданиях и сооружениях, графики и акты о проведении текущих и капитальных ремонтов;

акты на выполненные работы по ремонту и усилению конструкций в ходе устранения дефектов, выявленных в ходе предыдущих обследований;

результаты определения физико-механических характеристик материалов: арматуры и бетона в период эксплуатации (если таковые имеются).

3.4.5. Результаты анализа технической документации

Результаты анализа технической документации оформляются в виде Заключения, которое должно содержать следующие сведения:

перечень представленной эксплуатирующей организацией технической документации;

проектные и фактические характеристики ЖБК;

проектные и фактические нагрузки и технологические воздействия на ЖБК;

анализ соответствия принятых объемно-планировочных и конструктивных решений при строительстве, реконструкциях и ремонтах современным требованиям норм и правил в атомной энергетике;

данные о наличии дефектных зон и повреждений в ЖБК, о причинах появления дефектов;

перечень элементов и ЖБК, которые в результате анализа конструктивных схем с учетом конструкторских или технологических особенностей и (или) условий эксплуатации и нагружения, а также проектных расчетов конструкций (в том числе - по объемной модели на основе проектных параметров), предрасположены к появлению повреждений, особенно скрытым и внезапным;

перечень ЖБК и элементов, подверженных наиболее интенсивному износу и нуждающихся в первоочередном совершенствовании проектных решений, тщательном контроле и ремонтах в процессе эксплуатации;

анализ результатов ежегодной геодезической съемки положения конструкций в процессе эксплуатации и сопоставление суммарных эксплуатационных значений отклонений с предельно допускаемыми по нормам;

сопоставление фактических осадок фундаментов зданий и оборудования с предельно допускаемыми осадками, устанавливаемыми по СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений» [34];

сопоставление фактических замеров отклонений колонн от вертикали, съемки подкрановых путей с предельно допускаемыми отклонениями, устанавливаемыми по СНиП 2.02.01-83 [34],

перечень недоделок и дефектов, выявленных в процессе строительства, реконструкции и ремонта, отраженные в соответствующих актах;

рекомендации по доработке технической документации, в том числе перечень отсутствующей необходимой технической документации.

3.5. Визуальное обследование состояния ЖБК

3.5.1. Общие положения

Визуальный метод обследования является одним из основных методов, применяемых при обследовании ЖБК. Он заключается в тщательном осмотре всех доступных ЖБК, выявлении видимых дефектов, повреждений и деформации ЖБК, а также включает определение явных и предполагаемых причин возникновения дефектов, уточняемых по материалам проектной, исполнительской и эксплуатационной документации, а также в ходе инструментального обследования.

Выявление при обследовании дефектов, повреждений и деформаций должно сопровождаться сравнением соответствия обследуемых ЖБК и условий их эксплуатации требованиям проектной, нормативной документации и действующих СНиП.

Визуальное обследование ЖБК включает оценку их надежности по внешним признакам и отбор конструкций для инструментального обследования.

3.5.2. Выполнение работ по визуальному обследованию

Визуальное обследование включает в себя выполнение следующих работ:

- Общий осмотр ЖБК с целью проверки соответствия фактической и проектной конструктивных схем зданий и сооружений.

- Общая оценка наличия и состояния связей жесткости каркасов зданий.

- Выявление ошибок проекта, недоделок, некачественного выполнения работ при строительстве и ремонте зданий и сооружений, приводящие к снижению несущей способности конструкций, а также местной или общей пространственной устойчивости зданий и сооружений или отдельных элементов.

- Оценка фактических условий эксплуатации конструкций: выделение пыли, влаги, наличие агрессивных сред, воздействие повышенных технологических температур, динамических нагрузок и т.п., в ходе которой выявляются нарушения условий нормальной эксплуатации ЖБК, а именно:

воздействия на конструкции газов, кислот, щелочей, растворов солей и других химреагентов;

протечки воды, масел и др. жидкостей на потолках, стенах, полах, несущих и ограждающих конструкциях;

температурные воздействия, превышающие проектные;

состояние защитного покрытия по бетону.

- Определение участков с визуально обнаруженными повреждениями и дефектами.

- Осмотр фактического состояния узлов сопряжения ЖБК на их соответствие требованиям проекта.

- Осмотр наружной бетонной поверхности сборных, монолитных и сборно-монолитных ЖБК, в ходе которого фиксируется состояние защитного слоя бетона, наличие трещин, участков оголения и коррозии арматурных стержней.

При визуальном обследовании особое внимание следует обращать на наиболее опасные дефекты ЖБК, такие как:

вертикальные и наклонные трещины с видимым раскрытием и трещины сквозного характера, охватывающие все сечение по периметру;

заметные прогибы горизонтальных и наклонных элементов, продольные прогибы вертикально сжатых ЖБК или их отдельных элементов, выгибы из плоскости отдельных элементов или в целом ЖБК;

заметные на глаз отклонения колонн от вертикали.

Виды трещин, которые необходимо учитывать и отмечать на дефектосхемах при визуальном обследовании, представлены в Таблице 3.2.

Таблица 3.2.

В сборно-монолитных стеновых конструкциях боксов барабан-сепараторов (РБМК) подход к анализу причин трещинообразования должен быть индивидуальным. При этом необходимо учитывать комплекс факторов:

конструктивную схему работы сборно-монолитной стены и ее элементов;

физико-механические характеристики бетона каждого слоя бетона;

результаты сопоставительного анализа фактической и проектной схем приложения нагрузок, действительных и проектных параметров технологических воздействий (температура, влажность),

результаты расчета перепада температур по сечению стены и температурных моментов;

вид, места расположения, количество, глубину, ширину и длину трещин в конструкциях;

состояние арматуры в конструкциях.

В ходе визуального обследования производится осмотр следующих ЖБК, их элементов и узлов сопряжения:

монолитных и сборно-монолитных ЖБК блоков, зданий и сооружений, важных для безопасности, относящихся к I категории ответственности [5], при их осмотре снаружи в доступных для обследования зонах;

сборных, сборно-монолитных и монолитных ЖБК и элементов зданий и сооружений, относящихся ко II категории ответственности [5], при их осмотре со всех сторон;

мест приложения сосредоточенных нагрузок на опорные части (фундаменты, консоли колонн для опирания подкрановых балок, ферм и прогонов, простенки фасадных стен, опорные зоны сборных плит покрытий на фермы и балки);

узлов сопряжений ЖБК (стыки панелей стен, плит перекрытий и покрытий, температурно-деформационные швы);

узлов примыканий и сопряжений ЖБК кровли (с трубами, парапетными стенками, водосборными воронками и т.п.);

мест прохода коммуникаций в ЖБК (проходок, вентиляционных воздуховодов, кабелей);

мест вероятного увлажнения конструкций (сопряжения стен с цоколем, цоколя с фундаментом и отмосткой, подоконные панели);

состояние гидроизоляции зданий, в том числе мест излома и сопряжения горизонтальной и вертикальной гидроизоляции;

состояние защитных покрытий бетона в помещениях (реакторное и турбинное отделения, и т.д.).

3.5.3. Оформление результатов визуального обследования

Результаты визуального обследования оформляются в виде актов обследования и дефектных ведомостей с описанием вида дефекта ЖБК, места его расположения в осях здания и по номеру помещения. Места расположения дефектов фиксируются также на дефектосхемах и фотодокументах.

На планах зданий фиксируются поврежденные участки несущих и ограждающих ЖБК, находящиеся в наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации.

По результатам визуального обследования дают предварительную оценку технического состояния ЖБК и уточняют программу дальнейшего инструментального обследования.

При отсутствии или незначительных дефектах ЖБК здания или сооружения на основе результатов визуального обследования может быть сделана окончательная оценка технического состояния ЖБК, которая представляется в виде Заключения.

3.6. Инструментальное обследование состояния ЖБК

3.6.1. Общие положения

Инструментальное обследование производится с целью сбора сведений для окончательной оценки технического состояния ЖБК. На основании результатов детального обследования производится оценка технического состояния и остаточного ресурса ЖБК, делается выбор конструктивного решения при реконструкции зданий и сооружений, и устанавливается необходимость усиления или восстановления поврежденных ЖБК и их элементов.

Инструментальному обследованию подлежат ЖБК, указанные в перечне элементов и участков, составленном в ходе анализа технической документации, а также конструкции, на которые отсутствует необходимая документация, или конструкции, в которых обнаружены дефекты при визуальном обследовании.

Инструментальное обследование ЖБК предпочтительно осуществлять неразрушающими методами контроля физико-механических характеристик материалов.

В случаях, когда применение неразрушающих методов недостаточно для получения достоверных результатов, из конструкции отбираются образцы исследуемого материала (бетона или арматуры). Для выполнения лабораторных исследований допускается производить отбор образцов материалов из ЖБК в пределах допустимого снижения их несущей способности, определенного расчетом.

При инструментальном обследовании используются стандартизированные и метрологически аттестованные средства измерений (СИ) и испытательное оборудование (ИО), поверенные или калиброванные в установленном Госстандартом РФ порядке. Допускается применение нестандартизированных средств измерения и испытания, которые должны быть метрологически аттестованы в порядке, установленном ГОСТ 24555. Ориентировочный перечень приборов для инструментального обследования приведен в РД-ЭО-0007-93 [13].

Определение физико-механических характеристик материалов проводится:

выборочно в нескольких однотипных конструкциях;

в дефектных зонах конструкций в местах, установленных в результате анализа данных визуального обследования;

при отсутствии исполнительской документации, подтверждающей качество использованных материалов;

при наличии обоснованных сомнений в качестве материалов.

3.6.2. Выполнение работ по инструментальному обследованию

Для ЖБК, относящихся к I категории ответственности [5], где доступ к конструкциям весьма ограничен из-за опасности радиоактивного облучения (например, шахты реакторов, бассейны выдержки, помещения спецводоочистки), инструментальное обследование конструкций ограничивается следующими операциями:

тщательным осмотром бетонных поверхностей ЖБК снаружи помещений, в доступных для обследования местах, с фиксацией обнаруженных дефектов;

замерами прочности бетона доступных конструкций неразрушающими методами контроля, в том числе в местах, где замерялась прочность бетона при предыдущих обследованиях;

отбор бетонных образцов из стены биозащиты (1 образец из конструкции) минимального размера 100х100х30 мм для лабораторного морфологического анализа структуры бетона. Образец берется на наиболее напряженном участке монолитной конструкции, на котором действуют максимальные напряжения в арматуре и бетоне. Место расположения наиболее напряженного участка конструкции определяется по расчетным схемам приложения эксплуатационных нагрузок, из материалов проектной документации.

Результаты морфологического анализа поровой структуры бетона используются при расчете долговечности и остаточного ресурса бетона конструкции.

В случае невозможности изъятия образца бетона расчет долговечности и остаточного ресурса бетона ЖБК производится по результатам научных исследований, но при этом точность результата будет несколько ниже.

В ходе инструментального обследования ЖБК, относящихся ко II-ой категории ответственности [5], доступ к конструкциям возможен со всех сторон. В процессе работы фиксируются:

- параметры видимых дефектов, выявленных при визуальном обследовании (прогибов, сдвигов, искривлений, осадок, ширина раскрытия и протяженности трещин, места их расположения и др.);

- фактическая прочность бетона приборами неразрушающего контроля,

- состояние поверхности железобетонных конструкций;

- толщина защитного слоя бетона

- состояние арматуры в конструкциях на наличие коррозии;

- при необходимости, диаметр арматуры;

- в поврежденных конструкциях - геометрические размеры элементов; состояние узлов сопряжений ЖБК, глубина повреждения бетона или металла, степень и глубина коррозии арматуры;

- в стеновых конструкциях - деформации и повреждения стеновых конструкций, состояние заделки деформационных швов, смещения панелей из плоскости стен, состояние гидроизоляции цокольной части и отмостки;

- в конструкциях плит покрытий - состояние потолочной поверхности, наличие и состояние закладных деталей и сварных швов.

3.6.3. Определение прочностных характеристик бетона

При определении прочности бетона рекомендуется использовать:

методы неразрушающего контроля прочности или косвенные методы - метод пластических деформаций (молоток Кашкарова, пружинные склерометры типа Польди, Шмидта), ультразвуковой метод, метод упругого отскока.

методы разрушающего контроля прочности - метод испытаний по отобранным из конструкции образцам, метод отрыва, метод скалывания ребра конструкции,

При использовании метода по отобранным из конструкции образцам, следует руководствоваться указаниями ГОСТ 18105-85, ГОСТ 28570-90, ГОСТ 24452-80, метода отрыва - ГОСТ 22690.3-77, метода скалывания ребра конструкции - ГОСТ 22690.4-77, метода пластических деформаций - ГОСТ 22690.1-77, ультразвукового метода - ГОСТ 17624-87 и др.

При использовании неразрушающих методов контроля прочность бетона определяется как среднее арифметическое значение из результатов, полученными двумя видами приборов.

3.6.4. Структурный анализ бетона критических зон конструкции

Для оценки остаточного ресурса бетона ЖБК, относящихся к I категории ответственности (согласно ПИН АЭ-5,6) [5], необходимо иметь данные о поровой структуре бетона, характеризующей трещиностойкость конструкции.

Структуру пор бетона можно определить двумя способами: лабораторными исследованиями образцов бетона и теоретически. Следует отметить, что при теоретическом подходе к оценке поровой структуры бетона результаты расчетов долговечности и остаточного ресурса бетона конструкции будут менее точными.

В лабораторных условиях производится морфологический анализ структуры бетона отобранных образцов.

Минимальные размеры образца: 100х100х30 мм.

Количество образцов: один образец из одной конструкции.

Зоны отбора проб бетона из конструкции. Бетонные образцы берутся на наиболее напряженном участке монолитной конструкции (в критических зонах), где действуют максимальные напряжения в арматуре и бетоне. Место расположения наиболее напряженного участка конструкции определяется по расчетным схемам приложения эксплуатационных нагрузок, из материалов проектной документации.

Теоретическое определение поровой структуры бетона производится на основе следующих данных проектной и исполнительской документации:

проектная прочность бетона,

вид крупного заполнителя;

состав бетона по массе: цемент, щебень, песок, вода; водоцементное отношение (В/Ц);

пористость бетона (если есть данные).

3.6.5. Определение прочностных характеристик арматуры

Расчетные сопротивления неповрежденной арматуры в ЖБК, когда защитный слой бетона достаточно плотный и не имеет трещин в местах ее расположения, принимаются по проектным значениям.

Определение прочности арматуры в ходе инструментального обследования ЖБК производится в случае установления факта наличия воздействий, влияющих на снижение прочностных свойств арматурных сталей и, за счет этого, уменьшающих несущую способность ЖБК. Такими воздействиями в условиях эксплуатации ЖБК АЭС могут быть высокотемпературное воздействие и слоистая коррозия арматуры.

При воздействии повышенной технологической температуры на ЖБК необходимо рассчитать распределение температур по сечению конструкции и рабочую температуру арматуры. Если рабочая температура арматуры в сечении ЖБК превысит температуру, при которой происходит снижение прочности арматурной стали (см. Приложение Д, раздел «Свойства арматурных сталей»), тогда фактическую прочность арматуры необходимо произвести испытаниями арматурных стержней - образцов, вырезанных из этих конструкций.

При наличии слоистой коррозии прочность арматуры определяется замером минимального рабочего сечения стержня арматуры после удаления продуктов коррозии до металлического блеска.

Расположение и диаметр арматурных стержней, а также толщина защитного слоя бетона могут быть определены как неразрушающими методами контроля, например, магнитным и радиографическим методами по ГОСТ 22904-78 и ГОСТ 17625-83 соответственно, так и путем вскрытия стержней и прямых замеров.

Замеры толщины защитного слоя бетона и армирование конструкций могут производиться с помощью металлоискателей и приборами типа ИЗС.

Определение степени коррозии арматуры в бетоне производится путем использования средств измерения с параметрами, рекомендуемыми ГОСТ 9.311.

3.6.6. Способы выявления дефектов в конструкциях

- Деформации ЖБК замеряют следующим образом:

отклонения от вертикали и искривления - при помощи теодолита, а при высоте до 5 м - при помощи отвеса;

прогибы и искривления конструкций - при помощи замера отклонений от натянутой вдоль конструкции струны;

вертикальные отклонения горизонтальных конструкций - при помощи нивелирования оптическим или гидростатическим нивелиром.

- Характер трещинообразования и его влияние на прочностные характеристики здания (конструктивного элемента, конструкции) определяется:

установлением динамики развития трещин при помощи гипсовых маяков по времени от их установки до разрушения, по изменению расстояния между штырями, закрепленными с обеих сторон трещины или по показаниям подвижных маяков;

измерением ширины раскрытия трещин - при помощи микроскопов или измерительной лупы;

измерением глубины трещин - при помощи щупа или ультразвукового прибора, а в массивных или сборно-монолитных конструкциях - высверливанием керна бетона по трещине.

- Температурно-влажностный режим в помещении, влияющий на условия эксплуатации ЖБК, определяют при помощи термографов, гигрографов и психрометров.

- Наличие вредных химических веществ в атмосфере воздуха и в техногенных жидкостях, попадающих на ЖБК, определяется лабораторией по запросу руководства АС.

3.6.7. Оформление результатов инструментального обследования

В ходе анализа результатов технического обследования ЖБК выявляются:

соответствие фактических конструктивных схем зданий принятым в проектах,

результаты испытаний материалов, сравнение полученных фактических результатов с проектными, а также с материалами ранее проведенных обследований и испытаний;

окончательное определение фактических нагрузок и техногенных воздействий, составление карт нагрузок и воздействий, в случае их изменения по отношению к проекту, на картах указываются зоны, виды и параметры воздействий;

составление дефектосхем и дефектных ведомостей по каждому зданию и сооружению;

составление графиков или диаграмм по результатам ежегодных измерений (с начала момента эксплуатации) геодезической съемки отклонений колонн от вертикали, подкрановых путей, осадок фундаментов и т.п., включая результаты настоящего обследования, в их исторической последовательности.

Места расположения дефектов фиксируются на дефектосхемах и в дефектных ведомостях. Результаты замеров прочности материалов представляются в табличной форме. Места определения прочности материалов указываются на дефектосхемах.

В ходе работ по обследованию ЖБК необходимо вести строгий учет полученных данных в специальных ведомостях и журналах, оформлять акты обследований на различные виды работ, проводить фотофиксацию дефектов.

3.7. Оценка технического состояния ЖБК

Оценка технического состояния ЖБК и прогноз его изменения при дальнейшей эксплуатации выполняется на основе анализа деградационных процессов и выявления соответствия фактических параметров технического состояния требованиям проекта и действующих норм (см. Табл. 3.1.).

При оценке результатов технического обследования ЖБК выявляются те конструкции, для которых необходимо выполнить поверочные расчеты, а также разрабатываются мероприятия по ремонту дефектных ЖБК, не требующих усиления, обеспечивающие их долговечность (например, ремонт защитного слоя бетона, покраска закладных частей антикоррозийным составом и т.п.).

Поверочный расчет несущей способности производится для ЖБК, в которых обнаружены:

- дефекты, влияющие на снижение несущей способности,

- снижение прочностных характеристик материалов в сравнении с проектными,

- уменьшение площади рабочих сечений,

- недопустимые прогибы конструкций;

- превышение фактических эксплуатационных нагрузок их проектных значений;

- технологические воздействия, непредусмотренные при проектировании,

а также сочетания выше перечисленных факторов.

Поверочный расчет прочности, деформаций, образования и раскрытия трещин несущих ЖБК производится по методу предельных состояний (СНиП 2.03.01-84, [35]), с учетом фактических прочностных характеристик материалов, схем работы конструкций, нагрузок и воздействий, а также выявленных дефектов.

При выполнении поверочных расчетов ЖБК, работающих в условиях воздействия радиации и повышенных температур следует руководствоваться рекомендациями, изложенными в Приложениях Г и Д.

По результатам поверочных расчетов разрабатываются рекомендации по устранению дефектов в конструкциях и принимаются решения по их усилению.

Оценка технического состояния ЖБК производится сопоставлением контролируемых параметров (см. Табл. 1) с соответствующими проектными параметрами, а также по результатам поверочных расчетов, обосновывающих эксплуатационную пригодность конструкций.

Классификация возможных технических состояний приведена в Табл. 3.3.

По результатам оценки технического состояния делается вывод о возможности дальнейшей эксплуатации ЖБК и даются рекомендации по приведению конструкции в состояние, обеспечивающее эксплуатационную пригодность.

Таблица 3.3.

4. ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЖБК

4.1. Общие положения

Основная цель оценки остаточного ресурса ЖБК - определение периода безопасной эксплуатации ЖБК, важных для безопасности.

Остаточный ресурс ЖБК, важных для безопасности, относящихся к I категории ответственности [5] и выполняющих функции биозащиты, прогнозируется по оценке изменения определяющих параметров, полученных по результатам лабораторного морфологического анализа структуры бетона образцов, с учетом силовых и технологических воздействий. При отсутствии результатов морфологического анализа принимаются табличные данные (Табл. 4.2 и 4.3) структуры бетона в зависимости от состава и пористости бетона, вида и объемного содержания заполнителя.

Остаточный ресурс ЖБК, важных для безопасности, относящихся ко II-ой категории ответственности [5], производится путем сопоставления соответствия фактического состояния конструкции требованиям проекта и нормативных документов.

Оценка остаточного ресурса ЖБК, важных для безопасности, I-ой категории ответственности по ПиН АЭ-5.6, производится методом механики разрушения бетона и учитывает структурные изменения бетона во времени.

Метод базируется на следующих основных принципах и положениях, которые определяют долговечность и механизмы разрушения бетона:

1) Бетон рассматривается как упругая квазиоднородная двухкомпонентная среда, состоящая из а) матрицы - цементного камня со структурными элементами щебня и песка; б) пустот, капилляров и трещин.

2) Все пустоты в структуре бетона могут быть рассмотрены как трещиноподобные дефекты структуры. Генерация трещин протекает во времени, и этот процесс можно назвать «старением бетона».

3) Пустоты в матрице представлены соподчиненной пятиуровневой системой (по форме и размерам, кратным диаметру; чем больше кратное, тем выше уровень), см. Табл. 4.2.

4) Процесс формирования и движения трещин рассматривается как результат внешних силовых и несиловых воздействий: в вершине каждой трещины своего уровня в каноническом объеме бетона возникают поля деформаций и напряжений, создающие схемы нормального отрыва и сдвига.

5) В качестве обобщенной константы свойства трещиностойкости бетона, его сопротивления образованию, накоплению в объемах и формированию магистральных трещин критических величин принят параметр Kcіј(τ) как алгебраическая сумма критических значений Kіј во всей системе всех уровней трещин - пустот, заполняющих канонический объем до критической концентрации.

6) Внешние температурные, влажностные и коррозионные длительные воздействия создают поля напряжений в вершинах пустот - трещин, оценка которых учитывается параметром D с применением положений теории старения бетона:

Kіс(τ) = Kіс(τо) D

7) Напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкции зависит от размеров и количества структурных дефектов и повреждений в бетоне и арматурной стали, интенсивности и режимов температурных, влажностных, коррозионных и силовых воздействий.

8) Трещины в структуре бетона, развивающиеся по механизмам нормального отрыва и поперечного сдвига, оказывают доминирующее влияние на несущую способность сечений ЖБК. Достигая критических размеров в процессе восприятия силовых и температурных воздействий, эти трещины приводят к локальным нарушениям сплошности сечений и к разрушению элемента в целом.

9) При определении долговечности ЖБК на стадии роста трещин в механике разрушения бетона используется понятие суммарной скорости. Суммарная скорость развития трещины равна арифметической сумме скоростей от действия статической и циклической нагрузок, от тепло-влажностного и коррозионного воздействий.

Долговечность рассматривается как третье предельное состояние, определяемое временным отрезком, в пределах которого в бетоне вследствие тепловых и коррозионных процессов, а также механических напряжений суммарная характеристика структурных дефектов, накопившихся в матрице и заполнителях, достигает критической величины, а остаточные физико-механические свойства удовлетворяют условиям эксплуатации. КИН железобетона принимается за основную характеристику, оценивающую накопление повреждений в материале.

Оценка остаточного ресурса ЖБК производится по признаку исчерпания предела долговечности ЖБК во времени. Критические значения KIC, KIIC представлены в Табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Зависимость параметров вязкости разрушения от класса бетона и категории долговечности

Алгоритм расчета долговечности и остаточного ресурса бетона включает в себя:

1. Сведения об внешних и других силовых воздействиях (температуры, влажности, коррозии) по проектным данным и результатам технического обследования. Срок службы по проекту.

2. Данные о свойствах компонентов бетона. Вид, количество, размер зерен заполнителя. Первичная защита от коррозии.

3. Данные о прочности цемента заполнителя, бетона и упругих свойствах. Трещиностойкость бетона.

4. Расчет пустотности бетона, общей, капиллярной и дифференциальной пористости цементного камня. Расчет дифференциальной и интегральной концентрации пустот. Классификация видов и количества пустот.

5. Операции по расчету КИН.

6. Операции по расчету долговечности от длительного воздействия всех внешних факторов.

7. Определение остаточного ресурса ЖБК.

Позиции 2, 3, 4 определяются по результатам морфологического анализа структуры бетонных образцов или по Табл. 4.2 и 4.3.

4.2. Критерии и параметры оценки остаточного ресурса ЖБК

Параметры оценки остаточного ресурса ЖБК, важных для безопасности, I категории ответственности, которые необходимо определить в ходе технического обследования, приведены в Табл. 3.1.

Критерием трещиностойкости в механике разрушения является структурный параметр материала, выраженный через коэффициент интенсивности напряжений (КИН) - K.

Показатели трещиностойкости бетона KIC, KIIC релаксируют во времени, их можно определить аналитически с учетом фактора времени для бетона заданного состава. Параметры трещиностойкости бетона KIC, KIIC начинают снижаться, достигая в пределе значения:

4.3. Расчет долговечности и остаточного ресурса ЖБК I категории ответственности при температурно-влажностных воздействиях

- Долговечность железобетонной конструкции в условиях температурных и влажностных воздействий зависит от количества структурных дефектов в бетоне, и изменения физико-механических свойств в бетоне и арматуре от интенсивности их воздействий.

Для конкретного состава бетона определим предельное значение критического коэффициента интенсивности напряжений по формуле:

= -0,015 + 0,001 Ra - 0,133 Ц/В + 0,006 Rc - 0,08 W1 - 0,583 Kag

где: Ra - прочность заполнителя;

Ц/В -цементно-водное отношение;

Rc - активность цемента;

W1 - влажность бетона;

Kag - количество крупного заполнителя в единице объема массы.

- Дефекты структуры бетона, как исходные, так и развивающиеся в результате силовых и несиловых воздействий разделяются на 5 основных видов (Табл. 4.3). Содержание пустот - пор и трещин видов 1, 2, 3 и 4 зависит от пористости бетона, а вида 5 - от объемного содержания зерен мелкого или крупного заполнителя.

Объемное содержание каждого вида пустот, пор и трещин зависит от пористости материала и объемного содержания заполнителя в бетоне и определяется физико-химическими исследованиями образца бетона. Если прогноз долговечности производится без изготовления кернов и опытных образцов, тогда необходимо пользоваться Табл. 4.3, при этом точность результатов расчета будет несколько ниже.

- Определив значения коэффициентов интенсивности напряжений для каждого вида пустот при температурном и влажностном воздействии в холодное и теплое время года и от силовой нагрузки , находим суммарный КИН.

,

где Ki - количество того или иного трещиноподобного дефекта в общем количестве микро- и макроповреждений (Табл. 4.4).

- Долговечность бетона ЖБК или время, в пределах которого структурные параметры бетона принятого состава достигнут предельных значений, равно:

, (результат - в годах)            (1)

где ψ - концентрационный критерий меры повреждения.

- Долговечность с учетом длительности воздействия нагрузки определяется по формуле:

, (результат - в годах) (2)

где: ;

С(∞,28) = 0,8 ( 56 / [KIC·π3/2] - 0,63) · 104

За остаточный ресурс принимается наименьший результат, полученный из формул (1) и (2).

Примеры расчета долговечности и остаточного ресурса ЖБК приведены в Приложении В.

Таблица 4.2

Коэффициенты интенсивности напряжений с учетом содержания пустот, капилляров и трещин в цементном камне

Таблица 4.3.

Содержание дефектов различных типов в единице объема бетона в зависимости от пористости бетона и объемного содержания заполнителя.

5. ПОДГОТОВКА РЕШЕНИЯ ПО ОЦЕНКЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЖБК

- Подготовка решения по оценке остаточного ресурса ЖБК, важных для безопасности, производится на основе результатов оценки технического состояния конструкций, относящихся ко II категории ответственности, и расчетной оценки остаточного ресурса ЖБК, относящихся к I категории ответственности.

- Для ЖБК, относящихся к I категории ответственности, обоснование остаточного ресурса производится методом расчета на основе механики разрушения (авторы метода Гузеев Е.А., Пирадов К.А., НИИЖБ), учитывающего изменение структурных особенностей бетона во времени, влияние воздействия отрицательных и высоких положительных температур, радиации, а также коррозии бетона и арматуры. Методика оценки остаточного ресурса ЖБК приведена в Разделе 4. Примеры расчета приведены в Приложении В.

Результат расчета остаточного ресурса ЖБК I категории ответственности [1], представляется в виде расчетного периода времени до перехода в предельное состояние конструкции, выраженный в годах.

- Обоснование остаточного ресурса ЖБК, относящихся ко II категории ответственности, производится на основе обеспечения и поддержания состояния эксплуатационной пригодности этих конструкций, что способствует поддержанию требуемого уровня безопасности станции.

- За остаточный ресурс ЖБК АЭС принимается расчетное время (в годах) безопасной эксплуатации ЖБК, важных для безопасности (относящихся к I категории ответственности [1]), при условии обеспечения состояния эксплуатационной пригодности остальных ЖБК зданий и сооружений АС.

- Результаты выполненных работ представляются в виде «Заключения об оценке технического состояния и остаточного ресурса ЖБК, важных для безопасности», в котором должны быть представлены;

оценка технического состояния и способы подтверждения остаточного ресурса ЖБК,

дата следующего контроля технического состояния или регламентированного ремонта,

перечень документации, на основе которой осуществлялась оценка,

перечень обнаруженных дефектов,

рекомендации по устранению дефектов и условиям и режимам дальнейшей эксплуатации конструкций,

результаты расчета остаточного ресурса ЖБК, важных для безопасности, выраженного в годах.

Приложение А

Перечень нормативно-технической и руководящей документации

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ЭЛЕМЕНТОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Таблица 1.

Классификация строительных конструкций, элементов зданий и сооружений АЭС с реактором РБМК 1000

Таблица 2.

Классификация строительных конструкций, элементов зданий и сооружений АЭС с реактором ВВЭР 440

Таблица 3.

Классификация строительных конструкций, элементов зданий и сооружений АЭС с реактором ВВЭР 1000 (В-320)

Таблица 4.

Классификация строительных конструкций, элементов зданий и сооружений АЭС с реактором ВВЭР 440 (В-213)

Таблица 5.

Классификация строительных конструкций, элементов зданий и сооружений АЭС НП с реактором ВВЭР 1000 (В-392)

ПРИЛОЖЕНИЕ В

МЕТОДИКИ И ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ПРИМЕР № 1. Расчет остаточного ресурса шахты реактора.

Исходные данные.

Шахта реактора выполнена из бетона марки М200 следующего состава:

Ц - 350 кг, Щ - 1200 кг (гранодиорит), П-700 кг, В - 140 кг, В/Ц - 0,4.

Толщина стенки биозащиты шахты - 3 м. Армирование по толщине стенки: 4 арматурных каркаса ∅16 АШ с шагом 200 мм. Защитный слой бетона 25 мм.

Наружная стенка биозащиты шахты подвергается воздействиям: с наружной стороны - климатической температуры и влажности, с внутренней - воздействию технологической температуры 90 °С и нейтронному потоку 1013 нейтр/см2.

Климатические (пиковые) параметры района нахождения станции (Билибино):

в зимнее время: температура (-55 °С), влажность воздуха 75%;

в летнее время: температура (34 °С), влажность воздуха 65%.

Требуется определить остаточный ресурс бетона шахты ректора, находящейся в эксплуатации 30 лет.

Методика расчета и вычисления.

В расчетах приняты максимальная и минимальная температуры холодного и теплого периодов, а не ее средние значения, что позволит, в конечном счете, иметь некоторый запас. Долговечность бетона определяется его структурой, поэтому в расчете используются параметры трещиностойкости бетона - критические (КИН) коэффициенты интенсивности напряжений - структурозависимые интегральные характеристики.

Предельное значение КИН для заданного состава бетона определяется по формуле, полученной в результате многофакторного анализа:

= -0,0148 + 0,0011 Rag + 0,1330 (Ц/В) + 0,0058 Rc - 0,0082 Wb - 0,5825 Kag

где: Rag = 80 МПа - прочность крупного заполнителя, для гранодиорита;

Ц/В - цементно-водное отношение;

Rc = 50,8 МПа - активность цемента (принят портландцемент Новороссийского завода;

Wb - влажность бетона, принимается в зависимости от влажности эксплуатационной среды W и содержания воды в исходном составе бетона по формуле:

Wb = W/100 + В/68 = 75/100 + 140/68 = 2,81 %;

Kag = 0,496 л/м3·10-3 количество заполнителя (крупного) в единице объема бетона, учитывая насыпной объемный вес гранодиорита 1300 кг/м3.

= -0,0148 + 0,0011·80 + 0,1330 (350/140) + 0,0058·50,8 - 0,0082·2,81 - 0,5825·0,496 = 0,388 МПа·м1/2.

Это максимально возможное значение КИН.

С течением времени предельное значение КИН уменьшается под климатическим, радиационным и другими видами воздействий.

Общая пористость бетона:

П = (В/Ц - 0,21α) Ц/1000 = (0,4 - 0,21 · 0,8) 350/1000 = 0,08 %

где: α = 0,8 - степень гидратации цемента;

В/Ц = 140/350 = 0,4 - водоцементное отношение.

Оцениваем исходное распределение пор и капилляров в бетоне шахты реактора по форме дефектов структуры в зависимости от пористости. При пористости П = 0,08% и количестве заполнителя в единице объема бетона Kag = 0,496 л/м3·10-3 до приложения внешней нагрузки виды пустот распределены следующим образом: круглые - 19%, эллипсовидные - 15%, трещинообразные - 20%, краевые - 4% и околозерновые - 42%.

Определяем максимальные напряжения в бетоне шахты с учетом возникновения макротрещины отрыва у наружной стенки шахты. Критическую длину трещины определяем по формуле:

м

где: h - толщина стенки шахты, м;

δ - толщина защитного слоя бетона, мм;

величину Rb для бетона данного состава определим по зависимости:

Rb = -17,18 + 0,1 Rag + 14,15 (Ц/В) + 0,49 Rc - 0,60 W - 39,75 Kag

Rb = -17,18 + 0,1·80 + 14,15 (350/140) + 0,49·50,8 - 0,60·2,81 - 39,75·0,496 = 29,6 МПа, - бетон М200, но вычисленное значение прочности по составу бетона более достоверно.

Рис. 1. Фрагмент бетона с трещиной.

Тогда, согласно принципам механики разрушения, максимально возможные напряжения в бетоне наружного слоя с учетом схемы приложения внешней нагрузки и армирования определяем следующим образом:

МПа,

где: = 27,5 МПа·м1/2 - критический коэффициент интенсивности напряжений стали,

As - площадь сечения арматуры на 1 п. м. (по ширине h стенки - 4 каркаса),

Kcrc - коэффициент, учитывающий перераспределение напряжений в арматуре при образовании трещины,

d - диаметр арматуры,

N = 21,3 МН (принято по Л.П. Трапезникову)

Бетон внутренней стенки шахты подвергается радиационному и тепловому воздействиям. Флюенс нейтронов составляет 1013 нейтр/см2. Так как для гранодиорита флюенс нейтронов составляет 1019 нейтр/см2, то радиационная стойкость бетона не вызывает сомнений. Однако трещина возникает в наружных слоях бетона, где поток нейтронов не затухает, а также учитывая эксплуатационную температуру на поверхности бетона 100 °C принимаем:

= 0,85 Rb = 0,85 · 29,6 = 25,2 МПа, и σb = 10,39 МПа.

Далее определяем величины коэффициентов интенсивности напряжений для пяти категорий различных дефектов структуры бетона по выше приведенному распределению.

Таблица 1

Определяем KI для замкнутых дефектов структуры бетона (1, 2, 3), см. Табл. 1.

В зимний период:

где: ;

θ - угол смачивания; Еm - модуль упругости матрицы, определяется по формуле:

Еm = -28720 + 12160 Ц/В + 182,5 Rc = -28720 + 12160·(350/140) + 182,5·50,8 = 10951;

TW = -55 °C; ΔT = 55 + 34 = 89 °C; Еi - модуль упругости льда;

lC,1 - характеристический размер замкнутого дефекта структуры;

αt,m - коэффициент линейного расширения матрицы цементного камня.

В летний период:

где: WS = W/100 + В/68 = 65/100 + 140/68 = 2,71%;

;

TS = 34 °C; ЕW - модуль упругости воды.

Определяем для краевой трещины типа 4 (см. Табл. 1).

В зимний период:

где: ,

с = 2π2/(π2 - 4) = 3,36

В летний период:

Околозерновые трещины типа 5.

Определим величину Р внутреннего усилия вокруг зерна заполнителя:

- для первого температурного диапазона (Т < 0 °С)

где: ас,1 = lс,1/ 100 = 10-3/102 = 10-5 м,

g = (1,7 + 14 αо) lcrc/(М - 2R) = (1,7 + 14·0,52) · 0,04/(0,06 - 2·0,02) = 17,96,

R - радиус зерен крупного заполнителя, принят диаметром 20 мм,

М = 3R = 0,06 м;

αо = 0,52 - соотношение модулей сдвигов зерна и матрицы,

lcrc = 2R = 0,04 м.

Для второго температурного диапазона (положительных температур):

Тогда для радиальной околозерновой трещины типа 5 (Рис. 1):

в зимнее время:

где: r = lcrc + R = 0,04 + 0,02 = 0,06;

α(r) = 2 (1 - μ1) r / {(r2 + (1 - 2 μ1) (М - R)2 + [(М - R)2 - r2] (1 - μ2)2 (М - R) Еag /

/ [(1 + μ1) (М - R - lcrc)·Еm} = 5,6·10-3;

ƒ(lcrc, R) = 2,26 - 0,15 lcrc/R = 2,26 - 0,15·2 = 1,96. Индекс «1» относится к заполнителю, «2» - к матрице.

в летнее время:

МПа·м1/2.

Это значение вычислено по Рs = 1,46·10-6 МН.

Для трещин, расположенных вокруг зерна заполнителя:

в зимнее время:

где: ; ;

β = ln α /2π = ln (3,69·109) /2π = 3,51;

α = (G1 + G2 · æ2) · (G2 + G1 · æ1) = (24000+12480 · 2,81) · (12480+24000 · 2,08) = 3,69·109

В летнее время:

МПа·м1/2, вычислено по предыдущей формуле по Рs = 1,46·10-6 МН.

Суммарный коэффициент интенсивности напряжений (КИН) составит:

В зимний период:

= (0,19 + 0,15 + 0,20) · 3,33 + 0,04 · 4,295 + 0,21 · 8,53·10-10 +

+ 0,21 · 9,34 · 10-5 = 1,7982 + 0,1718 + 1,7913 · 10-10 + 1,9614 · 10-5 = 1,97 МПа·м1/2,

где: ki,j - берем из Табл. 1.

В летний период:

= (0,19 + 0,15 + 0,20) · 2,96 + 0,04 · 1,83 + 0,21 · 1,092 · 10-5 +

+ 0,21 · 1,1912 = 1,5984 + 0,0732 + 0,2293 · 10-5 + 0,2502 = 1,92 МПа·м1/2,

Коэффициент интенсивности напряжений при действии силовой нагрузки определяем для каждого из 5-ти видов трещин (см. Табл. 1).

Для трещин круглой формы:

МПа·м1/2.

Для трещин эллипсовидной формы:

МПа·м1/2.

Для трещинообразных дефектов:

МПа·м1/2.

Для краевых трещин:

МПа·м1/2.

Для околозерновых трещин:

МПа·м1/2.

Тогда суммарный КИН от силового воздействия равен:

= 0,159 + 0,29 + 0,43 + 0,134 + 1,16 = 2,173 МПа·м1/2.

Время безопасности эксплуатации бетона шахты реактора составит:

года.

С учетом предшествующего 30-летнего срока эксплуатации, остаточный ресурс бетона шахты составит: 72 - 30 = 42 года.

ПРИМЕР 2. Расчет остаточного ресурса бетона армопанелей стеновой сборно-монолитной конструкции.

Исходные данные.

Стеновая конструкция - сборно-монолитная. Поперечная схема стенки показана на Рис. 2:

- в середине - неармированный литой бетон,

- наружные 2 слоя (использованные в т. ч. в виде опалубки при изготовлении конструкции) - сборные железобетонные армопанели.

Характеристика слоя литого бетона:

проектный класс бетона В20; В/Ц = 0,6; эксплуатационная влажность 3%.

Характеристика элементов армопанелей:

Проектный класс бетона армопанелей - В30 (Rb = 155 кг/см2).

Арматура в армопанелях - ∅40 класса АШ:

Рис. 2. Фрагмент горизонтального сечения сборно-монолитной стенки по толщине. Вид сверху.

Эксплуатационные температуры:

Температура внутренней горячей грани Т = 250 °C

Температура наружной холодной грани Т = 20 °C

Срок эксплуатации конструкции 28 лет.

Требуется: определить остаточный ресурс конструкции.

Методика расчета и вычисления.

Состав бетона не задан, поэтому характеристики трещиностойкости бетона определяются следующим образом:

1) Кубиковая прочность бетона Rm:

,

Решаем квадратное уравнение:

Rm = 20,7 МПа,

еще одним корнем квадратного уравнения (= 749,3) пренебрегаем.

2) Прочность бетона на растяжение Rbt:

МПа

3) Параметры трещиностойкости бетона:

KIC = 0,221 + 0,269 · ln Rbt = 0,221 + 0,269 · ln 3,77 = 0,578 МПа·м1/2,

МПа·м1/2.

Для литого бетона:

призменная прочность литого бетона Rb = 12,4 МПа, поэтому (см. выше):

1)

Rm = 16,54 МПа,

2) МПа

3) KIC = 0,221 + 0,269 · ln 3,23 = 0,536 МПа·м1/2,

KIIC = 0,39 12,40,73 = 2,45 МПа·м1/2.

Общая пористость бетона армопанелей:

П = (В/Ц - 0,21α) Ц/1000 = (0,6 - 0,21·0,8) 350/1000 = 0,15 %; при этом Ц ≈ 350 кг.

Тогда исходное распределение пор и капилляров в бетоне армопанелей (см. Рис. 1 в Примере 1): типа 1 - 20%, типа 2 - 14%, типа 3 - 18%, типа 4 - 8%, типа 5 - 40%.

Определяем максимальное напряжение в бетоне армопанелей:

где: - КИН бетона армопанелей;

и - КИН бетона соответственно армопанелей и литого слоя;

bs - защитный слой;

δ - толщина стенки панели;

hл.с - высота литого слоя.

Определяем параметры трещиностойкости для бетона армопанели, находящейся под воздействием температуры 250 °С.

Для дефектов структуры типа 1, 2, 3:

МПа·м1/2,

Для дефектов структуры типа 4: = 0

Величина внутреннего усилия вокруг зерна заполнителя:

МН.

Тогда для радиальной трещины:

где: α(r) вычислено по значению Еm = 12000 МПа.

Коэффициент интенсивности напряжений для околозерновой трещины:

Тогда суммарный КИН:

= 0,52 · 0,157 + 0,08 · 0 + 0,2 · 7,93 · 10-10 + 0,2 · 6,3 · 10-5 = 0,082 МПа·м1/2.

КИН при действии силовой нагрузки для каждого типа трещин (см. Табл. 1, пример 1):

Для трещин круглой формы:

МПа·м1/2.

Для трещин эллипсовидной формы:

МПа·м1/2.

Для трещинообразных дефектов:

МПа·м1/2.

Для краевых трещин:

МПа·м1/2.

Для околозерновых трещин:

МПа·м1/2.

Тогда суммарный КИН от силового воздействия равен:

= 0,219 + 0,399 + 0,604 + 0,25 + 1,6 = 3,072 МПа·м1/2.

Учитывая флюенс нейтронов 1022 нейтр/см2 при толщине полки плиты 0,25 м, примем изменение величины от воздействия радиационного потока по аналогии с изменением прочности бетона от температуры (см. Пример 1). Тогда с учетом радиации:

= 0,95 · 3,072 = 2,9184 МПа·м1/2.

Долговечность бетона внутренней армопанели, подвергающейся воздействию температуры 250 °С составляет:

лет.

(в формуле нет множителя «2», т. к. расчет проведен на 1 значение температуры t = 250 °С).

С учетом предшествующего 28-летнего срока эксплуатации, остаточный ресурс бетона внутренней армопанели практически нулевой, т. е. от совместного воздействия температуры и радиации бетон внутреннего слоя армопанели исчерпал свою долговечность.

Для бетона наружного слоя армопанели, работающего при температуре 20 °С:

где: σо = 0,076 Н/м;

gc - среднее расстояние между капиллярами.

Для краевого дефекта:

где: bс = lс (1 - 0,01 W) / 2 = 10-3 (1 - 0,01 · 3) / 2 = 4,85·10-4.

Определим величину внутреннего усилия вокруг зерна.

Р = 2π cosθ (7,6 - 0,02 Т) · lс · ас = 2π cos 35 (7,6 - 0,02 · 20) · 10-3 · 10-5 = 3,7 · 10-7 МН.

Тогда для радиальной трещины:

и для околозерновой трещины:

Тогда суммарный КИН равен:

KIС, 20° = 3,377 · 10-3 · 0,52 + 2,995 · 10-3 · 0,08 + 0,2 · 2,77 · 10-6 + 0,2 · 0,09 = 0,0199 МПа·м1/2.

Долговечность бетона наружной армопанели с температурой эксплуатации 20 °С составляет:

лет.

С учетом предшествующего 28-летнего срока эксплуатации, остаточный ресурс бетона наружной армопанели составляет: 125,3 - 28 = 97,3 лет.

ПРИМЕР 3. Расчет долговечности колонны.

Исходные данные:

Состав бетона наружного слоя колонны: цемент Ц-490 кг, щебень Щ-1050 кг, песок П-630 кг, вода В-175 л. Температура эксплуатации в зимнее время –10 °С, влажность 2,56 %, температура в летнее время +20 °С, влажность 1,12 %. Внутренняя часть колонны выполнена из бетона В15. Размеры и армирование колонны показано на Рис. 3.

Требуется определить долговечность бетона, предназначенного для омоноличивания колонны.

Рис. 3.

Определим предельное значения коэффициента интенсивности напряжений (КИН) для заданного состава бетона:

= -0,0148 + 0,0011 Rag + 0,1330 Ц/В + 0,0058 Kc - 0,0082 W - 0,5825 Kag =

= -0,0148 + 0,0011 · 80 + 0,1330   (490 / 175) + 0,0058 · 46,0 - 0,0082 · 2,56 - 0,5825 · 0,43 =

= 0,442 МПа·м1/2

где: Rag = 80 МПа, Rc = 46,1 МПа; Kag = 0,43.

Оцениваем исходное распределение пор и капилляров в бетоне для омоноличивания колонн по их форме (до приложения внешней нагрузки) согласно таблице, исходя из следующих характеристик бетона: пористость 0,06, объемная концентрация зерен заполнителя- 0,43 (0,4).

Напряжения в бетоне наружного слоя определены с учетом армирования и напряжений, возникающих в существующем бетоне класса В15 согласно принципам механики разрушения и условиям равновесия:

где: = 22,0 МПа·м1/2 для стали класса А-Ш;

= 27,5 МПа·м1/2 для стали марки Ст-3;

= 0,65 МПа·м1/2 для бетона В-15.

Из предыдущего уравнения найдем σb,3 = 2,23 МПа.

Величина для замкнутого дефекта:

в зимнее время:

где: bc,1 = lc,1 (1 - 0,01 W) / 2 = 10-3 (1- 0,01 · 2,56) / 2 = 4,87 · 10-4;

в летнее время:

где: bc,1 = lc,1 (1 - 0,01 W) / 2 = 10-3 (1 - 0,01 · 1,12) / 2 = 4,94 · 10-4.

Определим величину для краевой трещины:

где: с = 2 π2 / (π2 - 4) = 3,36;

f(bc,2/lc,2) = 0,12 (1 - 4,87 · 10-4 / 10-3) = 0,062.

В летнее время:

где: f(bc,2/lc,2) = 0,12 (1 - 4,94 · 10-4 / 10-3) = 0,061.

Определим величину Р внутреннего усилия вокруг зерна заполнителя.

Для первого температурного диапазона:

РW = [2 (0,0003 - 0,000008 Т) · ΔT E1   lc,1/2 - bc,1) + аt,m · Em · lc,1] · g · lc,1 =

= [2 (0,0003 - 0,000008·10)·30·5000 (103/2 - 4,87·104) + 11,5·106·12000·10·17,96]·103·105 = 4·1011 МН,

где: аc,1 = lc,1 / 100 = 10-3 / 100 = 10-5;

g = (1,7 + 14 ао) lcrc / (М - 2R) = (1,7 + 14 · 0,52) 0,04 / (0,06 – 2 · 0,02) = 17,96;

R = 0,02 м; M = 3R = 0,06 м; ао = Gr/Gta = 0,52; lcrc = 2R = 0,04 м.

Для второго температурного диапазона:

РS = [2π cosθ (7,6 - 0,02 · T) + αt,m · ΔT · Em · lc,1 · gc,1 - 2(0,00007 + 0,000008 · Т) · ΔT · EW ·

· gc,1 · (lc,1 / 2 - bc,1)] · lc,1 · аc,1 = [2π cos 35 (7,6 - 0,02 · 20) + 11,5 · 10-6 · 30 · 12000 · 10-3 · 17,96 -

- 2 (0,00007 + 0,000008 · 20) · 30 · 1000 · 17,96 · (10-3/2 - 4,94 · 10-4)] · 10-3 · 10-5 = 3,71·10-5 МН

Тогда для радиальной трещины:

где: r = lcrc + R = 0,04 + 0,02 = 0,06 м;

f(lcrc, R) = 2,26 - 0,15 lcrc/R = 2,26 - 0,15 · 0,04 / 0,02 = 1,96.

В летнее время:

= 4,25 · 10-5 МПа (вычислено по значению Р = 3,71 · 10-7 МН).

Далее определяем коэффициент интенсивности напряжений от температурно-влажностного воздействия для околозерновых трещин:

В зимнее время:

; ;