ЛЕКЦИЯ 4

Техническое состояние зданий и сооружения ядерных установок

Здания и сооружения ядерных установок представляют собой сложные строительные системы, состоящие из ряда конструктивных элементов, объединенных с помощью различных стыковых соединений.

Особенностью таких систем является то обстоятельство, что их эксплуатационные качества разнородны и зависят от таких же качеств составляющих их элементов, а также от связей между ними.

Основной характеристикой зданий и сооружений ядерных установок является их техническое состояние.

Для понимания ниже изложенного материала введем основные определения и понятия.

Техническое состояние - совокупность подверженных изменению в процессе производства или эксплуатации свойств элемента (объекта в целом), характеризуемая в определенный момент времени признаками, установленными технической документацией и (или) по результатам работ по управлению надежностью (ресурсом) элементов.

Элементы здания - конструкция и технические устройства, составлявшие здание и предназначенных для выполнения заданных функций.

Неисправность элемента здания - состояние момента, при котором им не выполняется хотя бы одно из заданных эксплуатационных тре­бований.

Повреждение элемента здания - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния элемента здания или его составных частей.

Дефект элемента здания - неисправность элемента здания, вызванная наруше­нием правил, норм и технических условий при его изготовлении, монтаже или ремонте.

Физический износ здания (элемента) - показатель, характеризующий степень ухудшения технических и связанных с ними других эксплуатационных показателей здания (элемента) на опре­деленный момент времени.

Моральный износ здания - постепенное (во времени) отклонение основных эксплуатационных показателей от современного уровня технических требований эксплуатации зданий и сооружений.

Остаточный ресурс - суммарная наработка элемента от момента контроля его технического состояния до перехода в предельное состояние.

Предельное состояние - состояние элемента, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Диагностика - установление и изучение признаков, характеризующих состояние строительных конструкций зданий и сооружений для определения возможных отклонений и предотвращения нарушений нормального режима их эксплуатации.

Обследование - комплекс мероприятий по определению и оценке фактических значений контролируемых параметров, характеризующих эксплуатационное состояние, пригодность и работоспособность объектов обследования и определяющих возможность их дальнейшей эксплуатации или необходимость восстановления и усиления.

Дефект - отдельное несоответствие конструкций какому-либо параметру, установленному проектом или нормативным документом (СНиП, ГОСТ, ТУ, СН и т.д.).

Повреждение - неисправность, полученная конструкцией при изготовлении, транспортировании, монтаже или эксплуатации.

Поверочный расчет - расчет существующей конструкции по действующим нормам проектирования с введением в расчет полученных в результате обследования или по проектной и исполнительной документации геометрических параметров конструкции, фактической прочности строительных материалов, действующих нагрузок, уточненной расчетной схемы с учетом имеющихся дефектов и повреждений.

Критерии оценки - установленное проектом или нормативным документом количественное или качественное значение параметра, характеризующего прочность, деформативность и другие нормируемые характеристики строительной конструкции.

Категория технического состояния - степень эксплуатационной пригодности строительной конструкции или здания и сооружения в целом, установленная в зависимости от доли снижения несущей способности и эксплуатационных характеристик конструкций.

Оценка технического состояния - установление степени повреждения и категории технического состояния строительных конструкций или зданий и сооружений в целом на основе сопоставления фактических значений количественно оцениваемых признаков со значениями этих же признаков, установленных проектом или нормативным документом.

Нормативный уровень технического состояния - категория технического состояния, при котором количественное и качественное значение параметров всех критериев оценки технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений соответствуют требованиям нормативных документов (СНиП, ТСН, ГОСТ, ТУ, и т.д.).

Исправное состояние - категория технического состояния строительной конструкции или здания и сооружения в целом, характеризующаяся отсутствием дефектов и повреждений, влияющих на снижение несущей способности и эксплуатационной пригодности.

Работоспособное состояние - категория технического состояния, при которой некоторые из численно оцениваемых контролируемых параметров не отвечают требованиям проекта, норм и стандартов, но имеющиеся нарушения требований, например, по деформативности, а в железобетоне и по трещиностойкости, в данных конкретных условиях эксплуатации не приводят к нарушению работоспособности, и несущая способность конструкций, с учетом влияния имеющихся дефектов и повреждений, обеспечивается.

Ограниченно работоспособное состояние - категория технического состояния конструкций, при которой имеются дефекты и повреждения, приведшие к некоторому снижению несущей способности, но отсутствует опасность внезапного разрушения и функционирование конструкции возможно при контроле ее состояния, продолжительности и условий эксплуатации.

Недопустимое состояние - категория технического состояния строительной конструкции или здания и сооружения в целом, характеризующаяся снижением несущей способности и эксплуатационных характеристик, при котором существует опасность для пребывания людей и сохранности оборудования (необходимо проведение страховочных мероприятий и усиление конструкций).

Аварийное состояние - категория технического состояния конструкции или здания и сооружения в целом, характеризующаяся повреждениями и деформациями, свидетельствующими об исчерпании несущей способности и опасности обрушения (необходимо проведение срочных противоаварийных мероприятий).

Степень повреждения - установленная в процентном отношении доля проектной несущей способности строительной конструкцией.

Несущие конструкции - строительные конструкции, воспринимающие эксплуатационные нагрузки и воздействия и обеспечивающие пространственную устойчивость здания.

Нормальная эксплуатация - эксплуатация конструкции или здания в целом, осуществляемая в соответствии с предусмотренными в нормах или проекте технологическими или бытовыми условиями.

Эксплуатационные показатели здания - совокупность технических, объемно-планировочных, санитарно-гигиенических, экономических и эстетических характеристик здания, обусловливающих его эксплуатационные качества.

Текущий ремонт здания - комплекс строительных и организационно-технических мероприятий с целью устранения неисправностей (восстановления работоспособности) элементов здания и поддержания нормального уровня эксплуатационных показателей.

Капитальный ремонт здания - комплекс строительных и организационно-технических мероприятий по устранению физического и морального износа, не предусматривающих изменение основных технико-экономических показателей здания и сооружения, включающих, в случае необходимости, замену отдельных конструктивных элементов и систем инженерного оборудования.

Реконструкция здания - комплекс строительных работ и организационно-технических мероприятий, связанных с изменением основных технико-экономических показателей (нагрузок, планировки помещений, строительного объема и общей площади здания, инженерной оснащенности) с целью изменения условий эксплуатации, максимального восполнения утраты от имевшего место физического и морального износа, достижения новых целей эксплуатации здания.

Модернизация здания - частный случай реконструкции, предусматривающий изменение и обновление объемно-планировочного и архитектурного решений существующего здания старой постройки и его морально устаревшего инженерного оборудования в соответствии с требованиями, предъявляемыми действующими нормами к эстетике условий проживания и эксплуатационным параметрам жилых домов и производственных зданий.

Восстановление - комплекс мероприятий, обеспечивающих повышение эксплуатационных качеств конструкций, пришедших в ограниченно работоспособное состояние, до уровня их первоначального состояния.

Усиление - комплекс мероприятий, обеспечивающих повышение несущей способности и эксплуатационных свойств строительной конструкции или здания и сооружения в целом по сравнению с фактическим состоянием или проектными показателями.

Факторы, влияющие на техническое состояние зданий и сооружений ядерных установок

С момента ввода АЭС в эксплуатацию все ее элементы и конструкции постепенно снижают свои качества в результате воздействия многих физико-химических, химических и радиационных факторов силового и не силового воздействия.

Анализ причин повреждений элементов зданий позволяет выделить четыре группы факторов, степень влияния которых в каждом конкретном случае может быть различной по интенсивности воздействия.

1. Воздействие внешних факторов - включает природные и искусственные.

Природные – атмосферные, климатические, грунтовые, биологические и сейсмические воздействия.

Искусственные – различные виды нагрузок, взрывы, вибрации, удары, блуждающие токи.

2. Воздействия технологических факторов - агрессивные среды, технологические загрязнения, химические загрязнения, механические воздействия, воздействие радиации.

3. Проявления дефектов проектирования и строительства зданий – ошибки проектирования, нарушение технологических регламентов производства работ.

4. Нарушение режима эксплуатации зданий – протечки, несвоевременный ремонт.

Факторы, влияющие на долговечность защитных бетонных и железобетонных конструкций АЭС приведены на рис. 2.1.1.

Рис. 2.1.1 Факторы, влияющие на долговечность защитных бетонных и железобетонных конструкций АЭС.

В результате таких воздействий те или иные элементы, конструкции или здание в целом теряют свои эксплуатационные качества.

Рассмотрим более подробно важнейшие факторы с учетом специфики зданий и сооружений АЭС.

Факторы не силового воздействия.

Радиационные факторы.

Эксплуатация АЭС сопрововождается воздействием излучений на неорганические, органические и полимерные материалы, используемые для возведения несущих и ограждающих конструкций радиационной защиты (бетон, металлические облицовки, лакокрасочные покрытия и пластикат. Результатом воздействия\ является образование радиационных дефектов в кристаллической структуре неорганических материалов и молекулярной структуре органических и полимерных, накопление которых приводит к радиационным повреждениям материала и изменению его свойств.

Способность материала сохранять свои эксплуатационные свойства в процессе или после облучения называется радиационной стойкостью.

Наименьшей чувствительностью к облучению имеют материалы со связью металлического типа (металлы) и ионной связью (бетон) а высокая чувствительность наблюдается у материалов с ковалентными связями (органические и полимерные). Радиационные повреждения неорганических материалов в основном обусловлены накоплением дефектов их структуры за счёт процессов взаимодействия излучений с ядрами вещества (одним из видов такого излучения является нейтронное излучение ядерных реакторов.

Дефекты в структуре полимеров и органических материалов образуются в результате процесса ионизации и возбуждения молекул вещества излучением любого вида.

В настоящий момент установлено, что изменение свойств бетона в зависимости от флюенса нейтронов, определяется видом заполнителя. Причиной изменения свойств заполнителей являются радиационные дефекты в их кристаллической фазе. В результате этих изменений появляются положительные радиационные линейные и объемные деформации. Эти процессы приводят к возникновению микротрещин, которые в дальнейшем приводит к раскрытию трещин и растрескиванию бетона и изменению важных характеристик, таких как прочность, модуль упругости, теплопроводность, коэффициент температурного линейного расширения, плотность и др. Структура и свойства бетона изменяются под воздействием нейтронного излучения ядерного реактора в процессе эксплуатации блока АЭС.

Необходимо отметить, что бетонные защитные конструкции, подвергающиеся воздействию нейтронного излучения, находятся только в приреакторном пространстве и число их ограниченно. Прежде всего это конструкции «сухой» защиты и шахты реактора.

Структура и свойства лакокрасочных материалов и пленочных покрытий, в том числе пластиката, изменяются под воздействием не только нейтронного, но и других видов излучения (альфа, бета, гамма). Поэтому влияние излучений на эти материалы будет не только в период эксплуатации АЭС, но также при реконструкции, продлении срока службы, при выводе блока из эксплуатации.

Физическико-химические факторы

К физическим факторам прежде всего относятся попеременное замораживание – оттаивание, увлажнение –высушивание, воздействие солнечной радиации, которая вызывает ежесуточный нагрев и охлаждение. Причем наиболее сильное воздействие на бетон оказывает попеременное нагревание – охлаждение.

Химические факторы. Эти факторы можно рассматривать также как факторы внешней и внутренней агрессивной среды. Агрессивная среда может быть газообразной, жидкой или твердой. По степени воздействия на железобетонные конструкции агрессивность среды может быть слабой, средней, сильной (разрушающей).

К газообразной агрессивной среде (внешней и внутренней) относятся: промышленные газы содержащие SO₂ и Cl, водяные пары, пары кислот, окисляющие газы и др.

К жидкой агрессивной среде (внешней и внутренней) относятся: кислотные дожди, технические кислоты, жиры, органические жидкости, минеральные и растительные масла, образование кислот в конденсате, нефтепродукты и др.

К твердой агрессивной среде, прежде всего, относятся взвешенные частицы дыма и пыли.

Агрессивная среда в виде газа, паров кислот, паров воды, туманов оказывает воздействие, степень и характер которого зависит от состава среды, влажности и температуры.

Жидкая агрессивная среда оказывает воздействие, которое зависит от химического состава, температуры, скорости притока к поверхности конструкции, а так же от вида вяжущего и плотности бетона.

Агрессивная среда твердых тел проявляется в присутствии влаги и конденсата, растворяющего соли и образующего жидкие агрессивные среды.

Под влиянием перечисленных агрессивных факторов физико-химического воздействия некоторых жидкостей и газов бетонные конструкции могут разрушаться. Коррозия бетона вызывается почти исключительно разрушением цементного камня. Коррозия цементного камня происходит под действием мягкой воды, растворов кислот некоторых солей и кислых газов на составные части цементного камня, главным образом на Ca(OH)₂ и 3CaO . Al₂O₃ . 6H₂O.

Коррозия бетона подразделяется на три вида.

Коррозия первого вида начинается с растворения свободного гидрооксида кальция, выделяемого цементом при гидротации. Выщелачивание Ca(OH)₂ в количестве 15 – 30 % общего содержания в цементном камне вызывает понижение его прочности на 40 – 50 %.

Коррозия второго вида вызвана образованием легкорастворимых солей при действии кислот, кислых газов и других агрессивных веществ на гидрооксид цементного камня.

Коррозия третьего вида обусловлена образованием в порах цементного камня соединений, занимающих больший объем, чем исходные продукты реакции. Это вызывает появление внутренних напряжений и растрескивания (сульфоалюминатная и щелочная коррозия).

При эксплуатации зданий и сооружений АЭС в результате неадекватного воздействия внешней среды, внутренних технологических и эксплуатационных процессов, в различных конструктивных элементах возникают напряжения и деформации, способствующие процессам разрушения. Разрушения нагруженных конструкций проходит три стадии:

- стадия зарождения трещин в местах концентрации напряжений и образование различных дефектов;

- стадия медленного их развития;

- стадия лавинообразного разрушения при достижении критических напряжений и деформаций.

Факторы силового воздействия.

Силовые воздействия – это воздействия, связанные с природными и техногенными происшествиями и катастрофами (ударные волны, смерчи, вихри, вибрации, падение летящих предметов, террористические акты и др.)

Все перечисленные факторы и причины, вызывающие повреждения приводят к возникновению дефектов трех категорий:

Категория I – аварийное состояние, устраняемое заменой конструкций или усилением;

Категория II – повреждение несущих конструкций, устраняемые при ремонте;

Категория III – повреждения не снижающие несущую способность конструкций и устраняемые при ремонте.