В своей работе связанной с экспертизой промышленной безопасности зданий и сооружений приходится сталкиваться с так называемыми высотными сооружениями а именно промышленными дымовыми трубами. Опыт эксплуатации промышленных дымовых труб позволяет классифицировать повреждения и причины их возникновения, сформулировать основные правила нормальной эксплуатации промышленных труб и газоотходов.

Железобетонные дымовые трубы получили наибольшее применение и используются для удаления слабо-, средне- и сильноагрессивных газов. Одним из наиболее повреждаемых элементов конструкций железобетонных труб являются кирпичная футеровка труб вследствие температурных деформаций материалов, взрыва газовой смеси в трубе - "хлопка", разрушения кирпича и раствора от агрессивного воздействия отводимых газов, их абразивного износа твердыми частицами компонентов шихты в результате неполного сгорания топлива и др.

Рассмотрим техническое состояние футеровки железобетонных дымовых труб на примере одного из существующих газоперерабатывающих заводов.

Рассматриваемая группа труб предназначена для удаления газов от печей регенерации и печей дожига установок получения серы. Рассматриваемые трубы, представляют собой внешний железобетонный  ствол, внутри которого  сооружен  внутренний отдельно стоящий газоотводящий кирпичный ствол.

Внешний железобетонный ствол и внутренний кирпичный ствол защищены с внутренней стороны футеровкой из кислотоупорного кирпича,  между слоем футеровки и внешним железобетонным стволом уложен утеплитель.

Кольцевой зазор между кирпичным и железобетонным стволом предназначен для отвода газов от установок дегазации. Газы от установки дегазации, при прохождении через кольцевой зазор, разбавляется с атмосферным воздухом до необходимой концентрации. Атмосферный воздух подается через воздухозаборные отверстия в нижней части железобетонного ствола.

При штатном режиме работы оборудования температура удаляемых дымовых газов на входе в дымовые трубы, например для труб установок 2У50 и 3У50, достигает 550°С. Отводятся дымовые газы:   CO₂ -11,53% (10,1%); H₂O – 26,15% (22,82%); SO₂ – 0,35% (0,33%); Н2S до 0,01%; О₂ – 1,29%(3,39%);  N₂ – 60,67%(60,1%). При таких условиях в первую очередь происходит разрушение футеровки вплоть до процессов коррозии защитного слоя бетона железобетонного ствола трубы, связанные с потерей ингибирующих свойств бетона для стальной арматуры.

Дефект дымовой трубы определяется как одиночное или совокупное отклонение качества, формы, фактических размеров конструкций, их элементов и материалов от требований нормативных документов или проектов, возникающее при проектировании, изготовлении, возведении или монтаже, и проявляется в виде повреждений, возникающих при эксплуатации вследствие механических (силовых, температурно-влажностных), химических или комбинированных воздействий.

Среди основных дефектов и повреждений  обследованной группы дымовых труб можно выделить следующие:

• повреждения футеровки в виде вертикальных трещин;
• разрушение кладки слезниковых поясов футеровки;
• повреждение кирпичей кладки внутреннего ствола трубы парами сернистой кислоты на уровне ввода газоходов;
• ослабление натяжки и смещение стяжных колец кирпичного ствола трубы;
• просадка утеплителя;
• разрушение защитного слоя бетона с оголением арматуры консоли железобетонного ствола трубы.

Состояние оснастки, оснований и фундаментов дымовых труб работоспособное.

Имеющиеся дефекты и повреждения футеровки  значительно ухудшают качество утеплителя надежность и долговечность железобетонного и  кирпичного стволов дымовой трубы.

По многочисленным картограммам дефектов футеровки всех обследованных дымовых труб наблюдается вспучивание раствора на консольных участках кладки футеровки по всей высоте трубы (рис. 1), местами оголяется внешний ствол дымовой трубы, разрушается защитный слой бетона до оголения и коррозии арматуры (рис. 2). На верхних участках футеровки, ближе к устью трубы, образуются вертикальные трещины с раскрытием до 20 мм и длиной до 5м (рис. 3). Следует отметить, что указанные повреждения образуются при достаточно «хорошей» организации ремонта и эксплуатации дымовых труб.

Анализ эксплуатационной среды, воздействующей на футеровку дымовых труб, показывает наличие серосодержащих агрессивных газов: SO₂ и H₂S, которые при взаимодействии с цементным камнем раствора футеровки и бетона самой трубы приводят к образованию слаборастворимых солей с содержанием кристализационной воды. Углекислый газ также является одним из агрессивных компонентов эксплутационной среды, который при взаимодействии с Ca(OH)₂, образующимся в больших количествах при гидролизе силикатов кальция цемента при затворении водой, образует карбонат кальция, выпадающий в осадок, и ведущий к коррозии бетона и раствора из-за массовой карбонизации бетона (содержание СО₂ более 5%) и коррозии арматуры за счет снижения рН поровой жидкости цементного камня. Кроме того, существенное влияние оказывает высокая температура внутри трубы  до 550°С, которая ведет к потере гидратной воды и невозможности дальнейшей гидратации раствора кладки и, как следствие, – ее деградации. Все эти воздействия приводят к снижению прочности раствора кладки кирпичной футеровки трубы и снижению прочности ствола железобетонной трубы.

Кроме эксплуатационной среды не нужно забывать и о внешнем воздействии, приводящем к ускоренному разрушению дымовых труб – это климатические факторы (попеременное увлажнение и осушение осадками; солнечная радиация; отрицательные температуры, приводящие образованию конденсата между футеровкой и стволом трубы) и механические нагрузки (собственный  вес; ветер; соотношение большой высоты при относительно малом сечении).

Для подтверждения предположения правильности механизма были исследованы образцы кирпича и раствора  из кладки футеровки кирпичного ствола всех действующих труб газоперерабатывающего завода. Исследования составов проводились методами рентгенофазового анализа (РФА), растровой электронной микроскопии и спектроскопии в Инновационном центра ФГБОУ ВПО УГНТУ «Лаборатории нанотехнологий цементных систем имени профессоров А.Ф. Полака и Н.Х Каримова».  

Рентгенофазовый анализ выявил, что в составе образцов присутствуют в значительном количестве кристаллы новообразований, вызывающие разрушение кирпича и раствора  кладки кирпичной футеровки дымовых труб, вследствие воздействия, в первую очередь, серосодержащих газов, в том числе Gypsum CaSO₄·2H₂O, Epsomite MgSO₄·7H₂O, Anhydrite CaSO₄, Kieserite MgSO₄·H₂O. Последние два минерала, видимо, образуются за счёт дегидратации из-за высоких температур, соответственно, из двуводного гипса и эпсомита. Обнаруженные во всех исследованных составах в большом количестве Vaterite CaCO₃, переходящий со временем при более высоких температурах в Calcite CaCO₃, вызваны карбонизацией раствора за счет довольно большой концентрации углекислого газа, как одного из агрессивных компонентов эксплуатационной среды дымовой трубы. Все эти вещества имеют достаточно большое процентное содержание в структуре бетона.

Морфологический анализ структуры поверхности образцов из футеровки и кирпича поврежденных составов показывает множество микротрещин, по-видимому, от воздействия высокой температуры и конденсата, который образуется между стволом железобетонной трубы и кирпичной футеровкой. Структура таких составов по сравнению со «здоровыми» (контрольными) составами имеет менее упакованную структуру со множеством игольчатых кристаллов гипса и других серосодержащих кристаллогидратных новообразований. Элементный химический анализ поврежденных составов показывает высокие пики элементов серы и углерода по сравнению со «здоровыми» материалами аналогичного состава.

Для восстановления и защиты дымовых труб рекомендуется выполнить следующие мероприятия:

• Выполнить ремонт трещин кладки шамотным раствором следующего  весового  состава:
• портландцемент М400 – 16– 20%;
• шамотный заполнитель – 80-84%;
• глина огнеупорная  –  4– 6 % (от веса вяжущего и заполнителя).
• Восстановить кладку повреждённых участков футеровки штучными материалами должна выполняться в следующей технологической последовательности:
• приготовление химически стойких замазок (растворов);
• футеровка ствола трубы;
• сушка футеровки;
• окисловка (при необходимости) швов.

Нанесение составов, имеющих кислые отвердители, на бетонную поверхность не допускается. Перед нанесением этих составов бетонные поверхности должны быть предварительно защищены промежуточным слоем материала, указываемого в проекте.

Футеровочные штучные материалы должны быть отсортированы и подобраны по размерам. Не допускается применять закислованные и замасленные материалы.

Число слоев футеровки или облицовки и вид химически стойких замазок (растворов) обычно указываются в проекте.

Ширина швов при футеровке на кислотостойких растворах для кирпича - 6 мм.

Во всех случаях выполнения кислотоупорной футеровки следует в составе раствора кладки использовать калиевое жидкое стекло, не образующее кристаллогидратов при воздействии сернистой и серной кислоты. Растворы на основе натриевого жидкого стекла этим качеством не обладают.

Выполнение указанных рекомендаций позволит значительно замедлить процесс разрушения футеровки, контактирующей с агрессивными дымовыми газами.

Таким образом, определение возможного агрессивного воздействия производственной среды на строительные конструкции при проектировании, правильный выбор материалов футеровки и способов защиты конструкций, качественное выполнение строительно-монтажных работ и правильная эксплуатация во многом влияет на долговечность футеровки дымовых труб.

Список использованной литературы:

П.А. МОРОЗОВ, канд. физ.-мат. наук,
зам. директора (ВНИИСМИ, г. Химки, Моск. обл.)

В.И. ОСИН
Ведущий инженер, специалист геофизических исследований

Н.И.ВЕТРОВ
Эксперт, специалист II уровня УК, ВИК

М.В.БРОВИКОВ
Начальник управления экспертизы зданий и сооружений

С.М.ГНЕДОВ
Эксперт, специалист II уровня УК, ВИК

В.С.СИДОРОВ
Эксперт, специалист II уровня УК, ВИК
ООО «МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ ИНЖИНИРИНГОВАЯ КОМПАНИЯ»

В рамках проведения экспертизы промышленной безопасности (ЭПБ) опасных производственных объектов (комплексного обследования) несущих и ограждающих конструкций существующих зданий и сооружений необходимо иметь информацию о конструкциях и геометрических параметрах фундаментов, а также о физических свойствах и характеристиках оснований фундаментов.

Крайне необходимы эти сведения в случаях, когда имеют место события, повлекшие за собой возникновение аварийных состояний, дефектов или проявление внешних признаков скрытых дефектов ограждающих и несущих конструкций связанные с:

• воздействием осадочных процессов в грунтах основания объекта;
• силовым воздействием на несущие, ограждающие конструкции здания, не предусмотренным проектными решениями;
• ошибками проектирования;
• нарушениями требований СНиП и проектных решений при производстве строительных работ;
• внешними воздействиями;
• стихийными бедствиями и т.д.

Информация, в том числе: об инженерно - геологических изысканиях, о конструктивных решениях, о нагрузках и воздействиях и т. д., в достаточном для проведения обследования объеме содержится в проектной и исполнительной документации на существующий объект.

В реальных же условиях, зачастую, эксперт сталкивается с ситуацией, когда в архиве владельца объекта таковая просто отсутствует.

Кроме того, далеко не всегда представляется возможным качественно провести обмерные работы в силу ограничения доступа к строительным конструкциям.

К объективным факторам ограничения доступа к обследуемым конструкциям (фундаменты и основания) следует отнести: особенности климатических условий районов изысканий (вечномерзлые грунты оснований, их обводненность), плотная застройка территории, наличие листов металла и арматурной сетки в конструкции полов, в устройстве отмостки и т. д.

Как вариант, решить возникшую конкретную (частную) задачу в условиях дефицита информации по фундаментам и основаниям объекта эксперт может, воспользовавшись методом георадиолокации.

Рассмотрим технические аспекты проблемы, которые сводятся к фактическому определению глубин погружения свай фундаментов зданий и сооружений, что связано, в первую очередь, с решением конкретных (частных) задач в ходе ЭПБ (комплексного обследования).

В настоящей статье приводятся некоторые примеры и порядок проведения работ по геофизическому обследованию оснований и фундаментов существующих зданий и сооружений с применением георадара «ЛОЗА-В».

Геофизический комплекс для определения границ геологических слоев «ЛОЗА» относится к классу геофизических приборов для исследования подповерхностной структуры почвы до глубины в несколько десятков метров. Принцип действия георадара основан на восстановлении картины раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью и проводимостью по отраженному сигналу.

Конструкция антенн комплекса «ЛОЗА-В» обеспечивает отсутствие паразитных «звонов» зондирующего импульса при размещении антенн на грунте.

Георадар «ЛОЗА-В» позволяет, регистрировать полную волновую форму отраженного импульса. Модель «В» ориентирована на выполнение сложных инженерно-геологических изысканий и археологических исследований с использованием анализа амплитуды отраженного сигнала и «3-D» обработки. Отраженные сигналы регистрируются и сохраняются в памяти георадара модели в полноволновой форме. Георадары модификации «Лоза-В «комплектуются антеннами с центральной частотой 100 и 150 МГц.

Георадарные исследования выполняются в соответствии с СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть V». Правила производства работ в районах с особыми природно-техногенными условиями.

П. 5.2.6. Геофизические исследования рекомендуется выполнять для решения следующих задач: - поиска пустот, древних эрозионных врезов, захороненных конструкций (старых фундаментов), погребенных древних колодцев, свалок, захоронений, заброшенных коллекторов и других коммуникаций.

Помимо традиционных геофизических методов, на застроенных территориях может быть использован метод радиоволнового зондирования с помощью георадара - переносного импульсного радиолокатора, позволяющего осуществлять разделение сред с различной диэлектрической проницаемостью по отраженному сигналу.

Георадарное зондирование, не требующее свободного пространства для развертывания необходимой аппаратуры, может эффективно применяться в условиях тесной городской застройки с интенсивным движением транспорта, а также при наличии помех в зоне воздействия объектов сильного радио- и электромагнитного излучения, затрудняющих использование других геофизических методов.

Использование георадара позволяет решить следующие задачи: выявление подземных поло-стей и пустот, трещин, зон разуплотнения, действующих и не используемых коммуникаций и коллекторов различного назначения, старых погребенных сооружений (подземных ходов, хранилищ, бомбоубежищ, засыпанных подвалов, галерей).

Прямое (радиолокационное) определение глубины погружения сваи с поверхности на глубину 10 – 20 метров осложняется малой площадью сечения отражения объекта. Торец стержня арматуры диаметром 10-12 мм будет зарегистрирован одной точкой отражения на георадарном профиле. Выделение и интерпретация этого отражения, как искомого, среди отражений от других геологических объектов, требует высокой квалификации оператора и допускает значительную вероятность ошибки (пример 1Б). В методике, разработанной и испытанной ООО «ВНИИСМИ» предложен способ зондирования, который значительно упрощает выделение искомого сигнала и определение глубины залегания объекта (пример 1А).

Провод, лежащий на земле или забуренный в почву (в данном случае роль провода, забуренного в почву играет вертикальный арматурный стержень (тело стальной трубы буроопускной (погружной) сваи), соединенный с проводом лежащем на земле), при некоторых условиях может канализировать (направлять) энергию электромагнитной волны. Для возникновения волны, бегущей вдоль провода, необходима асимметричная запитка его с помощью электрического диполя. Наилучшая запитка возникает, если расположить приемную и передающую антенны георадара перпендикулярно проводу посередине одного из полувибраторов. Возникающая при этом ТЕМ-волна, распространяется вдоль провода и отражается от его концов. Кроме концевых отражений, возможны отражения и от неоднородностей образованного проводом и средой волновода - например, от места присоединения провода к арматуре. Скорость распространения ТЕМ-волны в подземной среде, как обычно, определяется диэлектрической проницаемостью этой среды. Для участка провода, лежащего на поверхности, скорость распространения можно оценить через эффективную диэлектрическую проницаемость, равную половине диэлектрической проницаемости среды.

При продвижении георадара по проводу, соединенному с арматурой сваи, на экране БУИ появляются сигналы, вызванные отражениями от концов провода и арматурного стержня, а также от неоднородностей провода (место присоединения провода к арматуре).

• время задержки сигнала из скважины - Т_ск= Н/V_{сигнала в среде}
• время задержки сигнала на пути L₁ – Т₁ = L₁/(V_{сигнала в среде}·√2)
• время задержки сигнала на пути L₂ – Т₂ = L₂/(V_{сигнала в среде}·√2)
• время задержки сигнала на пути от точки «А» до конца провода в скважине - Т = Т₁ + Т₂.

Общий вид функций изменения задержек отраженных сигналов от концов провода и арматуры в зависимости от положения георадара, представлен на рисунке 2.

Схема проведения измерений приведена на рисунке 3.

Для нахождения глубины заложения необходимо знание свойств среды распространения. Скорость распространения сигнала в среде в (√ε) раз меньше, чем в воздухе (ε – диэлектрическая проницаемость среды). Измерение диэлектрической проницаемости среды и скорости распространения сигнала в среде возможно с помощью построения «годографа». Методика построения годографа при георадарном зондировании полностью аналогична методике построения сейсмических годографов. По результатам построения георадарного годографа, находится скорость и диэлектрическая проницаемость среды. Вычисления проводятся с помощью прикладного программного обеспечения, входящего в комплект поставки прибора.

Глубина погружения сваи – (Тск  ·Vсигнала в среде). Свойства среды (скорость распространения сигнала) можно экстраполировать на группу близлежащих свай, геологические условия в районе которых, идентичны месту измерения годографа. Учет свойств среды и нахождение скорости сигнала возможно более простым способом. Для этого необходимо обмерить (георадаром) сваю с известной глубиной забивки (контрольная свая).

А). Определение глубины погружения свай фундаментов под колонны здания ГПА КЦ «3», г/п «Уренгой-Грязовец» Сосьвинского ЛПУ МГ, ООО «Газпром трансгаз Югорск». 26.03.2015г. (Метод радиоволнового зондирования).

 Б).Георадарный разрез структуры грунта в основании фундаментов под колонны здания ГПА КЦ «3», г/п «Уренгой-Грязовец» Сосьвинского ЛПУ МГ, ООО «Газпром трансгаз Югорск». 26.03.2015г. (Интерпретация).

Определение глубины погружения свай фундаментов под колонны здания гаража, Комсомольский газ. промысел, ООО «Газпром добыча Ноябрьск». 06.07.2015г. (Метод радиоволнового зондирования).

Анализ практического применения методики определения глубины погружения свай фундаментов зданий и сооружений промышленного строительства в различных регионах РФ позволяет сделать вывод, что использованная методика может обеспечить оперативные измерения геофизическим комплексом «Лоза» как на одиночных металлических и железобетонных сваях, так и на объединенных ростверком с точностью ± 0.5 м.