ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина IX, брой 1, 2017

Ремонт и защита на стоманобетонни конструкции в енергетиката

Ремонт и защита на стоманобетонни конструкции в енергетиката

Производството, преобразуването, пренасянето и използването на различните видове енергия се дефинират най-общо като енергетика. Този изключително важен отрасъл не само изисква големи капиталовложения, но поставя и специфични проблеми за решаване при поддръжката на съоръженията. Всяка значима структура от стоманобетон, предназначена за нуждите на енергетиката, е с антикорозионно покритие.
Въпреки че редовната грижа гарантира дълга експлоатационна пригодност на съоръженията, все пак неминуемо възниква необходимостта от оценка на състоянието на конструкциите, от доказване на възможността за по-нататъшната им експлоатация, а нерядко и от усилване на отделни елементи или структури.


Преди да се предприемат ремонтни работи, независимо дали става дума за стоманени или стоманобетонни конструкции, основните стъпки са едни и същи - проучва се състоянието на съществуващата конструкция, определя се носещата ѝ способност, установява се дали има необходимост от усилване, избира се начин на работа, изчислява се структурата, изпълнява се проектът и едва тогава се защитава подходящо за дълготрайно използване.

Обследване на съществуващата конструкция
Първата стъпка от обследването е заснемането. Събират се наличните данни за геоложки проучвания, проектиране, изпълнение и използване на обекта. Прави се подробен оглед на състоянието на съоръжението. Установяват се конструктивната схема и натоварванията, които са въздействали на конструкцията във времето. Измерват се размерите на носещите елементи. Добре е да се направи съпоставяне, ако има налична документация, на реалните стойности с проектните - на измерените размери, на материалите, на самото изпълнение. Оценяват се качествата на вложените материали. Използват се и безразрушителни методи, и разрушително лабораторно изпитване на образци, изрязани от някои елементи, но подбрани така, че да не се наруши стабилността на конструкцията. Определят се характеристиките на бетона, видът и количеството на армировката.

Внимателно се проучват носещите елементи, като се прави схема на наличните повреди и се описват пораженията - място и размери на пукнатини, разрушения в бетона, корозия, скъсване или изкълчване на армировка и т.н. Една от спецификите на стоманобетонните конструкции е, че те неминуемо участват в поемането на сеизмични сили. В тази светлина обследването обикновено обхваща и елементи, които може да не са предназначени за поемане на технологични товари, но чието разрушаване при земетръс може да причини големи щети и жертви.

При обследването се уточняват и натоварванията, действащи в дадения период върху конструкцията, или предвидените, ако ще има промяна. Статическите изчисления се правят с реално установените натоварвания, геометрия, сечения и материали.

В резултат на установените дефекти и проведените контролни изчисления, а в някои случаи - и изпитвания, може да се даде техническо становище за състоянието на конструкцията и носещата ѝ способност, като се отчитат и наличните резерви по отношение на носимоспособността. Те могат да са обусловени от точното определяне на механичните характеристики, състоянието на използваните материали и натоварването. Намирането и обосноваването на резерви в носещата способност позволяват да се намали работата по усилване на конструкцията, а в много случаи се доказва, че усилване не е необходимо. Тогава ремонтните дейности се съсредоточават само върху възстановяване на участъци с незначителни повреди и на обработка на стоманобетонните повърхности за удължаване на живота им. Какво става обаче, ако е необходимо усилване?

Ремонт с усилване на елементите на носещата стоманобетонна конструкция
При експлоатация на дадена стоманобетонна конструкция в споменатия отрасъл усилването е възможно по два начина - или в условията на съществуващото натоварване, с частично разтоварване, или при спиране на технологичния процес. Като се има предвид спецификата на отрасъла, особено съоръженията с непрекъснат режим на работа, които са подложени на постоянно, силно деструктивно въздействие на газове и други разрушителни реагенти, става ясно, че спирането на процесите в повечето случаи е неизбежно. Това, от своя страна, подтиква собственици, производители, учени и проектанти да търсят начини за съкращаване на времето за ремонт, поддръжка и антикорозионна защита на стоманобетонните конструкции.

Начините на усилване започват от елементарното възстановяване на непрекъснатостта на стоманобетонните елементи, премахване на нарушени части и заместването им с нови материали, усилване на отделни елементи, докато се стигне до усилване на строителните конструкции чрез вграждане на нови конструктивни елементи, както и комбинации от изброените възможности. При всички случаи се прави задълбочен анализ на възможните варианти.

В проекта за усилване се дават изчислителни доказателства за носещата способност на елементите, цялостната сигурност и поведение на усиленото съоръжение, работни чертежи и най-подробни указания за технологията и последователността на изпълнение. Посочват се и необходимите мерки за безопасно изпълнение на строителните работи.

Ремонт за възстановяване на елементите на носещата стоманобетонна конструкция
Тъй като усилването с подмяна на отделни елементи или вграждане на нови е тясно специализирана област, засега ще се спрем на най-прилагания вариант - възстановяване на стоманобетонни елементи, нарушени от пукнатини, шупли и др. Ако се придържаме към една обобщена класификация на повредите, която ги разделя на малки, средни и тежки, това означава, че ще разгледаме само ремонт при леки повреди. В зависимост от размерите на дефектите, вида на елементите и експлоатационните изисквания се използват различни циментни или полимерни разтвори и епоксидни смоли.

Ще подчертаем още веднъж, че възможните методи за ремонт са пряко обвързани с проявените повреди. Европейският съюз въведе серия стандарти EN 1504, с които се дефинират продуктите и основните принципи за използването им при ремонт и защита на стоманобетон. Най-общо леките повреди могат да се разделят на повреди в бетона и дефекти поради корозия на армировката. И в двата случая при ремонта се използва нанасяне на избрани разтвори, повторно изливане на бетон или разтвор, както и торкретиране - работи се основно съгласно принципа за възстановяване на бетона. От особено значение е правилният подбор на материалите и технологията на полагането им - трябва да се гарантира първоначалното почистване и обработване на повърхностите за ремонт, при полагане на допълнителни пластове дебелината им трябва да се постига без свличане на материала, самите материали трябва да задоволяват и допълнителните изисквания за защита след приключване на ремонта.

Само за обща представа ще дадем няколко примера как повредата се обвързва с ремонта. При констатирани повреди в бетона вследствие на механично въздействие - удари, свръхнатоварване, земетръс и др., обикновено се следват принципите за възстановяване на бетона и структурно укрепване. При химично въздействие се следват принципите за защита срещу проникване, контрол на влагата, възстановяване на бетона и химична устойчивост. При физическо въздействие - цикли на замръзване и размразяване, съсъхване, абразия, нарастване на солни кристали и др., подходящите принципи са: защита срещу проникване, контрол на влагата, възстановяване на бетона, структурно укрепване и физична устойчивост. Да не се забравя, че разрушенията в бетона могат да бъдат и вследствие на повреди в армировката. Тя може да кородира поради най-различни причини - химическо въздействие, атака на различни вещества, например хлориди, електрохимично въздействие. Препоръчваните принципи са всички, изброени дотук, но и допълнително увеличаване на съпротивлението, катоден контрол, катодна защита и контрол на анодните зони. На пръв поглед всичко това звучи лесно за изпълнение, но всъщност е много важно да е обусловено от задълбоченото проучване и оценка на състоянието на стоманобетонната конструкция!

Вече има разработени системи, които позволяват не само възстановяването, но осигуряват и така необходимата последваща защита на стоманобетона от корозия.

Защита от корозия
Осигуряването на антикорозионна защита на стоманобетонните конструкции е предпоставка за дълъг експлоатационен срок на съоръженията. Начините за защита от корозия зависят от агресивните въздействия на средата и вида на повърхността. Като допълнително условие може да се включи и цвета на покритието - при високи съоръжения нанасянето на сигналната маркировка обикновено съвпада със завършващия слой антикорозионна защита.

Цитираните по-горе стандарти EN 1504 са необходими и на собствениците, и на проектантите, и на строителите, за да може да се изпълни подходящата защита на бетона при всеки тип съоръжение. В енергетиката някои от съоръженията са подложени на интензивни корозионни фактори. Стоманобетонните конструкции на охладителните кули, при които повърхностите са много големи, изискват специално разработени защитни системи, особено тези, които са в контакт и с отработени газове, когато киселинната атака върху незащитен бетон е изключително мощна. Освен това вътрешната повърхност е подложена и на химическата атака на сярната киселина, резултат от взаимодействието на сероводородните газове с влагата. Има случаи, когато за охлаждане се използва морска вода, което води до проникване на хлориди в бетона и съответно корозия на армировката. При комините най-същественият фактор за причиняване на корозия са изгорелите газове, съчетани с температурните въздействия. Особено интензивни са процесите в горната част на комина, където газовете се завихрят. Външната бетонна повърхност на тези съоръжения е подложена на карбонизация, хлориди, всички нормални атмосферни въздействия. В горната им част би могло да се очаква химическа атака от изгорелите газове от съседни комини.

Общ проблем на тези специфични конструкции е състоянието на бетонната повърхност. Още при изграждането им се получават ръбове и грапавини, които скъсяват дълготрайността на всяка защитна система, поради невъзможност за равномерно полагане. Именно затова, преди полагането на пластовете за подготовка на вътрешните и горния край на външните бетонни повърхности, се използва водно бластиране с много високо налягане, а за възстановяване на повърхността е препоръчително да се използват материали на база комбинация от цимент и епоксидна смола. Разбира се, варианти има много - почистването може да стане и чрез абразивно бластиране или с химически препарати; към бетонната смес, с която се възстановява покритието, може да се добавят корозионни инхибитори, завършващият слой може да бъде полиуретанов или епоксиден. Предимство за всеки продукт, предназначен за защитно покритие, е да позволява нанасяне в много кратки срокове. Главните стъпки обаче са тези - хидрофобно импрегниране и еластично покритие. Конкретните защитни системи, включващи материали и технологии, са предмет на разработка на различни производители.

Друго съоръжение, характерно за отрасъла, е куполът на ядрен реактор. Това е масивна стоманобетонна конструкция, с голяма дебелина и гъста, тежка армировка. Особеност при защитата на такава структура е, че голямото бетонно покритие може да позволи образуване на пукнатини, но въпреки това защитата на армировката трябва да бъде безотказна. Необходима е защитна система, която да предотвратява карбонизацията и същевременно да бъде високоеластична - да покрива повърхността, без да се разкъсва при новопоявили се пукнатини.

Определянето на аресивността на експлоатационната среда е важна стъпка при избора на подходящата защитна система, и става съгласно БДС 9075:1990 "Антикорозионна защита на строителните конструкции и съоръжения, изложени на действието на агресивни среди. Основни понятия. Класификация на агресивните среди". Причините за проявяване на корозионните процеси са проблем, на който са посветени много изследвания. Една част от тях са описани в статията, "Антикорозионна защита на стоманобетонни конструкции", която може да бъде намерена сайта на списание Строители, издавано също от Ел Медиа.

Значимостта на проблема е довела до разработването на различни начини за вторична антикорозионна защита, и това се отразява в утвърдените БДС EN стандарти, които регламентират методите за изпитване на продуктите и системите за предпазване и възстановяване на бетонни конструкции при различни въздействия.

Околната среда предопределя четири основни степени на агресивност към бетона. За всеки отделен случай защитното покритие трябва да съответства на корозионно-агресивната степен на средата. В резултат са разработени системи за антикорозионна защита, които се състоят в последователното нанасяне на пластове специално подбрани материали, и се постига адекватна защита на конструкции в тежки промишлени условия или агресивна околна среда.

Подготовката на повърхностите е от голямо значение. Бетонната повърхност трябва да е гладка, като отстраняването на стари покрития и заглаждането става чрез бластиране, до стандартно допустима грапавост и големина на шуплите; да е чиста и обезпрашена чрез прахосмукачки или компресори; да бъде суха в повърхностния двусантиметров слой. Допустимата влажност по маса при епоксидни и битумни състави е 4%, при полиестерни – 2%, при полиуретанови – 0.5%.

Полагане на избраната защитна система се прави след почистване на основата. Най-напред се полага грунд за подготовка на повърхността. При стоманобетонните съоръжения за грундиране се използват разтвори в органични разтворители или дисперсни системи на съответните синтетични смоли, които ще се използват като покритие. Защитата или дори подмяната на открита армировка е по-особена технология, която ще разгледаме в отделна тема. Запълват се пукнатини и кухини, и се полага довършителен заглаждащ слой.

Ето една примерна комплексна защита на охладителна кула - стоманобетонна конструкция в агресивна среда с наличие на димни газове: Вътрешна повърхност - Грундиране с двукомпонентен състав на основата на епоксидна смола, полагане на два пласта хидроизолационно покритие от същата смес, но с минимална дебелина на сухия филм 300µm, и завършваща обработка с два пласта двукомпонентен материал на основата на полиуретанови смоли с органични разтворители, който защитава повърхността от химическо и механично въздействие, а в горния край - и от UV-лъчи; Външна повърхност - Грундиране с хидрофобен грунд - еднокомпонентен импрегнатор на база силиконови полимери, два пласта защитно покритие от метакрилатна смола в разтворител или водна дисперсия на стирол-акрилат, и два пласта двукомпонентно еластично покритие на полиуретанова основа с добавени органични разтворители за UV защита, където е необходимо. За последните 5 метра по височина на външната повърхност може да се наложи поставяне на следната примерна система - грундиране с двукомпонентен състав на епоксидна основа, един покриващ слой от същия материал, с минимална дебелина 200µm на сухия пласт, и два завършващи слоя на база полиуретан - за UV защита. При полагането на всички видове покрития трябва да се спазват предписаните дебелини на пластовете, технологично време и условия на изсъхване преди нанасяне на следващия слой, както и указанията за безопасна работа.

Във всички случаи антикорозионната система трябва да е резултат от внимателно проучване и проектиране. Подготовката на повърхностите, грундиращото покритие, материалите, изпълнението и контролът трябва да са така подбрани, че да гарантират икономически обоснована дълготрайност на антикорозионното покритие.

Мерки за безопасност
Ремонтните работи в отрасъла, назависимо дали се касае за ремонт с усилване или само за рехабилитация, се извършват с изключително внимание към безопасността на работниците, тъй като са свързани с много рискови фактори. Естествено, общите мерки за опазване здравето на работниците и минималните изисквания за здравословни и безопасни условия на труд, дадени в нормативната уредба, са задължителни, но има и работи с много завишен риск, които изискват специално отношение.

Голяма част от дейностите се извършват на високо. Въпреки че повечето съоръжения са оборудвани с елементи, улесняващи достъпа и поддръжката, рисковете, свързани с работа на височина, са много големи. Инструктаж, използване на изправни стълби, платформи, люлки и др., специални чанти за инструменти, работа с предпазен колан или въже, закрепени към сигурна опора - това са част от мерките, които се вземат при конкретно изпълняваната дейност, но колективните защитни мерки са тези, които могат да елиминират рисковете за повече хора. Предпазен парапет по ръба на работна платформа защитава всички от падане, докато обезопасителните колани изискват подходящи точки на закрепване, съответни спирачни системи, а и често създават значителни практически затруднения. Поради това коланите не могат да постигнат същата степен на предотвратяване на наранявания, като предпазния парапет.

Работата в затворени пространства може да изложи хората на въздух, който не може да се диша, и на токсични и възпламеними газове. Прахът, който се вдига по време на бластиране, може да причини редица нежелани последствия в дишането и в зрението.

Не бива да се подценяват и опасностите по време на полагане на антикорозионните покрития. Винаги при боравене със състави с вредно действие трябва да се ползват защитни маски и очила. И пак ще подчертаем, че работниците и служителите са длъжни да използуват правилно, съгласно инструкциите, предоставените им от работодателя лични предпазни средства и специално работно облекло.

Задължителното изготвяне на план за безопасност и здраве трябва да се счита за текущ процес, който изисква своевременно актуализиране, особено при изпълнението на проекта. Планът трябва да дефинира правилата, които ще се прилагат по време на ремонта, за да бъдат осигурени безопасни и здравословни условия на труд, и да отчита другите промишлени дейности, които се извършват на участъка на строителните работи, и които биха могли да имат последици, свързани с безопасността и здравето на работниците.