Россия
Россия
Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.00 СТРОИТЕЛЬСТВО. АРХИТЕКТУРА
ОКСО 08.00.00 Техника и технологии строительства
ББК 38 Строительство
ТБК 54 Строительство
BISAC TEC TECHNOLOGY & ENGINEERING
BISAC TEC009020 Civil / General
Дымовые трубы являются неотъемлемой конструктивной частью котельной, поскольку предназначены для отвода и рассеивания продуктов сгорания топлива. Сбой в их работе приведет к нарушению бесперебойного снабжения потребителей теплом и электричеством. С увеличением срока эксплуатации конструкции растет вероятность появления в ней каких-либо дефектов или повреждений. Поэтому с течением времени встает вопрос об обеспечении безопасности использования таких сооружений. Для обеспечения бесперебойной и длительной работы дымовых труб необходимо пери-одически контролировать их техническое состояние: проводить плановые обследования, в обязательном по-рядке устраняя выявленные неисправности. Обследование проводилось с целью определения возможности дальнейшей эксплуатации промышленной дымовой трубы. Во время проведения экспертизы устанавливались дефекты и повреждения, которые потен-циально могли повлиять на безопасную эксплуатацию объекта; выявлялись причины их возникновения. Для оценки технического состояния дымовой трубы был выполнен анализ конструктивного решения, усло-вий эксплуатации элементов конструкции, а также качества конструкций, материалов и соединений. В результате визуального и измерительного контроля выявлены дефекты и повреждения, имеющие нару-шения требований эксплуатации и приводящие к нарушению работоспособности конструкции. Результаты, изложенные в статье, могут быть интересны специалистам экспертных организаций, которые занимаются экспертизой промышленных дымовых труб с целью оценки фактического состояния их кон-структивных элементов.
дымовые трубы, дефекты и повреждения, экспертиза промышленной безопасности
Введение. Дымовые трубы являются неотъемлемой конструктивной частью котельной, поскольку предназначены для отвода и рассеивания продуктов сгорания топлива. Сбой в их работе приведет к нарушению бесперебойного снабжения потребителей теплом и электричеством. Благодаря создаваемой естественной тяге в следствие разницы температур, эксплуатация дымоотводов становится безопасной [1–4]. От их исправного состояния напрямую зависит экологическая безопасность промышленного предприятия [5–7].
При работе дымовой трубы реализуется принцип сообщающихся сосудов: в силу того, что вес горячего воздуха меньше холодного, поступающий из атмосферы воздух проникает в топку, а из дымоотвода удаляется уже отработанный. В процессе эксплуатации такие конструкции испытывают атмосферные воздействие (ветровые нагрузки, осадки, перепад температур), вынуждены выдерживать влияние агрессивной среды, их внутренняя поверхность ежедневно подвергается абразивному износу.
Конструкция и материал дымовых труб может быть различный. Но в большинстве
случаев – это классическая металлическая, кирпичная или железобетонная труба, высота которой зависит от материала: металлические, как правило, не превышают 40 м, кирпичные – 70 м, железобетонные – 300 м. Однако, есть исключения [8]. Например, титул самой высокой в мире трубы по праву принадлежит Экибастузской тепловой электростанции в Казахстане и составляет 420 м, на втором месте дымовая труба плавильной печи в Канаде – 380 м, на третьем – дымовая труба электростанции в штате Пенсильвания в США высотой 371 м. В России тоже есть свои рекордсмены. Например, дымовая труба Березовской электростанции в Красноярском крае имеет высоту 370 м, а высота дымоотвода Рефтинской ГРЭС в Свердловской области составляет 330 м.
В настоящее время бóльшая часть эксплуатируемых дымовых труб была построена еще в середине или второй половине прошлого века. Их срок службы либо уже истек, либо подходит к концу. Например, срок службы железобетонных дымоотводов достигает 50 лет, металлических – всего 20-30. Исключение составляют кирпичные дымовые трубы, которые при должном уходе могут служить до 70-100 лет. Следует отметить, что обследование железобетонных труб после сорока лет эксплуатации показывает, что прочность бетонного оголовка ствола снижается на 50% [9]. Это является следствием того, что данная часть конструкции больше других подвержена агрессивному воздействию среды как с внешней, так и внутренней стороны. Подобному процессу разрушения подвержены и кирпичные дымовые трубы. Потеря несущей способности в металлических дымоотводах происходит в большей степени в результате коррозии материала трубы.
Понятно, что с увеличением срока эксплуатации конструкции растет вероятность появления в ней каких-либо дефектов или повреждений [10]. Поэтому с течением времени встает вопрос об обеспечении безопасности использования таких сооружений. Для обеспечения бесперебойной и длительной работы дымовых труб необходимо периодически контролировать их техническое состояние: проводить плановые обследования, в обязательном порядке устраняя выявленные неисправности [11].
Каждый год более ста дымовых труб промышленных предприятий подвергаются ремонту, в процессе которого полностью или фрагментарно заменяются элементы, более других подверженные коррозионному износу (оголовки труб, теплоизоляция труб, кирпичная футеровка и т.д.); выполняются работы по восстановлению защитного слоя бетона наружной поверхности ствола; усиление металлическими обоймами ослабленных в процессе эксплуатации частей железобетонной конструкции [9].
Несвоевременное устранение дефектов и повреждений дымовых труб может привести к их обрушению, что несомненно приведет к остановке производственного процесса и, как следствие, к немалым экономическим потерям. К числу таких аварий можно отнести разрушение в 1991 году верхней части ствола дымовой трубы высотой сто пятьдесят метров, расположенной на территории Уфимского нефтеперерабатывающего завода; частичное обрушение в 2022 году дымовой трубы ТЭЦ высотой сто пятьдесят метров в Петропавловске; обрушение в 2023 году дымовой трубы высотой сто двадцать метров уральского завода в Краснотурьинске; частичное обрушение в 2021 году дымовой трубы ТЭЦ высотой сто двадцать метров в Барнауле [12].
В настоящее время на балансе промышленных предприятий нашей страны находится большое количество дымовых труб. Более ста тысяч из них выполнены из керамического кирпича и эксплуатируются на территории котельных. Высота подобных труб обычно варьируется в пределах 30-40 метров. Выбор строительного материала здесь не случаен. В середине прошлого века красный глиняный кирпич был достаточно доступным и сравнительно недорогим материалом по сравнению с металлом. Построенные в эти годы котельные чаще всего работали на жидком и твердом топливе. Выполненные из кирпича дымовые трубы, демонстрировали высокую надежность, обусловленную, главным образом, высокой температурой уходящих газов, которая составляла 180–250 °C. С течением времени произошел переход данных объектов энергетической промышленности на природный газ, что было мотивировано стремлением руководства повысить их экономическую эффективность. Данное стремление реализовалось путем снижения температуры дымовых газов. Это неизбежно приводило к разрушению внутренней поверхности ствола трубы.
В данной статье рассмотрена экспертиза промышленной безопасности дымовой трубы, установленной на территории котельной в Московской области.
Обследование проводилось с целью определения возможности дальнейшей эксплуатации промышленной дымовой трубы. Во время проведения экспертизы устанавливались дефекты и повреждения, которые потенциально могли повлиять на безопасную эксплуатацию объекта; выявлялись причины их возникновения.
Методика проведения обследования. Обследование дымовых труб котельных выполняют в первую очередь с целью оценки технического состояния ее конструктивных элементов. С учетом обнаруженных дефектов и повреждений определяется их надежность, разрабатываются рекомендации, в которых предлагаются мероприятия по обеспечению безопасной эксплуатации и прогнозируется ее продолжительность. Согласно [13], обследование промышленных дымовых труб производится с помощью специализированных оборудования и приборов. При этом рекомендуется придерживаться определенного объема работ:
- проанализировать предоставленную техническую и исполнительную документацию на объект обследования;
- определить фактические условия эксплуатации конструкции дымовой трубы (режим ее эксплуатации, анализ химического состава дымовых газов, вид и объем сжигаемого топлива);
- произвести наружный осмотр промышленной дымовой трубы, в ходе которого выявляют наличие выпучивания кирпичной кладки на участках между стяжными кольцами, деформаций в оголовке трубы, разрушений элементов кладки, вертикальных и горизонтальных трещин; обращают внимание на состояние стяжных колец, места выхода наружу конденсата; проверяют целостность болтовых соединений; устанавливают степень повреждения ходовых лестниц и другие дефекты;
- провести внутренний осмотр футеровки дымовой трубы, в ходе которого при полной остановке котельного оборудования обращают внимание на наличие следующих дефектов и повреждений:
- состояние кирпичной кладки: разрушения, выпучивания, наличие трещин (вертикальных и горизонтальных), сквозных отверстий или щелей;
- химическое воздействие: наличие коррозии и степень ее проникновения в тело кладки и др.;
- с помощью неразрушающих методов контроля провести определение прочности и состояния материала дымовой трубы;
- определить крен дымовой трубы;
- установить причины дефектов и повреждений;
- оформить экспертное заключение с рекомендациями по устранению выявленных дефектов и повреждений.
Основная часть. Дымовая кирпичная труба высотой 30 метров с диаметром устья 1,6 метра служит для отвода и рассеивания дымовых газов. Она спроектирована таким образом, чтобы обеспечить безопасное рассеивание газов различной температуры, влажности и химического состава, не превышая допустимые санитарные нормы концентрации вредных веществ на уровне земли. Дымовые газы отводятся от трех водогрейных котлов, работающих на природном газе.
Дымовая труба расположена рядом со зданием котельной и имеет отдельный фундамент, который запроектирован железобетонным, из жаростойкого бетона марки М200, на портландцементе с шамотным заполнением и тонкомолотой добавкой. Он имеет круглую в плане форму диаметром 4,5 м и представляет собой стакан высотой 3,85 м, опертый на круглую плиту диаметром 6,0 м с глубиной заложения подошвы 3,5 м.
Самонесущий газоотводящий ствол выполнен из обычного глиняного кирпича марки 100 на известковом растворе и имеет форму усеченного конуса с уклоном наружной поверхности ствола к вертикали по всей высоте. Ствол укреплен стальными стяжными кольцами. Толщина стенок изменяется от 680 мм внизу до 380 мм вверху. Материал футеровки ствола трубы – кислотоупорный кирпич, раствор также кислотоупорный. Между стволом и футеровкой устроена воздушная прослойка толщиной 50 мм, которая несет на себе функции теплоизоляционного слоя. На оголовке трубы расположены два молниеприемника с одним токоотводящим канатом. Газоходы выполнены из глиняного кирпича, толщина стенок 250 мм. Их примыкание осуществляется через один проем на отметке 2,7 м. Светофорных площадок на стволе трубы не предусмотрено. Общий вид и схема элементов дымовой трубы показаны на рис. 1.
Результаты обследования дымовой трубы показали следующее:
- анализ проектной, ремонтной и эксплуатационной документации показал отсутствие ее отдельных частей;
- анализ условий эксплуатации дымовой трубы показал их полное соответствие требованиям нормативной документации;
- визуально-инструментальный осмотр наружной поверхности трубы показал наличие ряда дефектов и повреждений, которые относятся к категории опасности «Б» [13] (рис. 2), а именно: деформация замка стяжного кольца на отметке 0,4 м; коррозия всех стяжных колец и их ослабление; по стволу дымовой трубы в районе ходовых скоб идут вертикальные трещины с шириной раскрытия более 10 мм; в швах кирпичной кладки ствола на отметках 23,0-26,0 м выявлены четыре сквозных отверстия; на отметке 27,0 м обнаружена горизонтальная трещина шириной раскрытия до 30 мм и длиной 0,5 м; в оголовке трубы зафиксирована эрозия раствора кирпичной кладки глубиной до 30 мм; выявлены следы конденсата на наружной поверхности трубы вдоль стыков; на отметке 28,5 м разрушены цементные отливы карниза и оголовка трубы;
- визуально-инструментальный осмотр внутренней поверхности трубы показал наличие ряда дефектов и повреждений, которые также относятся к категории опасности «Б» [13] (рис. 3), а именно: на отметке –2,7 м в зольнике трубы выявлены отложения твердых фракций дымовых газов с толщиной отложений 30 см; подобные отложения выявлена на отливах звеньев футеровки толщиной 10мм и 20мм; днище трубы залито водой, глубиной 20 см; на отметках – 0,3–1,3 м проходит наклонная трещина шириной раскрытия 20 мм; на отметке 7,1 м выявлено выпучивание верхних рядов футеровочного звена внутрь трубы на 30 мм; на отметках 13,2 м, 22,3 м, 29,0 м образовались вертикальные трещины длиной до полуметра с шириной раскрытия до 30 мм; обнаружено обрушение отдельных кирпичных перекрытий газоходов и разрушение его стен до 20% от толщины кирпича; выявлены сквозные отверстия в футеровке, вероятно оставленные при ее кладке; на отметке 27,8 м ряд кирпичей в кладке ствола уложен не качественно – вертикально на ребра;
- по результатам геодезических измерений, наибольшее значение крена дымовой трубы составило 174 мм в юго-восточном направлении, что не превышает значение (210 мм), установленное интерполяцией согласно [14];
- по результатам определения прочности материалов дымовой трубы ее среднее фактическое значение на контрольных участках (рис. 1) получилось в пределах средней прочности кирпича марки М100 и бетона марки 250; среднее фактическое значение прочности кирпичной кладки газоходов ствола дымовой трубы ниже средней прочности для кирпича марки М100;
Рис. 1. Общий вид и схема элементов дымовой трубы
(• место замера прочности кирпичной кладки ствола дымовой трубы)
Остальные конструктивные элементы дымовой трубы находятся в работоспособном состоянии и не представляют опасности для ее безопасной эксплуатации.
Общеизвестно, что при сжигании метана, который в основном входит в состав природного газа, образуются водяные пары. Эти пары поступают в газоходы и дымовые трубы. Со временем режим эксплуатации котельной был изменен (ранее котельная работала на жидком топливе), и как следствие, произошло уменьшение тепловой нагрузки на котел. Таким образом, ограждающие конструкции дымовой трубы начали работу в условиях иного температурно-влажностного режима. Значительное понижение температуры дымовых газов и объема их выхода привело к тому, что при понижении температуры газов ниже точки росы на внутренних стенках ствола образовался конденсат. Длительное увлажнение стенок дымохода крайне отрицательно повлияло на несущую способность и прочностные свойства конструкции в целом. Следует отметить, что в тех случаях, когда температура внутри поверхности ствола становится выше температуры точки росы, состояние, при котором образуется конденсат на его стенках не наступает [15]. Однако, это не мешает образованию того же конденсата внутри самой строительной конструкции. На температурное поле самой трубы значительное влияние оказывает температура наружного воздуха и выходящих газов. Это неизбежно приводит к тому, что, скопившаяся на стенках ствола дымовой трубы влага, будет иметь сезонный характер и находится в непосредственной зависимости от теплового режима эксплуатации объекта. Летом, когда котельная не работает (ее отключают на плановое обслуживание), влага, скопившаяся на стенах трубы, испаряется в атмосферу. Зимой, при отрицательных температурах влага накапливается и замерзает, что приводит к ее расширению. Это создает давление на кирпичную кладку и ведет в конечном итоге к образованию трещин и разрушению [16].
Выводы. Все вышеперечисленные дефекты и повреждения дымовой трубы стали следствием снижения тепловой нагрузки на нее. Это привело к нарушению заложенного в проект режима эксплуатации, а затем к образованию на внутренних стенках трубы конденсата, с последующим разрушением каменной кладки и коррозией металлических деталей трубы. Кроме того, свою отрицательную роль могла сыграть повышенная влажность кирпичной кладки, которая в результате цикличного замораживания (оттаивания) регулярно подвергалась разрушению.
Таким образом, экспертиза дымовой трубы, установленной на территории котельной, показала, что объект обследования не в полной мере соответствует требованиям промышленной безопасности. С учетом выявленных дефектов и повреждений состояние дымовой трубы определяется как ограниченно работоспособное. Для продолжения безопасной эксплуатации и сохранения ресурса дымовой трубы необходимо в установленные сроки провести ремонтно-восстановительные мероприятия и устранить все выявленные дефекты. При обнаружении каких-либо нарушений или режимов эксплуатации в дальнейшем следует при первой возможности остановки котлоагрегатов выполнить обследование конструкции трубы для обеспечения ее безопасной работы.
В заключении следует отметить, что обнаруженные вовремя дефекты и повреждения дымовых труб, их своевременное устранение могут значительно продлить срок безопасной эксплуатации не только самой трубы, но и всего промышленного объекта в целом. Проведение регулярных обследований снижает риск возникновения аварийных ситуаций на объектах, относящихся к категории повышенной опасности и, как следствие, улучшает экологическую безопасность региона.
1. Брюхань А.Ф. Идентификация зон техногенного загрязнения ландшафтов выбросами промышленных предприятий по данным спутниковых снимков снежного покрова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. № 4. С. 181–184.
2. Серых И.Р., Чернышева Е.В., Дегтярь А.Н., Черноситова Е.С., Чернышева А.С. Экспертиза промышленной безопасности здания цеха ВЖС Шебекинского химического завода с целью оценки технического состояния конструкций // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. № 9. С. 55–61. DOI:https://doi.org/10.12737/article_5bab4a1cacc902.46271253.
3. Салов Ю.В., Семашко В.А., Варнашов В.В., Оверченко И.В., Горшенин С.Д. Повышение надежности и экологической безопасности внешних газоходов и дымовых труб ТЭС // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. № 2 (58). С. 54–57.
4. Шайбаков Р.А., Абдрахманов Н.Х., Четверик Н.П. Промышленная безопасность дымовых и вентиляционных промышленных труб // Безопасность труда в промышленности. 2008. № 8. С. 70–73.
5. Володин Ю.Г., Марфина О.П., Цветкович М.С., Кирпичников А.П. Влияние технического состояния и режимов работы дымовых труб на окружающую среду // Вестник технологического университета. 2015. Т.18. № 24. С. 130–135.
6. Коткова О.Н. Мониторинг безопасности дымовой трубы предприятия нефтехимии // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2013. № 3 (11). С. 81–84. DOI:https://doi.org/10.17673/Vestnik.2013.03.16.
7. Глазков С.С., Седаев А.А., Чуйкин С.В. Снижение концентрации загрязняющих веществ в вентиляционных выбросах при неблагоприятных метооусловиях и аварийных ситуациях // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. 2013. № 1 (29). С. 91–98.
8. Коробов Л.А., Жарков А.Ф., Шерник А.О. Дымовые и вентиляционные трубы высотой 200-500 метров как пространственные сооружения. М.: Спутник, 2006. 124 с.
9. Буланов И.А., Якубовский Р.Ю., Олипер И.А., Пилуй Ю.В., Афримович Г.Г. Принципиальные подходы к оценке промышленной безопасности дымовых труб // Безопасность труда в промышленности. № 10. 2015. С. 100–102.
10. Волков А.С., Правук Л.Р. Дефекты и повреждения высотных железобетонных труб, методы ремонта и усиления // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2016. № 4 (120). С. 42–46.
11. Ладнушкин А.А., Антаков А.Б., Воронов А.А., Хасанов Р.М., Перелыгин О.А. Дымовые трубы. Проблемы экспертизы // Безопасность труда в промышленности. 2005. № 2. С. 2–3.
12. Ходько А.А., Лебедев В.Г. О безопасной эксплуатации дымовых и вентиляционных труб опасных производственных объектов // Безопасность труда в промышленности. № 5. 2002. С. 26–27.
13. Красных Б.А., Субботин А.И., Богатов Н.Д., Зуев Г.П., Котельников В.С., Перепелицын А.И., Шаталов А.А. Методические указания по обследованию дымовых и вентиляционных промышленных труб (РД 03-610-03). Серия 03. Выпуск 40. М.: ОАО «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2008. 52 с.
14. Кутьин Н.Г., Субботин А.И., Перепелицын А.И., Зуев Г.П., Котельников В.С., Феоктистов А.А., Сидоров В.И., Печеркин А.С., Кловач Е.В., Гонтаренко А.Ф., Белов М.И., Вербицкий Ю.В., Кокин А.А. Безопасность эксплуатации промышленных дымовых и вентиляционных труб: сборник документов. Серия 03. Выпуск 57. М.: ОАО «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2009. 80 с.
15. Бирюков А.Б., Лебедев А.Н., Каминский К.Д. Методика определения температуры точки росы продуктов сгорания природного газа // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2023. № 6. С. 43–49. DOI:https://doi.org/10.17588/2072-2672.2023.6.043-049.
16. Варнашов В.В., Киселев А.А., Гребнов В.С. Расчетные исследования режимов работы кирпичных дымовых труб в условиях эксплуатации // Вестник ИГЭУ. № 1. 2016. С. 18–26.
