CC BY
132
НАУКОВ1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ
УДК 624/159/11/621/25:621.039
ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ТЭС И АЭС
В. Л. Седин, д. т. н., проф., В. Б. Швец, д. т. н., проф.
Ключевые слова: основание, фундамент, динамическая податливость, амплитудно-частотные характеристики, осадки, турбоагрегат, расцентровка валопровода.
Постановка проблемы. В современном строительстве широко применяются фундаменты сложной формы и структуры. Особое место занимают фундаменты под энергетическое оборудование, в том числе, в силу своей уникальности и ответственности, мощные турбоагрегаты. Безотказность работы энергетического оборудования, в первую очередь, связана с обеспечением допустимого уровня деформаций и вибраций в системах агрегат (машина) - фундамент и фундамент - грунтовое основание. Поэтому актуальной становится задача обеспечения допустимого уровня колебаний и деформаций во всей системе «агрегат -фундамент - основание» (применительно к турбоагрегатам).
Сотрудники кафедры оснований и фундаментов ПГАСА выполняют комплекс работ по обследованию, паспортизации, наблюдениям за осадками зданий и сооружений тепловых и атомных электростанций с 1970 года, когда совместно с Министерством энергетики УССР при ДИСИ (Днепропетровский инженерно-строительный институт) была организована первая отраслевая научно-исследовательская лаборатория по мониторингу строительных конструкций объектов энергетического комплекса. В период начала строительства атомных электростанций с блоками ВВЭР-1000 совместно с Минатомэнерго СССР и УССР на кафедре сформирован отдел мониторинга строительных конструкций атомных электростанций, в задачи которого входил контроль качества строительства уникальных объектов, наблюдение за осадками зданий и сооружений АЭС, проведение натурных динамических испытаний фундаментов турбоагрегатов всех головных блоков. Специалисты кафедры выполняли также работу по проведению специальных исследований грунтовых оснований, фундаментов реакторных отделений, разрабатывали методики контроля устойчивости основания и оценки несущей способности конструкций АЭС.
В данной работе рассмотрим эволюционное изменение натурных исследований на энергоблоках:
— изучение вибрационного состояния системы турбоагрегат - фундамент - основание (ТФО) тихоходных турбоагрегатов (1 500 об/мин) единичной мощности 1 000 МВт на строящихся АЭС;
— исследование особенностей статического деформирования фундаментов тихоходных турбоагрегатов АЭС, возводимых в разнообразных грунтовых условиях;
— исследование вибрационного состояния фундаментов энергетического оборудования тепловых электростанций.
Работы по первым двум направлениям были ведущими и носили комплексный характер. Исследования проведены на следующих объектах (с момента начала строительства, в пуско-наладочный период, в период эксплуатации): Запорожская, Хмельницкая, Южно-Украинская, Ровенская, Чернобыльская, Калининская, Ленинградская, Курская, Балаковская, Ростовская, Ново-Воронежская АЭС, АЭС «Козлодуй» в Болгарии, АЭС Бушер-1 в Иране, Углегорская, Змиевская, Приднепровская, Трипольская, Ладыжинская, Костромская, Добротвирская ГРЭС. Основной целью исследований являлось накопление статистической информации о реальном динамическом состоянии действующих агрегатов, их фундаментов, об изменении динамических параметров системы в процессе возведения и монтажа. так как такие исследования были уникальны и проводились впервые.
Известные особенности тихоходных турбоагрегатов К-1000-60/1500 потребовали как разработки существенно новых конструкций фундаментов для них, так и натурного изучения динамического и статического деформирования системы ТФО [1, 2].
Для выполнения натурных исследований по динамике фундаментов в отраслевой лаборатории разработан комплект вибровозбудительной и виброизмерительной аппаратуры с использованием как серийно выпускаемых приборов, так и вновь созданных. Преимущества разработанного комплекта вибровозбудительной аппаратуры: возможность точного задания частоты, простота эксплуатации, изменения нагрузки путем замены дебалансов [3].
Применение виброизмерительной аппаратуры позволило в каждой точке фиксировать амплитуды виброперемещений в горизонтально-поперечном и вертикальном направлениях по отношению к оси турбоагрегата и вдоль оси. При гармоническом возбуждении колебаний системы вибровозбудителями регистрировались также сдвиги фаз между виброперемещением в каждой точке измерений и возмущающей силой.
Динамические испытания систем ТФО для тихоходных турбоагрегатов АЭС проводились по совместно разработанной ПГАСА и Харьковским отделением Атомэнергопроект методике, при создании которой был учтен опыт ведущих организаций СССР и зарубежных стран. Эти испытания выполнялись в несколько этапов на разных стадиях возведения системы ТФО и включали:
— определение динамических характеристик подготовленного основания;
— динамические испытания нижней плиты фундамента;
— исследование динамики фундамента без оборудования;
— испытания системы статор - фундамент - основание;
— испытание системы ТФО с полностью смонтированным оборудованием;
— пусконаладочные испытания.
Исследования динамических характеристик грунтовых оснований проводились с использованием инвентарного виброштампа площадью 0,5 м2 и комплекта специально сконструированных бетонных блоков площадью 14 и 9 м2. В результате уточнена методика испытаний штампами различной площади и определены зависимости влияния статического давления и площади подошвы штампа на получаемые динамические характеристики. Сделан вывод о необходимости применения для динамических испытаний грунтов штампов площадью не менее 1 м2 (особенно для песчаных оснований).
На всех этапах динамических испытаний системы ТФО была принята единая схема расстановки вибродатчиков [4]. На каждом этапе испытаний во всех точках системы ТФО, в которых проводились замеры, для каждого направления колебаний строились амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики - АЧХ и ФЧХ. Обработка данных выполнялась с помощью ЭВМ, а графическое изображение результатов гармонического анализа - с использованием графопостроителя, что позволило также получить формы пространственных колебаний фундаментов в различные моменты времени.
Проведены динамические испытания двух типов фундаментов конструкции ХО АТЭП под турбоагрегаты АЭС: унифицированного (с подвальным расположением конденсаторов) и фундамента с боковым расположением конденсаторов. Анализ результатов динамических испытаний нижних плит фундаментов под турбоагрегат позволил заключить:
— максимальная динамическая податливость зафиксирована на концах плит, в районах ЦВД и возбудителя;
— нижние плиты фундаментов с подвальным расположением конденсаторов имеют в целом более высокую жесткость, чем плиты с боковым расположением конденсаторов (динамическая податливость на частоте 25 Г и у плит фундаментов первого типа в горизонтально-поперечном направлении достигает 0,05 мкм/кН, в вертикальном - не более 0,1 мкм/кН; у плит фундаментов второго типа в горизонтально-поперечном направлении 0,14 мкм/кН, в вертикальном - 0,28 мкм/кН).
Динамические исследования фундаментов без оборудования выявили:
— фундаменты обоих типов имеют наибольшую динамическую податливость в районах ЦВД и возбудителя, что более заметно проявляется у фундамента с подвальными конденсаторами в силу его конструктивных особенностей;
— динамическая податливость фундамента с подвальными конденсаторами в районах ЦВД и возбудителя имеет большие значения в вертикальном направлении, чем в горизонтально-поперечном;
— податливость поперечных стен в вертикальном направлении не превышает 0,02 мкм/кН у фундаментов с боковыми и 0,04 мкм/кН у фундаментов с подвальными конденсаторами;
- поперечные стены фундамента с подвальными конденсаторами имеют примерно одинаковую динамическую податливость в горизонтально-поперечном направлении на частоте 25 Гц около 0,1 мкм/кН; у фундамента с боковыми конденсаторами разброс динамической податливости поперечных стен в горизонтально-поперечном направлении составляет 0,02 ...0,12 мкм/кН.
В целом испытания фундаментов без оборудования позволяют определить реальные динамические характеристики конструкции и являются по существу приемочными испытаниями для фундамента турбоагрегата.
Испытания, проведенные на разных этапах при исследовании фундаментов двух типов: унифицированных (Запорожская и Балаковская АЭС, АЭС «Козлодуй») и с боковыми конденсаторами (Калининская и Южно-Украинская АЭС) показали следующее.
Унифицированный фундамент имеет более регулярную конструктивную схему, чем фундаменты с боковыми конденсаторами. Поэтому динамические характеристики массивных элементов, а именно 2-6 поперечных стен, достаточно однородны. Явно выраженные особенности наблюдаются только на 1-й и 7-й рамах. Напротив, разная конструкция постаментов и степень их связи между собой обусловили разброс результатов по отдельным постаментам фундамента с боковыми конденсаторами.
Фундамент с боковыми конденсаторами имеет более высокую жесткость на всех этапах испытаний. АЧХ колебаний этого фундамента имеют более спокойный характер (см. рис. 1) и меньше изменяются при загрузке фундамента оборудованием, чем АЧХ унифицированного фундамента (см. рис. 2).
Рис. 1. Амплитудно-частотные характеристики горизонтально-поперечных колебаний крайнего постамента (в районе ЦВД) фундамента с боковыми конденсаторами: 1 — без оборудования; 2 — со статором; 3 — после монтажа оборудования
мкм
20
10
0
А /
V N \ \ У /> \ / гА
¿Л \ V ч 1
8 16 24 28Гц
Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики горизонтально-поперечных колебаний поперечной рамы (в районе возбудителя) фундамента с подвальными конденсаторами: 1 — без оборудования; 2 — со статором;3 — после монтажа оборудования
Фундаменты одного типа, выполненные по одному проекту, имели в некоторых случаях различные динамические характеристики. При общем качественном совпадении АЧХ элементов фундаментов амплитуды динамических податливостей виброперемещений на
резонансных частотах (особенно для вертикальных колебаний) могут существенно различаться. Это может быть объяснено влиянием грунтовых условий на площадках строительства.
Регистрация колебаний элементов системы ТФО в пусконаладочный и эксплуатационный периоды позволяет оценивать общее состояние системы. В частности, построение контурных характеристик дает возможность определить неравномерность притяжки корпусов подшипников к фундаменту, ослабление соединений крепления корпуса подшипника к верхнему строению фундамента и др.
Проведение динамических испытаний системы ТФО позволяет:
— оперативно контролировать качество строительно-монтажных работ по возведению фундаментов турбоагрегатов;
— заполнить паспорт фундамента турбоагрегата;
— обеспечить накопление информации о поведении системы ТФО на различных этапах возведения;
-следить за техническим состоянием элементов системы в процессе эксплуатации.
Накопление результатов динамических испытаний, проведенных на однотипных энергоблоках, на разных стадиях монтажа оборудования позволило прогнозировать поведение системы ТФО и на основе анализа отклонений динамических характеристик данного блока от среднестатистических выдавать рекомендации о возможных причинах возникновения повышенных вибраций в системе.
Наряду с натурными исследованиями на кафедре проводились теоретические разработки по совершенствованию методов динамического расчета фундаментов турбоагрегатов мощных энергоблоков АЭС и ТЭС [5]. Наметились следующие подходы:
Динамический расчет системы ТФО выполнялся исходя из точного решения континуальной стержневой системы. Разработанная программа позволяет определить частоты и формы собственных колебаний системы с учетом продольных сил в элементах.
Динамический расчет фундамента производился с использованием метода осреднения. В первом приближении система заменяется гладкой пластиной с приведенными характеристиками. В последующих приближениях учитывается реальный характер размещения элементов.
Одним из основных факторов, обеспечивающих надежную работу систем ТФО энергоблоков большой единичной мощности, является также отсутствие неравномерных деформаций опор подшипников валопровода турбоагрегатов в эксплуатационный период. Эти деформации часто являются следствием статического деформирования фундаментов, вызванного продолжительными во времени осадками грунтовых оснований.
Статическое деформирование фундаментов турбоагрегатов и зданий реакторных отделений (РО) изучалось в строительный, пусконаладочный и эксплуатационный периоды. Наблюдения за осадками и деформациями зданий и сооружений выполнялись методом геометрического нивелирования по программе I класса и проводились по специальным маркам, установленным на 2 - 3-м уровнях по высоте сооружения [5].
Проведенные наблюдения показали, что средние осадки оснований турбоагрегатов мощностью 1000 МВт на Южно-Украинской, Запорожской, Калининской, Ростовской и Хмельницкой АЭС имеют величины порядка 15 ... 25 мм. При этом фактические средние осадки фундаментов оказались в 2,5... 4 раза меньше расчетных. Следует отметить, что наблюдения за осадками осуществлялись только с момента возведения нижних плит. В целом характер деформирования турбоагрегатов на изучаемых АЭС существенно отличался вследствие различия грунтовых условий, способа подготовки основания и конструктивного решения фундамента.
Так, особенностью оснований фундаментов турбоагрегатов Запорожской АЭС является замещение части песчаного грунта средней крупности бетонной подбуткой толщиной 3 м. Нижняя плита фундамента размером 24^70 м имеет при этом безопорные концевые участки. Развитие деформации фундаментов турбоагрегатов энергоблоков 1...4 определялось периодическим изменением относительного продольного прогиба по величине и знаку в пределах от плюс (выгиб) 0,6 — 10 — 4 до минус (прогиб) 0,6 — 10 — 4. Периодичность деформаций имела сезонный характер, при этом деформации (особенно в строительный период) в наибольшей мере проявлялись на концевых участках.
Неоднородность грунтового основания фундамента турбоагрегата головного энергоблока Калининской АЭС, состоящего из моренных отложений в виде переслаивающихся глинистых
полутвердой и тугопластичной консистенции с прослойками и линзами песков и крупнообломочных грунтов, обусловила особенность деформирования фундамента во времени. Так, в период возведения фундамента преобладающими являлись продольные деформации прогиба и крена. В пусконаладочный и эксплуатационный периоды продольный крен увеличивался при уменьшении прогиба фундамента [6].
Наблюдениями по всем фундаментам тихоходных турбоагрегатов АЭС (в особенности при наличии замещающих подбуток) выявлено значительное влияние в строительный период экзотермических процессов. Эти процессы обусловливали резкую нестабильность деформаций нижних плит, которые достигали предельных расчетных величин [2; 4].
5
ГУ- ЛГ
У МО3
О 0,01 0,02 0,03 0,04
Рис. 3. Развитие средних осадок фундаментов здания реакторного отделения (1) и турбоагрегата (2), а также продольного крена (3) и осадки верхнего строения фундамента (4) турбоагрегата, возведенных на обломочных цементированных грунтах аргиллито-
алевролитового комплекса
Рис. 4. Зависимость торцевой (1) и радиальной (2) расцентровок полумуфт роторов РВД-РНДI турбоагрегата К-1000-60/1500 от изменения локального прогиба на этом участке
Интересными являются данные о влиянии на деформации основания фундаментов турбоагрегатов зданий близрасположенных реакторных отделений, которые передают на основание в 2,0 ... 2,5 раза большие давления. Проявлением этого влияния в случае нескальных оснований является образование значительной осадочной воронки вокруг здания реакторного отделения [7]. Образующаяся воронка пересекает «пятно» фундамента турбоагрегата и вызывает «наведенную осадку» величиной до 5 мм (Запорожская АЭС) и до 10 мм (Хмельницкая АЭС). Искривление поверхности основания приводит к образованию продольного выгиба фундамента турбоагрегата (рис. 3).
Наблюдения за статическим деформированием верхнего строения фундаментов турбоагрегатов показали существенное влияние на работу агрегата температурных деформаций, особенно в переходные режимы (пуска - остановки). Температурные деформации в основном проявляются на ограниченных (локальных) по длине участках, что приводит к расцентровкам валопровода. Поэтому при оценке состояния валопровода важно знать не общую деформацию верхнего строения по длине, а локальные деформации на участках двух смежных роторов машины (рис. 4). Расцентровки полумуфт валопровода, рассчитанные по
данным наблюдений за деформациями верхнего строения фундамента, оказываются практически близкими измеренным прямым путем.
На основании исследования статического деформирования систем ТФО энергоблоков АЭС установлены:
- особенности характера деформирования фундаментов турбоагрегат и зданий РО и их связь с грунтовыми условиями и характером нагружения основания;
- существенное влияние на неравномерные деформации оснований фундаментов турбоагрегатов экзотермических процессов при бетонировании фундаментов, изменения температурного состояния фундамента в эксплуатационный период, близкое расположение здания РО;
- степень влияния различных деформаций (общих, локальных) фундамента на расцентровку валопровода турбоагрегата.
Комплексные натурные исследования указали и на необходимость повышения полноты и достоверности инженерно-геологических изысканий. В частности, такие изыскания должны содержать прогноз возможного развития общих деформаций грунтов и скоростей их протекания [2; 7]. Это представляется особенно важным при залегании в основании глинистых водонасыщенных грунтов, обладающих реологическими свойствами. Выполненные ПГАСА исследования позволили разработать методику полевого определения параметров консолидации и ползучести.
Работы по повышению динамической надежности ТЭС были связаны в основном с исследованием вибрационного состояния и статического деформирования фундаментов энергетического оборудования на Углегорской и Запорожской ГРЭС. Кроме того, были продолжены многолетние исследования систем ТФО энергоблоков 1 ... 6 мощностью 300 МВт на Трипольской ГРЭС, где основанием фундаментов являются водонасыщенные мелкие пески.
Выводы. На всех упомянутых объектах накоплен большой опыт и обширный фактический материал по наблюдениям за осадками различных объектов, испытаниям фундаментов и конструкций турбоагрегатов и реакторных отделений, собрана база результатов обследований и оценки технического состояния строительных конструкций. В настоящее время накопленный опыт работ, техническая документация и материально-техническая база используется в решении сложных и наукоемких задач по обеспечению надежной эксплуатации сооружений энергетического комплекса, а также позволяют выполнять оценку долговечности строительных конструкцш, важных для безопасности, с целью продления их эксплуатации.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Подгорный А. И. Конструкции фундаментов тихоходных турбоагрегатов для атомных электростанций / А. И. Подгорный, Е. М. Семиженов, Я. Л. Кранцфельд // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1984. - № 4. - С. 6 - 8.
2. Басий В. И., Ротгауз Б. А., Седин В. Л. Динамические исследования фундамента мощного энергоблока // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике: Повышение надежности энергетических сооружений при динамических воздействиях / ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. - Л : Энергоатомиздат, - 1982. - С. 136 - 138.
3. Креймер Ю. Г., Седин В. Л. Новые конструкции вибровозбудителей для динамических испытаний фундаментов турбоагрегатов // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике: Повышение надежности энергетических сооружений при динамических воздействиях / ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. - Л : Энергоатомиздат, - 1982. - С. 158 - 161.
4. Ермолинский А. В. Комплексные динамические исследования фундаментов турбоагрегатов атомных электростанций / А. В. Ермолинский, А. Р. Липовский, Б. А. Ротгауз, Н. С. Швец // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1985. - № р4. - С. 11 - 14.
5. Седин В. Л. Развитие аналитических методов расчета фундаментов сложной формы для энергооборудования. - Днепропетровск, 1996. - 38 с.
6. Бауск Е. А. Натурные исследования статических деформаций фундаментов турбоагрегатов мощностью 1000 МВт строящихся АЭС / Е. А. Бауск, В. К. Капустин, В. Б. Швец //Основания, фундаменты и механика грунтов - 1985. - № 4. - С. 8 - 10.
7. Егоров К. Е. Особенности деформаций оснований реакторных отделений АЭС / К. Е. Егоров, Н. С. Соколов // Основания, фундаменты и механика грунтов, - 1985. - № 4. - С. 14 -17.
