Коробов Л.А., Назарьев О.К. - Железобетонные пространственные конструкции атомных и тепловых электростанций

Коробов Л. А. и др.
Железобетонные пространственные конструкции атомных и тепловых электростанций/Л. А. Коробов, О. К. Назарьев, В. Я. Павилайнен. —- М.: Энергоиздат, 1981. —328 с, ил.
Рассматривается конструирование, расчеты и экспериментальные исследования сложных инженерных сооружений типа защитных оболочек АЭС, пространственных покрытий и дымовых труб. Приводятся данные о физико-механических свойствах некоторых материалов, применяемых в защитных сооружениях. Рассматриваются оригинальные конструкции пространственных покрытий, защитных оболочек АЭС и дымовых труб, примененные в отечественном строительстве и за рубежом Дается анализ перераспределения усилий в процессе исчерпания прочности сооружения. Значительное внимание уделяется методике и результатам экспериментальной проверки конструкции и исследования их действительной работы.
Для инженеров-проектировщиков и научных сотрудников, занятых строительством электростанций.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Книга посвящена вопросам исследования, расчета и конструирования железобетонных защитных оболочек АЭС, пространственных покрытий типа железобетонных оболочек положительной гауссовой кривизны и железобетонных дымовых труб.
Рассматриваемые конструкции относятся к сложным инженерным сооружениям, и при проектировании необходимо знать особенности их действительной работы и степень достоверности применяемых методов расчета. Авторы в настоящей книге сделали попытку связать три фактора разработки новых конструкций — их конструирование, расчет и исследование. В практике проектирования новых сооружений эти три этапа тесно связаны между собой.
Книга задумана как дополнение к широко известным и опубликованным работам по этой тематике. В основном в работе приведены результаты исследований, выполненных авторами самостоятельно или совместно с другими сотрудниками. Экспериментальные работы, рассматриваемые в книге, проведены в Научно-исследовательском институте бетона и железобетона (НИИ/КБ) Госстроя СССР и во Всесоюзном научно-исследовательском институте электрокерамики (ВНИИЭК) Минэлектротехпрома СССР.
В конце книги, в приложениях 1 и 2, даны физические величины, принятые в монографии, и их значения в единицах СИ.
Участие авторов в написании книги распределялось следующим образом: §§ 1.1.1 — 1.1.5, 1.2.1 — 1.2.3, 1.2.6, 1.2.7, 1.2.10, 1.3.1 — 1.3.3 —Коробов Л. А., Назарьев О. К.; §§ 1.2.4, 1.2.5, 1.2.8, 2.1.1- 2.1.6 — Коробов Л. А., Назарьев О. К., Павилайнен В. Я.; §§ 1.2.9, 2.2.1 -2.2.10, 2.3.1 —2.3.9, части 3 и 4 — Коробов Л. А.
Часть 1
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ЗАЩИТНЫЕ ОБОЛОЧКИ АЭС
Глава 1
ТИПИЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЗАЩИТНЫХ ОБОЛОЧЕК АЭС
§ 1.1.1. Введение
Защитные оболочки, как правило, возводятся на АЭС с единичной мощностью блока 500 МВт и более. Целесообразность работ над новыми конструкциями защитных оболочек связана с быстро растущим объемом строительства АЭС и, следовательно, с возрастающей опасностью радиоактивного загрязнения окружающей среды. В ближайшие десятилетия доля АЭС составит 40—50%, в общем объеме вырабатываемой электроэнергии, в дальнейшем эта доля будет неуклонно расти. На 1 января 1978 г. в мире введено в эксплуатацию 206 АЭС с общей мощностью 108 797 МВт, сооружается 244 АЭС (222 776 МВт) и планируется 106 АЭС (110 779 МВт) [1]. В соответствии с данными работ [2, 3] в табл. приведены мощности электростанций, в том числе АЭС в разных странах. В ближайшие десять — пятнадцать лет десятки атомных электростанций начнут функционировать в европейской части Советского Союза, в дальнейшем их количество будет постоянно возрастать.
В предшествующий период развития атомной энергетики быстро росла мощность блоков АЭС, в настоящее время рост мощности блоков несколько замедлился. Однако ведущие реакторостроительные фирмы США, ФРГ, Франции считают, что достигнутый уровень развития ядерных реакторов позволяет в ближайшие годы увеличить единичную электрическую мощность блоков с 1300 до 1600 и даже до 2000 МВт без существенного изменения технологии изготовления их корпусов [4]. Затраты на строительство АЭС ориентировочно слагаются из следующих частей: строительные 14—18%, электротехнические 16—17%, технологические 33—36%, реакторные 32—34%. В последнее время большинство АЭС с мощностью блока 500 МВт и более строится преимущественно с предварительно напряженными железобетонными оболочками, которые занимают значительное место в объеме строительных работ. Длительное время вопрос о целесообразности строительства защитных оболочек над реакторными отделениями АЭС оставался дискуссионным. За последние годы произошло несколько аварии на АЭС США, что послужило убедительным доводом в пользу строительства защитных оболочек (например, авария, произошедшая 28 марта 1979 г. па АЭС в Гаррисберге (США) [5]).
Возведение защитной оболочки для блока АЭС мощностью 1 —1,2 МВт длится 4—6 лет и в определенной степени сдерживает темпы строительства электростанции. Задержка пуска АЭС только на один день ведет к значительным экономическим потерям; один день простоя АЭС, по мнению зарубежных специалистов, обходится в 500—700 тыс. долл. В настоящее время уделяется большое внимание поиску новых конструкций защитных оболочек с внешней и внутренней металлическими облицовками, двойных железобетонных оболочек, двойных оболочек, состоящих из внутренней стальной и внешней железобетонной, сборно-монолитных и сборных оболочек, новых вариантов монолитных оболочек. Продолжительность строительства монолитных оболочек в ближайшем будущем снизится па 25—30 %, а сборных конструкций по сравнению с монолитными— в два раза и более.
Железобетонные защитные оболочки АЭС — сложные инженерные сооружения. Исследованию защитных оболочек, выбору конструкционных решений, методам расчета конструкций и их узлов посвящено много работ, в том числе [6]. Материалы первой части настоящей книги развивают и дополняют некоторые положения этой работы.
§ 1.1.2. Защитные оболочки АЭС в США
В США для АЭС с реакторами ВВЭР электрической мощностью 1000 МВт и более в настоящее время монолитные защитные оболочки строят только из предварительно напряженного железобетона.
На рис. l.l показано три типа железобетонных защитных оболочек АЭС для блоков мощностью 700, 900 и ИЗО МВт (США). Оболочка для блока АЭС мощностью 700 МВт выполнена в виде цилиндра, имеющего 6 пилястр, сопряженного с пологим куполом и днищем. Напрягаемая арматура цилиндра состоит из вертикальных и 867 кольцевых элементов, длина которых составляет 45,7 м, усилие натяжения — 4570 кН, элементы охватывают в плане угол 120° и стыкуются через пилястру. Каждый элемент включает 90 проволок диаметром 6,35 мм. В куполе располагается 165 предварительно напряженных арматурных элементов, которые разделены на три группы, расположенные друг к другу под углом 60°.
Защитная оболочка блока АЭС мощностью 900 МВт выполнена также в виде цилиндра, сопряженного с пологим куполом и плоским днищем. Цилиндр оболочки имеет три пилястры. Каждый кольцевой арматурный элемент, состоящий из 180 проволок диаметром 6,35 мм, охватывает угол 240°. Количество напрягаемых элементов уменьшилось до 335 шт., усилие их натяжения увеличилось до 10 000 кН. Купол оболочки напрягается 85 арматурными пучками.
В защитной оболочке блока АЭС мощностью ИЗО МВт цилиндр сопрягается с плоским днищем и покрытием в виде полусферы и напрягается вертикальной и кольцевой арматурой. Кольцевой элемент из 180 проволок диаметром 6,35 мм рассчитан на усилие9260 кН и охватывает в плане угол 240°. Кольцевая арматура заанкеривается на трех пилястрах, на оболочку идет 220 элементов длиной 163 м. Вертикальная напрягаемая арматура цилиндра перехлестывается через купол. Преимущества этого варианта — уменьшение размеров кольцевой балки между цилиндром и куполом, уменьшение количества напрягаемых арматурных элементов и анкерных устройств для них, уменьшение моментов в месте сопряжения купола с цилиндром. Оболочка такого типа принята в проектах 22 блоков АЭС. Недостаток конструкции — усложнение технологии бетонных работ при возведении купола.
В процессе совершенствования конструкционных решений защитных оболочек АЭС удлиняется кольцевая напрягаемая арматура — количество кольцевых арматурных элементов на оболочку уменьшилось с 867 до 220 шт.; ведутся работы по применению элементов, охватывающих в плане угол 360° с анкеровкой на двух противоположных пилястрах. Облицовка оболочек сваривается по участкам кольца длиной 10—18 м и высотой 2—3 м, ее листы усиливаются элементами уголкового или таврового профиля.
В США первые защитные оболочки возводились в сборной опалубке, в дальнейшем применяли переставную и скользящую опалубки. При строительстве бетон укладывается в основном бетононасосами, а в отдельные зоны — бадьями. Продолжительность работ по возведению оболочек составляет около 5 лет.
§ 1.1.3. Защитные оболочки АЭС «Библис» (ФРГ)
АЭС «Библис» имеет 2 блока мощностью по 1300 МВт каждый. Защитное сооружение на каждом блоке выполнено в виде двойной оболочки, состоящей из внутренней стальной, предназначенной для восприятия аварийных воздействий, и из внешней железобетонной для защиты окружающей среды от проникающего излучения и для защиты внутренней оболочки от внешних воздействий.
Внутренняя стальная сферическая оболочка рассчитана на аварийное давление 0,48 МП а и температуру 135—140° С. Для оболочки применена листовая мелкозернистая сталь (а„ = 360 МПа) толщиной 29—30 мм. Оболочка смонтирована из 544 блоков размером 6x6 м. Полная длина сварных швов составляет 5000 м, коэффициент свариваемости шва—0,9. Оболочка монтировалась в два этапа: за 3,5 месяца был смонтирован ее нижний участок (800 т стального листа), затем в течение 6 месяцев укладывался бетон во внутреннюю часть, после чего 8,5 месяцев возводился второй (верхний) участок (1750 т стального листа). В месте сопряжения участка сферы, лежащего на жестком железобетонном основании, с участком, расположенным выше и не имеющим опирания на железобетонные конструкции, устроен мягкий переход, снижающий величину местных изгибающих моментов. Переход выполнен укладкой в зоне плит из стиропора с дополнительным уплотнением зоны полосовым материалом, длительное время сохраняющим эластичность.
Внутренняя стальная оболочка до монтажа главного оборудования опрессовывалась давлением 0,724 МПа при температуре 10° С. Опрессовка проводилась в течение недели, затем максимальное давление поддерживали 4 дня. Перед сдачей сооружения в эксплуатацию проводится дополнительный контроль протечек при давлении 0,48 и 0,24 МПа.
Наружная железобетонная оболочка выполнена монолитной, состоящей из цилиндра, сопряженного с куполом и днищем. Минимальное расстояние между оболочками — 1,30 м, толщина стенки цилиндра—1,6 м, толщина полусферы колеблется в интервале 0,8—1,2 м. Оболочка бетонировалась в переставной опалубке, которая по кольцу разделена на элементы шириной 1,425 и высотой 4,85 м. Наружная и внутренняя опалубки соединены болтами. Внутренняя опалубка купола разделена на элементы с максимальной длиной 9 м, наружная—на элементы с длиной 6 м, высота бетонирования купола составляет 3,425 м. За 9 месяцев в купол уложено 4700 м3 бетона и 900 т стали. Продолжительность строительства I блока АЭС «Библис» составляла 55 месяцев, II блока — 49 месяцев.
§ 1 .1.4. Железобетонные защитные оболочки АЭС с внешней и внутренней стальными облицовками
Проектные и исследовательские институты некоторых стран проводят поиск конструкционных решений железобетонных защитных оболочек АЭС с внешней и внутренней стальными облицовками, выполняющими одновременно функции несущей арматуры.
Такое техническое решение оболочек запатентовано в 1966 г. фирмой «Броун-Бовери/Крупп — Строительство реакторов» (ФРГ) во Франции [7]. Оболочка такого типа включает в себя наружную и внутреннюю облицовки, пространство между которыми заполнено бетоном. Облицовки могут быть выполнены металлическими и заанкериваться в бетоне, при возведении сооружения они выполняют функции опалубки. Рассмотрено несколько вариантов анкеровки облицовок в бетоне и предусмотрена возможность предварительного напряжения защитной оболочки.
Защитные оболочки с двойной стальной облицовкой по сравнению с обычными предварительно напряженными имеют некоторые преимущества. Наличие двух слоев облицовки повышает их герметичность. Герметичная облицовка выполняет функции внешней арматуры и воспринимает усилия, действующие в ее плоскости одновременно в разных направлениях. При равной прочности расход арматурной стали был бы в два раза выше, чем заменяющего ее листового металла. Однако прочность листовой стали ниже прочности применяемой арматуры, поэтому эффект такой замены снижается.
Ориентировочно на 1 м2 поверхности железобетонной предварительно напряженной защитной оболочки с внутренней облицовкой для блока мощностью 1000 МВт идет 89—90 кг листовой и профилированной стали, 120—190 кг круглой арматурной стали, 150— 180 кг напрягаемой арматуры (с анкерными устройствами); полный расход стали составляет 350—460 кг. Полный расход стали на 1 м2 оболочки с двумя облицовками составляет 380—520 кг. В конструкциях с двумя облицовками имеются широкие возможности для варьирования толщиной стального листа и размещения в пространстве между облицовками обычной арматуры. Облицовка листом толщиной 18—25 мм может полностью воспринимать все расчетные растягивающие усилия в оболочке. Технология вальцовки и правки таких листов требует специального оборудования, трудности вызывает также выполнение сварных стыков в таких конструкциях. При толщине листа более 15 мм они свариваются встык, более тонкие листы допустимо сваривать при помощи накладок, листы толщиной 20—25 мм свариваются по специальной технологии с предварительным подогревом свариваемых участков.
Толщина листов внешней арматуры может быть снижена посредством применения высокопрочной стали. Однако в этом случае усложняется технология обработки стыков и должна быть гарантирована соответствующая прочность сварки.
На защитную оболочку с двухслойной облицовкой идет до 6000 т стали (около 500 стальных ячеек). Представляется более рациональным вариант защитной оболочки с двумя облицовками при выполнении последних из тонкого листа (6—12 мм) с размещением арматурных каркасов между облицовками и с предварительным напряжением конструкции. В этом случае сохраняется высокая герметичность сооружения и исключаются сложные работы по вальцовке и сварке толстых стальных листов.
К недостаткам оболочек такого типа без предварительного напряжения следует отнести то, что при аварийных нагрузках в них будут образовываться вертикальные и кольцевые трещины, что снизит защитные свойства сооружения. Наружная облицовка защитной оболочки в зимнее время растянута вследствие воздействия отрицательной температуры. Арматура обычных железобетонных оболочек расположена на расстоянии 10—15 см от наружной поверхности и в меньшей степени подвержена воздействию отрицательной температуры. Оба слоя внешней арматуры должны быть защищены от коррозии.
§ 1.1.5. Защитная оболочка V блока Нововоронежской АЭС
Результаты большого объема отечественных экспериментальных и теоретических исследований, а также конструкторских проработок внедрены при строительстве защитной оболочки V блока Нововоронежской АЭС (НВАЭС), проект которой положен в основу серии АЭС в Советском Союзе. Оболочка запроектирована во Всесоюзном государственном проектном ордена В. И. Ленина институте Теплоэлектропроект (ВГПИ Теплоэлектропроект) при участии ряда других проектных и научно-исследовательских организаций.
Защитная оболочка НВАЭС имеет форму цилиндра, сопряженного с пологим куполом и днищем. Под днищем имеется цокольный этаж. Высота оболочки и диаметр ее цилиндрической части равны соответственно 68 и 45 м, толщины стенок цилиндра и купола составляют 1,2 и 1,0 м. Оболочка выполнена монолитной из бетона марки 400, с внутренней стороны она облицована углеродистой сталью толщиной 6—10 мм. В месте сопряжения цилиндра с куполом имеется кольцо, в котором с помощью анкерного устройства закрепляется напрягаемая арматура. Купол предварительно напряжен двумя группами арматурных пучков, расположенных в плане под углом 90° одна к другой. Днище армировано ненапряженной стальной арматурой класса A-III. Цилиндрическая часть оболочки напрягается арматурой, идущей спирально в двух направлениях навстречу одна другой под углом 35° к горизонтальной плоскости.
Арматурные пучки цилиндрической части заанкериваются под днищем оболочки и на опорном кольце купола. В цилиндре и куполе устанавливается также значительное количество ненапрягаемой арматуры класса A-III. Для напряжения оболочки использованы отечественные арматурные пучки с контролируемым усилием натяжения 10 000 кН, каналообразователями для пучков служат полиэтиленовые трубы. Пучки образованы посредством непрерывной навивки высокопрочной проволоки на анкерные головки, которые вместе с пучками впоследствии заклиниваются в гильзах с наружной резьбой. На гильзы навинчены анкерные гайки с наружным диаметром 480 мм. Усилие с анкерной гайки передается на бетонные упоры в виде облицованных металлом шпонок (рис. 1.2).
Изготовленные в заводских условиях напрягаемые элементы навиваются на катушки и трайлерами доставляются на строительную площадку. Масса напрягаемого элемента, катушки и подставки под нее составляет около 8,5 т. По верхнему обрезу цилиндра оболочки установлены рельсовые пути, по которым перемещается специально оборудованная тележка с размещенным на ней арматурным пучком. Пучки затягиваются в каналообразователи тросом при помощи лебедки, размещенной в галерее с нижней стороны цилиндра. После протягивания пучков в каналообразователи, на них надеваются гильзы с анкерными гайками. Затем в концы пучков запрессовываются анкерные головки. Домкрат с насосной станцией для натяжения пучков перемещается сверху оболочки при помощи крана, передвигающегося по рельсовым путям. Под оболочкой домкраты размещаются па гидравлических подъемниках. Для натяжения арматуры купола сбоку от его опорного кольца па металлических консолях, закрепленных в оболочке, сооружена специальная галерея, в которой имеется рельсовый путь. Домкраты на специальных гидравлических подъемниках смонтированы на тележках, перемещающихся по рельсовому пути. Возведение оболочки проводилось в переставной опалубке. Общий вид оболочки в процессе строительства представлен на рис.
...