Способы разрушения строительных конструкций блока при подготовке и проведении демонтажа оборудования

Лекция 9. Методы и средства демонтажа оборудования, зданий и сооружений

Одной из важнейших практических задач при выводе из эксплуатации реакторных установок является демонтаж оборудования и строительных конструкций, которые могут быть как радиоактивными, так и нерадиоактивными.

При проведении демонтажных работ прежде всего должны быть оценены факторы, влияющие на обеспечение безопасности персонала, населения и окружающей среды при проведении демонтажных работ при выводе из эксплуатации блока АС, такие как:

· образование больших объемов РАО и возможности их распространения;

· образование большого количества радиоактивной пыли и золей;

· возможное дополнительное или повторное загрязнение оборудования и помещений;

· возможное ухудшение надежности оборудования и устойчивости строительных конструкций.

Все демонтажные работы должны проводиться в последовательности не приводящей к увеличению отрицательного воздействия указанных факторов. Так же необходимо эффективно контролировать:

· выбросы в окружающую среду;

· влияние демонтажных операций на соседние систе­мы и конструкции и другие проводимые работы.

Методы и способы демонтажа оборудования

ПИЛИМ, РЕЖИМ

Процесс демонтажа оборудования включает в себя следующие основные типы работ:

- демонтаж оборудования (целиком, разборкой поэлементно, расчленением на фрагменты, и т.п.) со штатного места;

- транспортировка демонтированного оборудования реакторного отделения, его элементов, фрагментов в контейнерах или без контейнеров между участками в пределах реакторного отделения;

- разделка (измельчение) демонтируемого оборудования, его элементов или фрагментов на более мелкие фрагменты, размеры которых определяются техническими характеристиками технологического оборудования последующих технологических операций.

Для практического осуществления работ помещения реакторного отделения разделяются на следующие рабочие участки:

- демонтажа оборудования со штатного места;

- транспортировки демонтируемого оборудования в пределах зоны строго режима;

- временного складирования демонтированного оборудования или контейнеров с РАО, а также жидких РАО;

- фрагментации демонтированного оборудования на более мелкие фрагменты, пригодные для дальнейшей переработки;

- переработки РАО, включая сжигание горючих РАО, отверждение жидких РАО, цементирования, прессования, переплава;

- глубокой дезактивации демонтированного оборудования и его фрагментов, направляемых на «чистый» переплав;

- упаковки и загрузки РАО на транспортные средства для транспортировки в могильники.

В помещении турбинного отделения располагаются следующие рабочие участки:

- демонтажа «грязного» оборудования со штатного места (определяется по результатам КИРО);

- транспортировки демонтированного «грязного» оборудования в зону строго режима в реакторного отделения;

- фрагментации «чистых» отходов;

- переработки «чистых» отходов;

- переплава «чистого» металла.

Учитывая габариты используемых контейнеров, габариты фрагментов металлических РАО I и II категории, поступающие на дезактивацию и последующую переплавку, должны не превышать размеры 250´250´250 мм, а РАО III категории, не подвергающиеся дальнейшей переработке, могут иметь максимальные размеры не более 500´500´500 мм.

Для выполнения операций по разделению металлоконструкций применяются следующие методы резки:

- механическая;

- газовая;

- плазменная;

- электроэрозионная;

- взрывом;

- лазерным лучом.

Методы механической резки

Резка пилой с механическим приводом

Метод использует обычные промышленно выпускаемые инструменты, применяемые для резки всех металлов возвратно-поступательным движением пилы из инструментальной стали. Он обладает следующими преимуществами по сравнению с огневыми методами резки: пониженной пожароопасностью и образованием только одного вида вторичных отходов – металлической стружки. Устройства, реализующие этот метод, обладают высокой надежностью, имеют низкую стоимость и достаточно высокую скорость резки. Устройства могут иметь переносное и стационарное исполнение.

Резка вращающейся дисковой пилой или фрезой

Метод использует промышленно выпускаемые дисковые пилы и фрезы, которые могут устанавливаться как на переносных самоходных механизмах, так и на стационарных установках (в том числе и промышленно выпускаемых). Перемещение режущего инструмента по поверхности разрезаемой детали может осуществляться в автоматизированном режиме. Максимальная глубина реза на углеродистой стали за один проход не превышает 2 мм, что обуславливает высокие требования к механизму перемещения по повторяемости траектории движения инструмента. Рассматриваемый метод, как и предыдущий, имеет пониженную пожароопасность и образует только один вид вторичных РАО – металлическую стружку. Устройства, реализующие этот метод, обладают высокой надежностью, имеют низкую стоимость, среднюю скорость резки.

Резка абразивным кругом

Метод использует стандартные абразивные круги, изготовленные из резины, армированной окисью алюминия или карбида кремния. Процесс резки сопровождается непрерывным искровыделением, что повышает пожароопасность применяемого метода. В процессе резки образуются различные вторичные РАО. Твердые: пыль, стружка; жидкие: охлаждающая и смазывающая жидкости; газообразные: пары. Устройства, использующие этот метод резки, могут иметь ручное, переносное и стационарное исполнение. К недостаткам метода можно отнести быстрый износ режущего инструмента и, вследствие того, его частую замену, низкую прочность режущего инструмента.

Газовая резка

Кислородно-флюсовая резка

Метод основан на подогреве металла в зоне реза и его плавлении во время сгорания порошкообразного флюса (железного порошка) в среде кислорода, и удалении продуктов сгорания и плавления и из зоны реза кислородной струей высокого давления. Метод обеспечивает резку всех металлов, в отличие от кислородно-ацетиленовой резки, и по сравнению с ней образует большое количество вторичных РАО (из-за наличия флюса) и выделяет больше тепла. Промышленное выпускаемые установки обеспечивают применение этого метода в ручном и стационарном исполнениях, имеют невысокую стоимость и достаточно высокую надежность. Метод обеспечивает резку толстостенных металлоконструкций при достаточно высоких скоростях резки. Основной недостаток – горизонтальная или с небольшим наклоном ориентация разрезаемой конструкции.

Плазменная резка

В настоящее время распространенным способом получения низкотемпературной плазмы (3000 – 5000) ºС является нагрев газа в электрической дуге.

Плазменную резку, в том числе с помощью промышленных роботов (ПР), условно классифицируют по четырем видам:

- в среде аргона, водорода, азота;

- в среде сжатого воздуха;

- с помощью азота и защитного газа (углекислого) и воды;

- с помощью азота и водяной струи.

В центре плазменной струи температура достигает 10·103 ºC, на поверхности - 3·103 ºC. В зависимости от конструкции плазменной горелки, давления в камере и мощности установки плазменная струя выбрасывается с разной скоростью (в среднем при 1000 ºC со скоростью 6000 м³/с). Средняя скорость плазмы составляет 1,3·104 Т/А, где Т – абсолютная температура плазмы, А – атомный вес вещества.

При плазменной резке используются электроды из вольфрама, электроды из гафние- или циркониевого сплава, а также из меди и вольфрама.

Первый вид резки, классифицированный выше, требует малых затрат электроэнергии, второй – ограничен мощностью до 30 кВт, третий требует значительных расходов электроэнергии и сложной конструкции горелки, четвертый – высоких мощностей, но не оказывает вредного воздействия на окружающую среду, как первые три.

Резка взрывом

Метод основан на использовании энергии взрыва для разделения металлоконструкций. К существующим способам относятся: резка кумулятивной струей и резка ударной волной при помощи контурных зарядов. Наиболее интерес представляет собой резка, использующая кумулятивный эффект, т.е. концентрацию действия взрыва в определенном направлении. При взрыве направленный поток продуктов взрыва создает давление 104 МПа (105 кгс/см²) и тонкой струей выбрасывается в направлении концентрации взрыва со скоростью от 7 до 16 км/с. При взрыве 1 кг взрывчатого вещества образуется около 1000 л газов. Этот метод разработан и имеет утвержденную технологию и средства.

Для разделения металлоконструкций толщиной свыше 100 мм разрабатывается способ резки ударной волной накладного заряда с предварительно нанесенным на металл концентратором напряжений.

Применение указанных методов для разделения металлоконструкций при демонтаже АЭС перспективно в связи со сравнительно небольшим временем подготовительных работ и основных операций. Имея небольшой вес и габариты наряду с высокой эффективностью и минимальное количество вспомогательного оборудования, эти средства обладают хорошей адаптацией к дистанционно управляемым механизмам для доставки и установки.

Резка лазерным лучом

Метод лазерной резки основан на использовании энергии мощного светового потока, получаемого с помощью оптических квантовых генераторов, способного расплавлять и испарять металл.

Наибольшее распространение получили лазеры с СО₂ мощностью 10 кВт, разработаны экспериментальные установки мощностью до 100 кВт.

Существующие в настоящее в настоящее время установки способны разрезать все материалы. Толщина разрезаемых конструкций до 60 мм.

Метод отличает минимальное количество РАО, очень высокая стоимость оборудования. Устройства, реализующие этот метод, имеют только стационарное исполнение.

Резка струей с абразивом

Принцип резания состоит в следующем: водяная струя, в которую подмешивают абразивные материалы, под сверхвысоким давлением направляется на объект резания и благодаря импульсной силе удара происходит резание. Для подачи абразивной водяной струи используется специальное сопло малого диаметра. В малогабаритном сопле часть количества движения водяной струи передается абразивным частицам.

В Японии разработана технология резки с помощью абразивной водяной струи. В ходе разработки и экспериментирования исследовались оптимальные количества и форма режущего сопла, выяснялись вид, зернистость, количество подаваемых абразивных материалов, скорость перемещения режущего сопла и другие условия резания, изучались способы противодействия разлету воды, методы регенерации вторичных продуктов, образующихся в больших количествах при использовании абразивных материалов, рассматривались возможности дистанционного управления установкой. Кроме того, проводилась также разработка насосов для сверхвысокого давления.

В Великобритании разработан и опробован прибор с абразивной водной струей под давлением до 100 МПа, где в качестве абразивной добавки использован размельченный медный шлак для резания бетона.

Полагают, что применение этой технологии для демонтажа больших армированных бетонных конструкций в реакторах будет ограничено из-за загрязнения воды и относительно большой длительности резки.

Способы разрушения строительных конструкций блока при подготовке и проведении демонтажа оборудования

Строительные конструкции, подлежащие разборке в процессе ВЭ, по условиям и специфике производства работ подразделяются на конструкции, разбираемые посредством:

- полного разрушения материала, из которого они возведены;

- частичного разрушения материала, из которого они возведены, с целью членения конструкций на конструктивные элементы, пригодные для последующего использования;

- частичного или полного разрушения материала, из которого они возведены, в зависимости от условий производства работ на действующих предприятиях, наличия средств разрушения материала или обеспеченности подъемно-транспортным оборудованием надлежащей грузоподъемности.

К конструкциям, разбираемым посредством полного разрушения, относятся бетонные и железобетонные фундаменты, разбираемые в стесненных условиях и на свободной площадке.

К конструкциям, разбираемым посредством частичного разрушения, относятся элементы каркаса здания: колонны, подкрановые балки, ригели, рамные и решетчатые пространственные конструкции, отдельно стоящие опоры и т.п.

К конструкциям, разбираемым посредством частичного или полного разрушения, относятся бетонные основания и полы толщиной от 200 до 500 мм, стены и перегородки кирпичные, бетонные и железобетонные, железобетонные покрытия и перекрытия.

Для разборки монолитных железобетонных конструкций применяются средства расчленяющего действия, с помощью которых производится разрезка конструктивных элементов на части (отвечающие имеющимся производственным условиям по размеру, объему и массе этих частей), подлежащие погрузке на транспорт для вывоза к месту складирования.

Наиболее опробованными и традиционными способами разрушения бетона и строительных железобетонных конструкций являются ударные методы разрушения. В условиях помещений реакторного отделения, которые характеризуются стесненностью рабочего пространства и труднодоступностью, эти методы и разработанные средства наиболее применимы для разрушения технологических проемов во время проведения демонтажа оборудования.

Большое распространение в настоящее время получили технологии сверления и резки железобетонных конструкций, основанные на применении алмазного инструмента для специально сконструированной техники.

Основой алмазных технологий является процесс резки бетона и арматуры алмазными сегментами, закрепленными на корпусе инструмента (коронки, диски, канат и т. п.). Инструмент приводится в движение с помощью специализированного механизма стенорезной или сверлильной машины. Линейная скорость алмазного сегмента приведена к скорости эффективной резки материала. Это означает, что скорость резки максимальна, а износ алмазного сегмента минимален.

Отличительными особенностями алмазной техники являются обработка материалов без динамических нагрузок (безударный метод обработки), относительно низкий уровень шума (средний уровень шума составляет 86 dB) и относительно низкий уровень вибрации (уровень вибрации составляет 2,5 м/с²).

Большую роль алмазные технологии играют и при демонтаже железобетонных конструкций. Применение алмазной резки позволяет получать фрагменты с заранее предусмотренными геометрическими размерами, что значительно упрощает процесс демонтажа и последующей утилизации бетонных блоков. При производстве работ по резке, не возникает никаких динамических нагрузок, из-за того, что нет ударов по конструктиву.

И самое важное в том, что данная технология не наносит ущерб окружающей среде, так как является наиболее экологичной из всех существующих методов демонтажа строительных конструкций.

Рассмотрим практические примеры использования

Сверлильная техника

Сверлильные машины предназначены для сверления монолитного железобетона с высокой степенью армированности, твердого природного камня, а также бетона (в том числе пенобетона, керамзитобетона) и кирпича (в том числе многощелевого, шамотного, силикатного). Диапазон диаметров сверления составляет от 20 мм до 500 мм для машин стандартной комплектации и до 1800 мм для специальных машин.

Станинные электрические сверлильные машины являются наиболее универсальными из всего ряда данного вида техники, так как позволяют решать основной спектр задач по сверлению, стоящих перед строителями.

Отличительной особенностью алмазных сверлильных машин является высокая точность выполнения отверстий, малое отклонение от горизонтальности и вертикальности и низкое отклонение от заданного угла сверления. В зависимости от конкретных условий работы предусмотрено оснащение машин электрическими моторами с градацией по мощности.

Стенорезные дисковые машины

Стенорезные дисковые машины, как следует из их названия, режут бетон с помощью дисков, имеющих алмазосодержащие сегменты, расположенные по периметру стального диска. При вращении диска происходит процесс фрезерования бетона и стальной арматуры находящейся в зоне контакта алмазного сегмента и железобетонной конструкции. С помощью данного вида техники можно решать следующие виды задач: горизонтальная резка, вертикальная резка, резка в потолочном положении, резка под углом.

Режущим инструментом данного вида машин являются алмазные отрезные сегментированные диски. В процессе резки чаще всего применяются диски разного диаметра по возрастающей от меньшего к большему. Это обусловлено технологическими особенностями применения стенорезной техники.

Гидравлические дисковые стенорезные машины предназначены для резки монолитного железобетона с высокой степенью армированности, а также бетона (в том числе пенобетона, грунтобетона), твердого природного камня и кирпича (в том числе щелевого, шамотного, силикатного).

Специфическими условиями работы данного класса машин является необходимость наличия электропитания 380 – 400 В соответствующей мощности и водоснабжения.

Все гидравлические дисковые стенорезные машины укомплектованы гидроагрегатами.

Мощность гидроагрегатов непосредственно связана с глубиной реза.

Наиболее распространены машины с мощностью двигателя 15,0 – 30,0 кВт, но существуют образцы до 40,0 кВт.

Максимальная глубина реза составляет 1000 мм при работе диском диаметром 2200 мм. Для достижения данной глубины требуется последовательная резка дисками диаметра 800 мм, 1200 мм, 1600 мм и 2200 мм соответственно.

Канатные стенорезные машины

Канатные машины в качестве инструмента используют трос с нанизанными на него алмазосодержащими втулками, между которыми вставлены кольцевые пружины, препятствующие сдвигу втулок.

Канатные стенорезные машины различаются по принципу подачи каната. Это канатные машины колесного типа и канатные машины роликового типа. К первым относятся дисковые стенорезные машины, на которые вместо алмазного диска устанавливается приводное колесо. Оно имеет резиновое покрытие по торцу, которое обеспечивает необходимое сцепление каната и приводного колеса. При использовании данного типа канатной машины непременным условием является наличие дополнительных роликов. Они служат не только для изменения направления движения каната, но являются также демпфирующим элементом, препятствующим его разрыву, поскольку в процессе резки при попадании каната на оторвавшийся кусок бетона возникают динамические нагрузки.

Канатные машины роликового типа в своей конструкции, учитывают возможность появления рывков по ходу резки. Это выражается в наличии нескольких ведомых роликов установленных на станине или же на каретках машины. Они служат не только для перепасовки выбранного в процессе резки каната, но и гасят рывки каната, перераспределяя динамические воздействия, как на ведущие, так и на ведомые ролики. Основной отличительной особенностью стенорезных канатных машин от стенорезных дисковых машин является практически неограниченная глубина реза. При максимальной длине запасовки каната 60 м глубина реза может доходить до 25 м. Это дает возможность производить резку любых строительных конструкций, а также железобетонных массивов.