Источник: Журнал "Промышленное и гражданское строительство" №12/2005 02.02.2006 [Электронный ресурс] / Портал «Строительная наука» - режим доступа: http://www.stroinauka.ru/d26dr5586m0rr6098.html
Надежная и безопасная работа строительных металлических конструкций зданий и сооружений может быть обеспечена только при правильном и своевременном проведении технического диагностирования с использованием современных методов, методик и средств неразрушающего контроля на стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации, при достоверном прогнозировании ресурса и др. Более того, с целью поддержания безопасной эксплуатации опасных производственных объектов наблюдается тенденция перехода от периодического контроля к постоянному.
Возможность применения того или иного вида диагностирования в значительной степени зависит от требуемого уровня надежности, что во многом определяется видом эксплуатации объекта: до отказа, по назначенному ресурсу, по техническому состоянию. Наиболее экономически целесообразным видом эксплуатации опасных производственных объектов следует считать эксплуатацию по техническому состоянию, составной частью которой является система диагностического контроля непрерывного или периодического действия [1]. В последнее время все чаще применяется непрерывный диагностический контроль - мониторинг, т. е. система наблюдений за состоянием объекта для своевременного выявления изменений в объекте, оценки, а также прогноза прочности и надежности его элементов, предупреждения и устранения последствий негативных процессов. Мониторинг позволяет в любой момент времени получить информацию о техническом состоянии элементов и металлоконструкции в целом.
Важная задача обеспечения надежности - многоуровневый мониторинг на всех стадиях жизненного цикла конструкций и сооружений при проектировании, изготовлении, эксплуатации, реновации (реконструкции) [2].
Система диагностического мониторинга на стадии эксплуатации должна включать в себя:
Основное влияние на напряженно-деформированное состояние конструкции оказывают статические нагрузки, которые в ряде случаев могут привести к ее разрушению, например, при наличии в конструкции значительных производственных дефектов, а также при воздействии эксплуатационных нагрузок. Кроме того, при периодическом изменении статических нагрузок могут образоваться локальные участки с повышенным уровнем напряжений, обычно группирующиеся в зоне геометрических концентраторов. Возникновению и развитию дефектов могут также способствовать внешние случайные нагрузки, в частности проседание грунта, способное изменить проектное положение объекта, а также физико-химические свойства среды, способствующей коррозии.
При диагностическом мониторинге контролируются основные виды повреждений: изменение пространственного положения конструкции в процессе эксплуатации, трещины в сварных швах и в основном металле, коррозия металлов, износ стенок изделия. При изменении проектного положения металлических конструкций подлежат контролю:
Следует отметить, что места образования трещин в зоне сосредоточения нагрузок и геометрических концентраторов напряжений зачастую известны, их можно также установить из опыта эксплуатации объекта.
Для конструкций, работающих при взаимодействии с агрессивными средами, особое значение имеет развитие коррозии металла. Параметры очага коррозии: длина, ширина, глубина, расстояние от сварных швов, площадь и расстояние между соседними очагами.
Износ стенок, например, трубопроводов, обычно возникает вследствие эрозионных процессов на вогнутой стороне отвода, при этом средняя скорость износа обычно известна из опыта эксплуатации. Параметры износа: площадь эрозионного пятна и фактическая толщина стенки изделия.
Выбор методов неразрушающего контроля, обеспечивающих своевременное обнаружение дефектов при диагностическом мониторинге, зависит от типа объекта, вида эксплуатационных дефектов, свойственных данному объекту, и от особенностей мест их возникновения в исследуемой конструкции [3].
В зависимости от типа объекта при контроле технического состояния могут применяться:
Один из способов эксплуатационной оценки напряженно-деформированного состояния конструкции - тензометрия, которая в системе мониторинга выполняет две задачи: непрерывное измерение напряжений в конструкции; обеспечение автоматического процесса идентификации вида дефекта по данным АЭ контроля и других методов, используемых в системе мониторинга.
Аппаратура, использующая ультразвуковой метод, может входить в состав диагностической системы как элемент мониторинга локальных зон конструкции с известным видом дефекта и точным указанием его местоположения. Например, мониторинг сварных соединений трубопроводов на объектах атомной энергетики, газо- и нефтепроводах с использованием автоматизированного ультразвукового контроля с когерентной обработкой данных, дает более высокую (» на 30 %) достоверность результатов и позволяет более чем в 10 раз сократить объем необоснованного ремонта сварных швов [4]. Ультразвуковая толщинометрия может использоваться в системе диагностического контроля для обслуживания локальных участков конструкции с известным расположением мест с интенсивным износом стенок в процессе эксплуатации.
Акустико-эмиссионный контроль, использующий энергию излучения конструкций, - один из наиболее эффективных средств технического мониторинга. При его применении одновременно регистрируются параметры акустико-эмиссионных сигналов и параметры нагрузок, действующих на конструкцию в процессе эксплуатации. Метод АЭ позволяет в реальном времени следить за характером образования и развития дефектов, как в отдельных элементах, так и в материале всей конструкции в целом. Однако целесообразно наряду с методом АЭ применять другие акустические и тепловые методы, позволяющие в режиме реального времени количественно оценивать поля напряжений, деформаций и температур [5].
Метод МПМ основан на регистрации собственных магнитных полей рассеяния, возникающих на оборудовании и металлических конструкциях в магнитном поле Земли под действием рабочих нагрузок в процессе их изготовления и эксплуатации. Этот метод, способствуя быстрому выявлению зон концентрации напряжений (КН) и дефектов на раннем этапе их развития, позволяет проводить экспресс-диагностику металлоконструкций без дополнительной подготовки поверхности. Наличие конкретных дефектов в зонах КН и их допустимость для дальнейшей эксплуатации объекта уточняются последующим диагностированием этих зон другими методами.
Для выяснения возможностей использования метода МПМ в системе диагностического мониторинга строительных конструкций были проведены механические испытания на сталях СтЗ, 09Г2С и 10ХСНД. Исследования показали существование связи между механическими и магнитными параметрами деформационной способности металла для всех выбранных марок сталей. При этом в пластической области с увеличением напряжения в контролируемых сечениях наблюдался рост градиента магнитного поля, что согласуется с данными работы [6].
Таким образом, использование мониторинга позволяет своевременно обнаруживать и контролировать развитие дефектов в металлических конструкциях зданий и сооружений, и на этой основе прогнозировать их остаточный ресурс и принимать обоснованные решения о продлении срока безопасной эксплуатации объектов.