Научная статья на тему 'Вопросы совершенствования системы диагностирования состояния энергетических и гидротехнических сооружений'

Вопросы совершенствования системы диагностирования состояния энергетических и гидротехнических сооружений Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
160
43
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ / УРОВНИ КОНТРОЛЯ / СРЕДСТВА ЭКСПЛУАТАЦИИ / DIAGNOSTICS OF THE CONDITION OF ENERGY AND WATERWORKS / THE LEVELS OF CONTROL / THE MEANS OF EXPLOITATION

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Беллендир Евгений Николаевич, Семенов Юрий, Штенгель Вячеслав Гедалиевич

В статье анализируется существующая система контроля и диагностики состояния энергетических и гидротехнических сооружений. Приводится путь решения проблем, сложившихся в данной системе.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Беллендир Евгений Николаевич, Семенов Юрий, Штенгель Вячеслав Гедалиевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The article examines the current system of monitoring and diagnostics of power and waterworks. Provides a way to solve the problems existing in the system.

Текст научной работы на тему «Вопросы совершенствования системы диагностирования состояния энергетических и гидротехнических сооружений»

= 6

Энергобезопасность и энергосбережение

УДК 627.8.059.2

Вопросы совершенствования системы диагностирования состояния энергетических и гидротехнических сооружений

Е. Н. Беллендир,

доктор технических наук, ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева», г. Санкт-Петербург

Ю. Д. Семёнов,

инженер, ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева», г. Санкт-Петербург

В. Г. Штенгель,

кандидат технических наук, ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», г. Санкт-Петербург

В статье анализируется существующая система контроля и диагностики состояния энергетических и гидротехнических сооружений. Приводится путь решения проблем, сложившихся в данной системе.

Ключевые слова: диагностика состояния энергетических и гидротехнических сооружений, уровни контроля, средства эксплуатации.

Вся система контроля состояния энергетических и гидротехнических сооружений, рассчитанных на длительную эксплуатацию, как и предусмотрено Правилами эксплуатации, должна быть многоуровневой:

- постоянно действующий плановый сезонный контроль, который обычно выполняется по упрощенной схеме 2 раза в год;

- контроль периодический - 1 раз в 5 лет с применением выборочного инструментального контроля;

- многофакторный контроль - 1 раз в 25 лет нормальной эксплуатации, при реконструкции сооружений или после форс-мажорных воздействий. В этом случае используются максимально доступные методы и средства инструментального контроля, выполняется детальный анализ результатов всех ранее проведённых обследований, лабораторных исследований, поверочных расчётов, фактического распределения нагрузок и воздействий с учётом выявленных дефектов, изменений условий эксплуатации и технологического изменения конструктивных элементов [1].

К сожалению, на каждом уровне контроля существует большое количество объективных и субъективных факторов, снижающих достоверность и эффективность контроля, и, соответственно, выводов о дальнейшей надёжной эксплуатации конструктивных элементов и сооружений в целом, разработки технологии устранения дефектов и т. д. Отсутствует серьезно подготовленная нормативная база, учитывающая современное состояние методов и средств контроля. Кроме того, в условиях эксплуатации во многих случаях отсутствуют или значительно ограничены возможности безопасного доступа к конструкциям, позволяю-

щие проводить необходимый комплекс обследований в производственных условиях.

Рассмотрим кратко отдельные аспекты этих уровней контроля.

Первый уровень практически целиком ложится на плечи персонала сооружений. Качество полученной информации зависит, в первую очередь, от квалификации работников. К сожалению, необходимо отметить, что волны сокращений персонала в значительной мере коснулись именно служб наблюдений за зданиями и сооружениями, вплоть до того, что этот серьёзнейший этап поручается зачастую неквалифицированным сотрудникам, например, работникам архивов. Вместо того, чтобы постоянно находиться на сооружениях или принимать ремонтные работы и добиваться их качественного исполнения, задействованные контрольные службы вынуждены заниматься бумажной работой.

Но объём рутинной работы даже при наличии цифровой фотоаппаратуры на таких сложных объектах, имеющих много нестандартных конструкций, не уменьшается. Естественно, что в таких условиях контроль обычно ограничивается неполным визуальным обследованием общего плана.

Второй уровень контроля требует уже другого подхода. Выполняется он обычно с привлечением специализированных организаций. Однако финансируются такие работы часто по остаточному принципу. При этом заявка на обследование проходит тендерную цепочку, в которой в угоду сомнительной экономии предпочтение часто отдаётся фирме, оснащённой комплектом простой аппаратуры, предназначенной, в первую очередь, для оценки качества поверхностных слоёв бетона и ограниченного спек-

Энергобезопасность и охрана труда ^^ 7 =

тра характеристик материалов и конструкций. Соответственно, страдают объём и качество полученной информации и выводы о фактическом техническом состоянии конструкций.

Третий уровень обследований в нарушение всех правил эксплуатации зданий и сооружений применяется крайне редко. Он требует высокой степени квалификации организаций и специалистов, определённого, часто нестандартного набора методов и средств контроля, комплекса лабораторных исследований, а также специальных дорогостоящих расчётов пространственных конструкций с учётом выявленных дефектов при отличных от проектных значений систем воздействий и нагрузок.

Существующая практика контроля сложилась в условиях, когда эксплуатировались ещё относительно новые сооружения. Основной задачей были именно вопросы контроля, а не диагностирования, так как процессы старения конструкций проявлялись мало. За выявленными дефектами, в лучшем случае, организовывались наблюдения. При этом, как правило, надёжность эксплуатации ставилась под сомнение в исключительных случаях.

В связи с тем, что значительное число эксплуатируемых энергетических и гидротехнических сооружений были построены в 50-70-е годы прошлого века, срок их эксплуатации насчитывает уже более 40-50 лет (по данным Минэнерго: 21 % ГЭС эксплуатируются более 50 лет, 80 % АЭС - 20-40 лет, 75,5 % ТЭС - более 30 лет). Это срок, за который начинают в той или иной степени проявляться процессы старения, наиболее интенсивно - в дефектных зонах. Как показывает опыт обследований последних лет, для ряда конструкций процессы старения достигли такого уровня, что уже требуется не только обследование, периодичность которого регламентируется нормативными документами, но и техническое диагностирование для принятия решений по дальнейшей эксплуатации конструкций. Статистические данные свидетельствуют о том, что за последние 10 лет количество техногенных аварий возросло в 10 раз, что, соответственно, характеризует, в том числе, низкий уровень диагностирования конструкций, оценки их надёжности и корректности решений об их дальнейшей эксплуатации.

Характерным примером является отношение к эксплуатации таких сложных элементов напорных гидротехнических сооружений, как турбинные водоводы. Построены они, как и бетонные плотины, «на века». Следовательно, подход к контролю их состояния до сих пор обозначен недостаточно чётко.

После техногенной аварии на Саяно-Шушенской ГЭС вспомнили о водоводах. В частности, в п. 6.2.5 «Акта о техническом расследовании причин аварии СШГЭС» отмечено, что необходимо «провести диагностирование технического состояния сталежелезо-бетонных напорных водоводов, устранить раскрытые поверхностные трещины. Срок исполнения - до 01.01.2011». Следует обратить внимание на столь сжатые сроки выполнения требуемых Правилами эксплуатации многофакторных инструментальных исследований при отсутствии инвентарных средств

безопасного доступа, методики и специальных средств диагностирования.

Необходимо отметить, что служба наблюдения за ГТС на таком уникальном объекте, как СШГЭС, одна из самых передовых в отрасли. При строительстве некоторых водоводов в их тело была заложена хорошая (по тем временам) аппаратура, контролирующая напряжённо-деформированное состояние водовода. И, тем не менее, никто не даёт гарантии, что в отдельных конструктивных элементах водоводов не проходят медленные процессы старения и развития внутренних дефектов, которые могут привести к негативным последствиям. Слишком уж сложная структура у этой крупногабаритной конструкции.

О масштабах конструкции свидетельствуют несколько цифр:

- общая длина водовода около 250 м, в том числе в наклонной части (угол наклона 75°) - около 180 м и в двух участках сложной формы, сочетающей горизонтальные и кривоколенные участки (вверху с приёмной камерой, внизу - с переходным конусом соединения со спиральной камерой) примерно по 35 м;

- внутренний диаметр водовода - 7,5 м;

- водовод состоит из двух частей: внутренней металлической облицовки из металла толщиной от 16 до 40 мм и железобетонной оболочки толщиной 1,5 м с двойной арматурной сеткой, системой опор на облицовку и элементов связи в арматурном каркасе звеньев;

- площадь металла облицовки до 1 км2;

- суммарная длина сварных швов (межлистовых внутри звеньев и межзвеньевых) - более 4 км;

- проектная прочность бетона железобетонной оболочки - М 250-М 300;

- водоводы жёстко соединены с наклонной низовой гранью железобетонной плотины и возводились параллельно со строительством плотины, причём первые водоводы для временной эксплуатации имели (в дальнейшем демонтированные) временные вводы на промежуточных отметках.

Как в любой сложной конструкции, в водоводах в любой момент могут проявиться результаты долговременного малоинтенсивного (даже внешне незаметного) развития потенциальных дефектов:

- в металле внутренней облицовки - коррозия обеих поверхностей, усталостные напряжения в сварных швах и металле листов;

- в бетоне оболочки - развитие имеющихся и появляющихся трещин, которые снижают конструктивную прочность элемента, кроме того, трещины позволяют проникать влаге не только до арматурных сеток, но и до металлической облицовки;

- в контакте металлической облицовки с железобетонной оболочкой - нарушение, образование и развитие полостей в бетоне в контактной зоне приводит к развитию коррозии облицовки, к нарушению системы передачи напряжений от облицовки к оболочке, к повышению локальных усталостных напряжений в металле;

- в контакте металла арматурного каркаса и элементов его крепления к облицовке с бетоном - нарушение контакта приводит к изменению проектной

Н8ИИ8ИИШ

= 8

Энергобезопасность и энергосбережение

системы передачи напряжений от металлической облицовки к железобетонной оболочке.

Любое накопление дефектов и их сочетание может привести к развитию непрогнозируемых разрушающих процессов.

Контроль, осуществляемый в настоящее время, ограничен отсутствием инвентарной оснастки, позволяющей осуществить безопасный доступ к любой внутренней или наружной зоне поверхности водоводов для инструментального обследования и ремонта. Учитывая габариты и особенности этих элементов сооружения, разработка, изготовление, монтаж и эксплуатация этих подъёмных механизмов и площадок для безопасного размещения людей и оборудования представляют собой дорогостоящее мероприятие, осознание необходимости которого может быть возможно только исходя из требований долговремен-ности надёжной эксплуатации всей серии из десяти водоводов.

В настоящее время визуальное обследование может быть проведено только с использованием альпинистского снаряжения в лотковой части внутри водовода. При этом мелкие дефекты металла, покрытые слоем краски, продуктов коррозии и биологических отложений, на сводовой части трубы диаметром 7,5 м даже при освещении мощным прожектором плохо различимы, а их размеры определить невозможно. Аналогично может быть проведено визуальное обследование по отдельным образующим на внешней поверхности (без точного замера параметров многих трещин и без проведения инструментального контроля). Но даже и при таких условиях на СШГЭС выявлены участки металла с проявлениями язвенной коррозии и кавитационных разрушений. Развитие трещин в железобетонной оболочке практически не контролируется.

Из инструментальных методов используется выборочный ультразвуковой контроль отдельных сварных швов в нижнем и верхнем участках водовода, где обеспечивается надёжный доступ к конструкции, и выборочная ультразвуковая толщино-метрия металла по всей высоте водоводов в лотковой части.

Для лабораторных исследований проводился ограниченный отбор коротких образцов-кернов бетона из доступных участков оболочки водоводов.

Таким образом, видно, что информации о состоянии материалов участков водоводов и конструкции в целом с точки зрения прогнозирования дальнейшей долговременной надёжной эксплуатации явно недостаточно. По результатам таких обследований проконтролированные водоводы были допущены только к временной эксплуатации.

При условии создания надёжного доступа к любым участкам водовода, кроме стандартного малоинформативного набора методов и средств, следует применить систему современных подходов для оценки степени усталости металла и его геометрических и структурных параметров, оценки монолитности железобетонной оболочки, особенно в зоне контакта с металлической облицовкой, коррозионного износа металла, состояния и необходимости устранения

трещин в бетоне, распределения напряжений в металле и в бетоне по участкам водоводов и т. д. Это позволит скорректировать расчётную схему и достоверно оценить возможность дальнейшей эксплуатации водоводов и необходимость выполнения ремонтных мероприятий (которые также можно выполнить с разработанных платформ).

Необходимо отметить, что водоводы, как и многие другие конструктивные элементы ГЭС, являются нестандартными крупногабаритными конструкциями, имеющими, в основном, односторонний доступ.

Поэтому кроме подбора комплекса средств технического обследования и разработки методик контроля конструктивных элементов многие виды существующей измерительной аппаратуры требуется адаптировать к особенностям конструкций и условиям диагностирования.

В этой связи можно вспомнить, что неразрушаю-щий ультразвуковой контроль бетона появился и разрабатывался для контроля массивных конструкций гидротехнических сооружений. Аппаратура позволяла контролировать элементы до 6-8 метров толщиной, и только в дальнейшем она трансформировалась в маломощные приборы для заводов ЖБИ.

В инструкциях по эксплуатации существующей контрольной аппаратуры часто не делается акцент на допустимых параметрах применения, что приводит к их неправомочному использованию в реальных производственных условиях с учётом температуры, влажности, возможности надёжного контакта первичных преобразователей с поверхностью конструкций, фоновой вибрации конструкций и др.

Популярность простых приборов, дающих зачастую только общее представление о состоянии поверхностных слоёв конструкций, привела к определённому снижению уровня подготовки специалистов по обследованию. Но эта аппаратура относительно дешева и может быть широко использована на многих этапах строительства сооружений, контроля проведения ремонтных работ и др.

Средства, предназначенные для серьёзного обследования ответственных и опасных сооружений, не выпускаются большими сериями, стоят дорого и требуют для обращения с ними, а также для анализа полученной информации подготовленных специалистов-исследователей высокой квалификации. В качестве примеров такой необходимой аппаратуры можно привести:

- ультразвуковые приборы ООО «Акустические контрольные системы», г. Москва;

- низкочастотный дефектоскоп А1220 «Монолит»;

- ультразвуковой томограф А1040М «Полигон»;

- георадары ОКО-2 компании «Логис-Геотех» (г. Москва) или фирмы «Mala» (Швеция);

- тепловизоры, предназначенные для контроля строительных конструкций, типа ThermaCAM В20 фирмы FLIR (Швеция);

- эндоскопы с высоким разрешением;

- магнитный структуроскоп КРМ-Ц-К2М (НПФ СНР, г. Харьков) и ИКН-4М-16 (ООО «Энергодиагностика», г. Москва) - для определения напря-

Энергобезопасность и охрана труда ^^ 9 =

женно-деформированного состояния металла и конструкций;

- толщиномер электромагнитоакустический УТ-04 ЭМЛ («Дельта») НПФ СНР, г. Харьков;

- универсальный ультразвуковой дефектоскоп-рекордер JSОNIC-2009 иРА-Беор (фирма Бопо1гоп NDT - Израиль) и др.

Так как держать таких специалистов и дорогостоящую аппаратуру для большинства организаций невыгодно, то целесообразно создавать отраслевые независимые обследовательские центры с целевым назначением комплексного технического обследования ответственных сооружений, имеющие возможность для кратковременного целевого назначения использовать систему субподряда, рекрутингового набора специалистов с арендованной аппаратурой для выполнения конкретной задачи.

Необходимо обратить особое внимание на подготовку нормативной базы. Речь идёт о разработке новых документов с учётом современных взглядов и новой методической и аппаратурной базой диагностирования, которые должны пройти серьёзное рецензирование специализированных организаций. Существующие документы, (например, «Типовая инструкция по эксплуатации производственных зданий и сооружений атомных станций» РД ЭО 0007-2005 в части контроля, «Методика оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений», разработанная в 2003 году Федеральным центром науки и высоких технологий «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны

и чрезвычайных ситуаций» и рекомендованная к использованию органами МЧС России, Ростехнадзора и другими ведомствами, отвечающими за безопасность населения в случае возможных катастрофических разрушений зданий и сооружений, имеют серьёзные недоработки и требуют срочного пересмотра.

При разработке сроков и стоимости проведения детального инструментального обследования обязательно следует учитывать значительную трудоёмкость мероприятий по подготовке поверхности конструкций к испытаниям (очистка от красок и покрытий, от продуктов коррозии или биологических отложений, производственной пыли и т. д.) и обеспечения надёжного безопасного доступа к конструкциям в производственных условиях.

Проблемы предотвращения техногенных аварий на длительно эксплуатирующихся сооружениях с вялотекущими процессами старения материалов и конструкций характерны во всём мире. Однако у нас они усугубляются климатическими особенностями, человеческим фактором, часто довлеющими над эксплуатационными нормативами и директивными указаниями.

В этих условиях максимально достоверный диагностический контроль особенно актуален. Ясно, что в пределах одной организации разработка и реализация методов и средств диагностики не могут быть решены. Необходима государственная программа развития этого направления. Ведь основной долг государства - сохранять в безопасности здоровье и жизнь своих граждан.

Литература

1. Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сборник научных трудов. Вып. 9 / Под ред. К. И. Еремина. - М., 2010. - 704 с.

On improving the system of diagnosing the state of energy and waterworks

E. N. Bellendir,

D.T.S., JSC «VNIIG», St. Petersburg

Y. D. Semenov,

Engineer, JSC «VNIIG», St. Petersburg

V. G. Shtengel,

Ph.D., JSC «VNIIG», St. Petersburg

The article examines the current system of monitoring and diagnostics of power and waterworks. Provides a way to solve the problems existing in the system.

Keywords: diagnostics of the condition of energy and waterworks, the levels of control, the means of exploitation.

№2Ш8ШСТ

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.