CC BY
15
Канд. техн. наук, директор ООО "Научно-производственная фирма "ЛИДИНГ"
Н. Н. Гусев
УДК 534.143:621.3.015.33
АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Рассматривается современное состояние вопроса создания и эксплуатации систем контроля взрывобезопасно-сти зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений. Предложены способы восстановления работоспособности контрольно-измерительной аппаратуры и автоматизации получения информации.
Средства контрольно-измерительной аппаратуры создавались с целью проведения натурных исследований и контрольных наблюдений за напряженно-деформированным состоянием и пространственной стабильностью конструкций в строительный и эксплуатационный периоды, проверки правильности принятых проектных решений и последующего наблюдения за эксплуатационным состоянием зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений, т.е. не ориентировались на решение конкретной задачи мониторинга безопасности этих объектов и сооружений, в том числе и взрывобезопасности.
Традиционно комплекты средств наблюдения систем испытаний и долговременного контроля этих объектов создавались на основе струнных преобразователей, позволяющих осуществлять оперативный дистанционный контроль статических показателей состояния сооружения. Однако гарантийный срок таких преобразователей составляет всего от 6 до 18 месяцев, а сами преобразователи поверкам не подлежат.
Средний возраст систем испытаний и долговременного контроля — 30-40 лет. Большая часть преобразователей, общее число которых на некоторых объектах составляло десятки тысяч, за это время вышли из строя или дают нестабильные показания, что ни одно и то же. Например, на большинстве гидротехнических объектов стабильные показания дают не более 20% струнных преобразователей.
Принимая во внимание вышеизложенное, атак-же тот факт, что средства контрольно-измерительной аппаратуры существующих систем испытаний и долговременного контроля не могут быть серти-
фицированы в соответствии с Законом РФ от 27.04.1993 г. № 4871-1 "Об обеспечении единства измерений" [3] можно констатировать следующее.
1. Средства контрольно-измерительной аппаратуры традиционных систем испытаний и долговременного контроля не могут рассматриваться в качестве средств систем мониторинга показателей состояния сооружений как несоответствующие требованиям Федеральных законов по безопасности, а получаемые с их помощью данные не могут использоваться для оценки взрывобезопасности сооружений.
2. Существующие системы и средства контрольно-измерительной аппаратуры должны быть подвергнуты детальному диагностированию с целью оценки их работоспособности, после чего переведены из разряда средств измерения в разряд средств контроля или индикации.
3. Выводы и заключения о состоянии сооружений и их безопасности, сделанные на основании существующих средств контрольно-измерительной аппаратуры на базе струнных преобразователей, должны быть детально проанализированы.
4. На объектах, взрывобезопасность которых подлежит декларированию, должны быть созданы новые системы мониторинга, отвечающие требованиям законов о безопасности.
5. Необходимо осуществить передачу данных о состоянии сооружений, полученных с помощью прежних средств контрольно-измерительной аппаратуры, к вновь создаваемым.
6. Декларации безопасности ныне существующих объектов должны пройти повторную экспертизу.
На переходном этапе основной задачей является обеспечение непрерывности получения информации о состоянии сооружений (объектов) при максимально возможном числе точек и параметров контроля.
Одним из возможных путей пополнения объема информации о состоянии сооружения на существующих объектах может быть увеличение числа точек измерения или контроля параметров. Однако, как отмечалось выше, на сегодняшний день не более 20% струнных преобразователей дают стабильные показания, т.е. признаются работоспособными. На практике же отсутствие стабильности показаний еще не означает, что преобразователь утратил свою работоспособность. Для пояснения необходимо рассмотреть основы теории измерений с помощью струнных преобразователей.
Способ измерения с помощью струнных преобразователей основывается на зависимости частоты ю колебания частотного резонатора (струны) от напряжения растяжения струны, которое в каждом конкретном струнном преобразователе пропорционально измеряемому параметру Р — линейному перемещению, давлению, температуре и т.д.
Для возбуждения колебаний струны используются электромагнитные катушки, при подаче на клеммы которых импульса возбуждения стандартной амплитуды и длительности в катушке генерируется импульс силы возбуждения с определенной амплитудой Е и длительностью т. Импульс силы "щипком" возбуждает затухающие колебания струны у, частоту которых можно измерять до некоторого наперед заданного значения утЬ. Нестабильные показания струнного преобразователя могут возникнуть в случае, если значение амплитуды колебания струны на интервале измерения станет ниже ут1п. Основной причиной появления такой ситуации на реальных объектах является изменение со временем характеристик кабельной сети от струнного преобразователя к вторичному измерителю. Напрашивается вывод, что возбуждать колебания струны необходимо последовательностью импульсов возбуждения при условии, что период
ГО гт?*
не превышает времени Т затухания амплитуды колебания струны до значения утЬ Такой режим возбуждения вносит резонансные явления в процесс колебания струны, амплитуда колебаний должна возрастать.
Выражение для амплитуды колебаний струны, возбужденных бесконечной серией импульсов силы и следующих с периодом ТО > Т*, в момент времени ts = ^ - БТ* (5 — номер импульса) имеет вид:
2 - 2 Е
У(t) = Е-Къ ехР[Уп(t - tо)]^ х
леС П=1 пюп
ю т
X БШ-^ БШ[ю п (t - 10) + ©], (1)
где е — линейная плотность материала струны; С — скорость распространения поперечной волны по струне;
Е — амплитуда импульса силы возбуждения; п — номер гармоники; юп — круговая частота п-й гармоники; Къ — коэффициент, учитывающий форму импульса;
— коэффициент затухания; т — длительность импульса возбуждения;
момент генерации последнего импульса
возбуждения;
0 — сдвиг фазы колебания струны относительно импульса возбуждения;
Яр — резонансный множитель.
Анализ выражения (1) позволяет сделать следующие выводы.
1. Максимальное значение амплитуды колебания струны достигается при синхронизированном (0 = 0) возбуждении колебаний, т.е. при соблюдении условия ТО = тТ1, где т, Т1 — целое число периодов и колебаний струны соответственно.
2. Для поддержания на постоянном уровне максимального значения амплитуды колебаний струны, которое достигается в момент времени
t = t о
-1 [ — -в
ю,
2
значение амплитуды Е силы импульса запроса должно быть обратно пропорционально значению Яр.
Другими словами, в большинстве случаев нестабильность показаний струнных преобразователей связана со слабым откликом преобразователя на импульс возбуждения. Слабый отклик объясняется, главным образом, двумя факторами:
1) в известных средствах измерения предусмотрено возбуждение колебаний струны стандартным импульсом с постоянными значениями амплитуды Е и длительности (импульса возбуждения, что, с теоретической точки зрения, делает при т = Т1 неработоспособной систему измерения на значительном интервале. Сказанное неизбежно, так как в процессе увеличения параметра Р от минимума до максимума в стандартных датчиках период колебания изменяется более, чем в два раза;
2) характеристики канала измерения "датчик - кабель - вторичный измеритель" в процессе эксплуатации системы испытаний и долговремен-
ного контроля неизбежно модифицируются, что приводит к изменению формы, амплитуды и длительности импульса возбуждения струнного преобразователя и связанному с ним снижению амплитуды колебания струны. Таким образом, доказано, что для "реанимации" струнных датчиков с нестабильными показаниями достаточно обеспечить подбор параметров импульса возбуждения для каждого преобразователя индивидуально.
Данная идея реализована в разработках ООО "Научно-производственная фирма "ЛИДИНГ" (г. Санкт-Петербург) и позволяет:
1. Вернуть к использованию до 60% струнных преобразователей, ранее считавшихся неработоспособными, т.е. увеличить на 60% достоверность оценки безопасности ответственных объектов и сооружений.
2. Принимая во внимание, что стоимость одного канала измерения систем испытаний и долговременного контроля составляет от 1000 до 10000 долларов США, внедрение предложенного способа обеспечивает существенный экономический эффект, исчисляемый в масштабах страны миллиардами долларов.
Однако, как отмечалось выше, реанимированные таким образом преобразователи не могут рассматриваться как средства измерения и должны использоваться только как средства контроля или индикации. Тем не менее получаемая с помощью струнных преобразователей информация может явиться основой для анализа тенденций в поведении сооружений и прогноза уровня безопасности объекта в целом.
Использование струнных преобразователей для решения задач оценки эксплуатационного состояния объектов — это вынужденная мера на переходном этапе создания общей концепции обеспечения мониторинга безопасности объектов у нас в стране.
Автором статьи разработан и запатентован прибор УДК-01, опытная партия которого выпущена в 2005 г. Он позволяет не только "реанимировать" струнные датчики с нестабильными показаниями, но и достаточно уверенно получить необходимые параметры импульса в цифровом виде. В настоящее время автором разрабатывается прибор, который позволит считывать цифровую информацию о состоянии объекта (сооружения) с прибора УДК-01 и передавать ее в персональный компьютер для дальнейшего учета и обработки. Таким образом, создается прецедент информационной системы мониторинга, т.е. появляется возможность полной автоматизации систем контроля безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов
и гидротехнических сооружений, в том числе и их взрывобезопасности.
Необходимость наличия систем мониторинга на основе средств контрольно-измерительной аппаратуры на опасных объектах законодательно закреплена федеральными законами № 116 "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" [1] и № 117 "О безопасности гидротехнических сооружений" [2]. Однако требования к указанным системам не регламентированы нормативными актами, что отрицательно сказывается на их эффективности.
Сегодня остро стоят следующие вопросы, без решения которых эффективность систем мониторинга на взрывоопасных объектах не может быть обеспечена:
1. Необходима разработка более детализированной, чем предусмотрено Приложением 1 закона от 21.06.1997 г. № 116-ФЗ, классификации сооружений по степени опасности. Эта классификация должна учитывать:
• класс (группу) факторов, по которым производственный объект отнесен к опасному производству (Приложение 1 закона от 21 06.1997 г. № 116-ФЗ);
• реальные, а не только предельные количества опасных (взрывоопасных) веществ на производственном объекте, по которым объект отнесен к опасному производству (Приложение 2 закона от 21 06.1997 г. № 116-ФЗ);
• удаленность от населенных пунктов;
• значимость объекта для безопасности страны;
• проектный и фактический ресурсы (или срок службы сооружения, объекта). Классификация должна рассматривать критерии оценки взрывобезопасности вновь проектируемых, строящихся и находящихся в эксплуатации зданий отдельно.
Структура классификации должна быть такой, чтобы на стадии проектирования и экспертизы проекта могла быть реализована фактическая проверка соответствия проекта указанным критериям. В числе обязательных должны быть разделы проекта, отражающие:
• гарантийный срок эксплуатации;
• критерии оценки остаточного ресурса объекта (сооружения);
• проверяемые процедуры оценки безопасности сооружения на всем промежутке его существования (строительства, эксплуатации, консервации и ликвидации);
• обоснование (на основе классификации) наличия и объема аппаратурных средств контроля за эксплуатационным состоянием объекта (сооружения);
• обоснование методик, периодичности и объемов наблюдения за состоянием сооружений;
• обоснование обеспечения непрерывности мониторинга за состоянием сооружения, преемственность средств контроля, их совместимость;
• рекомендации по совершенствованию системы мониторинга в случаях:
а) истечения гарантийного срока эксплуатации сооружения;
в) выхода из строя части системы контроля;
г) изменения критериев оценки безопасности;
д) смена собственника сооружения;
е) аварий на объекте природного или техногенного характера;
ж) дробления объекта на несколько более мелких или объединения ряда объектов в один более крупный.
На стадии эксплуатации объекта (сооружения) или экспертизы его состояния должно быть проверено фактическое соответствие состояния объекта критериям безопасности, действующим на данный момент, а не на момент создания объекта. На этой стадии должна быть предусмотрена процедура изменения класса безопасности сооружения (объекта). При принятии решения об изменении класса безопасности сооружения следует учитывать изменение:
• в процессе эксплуатации объекта гидрогеологических и метеорологических факторов (в том числе вызванных эксплуатацией данного объекта);
• тектонических условий;
• интенсивности и характера статических и особенно динамических нагрузок на здания и сооружения (например, при замене оборудования в зданиях и на прилегающих территориях на более мощное или имеющее иные динамические характеристики по сравнению с предыдущим оборудованием или при изменении характеристик транспортных нагрузок);
• в эксплуатационных характеристиках здания и сооружений вследствие техногенных аварий, особенно связанных с разрывами трубопроводов в карстовых зонах;
• физико-механических свойств строительных материалов, из которых возводились здания, ввиду изменения условий эксплуатации, в том числе экологических.
2. Классификация сооружений по степени опасности должна законодательно закреплять необходимость наличия систем контроля на объекте, их состав, этапы (стадии) развертывания и модернизации.
3. На основе классификации безопасности должна быть проведена паспортизация сооружений.
4. Необходимо выработать общий подход к экспериментальной оценке эксплуатационного состо-
яния объектов, т.е. оценке их безопасности. Одной из приоритетных задач исследований должно быть совершенствование методики оценки остаточного ресурса сооружений (объектов) на основе как теоретических расчетов, так и экспериментальных исследований и наблюдений.
5. Необходимо определить стратегию в области натурных наблюдений за состоянием сооружений. Разработать классификацию средств контроля за состоянием безопасности сооружений и положение по их применению. Классификация должна осуществляться по нескольким признакам:
• гарантийный срок эксплуатации системы, который должен быть не менее срока строительства и эксплуатации опасного объекта;
• тип системы (долговременная, оперативная, комбинированная);
• вид системы (стационарная, мобильная, оперативная подвижная лаборатория, комбинированная);
• степень автоматизации контрольно-измерительной аппаратуры:
- автоматическая (автономная работа);
- автоматизированная (контроль получения информации со стороны оператора);
- неавтоматизированная ("ручной сбор" информации оператором);
• состав средств контроля (комплектов):
- тензометрический (статический и динамический);
- геодезический (статический и динамический);
— виброметрический;
— геофизический;
- неразрушающих методов контроля и т.д.;
• оперативность представления информации об измеряемых параметрах;
• объем и периодичность измерений, а в необходимых случаях — и алгоритм измерений;
• степень полноты заключения о безопасности сооружения.
6. В зависимости от класса безопасности сооружения необходимо разделить функции контроля (и ответственность за обеспечение безопасности) между проектными, строительными, научно-исследовательскими и специализированными, эксплуатирующими и контролирующими организациями.
7. Методика оценки эксплуатационного состояния (безопасности) объекта должна предусматривать передачу данных от одного поколения средств контроля к другому и возможность ее автоматизации.
8. Следует разработать методику корреляции данных различных комплектов средств измерения на объектах.
9. Сведения об изменении состояния сооружений должны направляться в специализированные аналитические центры (центры мониторинга) и там изучаться специалистами, а не обслуживающим персоналом объектов.
10. Необходимо решить судьбу средств долговременного контроля, гарантийный срок эксплуатации которых истек. Этот срок для первичных преобразователей соизмерим со сроком строительства ответственных сооружений (от 3 до 8 лет). Следовательно, к моменту начала эксплуатации с метрологической и юридической точек зрения показаниям отдельных средств долговременного контроля доверять нельзя, так как их гарантийный срок истек, а поверкам они не подлежат.
Выводы
1. Существующие на сегодняшний день средства контрольно-измерительной аппаратуры для
определения взрывобезопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидросооружений не соответствуют требованиям законов Российской Федерации № 116 "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" и № 117 "О безопасности гидротехнических сооружений" в части мониторинга безопасности, а получаемые с их помощью данные не могут использоваться для оценки безопасности сооружений.
2. Необходимо разработать автоматизированные системы контроля безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений на региональном уровне с последующей их увязкой в общероссийскую систему.
3. Необходимо совершенствование законодательной базы в области средств мониторинга безопасности опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Закон Российской Федерации от 21.07.1997 г. № 117 "О безопасности гидротехнических сооружений" (с изм. от 27.12.2000 г., 30.12.2001 г., 24.12.2002 г., 10.01.2003 г., 23.12.2003 г., 22.08.2004 г., 09.05.2005 г.). — М.: Юридическая литература, 2005.
2. Закон Российской Федерации от 27.04.1993 г. № 4871-1 "Об обеспечении единства измерений". — М.: Юридическая литература, 1993.
3. Закон Российской Федерации от 21.07.1997 года № 116 "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" (с изм. от 27.12.2000 г., 30.12.2001 г., 24.12.2002 г., 10.01.2003 г., 23.12.2003 г., 22.08.2004 г., 09.05.2005 г.). — М.: Юридическая литература, 2005.
Поступила в редакцию 05.03.07.
