О диагностике железобетонных опор. Диагностика воздушных линий

О диагностике железобетонных опор

В новом документе уточнена цель диагностики Она проводится для определения фактической несущей способности конструкций, выявления опор с недостаточной прочностью и предупреждения их падения

Снижение несущей способности опор объясняется преимущественно двумя причинами: старением бетона в надземной части, электрокоррозией арматуры в подземной части конструкций. Старение развивается во всех опорах независимо от рода тягового тока в результате природно-климатических и эксплуатационных воздействий. Оно сопровождается снижением его прочностных характеристик.

Наиболее интенсивно этот процесс протекает в опорах с низким качеством изготовления стоек в суровых климатических условиях. Агрессивная среда ускоряет старение бетона. При хорошем качестве изготовления стоек опор и в умеренных климатических условиях процесс развивается достаточно медленно.

В подземной части опор при отсутствии агрессивности грунтов и незначительном влиянии климатических факторов старение бетона практически не отмечается. Напротив, его прочность со временем даже возрастает. В агрессивных грунтах потеря бетоном своих прочностных свойств определяется видом и содержанием агрессивных веществ.

Элекгрокоррозия арматуры в подземной части опор возникает при протекании токов утечки с рельсов по арматуре при низком омическом сопротивлении опор и неисправных защитных устройствах. Наибольшая опасность электрокоррозии арматуры наблюдается в анодных и знакопеременных зонах, когда плотность стекающего тока превышает 0,6 или сопротивление опоры менее 25 Ом на каждый вольт потенциала «рельс - земля».

На участках с опорами, объединенными групповыми заземлениями опасны во всех случаях опоры, омическое сопротивление которых менее 100 Ом. Это объясняется возможностью их разрушения перетекающими оками.

В зависимости от места обследования опор и причин, вызывающих снижение их несущей способности различают диагностику надземной части и подземной части опор. Проверка надземной части позволяет оценить несущую способность опор, которая изменяется вследствие старения бетона и уменьшения его прочностных характеристик. Диагностика подземной части проводится для оценки состояния и несущей способности опор при электрокоррозионном повреждении арматуры, а также в случаях разрушения бетона агрессивными грунтами.

Вид ко: троля зависит от рода тягового тока. Так, на участках переменного тока, где нет электрокоррозионной опасности для арматуры в основном следует диагностировать надземную часть опор. В подземной части диагностику проводят в случаях, когда обнаруживают признаки повреждения опор в надземной части.

Если таких признаков нет, то подземную часть проверяют выборочно на 1 - 2 опорах из каждых 100опор раз в 6 лет На участках постоянного тока в обязательном порядке проводят оба вида диагностики.

В свою очередь, диагностика надземной части опор может быть выборочной или сплошной. Выборочная позволяет установить несущую способность опор, у которых при визуальном осмотре выявлены какие либо повреждения: трещины, выбоины, выветривание поверхностного слоя, его шелушение и т.п., а также замечены прогибы в зоне консоли.

При проведении выборочной диагностики рекомендуется проверять также состояние анкерных опор и опор в кривых малого радиуса независимо от наличия на них повреждений. Первую выборочную проверку необходимо провести не позднее 3 лет после сдачи участка в эксплуатацию. В последующем контроль осуществляют не реже 1 раза в 3 года на участках постоянного тока и 1 раз в 6 лет на участках переменного тока.

Сплошная диагностика необходима для определения фактической несущей способности всех опор. При обычных условиях эксплуатации, когда нет чрезмерной агрессивности среды и признаков ускоренного старения опор, первая сплошная диагностика осуществляется через 20 лет после ввода участка.

При сохранении тех же условий эксплуатации вторая сплошная диагностика проводится через 10 лет после первой Последующие обследования назначают индивидуально для каждого участка в зависимости от состояния опор и с учетом данных предыдущих диагностирований.

На участках с тяжелыми условиями эксплуатации, чрезвычайно агрессивной средой (в зоне промышленных предприятий побережья морей и озер) сплошную диагностику опор необходимо проводить более часто, устанавливая эти сроки, исходя из условий обеспечения безопасности движения поездов.

Надземную часть опор обследуют с помощью ме года неразрушающего контроля. Для этого необходимо использовать измеритель толщины защитного слоя бетона ИЗС-10Н ультразвуковой прибор УК-14ПМ, определяющий прочность бетона. Перед применением приборы должны быть проверены в соответствии с инструкцией по эксплуатации и находиться в работоспособном состоянии.

Рассмотрим последовательность проверки. Вначале по книге опор (форма ЭУ-87) уточняют тип конструкции (СЖБК ЖБК, СК, металлические и др.), ее нормативную несущую способность (3,5; 4,5; 60; 8" 10 те м), назначение (консольная, переходная, анкерная, фиксаторная, жестких поперечин) и срока службы (год установки) Используют также исполнительную документацию, паспорта на конструкции, сохранившуюся на стойках маркировку, результаты внешнего осмотра.

Чтобы установить тип железобетонных стоек опор при отсутствии маркировки и исполнительной документации, рекомендуется пользоваться также прибором ИЗС-10Н. Для этого указатель диаметров на его передней панели устанавливают на цифру «41», а преобразователь перемещают по окружности стойки опоры.

Если показания прибора изменяются от 3 - 4 до 10 -15 мм то данная стойка ЖБК Если стрелка прибора постоянно показывает 15 - 18 мм, то данная стойка СЖБК. Уточненные данные заносят в книгу опор или в ПЭВМ в соответствии с программой «Опоры» НТЦх«Эридан 1».

С учетом данных предыдущих обследований, проведенных в соответствии с требованиями Указаний по техническому обслуживанию и ремонту железобетонных опорных конструкций контактной сети (К-146-88), выбирают опоры с повреждениями и дефектами, а также анкерные опоры и опоры в кривых малого радиуса.

На каждой из них с помощью ультразвукового прибора УК-14ПМ измеряют время распространения ультразвука в бетоне и определяют косвенные показатели, необходимые для оценки несущей способности опор. Изменения и оценка несущей способности опор осуществляется в соответствии с «Рекомендациями по оценке несущей способности центрифугированных железобетонных стоек опор контактной сети ультразвуковым методом».

При сплошной диагностике время распространения ультразвука и несущую способность определяют для всех опор, в первую очередь для наиболее старых конструкций. Результаты анализируют и разделяют опоры на группы в зависимости от их остаточной несущей способности.

К первой группе относят все опоры, у которых измеренные показатели несущей способности не ниже минимального значения, установленного нормативно-технической документации (не менее , где - нормативная мощность стойки, 1,6-минимальный коэффициент запаса). Такие опоры продолжают эксплуатировать без ограничений, следующий срок обследования назначают в соответствии с установленной периодичностью.

Ко второй группе относят все опоры у которых несущая способность оказалась ниже уровня, установленного нормативно-технической документацией (менее ), где но превышает величину нормативного изгибающего момента (более Для таких конструкций определяют их фактическую несущую способность по таблице, указанной в рекомендациях, и вычисляют фактический изгибающий момент от внешней нагрузки в уровне условного образа фундамента (на отметке 0,5 м ниже головки рельса).

Если фактическая несущая способность опор превышает значения (фактический изгибающий момент в уровне условного обреза фундамента от суммарной внешней нагрузки), то такие опоры продолжают эксплуатировать. Однако их обязательно обследуют каждые 3 года В случаях, когда фактическая несущая способность оказывается менее , но более опоры устанавливают на оттяжки и заменяют в течение 2 - 3 лет (в первую очередь - с наиболее низкой несущей способностью).

К третьей группе относят опоры, у которых по данным измерений косвенных показателей несущая способность оказывается ниже минимально допустимого значения, требуемого для восприятия внешних нагрузок Подобные конструкции считают исчерпавшими свой ресурс и меняют. До замены опоры ставят на оттяжки и при возможности частично разгружают.

Диагностика подземной части опор на участках постоянного тока проводится для определения состояния арматуры. Ока включает следующие этапы-оценку электрокоррозионкой опасности для арматуры опор; определение фактического состояния арматуры опор находящихся в опасных в злекрозионном ом отношении зонах.

При этом следует придерживаться следующего порядка. На всех перегонах и участках измеряют потенциалы «рельс - земля» и определяют примерные границы анодных, катодных и знакопеременных участков Потенциальные диаграммы строят в соответствии с Указаниями по техническому обслуживанию и ремонту железобетонных опорных конструкций контактной сети. Данные измерений оформляют в виде потенциальных диаграмм участков.

В пределах каждой потенциальной зоны иэмеряют сопротивление растеканию тока каждой опоры. В первую очередь, они необходимы в анодных и знакопеременных зонах. При индивидуальных заземлениях измерения проводятся методом амперметра - вольтметра приборами М231 или с помощью измерителя сопротивлений МС07 (08).

При групповых заземлениях измерения проводят в два этапа. На первом фиксируют входное сопротивление группы. Если оно более 100 Ом, то сопротивления каждой опоры не контролируют Если входное сопротивление менее 100 Ом, то ищут низкоомные опоры в группе.

На втором этапе осуществляется их поиск Для этого либо измеряют сопротивление каждой опоры, отсоединив ее от группового заземления, либо градиент потенциала вблизи опоры с использованием дополнительного источника тока, включаемого между тросом рельсом, и приборов АДО или «Диакор» Методика поиска низкоомных опор с применением названных приборов содержится в прилагаемой к ним инструкции.

По данным потенциальных условий и измерений сопротивлений опор или входных сопротивлений групповых: заземлений оценивают электрокоррозионную опасность для арматуры. Опоры, у которых плотность тока утечки превышает 0,6 , или ток утечки превышает 40 мА, или градиент потенциала вблизи их более 0,1, или их сопротивление менее I00 Ом считаются опасными в отношении электрокоррозии и их подземная часть должна быть обследована.

В особо сложных условиях эксплуатации используют метод построения электрокоррозионных диаграмм, чтобы оценить границы электрокоррозионной опасности и установить интенсивность элекгрокоррозионных диаграмм Он основан на применении интегрирующих датчиков.

Интегрирующий датчик электрокорроэии представляет собой бетонную призму сечением 20x20 мм и длиной 150 мм. Внутри ее имеется металлический электрод, выступающий на 20 мм над одной торцовой гранью и имеющий такой же защитный слой у другой. Электроды изготавливают из проволоки такого диаметра и класса, как и применяемая для опор. Перед установкой в датчики их тщательно взвешивают с точностью до 0,01 г маркируют.

Подготовленные электроды устанавливают в формы и заливают цементирующим раствором или бетоном, состав которого подобно используемому при изготовлении опор. При отсутствии данных о составе бетона опор используют растворную или бетонную смесь с расходом цемента не менее 450 . После бетонирования датчики выдерживают в формах не менее 7 дней и затем освобождают от опалубки.

Подготовленные датчики снабжают изолированным проводником длиной 2,5 - 3 м. Место его присоединения к электроду тщательно изолируют битумной мастикой или клейкой лентой. После оборудования датчик закапывают в грунт в створе на расстоянии 2 - 3 м и подсоединяют к защитному устройству со стороны рельса. Глубина заложения датчика принимается равной примерно 0,5 м.

При индивидуальных заземлениях опор устанавливают один датчик на километр пути, при групповых - один на группу опор. В последнем случае он располагается в месте расположения защитного блока. Присоединенные к рельсу интегрирующие датчики находятся под во действием токов утечки в течение 3-6 мес, затем их извлекают из грунта.

Датчики разбивают и электроды извлекаются. Их очищают от ржавчины, изоляции и снова взвешивают с точностью до 0,01 г. По результатам начального взвешивания и взвешивания после злекгрокоррозионного воздействия определяют потери металла и рассчитывают удельный вынос металла в . для каждого датчика.

Затем на графике по горизонтали наносят в масштабе места установки датчиков и в них откладывают вертикальные отрезки, изображающие удельный вынос металла Концы отрезков соединяют линиями. Полученный график представляет собой электрокоррозионную диаграмму. Она позволяет определит участки с наибольшей электрокоррозионной опасностью, принять меры защиты опор и ограничить диагностику опор только этими участками.

Фактическое состояние арматуры опор, предрасположенных к электрокорроэии, определяют с помощью приборов АДО или «Диакор» УК 14ПМ. Используя прибор АДО, оценивают значение суммарного переходного потенциала после положительной и отрицательной поляризации внешним источником тока, прибор «Диакор» - время достижения потенциалом поляризации контрольного значении.

Если суммарный переходный потенциал арматуры оказывается более 0,75 В или время достижения значения потенциала поляризации в 0,6 В составляет менее 5 мин то считают, что арматура о юры не корродирует и находится в исправном состоянии. Когда суммарный переходный потенциал или время достижения потенциалом контрольной величины оказывается меньше отмеченных величин, обязательно о обследуют подземную часть опор.

Для этого ее откалывают. Если обнаруживают трещины отслоения бетона, выходы ржавчины, то делают вывод о коррозионном разрушении арматуры Опора с такими повреждениями заменяется. При отсутствии видимых повреждений на поверхности опоры подземную часть обследуют прибором УК-14ПМ на наличие скрытых трещин.

Когда резких отклонений показаний прибора в различных местах измерений нет, говорят, что внутренние повреждения и коррозия арматуры отсутствуют. В аком случае проверяют защитные
устройства, и опора продолжает эксплуатироваться. Если имеются признаки скрытых трещин, то опору устанавливают на оттяжки и в последующем заменяют. Воэмож ы ситуации когда приборов АДО или «Диакор» нет. Тогда состояние подзем ой части опор может быть проверено при бором УК-14ПМ. В этом случае откапывают все опоры, оцененные как опасные в электрокорро-зионном отношении.

Обследова ие подземной части опор проводят каждый раз после их длительной (3 - 4 мес) эксплуатации с неисправными защитными устройствами. При исправных защитных устройствах проверка состояния опор с электрокоррозионной опасностью должна проводиться не реже 1 раза в 3 года.

Оценивая состояние одземной части опор, необходимо анализировать величин! сопротивления одних и тех же опор в разные годы. Его снижение с течением времени может свидетельствовать о выходе иэ строя изолирующих втулок. Особую настороженность вызывают случаи, когда сопротивление опор резко повышается с низкого др высокого значения.

Подобное возможно по нескольким причинам: в результате коррозии арматура разрушена полностью и исчезла электрическая цепь через нее; после случайного разрыва контакта между арматурой и закладным болтом и образования зазора между ними, вследствие образования на арматуре продуктов коррозии без разрушения защитного слоя бетона Такие опоры особенно тщательно обследуют и после этого принимают решение о их дальнейшей эксплуатации

Подземную часть опор при повреждении бетона агрессивной средой проверяют после их отко ки на 0,7 -1 м. Методика проверки ничем не отличается от диагностики опор в надземной части При выборочной диагностике подземной части опор на участках переменного тока для контроля выбирают конструкции, находящиеся в наиболее неблагоприятных условиях. Ик откапывают и выдерживают в таком состоянии 4-5 дней. Затем проводят необходимые измерения по той же методике, что и измерения в надземной части. Так же оценивают и несущую способность конструкций.

На участках постоянного тока проверка надземной и подземной частей опор может совмещаться или проводиться раздельно Конкретна пос^едова тельность работ определяется состоянием опор. У металлических опор надземную часть диагностируют в соответствии с Инструкцией по оценке несущей способности и содержанию металлических опорных конструкций контактной сети и прожекторных мачт, а фундаментную часть в соответствии с Указаниями по техническому обслуживанию и ремонту железобетонных опорных конструкций контактно сети (К-146-88).

По результатам диагностики оценивают состояние парка опор. Анализ включает общие данные числа опор на дистанции (дороге), в том числе железобетонных и металлических, подробную характеристику парка железобетонных опор по типам и срокам службы.

В.И. ПОДОЛЬСКИЙ,
заведующий лабораторией
опор контактной сети ВНИИЖТа
Б.Ф. КОЖАНОВ,
главный технолог ЦЭ МПС

РАЗДЕЛ 1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ В ТЕОРИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Тема 6. Физические методы контроля в технической диагностике

План лекции

6.5. Акустические методы контроля

6.6. Радиоволновые методы неразрушающего контроля

6.7. Тепловой неразрушающий контроль

6.7.1. Средства контроля температуры

6.7.2. Бесконтактные методы термометрии

6.5. Акустические методы контроля

Для акустического метода НК применяют колебания ультразвукового и звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний обычно невелика, не превышает 1 кВт/м2 . Такие колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

Амплитуда акустических волн в жидкостях и газах характеризуется одним из следующих параметров:

акустическим давлением (Па) или изменением давления относительно среднего значения давления в среде:

p = ρ c v,

где с- скорость распространения акустических волн;ρ – плотность среды;

смещением в (м) частиц среды из положения равновесия в процессе колебательного движения;

скоростью (м/с) колебательного движения частиц среды

v = ∂ ∂ u , t

где t – время.

Известно много акустических методов неразрушающего контроля, которые применяются в нескольких вариантах. Классификация акустических методов показана на рис.23. Их делят на две большие группы - активные и пассивные методы.

Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные - только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект.

Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот.

Рис.23. Классификация акустических видов неразрушающего контроля

Методы прохождения используют излучающие и приемные преобразователи, расположенные по одну или разные стороны контролируемого изделия. Применяют импульсное или непрерывное (реже) излучение. Потом анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект.

Рис. 24. Методы прохождения:

а- теневой; б – временной теневой; в – велосиметрический; 1 – генератор; 2 излучатель; 3 – объект контроля, 4 – приемник; 5 – усилитель,

6 – измеритель амплитуды; 7 – измеритель времени пробега; 8 – измеритель фазы

К методам прохождения относят:

амплитудный теневой метод , основанный на регистрации уменьшения амплитуды волны, прошедшей через контролируемый объект, вследствие наличия в нем дефекта (рис. 24,а);

временной теневой метод , базирующийся на регистрации запаздывания импульса, вызванного увеличением его пути в изделии при огибании дефекта (рис. 24, б). Тип волны при этом не меняется;

велосиметрический метод , основанный на регистрации изменения скорости распространения дисперсионных мод упругих волн в зоне дефекта и применяемый при одностороннем и двустороннем доступе к контролируемому объекту (рис. 24, в). В этом методе обычно используют преобразователи с сухим точечным контактом. В варианте с односторонним доступом (рис. 24, в вверху) скорость возбуждаемой излучателем антисимметричной волны нулевого порядка (а0 ) в отделенном дефектом слое меньше, чем в бездефектной зоне. При двустороннем доступе (рис. 24, в внизу) в бездефектной зоне энергия передается продольной волнойL, в зоне дефекта - волнами а0 , которые проходят больший путь и распространяются с меньшими скоростями, чем продольная волна. Дефекты отмечаются по изменению фазы или увеличению времени прохождения (только

в импульсном варианте) по контролируемому изделию.

В методах отражения применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии:

Эхо-метод (рис. 25, а) основан на регистрации эхо-сигналов от дефекта. На экране индикатора обычно наблюдают посланный (зондирующий) импульс I, импульс III, отраженный от противоположной поверхности (дна) изделия (донный сигнал) и эхо-сигнал от дефекта II. Время прихода импульсов II и III пропорционально глубине залегания дефекта и толщине изделия. При совмещенной схеме контроля (рис.25,а) один и тот же преобразователь выполняет функции излучателя и приемника. Если эти функции выполняют разные преобразователи, то схему называют раздельной.

Эхо-зеркальный метод основан на анализе сигналов, испытавших зеркальное отражение от донной поверхности изделия и дефекта, т.е. прошедших путьАВСД (рис. 25, б). Вариант этого метода, рассчитанный на выявление вертикальных дефектов в плоскости EF, называют методомтандем . Для его реализации при перемещении преобразователейА иD поддерживают постоянным

значение I А + I D = 2Н tgα ; для получения зеркального отражения от невертикальных дефектов, значениеI А + I D варьируют. Один из вариантов метода, называемый"косой тандем" , предусматривает расположение излучателя и приемника не в одной плоскости (рис. 25,б, вид в плане внизу), а в разных плоскостях, но таким образом, чтобы принимать зеркальное отражение от дефекта. Еще один вариант, называемый К-метод , предусматривает расположение преобразователей по разные стороны изделия, например, располагают приемник в точке С.

Рис. 25. Методы отражения:

а – эхо; б – эхо - зеркальный; в – дельта метод; г – дифракционно – временной; д – реверберационный;

1 – генератор; 2 – излучатель; 3 – объект контроля; 4 – приемник; 5 – усилитель; 6 – синхронизатор; 7 – индикатор

Дельта-метод (рис.25, в) основан на приеме преобразователем 4 расположенным над дефектом продольных волн, излученных преобразователем для поперечных волн 2, и рассеянных на дефекте.

Дифракционно-временной метод (рис.25,г), в котором излучатели 2 и 2’ ,

приемники 4 и 4’ излучают и принимают либо продольные, либо поперечные волны, причем могут излучать и принимать разные типы волн. Преобразователи располагают так, чтобы получать максимумы эхо-сигналов волн, дифрагированных на концах дефекта. Измеряют амплитуды и время прихода сигналов от верхнего и нижнего концов дефекта.

Реверберационный метод (рис.25, д) использует влияние дефекта на время затухания многократно отраженных ультразвуковых импульсов в контролируемом объекте. Например, при контроле клееной конструкции с наружным металлическим слоем и внутренним полимерным слоем дефект соединения препятствует передаче энергии во внутренний слой, что увеличивает время затухания многократных эхо-сигналов во внешнем слое. Отражения импульсов в полимерном слое обычно отсутствуют вследствие большого затухания ультразвука в полимере.

В комбинированных методах используют принципы как прохождения, так

и отражения акустических волн.

Зеркально-теневой метод основан на измерении амплитуды донного сигнала. В этом случае отраженный луч условно смещен в сторону (рис.26, а). По технике выполнения (фиксирует эхо-сигнал) его относят к методам отражения, а по физической сущности контроля (измеряют ослабление сигнала дважды прошедшего изделие в зоне дефекта) он близок к теневому методу.

Эхо-теневой мето д основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн (рис.26, б).

Рис. 26. Комбинированные методы, использующие прохождение и отражение:

а – зеркально-теневой; б – эхо-теневой; в – эхо-сквозной: 2 – излучатель; 4 – приемник; 3 – объект контроля

В эхо-сквозном методе (рис.26,в) фиксируют сквозной сигнал I, сигнал II, испытавший двукратное отражение в изделии. В случае появления полупрозрачного дефекта фиксируют сигналы III и IV, соответствующие отражениям волн от дефекта и испытавших также отражение от верхней и нижней поверхностей изде-

лия. Большой непрозрачный дефект обнаруживают по исчезновению или сильному уменьшению сигнала I, т.е. теневым методом, а также сигнала II. Полупрозрачные или небольшие дефекты обнаруживают по появлению сигналов III и IV, которые являются главными информационными сигналами.

Методы собственных частот основаны на измерении этих частот (или спектров) колебаний контролируемых объектов. Собственные частоты измеряют при возбуждении в изделиях как вынужденных, так и свободных колебаний. Свободные колебания обычно возбуждают механическим ударом, вынужденные - воздействием гармонической силы меняющейся частоты.

Различают интегральные и локальные методы. В интегральных методах анализируют собственные частоты изделия, колеблющегося как единое целое. В локальных методах колебания отдельных его участков.

В методе собственных частот,используют вынужденные колебания. В

интегральном методе генератор 1 (рис.27,а) регулируемой частоты соединен с излучателем 2, возбуждающим упругие колебания (обычно продольные или изгибные) в контролируемом изделии 3. Приемник 4 преобразует принятые колебания в электрический сигнал, который усиливается усилителем 5 и поступает на индикатор резонанса 6. Регулируя частоту генератора 1, измеряют собственные частоты изделия 3. Диапазон применяемых частот до 500 кГц.

Рис. 27. Методы собственных частот. Методы колебаний:

- вынужденных: а – интегральный; б – локальный;

- свободных: в – интегральный; г – локальный;

1 – генератор непрерывных колебаний меняющейся частоты; 2 – излучатель; 3 – объект контроля; 4 – приемник; 5 – усилитель; 6 – индикатор резонанса; 7 – модулятор частоты; 8 – индикатор; 9 – спектроанализатор; 10 – ударный вибратор; 11 – блок обработки информации

Локальный метод с использованием вынужденных колебаний известен какультразвуковой резонансный метод . Его применяют в основном для измерения толщины. В стенке изделия 3 (рис.27,6) с помощью преобразователей 2, 4 возбуждают упругие волны (обычно продольные) непрерывно меняющейся частоты. Фиксируют частоты, на которых отмечаются резонансы системы преобразователь - изделие. По резонансным частотам определяют толщину стенки изделия и наличие в нем дефектов. Дефекты, параллельные поверхности, меняют измеряемую толщину, а расположенные под углом к поверхности - приводят к исчезновению резонансов. Диапазон применяемых частот - до нескольких мегагерц.

В интегральном методе в изделии 3 (рис.27,в) ударом молотка 2 возбуждают свободнозатухающие колебания. Эти колебания принимают микрофоном 4, усиливают усилителем 5 и фильтруют полосовым фильтром 6, пропускающим только сигналы с частотами, соответствующими выбранной моде колебаний. Частоту измеряют частотомером 7. Признаком дефекта служит изменение (обычно снижение) частоты. Как правило, используют основные собственные частоты, не превышающие 15 кГц.

В локальном методе (рис. 27, г) возбуждаемый генератором 1 вибратор 10 создает периодические удары по контролируемому изделию. Электрические сигналы с приемного микрофона 4 через усилитель 5 поступают на спектроанализатор 9. Выделенный последним спектр принятого сигнала обрабатывается решающим устройством 11, результат обработки появляется на индикаторе 8. Кроме микрофонов, применяют пьезоприемники. Дефекты регистрируют по изменению спектра принятого импульсного сигнала. В отличие от интегрального метода контроль выполняется путем сканирования изделий. Обычный диапазон рабочих частот от 0,3 до 20 кГц.

Акустико-топографический метод имеет признаки интегрального и локального методов. Он основан на возбуждении в изделии интенсивных изгибных колебаний непрерывно меняющейся частоты и регистрации распределения амплитуд колебаний с помощью наносимого на поверхность порошка. Упругие колебания возбуждают преобразователем, прижимаемым к сухому изделию. Преобразователь питают от мощного (порядка 0,4 кВт) генератора непрерывно меняющейся частоты. Если собственная частота отделенной дефектом (расслоением, нарушением соединения) зоны попадает в диапазон возбуждаемых частот, колебания этой зоны усиливаются, покрывающий ее порошок смещается и концентрируется по границам дефектов, делая их видимыми. Диапазон используемых частот

От 40 до 150 кГц.

Импедансные методы используют зависимость импедансов изделий при их упругих колебаниях от параметров этих изделий и наличия в них дефектов. Обычно оценивают механический импедансZ = F v , гдеF иv - комплексные

амплитуды возмущающей силы и колебательной скорости соответственно. В отличие от характеристического импеданса, являющегося параметром среды, механический импеданс характеризует конструкцию. В импедансных методах используют изгибные и продольные волны.

При использовании изгибных волн преобразователь стержневого типа (рис.28,а) содержит соединенный с генератором 1 излучающий 2 и приемный 4 пьезоэлементы. Через сухой точечный контакт преобразователь возбуждает в изделии 3 гармонические изгибные колебания. В зоне дефекта модуль Z механи-

ческого импеданса Z = Z e j ϕ уменьшается и меняется его аргументφ. Эти

изменения регистрируются электронной аппаратурой. В импульсном варианте этого метода в системе преобразователь - изделие возбуждают импульсы свободно затухающих колебаний. Признаком дефекта служит уменьшение амплитуды и несущей частоты этих колебаний.

Рис. 28. Методы контроля: а- импедансный; б – акустико-эмисионый; 1 – генератор; 2 – излучатель; 3 – объект контроля; 4 – приемник; 5 – усилитель; 6 – блок обра-

ботки информации с индикатором

Кроме совмещенного преобразователя применяют раздельно-совмещенные преобразователи, имеющие в общем корпусе раздельные излучающий и приемный вибраторы. Эти преобразователи работают в импульсном режиме. При работе с совмещенными преобразователями используют частоты до 8 кГц. Для раздельно-совмещенных используют импульсы с несущими частотами 15-35 кГц.

В другом варианте в контролируемой многослойной конструкции с помощью плоского пьезопреобразователя возбуждают продольные упругие волны фиксированной частоты. Дефекты регистрируют по изменению входного электрического импедансаZ Э пьезопреобразователя. ИмпедансZ Э определяется входным акустическим импедансом контролируемой конструкции, зависящим от наличия и глубины залегания дефектов в соединении между элементами. ИзмененияZ Э представляют в виде точки на комплексной плоскости, положение которой зависит от характера дефекта. В отличие от методов, использующих изгибные волны, преобразователь контактирует с изделием через слой контактной смазки.

Метод контактного импеданса , применяемый для контроля твердости, основан на оценке механического импеданса зоны контакта алмазного индентора стержневого преобразователя, прижимаемого к контролируемому объекту с постоянной силой. Уменьшение твердости увеличивает площадь контактной зоны, вызывая рост ее упругого механического импеданса, что отмечается по увеличению собственной частоты продольного колеблющегося преобразователя, однозначно связанной с измеряемой твердостью.

Пассивные акустические методы основаны на анализе упругих колебаний волн, возникающих в самом контролируемом объекте.

Наиболее характерным пассивным методом является акустикоэмиссионный метод (рис.28,6). Явление акустической эмиссии состоит в том, что упругие волны излучаются самим материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие трещин под влиянием внешней нагрузки, аллотропические превращения при нагреве или охлаждении, движение скоплений дислокаций - наибо-

лее характерные источники акустической эмиссии. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи принимают упругие волны и позволяют установить место их источника (дефекта).

Пассивными акустическими методами являются вибрационно-

диагностический и шумодиагностический. При первом анализируют параметры вибраций какой-либо отдельной детали или узла с помощью приемников контактного типа. При втором - изучают спектр шумов работающего механизма, обычно с помощью микрофонных приемников.

По частотному признаку акустические методы делят на низкочастотные и высокочастотные. К первым относят колебания в звуковом и низкочастотном (до нескольких десятков кГц) ультразвуковом диапазонах частот. Ко вторым - колебания в высокочастотном ультразвуковом диапазоне частот: обычно от нескольких 100 кГц до 20 МГц. Высокочастотные методы обычно называют ультразвуковыми.

Области применения методов. Из рассмотренных акустических методов контроля наибольшее практическое применение находит эхо-метод . Около 90% объектов. Применяя различные типы волн, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений, многих неметаллических материалов. Эхо-метод используют также для измерения размеров изделий. Измеряют время прихода донного сигнала и, зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе. Если толщина изделия неизвестна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по ним определяют физико-механические свойства материалов.

Эхо-зеркальный метод применяют для выявления дефектов, ориентированных перпендикулярно поверхности ввода. При этом он обеспечивает более высокую чувствительность к таким дефектам, но требует, чтобы в зоне расположения дефектов был достаточно большой участок ровной поверхности. В рельсах, например, это требование не выполняется, поэтому там возможно применение только зеркально-теневого метода. Дефект может быть выявлен совмещенным наклонным преобразователем. Однако в этом случае зеркальноотраженная волна уходит в сторону и на преобразователь попадает лишь слабый рассеянный сигнал. Эхо-зеркальный метод используют для выявления вертикальных трещин и непроваров при контроле сварных соединений.

Дельта и дифракционно-временной методы также используют для полу-

чения дополнительной информации о дефектах при контроле сварных соединений.

Теневой метод применяют для контроля изделий с большим уровнем структурной реверберации, т.е. шумов, связанных с отражением ультразвука от неоднородностей, крупных зерен, дефектоскопии многослойных конструкций и изделий из слоистых пластиков, при исследовании физико-механических свойств материалов с большим затуханием и рассеянием акустических волн, например, при контроле прочности бетона по скорости ультразвука.

Локальный метод вынужденных колебаний применяют для измерения малых трещин при одностороннем доступе.

Интегральный метод свободных колебаний используют для проверки бандажей вагонных колес или стеклянной посуды "по чистоте звона" с субъективной оценкой результатов на слух. Метод с применением электронной аппаратуры и объективной количественной оценкой результатов применяют для контроля фи- зико-механических свойств абразивных кругов, керамики и др. объектов.

Реверберационный, импедансный, велосимметрический, акустико-

топографический методы илокальный метод свободных колебаний используют в основном для контроля многослойных конструкций.Реверберационным методом обнаруживают в основном нарушения соединений металлических слоев (обшивок) с металлическими или неметаллическими силовыми элементами или наполнителями.Импедансным методом выявляют дефекты соединений в многослойных конструкциях из композиционных полимерных материалов и металлов, применяемых в различных сочетаниях.Велосимметрическим методом и локальным методом свободных колебаний контролируют в основном изделия из полимерных композиционных материалов. Акустико-топографический метод применяют для обнаружения дефектов преимущественно в металлических многослойных конструкциях (сотовые панели, биметаллы и т.п.).

Вибрационно-диагностический и шумо-диагностический методы служат для диагностики работающих механизмов. Метод акустической эмиссии применяют в качестве средства исследования материалов, конструкций, контроля изделий и диагностики во время эксплуатации. Его важными преимуществами перед другими методами контроля является то, что он реагирует только на развивающиеся, действительно опасные дефекты, а также возможность проверки больших участков или даже всего изделия без сканирования его преобразователем. Основной его недостаток как средства контроля - трудность выделения сигналов от развивающихся дефектов на фоне помех.

6.6. Радиационные методы неразрушающего контроля

При радиационном контроле используют, как минимум, три основных элемента (рис. 29):

источник ионизирующего излучения;

контролируемый объект;

детектор, регистрирующий дефектоскопическую информацию.

Рис. 29. Схема просвечивания:

1 – источник; 2 – изделие; 3 - детектор

При прохождении через изделие ионизирующее излучение ослабляется - поглощается и рассеивается. Степень ослабления зависит от толщины δ и плотностиρ контролируемого объекта, а также от интенсивностиМ 0 и энергииЕ 0 излучения. При наличии в веществе внутренних дефектов размером∆δ изменяются интенсивность и энергия пучка излучения.

Методы радиационного контроля (рис.30) различаются способами детектирования дефектоскопической информации и соответственно делятся на радио-

графические, радиоскопическиеи радиометрические.

Методы радиационного контроля

Рис. 30. Методы радиационного контроля

Радиографические методы радиационного неразрушающего контроля основаны на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в радиографический снимок или запись этого изображения на запоминающем устройстве с последующим преобразованием в световое изображение. На практике этот метод наиболее широко распространен в связи с его простотой и документным подтверждением получаемых результатов. В зависимости от используемых детекторов различают пленочную радиографию и ксерорадиографию (электрорадиографию). В первом случае детектором скрытого изображения и регистратором статического видимого изображения служит фоточувствительная пленка, во втором - полупроводниковая пластина, а в качестве регистратора используют обычную бумагу.

В зависимости от используемого излучения различают несколько разновидностей промышленной радиографии: рентгенографию, гаммаграфию, ускорительную и нейтронную радиографии. Каждый из перечисленных методов имеет свою сферу использования. Этими методами можно просвечивать стальные изделия толщиной от 1 до 700 мм.

Радиационная интроскопия - метод радиационного неразрушающего контроля, основанный на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в световое изображение на выходном экране радиационнооптического преобразователя, причем анализ полученного изображения проводится в процессе контроля.

Чувствительность этого метода несколько меньше, чем радиографии, но его преимуществами являются повышенная достоверность получаемых результатов благодаря возможности стетереоскопического видения дефектов и рассмотрения изделий под разными углами, "экспрессность" и непрерывность контроля.

Радиометрическая дефектоскопия - метод получения информации о внут-

реннем состоянии контролируемого изделия, просвечиваемого ионизирующим излучением, в виде электрических сигналов (различной величины, длительности или количества).

Этот метод обеспечивает наибольшие возможности автоматизации процесса контроля и осуществления автоматической обратной связи контроля и технологического процесса изготовления изделия. Преимуществом метода является возможность проведения непрерывного высокопроизводительного контроля качества изделия, обусловленная высоким быстродействием применения аппаратуры. По чувствительности этот метод не уступает радиографии.

6.7. Тепловой неразрушающий контроль

В тепловых методах неразрушающего (ТНК) контроля в качестве пробной энергии используется тепловая энергия, распространяющаяся в объекте контроля. Температурное поле поверхности объекта является источником информации об особенностях процесса теплопередачи, которые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних или наружных дефектов. Под дефектом при этом понимается наличие скрытых раковин, полостей, трещин, непроваров, инородных включений и т.д., всевозможных отклонений физических свойств объекта от нормы, наличия мест локального перегрева (охлаждения) и т.п.

Различают пассивный и активный ТНК. При пассивном ТНК анализ тепловых полей изделий производят в процессе их естественного функционирования. Активный ТНК предполагает нагрев объекта внешним источником энергии.

Бесконтактные методы теплового контроля основаны на использовании инфракрасного излучения, испускаемого всеми нагретыми телами. Инфракрасное излучение занимает широкий диапазон длин волн от 0,76 до 1000 мкм. Спектр, мощность и пространственные характеристики этого излучения зависят от температуры тела и его излучательной способности, обусловленной в основном его материалом и микроструктурными характеристиками излучающей поверхности. Например, шероховатые поверхности излучают сильнее, чем зеркальные.

ДИАГНОСТИКА ОПОР И ФУНДАМЕНТОВ ВЛ
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ

Электросетевое строительство в России активно велось с 60-х до середины 80-х годов прошлого столетия. В настоящее время нормативные сроки службы этих объектов заканчиваются. Отсутствие необходимых и достаточных инвестиций для реконструкции объектов электроэнергетики на протяжении последних 10-15 лет привело к накоплению больших объемов «отложенного спроса». В итоге существует крайне серьезная проблема: с одной стороны – огромное число объектов, требующих незамедлительной реконструкции исходя из нормативных сроков службы; а с другой стороны – отсутствие финансовых возможностей для ее выполнения.
Из вышесказанного следует однозначный вывод: необходимо отказаться от «тотальной реконструкции» в пользу «адресно-восстановительного ремонта» и «адресной замены» электросетевого оборудования и конструкций. Начальным этапом этой работы является диагностика конструкций ВЛ. Наряду с традиционными способами всё активнее начинают применяться современные методы диагностики, о которых рассказывают наши новосибирские авторы.

Юрий Гунгер , к.т.н., генеральный директор
Виктор Чернев , начальник отдела диагностики электрооборудования
Группа компаний «ЭЛСИ», г. Новосибирск

Целью диагностики является ранжирование оборудования и конструкций по их остаточным эксплуатационным характеристикам с разделением на 3 группы.
Первая из них представляет собой группу продления ресурса, которая включает объекты с нормальными остаточными эксплуатационными характеристиками, несмотря на окончание их нормативного срока службы.
Во вторую группу – «адресно-восстановительного ремонта» – входят объекты, остаточные эксплуатационные характеристики которых могут быть восстановлены в результате выполнения текущего или капитального ремонта.
Третья группа – «адресной замены» – состоит из объектов, остаточные эксплуатационные характеристики которых ниже нормируемых значений и не могут быть восстановлены в результате выполнения ремонта.
В последние годы широкое распространение получили различные методы диагностики электрических аппаратов, как наиболее дорогостоящих и ответственных элементов электрической сети. Также разработаны и внедряются в эксплуатационную практику методы диагностики электрической части воздушных линий (ВЛ) и подстанций (ПС) – проводов, контактных соединений и изоляции. На этом фоне единственным широко распространенным способом диагностики механической части ВЛ и ПС – опор, стоек под оборудование и фундаментов остаются внешние осмотры, регламентируемые правилами эксплуатации электроустановок. К сожалению, внешние осмотры не могут рассматриваться как сколько-нибудь серьезный способ диагностики, так как такие конструкции наряду с видимыми дефектами могут иметь и скрытые . При этом, учитывая массовость этих элементов в составе любой электрической сети, вероятность возникновения аварий из-за повреждения механической части отдельных конструкций достаточна высока.

На наш взгляд, проблеме диагностики механической части ВЛ и ПС, находящихся в длительной эксплуатации, следует уделять более серьезное внимание. Опыт показывает, что диагностике должны подвергаться все железобетонные конструкции со сроком эксплуатации более 20 лет. Сейчас в России в эксплуатации находятся несколько десятков тысяч железобетонных стоек ПС и несколько сотен тысяч опор ВЛ с железобетонными фундаментами или центрифугированными стойками со сроком службы около 40 лет.
Следует отметить многопараметричность деструктивных процессов, снижающих несущую способность железобетонных фундаментов и стоек опор ВЛ в эксплуатации: это и воздействие грунтово-климатических факторов внешней среды, и влияние вибраций от действия ветровых нагрузок, и другие специфические, в том числе электрофизические, условия функционирования электросети. В настоящее время достаточно хорошо проработаны следующие методы испытания бетонов на прочность:
Метод стандартных образцов. Образцы кубической формы испытывают через 28 суток после изготовления, для чего они устанавливаются в пресс и нагружаются до разрушения образца.
Использование кернов, выбуренных из конструкции, которые испытываются подобно стандартным образцам под прессом.
Группа методов неразрушающего контроля (НК), основанных на измерении поверхностной твердости бетона.
Первый метод неприменим в эксплуатации. Использование второго метода проблематично, поскольку он ухудшает прочностные характеристики конструкций за счет выбуривания образцов из тела конструкции, а также из-за сложной технической осуществимости такой операции в полевых условиях.

Не только прочность

Прочностные характеристики бетона являются очень важными, но не единственными параметрами, характеризующими надежность и работоспособность железобетонной конструкции. Появление по тем или иным причинам трещин в бетоне может вызывать коррозию арматуры и ослабление несущей способности конструкции изнутри. Оценка коррозионного состояния арматуры проводится электрохимическими методами путем ее поляризации от внешнего источника тока . Сопротивления анодной и катодной поляризации арматуры в неповрежденном и поврежденном бетоне имеют существенные различия, которые и несут информацию о коррозионном состоянии арматуры.
А вот обобщенную оценку состояния всей железобетонной конструкции целиком (фундамента или стойки опоры) можно получить, используя только вибрационные методы диагностики, основаннные на анализе декрементов затухания механических колебаний низкой и высокой частоты, искусственно возбуждаемых в железобетонной конструкции. Между этими параметрами и состоянием бетона, арматуры и их сцеплением между собой существует определенная зависимость . С появлением трещин на бетоне или коррозии арматуры их взаимодействие нарушается, что приводит к снижению несущей способности конструкции.

Наиболее эффективным современным средством контроля технического и коррозионного состояния железобетонных конструкций ПС и ВЛ является комплекс испытаний, использующий ультразвуковые и вибрационные методы оценки механических свойств, а также электрохимические методы определения коррозионного состояния арматуры и металлоконструкций ВЛ.
Для железобетонных конструкций, не имеющих видимых дефектов, комплексные и традиционные обследования имеют примерно одинаковые результаты и временные затраты. В случае, когда имеется скрытый дефект, традиционный способ его определить не может, даже в случае откопки конструкции из земли.
Несмотря на то, что комплексная диагностика является более детальной, при работе с конструкцией, находящейся в нормальном состоянии, она имеет сравнительно небольшие временные затраты (~7 минут). При диагностировании дефектной или даже аварийной конструкции временные затраты увеличиваются в два раза за счет повышенного объема виброконтроля (~14 минут). Традиционный способ при обследовании конструкции в нормальном состоянии с помощью склерометра позволяет уложиться в одну минуту. Однако в случае обследования дефектного фундамента или стойки опоры требуется их откопка (на глубину от 0,5 до 1,5 метров), что увеличивает временные затраты в три-пять раз (по сравнению с комплексной диагностикой).

Обследование фундаментов и опор ВЛ

Группой компаний ЭЛСИ совместно с НПП «Электрокорр» выполнены комплексные обследования фундаментов ВЛ 500 кВ в «Иркутскэнерго» и железобетонных опор ВЛ 110 кВ в «Новосибирскэнерго». В «Иркутскэнерго» по результатам обследований распределение фундаментов по группам выглядит следующим образом:

• в группе продления ресурса фундаментов – 38%;
• группа «адресно-восстановительного ремонта» содержит 62%, из них дефектных фундаментов, требующих срочного ремонта в течение 2006 года, – 19%, фундаментов, ремонт которых может быть выполнен в последующие годы, – 43%;
• аварийных фундаментов обнаружено не было, поэтому в группе «адресной замены» фундаментов – 0%.

• группа продления ресурса содержит 84% стоек;
• группа «адресно-восстановительного ремонта» составляет 8%;
• группа «адресной замены» – 8%.

Основные дефекты

Причинами дефектов железобетонных фундаментов металлических опор являются:

• активное вымывание цементного камня под действием кислой ржавой воды, образующейся из дождевой воды в сочетании с продуктами коррозии стальных стоек опор;
• осыпание и отслаивание бетона и наполнителя, приводящие к оголению арматуры, что в дальнейшем ведёт к коррозии арматуры и потере прочности фундамента;
• незащищенность «оголовника» фундамента от действия процессов «замораживания–оттаивания» влаги.

• неплотно прижатые края опалубки, допущенные при изготовлении центрифугированных стоек, следствием чего явилось быстрое разрушение швов полуформ в эксплуатации. Этот дефект зачастую приводит к образованию больших сквозных дыр, оголению арматуры и образованию значительных трещин вдоль швов полуформ (фото 3);
• повреждения, сколы, полученные при транспортировке и установке опор;
• влияние на стойки опор грунтово-климатических факторов (образование на стойке опоры мелких и крупных трещин). Эти дефекты за время эксплуатации также способствовали снижению несущей способности конструкций, что подтверждается данными вибродиагностики.

1. Необходимо вместо «тотальной реконструкции» вменить в практику планирования ремонта электросетевого оборудования локальный «адресно-восстановительный ремонт» и «адресную замену» дефектных элементов и конструкций. Этот подход позволит в рамках ограниченных финансовых и технологических ресурсов обеспечить экономически целесообразный уровень надежности электроснабжения потребителей.
2. Экономический эффект от предлагаемого метода получается за счет исключения из объемов тех опор и фундаментов, ремонт которых может быть обоснованно перенесен на поздние сроки.
3. Главным условием эффективного решения задачи минимизации затрат на ремонты являются достоверные оценки эксплуатационного состояния всех элементов и узлов линий электропередачи, полученные с необходимой точностью в результате применения современного диагностического инструментария.
4. Традиционные методы оценки технического состояния железобетонных электросетевых конструкций, использующиеся в настоящее время, не обеспечивают выявление дефектов в бетоне на ранней стадии их возникновения и не позволяют получить количественные оценки развития этих дефектов во времени из-за большой погрешности получаемого результата.
5. Наиболее исчерпывающую информацию об остаточном эксплуатационном ресурсе железобетонных и металлических стоек опор и фундаментов воздушных линий электропередачи дают оценки, полученные с помощью ультразвуковой, вибрационной и электрохимической диагностики состояния.

1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации / Мин-во топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России», РД 34.20.501 – 95. – 15-е изд., перераб. и доп. – М.: СПО ОРГРЭС, 1996. – 160 с.
2. Штенгель В.Г. О методах и средствах неразрушающего контроля для обследования эксплуатируемых железобетонных конструкций // В мире НК. – 2002. – № 2(16). – С.12–15.
3. Ботин Г.П., Попонин С.А., Тарасов А.Г. Ультразвуковой контроль состояния железобетонных стоек опор и фундаментов воздушных линий электропередачи / Материалы Первой международной научно-практической конференции «Линии электропередачи – 2004: Опыт эксплуатации и научно-технический прогресс». – Новосибирск, 20–24 сентября 2004.
4. Гунгер Ю.Р., Тарасов А.Г., Чернев В.Т. Ультразвуковой и вибрационный контроль состояния железобетонных стоек опор и фундаментов воздушных линий электропередачи // Электроинфо. – 2005. – № 11. – С. 40–43.
5. Розенталь Н.К. Электрохимический метод исследования коррозии стали в бетоне по поляризационному сопротивлению // Электроснабжение железных дорог / ЗИ: ЦНИИ ТЭИ МПС. – 1993. – № 2. – С. 14–19.
6. Гуков А.И., Чадин А.Б. Аппаратура диагностики опор. Вибрационный и электрохимический методы // Электрическая и тепловозная тяга. – 1981. – № 4. – С. 38–40.

Добро пожаловать!
Шаровые опоры - это очень серьёзный элемент передней подвески, автомобилей ВАЗ классика это касается особенно. Там шаровых опор присутствует вдвое больше, чем в переднеприводных автомобилях (4 штуки), за счёт чего автомобиль становится более опасным. Ведь если не уследить и ездить на автомобиле, на котором шаровые опоры вышли из строя, то колесо может просто завалиться на бок. Если Вы будете ехать в это время, то машина сразу же потеряет управление и остановить её будет очень и очень трудно. Яркий пример мы Вам хотим продемонстрировать на видеоролике ниже, где шаровая опора выходит из строя, а правое колесо у автомобиля просто заваливается на бок.

Примечание!
Чтобы осуществить диагностику шаровых опор, Вам потребуются монтировка либо монтажная лопатка, либо лом; кроме того, очень тоненькая палочка нужна будет либо металлическая, либо просто веточка, но, что очень важно, палочка должна быть ровная, без изгибов и тому подобного. (Лучше всего использовать металлическую палочку длиной 5,6 см). И кроме этого всего, будет нужна ещё линейка и небольшой ножичек. Или вместо палочки, линейки и ножа возьмите хороший штангенциркуль, который эти все инструменты заменит!

Всё зависит от местности, где автомобиль эксплуатируется. Если же он эксплуатируется у Вас в очень крупных городах (такие, как Москва), в самом центре города, в основном на идеальных дорогах, либо же в Санкт-Петербурге, где дороги явно не уступают, то с диагностикой подвески можете даже не заморачиваться. Просто раз в год или каждые 100 000 км поглядывайте туда, всё проверяйте и ездите дальше. Но, в основном, автомобили марки «жигули» эксплуатируются в небольших городах, сёлах и тому подобных местах, где дороги, как говорится, оставляют желать лучшего. В таком случае диагностику всей подвески в целом, а также диагностику шаровых опор нужно производить как можно чаще, примерно раз в 20 000 км. Или же после хорошего наезда в глубокую яму на скорости. Таким образом Вы всегда будете уверены в своём автомобиле и не побоитесь эксплуатировать его, так как после тщательной проверки будете с высокой точностью знать о том, что подвеска полностью исправна.

Примечание!
Мало кто придерживается этого, ведь каждые 20 000 км заглядывать в подвеску авто довольно накладно людям, которые чуть ли не каждый день ездят, а эти 20 000 км накатают за очень короткий период. В таком случае диагностику шаровых опор можно производить сразу же после появления глухого стука в передней части авто или при наезде на яму. Обычно такой звук и появляется, когда одна из опор выходит из строя, но пока этот звук не услышишь, не поймёшь, правильно ли работают шаровые опоры или же нет. Возможно, эти стуки даже могут померещиться. Поэтому, чтобы такого не произошло и просто так Вы не лезли в подвеску автомобиля, взгляните внимательно на ролик ниже, в котором демонстрируется автомобиль с неисправной и шумящей шаровой опорой.

Как продиагностировать шаровые опоры на ВАЗ 2101-ВАЗ 2107?

Примечание!
Диагностируются шаровые опоры несколькими способами, самым правильным из которых является последний (третий) способ. Если действовать согласно ему, то Вы сразу же поймёте, нуждается ли опора в замене или пока ещё нет. Но есть большой минус в этом способе, ведь чтобы осуществить его, нужно будет снять шаровые опоры с автомобиля, а для этого нужно время. Поэтому таким способом мало кто шаровые опоры проверяет на исправность. С другой стороны, если правильно выполнять другие два способа проверки, то они тоже дадут свой результат. И если шаровые опоры будут очень сильно повреждены, то, проверив их такими способами, можно будет тоже понять, что они неисправны и подлежат замене.

Способ первый (вывешивание автомобиля и нагружение передней подвески):

1. Сперва сорвите все гайки крепления колеса к автомобилю, после чего приподнимите автомобиль с помощью домкрата. Как только он будет висеть в воздухе, полностью раскрутите гайки и снимите нужное колесо с автомобиля (читайте статью « »). После проделанной операции подложите под рычаг нижней подвески дощечки (указаны красной стрелкой) и опустите автомобиль на них. После этого у Вас должно будет получиться так, что автомобиль лёг полностью на подвеску, а если быть точнее, то на пружину. Та часть, на которую одевается колесо (указана синей стрелкой), должна будет повиснуть в воздухе. На этом всё, приступайте к проверке.

1. Для осуществления проверки шаровых опор на автомобиле, посредством вывешивания автомобиля, проделайте следующее. Для начала возьмите в руки монтировку (как вариант, лом или монтажную лопатку), после чего вставьте её так, как показано на фотографиях ниже. На большом фото показывается то, как нужно фиксировать монтажную лопатку при проверке верхней шаровой опоры, на маленьком фото – то, как нужно фиксировать её при проверке нижней шаровой опоры. На маленьком фото мало что видно и трудно понять, куда монтажную лопатку нужно вставлять. Но когда будете вживую работать с автомобилем, то сразу всё поймёте и, использовав лопатку как рычаг, поперемещайте её то вниз, то вверх, то вниз, то вверх и т.д. Во время осуществления этой процедуры не повредите пыльник, будьте аккуратны. В том случае, если опора сильно повредится, то подвеска будет сильно гулять и от небольшого усилия уже перемещаться. В таком случае шаровые опоры подлежат замене.

Примечание!
Данным способом лучше всего проверять только верхние шаровые опоры, потому что нижние опоры проверяются чуть-чуть по-другому. Более подробно о том, как это сделать, читайте в способе 2 ниже!

Способ второй (проверка нижних шаровых опор с помощью штангенциркуля):

Начнём сперва с того, что не у всех автолюбителей присутствуют штангенциркули. Если и Вы в оказались в этом числе, тогда возьмите нож, тоненькую проволочку и линейки и также приступайте к проверке. Вначале нужно будет воспользоваться гаечным ключом размером «на 7 мм» (или накидным) и выкрутить полностью с их помощью нижнюю пробку шаровой опоры (указана красной стрелкой). Затем в отверстие засуньте штангенциркуль (на некоторых штангенциркулях специальная тонкая часть есть) и замеряйте расстояние, на которое он войдёт. Если же не получается штангенциркуль засунуть (он упирается в землю например, а домкрата нет) или если его нет, то берите тоненькую проволочку, засовывайте её в отверстие до упора, делайте ножом надрез вровень с торцом шаровой опоры и вынимайте её. Потом измерьте расстояние от конца проволоки и до этого надреза при помощи линейки. Если это расстояние больше, чем 11,8 мм, то шаровая опора подлежит замене.

Способ третий (снятие шаровых опор и визуальных их осмотр):

Это самый долгий способ, но зато Вы будете точно знать, исправны ли шаровые опоры или уже есть в них люфт и они уже все разбиты. Для того, чтобы этот способ осуществить, снимите нужные для Вас шаровые опоры с автомобиля (Как это сделать, читайте в статье « »), после чего осмотрите внимательно пыльник шаровых опор. На нём не должны будут присутствовать трещины, разрывы и тому подобные дефекты. Затем снимите полностью пыльник; убедитесь, что смазка в шаровой опоре есть и что вода, грязь и тому подобное в шаровой опоре отсутствует. Следом возьмитесь рукой за кончик шарового пальца (см. фото ниже) и покачайте его из стороны в сторону. Палец должен будет перемещаться от усилия руки, но тяжело. Если палец болтается и легко перемещается, или же если Вы его даже с места сдвинуть не можете, то такая шаровая опора считается неисправной и подлежит замене.

Данная информация может быть примером для составления отчетов по обследованию опор.

Пояснительная записка

к отчету по результатам обследования состояния железобетонных опор

Основание для проведения работ

Работы проводятся в рамках Договора № 07/11 на выполнение работ по ремонту, техническому обслуживанию и диагностическому обследованию объектов электросетевого хозяйства

Общие положения.

Состав диагностических работ:

Проверка состояния железобетонных опор неразрушающим ультразвуковым экспресс - методом

Проверка положения опор

Список линий и количество железобетонных опор, подлежащих диагностике:

ВЛ 220 кВ Д-1 Ульяновская - Загородная 169 опор

ВЛ 220 кВ Д-9 Лузино - Называевская 466 опор

ВЛ 220 кВ Д-13 Таврическая - Московка 130 опор

ВЛ 220 кВ Д-14 Таврическая - Московка 130 опор

ВЛ 220 кВ Л-225 Иртышская - Валиханово 66 опор

Всего подлежало обследованию 961 железобетонная опора.

Результаты обследования опор ВЛ.

Всего фактически было обследовано 1036 промежуточные железобетонные опоры

ВЛ 220 кВ Д-1 Ульяновская - Загородная 165 опор

ВЛ 220 кВ Д-9 Лузино - Называевская 504 опор

ВЛ 220 кВ Д-13 Таврическая - Московка 130 опор

ВЛ 220 кВ Д-14 Таврическая - Московка 130 опор

ВЛ 220 кВ Л-224 Иртышская - Мынкуль 53 опор

ВЛ 220 кВ Л-225 Иртышская - Валиханово 52 опор

Состояние центрифугированных стоек

ВЛ 220 кВ Д-1 Ульяновская - Загородная (165 шт.)

В нормальном состоянии находятся 54 центрифугированные стоки (32,7 %)

В рабочем 102 шт. (61,8%)

В ухудшенном 9 шт. (5,4%)

ВЛ 220 кВ Д-9 Лузино - Называевская (506 шт.)

В нормальном состоянии находятся 260 центрифугированные стойки (51,4 %)

В рабочем 170 шт. (33,6%)

В ухудшенном 42 шт. (8,3%)

В предаварийном 34 шт. (6,7%)

ВЛ 220 кВ Д-13 Таврическая - Московка (130 шт.)

В нормальном состоянии находятся 75 центрифугированных стоек (57,7 %)

В рабочем 48 шт. (36,9%)

В ухудшенном 5 шт. (3,8%)

В предаварийном 2 шт. (1,54%)

ВЛ 220 кВ Д-14 Таврическая - Московка (130 шт.)

В нормальном состоянии находятся 79 центрифугированная стойка (60,7 %)

В рабочем 39 шт. (30,0%)

В ухудшенном 11 шт. (8,46%)

В предаварийном 1 шт. (0,76%)

ВЛ 220 кВ Л-224 Иртышская - Мынкуль (53 шт.)

В нормальном состоянии находятся 37 центрифугированных стоек (69,8 %)

В рабочем 11 шт. (20,8%)

В ухудшенном 2 шт. (3,8%)

В предаварийном 3 шт. (5,7%)

ВЛ 220 кВ Л-225 Иртышская - Валиханово (52 шт.)

В нормальном состоянии находятся 31 центрифугированные стойки (59,6 %)

В рабочем 18 шт. (34,6%)

В ухудшенном 1 шт. (1,9%)

В предаварийном 2 шт. (3,8%)

Заключение

Обследованные железобетонные опоры ВЛ 220 кВ Омского предприятия МЭС Сибири находятся в рабочем состоянии, с некоторыми эксплуатационными отклонениями значений контролируемых параметров отдельных элементов от нормального состояния.

Основными видимыми дефектами железобетонных конических и цилиндрических стоек СК-5, СК-7 и СН-220, из которых выполнены железобетонные опоры большинства обследованных ВЛ, выявленными в ходе их обследования является:

Локальное оголение арматуры и незначительное продольное растрескивание бетона (рабочее состояние)

Наклоны центрифугированных стоек более допустимых пределов (ухудшенное состояние)

Наличие поперечных трещин в бетоне выше допустимого размера (предаварийное состояние).

Однако в ряде случаев инструментальный контроль не подтвердил предаварийную опасность имеющихся у стоек опор поперечных трещин. В связи с этим те опоры, у которых ещё имеется достаточный расчётный ресурс по несущей способности бетона и арматуры, и которые отнесены к предаварийному состоянию только по наличию поперечных трещин в опасном сечении стоек, в качестве ремонтно-профилактических работ были выбраны менее затратные мероприятия. Рекомендуемыми мероприятиям для некоторых таких опор вместо из замены стали: дополнительный контроль состояния 1 раз в 3 года, защита от ВОС (воздействия окружающей среды), установка временных металлических бандажей. Для проверки правильности отбраковки центрифугированных стоек железобетонных опор на основе данных инструментального контроля их состояния желательно проведение механических испытаний предельной несущей способности стоек в эксплуатации. Такие испытания уже проводились нами ранее (Приложение 1) и показали степень опасности тех или иных дефектов для несущей способности стоек.

Согласно Инструкции по эксплуатации ВЛ опоры, находящиеся в рабочем состоянии, требуют проведения косметического ремонта, а опоры, имеющие наклон выше допустимого предела (более 3,0 градусов), необходимо выправлять немедленно. Однако в некоторых случаях выправка железобетонных опор бывает нежелательной из-за её большего вреда, чем пользы. Речь идёт об изначально невертикальной установке железобетонной опоры в подготовленный котлован. Такое происходит, когда рельеф трассы ВЛ не даёт возможности получить строгую вертикальность котлована под установку железобетонной опоры, либо когда неверно установлены ригели (Рис. 1). В любом случае, если вертикальность опоры не обеспечена в период строительства ВЛ, и за время её эксплуатации не произошло существенного изменения значения первоначального наклона опоры, то приведение такой опоры в вертикальное положение, например, методом ОРГРЭС, может привести к преждевременному появлению у опоры поперечных трещин и ослаблению бетона опоры в зоне максимального изгибающего момента (Рис. 2). Правильнее в таких случаях либо организовывать наблюдение за наклонными опорами с целью определения тенденций и скоростей их наклона, либо переустанавливать опоры в новый котлован.

Рис. 1. Наклон опоры № 193 вдоль ВЛ 220 кВ Д-9 «Лузино - Называевская»

Известно, что случайные (или постоянные) эксцентриситеты от внешней нагрузки на опору воспринимаются арматурой железобетонной стойки, а сам бетон, в основном, несёт сжимающую нагрузку. Поэтому до тех пор, пока арматура железобетонной стойки способна обеспечивать предварительное напряжение бетона на уровне, существенно превышающем разрывное усилие, возникающее в бетоне из-за наклона стойки, опора способна выполнять свои рабочие функции без выправки.

Известно, также, что под слоем неповреждённого бетона коррозия арматуры невозможна из-за пассивации её поверхности под действием щелочного порового раствора бетона (водородный показатель раствора бетона рН составляет порядка 10-12).

Поэтому для поддержания долговечной работы железобетонной опоры, имеющей наклон и глубокие трещины, иногда важнее становится косметический ремонт повреждённого бетона с защитой его от воздействия окружающей среды. Например, пропиткой его поверхности и имеющихся трещин высокоадгезионными защитными материалами (типа Сибирь-ультра) и закрытием верхнего отверстия стойки от попадания внутрь неё атмосферной влаги.

Например, обследованные нами в 2010 году 274 шт. железобетонные опоры ВЛ 220 кВ «Тюмень-Тавда» (МЭС Западной Сибири), построенной в 1964 году с применением цилиндрических центрифугированных стоек СН-220, оцинкованных траверс и оцинкованных металлических крышек, закрывающих верхнее отверстие стойки, практически в полном составе сохранили свою несущую способность (рис 3). Хотя среди них были и наклонные стойки (Рис. 4).

Рис. 2. Поперечные трещины, возникшие в бетоне наклонно установленной центрифугированной стойки опоры № 875 ВЛ 225 из-за её выправки.

Рис. 3. Верх опоры № 45 ВЛ 220 кВ «Тюмень - Тавда» закрытый металлической оцинкованной крышкой с момента строительства ВЛ

Рис. 4. Виден наклон опоры № 44 ВЛ 220 кВ «Тюмень-Тавда»

Выводы

1. В каждом конкретном случае обнаружения наклона железобетонной опоры, превышающем допустимый предел, первоначально необходимо организовать за ней наблюдение с целью определения тенденций и скоростей наклона, а также развития имеющихся дефектов. В случае возникновения опасных тенденций или угроз необходимо либо переустановить опору в новый котлован, либо заменить её. Аналогичный подход может быть применён и к стойкам, имеющим ещё неразвившиеся (неопасные) поперечные трещины.

2. Предаварийное состояние некоторых стоек (менее 4,5% от обследованных) вызвано наличием поперечных трещин, появление которых связано как с выправкой опор, так и со сверхкритическими внешними воздействиями. Всего таких стоек насчитывается 42 штук, которые необходимо заменить до 2016 года. В том числе замене подлежат стойки опор № 9 на каждой ВЛ 220 кВ Д-13 и Д-14 и стойки опор № 74, 85, 120, 181 и 183 на ВЛ 220 кВ Д-1.

В течение года необходимо переустановить или заменить опору № 152 на ВЛ 220 кВ Д-9, имеющей наклон более 7 градусов, и установить на опорах № 172 и 350 этой ВЛ в зоне их интенсивного растрескивания металлические бандажи.