Оценка технического состояния камеры шлюза по тепловому состоянию его элементов

¡Выпуск 1

зочных работ), из имеющегося набора моделей.

Использование комплекса повысит эффективность обучения и тренинга, уменьшит затраты труда преподавательского состава, сделает возможным оценку эффективности

технологических схем перегрузки, а также позволит проведение исследований кранов без создания моделей каждым исследователем.

В настоящее время тренажерный комплекс находится в стадии разработки.

УДК 626.4 К. П. Моргунов,

канд. техн. наук, доцент, СПГУВК;

А. А. Кардаков,

соискатель,

СПГУВК

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КАМЕРЫ ШЛЮЗА ПО ТЕПЛОВОМУ СОСТОЯНИЮ ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ

THE ASSESSMENT OF THE TECHNICAL CONDITION OF THE SLUICE BY THERMO CONDITION OF ITS ELEMENTS

Обсуждается возможность неразрушающего контроля технического состояния стен камеры судоходного шлюза с помощью тепловизионного обследования. Описано пробное тепловизионное обследование камеры шлюза в межнавигационный период, которое подтвердило действенность и результативность этого метода диагностирования.

This article presents the discussion of possibility of undestroying control of technical condition of sluice walls using thermovisional examination. There presented a trial thermovisional examination at the period between navigations. This examination approved the effectiveness of this diagnostic method.

Ключевые слова: судоходный шлюз, напряженно-деформированное состояние, тепловизор, термо-графирование, тепловизионное обследование, температурные аномалии.

Key words: sluice, tense-deformed condition, thermovision, thermographing, thermovisional examination, anomalies of temperature.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ состояния конструкций камер судоходных шлюзов является актуальной проблемой при оценке надежности и безопасности гидротехнического сооружения в целом. В настоящее время напряженно-деформированное состояние конструкций оценивается, как правило, путем проведения расчетов, использующих в качестве исходных данных проектную документацию сооружения (размеры конструкций, схемы армирования, конфигурацию грунтовой засыпки), а также данные многолетних натурных наблюдений. Данные наблюдений фиксируются с помощью установленного на шлюзах комплекта контрольно-из-

мерительной аппаратуры, в который входят, как правило:

— реперные марки, фиксирующие вертикальные перемещения конструкций;

— инварная проволока для измерения расстояния между противоположными стенками камеры;

— щелемеры для определения взаимного перемещения конструкций (секций и голов) камеры;

— пьезометры, установленные на территории гидроузла вокруг шлюза.

Такой набор измерительных устройств используется для определения прежде всего следующих величин: вертикальных и гори-

зонтальных перемещений верха стен камеры при наполнении и опорожнении камеры в процессе шлюзования, среднегодовых осадок, взаимных перемещений секций камеры шлюза, уровней грунтовых вод в основании камеры и в грунтовой засыпке внешних стен.

Однако ни проектная документация, ни данные натурных наблюдений не дают информации о возможных внутренних разрушениях, нарушениях целостности конструкций, произошедших в процессе эксплуатации. Это могут быть трещины в железобетонных конструкциях, разрушения шпонок в температурно-осадочных швах между отдельными частями конструкций. Такие дефекты могут возникать по разным причинам: из-за использования некачественных материалов в процессе строительства и монтажа, из-за не -учтенных в проекте изменений со временем свойств материала конструкций или окружающего грунта и т. п. После возникновения таких нарушений целостности конструкций в них, с одной стороны, начинает проникать вода из камеры при судопропуске, с другой — грунтовые воды из обратной засыпки.

Практически единственная возможность обнаружить проявления таких нарушений на внутренней стороне камеры шлюза — визуальный осмотр поверхности. Очевидно, что в период навигации таким образом можно осмотреть поверхность стен, расположенную выше уровня опорожнения камеры — уровня нижнего бьефа гидроузла. Поверхность стен камеры, находящуюся ниже уровня нижнего бье -фа, возможно осмотреть лишь при осушении

камеры в межнавигационный период. Такие осмотры на гидроузлах проводятся, их результаты собираются в архивах служб наблюдений и измерений эксплуатирующих организаций (как правило, государственных бассейновых управлений). Фрагмент листа визуального осмотра камеры шлюза № 6 Волго-Донского судоходного канала приведен на рис. 1.

При визуальных осмотрах фиксируются лишь внешние проявления возможных нарушений — наружные трещины, выщелачивания, мокрые пятна, подтеки. Их причины, состояние конструкций под поверхностью, в глубине можно определить только с использованием инструментальных методов: либо неразрушающих (ультразвуковое или георадар-ное обследование), либо нарушающих целостность конструкции (бурение).

Наличие разрушений конструкций на внешней стороне камеры, соприкасающейся с грунтами обратной засыпки, определить визуальными наблюдениями, очевидно, невозможно. Между тем при возникновении таких нарушений целостности в них начинают проникать грунтовые воды. Зачастую грунтовые воды являются агрессивными по отношению к материалу стенок — железобетону. При проникновении таких вод в трещины стенок процесс разрушения развивается, увеличиваются трещины и т. п.

И если такие трещины не приводят к внешним проявлениям (возникновение грифонов, потеки), то обнаружить их можно лишь проведением ультразвукового или гео-радарного обследования.

Рис. 1. Фрагмент листа визуального осмотра камеры шлюза № 6 ВДСК. Правая сторона, секции I и VII

Выпуск 1,

¡Выпуск 1

Как ультразвуковое, так и георадарное обследования являются методами объемного контроля, они действительно могут дать информацию о состоянии внутреннего объема конструкции. Однако аппаратура для таких обследований достаточно громоздка, стоят эти обследования недешево. Поэтому поиски возможности оперативного и недорогого контроля технического состояния конструкций судоходного шлюза весьма актуальны.

Специалистами ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций» исследовалась возможность использования для диагностирования состояния конструкций (прежде всего — камеры) судоходного шлюза технологий тепловизионного обследования.

Принцип тепловизионного обследования состоит в фиксации инфракрасного излучения, исходящего от любого тела, темпе -ратура которого выше абсолютного нуля по шкале Кельвина (что, как известно, соответствует температуре -273,15 °С). С этой целью используются тепловизоры — цифровые оптико-электронные приборы бесконтактного (дистанционного) измерения и регистрации поверхностного распределения радиационной температуры объектов, находящихся в поле зрения прибора. При этом тепловизор формирует визуальную картинку распределения температурных полей по поверхности объекта. Температурные поля поверхности конструкции фиксируются на экране тепловизора в виде цветного изображения, градации цвета которого соответствуют различным температурам. При этом современные тепловизоры снабжены программным обеспечением, позволяющим хранить и анализировать полученные инфракрасные изображения, а также выводить их на внешние устройства (компьютеры, печать, флеш-память и т. п.). [1, 2]

Заметим, что термография (измерение температуры с помощью тепловизора) дает распределение температуры только на поверхности исследуемых конструкций. С помощью тепловизора нельзя заглянуть внутрь конструкции или увидеть ее насквозь. И тем не менее, наличие неоднородностей распределения температуры на поверхности конструкции является основой для анализа

технического состояния сооружения. Идея такого анализа состоит в следующем: температура внешней поверхности стенок камеры шлюза в опорожненном состоянии близка к температуре окружающего воздуха. Темпе -ратура материала в глубине конструкции, а тем более — в грунте обратной засыпки камеры отличается от температуры наружного воздуха. В случае монолитности и целостности строительных железобетонных конструкций камеры температура внутренних объемов конструкции проявляется в виде однородного температурного потока на поверхности монолита. А при наличии трещин либо иных нарушений в конструкции, особенно в случае заполнения таких трещин водой (из камеры или грунтовой), однородная картина распределения теплового потока по поверхности будет нарушаться. И задача исследователя при обнаружении таких температурных неоднородностей на поверхности конструкций — правильно их интерпретировать, соотнести с конкретным проявлением разрушений.

При этом понятно, что наиболее благоприятное время для проведения термографи-чеких исследований в камерах судоходных шлюзов — зимний межнавигационный период. Во-первых, именно в это время возможно полное опорожнение шлюза и осушение внутренних стенок камеры на всю высоту. Во-вторых, разница температур наружного воздуха и внутренней температуры конструкции и грунта в это время наиболее оптимальна (около 10-15°С) для термографирования и последующего анализа. Температуры наружного воздуха в это время отрицательны, а температуры на поверхности и в глубине конструкции выше, в грунте обратной засыпки они положительны. Чем ниже температура наружного воздуха и больше разница температур внутри и снаружи, тем более отчетливую картину тепловых неоднородностей на исследуемой поверхности можно получить.

Исходя из этого, в зимний межнави-гационный период в феврале 2011 года было проведено тепловизионное обследование внутренней поверхности камеры шлюза № 6 Волго-Донского судоходного канала. При обследовании использовался тепловизор TESTO 881-3

(Германия) (рис. 2). Тепловизор имеет следующие характеристики:

— диапазон измеряемых температур — от -20 до +200 °С;

— угол (поле) зрения объектива (по горизонтали и вертикали) — 18°;

— формат изображения (размер матрицы) — 160 х 120 элементов;

— допустимая погрешность измерений температуры — не более ±2 °С;

— температурная чувствительность — не более 0,2 °С;

— возможность проводить съемку без применения штатива (частота кадров 8 Гц);

— спектральный диапазон — 8-14 мкм;

— возможность фотофиксации изображения контролируемого объекта;

— возможность накапливать и проводить обработку полученной информации с помощью ПЭВМ.

Тепловизор TESTO 881-3 снабжен программным обеспечением, необходимым для хранения и анализа инфракрасных изображений и для создания профессиональных отчетов. Программное обеспечение тепловизора позволяет настраивать и изменять основные параметры сохраненного изображения (компенсацию отраженного тепла, цветовую па-

литру и т. д.); повышает удобство и достоверность тепловизионного обследования; избавляет от необходимости повторного сканирования оборудования.

Весьма важным при проведении тепло-визионного обследования является соблюдение необходимых условий, основные из которых заключаются в следующем.

Обследуемые поверхности не должны подвергаться воздействию прямых солнечных лучей в течение предшествующих 12 часов. Такое воздействие нагревает поверхности, искажая их собственные температурные поля. А если солнечные лучи падают на поверхность во время проведения обследования, то тепловизор будет фиксировать не только собственное инфракрасное излучение поверхности, соответствующее ее температуре, но и отраженную солнечную радиацию, количество которой зависит от интенсивности освещения поверхности и ее отражательной способности, что вносит искажения в истинную картину распределения тепловых потоков по поверхности. В настоящее время существуют методы компенсации отраженной температуры, однако это усложняет процесс измерения и обработки результатов. [3]

Рис. 2. Тепловизор TESTO 881-3

Выпуск 1,

Выпуск 1

Наилучшие условия проведения тепло-визионной съемки — в облачную погоду в ранние утренние часы, когда тепловое влияние окружающей среды минимально. Тепло -вое обследование не рекомендуется проводить в дождь, туман, снегопад и при скорости ветра более 7 м/с.

Термографическое обследование камеры шлюза № 6 проводилось в утренние часы. Температура наружного воздуха составляла -20 °С, скорость ветра в камере 2,5 м/с. По -скольку облачность во время проведения работ отсутствовала, было проведено обследование только правой стенки шлюза, находившейся в тени без попадания на нее прямых солнечных лучей. При проведении обследования производилось одновременное фотографирование и термографирование участков стены для привязки термограмм к линейным размерам участков конструкций.

Важный этап работ при проведении термографирования — обработка результатов и представление их в виде, удобном для последующего анализа. На рис. 3 приведен пример информации, полученной при обработке результатов термографирования секции

I, правой стенки шлюза (рис. 1 — область а). По термограмме обнаружена область с существенным увеличением температуры на 3-4 °С относительно соседних площадей, ко -торая никак не проявляется на фотографии и визуальном осмотре стенки (правая, нижняя четверть термограммы).

Таким образом, при представлении результатов возможен вывод на внешний носитель значений температуры в любых заданных точках, а также построение распределения температуры вдоль задаваемых профилей. Это делает результаты обследования более наглядными и удобными для анализа.

Фотография

№: Темп. [°0] Излуч.

М1 -12,5 0,95

М2 -11 ,7 0,95

М3 -12,0 0,95

М4 -11 ,8 0,95

М5 -11 ,6 0,95

Мб -12,9 0,95

М7 -12,6 0,95

М8 -12,5 0,95

М9 -11 ,8 0,95

мю -11 ,6 0,95

М11 -13,4 0,95

М12 -1 3,6 0,95

М13 -14,2 0,95

М 1 4 -13,8 0,95

031 -14,6 0,95

НЭ1 -11 ,0 0,95

Значение температуры в выделенных точках

Термограмма

Распределение температуры по профилю Р

Рис. 3

Фотография

Термограмма

Рис. 4

Фотография

№: Темп. [°С] Излуч.

С31 -17,0 0,95

НБ1 -14,4 0,95

Значение температуры в выделенных точках

Термограмма

Распределение температуры по профилю Р

Рис. 5

Подчеркнем, что термографическое обследование стен камеры шлюза № 6 имело предварительный, испытательный характер, предполагалось определить саму возможность применения термографических методов

для обнаружения возможных внутренних дефектов конструкций.

На наш взгляд, такая возможность получила подтверждение. При анализе термограмм производилось их сопоставление с

Выпуск 1,

¡Выпуск 1

листом визуального осмотра камеры шлюза. Практически все внешние нарушения, отмеченные на листе визуального осмотра, получили термографическое подтверждение. Например, в области рымовой ниши секции I правой стенки шлюза при визуальном осмотре обнаружены истирание плит и трещины с сухим выщелачиванием (рис. 4, рис. 1 — область б). По термограмме в этой области относительно соседних температура понижена на 2 °С, что свидетельствует о наличии в массиве стенки шлюза объекта с меньшим коэффициентом теплопроводности, предположительно воздушной полости, возникшей из-за отслоения облицовки либо образования продольной щели (трещины) в монолите и т. п.

Еще один пример — секция VII (рис. 5, рис. 1 — область в). Корреляция между визуальной и термографической картинами отсутствует.

В процессе термографического обследования стенки шлюза было обнаружено несколько областей с аномальными температурами, не коррелирующимися с данными визуального осмотра, что подтверждает высокий уровень информативности тепловизионных исследований.

Обнаруженные аномалии еще подлежат расшифровке и интерпретации.

Таким образом, при проведении пробного термографирования наружной поверхности стен камеры шлюза при его опорожнении в межнавигационный период подтверждена принципиальная возможность использования тепловизионных методов обследования для обнаружения скрытых дефектов конструкции. Интерпретация температурных аномалий, выявляемых при таком обследовании, установление их соответствия конкретным формам и видам дефектов является предметом дальнейших исследований.

Список литературы

1. ГОСТ Р 8.619-2006. Национальный стандарт Российской Федерации. Приборы тепловизи-онные измерительные.

2. Тепловой неразрушающий контроль изделий// Будадин О. Н., Потапов А. И., Колганов В. И. и др. — М.: Наука, 2002. — 472 с.

3. Gilbert Gaussorgues. La Thermographie Infrarouge. Principes-Technologie-Applications. — Paris, Technique et Documentation (Lavoisier), 1984. — 400 c.

C