СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНОЙ ЧАСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ
METHOD TO CONTROL OVERHEAD CONTACT SYSTEM CONCRETE SUPPORT UNDERGROUND PART

Изобретение относится к неразрушающему виброакустическому контролю и может быть использовано для диагностики состояния железобетонных опор контактной сети.
Железобетонные опоры контактной сети железных дорог в условиях эксплуатации подвергаются воздействию ряда неблагоприятных факторов, снижающих несущую способность опор. Особенно опасны коррозионные и электрокоррозионные повреждения арматуры опор.
Электрокоррозия опор связана с необходимостью их заземления на ходовые рельсы. Как известно, электрифицированные железные дороги используют ходовые рельсы в качестве обратного провода для возврата тягового тока к источнику электроснабжения - подстанции. Опоры контактной сети соединяются с рельсами через специальные заземляющие устройства. Недостаточная надежность заземляющих устройств может привести к резкому снижению их сопротивления. В результате опора контактной сети оказывается подключенной к рельсам и через нее начинает протекать ток утечки. Если при этом ток, стекающий через арматуру, превысит некоторую величину, начинается электрокоррозия арматуры, сопровождающаяся растрескиванием и разрушением бетонной оболочки под действием продуктов коррозии и отслоением арматуры от бетона.
Известен способ [1] (Патент РФ на изобретение №2327136) контроля наличия отслоений арматуры в железобетонных изделиях, включающий возбуждение в арматурных стержнях изгибных колебаний с изменяющейся ступенчато частотой с заданным временем выдержки и фиксацией амплитуды колебаний на каждой ступени. О наличии отслоений судят по появлению на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) резонансных частот, находящихся в килогерцовой области.
Этот способ, в принципе, позволяет обнаружить наличие отслоения арматуры от бетона, однако имеет существенные недостатки. Во-первых, появляющиеся продукты электрокоррозии зажимают арматуру и амплитуда ее колебаний резко падает. Давление продуктов электрокоррозии на бетон постепенно растет, и при превышении предела прочности в бетоне около арматуры возникают трещины. При этом напряжения релаксируют и амплитуда колебаний арматуры резко возрастает. Продолжающееся образование продуктов электрокоррозии снова приводит к зажиму арматуры и т.д. Таким образом, процесс носит периодический характер, что может привести к ошибкам в оценке состояния опоры. Отсутствие резонансных пиков на АЧХ в килогерцовой области может быть обусловлено не только отсутствием отслоения арматуры, но также и ее зажимом продуктами коррозии. Кроме того, в эксплуатации в настоящее время находится большое количество опор разных типов, выпускавшихся в разные годы, с разными диаметрами арматуры (от 2 мм до 14 мм), разным количеством арматурных прутков в опоре и, соответственно, разными АЧХ.
В таких условиях диагностика опор по одному критерию - наличию или отсутствию резонансных пиков в килогерцовой области вряд ли применима во всех случаях и может привести к ошибочным заключениям.
Для преодоления указанных недостатков нами предлагается способ контроля состояния подземной части железобетонных опор контактной сети, включающий возбуждение в арматурных стержнях вынужденных колебаний с изменяющейся ступенчато частотой с заданным временем выдержки и фиксацией амплитуды колебаний на каждой ступени, отличающийся тем, что колебания возбуждают на двух уровнях, один из которых находится выше поверхности грунта на надземной части опоры, а второй - около или ниже поверхности грунта, сравнивают АЧХ, снятые на этих уровнях, а о состоянии опоры судят по степени различия положения основных резонансных пиков на этих характеристиках.
Известно, что электрокоррозия протекает только в подземной части опор в присутствии почвенного электролита - влаги, содержащейся в почве (бетон по своей структуре является капиллярно-пористым и активно впитывает влагу из почвы). В результате электрокоррозии диаметр арматурных прутков в подземной части опоры уменьшается и, соответственно, меняется положение резонансных пиков на АЧХ. В то же время в надземной части опоры электрокоррозия невозможна [2] (Вайнштейн А.Л., Павлов А.П. Коррозионные повреждения опор контактной сети. М.: Транспорт, 1988, стр.24), и ее АЧХ сохраняет исходный вид и положение резонансных пиков.
Следовательно, по появлению сдвига основных резонансных пиков на АЧХ подземной части опоры относительно их положения на АЧХ надземной части и его величине можно судить о наличии и степени электрокоррозионного повреждения арматуры в подземной части опоры.
Предлагаемый способ снимает также проблему диагностики опор разных типов и годов выпуска с разным количеством и размерами арматурных прутков, поскольку опора сравнивается сама с собой.
На чертеже представлена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа.
Пример 1
Применимость способа была проверена на модельных железобетонных образцах, представлявших собой бетонные кубики размером 10×10×30 см, армированные по центральной оси стальным прутком диаметром 5 мм. Образцы помещали в сосуд с водой и пропускали по ним постоянный ток силой 200 mA. Анодом служил арматурный пруток. Периодически образцы вынимали из воды, просушивали и снимали АЧХ в интервале 5,0-25,0 кГц ступенчато через 50 Гц с выдержкой на каждой ступени 0,5 сек.
Для съемки АЧХ использовали устройство, блок-схема которого показана на чертеже. Здесь 1 - перестраиваемый генератор, 2 - усилитель, 3 - излучатель акустических колебаний, 4 - датчик, 5 - усилитель, 6 - пиковый детектор, 7 - устройство управления, 8 - графический индикатор, 9 - контролируемый образец, 10 - арматура.
По команде устройства управления (7) перестраиваемый генератор (1) формирует ступенчатый ряд частот от 100 Гц до 25 кГц с шагом в 50 Гц и заданной длительностью выдержки на каждой ступени. Сформированное колебание усиливается усилителем (2) и излучается излучателем (3). Излученные колебания, пройдя через бетон контролируемого образца (9), достигают арматуры (10) и возбуждают в ней изгибные колебания. Эти колебания через бетон выходят на поверхность, где регистрируются датчиком (4). Датчик (4) прижимают к поверхности бетона через контактную смазку (например, литол) для исключения появления резонансов между поверхностями датчика и бетона. Принятый сигнал усиливается усилителем (5), детектируется пиковым детектором (6) и, после оценки уровня принятого сигнала устройством управления (7), индицируется на графическом индикаторе (8) вместе со значением частоты.
изг
Как известно [3] (Глаговский Б.А., Московенко Н.Б. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1977, стр.14), частота изгибных колебаний f стержня зависит от диаметра и длины стержня по соотношению
,
где d - диаметр стержня;
l - длина стержня;
l
C - скорость распространения упругих продольных колебаний в стержне;
d
T- коэффициент.
изг
Отсюда видно, что величина f пропорциональна диаметру стержня.
Поскольку в результате развития электрокоррозии диаметр арматурного прутка в модельном образце уменьшается (а его длина остается исходной), резонансные пики должны при этом смещаться в сторону более низких частот.
В табл.1 представлены данные о зависимости частоты основных резонансных пиков модельного образца от количества протекшего по нему электричества.
Таблица 1
К-во электричества, ампер·часов
Резонансная частота, кГц
f<sub>1</sub>
f<sub>2</sub>
0
7,6
11,9
15
7,1
10,9
30
6,7
10,3
45
6,5
10,1
Как видно из табл.1, с увеличением количества электричества, прошедшего через образец, резонансные пики на АЧХ действительно сдвигаются в сторону меньших частот. По величине этого сдвига можно судить о степени развития в арматуре электрокоррозионного процесса.
Пример 2
Предлагаемый способ был опробован на железобетонных опорах контактной сети на перегоне Томск-Тайга Кемеровского отделения Западно-Сибирской железной дороги. Были испытаны четыре опоры, предварительно откопанные на глубину порядка одного метра. АЧХ снимали тем же устройством и в том же интервале частот, что и в примере 1. Снимали АЧХ на двух уровнях - в интервале 1,0 - 1,5 м выше поверхности грунта (уровень 1) и в интервале 0,2 м выше поверхности грунта - 0,5 м ниже поверхности грунта (уровень 2).
1
Результаты испытаний представлены в табл.2. В ней приведены значения частоты первого резонансного пика f.
Таблица 2
№ опоры
Уровень 1
Уровень 2
Частота, кГц
Частота, кГц
1,0 м выше поверхности грунта
1,5 м выше поверхности грунта
0,2 м выше поверхности грунта
0,3 м ниже поверхности грунта
0,5 м ниже поверхности грунта
338
8,4
8,4
6,8
6,3
6,3
79
8,1
8,0
8,0
7,8
7,9
80
8,2
8,2
8,2
8,3
8,2
77
8,2
8,2
8,2
8,1
8,2
1
2
Большая разница значений f, снятых на двух уровнях, обнаружена только у опоры №338. У нее частота f на уровне 2 приблизительно на 25% меньше, чем на уровне 1.
При откопке на глубине около одного метра у этой опоры был обнаружен участок разрушенного бетона с обнаженной ржавой арматурой. На остальных опорах видимых дефектов при откопке обнаружено не было.
Как показали эксперименты, эффект сдвига резонансной частоты на АЧХ, снятой на нижнем уровне 2, относительно ее положения на АЧХ, снятой на уровне 1, наблюдается не только при съемке АЧХ ниже уровня поверхности грунта, но и выше него до высоты порядка 20-25 см (вследствие капиллярного подъема влаги по бетону).
Приведенные данные подтверждают возможность определения наличия и степени электрокоррозионного повреждения арматуры в подземной части железобетонных опор по различию положения основных резонансных пиков на АЧХ, снятых на двух уровнях, разных по высоте относительно поверхности грунта.