Контактной сети

В настоящее время основную часть опорных конструкций контактной сети составляют железобетонные опоры и металлические опоры на железобетонных фундаментах. Рассмотрим диагностику железобетонных конструкций.

Различают два вида диагностики опор: диагностику надземной части и подземной части опор. По результатам диагностики надземной части проводится оценка несущей способности опор, изменение которой должно происходить вследствие старения бетона и уменьшения его прочностных характеристик. Диагностика подземной части опор проводится для оценки состояния проволочной арматуры и уровня снижения несущей способности при электрокоррозии арматуры.

В зависимости от рода тягового тока на электрифицированных участках необходимо проводить следующие виды диагностики:

· на участках переменного тока в основном должна проводиться диагностика надземной части. Диагностика подземной части может проводиться только в исключительных случаях, когда обнаружены коррозионные повреждения бетона в этой части;

· на участках постоянного тока обязательно следует проводить диагностику обеих частей опор: надземной и подземной.

Диагностика надземной части опор может проводиться в двух вариантах: она может быть выборочной или сплошной.

Выборочную диагностику осуществляют для установления несущей способности опор, у которых в процессе эксплуатации появились видимые разрушения в виде продольных трещин, выветривания поверхностного слоя, сетки мелких трещин и т.д., а также замечены прогибы консоли. В обязательном порядке рекомендуется проверять состояния анкерных опор и опор в кривых малого радиуса независимо от наличия на них повреждений. Первую выборочную диагностику необходимо проводить не позднее 3-х лет после сдачи участка в эксплуатацию. Последующая проверка должна проходить не реже одного раза в три года.

Сплошную диагностику надземной части следует проводить через 20 лет после начала эксплуатации участка. При сохранении тех же условий эксплуатации вторая сплошная диагностика проводится через 10 лет после первой. Последующие обследования назначаются индивидуально по каждому участку в зависимости от состояния опор с учетом данных предыдущих диагностирований.

Деградировавшие опоры выявляют несколькими способами. На первом этапе определяют места, где возможна коррозия. Для этого измеряют средние значения потенциалов «рельс - земля» и сопротивление опоры. Разделив потенциал на сопротивление, можно получить значение тока утечки, который бы протекал через арматуру. Таким способом выявляют потенциально опасные конструкции, с точки зрения электрокоррозии.

Но опасность электрокоррозии зависит не только от соотношения потенциала и сопротивления, но и от числа агрессивных ионов в почве, продолжительности существования потенциала и т. д. Более достоверна оценка опасности электрокоррозии при помощи интегрирующих датчиков. Интегрирующим датчиком называется электрохимическая ячейка стали в бетоне, погруженная в почву и способная пропустить ток.

Датчик представляет собой бетонный параллелепипед со сторонами 20 х 20 мм и длиной 150 мм с центрально армированным стальным стержнем, выступающим на 20мм над торцевой гранью и имеющий защитный слой у другой торцевой грани. Электрод изготавливается из проволоки такого же диаметра и класса, как и применяемая для изготовления опор. Перед установкой в почву устройство взвешивают с точностью до 0.01г. Число устанавливаемых интегрирующих датчиков электрокоррозии зависит от профиля пути и измерения параметров грунта (в среднем через 1,5...2 км). Стальной стержень каждого датчика подключают к рельсам. По истечении заданного промежутка времени (3 – 4 месяца) датчики изымают и вновь взвешивают. По результатам начального взвешивания и взвешивания после электрохимического воздействия определяются потери металла и рассчитывается удельный вынос металла в г/дм 2 сут для каждого датчика. На основе закона Фарадея рассчитывают электрокоррозионные диаграммы.

Для диагностирования степени электрокоррозии арматуры железобетонных опор применяют устройства АДО-2М, «Диакор», ИДА-2, прибор «ПК-1М».

При использовании прибора ПК-1М необходимо зачистить спуск (выше защитного устройства) и подошву рельса или стыковый соединитель. Затем необходимо соединить разъем прибора «Рельс» с помощью кабеля с рельсом, соединив рельсовый зажим с подошвой рельса или со стыковым соединителем. Далее необходимо соединить разъем прибора «Спуск» со спуском заземления опоры выше защитного устройства. Все подключения и зачистки проводить в диэлектрических перчатках. Далее включить питание прибора и произвести измерения. Измерения проводятся только при наличии нагрузки. Технические характеристики прибора: диапазон измеряемых потенциалов -250 - +250В; диапазон измеряемых сопротивлений 0 – 100кОм; точность измерения – 5%. Прибор содержит блок памяти для запоминания результатов обследования 1000 сопротивлений опор и 250 потенциальных диаграмм.

В АДО-2М использованы два метода - электрохимический и вибрационный. Электрохимический метод предназначен для оценки состояния высокопрочной проволочной арматуры предварительно напряженных опор. Методом можно установить, имеется или отсутствует коррозия стержней или анкерных болтов. При электрохимическом методе арматура опоры поляризуется от источника тока от 0 до 1,5 А в течение заданного промежутка времени (рис. 50). Затем источник тока отключают переключателем S2, и к арматуре подсоединяют вольтметр с диапазоном измерений ±1,99 В. По скорости уменьшения потенциала арматуры определяется степень коррозии.

Дело в том, что потенциал арматуры зависит от состояния ее поверхности, пассивная сталь сильно поляризуется.

Если поверхность арматуры имеет следы коррозии, то ее потенциал уменьшается. Арматура может быть предварительно поляризованной, поэтому для исключения погрешности измерения проводят дважды, меняя знак поляризации переключателем S1. Для измерения неизвестного потенциала один полюс вольтметра подключают к нулевому элементу (НЭ), который погружен в грунт. Нулевой элемент имеет известный постоянный потенциал.

Недостатком метода является необходимость подсоединения к арматуре, что сделать не всегда просто. Кроме того, ток поляризации должен быть значительным, из-за чего источник питания АДО-2М имеет большую массу (8...10 кг).

Рис. 50. Электрохимический метод

Вибрационный метод (рис. 51) основан на зависимости декремента затухающих колебаний опоры от степени коррозии арматуры. Опора приводится в колебательное движение, например, при помощи троса оттяжки и сбрасывающего устройства, которое калибруется на заданное усилие. На опоре устанавливают датчик колебаний, например, акселерометр. Декремент затухающих колебаний определяют как логарифм отношения амплитуд колебаний:

где А 2 А 7 – амплитуды соответственно второго и седьмого колебаний.

Рис. 51. Вибрационный метод

Приборы АДО-2М измеряют амплитуды колебаний 0,01...2 мм частотой 1...3 Гц. Чем больше степень коррозии, тем быстрее затухают колебания.

Недостаток метода в том, что декремент колебаний в большой степени зависит от параметров грунта, способа заделки опоры, отклонений технологии изготовления опоры, качества бетона. Заметное влияние коррозии проявляется лишь при значительном развитии процесса.

АДО-2М можно применять также для измерения потенциалов «рельс - земля» (до 2000 В), сопротивлений опоры, проверки искровых промежутков и диодных заземлителей, поиска низкоомных опор в групповых заземлениях.

Принцип действия комбинированного прибора диагностики коррозионного состояния опор (ДИАКОР) основан на электрохимическом методе. При диагностировании плотность тока составляет 2,5 мкА/см 2 , длительность поляризации - до 5 мин. За это время потенциал арматуры исправной опоры должен подняться до 0,6...0,7 В. Если измеренное значение менее 0,6 В, то ставят диагноз «коррозия». В знакопеременных и катодных зонах мощности источника для поляризации арматуры недостаточно. Там предлагается использовать штыревой заземлитель и увеличивать напряжение питания вдвое.

Для диагностики арматуры опоры применяют дефектоскоп ИДА-2. Действие индуктивного дефектоскопа арматуры ИДА-2 основано на методе измерения индуктивности катушки при внесении в нее стали (рис.52).

Рис. 52. Индуктивный дефектоскоп арматуры

К надземной и подземной частям опоры прикладывают катушку индуктивности, введенную в одно из плеч моста, питающегося от измерительного генератора. Полное сопротивление катушки зависит от количества металла арматуры.

Достоинство такого метода состоит в том, что напрямую сравнивается масса металла в надземной и подземной частях. Недостатки заключаются в необходимости откопки опор и в том, что показания прибора зависят от колебания толщины защитного слоя бетона.

Толщина защитного слоя бетона при неизменной массе арматуры и положение арматуры могут быть определены при помощи приборов ИЗС. В пластмассовом корпусе ИЗС-10Н закреплены магниты и подвижная рамка, на оси которой имеется стрелка-указатель и магнит. Наличие и местоположение арматурных элементов устанавливают, перемещая прибор по поверхности конструкции. Толщина защитного слоя определяется по калибровочной кривой, номер которой зависит от диаметра арматуры.

Прибор ИЗС-10Н состоит из генератора переменного напряжения, источника автономного питания, индуктивного датчика, детектора и стрелочного прибора. Его действие основано на том же принципе, что и действие ИДА-2. Проводят два измерения: когда ось датчика совпадает с направлением арматуры и под прямым углом. Диапазон измерения толщины - 5...60 мм, диаметр арматуры - 4...8 мм класса А-1 и 10...32 мм класса А-1П.

Прибор обеспечивает:

· измерение толщины защитного слоя бетона над арматурными стержнями 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20...25, 28...32 мм;

· измерение толщины защитного слоя бетона в зависимости от диаметра стержней арматуры в следующих пределах: при диаметре 4 ... 10 мм - от 5 до 30 мм; при диаметре 12 ... 32 мм - от 10 до 60 мм;

· определение расположения проекций стержней арматуры на поверхности бетона: диаметром 12...30 мм - при толщине защитного слоя бетона не более 60 мм; диаметром 4 ... 10 мм - не более 30 мм.

Погрешность измерений 5 %, масса - 4,2 кг.

Прибор ИЗС-10Н также применяется для установления типов опор. Для этого указатель диаметров на передней панели прибора устанавливается на цифру 4, а преобразователь перемещается вдоль окружности опоры. Если показания прибора изменяются от 3-4 мм до 10-15 мм, то это свидетельствует, что данная стойка типа ЖБК (со стержневой арматурой). Если же стрелка прибора указывает на 15-18 мм, то это говорит о том, что данная стойка типа СЖБК, СК (предварительно – напряженная).

Прочность бетона определяют ультразвуковым методом при помощи приборов «Бетон-5», УКВ-1М и УК-12П. Для обеспечения надежного акустического контакта между бетоном и рабочими поверхностями ультразвуковых преобразователей применяют солидол, технический вазелин. Данный метод позволяет определить глубину распространения трещин в бетоне, размеры каверн и зон неуплотненного бетона.

Ультразвуковые приборы УК-1401 (УК-14ПМ) предназначены для измерения времени и скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твердых материалах при прозвучивании на фиксированной базе с целью определения прочности и целостности железобетонных опор контактной сети. База прозвучивания - 150 мм, диапазон измерений времени - 15... 70 мкс; дискретность измерения времени - 0,1 мкс; диапазон измерений скорости звука - 2150 ... 9900 м/с. Обычно делают два измерения - вдоль и поперек тела опоры.

Области применения:

· определение прочности бетона по скорости ультразвука согласно ГОСТ 17624-87 «Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности»;

· определение прочности бетона в эксплуатируемых сооружениях в сочетании с методом «отрыв со сколом»;

· оценка несущей способности бетонных опор и столбов из центрифугированного бетона через отношение скоростей распространения ультразвука в направлениях вдоль и поперек опоры;

· поиск приповерхностных дефектов в бетонных сооружениях по аномальному уменьшению скорости или увеличению времени распространения ультразвука в дефектном месте по сравнению с областями без дефектов;

· оценка сходства или различия упругих свойств материалов или образцов одного материала друг от друга, а так же возраста материала при условии изменения его свойств от времени.

Порядок измерений следующий:

· осматривают наружную поверхность опоры, устанавливают имеющиеся повреждения, их количество, расположение;

· определяют участки измерений. Количество этих участков зависит от типа стойки и степени ее повреждения. Для стоек типа СЖБК, не имеющих отверстий в вершинной части, необходимо не менее 2-х измерений на высоте 1.2 – 1.5 м от поверхности земли. В зоне ниже пяты консоли на 0.5 – 0.7 м. Для других типов стоек (типа СК), имеющих отверстия в вершинной части, достаточно одного участка – в нижней части опоры;

· участки для измерений должны находиться в сжатой зоне конструкции, расположенной со стороны пути или в плоскости действия наибольшего изгибающего момента;

· обязательным считается проведение измерений в зоне сетки трещин независимо от высоты ее расположения над землей;

· в выбранных участках при наличии продольных трещин измерения проводятся между трещинами;

· в зоне контакта ультразвуковых преобразователей с поверхностью бетона не должно быть раковин, выбоин и воздушных пор глубиной более 3 мм и диаметром более 6 мм. Места измерений должны быть очищены от грязи, краски, пыли и т.д.;

· измерения начинают с нижней части опоры;

· измерения требуется проводить в сухую погоду при температуре не ниже +50С;

· прозвучивающее устройство прикладывается к поверхности бетона с усилием порядка 4 кгс;

· откопку опоры для измерения времени распространения ультразвука следует вести до глубины 0.5-0.7 м со стороны нейтральной зоны опоры.

Состояние надземной части опоры можно проверить, нанося серию ударов специальным измерительным молотком. По ускорению отскока молотка определяют прочность железобетона. Из-за того, что структура бетона неоднородна - в нем имеются песок, гравий - диагноз ставят по оценкам математического ожидания и дисперсии измерительных параметров.

Для анализа звуковых колебаний в теле опоры применяют даже бытовой диктофон. По надземной части опоры наносится удар, затухающие звуковые колебания записывают на диктофон. Затем в лабораторных условиях его подключают к звуковой плате (карте) компьютера, и электрические колебания с помощью аналого-цифрового преобразователя преобразуются в массив данных. Этот массив можно обрабатывать всеми известными методами, начиная с чисто визуального сравнения осциллограмм для опор с известными степенями потери прочности бетона.

Диагностику надземной и подземной частей опор можно проводить низкочастотным ультразвуковым дефектоскопом А1220 рисунок 53. Прибор состоит из электронного блока с экраном и клавиатурой и 24-элементного (6*4) матричного антенного устройства (АУ). Конструкция элементов АУ прибора обеспечивает проведение контроля без контактной жидкости, т.е. с сухим точечным контактом. Элементы АУ подпружинены и дают возможность измерений на криволинейных и шероховатых поверхностях.

Рис. 53. Ультразвуковой дефектоскоп А1220

Металлические опорные конструкции можно диагностировать прибором ВИТ-3М (рис.54). Дефектоскоп вихретоковый ВИТ-3М предназначен для обнаружения и оценки глубины поверхностных трещин на изделиях изготовленных из сталей, а так же из сплавов на основе алюминия, меди, титана, магния. Дефектоскоп может применяться для обнаружения дефектов па плоских и криволинейных поверхностях, как с чистовой обработкой, так и с большой шероховатостью, а также под слоем неметаллического покрытия.

В основу работы прибора положен амплитудно-частотный метод вихретоковой дефектоскопии.

Дефектоскоп собран в одном корпусе, включая батарейный отсек. Вихретоковый преобразователь (ВИ) в корпусе которого вмонтирован светодиод индикации, соединяется с корпусом дефектоскопа кабелем через разъем на задней панели.

В дефектоскопе имеется три вида индикации результатов контроля:

· световая, срабатывающая при пересечении преобразователем трещины (конструктивно совмещена с датчиком).

· стрелочная, работающая в статическом режиме и позволяющая оценивать глубину обнаруживаемой трещины путем сравнения отклонений стрелки на специально изготовленном образце и на трещине.

· звуковая, с выводом информации на головные телефоны. Дублирует стрелочную. Изменение частоты тона пропорционально отклонению стрелки.

Рис. 54. Дефектоскоп вихретоковый ВИТ-3М

При проверке металлических конструкций необходимо установить ВИ на контролируемый участок перпендикулярно поверхности. Передвигая ВИ перпендикулярно поверхности по контролируемому участку, следить за отклонением стрелки. При прохождении ВИ над трещиной стрелка отклонится вправо. Если отклонение стрелки более 4-5 делений шкалы, то при пересечении ВИ трещины сработает световой индикатор. При использовании головных телефонов будет слышен звуковой сигнал.

Технические характеристики:

· минимальное значение глубины трещины - не более 0.2 мм;

· минимальное значение длины трещины - не более 3 мм;

· размеры не более 140x90x35 мм;

· масса не более 0.3 кг.

Ультразвуковые толщиномеры серии «26» и «MG2» рисунок 55.

Портативные, карманного типа толщиномеры серии 26 предназначены, в основном, для исследования разрушения материалов.

Ультразвуковой толщиномер серии MG2 с расширенными техническими характеристиками:

· возможность измерения толщины через изоляцию;

· толщина контролируемого материала от 0,5 до 635 мм;

· режим быстрых измерений MIN/MAX;

· режим стоп-кадра;

· компенсация смещения нуля

· время непрерывной работы от встроенных батарей - 150 часов

· рабочая температура от -10 до +1500С

· вес 340 г.

Рис. 55. Ультразвуковые толщиномеры серии «26» (а) и «MG2» (б)

Ультразвуковые дефектоскопы «Epoch LT» (рис/ 56)

Рис. 56. Ультразвуковой дефектоскоп «Epoch LT»

Цифровой широкополосный дефектоскоп со встроенными НЧ и ВЧ фильтрами предназначен для обследования сварных швов и соединений, измерения толщины, выявления коррозии и эрозии, нахождения и определения размеров трещин и пор.

Прибор имеет генератор прямоугольных или пиковых импульсов:

· частота импульсов от 30 Гц до 1 кГц;

· диапазон рабочих частот от 0,5 до 25 МГц;

· VGA, USB порт вывода данных

· NiMH батарея большой емкости, время непрерывной работы 8 часов

· большой, яркий жидкокристаллический или электролюминесцентный дисплей.

· автоматическая калибровка ультразвукового преобразователя.

· усовершенствованная функция регистрации данных с возможностью редактирования

· расширенная память (500 изображений А - развертки /12000 значений толщины)

· возможность определения положения дефекта по трем координатам.

Твердость металла металлических опор может быть определена при помощи прибора МЭИТ-7. Поверхность опоры предварительно защищают, затем вдавливают в поверхность шарик диаметром 10 мм с определенным усилием. Усилие вдавливания выбирается таким, чтобы оттиск от шарика имел диаметр 0,9 мм. Сила вдавливания измеряется и пересчитывается в предел текучести металла. Состояние металлических конструкций рекомендуется оценивать на основе анализа визуальных осмотров, агрессивности среды, оставшейся толщины, прогибов и металлографических исследований. Металлографические исследования проводят тогда, когда имеется необходимость определить марку стали. Для определения толщины полок конструктивных элементов используют индикаторные скобы (рис. 57). Признаками образования трещин служат разрушения слоя краски и выступающие полосы ржавчины красно-бурого цвета. Очень тонкие трещины обнаруживаются с помощью лупы или микроскопа МПБ-2. Вообще, для диагностики металлических конструкций, мест их соединений рекомендуется несколько методов: ультразвуковой, вихретоковый, анализа параметров петли гистерезиса.

Рис.57. Индикаторная скоба

О диагностике железобетонных опор

Недавно Управление электрификации и электроснабжения (ЦЭ) МПС РФ совместно с ВНИИЖ-Том разработало техническое указание К-3-94, дополняющее Указания го техническому обслуживанию и ремонту железобетонных опорных конструкций контактной сети К-146-88. Оно предназначено для дистанций электроснабжения, использующих различные методы и средства диагностики железобетонных опор контактной сети.

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

Радиографический:			Радиоскопический:				Радиометрический:
Фиксация изображе-			Наблюдение изобра-				Регистрация элек-
ния на пленке			жения на экране.				трических сигналов.
(на бумаге).

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 воздушных линий

Воздушная линия электропередачи (ВЛ) - устройство для передачи и распределения электрической энергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным к опорам или кронштейнам и стойкам на инженерных сооружениях при помощи изоляторов и арматуры. Ответвления к вводам в здания относятся к ВЛ .

Диагностика изоляторов. Важное место в обеспечении надежной эксплуатации устройств электроснабжения занимает современная и качественная диагностика изоляции сетей. На сегодняшний день не существует достаточно надежных методик дистанционного обнаружения дефектных изоляторов и технических средств, позволяющих эти методики реализовать. Фарфоровые тарельчатые изоляторы перед установкой испытываются напряжением 50 кВ промышленной частоты в течение 1 мин , далее мегаомметром на напряжение 2,5 кВ измеряется их сопротивление, которое должно быть не менее 300 МОм . Диагностирование изоляторов, находящихся в эксплуатации, производится приборами дистанционного контроля или измерительными штангами (рисунки 2.6 – 2.8). Рассмотрим, какие физические эффекты возникают в результате приложения к изолятору высокого напряжения. Из теории известно, что если к двум электродам, разделенным изолятором, приложить электрическое поле достаточной напряженности, то на поверхности или в теле изолятора образуется электропроводный слой, в котором возникает и развивается электрический разряд - стример. Возникновение и развитие разряда сопровождается генерацией колебаний в широком диапазоне частот (в инфракрасном, т.е. тепловом, звуковом, ультразвуковом диапазонах частот, в видимом спектре и в широком диапазоне радиочастот). Отсюда очевидно, что приемная часть устройства диагностики должна обнаруживать то или иное из перечисленных следствий образования и развития стримера. Полимерные изоляторы выходят из строя иными способами, чем фарфоровые или стеклянные изоляторы, и трудно определить состояние таких изоляторов в отсутствии каких-либо наблюдаемых физических дефектов типа трещин или почернения.

На ВЛ 110 кВ применяются только подвесные изоляторы; на ВЛ 35 кВ и ниже могут применяться как подвесные, так и штыревые изоляторы. При пробое изолятора в гирлянде, его диэлектрическая "юбка" разрушается и падает на землю в случае выполнения юбки из стекла, а при пробое фарфорового изолятора юбка остается целой. Поэтому неисправные стеклянные изоляторы видны невооруженным глазом, тогда как диагностика вышедших из строя фарфоровых изоляторов возможна только с помощью специальных приборов, например, прибора ультрафиолетовая диагностика "Филин".

Воздушные линии (ВЛ) электропередачи напряжением 35 кВ и выше являются основными в системах передачи электроэнергии. И поэтому дефекты и неисправности, происходящие на них, требуют немедленной локализации и устранения. Анализ аварий воздушных линий показывает, что ежегодно происходят многочисленные отказы ВЛ в результате изменения свойств материала проводов и их контактных соединений (КС): разрушение проводов из-за коррозии и вибрационных воздействий, истирание, износ, усталостные явления, окисление и др. Кроме того, с каждым годом растет число повреждений фарфоровых, стеклянных и полимерных изоляторов. Существует множество методов и систем для диагностики вышеперечисленных элементов, однако они, как правило, являются трудоемкими, обладают повышенной опасностью и, кроме того, требуют отключения оборудования от напряжения. Высокой производительностью характеризуется метод обследование ВЛ вертолетным патрулированием. За день работы (5 - 6 ч ) осматриваются до 200 км линий. При вертолетном патрулировании проводятся следующие виды работ:

Тепловизионная диагностика ВЛ, изоляторов, контактных соединений и арматуры с целью выявления элементов, подвергающихся температурному нагреву вследствие возникающих дефектов (рисунок 5.8);

Ультрафиолетовая диагностика ВЛ, изоляторов, контактных соединений с целью обнаружения коронных разрядов на них (рисунок 5.10);

Визуальный контроль опор, изоляторов, контактных соединений (рисунок 5.9, используется видеокамера с высоким разрешением).

Применение тепловизоров позволяет намного упростить процесс контроля состояния разрядников, установленных на воздушных линиях 35, 110 кВ . На основе термограммы можно определять не только фазу разрядника с повышенным током проводимости, но и конкретный дефектный элемент, повлиявший на рост этого тока. Своевременная замена и ремонт дефектных элементов позволяет продолжить дальнейшую эксплуатацию разрядников.

Использование авиационных инспекций по мере развития технологий обследования увеличивается и в зарубежных странах. Например, фирма TVA работает над применением при авиационных инспекциях инфракрасных камер с высокой разрешающей способностью на стабилизированной подвеске и камеры DayCor для обнаружения короны на элементах ВЛ в дневное время, радара для

выявления гниющих деревянных опор и т.д. Образование короны на элементах ВЛ свидетельствует о замыканиях, трещинах или загрязнении керамических изоляторов или обрывах прядей проводов. При короне возникает слабое ультрафиолетовое излучение, которое нельзя увидеть в дневное время. Камера DayCor благодаря фильтру, пропускающему только ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 240 - 280 нм , позволяет обнаружить корону в дневное время.

Для оперативной диагностики состояния опорно-стержневых изоляторов и керамики высоковольтных вводов используется малогабаритный переносный вибродиагностический прибор «Аякс-М». Для получения диагностической информации на башмак опорного изолятора оказывается ударное воздействие, после чего в нем возбуждаются резонансные колебания. Параметры этих колебаний связаны с техническим состоянием изолятора. Появление дефектов любого типа приводит к снижению частоты резонансных колебаний и увеличению скорости их затухания. Для устранения влияния резонансных колебаний конструкций, связанных с изолятором, регистрация вибраций производится после двух ударов – по верхнему и нижнему башмакам изолятора. На основании сравнения спектров резонансных колебаний при ударе по верхней и нижней частям изолятора производится оценка технического состояния и поиск дефектов.

При помощи прибора «Аякс-М» можно проводить диагностику состояния опорной изоляции и поиск дефектов следующих типов: наличие трещин в керамике изолятора или местах заделки керамики в опорные башмаки; наличие пористости в керамике изолятора; определение коэффициента технического состояния изолятора. По итогам диагностики определяются категории состояния изолятора – «требует замены», «требует дополнительного контроля» или «может эксплуатироваться». Зарегистрированные параметры состояния изолятора могут быть записаны в долговременную память прибора и, в дальнейшем, в память компьютера для хранения и обработки. При помощи дополнительной программы, можно проводить оценку изменения параметров изолятора от измерения до измерения. При помощи прибора может производиться диагностика состояния изоляторов практически любого типа и марки.

Для оценки состояния вентильных разрядников

измерение сопротивления;

измерение тока проводимости при выпрямленном напряжении;

измерение пробивного напряжения;

тепловизионный контроль.

Для оценки состояния ограничителей перенапряжений используются следующие испытания:

измерение сопротивления;

измерение тока проводимости;

тепловизионный контроль.

Диагностика проводов. Для определения возможных проблемных мест на линиях электропередачи, возникающих из-за вибрации, используется прибор для контроля и анализа вибрации проводов линий электропередачи. Прибор позволяет оценивать на месте в реальных погодных условиях характеристики вибрации линий электропередачи с различной конструкцией, натяжением проводов и техническим обеспечением, определять номинальный срок службы проводов, подвергающихся вибрации. Прибор представляет собой вибрационный инструмент, использующийся на месте для контроля и анализа вибрации проводов воздушных линий электропередачи под действием ветра. Он измеряет частоты и амплитуды всех циклов вибрации, сохраняет данные в матрице с высокой четкостью и обрабатывает результаты для обеспечения оценки средней продолжительности срока службы

исследуемых проводов. Методы измерения и оценки основываются на международном стандарте IEEE и процедуре CIGRE. Устройство может быть установлено непосредственно на провод около любого типа зажимов. Прибор состоит из калиброванного кронштейна лучевого сенсора, пристегивающегося к зажиму провода, который поддерживает короткий корпус цилиндрической формы. Чувствительный элемент в контакте с проводом передает движение на сенсор. Внутри корпуса располагаются микропроцессор, электронная цепь, источник питания, дисплей и температурный сенсор. Использование амплитуды изгиба (Yb ) в качестве параметра измерения для оценки жесткости вибрации провода является хорошо признанной практикой. Измерение дифференциального смещения на 89 мм от последней точки контакта между проводом и металлическим подвесным зажимом является исходным положением стандартизации IEEE измерений вибрации проводов. Сенсор - консольная балка, чувствует изгиб провода вблизи подвесных или аппаратных зажимов. Для каждого цикла вибрации датчики деформации генерируют выходной сигнал, пропорциональный амплитуде изгиба провода. Данные о частоте и амплитуде вибрации сохраняются в матрице амплитуда/частота в соответствии с количеством событий. В конце каждого периода контроля встроенный микропроцессор рассчитывает индекс номинального срока службы провода. Это значение сохраняется в памяти, после чего микропроцессор возвращается в режим ожидания следующего запуска. Доступ к микропроцессору может быть напрямую получен с любого терминала ввода-вывода или компьютера через линию связи RS-232.

Дефектоскопия проводов и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи. Надежность ВЛ зависит от прочности стальных канатов, используемых в качестве токоведущих, несущих элементов в комбинированных проводах, грозозащитных тросов, оттяжек. Контроль технического состояния ВЛ и ее элементов основывается на сравнении выявленных дефектов с требованиями норм и допусками, приведенными в проектных материалах обследуемой ВЛ, в государственных стандартах, ПУЭ, СНиП, ТУ и других нормативных документах. Состояние проводов и тросов обычно оценивается при визуальном осмотре. Однако такой метод не позволяет выявлять обрывы внутри проводов. Для достоверной оценки состояния проводов и тросов ВЛ необходимо применять неразрушающий инструментальный метод с помощью дефектоскопа, который позволяет определить как потерю их сечения, так и внутренние обрывы проволок .

Тепловой метод диагностики ВЛ. Обнаружить утечку тепла и предотвратить аварию, связанную с перегревом на воздушных линиях, можно на самых ранних этапах его появления. Для этой цели используются тепловизоры или пирометры .

Оценка теплового состояния токоведущих частей и изоляции ВЛ в зависимости от условий их работы и конструкции осуществляется:

По нормированным температурам нагрева (превышениям температуры);

Избыточной температуре;

Динамике изменения температуры во времени;

С изменением нагрузки;

Путем сравнения измеренных значений температуры в пределах фазы, между фазами, с заведомо исправными участками.

Предельные значения температуры нагрева и ее превышения приводятся в регламентирующих директивах РД 153-34.0-20363-99 "Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ", а также в "Инструкции по инфракрасной диагностике воздушных линий электропередач".

Для контактов и контактных соединений расчёты ведут при токах нагрузки (0,6 - 1,0) I ном после соответствующего пересчета. Пересчет превышения измеренного значения температуры к нормированному осуществляется исходя из соотношения:

, (2.5)

где ΔТ ном - превышение температуры при I ном;

ΔТ раб - превышение температуры при I раб;

Для контактов при токах нагрузки (0,3 - 0,6) I ном оценка их состояния проводится по избыточной температуре. В качестве норматива используется значение температуры, пересчитанное на 0,5 I ном. Для пересчета используется соотношение:

, (2.6)

где: ΔТ 0,5 - избыточная температура при токе нагрузки 0,5 I ном.

Тепловизионный контроль оборудования и токоведущих частей при токах нагрузки ниже 0,3 I ном не эффективен для выявления дефектов на ранней стадии их развития. Дефекты, выявленные при указанных нагрузках, следует относить к дефектам при аварийной степени неисправности. И незначительную часть дефектов следует относить к дефектам с развивающейся степенью неисправности. Следует отметить, что не существует оценки степени неисправности дефектов на косвенно перегреваемых поверхностях оборудования. Косвенные перегревы могут быть вызваны скрытыми дефектами, например трещинами, внутри изоляторов разъединителя, температура которых измеряется снаружи, при этом часто дефектные части внутри объекта бывают очень горячими и сильно обгоревшими. Оборудование с косвенными перегревами следует относить ко второй или третьей степени перегрева. Оценку состояния соединений, сварных и выполненных обжатием, следует производить по избыточной температуре.

Проверка всех видов проводов воздушных линий электропередачи тепловизионным методом проводится:

Вновь вводимых в эксплуатацию ВЛ - в первый год ввода их в эксплуатацию при токовой нагрузке не менее 80 %;

ВЛ, работающих с предельными токовыми нагрузками, или питающих ответственных потребителей, или работающих в условиях повышенных загрязнений атмосферы, больших ветровых и гололедных нагрузках - ежегодно;

ВЛ, находящихся в эксплуатации 25 лет и более, при отбраковке 5 % контактных соединений - не реже 1 раза в 3 года;

Остальных ВЛ - не реже 1 раза в 6 лет.

Ультразвуковая диагностика опор ВЛ. Оценка состояния железобетонных опор ультразвуковым прибором поверхностного прозвучивания. Постоянное наблюдение за состоянием опор ВЛ позволяет не только предотвратить аварии, но и существенно повысить рентабельность эксплуатации электрических сетей, выполняя ремонт лишь тех опор, которые действительно нуждаются в ремонте или замене. Значительная доля опор ВЛ в нашей стране и за рубежом выполнено из железобетона. Распространенным видом железобетонной опоры является стойка в виде толстостенной трубы, изготовленная методом центрифугирования. Под воздействием климатических факторов, вибрации и рабочей нагрузки бетон стойки меняет структуру, растрескивается, получает различные повреждения и в результате стойка постепенно теряет свою несущую способность. Поэтому для определения необходимости замены стойки требуются регулярные обследования всех стоек электрических сетей. Такие обследования предотвращают также излишнюю отбраковку опор .

Возможность объективной оценки несущей способности центрифугированных железобетонных стоек опор основана на том, что с изменением структуры бетона и появлением в нём дефектов происходит ухудшение прочности бетона, которое проявляется в уменьшении скорости распространения ультразвуковых колебаний. Причём, в силу конструктивных особенностей стоек и характера нагрузок на них, изменения свойств бетона в направлениях вдоль и поперёк стойки оказываются неодинаковыми: скорость ультразвука в поперечном направлении со временем снижается быстрее, что, по-видимому, можно объяснить повышением концентрации микротрещин с преимущественно продольной ориентацией. По изменению величин скоростей распространения ультразвука вдоль и поперёк стойки в процессе её эксплуатации, а также по их отношению можно судить о степени потери несущей способности стойки и принимать решение о её замене.