Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы контроля технического состояния и определение остаточного ресурса труб. Цель и задачи исследований 10
1.1 Характеристики объекта исследования 10
1.2 Основные факторы разрушений и аварийность труб 15
1.3 Методы и средства обследования технического состояния дымовых труб ... 19
Выводы по разделу 38
Глава 2. Разработка технологии мониторинга и диагностики дымовых труб промышленных объектов нефтегазового комплекса 40
2.1 Структура диагностического комплекса 40
2.2 Сканирующий аппарат 43
2.3 Подъемно-транспортный механизм 55
Выводы по разделу 76
Глава 3. Научное обоснование стабильности функционирования сканирующего аппарата диагностического комплекса 77
3.1 Исследования аэродинамики сканирующего аппарата 77
3.2 Установка и аппаратура для аэродинамических исследований 82
3.3 Экспериментальные исследования аэродинамики моделей аппаратов-зондов 86
Выводы по разделу 99
Глава 4. Разработка метода экспресс-оценки физического износа дымовых труб 100
4.1 Научные основы разработанного метода 100
4.2 Программные средства оценки физического износа сооружений... 146
4.3 Экспериментальные исследования по экспресс-оценки физического износа 163
Выводы по разделу 178
Глава 5. Особенности прогнозирования остаточного ресурса и оценки приоритетности ремонта металлических несущих элементов дымовых труб с повреждениями 180
5.1 Построение основного кинетического уравнения повреждаемости металла дымовых труб с учетом температурно-временных и коррозионных факторов 180
5.2 Расчетная оценка ресурса дымовых труб в условиях коррозионного износа 193
5.3 Определение и повышение остаточного ресурса дымовых труб с прогарами в стволе 205
5.4 Определение характеристик прочности и ресурса металлического ствола дымовых труб по критериям механики разрушения 227
Выводы по разделу 239
Глава 6. Социально-экономический эффект от внедрения диагностической системы 240
Основные выводы и рекомендации по работе 263
Библиографический список использованной литературы 265
Приложение 287
- Методы и средства обследования технического состояния дымовых труб
- Подъемно-транспортный механизм
- Экспериментальные исследования аэродинамики моделей аппаратов-зондов
- Экспериментальные исследования по экспресс-оценки физического износа
Введение к работе
В инженерной практике встречаются многочисленные и многообразные виды повреждений и разрушений дымовых труб. Поэтому каждому конструктору и эксплуатационнику приходится решать задачи анализа прочности конструктивных элементов дымовых труб промышленных объектов и выбора соответствующих средств объективного контроля их состояния и предотвращения разрушений в процессе эксплуатации.
Дымовые трубы большой высоты, как и другие высотные сооружения (башни, мачты), находятся практически под непрерывным действием ветровых нагрузок, вызывающих заметные колебания и связанные с ними знакопеременные напряжения. Кроме того, эксплуатационные условия дымовых труб таковы, что, помимо указанных колебательных процессов, внутренние поверхности находятся под влиянием высокотемпературных агрессивных газовых потоков, снижающих расчетные сопротивления строительных материалов. Среди причин, вызывающих накопление дефектов и снижение несущей способности конструкций, кроме естественного старения качества строительных материалов, наиболее важными являются много- и малоцикловая усталость, хрупкое разрушение и ползучесть.
Как показывает опыт, зачастую даже при реализации удачных проектных решений незначительные ошибки при монтаже, а также отклонения от расчетных режимов эксплуатации и нарушения порядка в проведении штатных регламентных работ по диагностике состояния конструкций и обслуживанию приводят к аварийным ситуациям с тяжелыми последствиями.
Необходимо также учитывать, что дымовые трубы находятся под действием пульсационного давления ветра. Для высоких вертикальных цилиндрических и конических труб, представляющих достаточно гибкие конструкции, характерны периоды собственных колебаний, находящиеся в области спектра пульсаций скорости ветра. Например, для стальных труб высотой до 20 м при толщине силовой стенки 15 мм периоды основного тона собствен ных колебаний составляют 0,01- 0,03 с. Для таких низкочастотных сооружений необходимо учитывать низкочастотную часть ветрового спектра.
На современном этапе развития общества уровень промышленного производства определяет не только уровень жизни отдельно взятого человека, но и оборотный потенциал страны. Моральный и физический износ, отсутствие плановых ремонтов производственных порождает резкий рост уровня аварий и катастроф во многих отраслях промышленности.
Дымовые трубы предприятий нефтегазовой промышленности являются конечным звеном многих стратегически важных технологических процессов и вывод их из эксплуатации, как правило, приводит к остановке всего технологического процесса.
Длительность и качество ремонта во многом зависят от правильно и своевременно проведенной технической диагностики дымовой трубы, обнаружения дефектов, влияющих на ее работоспособность и их устранение.
Дымовые трубы промышленных предприятий - сложные, дорогостоящие высотные инженерные сооружения, которые подвергаются значительным нестационарным, ветровым, сейсмическим, высокотемпературным и коррозионным воздействиям и др.
Для защиты несущий стволов дымовых труб от высокой температуры и агрессивных компонент рабочей среды применяют различные футеровки. При образовании в последних сквозных повреждений (например, трещин) происходит интенсификация разрушения несущего ствола и дымовой трубы в целом. В ряде случаев это сопровождается с весьма тяжелыми последствиями для производства, персонала и жизнеобеспечения населения и территории, в случае отключения жизненно важных производств.
Техническая диагностика дымовых труб традиционно проводится путем плановой (как правило, один раз в 10 лет) остановки трубы с отключением всего технологического оборудования, подключенного к трубе. Затем производится сложный и дорогостоящий монтаж грузопассажирского подъемник - лифта внутри ствола дымовой трубы и исследование футеровки путем опускания на подъемнике человека - исследователя и фотографирования обнаруженных дефектов. В силу ряда причин: необходимости применения сильных источников освещения, закручивания лифта-подъемника в турбулентных восходящих потоках воздушных масс и пр. - не всегда удается получить объективные результаты диагностики в сжатые сроки и в полном объеме. Кроме того, эти работы относятся к категории повышенной степени риска.
Все это предопределяет создание и совершенствование методов и средств диагностики и оценки остаточного ресурса дымовых труб с учетом фактического состояния их элементов.
Цель работы - создание и внедрение диагностической системы обеспечения безопасности эксплуатации действующих дымовых труб, включающей оригинальные сканирующие аппараты, технологию мониторинга и диагностики и методы оценки их остаточного ресурса.
Основные задачи исследования:
- разработка, технологии мониторинга и нового сканирующего аппарата и позволяющего производить выявление и регистрацию дефектов действующих дымовых труб при заданном составе и температуре рабочей среды;
- исследование аэродинамических параметров и средств стабилизации сканирующего аппарата в сильно закрученном турбулентном потоке дымовых газов;
- исследование параметров предельного состояния дымовых труб по критерию среднеинтегральной жесткости;
- оценка несущей способности и остаточного ресурса дымовых труб с учетом исходной поврежденности несущих элементов и действия агрессивных компонентов высокотемпературных рабочих сред;
- оценка социально-экономического эффекта.
Научная новизна:
- выполнен синтез основных базовых элементов и узлов нового сканирующего аппарата, способного выявлять и регистрировать повреждения действующих дымовых труб (без остановки их работы);
- выявлены основные закономерности полей течения вблизи поверхностей разработанного сканирующего аппарата (СА), позволившие предложить и реализовать технические решения по обеспечению стабилизации в сильно закрученном турбулентном потоке рабочей среды, приводящем как к раскачиванию с нарастающей амплитудой подвешенному внутри трубы СА, так и к сильному его закручиванию относительно оси подвеса;
- разработано программное обеспечение для регистрации, распознавания, выделения дефектов по степени их опасности и приоритетности их ремонта, ведения базы данных;
- предложены методы расчетной оценки остаточного ресурса дымовых труб по критериям среднеинтегральной жесткости с учетом исходной поврежденности несущих элементов и действия агрессивных компонентов высокотемпературных рабочих сред.
Практическая ценность
Разработан и внедрен диагностический комплекс "Сканлайнер" для обследования внутренних поверхностей дымовых труб без остановки технологических процессов и технологий его использования. Суть технологии заключается в опускании внутрь трубы при помощи специального крана-манипулятора сканирующего аппарата, способного работать в условиях сильно закрученного высокотемпературного турбулентного потока восходящих дымовых газов. Аппарат оснащен бортовым компьютером, системами подсветки оптической развертки и приема лазерного луча, видеокамерами и системой термостабилизации и защиты от агрессивных воздействий высокотемпературных кислотосодержающих газов, истекающих из трубы. Результатом является диагностика дефектов футеровки дымовой тру бы, влияющих на ее работоспособность или угрожающих обрушением конструкции трубы. На основании результатов диагностики и оценке остаточного ресурса выдаются рекомендации по своевременному ремонту и безопасной эксплуатации дымовой трубы.
На защиту выносятся диагностическая система обеспечения безопасности эксплуатации действующих дымовых труб, включающая технологию диагностики и мониторинга, оригинальный сканирующий аппарат и методы оценки остаточного ресурса.
Апробация работы
Основные результаты, полученные в диссертации докладывались на конференциях, семинарах, совещаниях, выставках, симпозиумах по выбросам безопасности в Египте (5-9 января 1996, г. Каир), Турции (20-24 июня, г. Стамбул); Греции (август 1947 г., Солоники); России (1997 г., г. Кемерово); Румынии (1-4 ноября 1997 г.); Греции (17-22 мая 1998 тг., г. Крит); Израиле (23-28 августа 1998 г., г. Телль Авив); Армении (сентябрь 1998 г., г. Ереван); Франции (6-11 сентября 1998 г., г. Париж); Малайзия (10-18 ноября 1998 г.); Нидерланды (19-23 апреля 1999 г., Гаага), Италии (21-23 апреля 1999 г., Венеция); Голландии (8-11 июня 1999 г., Амстердам); России (21-25 июня 1999 г., Санкт-Петербург); Таджикистане (22-24 июня 1999 г., Душанбе); Англии (18-30 июля 1999 г., Бирмингем); Норвегии (9-12 августа 1999 г., Осло); России (15-17 октября 1999 г., Сочи); Новая Зеландия (январь 2000 г., Окленд); России (27 апреля 2000 г., Москва); Португалия (10-15 сентября, 2000 г., Лиссабон); Египет (ноябрь 2000 г., Каир); Италия (сентябрь 2002г., Генуя); Румыния (24-26 октября 2002 г., Бухарест); России (26-27 марта 2003 г., Москва); Македония (26-29 августа 2003 г., Скопья-Охрид); США (26 - 29 марта 2004 г., Вашингтон); России (19-21 мая 2004 г., Уфа).
Публикации
Основное содержание работы опубликовано в научных работах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения и 6 глав, основных выводов и рекомендаций, приложений. Она изложена на 336 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицы, 127 рисунков. Список литературы включает 231 наименований.
Личный вклад автора
Постановка задач данного исследования, формулировка и разработка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, руководство всеми этапами исследования, участие в их проведении, публикации и внедрении полученных результатов, базы данных по отказам оборудования получены при участии сотрудников Центра исследований экстремальных ситуаций (ЦИЭКС), г. Москва.
Методы и средства обследования технического состояния дымовых труб
Контроль состояния объектов, находящихся в эксплуатации, с целью обнаружения типов, размеров и плотности дефектов, а также для слежения за изменениями параметров состояния конструкций, осуществляют, в основном, методами неразрушающего контроля, а в случаях аварий, повреждений или разрушений конструкций - с использованием традиционных методов испытаний: механических, технологических, металлографических, микрофракто-графических и др. /1-14, 19/.
Выбор методов испытаний зависят от конструктивной формы объекта и условий эксплуатации, т.е. от типа нагрузок, их продолжительности и параметров окружающей среды.
Одним из основных параметров, определяющих несущую способность конструкций, является трещиностойкость материалов при статических, циклических и динамических нагрузках. Трещины в конструкциях могут возникать и развиваться на стадиях изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации, что зависит от большого числа факторов (дефектности материала, температуры эксплуатации, типа напряженного состояния, химической агрессивности взаимодействующего продукта, остаточных напряжений и др.).
Причиной разрушения могут быть также остаточные (начальные) напряжения, т.е. статически уравновешенные напряжения в конструкциях, свободных от внешних механических и термических воздействий.
Напряжения от внешних нагрузок и воздействий температуры можно предсказать расчетными методами теории упругости, термоупругости и сопротивления материалов. Напряжения в нагруженных конструкциях можно контролировать измерениями деформаций (с пересчетом на напряжения). Что же касается остаточных напряжений, то их определение и даже обнаружение неразрушающими методами представляет сложную задачу.
Практически остаточные напряжения различной интенсивности присутствуют во всех без исключения конструкциях. Это может быть следствием технологии изготовления, монтажных операций, появления локальных участков заметных деформаций вблизи зон концентрации напряжений при повторных нагружениях и др. Поскольку напряжения в конструкциях от действия внешних нагрузок и температуры складываются с остаточными напряжениями, их контроль представляется особенно важным. Таким образом, оценка надежности конструкции должна проводиться с учетом напряжений от действия внешних нагрузок и остаточных (т.е. начальных) напряжений, поскольку на рост трещин, представляющих опасность разрушения конструкции, влияют напряжения вне зависимости от их природы.
Решение задач обеспечения прочности строительных объектов на этапах разработки, проектирования и эксплуатации базируется на расчетно -экспериментальных методах. При проектировании расчетное обеспечение прочности основано на методах строительной механики, теориях упругости и пластичности, а также динамики сооружений и теории колебаний /31-40, 46-57, 64-70/. Обеспечение надежности и долговечности нагруженных конструкций решают методами механики разрушения на основе теории трещин, моделей вязких (деформационных) и хрупких (малодеформационных) разрушений /96-98/.
Экспериментальные методы используют для определения механических и других характеристик материалов, а также для контроля прочности конструктивных элементов. Прочность натурных объектов или их моделей перед эксплуатацией проверяется испытаниями на действие нагрузок типа эксплуатационных. Оценку прочности и остаточного ресурса эксплуатируемых сооружений проводят мониторингом и периодическим регламентным обследованием. Вопросы разработки оптимальных программ диагностики, — поиска отказов, контроля и восстановления работоспособности, — рассмотрены в /96/.
В процессе эксплуатации сооружений под действием продолжительных статических и циклических нагрузках в материалах конструкций могут возникать микроповреждения, развитие которых приводит к разрушению. При длительном статическом нагружении, в зависимости от интенсивности нагрузки и температуры, увеличение деформаций связано с процессами ползучести. Для определения характеристик материалов при длительных статических нагрузках проводят испытания на длительную прочность и ползучесть.
Переменные напряжения в конструкциях возникают как от непосредственного приложения внешних нагрузок (в частности — ветровых), так и в результате колебательных процессов в объекте от различных кинематических возмущений (например, сейсмических). Изменяющиеся со временем нагрузки различного происхождения, действующие на многие объекты в колебательном режиме, называются циклическими. Циклические нагрузки могут быть детерминистическими или случайными. Примерами простейших детерминистических нагрузок являются периодические или гармонические нагрузки.
К случайным воздействиям можно отнести ветровые нагрузки, ударные волны в воздухе при аварийных взрывах, сейсмические волны в грунте при землетрясениях и др.
При действии ветра на гибкие сооружения могут возникать различные явления аэродинамической неустойчивости, в частности, - вихревое возбуждение объектов цилиндрической формы, вызванное периодическим отрывом вихрей, образующих вихревую дорожку Кармана, а также галопирование сооружений с квадратными, прямоугольными и ромбовидными сечениями /72, 73/. Значения критической скорости ветра, вызывающего резонансные колебания сооружения, могут приниматься по СНиП /28/.
Интенсивные нестационарные циклические нагрузки действуют на трубы при землетрясениях в связи с колебаниями оснований от взаимодействия с сейсмическими волнами в грунте. Сейсмические нагрузки относятся к классу нестационарных случайных процессов. Циклическая нагрузка может вызывать разрушение после определенного числа циклов при напряжениях, не превышающих предела упругости (усталостное разрушение).
Испытаниями на усталость при циклических нагрузках определяют предел выносливости материала. При высокочастотном нагружении и большом числе циклов повреждения накапливаются параллельно с повреждениями от ползучести. При сравнительно медленном циклическом нагружении и небольшом числе циклов (несколько сотен или тысяч) при достаточно высоких напряжениях накопление повреждений, в основном, является следствием ползучести (малоцикловая усталость).
Подъемно-транспортный механизм
Предложенная технология контроля футеровки дымовых труб помимо собственно сканирующего аппарата потребовала создания специального комплекса подъемно-транспортных механизмов (ПТМ), предназначенного для манипуляций со сканирующим аппаратом. Указанные манипуляции включают в свой состав последовательное выполнение следующих операций: подъем подготовленного к работе сканирующего аппарата от основания дымовой трубы до отметки, превышающей верхний торец последней. разворот сканирующего аппарата над верхним торцом дымовой трубы до его совмещения с вертикальной осью трубы. спуск включенного в режим записи сканирующего аппарата от верхнего положения до заданной глубины внутри дымовой трубы. останов сканирующего аппарата на заданной глубине внутри дымовой трубы. подъем сканирующего аппарата до верхнего положения. разворот сканирующего аппарата над верхним торцом дымовой трубы от положения на вертикальной оси трубы до положения, обеспечивающего спуск аппарата с внешней стороны дымовой трубы до ее основания. спуск сканирующего аппарата до основания дымовой трубы.
При этом обслуживающий персонал (операторы), обеспечивающий работу ПТМ, находится на верхней рабочей площадке (работа с краном- манипулятором) и у основания трубы (работа с грузовой лебедкой).
По требованиям технологии контроля футеровки дымовых труб, параметрам среды внутри дымовой трубы и техническим характеристикам сканирующего аппарата, спуск последнего в режиме записи внутри трубы должен осуществляться с рабочей скоростью не выше 10 м/мин, частотой вращения относительно вертикальной оси не более 6 об/мин и суммарное отклонение относительно последней на величину, не превышающую значение 0,5 диаметра сканирующего аппарата (0,5 м). Указанные параметры гарантируют отсутствие "смаза" записываемого изображения. Подъем сканирующего аппарата внутри дымовой трубы после окончания режима записи до верхнего положения вследствие уменьшения ресурса хладагента в аппарате должен осуществляться с рабочей скоростью 20 м/мин. Параметры среды внутри дымовой трубы- температура отработанных газов- до +300С, скорость восходящего турбулентного потока отработанных газов- до 80 км/час.
Выполнение вышеописанных специфических требований к перемещениям сканирующего аппарата внутри дымовой трубы реализовано рядом конструктивных мероприятий.
Различие скоростей спуска и подъема сканирующего аппарата достигнуто конструктивными особенностями лебедки грузовой, обеспечивающей работу в 2-х скоростном режиме (Одно из реализованных конструктивных решений - лебедка грузовая с приводом, включающим в свой состав преобразователь частоты вращения вала электродвигателя и, соответственно, спуска - подъема аппарата в диапазоне скоростей от 1,5 до 50-ти м/мин). Ограничение частоты вращения сканирующего аппарата относительно вертикальной оси было достигнуто применением специальных нераскручивающегося грузового каната и подшипникового узла на базе упорного подшипника в траверсе подвеса аппарата. Отклонение сканирующего аппарата относительно вертикальной оси при его спуске - подъеме было достигнуто аэродинамической стабилизацией формы аппарата, обеспечивающей устойчивое перемещение аппарата внутри трубы во всем диапазоне высот и восходящего потока газов.
Комплект подъемно- транспортных механизмов В ходе проведенной работы был создан, апробирован и запущен в эксплуатацию при обследовании дымовых труб рациональный комплект подъемно-транспортных механизмов, включающий в свой состав следующие устройства: - Монтажный мини-кран (рисунок 2.11); - Кран-манипулятор с опорным столом (рисунок 2.12); - Лебедки грузовые (рисунок 2.13-2.15);
При создании комплекта ПТМ были учтены требования по обеспечению возможности его адаптации к наиболее типовым дымовым трубам, схемы оголовков которых приведены на рисунок 2.11.
Созданный комплект ПТМ рассчитан на работу с дымовыми трубами высотой до 400 м и диаметром оголовка до 16 м, что охватывает практически весь спектр применяемых в России труб. Монтажный мини- кран
Монтажный мини - кран предназначен для обеспечения монтажа- демонтажа крана - манипулятора на оголовок дымовой трубы. Конструктивная схема мини-крана, закрепленного на оголовке дымовой трубы, приведена на рисунок 2.12.
Мини-кран содержит полую несущую трубу 3, в нижней части опирающуюся на кронштейн опорно-поворотный 1, а в верхней - охватываемую кронштейном поворотным 2. В верхней части трубы 3 закреплен свободно вращающийся блок 4, в нижней - блок 6. Над кронштейном 1 на трубе 3 в шарнире установлена стрела 7 с блоком 5 на свободном конце. Положение
Рисунок 2.12 - Монтажный мини - кран стрелы 7 относительно трубы 3 фиксируется оттяжками 8, имеющими регулировки по длине. Для крепления мини-крана к оголовку дымовой трубы в кронштейнах 1 и 2 предусмотрены отверстия для анкеров 11. Конструкция мини-крана обеспечивает прохождение через трубу 3 каната грузового 9 лебедки, запасованного в блоки 4, 5, 6. Для предотвращения поворота конструкции в кронштейнах 1 и 2 при подъеме - опускании грузов предусмотрены фиксирующие оттяжки между стрелой 7 и оголовком трубы. При необходимости осуществления поворота мини-крана относительно вертикальной оси последний, в ручном режиме переводится в требуемое положение при снятых фиксирующих оттяжках. Крап-манипулятор с опорным столом
Кран-манипулятор с опорным столом предназначен для выполнения манипуляций со сканирующим аппаратом при обследовании футеровки дымовых труб. Конструктивная схема крана-манипулятора с опорным столом, закрепленным на оголовке дымовой трубы и подготовленных к работе со сканирующим аппаратом, приведена на рисунок 2.13. Конструктивные схемы собственно крана- манипулятора и опорного стола приведены соответственно на рисунок 2.132.15.
Экспериментальные исследования аэродинамики моделей аппаратов-зондов
При разработке моделей СА-зондов исходили из того, что реальный аппарат имеет головной излучатель сферической формы (диаметром d = 200мм) и хвостовую приемную часть в виде цилиндра (диаметром d = 120мм и высотой h = 120мм), а базовое расстояние между ними изменялось в пределах 800мм - 1300мм. Для обеспечения возможности проведения аэродинамических исследований без превышения допустимой величины загромождения рабочей части аэродинамической трубы был выбран масштаб уменьшения 1:6. Конструктивно модель была выполнена (рисунок 3.7) из соединенных на резьбе отдельных элементов, что позволяло изменять ее конфигурацию. Были использованы экраны как плоские, так и конические диаметром от 68мм (два диаметра сферической головной части - базовый размер 34мм) до 170мм (пять диаметров) с шагом в один диаметр, цилиндры, диаметром 34мм и длиной 17мм, позволяющие изменять длину модели, а также место уста новки экранов. В этих цилиндрах были выполнены отверстия для размеще ния элементов крепления подвески, что обеспечива ло возможность исследо вания влияния положения мест крепления на устой чивость модели. Также были изготовлены вариан ты хвостовой части моде ли как цилиндрической, Рисунок 3.7 - Элементы СА-моделей так и конической формы. Для исследования влияния веса модели на устойчивость ее положения была сконструирована и изготовлена единая полая модель (рисунок 3.8) из легкого материала (органическое стекло), повторяющая форму выбранной оптимальной модели. Во внутренней полости модели размещался груз (в виде объемов, заполненных свинцовой дробью по 100 г). Для обеспечения требуемого положения центра масс использовались пенопластовые прокладки.
Для проведения тензометрических испытаний была использована специальная цилиндрическая секция, внутри которой обеспечивалось размещение посадочного цилиндра тензометрических весов диаметром d = 20мм. Закрепление модели при проведении динамических испытаний на вертикальной оси осуществлялось с помощью шпильки, проходящей через сквозное отверстие, выполненное в одной из цилиндрических секций. Резьбовые концы этой шпильки соединялись, соответственно, с двумя осями и при затяжке осуществлялась фиксация модели относительно осей. Положение секции, имеющей резьбовые соединения, можно легко переставлять по длине модели при ее монтаже, чем обеспечивается изменение место оси вращения. Разработан ная конструкция модели позволила относительно не большим набором деталей обеспечить получение различ ных вариантов конфигураций мо делей и осущест вить выбор опти- Рисунок 3.8 - Облегченная модель спускаемого аппара м , та для проверки влияния веса модели на мальнои формы. к ее устойчивость Методика проведения испытаний Для каждой установки была принята своя методика испытаний. На установке типа «вертикальная труба» исследовалось обтекание свободно подвешенных моделей. Каждая модель крепилась на ните (тросе) определенной длины.
Приводился в движение воздушный поток и фиксировалось время максимального отклонения модели от оси (до стенок аэродинамической трубы), что соответствовало угловой амплитуде As = 11,5. Если модель за время 30 мин не достигала максимальной раскачки, то используемая аэродинамическая компоновка была подвержена дополнительным весовым (выбор оптимального веса) и тензометрическим испытаниям при меняющихся конструктивных параметрах модели. Измерения аэродинамических сил и моментов для выбранной компоновки спускаемого аппарата-зонда проводились в дозвуковой трубе по стандартной методике определения интегральных силовых нагрузок с использованием тензовесов. Третий вид испытаний заключался в выборе массы СА-3. С этой целью для оптимальной компоновки спускаемого аппарата проводились эксперимент при различных соотношениях веса и аэродинамической силы. Испытания велись на вертикальной установке по методике, соответствующей первому виду аэродинамических продувок. И, наконец, при демонстрационных испытаниях, исследовалась аэродинамическая стабилизация и устойчивость шарнирно-закрепленной модели к воздействию возмущений (отклонений от первоначального положения). При работающей аэродинамической трубе модель в потоке отклонялась на угол О0...45 и визуально фиксировался переходной процесс.
Проведенный цикл исследований моделей СА-3 позволил выявить основную компоновочную схему спускаемого аппарата наиболее устойчивую к возмущениям в виде скоса потока и его закрутки. Из всего многообразия исследуемых форм моделей СА-3, выполненных в виде сферы, затупленных конуса и цилиндра, цилиндра с дисками была выбрана базовая модель, №6 (см. рисунок - 3.9). В качестве критерия выбора, как отмечалось ранее, использовалось время раскачки до амплитуды смещения, равной радиусу вертикальной трубы, кроме того, вносились возмущения в поток в виде перекрытия части проходного сечения трубы. Результаты испытаний представлены в таблице 3.2. В качестве базовой модели исследовалась модель №6 (см. таблицу 3.1), имеющая наилучшие показатели устойчивости, полученные в предварительных испытаниях. Варьировались следующие конструктивные параметры: диаметры дисков d2 = 68 - 170 мм, dl = 34 - 40 мм, длина корпуса 13 = 152 — 206 мм, радиус затупления носовой части R=12,5 - 17 мм, места крепления и захвата троса подвески. Основные геометрические параметры моделей показаны на рис 4.6.1. Эксперименты проводились в вертикальной трубе. Модель крепилась на тросе длиной 860 мм (2860 мм) в диаметрально противоположных точках А. Трос пропускался по направляющим В. Стабилизация по углу крена - не предусматривалась. Всего было исследовано более пятидесяти различных вариантов сочетания геометрических параметров базового варианта модели (время одного испытания 30 - 60 мин.). В таблице 3.2 приведены геометрические размеры, при которых модели были устойчивы. Увеличение длины 14 и формы хвостового отсека приводило к неустойчивости движения СА-3. Использование дополнительных колец-грузов не ухудшало динамических свойств моделей.
Экспериментальные исследования по экспресс-оценки физического износа
Практическое применение экспресс-методики осуществлено на железобетонных дымовых трубах. Оценка физического износа была проведена на 18 объектах, имеющих различные сроки эксплуатации, в том числе подвергавшихся однократному или многократному ремонту. Полученные данные обследования представлены прерывным вариационным рядом в таблице 4.9.
Обследования проводились традиционными методами, регламентируемыми нормативными документами [31 и др.], с использованием неразру-шающих методов испытаний строительных конструкций, основанных на применении склерометра ОМШ-1, реализующего метод упругого отскока по [31], прибора «Поиск-2.2», предназначенного для определения толщины защитного слоя бетона и диаметра арматуры в диапазоне от 3 до 50 мм, и прибора «Бетон-22» . Кроме того, для обследования железобетонного ствола использовались оптические инструменты. В течение обследования производилась съемка обнаруженных дефектов.
Определение состояний этих сооружений проводилось динамическими методами, изложенными в п. 4.1, на основе соотношения частотных характеристик, полученных экспериментально, и расчетных, соответствующих проектным данным. Частотные характеристики получены спектральным анализом методом БПФ акселлерограмм, зарегистрированных при вибрациях конструкции от действия ветровых нагрузок. Характеристики дымовых железобетонных труб приведены в таблице 4.9. В целях проверки достоверности экспресс-метода оценки физического износа было проведено сравнение результатов данных, полученных визуальным осмотром, с применением стандартных методов обследования, регламентированных нормативной литературой и данных, полученных с применением методики, описанной в -п. 4.1. Результаты сравнения оценки физического износа, выполненные стандартными методами и методами динамических испытаний приведены в таблице 4.9.
Согласно [202] закономерность износа зданий и сооружений определяется как естественным износом, так и износом с учетом восстановительных и ремонтных работ. Функцией времени в пределах нормативного срока эксплуатации область износа ограничена кривой естественного износа и износа с учетом многократного ремонта (рисунке 4.26). Область выше кривой естественного износа характеризуется повреждениями различной степени и возможным разрушением конструкций. Область между указанными границами характеризуется реальным состоянием эксплуатируемых зданий.
Для дымовых железобетонных труб в соответствии с [221] нормативный срок эксплуатации составляет 50 лет. Графическая иллюстрация статистических данных полученных по результатам оценки состояния железобетонных дымовых труб расчетно-экспериментальными методами экспресс-оценки физического износа представлена на рисунке 4.27.
Для дальнейшего анализа полученных результатов представим прерывное распределение, приведенное в таблице 4.9, непрерывным, распределив члены совокупности, соответствующей возрасту трубы, по временному диапазону, равному 8-10 лет (таблице 4.10). Приведен расчет математического ожидания и среднеквадратического отклонения (см. таблицу 4.10).
Сопоставление результатов анализа динамическим методом и традиционным показало их удовлетворительную сходимость, что указывает на приемлемость использования динамического метода в целях экспресс-оценки состояния эксплуатируемых сооружений.
По результатам оценки физического износа дымовых труб проведена оценка точности внутренней сходимости. Обработка результатов показала, что для дымовых труб во временном диапазоне 8-10 лет погрешность методики составляет 12%, что находится в допустимых пределах.
Проведен анализ влияния вынужденных колебаний от ветровой нагрузки на спектральные характеристики конструкций. Для этого в первом приближении использован стандартный спектр Давенпорта ветрового воздействия для корректировки экспериментального спектра вибрации. Корректировка выполнялась по специально разработанной программе генерирующей указанный спектр в диапазоне частотных характеристик частотного тракта, предположительно охватывающего диапазон собственного колебания конструкций. В таблице 4.11 приведены амплитудно-частотные характеристики, полученные с четырех участков акселерограммы №3, зафиксированной при динамических испытаниях дымовой трубы. Число точек каждого участка принято равным 29=512 при шаге квантования 0,01 с. Таким образом, каждый участок акселерограммы контролирует спектр в диапазоне от 0,2 до 50 Гц. Эти данные соответствуют параметрам контрольно-измерительного тракта применявшейся аппаратуры.
Установлено, что для труб высотой 50-200 метров основные частоты в основном находятся за пределами основного (низкочастотного) диапазона спектра Давенпорта. Т.е. частоты ветровой нагрузки практически не искажали частотных параметров конструкций. Тем не менее, разработанная методика и программа DPORT успешно может быть использована для корректировки экспериментальных спектров для конструкций с частотами собственных колебаний, попадающими в область влияния спектра Давенпорта.
