Использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон»
Викладено методику оцінки стану захисного покриття робочих камер гідравлічних турбін з використанням віброакустичного методу. Наведено приклади виявлення дефектів покриття. The methodology of an estimation of a condition of a sheeting of working chambers of hydraulic turbines with use vibrating-acou...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Геотехническая механика |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України
2008
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31476 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон» / В.Н. Сергиенко, А.А. Курочка // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 138-143. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860028540210118656 |
|---|---|
| author | Сергиенко, В.Н. Курочка, А.А. |
| author_facet | Сергиенко, В.Н. Курочка, А.А. |
| citation_txt | Использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон» / В.Н. Сергиенко, А.А. Курочка // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 138-143. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Викладено методику оцінки стану захисного покриття робочих камер гідравлічних турбін з використанням віброакустичного методу. Наведено приклади виявлення дефектів покриття.
The methodology of an estimation of a condition of a sheeting of working chambers of hydraulic turbines with use vibrating-acoustic method is recounted. The examples of coating defects identification are given.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:50:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
138 Выпуск № 78
УДК 622.83
В.Н.Сергиенко, А.А. Курочка
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА
ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ «МЕТАЛЛ – БЕТОН»
Викладено методику оцінки стану захисного покриття робочих камер гідравлічних тур-
бін з використанням віброакустичного методу. Наведено приклади виявлення дефектів по-
криття.
USING OF THE VIBRATING-ACOUSTIC METHOD FOR STATE VALUA-
TION OF SYSTEM "METAL – CONCRETE"
The methodology of an estimation of a condition of a sheeting of working chambers of hydrau-
lic turbines with use vibrating-acoustic method is recounted. The examples of coating defects iden-
tification are given.
Гидроэнергетика является одной из важнейших отраслей народного хозяй-
ства Украины. Несмотря на постепенное увеличение производства электроэнер-
гии атомными станциями, значение гидроэлектростанций для утверждения
энергетической независимости государства как сейчас, так и в обозримом бу-
дущем очень велико. Следует, однако, учитывать, что срок эксплуатации ос-
новных сооружений на многих гидроэлектростанциях исчисляется десятками
лет. Наиболее уязвимыми элементами являются бетонные и железобетонные
конструкции, служащие для подачи воды на рабочие агрегаты. На них постоян-
но воздействует вибрация от работающей турбины, балансировка которой ни-
когда не является идеальной. Контактирующие с движущимся водным потоком
поверхности подвергаются кавитации. Особенно интенсивно указанные про-
цессы проявляются в камерах рабочих колес гидроагрегатов (рис. 1).
1 – железобетонная конструкция, 2 – защитное стальное покрытие, 3 – ось гидроагрегата
Рис.1 – Схематическая конструкция камеры рабочего колеса гидроагрегата
1
2 3
"Геотехническая механика" 139
Характерная величина диаметра камеры составляет порядка 7 м. С учетом
значительных динамических нагрузок на поверхность камеры, в районе распо-
ложения лопастей турбины она обшивается стальным листом толщиной поряд-
ка 20 мм. Высота обшитого участка составляет около 4 м. Технология установ-
ки защитного металлического слоя предусматривает сварку отдельных листов с
тщательной проваркой и шлифовкой стыковочных швов. Тем не менее, идеаль-
ной герметичности швов получить не удается. Постоянное гидродинамическое
воздействие приводит к расширению возникающего отверстия в металле и раз-
рушению бетона в его окрестности. Постепенно под металлической обшивкой
образуются полости, глубина которых достигает 0,3 м, а площадь может со-
ставлять несколько квадратных метров. Циклические динамические воздейст-
вия на металлическую обшивку, не имеющую уже жесткого контакта с бето-
ном, приводят к появлению в ней усталостных трещин.
При образовании в обшивке двух трещин, имеющих общую точку, создают-
ся условия для изгиба ее фрагмента во внутреннюю часть камеры. При этом он
может быть зацеплен лопастями турбины и оторван. Незащищенная металлом
поверхность железобетона разрушается очень быстро.
Развития описанной ситуации можно избежать своевременным обнаружени-
ем полостей в бетоне под металлическим покрытием с их последующей цемен-
тацией.
Одним из эффективных методов неразрушающего контроля для выявления
полостей под металлической оболочкой является виброакустический, обосно-
вание которого дано в работе [1]. Принцип виброакустической диагностики за-
ключается в предварительном возбуждении свободных колебаний путем нане-
сения одиночного удара и одновременной регистрации их параметров. Факти-
чески определяется степень связи контролируемого участка с более глубинным
слоем путем оценки его механической подвижности [2].
Для теоретической оценки колебательных процессов в системе «металл - бе-
тон» служит модель, представленная на рис. 2.
Рис. 2 – Модель цилиндрической оболочки с внешним гидростатическим давлением
p
φ
d
R
F
χ
h
140 Выпуск № 78
Защитное покрытие камеры рабочего колеса моделируется цилиндрической
оболочкой конечной высоты h. Внутренний радиус R оболочки намного боль-
ше толщины d ее стенок. Материал оболочки считается однородным с плотно-
стью ρ, имеющим динамические модули: растяжения-сжатия Е и модуль сдвига
G. Внешнее давление p на оболочку предполагается гидростатическим и оди-
наковым по всей ее площади. Окружающая трубу среда предполагается оказы-
вающей вязкое сопротивление колебательному процессу. При этом участки с
более высокой плотностью ρ* среды, соответствующие плотному контакту бе-
тона с оболочкой, естественно характеризуются более высокими значениями
параметра вязкости. Разжиженная среда в заоболочечных пустотах менее вязкая
и в меньшей степени демпфирует свободные колебания цилиндрической по-
верхности.
В общем случае колебательный процесс незадемпфированной кольцеобраз-
ной оболочки описывается системой уравнений:
где: χ – компонента линейного перемещения по нормали к оси галереи;
φ- компонента перемещения по дуге цилиндра;
D = Ed3/12(1-ν2) – цилиндрическая жесткость кольца;
d – толщина защитного слоя.
Систему (1) можно привести к одному уравнению путем введения функции
Ф, определяемой соотношениями
;4Ф∇=χ
Упомянутое уравнение имеет вид
Для приведения уравнения к виду, адекватному рассматриваемой модели,
необходимо принять во внимание следующие внешние силы:
гидростатическое давление p1 = ρ*gH;
упругое сопротивление со стороны среды вокруг трубы p2 = -kу ρ
*
с
*
∂χ/∂t;
вязкое сопротивление окружающей трубу среды p3 = -kвη
*
∂χ/∂t.
Символ «*» относится к параметрам окружающей трубу среды. kу и kв – ко-
эффициенты пропорциональности.
;0
1 222 =∇−∇∇ χϕ kEd
,0
2
2
222 =
∂
∂−∇∇+∇
t
dDk
χρχ
(1)
.2ФEd k∇=ϕ (2)
.0)()1(
12
2
2
222
2
2 =
∂
∂−∇∇−=∇
t
dФ
d
Ф kk
χρν (3)
"Геотехническая механика" 141
Таким образом, преобразованное уравнение имеет вид
Решение уравнения (4) распадается на несколько, описывающих различные
типы колебаний. В общем виде каждый из типов колебаний описывается урав-
нением вида
Точное определение выражений для амплитуд спектральных составляющих
связано со значительными трудностями. В работах [3, 4] показано, что коэф-
фициент затухания возрастает с увеличением вязкости η* окружающей среды и
ее плотности ρ*. Следовательно, в зонах с заполненными водой полостями, где
значения указанных параметров более низкие, чем для нормальной дрени-
рующей толщи, выполняется условие
где: Аа(t) – функция изменения динамической деформации после нанесения
удара в контролируемой точке трубы на аномальном участке;
Ан(t) – та же характеристика для нормального участка.
Определяемый параметр А(t) имеет размерность деформации. Он является
более чувствительной характеристикой к аномалиям, чем частота, так как в нем
комплексно учитываются два показателя: начальная деформация прогиба в
точке нанесения удара и длительность колебательного процесса. Важным дос-
тоинством данного параметра является однозначность характера его изменения
– увеличение в аномальных зонах.
В соответствии с результатами теоретических исследований для обнаруже-
ния дефектов в системе «металл – бетон» целесообразно использовать средства
виброакустического контроля с первичными преобразователями регистрирую-
щими вибросмещение и определяющими в процессе аналоговой обработки
принятого приемником сигнала усредненную за время продолжительности ко-
лебаний амплитудную характеристику сигнала. Наиболее подходящим для ре-
шения имеющейся задачи, исходя из перечисленных выше требований, являет-
ся спектроанализатор параллельного действия с кратковременной аналоговой
памятью ИСК-1 [5].
Предварительно перед выполнением диагностики камеры на ее поверхность
наносят размерную сетка в виде вертикальных и горизонтальных линий с ша-
гом в 1 м. Верхнюю границу разметки совмещают с вертикальным участком
металлического покрытия. Пользуясь размеченной сетью, оболочку делят на
отдельные участки площадью порядка 1 м2. Места неоднородностей (утолще-
ние оболочки, наличие приваренных элементов, отверстия с диаметром, значи-
тельно превышающем толщину оболочки и т. п.) исключают из рассмотрения.
.0)()()1(
12 ****
2
2
2
2
222
2
2 =
∂
∂++−
∂
∂−
∂
∂−∇∇−=∇
t
kсkgH
t
d
t
dФ
d
Ф вуkk
χηρρχρχρν (4)
).tsin(eA)t(A mnmn
t0
mnmn
mn θ+ω= δ− (5)
,)()(
00
∫∫ >
ττ
dttAdttA на
(6)
142 Выпуск № 78
Точку приема колебаний располагают на расстоянии от контролируемого
участка, в несколько раз превышающем его размеры (рис. 3).
Рис. 3 – Расположение точек возбуждения и приема колебаний
на контролируемой поверхности металлической обшивки
При выполнении виброакустических исследований отсутствуют абсолют-
ные универсальные значения критерия состояния покрытия. Их определяют из
следующих соображений:
более высокие значения амплитуды колебаний на частоте максимума спек-
тральной плотности сигнала соответствуют большей интенсивности отслоений;
«нормальные», то есть имеющие незначительную степень отслоений об-
шивки от бетона участки, составляют, как правило, не менее половины общей
площади контролируемой поверхности.
Для возбуждения колебаний необходимо применять устройство с массой
бойка порядка 0,1 - 0,2 кг. При неизменном положении приемника в пределах
выделенного участка следует нанести последовательную серию стабильных
ударов с шагом около 0,2 м. Не документируя результатов, но отмечая зону
увеличенного значения амплитуды колебаний, примерно определяют ее поло-
жение. Уменьшив шаг простукивания до 5-7 см, уточняют границу зоны от-
слоения обшивки от бетона и ориентировочно обозначают ее мелом, указав при
этом, например, с помощью стрелок, в какую сторону от границы находится
выявленная полость.
Процедуру по предыдущему пункту выполняют для смежных выделенных
участков защитного металлического покрытия обязательно с использованием
тех же средств контроля и по той же методике.
После завершения выполнения измерений на отдельных участках поверхно-
сти камеры стыкуют границы выделенных зон и оконтуривают полученную
полость под обшивкой. Для более четкого выделения аномальной зоны реко-
мендуется выполнить ее грубую заштриховку мелом или краской. Данный этап
работы иллюстрируется рис. 4
Участок
контроля
Точка
приема
"Геотехническая механика" 143
Рис.4 – Выделение зон отслоения защитной оболочки от железобетона
по результатам виброакустической диагностики
По фактическому расположению выделенных в процессе диагностики уча-
стков выполняют их документирование с привязкой к местным ориентирам.
Полученный документ является обоснованием объема работ по ликвидации по-
лостей, а место их выполнения уже определено сохранившейся после диагно-
стики разметкой зон.
С использованием указанной методики были диагностированы камеры ра-
бочих колес гидротурбин на ДнепроГЭС-2, а также на Кременчугской ГЭС.
Своевременное выполнение ремонтных работ по результатам диагностики
обеспечило последующую безаварийную работу гидроагрегатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. 2133283 Франции, МКВ
5 Е21С 39/00. Methode et dispositiv de classification à partir de sondages par
percossion applicable notamment à la reconnaissance des dalles et blocs dangenz dans les mines; G. de Montille (Фр.);
Agence National de valorisation de la rechnerche (Фр.) № 7113320; Заявлено 15.04.71; Опубл. 24.11.72.
2. ИСО 7626-5-99. Вибрация и удар. Экспериментальное определение механической подвижности. Изме-
рения, использующие ударное возбуждение возбудителем, не присоединенным к конструкции.
3. Гонткевич В.С. Собственные колебания пластинок и оболочек. Справочник. / В.С. Гонткевич – К.: Нау-
кова думка, 1964. – 287 с.
4. Григолюк Э.И. Устойчивость и колебания трехслойных оболочек / Э.И. Григолюк, П.П. Чулков – М.:
Машиностроение, 1973. – 172 с.
5. Яланский А.А. Теоретические и аппаратурные разработки виброволнового контроля строительных кон-
струкций и материалов. /А.А. Яланский, Т.А. Паламарчук, В.Н. Сергиенко В.Н., В.Б.Усаченко. // Тезисы док-
ладов IV-ой международной научной конференции «Материалы для строительных конструкций». – Днепропет-
ровск, 1996 – С. 73.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31476 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-4556 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:50:53Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Сергиенко, В.Н. Курочка, А.А. 2012-03-09T13:09:33Z 2012-03-09T13:09:33Z 2008 Использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон» / В.Н. Сергиенко, А.А. Курочка // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 138-143. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31476 622.83 Викладено методику оцінки стану захисного покриття робочих камер гідравлічних турбін з використанням віброакустичного методу. Наведено приклади виявлення дефектів покриття. The methodology of an estimation of a condition of a sheeting of working chambers of hydraulic turbines with use vibrating-acoustic method is recounted. The examples of coating defects identification are given. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України Геотехническая механика Использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон» Using of the vibrating-acoustic method for state valuation of system "metal – concrete" Article published earlier |
| spellingShingle | Использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон» Сергиенко, В.Н. Курочка, А.А. |
| title | Использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон» |
| title_alt | Using of the vibrating-acoustic method for state valuation of system "metal – concrete" |
| title_full | Использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон» |
| title_fullStr | Использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон» |
| title_full_unstemmed | Использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон» |
| title_short | Использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон» |
| title_sort | использование виброакустического метода для оценки состояния системы «металл – бетон» |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31476 |
| work_keys_str_mv | AT sergienkovn ispolʹzovanievibroakustičeskogometodadlâocenkisostoâniâsistemymetallbeton AT kuročkaaa ispolʹzovanievibroakustičeskogometodadlâocenkisostoâniâsistemymetallbeton AT sergienkovn usingofthevibratingacousticmethodforstatevaluationofsystemmetalconcrete AT kuročkaaa usingofthevibratingacousticmethodforstatevaluationofsystemmetalconcrete |