.

ВОПРОСЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Беллендир Е.Н. – ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», г.Санкт-Петербург,
доктор технических наук

Семенов Ю.Д. – Инженер ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»,
г.Санкт-Петербург

Штенгель Вячеслав Гедалиевич – Ведущий научный сотрудник «РусГидро»
ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», г.Санкт-Петербург,
кандидат технических наук

 


Вся система контроля состояния энергетических и гидротехнических сооружений, рассчитанных на длительную эксплуатацию, как и предусмотрено Правилами эксплуатации, должна быть многоуровневой:

  • постоянно действующий плановый сезонный контроль, который обычно выполняется по упрощенной схеме 2 раза в год;
  • контроль периодический – 1 раз в 5 лет с применением выборочного инструментального контроля;
  • многофакторный контроль – 1 раз в 25 лет нормальной эксплуатации, при реконструкции сооружений или после форс-мажорных воздействий. В этом случае используются максимально доступные методы и средства инструментального контроля, выполняется детальный анализ результатов всех ранее проведенных обследований, лабораторных исследований, поверочных расчетов, фактического распределения нагрузок и воздействий с учетом выявленных дефектов, изменений условий эксплуатации и технологического изменения конструктивных элементов.

К сожалению, на каждом уровне контроля существует большое количество объективных и субъективных факторов, снижающих достоверность и эффективность контроля, и, соответственно, выводов о дальнейшей надежной эксплуатации конструктивных элементов и сооружений в целом, разработки технологии устранения дефектов и т.д. Отсутствует серьезно подготовленная нормативная база, учитывающая современное состояние методов и средств контроля. Кроме того, в условиях эксплуатации во многих случаях отсутствуют или значительно ограничены возможности безопасного доступа к конструкциям, позволяющие проводить необходимый комплекс обследований в производственных условиях.

Рассмотрим кратко отдельные аспекты этих уровней контроля.

Первый уровень практически целиком ложится на плечи персонала сооружений. Качество полученной информации зависит, в первую очередь, от квалификации работников. К сожалению, необходимо отметить, что волны сокращений персонала в значительной мере коснулись именно служб наблюдений за зданиями и сооружениями, вплоть до того, что этот серьезнейший этап поручается зачастую неквалифицированным сотрудникам, например, работникам архивов. Вместо того чтобы постоянно быть на сооружениях или принимать ремонтные работы и добиваться их качественного исполнения, задействованные контрольные службы погрязли в колоссальном количестве бумаг, которые множатся с каждым годом в геометрической прогрессии.

Но объем рутинной работы даже при наличии цифровой фотоаппаратуры на таких сложных объектах, имеющих много нестандартных конструкций, при этом не уменьшается. Естественно, что в таких условиях контроль обычно ограничивается не полным визуальным обследованием общего плана.

Второй уровень контроля требует уже другого подхода. Выполняется он обычно с привлечением специализированных организаций. Однако финансируются такие работы часто по остаточному принципу. При этом заявка на обследование проходит необходимую тендерную цепочку, в которой часто в угоду сомнительной экономии предпочтение отдается не лучшей фирме, оснащенной комплектом простой аппаратуры, предназначенной, в первую очередь, оценить качество поверхностных слоев бетона и ограниченный спектр характеристик материалов и конструкций. Соответственно, страдают объем и качество полученной информации и выводы о фактическом техническом состоянии конструкций.

Третий уровень обследований на практике в нарушение всех Правил эксплуатации зданий и сооружений применяется крайне редко. Он требует высокой степени квалификации организаций и специалистов, определенного, часто не стандартного набора методов и средств контроля, комплекса лабораторных исследований, а также специальных дорогостоящих расчетов пространственных конструкций с учётом выявленных дефектов при отличными от проектных значений систем воздействий и нагрузок.

Существующая практика контроля сложилась в условиях, когда эксплуатировались еще относительно новые сооружения. Основной задачей были именно вопросы контроля, а не диагностирования, так как процессы старения конструкций проявлялись мало. За выявленными дефектами, в лучшем случае, организовывались наблюдения за их дальнейшим развитием. При этом, как правило, надежность эксплуатации ставилась под сомнение в исключительных случаях.

В связи с тем, что значительное число эксплуатируемых энергетических и гидротехнических сооружений были построены в 50-е – 70-е годы прошлого века, срок их эксплуатации насчитывает уже более 40 – 50 лет (по данным Минэнерго: 21% ГЭС эксплуатируются более 50 лет, 80% АЭС – 20-40 лет, 75,5% ТЭС – более 30 лет). Это срок, за который начинают в той или иной степени проявляться процессы старения наиболее интенсивно – в дефектных зонах. Как показывает опыт обследований последних лет, для ряда конструкций процессы старения достигли такого уровня, что уже требуется не только обследование, периодичность которого регламентируется нормативными документами, но и техническое диагностирование для принятия решений по дальнейшей эксплуатации конструкций. Статистические данные свидетельствуют о том, что за последние 10 лет количество техногенных аварий возросло в 10 раз, что, соответственно, характеризует, в том числе, низкий уровень диагностирования конструкций, оценки их надежности и корректности решений об их дальнейшей эксплуатации.

Характерным примером является отношение к эксплуатации таких сложных элементов напорных гидротехнических сооружений, как турбинные водоводы. Построены они, как и бетонные плотины, – «на века». Соответственно, и подход к контролю их состояния до сих пор достаточно не однозначен.

После техногенной аварии на Саяно-Шушенской ГЭС вспомнили (во всяком случае, на какое-то время) о водоводах. В частности, в п. 6.2.5 «Акта о техническом расследовании причин аварии СШГЭС» отмечено, что необходимо «Провести диагностирование технического состояния сталежелезобетонных напорных водоводов, устранить раскрытые поверхностные трещины. Срок исполнения – до 01.01.2011 г.». Следует обратить внимание на практически нереальные сжатые сроки выполнения требуемых Правилами эксплуатации многофакторных инструментальных исследований при отсутствии инвентарных средств безопасного доступа, методики и специальных средств диагностирования.

Необходимо отметить, что служба наблюдения за ГТС на таком уникальном объекте, как СШГЭС, одна из самых передовых в отрасли. При строительстве некоторых водоводов в их тело была заложена хорошая (по тем временам) закладная аппаратура, контролирующая напряженно-деформированное состояние водовода. И, тем не менее, никто не дает гарантии, что в отдельных конструктивных элементах водоводов не проходят медленные процессы старения и развития внутренних дефектов, которые могут привести к негативным последствиям. Слишком уж сложная структура у этой крупногабаритной конструкции.

О масштабах водовода можно привести хотя бы несколько цифр:

  • общая длина водовода около 250 м, в том числе в наклонной части (угол наклона 75º) – около 180 м и в двух участках сложной формы, сочетающей горизонтальные и кривоколенные участки (вверху с приемной камерой, внизу – с переходным конусом соединения со спиральной камерой) примерно по 35 м;
  • внутренний диаметр водовода – 7,5 м;
  • водовод состоит из двух частей: внутренней металлической облицовки из металла толщиной от 16 до 40 мм и железобетонной оболочки толщиной 1,5 м с двойной арматурной сеткой, системой опор на облицовку и элементов связи в арматурном каркасе звеньев;
  • площадь металла облицовки до 1км2;
  • суммарная длина сварных швов (межлистовых внутри звеньев и межзвеньевых) – более 4 км;
  • проектная прочность бетона железобетонной оболочки – М250-М300;
  • водоводы жёстко соединены с наклонной низовой гранью железобетонной плотины и возводились параллельно со строительством плотины, причем первые водоводы для временной эксплуатации имели (в дальнейшем демонтированные) временные вводы на промежуточных отметках.

Как в любой сложной конструкции, в водоводах в любой момент могут проявиться результаты долговременного мало-интенсивного (даже внешне не заметного) развития потенциальных дефектов:

  • в металле внутренней облицовки – коррозия обеих поверхностей, усталостные напряжения в сварных швах и металле листов;
  • в бетоне оболочки – развитие имеющихся и появляющихся трещин, которые снижают конструктивную прочность элемента, кроме того, трещины позволяют проникать влаге не только до арматурных сеток, но и до металлической облицовки;
  • в контакте металлической облицовки с железобетонной оболочкой – нарушение его, образование и развитие полостей в бетоне в контактной зоне приводит к развитию коррозии облицовки, к нарушению системы передачи напряжений от облицовки к оболочке, к повышению локальных усталостных напряжений в металле;
  • в контакте металла арматурного каркаса и элементов его крепления к облицовке с бетоном – нарушение контакта приводит к изменению проектной системы передачи напряжений от металлической облицовки к железобетонной оболочке.

Любое накопление дефектов и их сочетание может привести к развитию непрогнозируемых разрушающих процессов.

Контроль, осуществляемый в настоящее время, ограничен отсутствием инвентарной оснастки, позволяющей осуществить безопасный доступ к любой внутренней или наружной зоне поверхности водоводов для инструментального обследования и ремонта. Учитывая габариты и особенности этих элементов сооружения, разработка, изготовление, монтаж и эксплуатация этих подъемных механизмов и площадок для безопасного размещения людей и оборудования представляют собой дорогостоящее мероприятие, осознание необходимости которого может быть только, исходя из требований долговременности надежной эксплуатации всей серии из 10 водоводов.

В настоящее время визуальное обследование может быть проведено только с использованием альпинистского снаряжения в лотковой части внутри водовода. При этом мелкие дефекты металла, покрытые слоем краски, продуктов коррозии и биологических отложений на сводовой части трубы диаметром 7,5 м даже при освещении мощным прожектором плохо видны, а их размеры определить невозможно. Аналогично может быть проведено визуальное обследование по отдельным образующим на внешней поверхности (без точного замера параметров многих трещин и без проведения инструментального контроля). Но даже и при таких условиях на СШГЭС выявлены участки металла с проявлениями язвенной коррозии и кавитационных разрушений. Развитие трещин в железобетонной оболочке практически не контролируется.

Из инструментальных методов используется выборочный ультразвуковой контроль отдельных сварных швов в нижнем и верхнем участках водовода, где обеспечиваются надежный доступ к конструкции и выборочная ультразвуковая толщинометрия металла по всей высоте водоводов в лотковой части.

Для лабораторных исследований проводился ограниченный отбор коротких образцов-кернов бетона из доступных участков оболочки водоводов.

Таким образом, видно, что информации о состоянии материалов участков водоводов и конструкции в целом с точки зрения прогнозирования дальнейшей долговременной надежной эксплуатации явно недостаточно. По результатам таких обследований проконтролированные водоводы были допущены только к временной эксплуатации.

При условии создания надежного доступа к любым участкам водовода, кроме стандартного малоинформативного набора методов и средств, следует применить систему современных подходов для оценки степени усталости металла и его геометрических и структурных параметров, оценки монолитности железобетонной оболочки, особенно, в зоне контакта с металлической облицовкой, коррозионного износа металла, состояние и, соответственно, необходимость устранения трещин в бетоне, распределения напряжений в металле и в бетоне по участкам водоводов и т.д.

Это позволит скорректировать расчетную схему и достоверно оценить возможность дальнейшей эксплуатации водоводов и необходимость выполнения ремонтных мероприятий (которые также можно выполнить с разработанных платформ).

Необходимо отметить, что водоводы, как и многие другие конструктивные элементы ГЭС, являются нестандартными крупногабаритными конструкциями, имеющими, в основном, односторонний доступ.

Поэтому, кроме подбора комплекса средств технического обследования и разработки методик контроля конструктивных элементов, многие виды существующей измерительной аппаратуры требуется адаптировать к особенностям конструкций и условиям диагностирования.

В этой связи можно вспомнить, что неразрушающий ультразвуковой контроль бетона появился и разрабатывался для контроля массивных конструкций гидротехнических сооружений. Аппаратура позволяла контролировать элементы до 6-8 м толщиной и только в дальнейшем она трансформировалась в маломощные приборы для заводов ЖБИ.

В инструкциях по эксплуатации существующей контрольной аппаратуры часто не акцентируются допустимые параметры применения, что приводит к их неправомочному использованию в реальных производственных условиях с учётом температуры, влажности, возможности надежного контакта первичных преобразователей с поверхностью конструкций, фоновой вибрации конструкций и др.

Засилие простых приборов, дающих зачастую только общее представление о состоянии поверхностных слоев конструкций, привело к определенному снижению уровня подготовки специалистов по обследованию. Но эта аппаратура относительно дешева и может быть широко использована на многих этапах строительства сооружений, контроля проведения ремонтных работ и др.

Средства, предназначенные для серьезного обследования ответственных и опасных сооружений, не выпускаются большими сериями, стоят дорого и требуют обращения с ними, а также анализа полученной информации, подготовленных специалистов-исследователей высокой квалификации. В качестве примеров такой необходимой аппаратуры можно привести:

  • ультразвуковые приборы ООО «Акустические Контрольные Системы», г. Москва;
  • низкочастотный дефектоскоп А1220 «Монолит»;
  • ультразвуковой томограф А1040М «Полигон»;
  • георадары ОКО-2 Компании «Логис-Геотех», г. Москва или фирмы «Mala» (Швеция);
  • тепловизоры, предназначенные для контроля строительных конструкций, типа ThermaCAM В20 фирмы FLIR (Швеция);
  • эндоскопы с высоким разрешением;
  • магнитный структуроскоп КРМ-Ц-К2М (НПФ СНР, г. Харьков) и ИКН-4М-16 (ООО «Энергодиагностика», г. Москва) для определения напряженно-деформированного состояния металла и конструкций;
  • толщиномер электромагнитоакустический УТ-04 ЭМЛ (Дельта) НПФ СНР, г. Харьков;
  • универсальный ультразвуковой дефектоскоп-рекордер JSОNIC-2009 UPА-Scop (фирма Sonotron NDT, Израиль

и др.

Так как держать таких специалистов и дорогостоящую аппаратуру для большинства организаций невыгодно, то целесообразно создавать отраслевые независимые обследовательские центры с целевым назначением комплексного технического обследования ответственных сооружений, имеющие возможность для кратковременного целевого назначения использовать систему субподряда, рекрутингового набора специалистов с арендованной аппаратурой для выполнения конкретной задачи.

Необходимо обратить особое внимание на подготовку нормативной базы. Речь идет не о переписывании старых документов, а о разработке новых с учетом современных взглядов и новой методической и аппаратурной базой диагностирования, которые должны пройти серьезное рецензирование специализированных организаций. Существующие документы (например, «Типовая инструкция по эксплуатации производственных зданий и сооружений атомных станций» — РД ЭО 0007-2005» — в части контроля, «Методика оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений», разработанная в 2003 г. Федеральным Центром науки и высоких технологий, «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций» и рекомендованная к использованию органами МЧС России, Ростехнадзора и другими ведомствами, отвечающими за безопасность населения в случае возможных катастрофических разрушений зданий и сооружений) грешат серьезными недоработками и требуют срочного пересмотра.

При разработке сроков и стоимости проведения детального инструментального обследования обязательно следует учитывать значительную трудоемкость мероприятий по подготовке поверхности конструкций к испытаниям (очистки от красок и покрытий, от продуктов коррозии или биологических отложений, производственной пыли и т.д.) и обеспечения надежного безопасного доступа к конструкциям в производственных условиях.

Проблемы предотвращения техногенных аварий на длительно эксплуатирующихся сооружениях с вялотекущими процессами старения материалов и конструкций характерны во всем мире. Однако у нас они усугубляются климатическими особенностями, человеческим фактором с любовью к принципу «авось», часто давлеющими над эксплуатационными нормативами директивными указаниями.

В этих условиях максимально достоверный диагностический контроль особенно актуален. Ясно, что в пределах одной организации разработка и реализация методов и средств диагностики не могут быть решены. Необходима государственная программа развития этого направления. Ведь основной долг государства – сохранять в безопасности здоровье и жизнь своих граждан.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.