СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ НАТЯЖЕНИЯ СИЛОВОЙ КАНАТНО-ПУЧКОВОЙ АРМАТУРЫ В ПРЕДНАПРЯГАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ Российский патент 2008 года по МПК G01L5/10 G01N29/24 

Предложение относится к области эксплуатационного контроля натяжения силовых арматурных канатов и пучков, используемых на преднапрягаемых строительных объектах, например, защитных железобетонных оболочках, локализующих газовые и жидкостные среды повышенного давления, железобетонных корпусах атомных реакторов, высотных (железобетонные башни, например, телевизионные), мостовых, спортивных, общественных и др. сооружениях [1].

Объективные методы контроля за натяжением арматурных канатов и пучков в преднапрягаемых сооружениях обеспечивают безопасный процесс их эксплуатации и планирование необходимых ремонтно-профилактических работ.

Изложение и обоснование технического существа изобретения проводится применительно к арматурным пучкам преднапрягаемых железобетонных защитных оболочек реакторных отделений атомных станций, поскольку именно здесь сконцентрированы практически все проблемные вопросы, связанные с обеспечением технической и, более того, радиационной безопасности.

Актуальность эксплуатационного контроля натяжения силовой канатной арматуры усугубляется при ее закрытой трассировке в каналах, располагаемых в теле преднапрягаемого объекта [2, 3]. Научно-техническая эволюция, связанная с изучением потерь усилий в силовой канатной арматуре и преднапряжений сооружений за короткие сроки, прошла путь от оценки [4] и прогнозирования [5] до прямых измерений [6].

Проектное состояние силовой канатно-пучковой арматуры в условиях эксплуатации зависит от множества взаимозависимых факторов. Это длительные сроки эксплуатации сооружений, выходящие за пределы 60-100 лет, жесткие климатические условия (температура, вода, влага, агрессивные среды и т.д.), деформация элементов конструкции анкерных блоков, трение о стенки каналообразователей, релаксации напряжений в арматуре, усадка и ползучесть бетона сооружения, коррозия, разрушение защитных покрытий, проектно-технологические воздействия, способствующие деградации канатной арматуры, расчетные отступления от фактических условий эксплуатации, дефекты изготовления конструктивных элементов, дефекты монтажа конструкций и строительства сооружений, механические повреждения арматурных конструкций и канатно-пучковой арматуры, повреждения от не предусмотренных проектом статических, динамических и др. видов воздействий.

Все перечисленные факторы связаны с падением усилий натяжения канатно-пучковой арматуры. По этой причине единственным объективным методом контроля, тем более при трассировке канатно-пучковой арматуры в закрытых каналообразователях, остается только метод инструментальных эксплуатационных измерений [7].

Косвенные методы контроля натяжения силовой канатно-пучковой арматуры через параметры напряженно-деформированного состояния тела сооружения (для защитных оболочек [3, 4, 5]) или контроль по звуковым реакциям напрягаемых и рвущихся проволок [8] являются многократно существенно менее информативными на этапах эксплуатации, чем прямые периодические измерения.

В качестве аналогов предлагаемого изобретения в настоящее время существуют два способа, обладающие общим существенным признаком, совпадающим с признаком предлагаемого изобретения, - это прямые измерения усилий в канатно-пучковой арматуре на ее тяжных концах, т.е. измерение усилий реакций анкерных блоков крепления концов арматуры на опорные плиты.

Первый заключается в использовании гидродомкратов, по давлению в гидросистеме которых судят об усилиях натяжения канатно-пучковой арматуры при отрыве канатного анкера от воспринимающей усилие опорной плиты.

Этому способу присущи существенные ограничения по использованию его в эксплуатационный период:

а) большая трудоемкость операций контроля, связанная с перемещениями и монтажом тяжелого домкратного оборудования на сооружении;

б) широкий диапазон погрешностей и даже ошибок измерений в связи с присутствием человеческого фактора в определении и фиксации момента отрыва анкера от опоры в жестких условиях соблюдения техники безопасности;

в) прогрессивное усиление вероятности развития деградации в системе канатной арматуры по причинам активизации влияющих факторов, рассмотренных выше, при каждом акте осуществления операций контроля.

Второй способ ориентирован на установку на тяжных концах канатно-пучковой арматуры силоизмерительных датчиков.

Классические примеры реализации упомянутых способов приведены в [2 и 3].

Силоизмерительные датчики в научно-технической литературе имеют различные наименования - динамометры, месдозы и др. [9] и основаны на преобразовании силы в пропорциональный электрический сигнал.

Непреодолимой проблемой для архисовременных силоизмерительных датчиков [10, 11, 12] и способов долговременного эксплуатационного контроля напрягаемой арматуры, построенных на их использовании, являются физические ограничения на бесповерочный срок службы (максимум 5-10 лет), не сопоставимый со сроками службы технически опасных преднапрягаемых железобетонных сооружений (более 60-100 лет). А демонтаж силоизмерительных датчиков на поверочные работы или замену требует использования гидродомкратов со всеми эксплуатационными последствиями, описанными выше.

Раскрытие изобретения

Анализ способов контроля напрягаемой арматуры с помощью силоизмерительных датчиков показывает, что их проблемы заключаются в самой, ставшей «классической» конструкции датчиков, конструктивно объединяющей силовоспринимающий и силопреобразующий элементы, находящиеся в одинаково жестких условиях эксплуатации.

При этом, если силовоспринимающие элементы, выполняемые из высококачественных металлических сплавов, способны сохранять свои метрологические характеристики практически на неограниченные реальные сроки, то известные в настоящее время силопреобразующие элементы (тензорезисторы, полупроводниковые, струнные и др. преобразователи) и технологии организации их механических связей с силовоспринимающими элементами (напыление, склейка, сварка и др.) многократно ограничивают бесповерочные сроки службы силоизмерительных датчиков.

Целью предлагаемого способа является многократное увеличение сроков обеспечения измерительного режима натяжения силовой канатно-пучковой арматуры с исключением процедур ее оттяжек для прямых домкратных измерений, а также замены или периодических поверок силоизмерительных датчиков.

Новизна предлагаемой технической идеи долговременного, коррелирующего с продолжительностью жизни преднапрягаемых сооружений, осуществления процесса измерения усилий на тяжных концах напрягаемых канатов (пучков) без их дополнительных технологических нагрузок (разгрузок), заключается в реализации следующих технических постулатов:

1. Силовоспринимающий элемент должен быть конструктивно обособлен от силопреобразующего.

2. Силовоспринимающий элемент должен беспроблемно бесконечно продолжительно (например, более 100 лет) воспринимать рабочие силовые нагрузки в режиме упругих деформаций.

3. Силопреобразующий элемент должен иметь возможность храниться и поверяться в благоприятных условиях, а информационно контактировать с силовоспринимающим элементом только в процессе плановых измерений, которые в соответствии с нормативными требованиями в атомной энергетике [13] при нормальных режимах эксплуатации по условиям конкретного проекта осуществляются 1-4 раза в год и в обязательном порядке после любого нарушения режима нормальной эксплуатации (например, сейсмические воздействия и т.д.).

Поставленная цель достигается тем, что между опорной плитой и верхней плитой анкерного блока крепления концов напрягаемой арматуры устанавливают калиброванные цельнометаллические силовоспринимающие измерительные акустоизолированные проставки с внутренним эффектом акустоупругости, работающие на сжатие в области упругих деформаций, информацию о нагружении силовоспринимающих проставок получают ультразвуковым зондированием с прохождением измерительных сигналов по конструктивно организованным измерительным каналам внешними съемными контактными преобразователями, а об усилиях натяжения силовой канатно-пучковой арматуры судят по времени (скорости) распространения ультразвуковых измерительных сигналов в силовоспринимающих проставках с учетом их калибровки.

Калиброванные силовоспринимающие проставки будут работать в тех же условиях по времени и воздействиям окружающей среды, что и анкерные конструктивы тяжных (анкерный блок) концов силовой канатно-пучковой арматуры. Этот факт исключает необходимость периодических контрольных и профилактических подходов к анкерному блоку с домкратным оборудованием со всеми вытекающими из этого негативными эксплуатационными последствиями, в первую очередь связанными с воздействиями, стимулирующими деградацию канатно-пучковой арматуры.

Возможность отделения силопреобразующего элемента (ультразвукового преобразователя) от силовоспринимающего (металлическая калиброванная проставка) в данном техническом решении основана на физическом эффекте акустоупругости, наблюдающемся в поликристаллических сталях и сплавах [14].

Данный эффект заключается в изменении скорости распространения упругой волны (например, ультразвукового импульсного сигнала продольной или поперечной волны) пропорционально механическому напряжению в металле и наблюдается в области упругих деформаций.

Современные ультразвуковые приборы (дефектоскопы, толщиномеры и др.) [15] обеспечивают необходимую точность измерений скорости распространения волны (изменения времени распространения на заданной толщине металлического образца) с использованием контактного ультразвукового преобразователя. При этом достигается точность определения механических напряжений порядка 1 кг/мм² (10 МПа) для сталей и 0,2-0,5 кг/мм² для цветных металлов и сплавов, что достаточно для решения задачи контроля усилия натяжения канатно-пучковой арматуры заявленным способом.

Так, например, выбрав для силовоспринимающих элементов сталь с пределом текучести (на сжатие) σ_т=60 кг/мм² и задав упругую область напряжений, соответствующую рабочим нагрузкам канатно-пучковой арматуры 0,8σ_т, будем иметь сжимающее напряжение в силовоспринимающем элементе (проставке) 50 кг/мм². Отсюда следует, что если принять рабочую нагрузку пучка (каната) 1000 т (наиболее распространенный порядок усилий при обжатии защитных оболочек в мировой атомной энергетике), то рассматриваемый условный вариант реализации предложенного способа позволяет контролировать силу натяжения канатно-пучковой арматуры с точностью 20 т (изменения напряжений в силовоспринимающем элементе на 1 кг/мм² соответствуют изменениям усилий пучка или каната на 20 т).

Некоторые основные варианты исполнения силовоспринимающих проставок - это металлические полные и разрезные кольца, цилиндрические опоры, бруски и др. Выбор тех или иных форм проставок определяется конструктивами анкерных устройств, технологией их монтажа и организацией измерительных каналов, исполнение которых в силовоспринимающих проставках возможно в вариантах с однократным (зеркальным) или многократным отражением. При этом изменений траекторий распространения измерительных сигналов не допускается.

Возбуждение и прием измерительного сигнала в силовоспринимающих проставках осуществляют, например, пьезокерамическими, пьезокварцевыми, электромагнитоакустическими преобразователями или лазерным лучом.

Для простоты и наглядности аргументации дальнейшие обоснования по реализации предлагаемого способа проводятся на примере цилиндрических силовоспринимающих проставок.

Общая площадь силовоспринимающих элементов для рабочей нагрузки пучково-канатной арматуры 1000 т составит 1000 т / 50 кг/мм²=2·10⁴ мм². Эта величина может быть конструктивно реализована в виде 4-х цилиндрических опор (проставок) диаметром 80 мм каждая.

Оптимальное направление распространения ультразвукового импульсного сигнала должно совпадать с вектором сжимающих напряжений в проставках, т.е. ультразвуковой сигнал в рассматриваемом случае должен быть направлен по оси цилиндра.

Высота цилиндра определяется длиной пробега ультразвукового сигнала, в том числе многократно отраженного, в ненагруженном металле, при которой обеспечивается необходимая инструментальная точность измерения времени его распространения. Из этих соображений высота цилиндра должна быть не менее 30 мм для продольной волны и 20 мм для поперечной.

При конструктивной организации измерительного канала доступ, например, к верхней рабочей поверхности цилиндра осуществляют через отверстие, выполняемое в верхней плите анкерного блока. Ось отверстия должна совпадать с осью распространения луча (т.е. с осью цилиндра). Диаметр отверстия выбирают минимально возможным. Фактически он определяется диаметром ультразвукового преобразователя, помещаемого в это отверстие для обеспечения информационного контакта во время измерений.

Пьезоэлектрические преобразователи, которыми комплектуются современные ультразвуковые приборы, имеют минимальный диаметр в диапазоне 5-10 мм.

Непосредственно в районе отверстия верхней плиты анкерного блока в цилиндре образуется локальная область с пониженным механическим напряжением. Ее размер сопоставим с диаметром отверстия.

Для устранения влияния этой области на результаты измерений диаметр силовоспринимающего цилиндра должен быть не менее 3-х диаметров отверстия, а его высота должна быть увеличена на один диаметр отверстия.

На нижней поверхности цилиндра для получения отраженного импульсного сигнала выполняют акустическую развязку, изолирующую цилиндр от опорной плиты.

Акустическую развязку осуществляют установкой звукоизолирующей прокладки (например, асбестовой) или выполняя в цилиндре плоскодонную выточку симметрично отверстию в верхней плите.

С учетом выполнения отверстия в верхней плите и выточки в цилиндре минимальная высота цилиндра должна быть увеличена в общей сложности не менее чем на 2 диаметра отверстия.

Таким образом, четыре силовоспринимающие стальные цилиндра диаметром 80 мм и высотой не менее 40-50 мм с пределом текучести (на сжатие) материала σ_т=60 кг/мм при рабочей нагрузке на канатный пучок до 1000 т обеспечат измерение усилий натяжения с точностью порядка 20 т, что соответствует реальным практическим требованиям долговременного контроля.

Калибровку силовоспринимающих проставок можно производить на стенде, полностью повторяющем анкерное крепление канатно-пучковой арматуры с помощью аттестованных домкратных устройств.

В процессе калибровки снимают градуировочные характеристики проставок - экспериментальные зависимости изменений времени пробега однократно или многократно отраженных ультразвуковых импульсных сигналов по конструктивно организованным измерительным каналам от прилагаемых сжимающих усилий.

При реализации предложенного способа контроля натяжения силовой канатно-пучковой арматуры в преднапрягаемых конструкциях и сооружениях единственным поверяемым средством измерения является ульразвуковой преобразователь в комплекте с измерителем временных интервалов - фактически промышленно серийно выпускаемый и поверяемый в лабораторных условиях прибор типа ультразвукового дефектоскопа или толщиномера, в т.ч. с памятью для хранения параметров градуировочных характеристик. Это обеспечивает выполнение поставленной цели - измерение, в т.ч. с разной степенью автоматизации, усилий натяжения канатно-пучковой арматуры без силовых воздействий на нее по единой методике на всех стадиях продолжительной (порядка 100 лет) жизни преднапрягаемых конструкций и сооружений.

На чертеже приведен упрощенный вариант практической реализации предлагаемого способа при использовании описанных выше цилиндрических силовоспринимающих проставок.

Показаны основные детали анкерного блока крепления концов напрягаемой арматуры (опорная плита, защитный корпус анкерного блока, каналообразователь, железобетонное тело преднапрягаемого сооружения, канатный пучок, анкерная шайба крепления концов канатов в пучке) и конструктивы, обеспечивающие процесс измерения усилий натяжения канатно-пучковой арматуры по предлагаемому способу (опорная плита, верхняя плита анкерного блока, силовоспринимающая проставка, ультразвуковой преобразователь (силопреобразующий элемент), прокладка - акустическая развязка, измеритель временных интервалов).

В реальных конструкциях в зависимости от конструктивов анкерного блока, конфигураций силовоспринимающих проставок и методов организации измерительных каналов в них геометрия измерительных конструктивов может существенно меняться без изменений их номенклатуры, обеспечивающей измерительный процесс и без изменений совокупности признаков способа, изложенных в формуле изобретения.

Список использованной литературы (библиографические данные)

Литература

1. С.А.Дмитриев, Б.А.Калатуров. Расчет предварительно напряженных железобетонных конструкций. Изд. второе, Москва, Стройиздат, 1965.

2. А.П.Кириллов. Железобетонные корпуса ядерных реакторов. Москва,Энергоатомиздат, 1988.

3. В.Б.Дубовицкий, А.П.Кириллов, B.C.Конвиз. Строительство атомных станций. Москва, Энергоатомиздат, 1989.

4. В.П.Малявин. Оценка напряженно-деформированного состояния и уровня преднапряжения в железобетонных преднапряженных защитных оболочках реакторных отделений на действующих энергоблоках АЭС с реактором ВВЭР-1000. Сб. трудов ГНИПКИИ «Атоэнергопроект», вып.1, Москва, 2000.

5. В.П.Малявин, Е.А.Коган. Вопросы прогнозирования потерь усилий преднапряжения защитных оболочек энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000 в период их эксплуатации. Сб. трудов ГНИПКИИ «Атоэнергопроект», вып.2, Москва, 2001.

6. В.П.Малявин. Первые результаты опытной эксплуатации системы контроля усилий натяжения армоканатов системы преднапряжения защитных оболочек энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000. Сб. трудов ГНИПКИИ «Атоэнергопроект», вып.4, Москва, 2003.

7. Требования к техническому обслуживанию и ремонту системы преднапряжения защитных оболочек АЭС с ВВЭР-1000 и реакторными установками В-320. РД ЭО-0129-98. Москва, «Росэнергоатом», ОЭС, 1998.

8. SoundPrint* - «Звуковое сканирование» - непрерывное акустическое обследование объектов. Advitam, France, www.advitam-group.com, 2005.

9. Д.Е.Долидзе. Испытания конструкций и сооружений. Москва, Высшая школа, 1975.

10. Датчик силы ДС-1, патент РФ №2217717.

11. Датчик силы НВ-005. СДАЙ. 404176.006ТУ. НИИ «Контрольприбор».

12. Опытная эксплуатация датчиков силы с необходимыми электронными блоками для контроля натяжения арматурных канатов СПЗО головной серии. НТО ОЭС-П, 25/3-99, Москва, 1999.

13. Типовая инструкция по эксплуатации производственных зданий и сооружений атомных станций. РД ЭО 0007-2005.

14. Ж.«Дефектоскопия». Обзор «Акустическая тензометрия», ч.I - №2 и ч.II - №12, 1980.

15. В.М.Бобренко, М.С.Вангели, А.Н.Куценко. Акустическая тензометрия. Теория и практика. Кишинев, 1991.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для эксплуатационного контроля за натяжением арматурных канатов и пучков в конструкциях преднапрягаемых строительных объектов (железобетонные защитные оболочки и реакторы АЭС, высотные башни, мостовые сооружения, оболочечные перекрытия спортивных и зрелищных сооружений). Способ заключается в установке в нагружаемых опорных конструктивах крепления концов канатно-пучковой арматуры калиброванных силовоспринимающих металлических акустоизолированных проставок с внутренним эффектом акустоупругости, работающих на сжатие в области упругих деформаций. Информацию об их нагружении, соответствующую усилиям в канатно-пучковой арматуре, получают их ультразвуковым зондированием по организованным измерительным каналам внешними ультразвуковыми преобразователями с последующим измерением времени (скорости) распространения сигнала в нагружаемых проставках. Технический результат заключается в организации объективного эксплуатационного контроля за натяжением силовой канатно-пучковой арматуры без дополнительных силовых нагружений многократном увеличении сроков обеспечения измерительного режима натяжения арматуры с исключением процедур ее оттяжек для прямых домкратных измерений, а также замены или периодических поверок силоизмерительных датчиков. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ эксплуатационного контроля натяжения силовой канатно-пучковой арматуры в преднапрягаемых конструкциях и сооружениях посредством прямых измерений усилий реакций анкерных блоков крепления концов напрягаемой арматуры на опорные плиты, отличающийся тем, что, с целью обеспечения многократного увеличения сроков прямого измерительного режима без оттяжек арматуры для осуществления замеров, замены и периодических поверок стационарных средств силоизмерения, между опорной плитой и верхней плитой анкерного блока крепления концов напрягаемой арматуры устанавливают калиброванные цельнометаллические силовоспринимающие измерительные акустоизолированные проставки с внутренним эффектом акустоупругости, работающие на сжатие в области упругих деформаций, информацию о нагружении силовоспринимающих проставок получают ультразвуковым зондированием с прохождением измерительных сигналов по конструктивно организованным измерительным каналам внешними съемными контактными преобразователями, а об усилиях натяжения силовой канатно-пучковой арматуры судят по времени (скорости) распространения ультразвуковых измерительных сигналов в силовоспринимающих проставках с учетом их калибровки.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что акустическую развязку силовоспринимающих проставок осуществляют звукоизолирующими прокладками или конструктивными выточками в области отражения ультразвуковых измерительных сигналов.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что калиброванные металлические силовоспринимающие проставки выполняют в виде полных и разрезных колец, цилиндров или брусьев.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что организацию измерительных каналов в силовоспринимающих проставках осуществляют с однократным (зеркальным) или многократным отражением без изменений траекторий распространения прямых и отраженных измерительных сигналов.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение измерительного сигнала в силовоспринимающих проставках осуществляют пьезокерамическими, пьезокварцевыми, электромагнитоакустическими преобразователями или лазерным лучом.