Продолжаем работать!
Продолжаем готовить специалистов Неразрушающего Контроля (НК).

Железнодорожный транспорт

Автоматизированные средства неразрушающего контроля

Мостовые конструкции являются сложными и ответственными сооружениями, состоящими из большого числа отдельных элементов и узлов. Надежность эксплуатации мостовых конструкций затрагивает широкий круг вопросов, связанных как с химическим составом, структурой и свойствами материалов, технологией их изготовления, так и с вопросами, относящимися к проблеме обследования, статических и динамических видов испытания мостовых конструкций, оценкой их ресурса в процессе эксплуатации.

Актуальность проблемы

Мостовые конструкции являются сложными и ответственными сооружениями, состоящими из большого числа отдельных элементов и узлов. Надежность эксплуатации мостовых конструкций затрагивает широкий круг вопросов, связанных как с химическим составом, структурой и свойствами материалов, технологией их изготовления, так и с вопросами, относящимися к проблеме обследования, статических и динамических видов испытания мостовых конструкций, оценкой их ресурса в процессе эксплуатации.

На железных дорогах Украины эксплуатируется 2383 металлические пролетные строения, из них около 1500 сварные. Из-за наличия тех или иных повреждений 269 металлических пролетных считаются дефектными.

Поезд проходит мост через реку Ворскла на 333 км линии Киев — Харьков

Рис 1. Мост через реку Ворскла на 333 км линии Киев - Харьков.

Усталостные трещины зарождаются почти сразу после начала эксплуатации. До появления трещин достаточных размеров, для того чтобы их можно было выявить визуально, проходит от четырех до семи лет. В некоторых случаях, на участках с большой грузонапряженностью, трещины наблюдаются в первые годы эксплуатации и, зачастую, в таких элементах и сварных соединениях, где их появления абсолютно не ожидали и, соответственно, не учитывали в прочностных расчетах.  

Следует отметить, что именно в пролетных строениях железнодорожных мостов, спроектированных в 70-е —80-е годы прошлого века, вследствие наличия ряда конструктивных недостатков наблюдается наибольшее количество усталостных повреждений. Разрушение не проходит мгновенно. Поэтому своевременное выявление таких дефектов и определение начальной стадии образования микро и макротрещин в период эксплуатации сооружения является очень важной задачей при диагностике сооружения.

Обнаружение ряда дефектов при периодическом обследовании сооружения затруднено в силу ряда обстоятельств. Трещины, зарождающиеся внутри материала, невидимы, ряд узлов конструкций пролетных строений труднодоступны для наблюдения и проведения визуального обследования, конструкции покрыты окрасочным материалом, поражены всевозможными видами коррозии и т.д. При обнаружении отдельных типов трещин, в конструкциях, рассчитанных под современные и перспективные нагрузки и имеющих достаточный запас прочности, используя даже современные методы определения несущей способности, невозможно точно определить категорию опасности дефекта и условия дальнейшей эксплуатации.

Растущая сложность обеспечения надежной и долговечной эксплуатации мостов требует новых подходов к технической диагностике.

Наиболее эффективным для мониторинга особо опасных объектов, к которым относятся и мосты, является метод акустической эмиссии. Это единственный метод, который позволяет в реальном времени следить за характером образования и развития дефектов в материале конструкции, классификацией источников АЭ и оценки технического состояния конструкции в целом. И именно этот метод был использован для диагностики пролетного строения однопутного железнодорожного моста через реку Ворскла на 333 км линии Киев - Харьков (Рис. 1)

Участники испытаний пролетного строения однопутного железнодорожного моста через реку Ворскла на 333 км линии Киев - Харьков

Рис 2. Участники испытаний на мосту.

Этот металлический железнодорожный мост сооружен по схеме 3 х 55.0 м. Пролетные строения - металлические болто-сварные с параллельными поясами с ездой понизу - рассчитаны под нагрузку С14 и изготовлены из стали 15ХСНД по типовому проекту Гипротансмоста (инв. №690). Пролетные строения  были установлены на опоры в 1979 году.

Уже в первые годы эксплуатации в вертикальных стенках  сварных продольных балок проезжей части пролетных строений по очертанию концов сварных швов прикрепления вертикальных ребер жесткости начали появляться трещины типов Т9, Т10 [1]. В настоящее время число трещин на всех пролетных строениях моста достигло 70 шт. Отдельные трещины прекратили свое развитие, другие продолжают развиваться, появляются новые трещины.  

Учитывая вышеизложенное, было принято решение о проведении комплексного обследования испытания моста, а также о ремонте пролетных строений методом заваривания трещин с последующей высокочастотной механической проковкой ремонтных сварных соединений по технологии, разработанной ИЭС им. Е.О. Патона.

РОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

До начала ремонтных работ было проведено испытание пролетного строения №2 с использованием диагностического комплекса АЭ "ГАЛС-1". Целью являлось определение мест расположения трещин (линейная локация), выявление мест зарождения микротрещин и определение степени (классов) опасности развития дефекта в конструкции пролетного строения.

Нагружающий тепловоз 2ТЭ116

Рис 3. Нагружающий тепловоз 2ТЭ116.

Пролетное строение №2 испытывали статической и динамической нагрузками. В качестве испытательной нагрузки использовали 12-осный тепловоз 2ТЭ116 массой 276 т с осевой нагрузкой 225.4 кН. При статических испытаниях производилось поэтапное, загружение пролетного строения, для создания максимальных изгибающих моментов в панелях проезжей части и всего пролетного строения при статических испытаниях. Осевая нагрузка последовательно устанавливалась на середину продольных балок и на все промежуточные поперечные балки пролетного строения №2. При динамических испытаниях локомотив пропускался по мосту со скоростью 50 км/час.

Прохождение локомотива по рельсам во время испытаний жд моста через реку Ворскла

Рис 4. Каналы АЭ располагались в непосредственной близости от датчиков

Сбор данных на ПК в реальном времени в процессе испытаний пролетного строения однопутного железнодорожного моста через реку Ворскла на 333 км линии Киев - Харьков

Рис 5. Все данные в реальном времени собирались на ПК.

Преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ) устанавливались на вертикальные стенки левых продольных балок в панелях 7-8, 8-9, 9-10, которые имели наибольшее количество зафиксированных трещин, переходящих со сварных швов прикрепления вертикальных ребер жесткости на основной металл вертикальных стенок в уровне верхнего и нижнего поясов. Всего было установлено 7 ПАЭ, при этом максимальное расстояние между датчиками не превышало 3 м.

РЕЗУЛЬТАТЫ АЭ КОНТРОЛЯ И ИХ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

При первом цикле нагружения было получено 9583 сигнала АЭ, по которым были слоцированы 406 событий. Полученные сигналы были подвергнуты анализу. В частности наиболее часто использующаяся диаграмма зависимости счета сигнала от его амплитуды имела классический вид (см рис. 6),

Диаграмма зависимости счета сигналов от их амплитуды для сбора при первом статическом нагружении по результатамиспытания пролетного строения однопутного железнодорожного моста через реку Ворскла на 333 км линии Киев - Харьков

Рис 6. Диаграмма зависимости счета сигналов от их амплитуды для сбора при первом статическом нагружении.

что свидетельствует о принадлежности полученных сигналов именно к акустической эмиссии от развивающихся дефектов (а не сигналам от ударов, трения, электромагнитных наводок и т.п. шумовых источников). Особое внимание было уделено рассмотрению локационной картины, диаграммы распределения амплитуд сигналов АЭ вдоль локационной координаты и их сравнению с данными предыдущих исследований (рис. 7).

Сравнение локационной картины, графика распределения амплитуд вдоль координаты локации и результатов предыдущих исследований пролетного строения однопутного железнодорожного моста через реку Ворскла на 333 км линии Киев - Харьков

Рис 7. Сравнение локационной картины, графика распределения амплитуд вдоль координаты локации и результатов предыдущих исследований.

Видно, что результаты локации подтверждают наличие всех ранее обнаруженных дефектов, наблюдаются индикации от стыков балок, а также имеется и одна дополнительная индикация вблизи места установки датчика №12.

Повторное статическое нагружение показало аналогичные результаты: было получено 9087 сигналов АЭ, по которым были слоцированы 382 события. Локационная картина также отличается незначительно (см. рис. 8 а и б). Это свидетельствует о действительном наличии источников АЭ в зонах, указанных локационной картиной.

Локационные картины при первом и втором статических нагружениях по результатамиспытаний пролетного строения однопутного железнодорожного моста через реку Ворскла на 333 км линии Киев - Харьков

Рис 8. Локационные картины при первом и втором статических нагружениях.

По степени опасности (в соответствии с интегральным критерием) большинство слоцированных источников АЭ были отнесены системой ГАЛС-1 ко второму классу и несколько - к первому. Тот же самый вывод можно сделать, рассматривая график зависимости количества сигналов от времени на участках, соответствующих стабилизации уровня нагружения (рис. 9).

График зависимости количества сигналов от времени для сбора при первом статическом нагружении по результатамиспытаний пролетного строения однопутного железнодорожного моста через реку Ворскла на 333 км линии Киев - Харьков

Рис 9. График зависимости количества сигналов от времени для сбора при первом статическом нагружении.

Видно, что он в некоторых случаях имеет мягкую нелинейность (рис. 10 а), что характерно именно для источников второго класса, а в других - скачкообразно переходит к "полке" (рис. 10 б), что, в свою очередь, характерно для источников первого класса.

Участок, характерный для регистрации источников 1-го класса по результатамиспытаний пролетного строения однопутного железнодорожного моста через реку Ворскла на 333 км линии Киев - Харьков

Рис 10. Фрагменты графика рис. 9. а - участок, характерный для регистрации источников 1-го класса; б - участок, характерный для регистрации источников 2-го класса.

После двух итераций статического нагружения, как уже говорилось, было произведена и попытка АЭ контроля при динамическом нагружении. При этом были получены 9834 сигнала АЭ, по которым было изначально слоцировано 841 событие. Диаграмма зависимости счета сигнала от его амплитуды в этом случае имела вид, отличный от классического, что свидетельствует о наличии значительного количества шумовых сигналов. После фильтрации по этой диаграмме осталось 7888 сигналов и по ним были слоцированы 687 событий. Эта цифра, как видно, значительно превосходит количество событий, слоцированных при статическом нагружении. При этом локационная картина (рис. 11) имеет размытый характер и не позволяет локализировать многие из источников, обнаруженных при статическом нагружении.

Локационная картина при динамическом нагружении по результатамиспытаний пролетного строения однопутного железнодорожного моста через реку Ворскла на 333 км линии Киев - Харьков

Рис 11. Локационная картина при динамическом нагружении.

Хотя, основные закономерности все же прослеживаются: небольшое количество событий в районе трещин, стянутых сверхпрочными болтами (2 и 3 метра), а также стыков балок (5.5, 11 и 16,5 метров). В районе не ремонтировавшихся трещин (7-й, 9-й и 14-й метры) также имеются всплески активности, но они сильно затушеваны фоном других событий, а максимум сдвинут на полметра влево. Дополнительная индикация в районе установки датчика №12 присутствует и здесь, однако значительно ослаблена.

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АЭ КОНТРОЛЯ ВИХРЕТОКОВЫМ МЕТОДОМ

По результатам АЭ испытаний было также проведено обследование участка балки в районе установки датчика №12 вихретоковым методом. Применялся дефектоскоп ВД3-71 с датчиком МДФ0701. Сканированию была подвергнута область от 12.2 до 13.2 метров с обеих сторон балки. Никакой подготовки поверхности не производилось — контроль производился через слой старой краски. Были обнаружены две индикации, по амплитуде соответствующие выявлению паза глубиной 0,2 мм на СОП-2353.08. Выдержка из протокола контроля приведена на рис. 12.

Фрагмент протокола ВТК, соответствующий обнаружению трещины, по результатамиспытаний пролетного строения однопутного железнодорожного моста через реку Ворскла на 333 км линии Киев - Харьков

Рис 12. Фрагмент протокола ВТК, соответствующий обнаружению трещины

ВЫВОДЫ

Проведенные АЭ испытания, последующие анализ результатов и их выборочное подтверждение вихретоковым методом позволяют сделать такие выводы. 

Во-первых: АЭ контроль с применением системы ГАЛС-1 позволяют выявлять как макро, так и микротрещины в стальных пролетных строениях мостовых конструкций и может быть рекомендовано к применению.

Во-вторых: эксперименты с вариантом статического и динамического нагружения показали, что статическое нагружение является предпочтительным, поскольку позволяет лучше локализировать источники акустической эмиссии.

 


Линник Г. О. Начальник отдела инженерных сооружений Главного Управления Путевого хозяйства Укрзализныци

ИвашкевиЧ Д.Л. Начальник Мостоиспытательной станции  Главного Управления Путевого хозяйства Укрзализныци

Галаненко Д. В. ведущий инженер НПФ "Промприлад"

 

ЛИТЕРАТУРА
1. ЦП-0176 Рекомендації з огляду, підсилення, ремонту та збільшення експлуатаційного ресурсу суцільностінчастих зварних прогонових будов// В. І. Кир'ян, В. О. Ковтуненко, В. Д. Позняков, В. В. Книш та інші. - Київ: Укрзалізниця. Головне управління колійного господарства, 2007. - 48 с.


Наши партнеры

ASNT-banner logo