Lektsii_ispyt

131

где коэффициент преобразования по моменту сопротивления изгибу

C

w

wм

bмhм2 6

C3 .

w

6b h2

l

к

м к

В этом случае

C м

СqCl2

C

.

E

к

Cl3

Для прогибов

f

м

5q l4 384E I

к

CqСl4

C

C С4

C .

C

f

м м

к

E l l

f

384E

I

5q l

C

C

C С4

l

к

м

I

м

к к

E

E l

Для деформаций

C

м

м Eк

С

1.

к

к Eм

CE

(17)

(18)

(19)

(20)

Таким образом коэффициент масштабного преобразования по напряжениям равен коэффициенту масштабного преобразования по модулю упругости, коэффициент масштабного преобразования по прогибам - коэффициенту масштабного преобразования по линейным размерам, а коэффициент масштабного преобразования по деформациям равен единице, т. е. деформации модели и конструкции одинаковы. В случае, если коэффициенты Пуассона материала конструкции и модели отличаются незначительно, полученные соотношения могут применяться и к другим видам рапряженно-деформированного состояния.

ОСОБЕННОСТИ ОБСЛЕДОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ СООРУЖЕНИЙ АТОМНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Наряду с общепринятыми методами и средствами обследования и испытания сооружений, которые изложены в предыдущих разделах учебника, ряд методов и средств являются специфическими для тепловых и в особенности для атомных электростанций. к ним относятся методы контроля биологической защиты атомных электростанций, тепловая дефектоскопия изоляции паропроводов, контроль утечек в резервуарах и трубопроводах, изучение малоцикловой усталости металлических конструкций трубопроводов и резервуаров, динамические испытания фундаментов оборудования, обследование высотных дымовых труб и градирен. Специфическое применение в сооружениях тепловых и атомных электростанций находят неразрушающие методы испытаний, позволяющие

132

получить дополнительную информацию надежности и долговечности конструкций и сооружений. Достижения в области инфракрасной (ИК) техники поставили задачу об использовании потока тепла, проходящего через изделия, в качестве носителя информации о его сплошности и однородности.

Методы теплового контроля могут быть применены для контроля сварных швов трубопроводов высокого давления, узлов металлоконструкций и элементов резервуаров. Возмущения потока тепла, вызванные инородными по теплофизическим характеристикам включениями, создают возмущения поля температур на поверхности изделия. Современные приборы - тепловизоры позволяют получать на экране или на пленке изображение поля температур в черно-белой и цветной окраске. При этом по степени почернения и по изменению цвета могут быть даны достаточно точные количественные оценки температур. Приборы обладают высоким температурным разрешением (до 0,050С). Эффективность испoльзования теплового метода обусловливается наличием существенных различий теплофизических свойств материала дефекта и изделия. Следует отметить, что тепловой поток обладает определенной инерционностью, в связи с чем тепловое изображение на поверхности изделия со временем теряет контрастность и затем исчезает.

Применение ИК-систем в области строительства связано с исследованием температурных полей на поверхности изделий и сооружений, вызванных неоднородностью процессов охлаждения или нагрева элементов конструкций. Основными элементами любой инфракрасной системы являются: источник полезного излучения, несущего интересующую исследователя информацию о состоянии конструкции или сооружения; тепловой фон, ограничивающий возможность точного получения информации; атмосфера, ослабляющая инфракрасный сигнал; оптическая система, собирающая излучение на приемнике; приемник излучения, служащий для преобразования инфракрасного излучения в соответствующий электрический сигнал; схема электронного преобразования, усиливающая сигнал и обеспечивающая ѐго индикацию и регистрацию.

Схема такой инфракрасной системы представлена на рис.. Изделие 1 содержит дефект 2, характеризуемый пониженной теплопередачей. Тело излучает поток тепла зеркало 5, приводимое в движение двигателем 4. Система зеркал 9 и 7 концентрирует поток тепла на приемнике излучения l0. Модулятор 8 прерывает периодически тепловой поток, для того, чтобы получить переменный во времени сигнал, который можно усилить и обработать с большей точностью. Далее сигнал попадает на детектор -11, передается на усилитель 12 и затем на регистрирующий прибор 13. Полученный в результате сигнал сопоставляется с данными, получаемыми от имитатора абсолютно черного тела 6, что позволяет применить аппаратуру с менее высокой стабильностью. После этого фиксируется температурный контраст 14, обусловленный дефектом. Любой предмет при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитную энергию,

133

обусловленную тепловыми колебаниями электрически заряженных частиц, из которых состоит тело.

Рис. Схема тепловизора

Гипотетическая поверхность, поглощающая излучение во всем диапазоне частот (абсолютно черное тело), имеет при температуре поверхности, равной Т0К, излучательную способность, определяемую как мощность излучения с единицы площади. поверхности тела в полусферу. По закону Стефана-Больцмана эта излучательная способность lИ равна. Вт/м2. V:ота, (l3. l) где о:5,67З.106. вт/м2к4 -- постоянная Больцмана. При 300К абсолютно (комнатная температура) черное тело излучает 460 Вт/м2.

134

Основы методики теплового контроля

Тепловая дефектоскопия железобетонных конструкций обусловлена, главным образом, различием коэффициентов теплопроводности, чувствительность (или способность к обнаружению минимального дефекта), в основном зависит от отношения коэффициентов теплопроводности изделия и дефекта. Возможны четыре схемы дефектоскопии: l ) изделие нагревается во всем объеме до l00"C (в частности в процессе термовлажностной обработки) и затем остывает при температуре наружного воздуха; 2) нал поверхностью изделия движется с заданной постоянной скоростью нагреватель в виде нити с рефлектором, а на известном расстоянии, определяемом временем экспозиции температурного поля, движется детектор ИКизлучения, измеряющий температуру поверхности; 3) в схеме, аналогичной пункту 2, детектор и нагреватель движутся по разные стороны изделия; 4) постоянно действующий источник тепла и стационарно установленный тепловизор. С помощью тепловой дефектоскопии может быть обнаружен не всякий дефект, а лишь такой, у которого размеры, глубина залегания и теплофизические характеристики создадут на поверхности тела возмущение поля температур, соизмеримое с чувствительностью прибора Исследуемое тело должно нагреваться и затем охлаждаться и измерения должны производиться в момент проявления наибольшего температурного контраста, обусловленного оптимальным временем экслозиции. На рис. 1З.2 представлены графики изменения температурного контраста во времени для пластин из бетона и стали, которые нагревались до l200С, а затем охлаждались в естественном состоянии.

Кривая 1 - бетон, коэффишие", ,"nnoотдачи которого ct :720 BT.M-2K-l, а

отношение характеристик C,lC": :0,19/0.2; },,f),n:0,72/1.1: u'"1",,,: :2,1 /2,2,

135

кривая Z cianb. no" ": :360 BT.M-2K-I; Co,/S":o.iUo.ios, l1/i,, :0,6/0,ti4; y,/y,,: т ,в/т,в,в.' r с - теплосмкость, т- плотIlость, индексы д и и относятся соответственно к дефекту и изделию). Время максимальной экспозиции теплового контраста меняется в IUироких пределах в зависимости от свойств матсриала. Температурный контраст на поверхности пластины, обчсло".пе"ный изменением плотности Йатериа,таВ IIреДеЛаХ \al или изменением теп.лофизических свойств в лределах l0}{ от среднего, составляет для большинства строительных материлов от 3.С до

7 ОС, что позволяет разJ.IиtIать не менее 10 градаций на изображении температур поля при_температурной чувст;;'"nl::_']1 0,1 'с и цене гралачии'O,з "ѐ. ,lvle i ()д перемеща юще гося теплового источника может служить np"repoM тода активного {\4етеп.лOво.о нерuзрушающего контроля. В качестве крЙтерия выявляемости дефекта принимаьтся величина метод основан на вOзможности опредеJ-lения параметров режима теплового возбуждения: интенсивности теплового потока во времени _- g(l); скорости перемех{ения источникi' v или :гlр:еувла. "li, ,.н ааг ретваак ж1ен; птерме-пlеерлаьнrуыр*о , nnчений геометрии знаизмерения {глчбина залегания.лефекта крытия дефекта в на-п раlrв. лвеенл"иич Й,.еuпuл Ьpвuо.lп?е рлеокто ктае п-л_о в6о, гпор остирание лефекта попотOка изделия* ff) и /, Ъолщина теплофи."ч".п"*РаКlеРИСТИ к Дефекта а",'),,, и изделий .rп, }. 1.1 -теплопроводность; е-коэqфИЦИенТ ТепЛоотдачи на границе сред). Теоретические реtilения проОлеЙы оснOвываются на рассмотрении залач теплопроводности, чтa позволяет рас_ считать температурное поле, когда ieMпературные коlIтрасты становятся наи0ольшими. Исслелуя законы проникания теIIлOвого потока в сложных среДаХ С ДефеКтами, представляется возможным оценить границы влияния расположенrlя дефекта на выявляемость. Наиболее обцая моJель - пластина, состоящая jlз трех слоев Sr, Sz, Sз с дефекТаМи 'r,n, (рис. l3,3), по ,io"*p*- ности которой со скоРостью И переЙещается источник тепJ,Iа с задаt{ным тепловым потOком q(t). В основе анализа лежит рец]ение уравнения нестационарного теплообмена Фурье. В основу методики тепловог0 контроля положены теоретические и экспериментальные исследования слоистых пластмасс с дефектами. Результаты этих исследований могут служить основой для построения физической модели при дефектоскопии бетона. Перехол от результатов, полученных для пластмасс, к параметрам. характерным для бетона, осуществляется с помощью критериев подоби! Био Bl: :йS/fu и Фурье Fo:aT/S2, где о - коэффичиент теплоотдачи на границе сред; fu-коэффициент теIIлопрOводности; а - коэффициент температуропроводности; т- время; S-полутолщина пластин, Представляет интерес установление тех геометрических и физических параметров, которые в наибольшей степени в.цияют на время экспозиции тэ и на выявляемость А. На рис. 13.4 кривая l дает изменение А в зависимости от .}"о при сти:стд; кривая 2 – изме

потока тепла q, размера дефекта поперек потOка, теплоемкости дефекта и

136

толщины изделия под дефектом (кривые 1-4J .На т. больlrtое влияние оказывает глубЙна залегания лефекта (кривые 6 и 7), причем с увеличением залегания sз возрастает. Меньшее влияние оказывает время нагрева тн и теплопроводность дефекта (кривые 5 и 8), причем увеличение этих параметров приводит к СнижеНию тэ, нение Д от },, при (с1"} (су)о; кривая J - изменение А о,г сд при (iy": :1t^yl; кривая 4 -- изменение А от )rо при (}"с)" _(}"с)о; кривые 5, 6, 7 определяют тз в завис}lмости от }"о, с\ и y, соответственно. Анализ кривых l и 2 наглядно показывает, что основным фактором, определяющим изменеFIие д и Tu, является отношение коэффиuиентов теплоIIроводности изделия и цефекта _},"fX". С уменьшением этого отношения выявляемость д и время экспозиции тэ возрастают. Влияние теп"цоемкости дефекта (кривые J и 6} несколько меньше, выявляемость .4 увеличивается при увеличении тепJIоемкQсти. Плотность дефекта практически не влияет на А и тr. На рис. lЗ.5 представле}Iы зависимости времени экспозиции от геометрпи дефекта и параметров нагрева полимерного пластика. Протяженность образЦа вдоль оси .r, t:0,1 м, ско, рость перемешения источника нагрева l/: l0-* м/с Нетрулно установить, мость минимально обнаруживаемого дефекта толщиной d в зависимости от раскрытия б и глубины залегания /r. Кривые построены для двух знаy9ний отношений },r/)"n:Q,| и 0,33, на рисунке совмещены результаты измерениЙ, связанные со значениями, заключенными в скобки и без них. Практически метод термолефектосколии использован для контроля теплоизоляции трубопроводов и оборулования ТЭС и АЭС, лефектов в железобетонных конструкциях, утечек в теплофикационных сетях и оборудовании, сварки, скрытых и подземных коммуникациЙ, дымовых труб, положения пустот в биологической защите, ограждающих конструкций зданий.

Метод термодефектоскопии бетона в стыке плит перекрытий производится по следующей схеме: источник тепла в виде инфракрасного излучателя (нить накаливания) с рефлектором перемещается вдоль оси стыка со скоростью v, обеспечивающей прогрев контролируемой зоны до 80-100'С. Вслед за источником на расстоянии, соответствующем оптимальному времени экспозиции теплового контраста на поверхности изделия, перемещается тепловизор. Возможны две схемы термодефектоскопии (рис.). В двусторонней (рис. а) схеме источник 3 перемещается с заданной скоростью v по одной стороне изделия 1, а приемник 4 тепловизора - по другой, смещенный на расстояние х, соответствующему эффективному времени tэ.

137

Современные тепловизоры имеют следующие технические характеристики: тепловое разрешение при комнатной температуре равно 0,20С, 0,10С - при I000С, угол мгновенного обзора - 1,3 рад.; разрешающая способность - 140 линий на l мм.

Контроль за укладкой бетона 6 uо лое uцес ко ti заu,luтьt электрастанцuй (ДЭС) .. Основное назначение сооружений биологической заlциты атомных электростанций - защита от проникающей радиации,, обусловленной потоками I,амма-лучей и нейтронов, возчlкlюцими в рабочей зоне АЭс. реактOров Эффективность защиты от гамма-лучей определяется плотностью материала в конструкциях биологической защиты, а защита от нейтронов - содержанием в единице объема ядер атомов водорода, бора и других химических элементов, эффективно взаи}.10действующих, с нейтронами. Контроль биологической защиты предпOJIагает сквозное просвечивание ее гамN{а- лучами, создаваемыми портативными переносными бетатрона]tIи, технологический контроль плотности и влажности свежеуложенной бетонной смеси при помощи переносных инструментальных плотномеров и влагомеров, а также контроль технологических и монтажных швов и стыков. Толцина бетонНОЙ Защиты, доступная для контроля излучением бетатронов, составляет 1-. 1,5 м; поэтому в конструкциях биологической защиты гtредусматриваются скважины, в которых устанавливают измерительные преобразователи (рис. l3.8, с) в виде скважинного зонда и,lи синхронно перемещающейся пары источн_икдетектор (рис. l3.8, б). 9 первом случае в скважину l, пробуренную в теле бетона 4, опуЪкается зонд с источником 2 и детектором 3. Во втором случае лробуриваются две скважины,, в одну из которых опускается источник 2, а в другую - детектор J. в качестве одного из наиболее подходяrцLIх материалов для защиты широко применяется бетон. Он достаточно плотен для того, чтобы эффективно ослаблять гамма-излуt{ения,- содер жит в химически связанном состоянии количество вOды, достаточное д"ця замедления нейтронов, в него легко вводятся добавки, необходимые для эффективного захвата замедленных нейтронов. Бетон обладает отличIlыми конструктивными свойствами *- достаточно прочен, легко формуется и дешев. однако неравномерное уплотнение и расслаивание бетонной смеси да)ке при средней плOтности бетона вызываьт появление

138

ослабленных мест в защите, через которые возможна, утечка излучений в количестве, опасном для IIеIJcOH ала ОЧевидно, что llовышенные требования к плотности, водородосодержанию и однородности бетонной cMecta, а также значительные трудности, возникающие при Укладке бетона с тяжелыми ззпол,i- нителями, вызывают необходимость применения такого метода контроля плотности, водородосодержания и однородности укладываемого бетона. который позволял бы непрерывtIо по ходу прои3водства работ оперативн0 обнаруживать дефекты уложенного бетона для их немедленного исправ.пения и t(oppekтировки правильнOсти технологии приготовления, укладки и уплотнения бетонной смеси. Требованиям оперативного кOнтроля качества бетона биологической заЙиты отвечает метод локального просвечивания участков свежеуложенного бетона при помощи гамма-излучателя и источника нейтронов небольшой мощности. Этот прием позволяет производить контроль непосредственно в блоке бетонирования. !,атчик_ (рис. l3.9) может быть применен либо в виде так называейой вилки ,(рис. l3.9, а), трезубша (рис. ]Р.9, б) или преобразоваiеля (Ь"..l3.9, в) с перемещающимся источником / при фиксированном положении детектора 2, когда источник и детектор погружаются на определенном раестоянии друг от друга в свежеуложенную оетонную смесь, либо в виде зонда, у которого источник .l погружается в бетон, а детектор 2 регистриilует излучение у поверхности бетона (Т- образный зонд, _ рис. l3.9, а;. Г- образЪый зонд, рис. l3.9, d). Тип контрольного прибора определяется из условий производства бетонных работ. При уклалке бетОна обычной плотности (2200-2400 кг/м3) применяется, как правило, способ укладки слоями около 30 см с последующим уплотнением бетонной смеси глубинными вибраторами. Д.ля укладки бѐтона с повышенной плотностью и тяжелых бетонов применяется как обычный способ укладки, с уменьшенной высотой слоев до 20-25 см, .гак и способы раздельной укладки. Измерение плотности и водородосодержания участков слоя свежеуложенного бетона позволяет осущеЪrвлять оперативный.контроль качества производства бетонных работ. Оператор, вооруженный контрольными п}иборами - радиоактивными плотномером и влагомером - обнаруживает дефекты кладки, вызванные различными недостатками приготовления, укладки и уплотнения бетонной смеси. Оперативность обнаружения лефектов позЬоляет немедленно, пока не прошли сроки с_хватывания бетона, исправлять их, избегая дорогостоящих последующих переделок, а при систематических нарушениях плотности и водородосодержании укладываемого бетона, вызванных неправильным режимом работы технологического оборудования, дает возможность немедленно вносить в нее коррективы На рис. l3.10 прелставлены кривые распределения плотности бетона; по"лученные посредством измерения плотномером на опытных укладках, произведенных для сравнения качества трех п1о добранных состаtsов бетона. Кривая соответствует бетону на мЬлком ЩебНе с т: 1,56 г/м', кривая 2 _на 50% мелкого и 50ol крупного_щебня с y:1,56 т/м3, а криЪая"3 - на щебне с -у: 1Jl т/м3. Из аi{ализа кривых 1 и 2 следует, что хотя беiон на крупном щебне и имеет

139

большую среднюю плотность, но за счет неоднOродности процент бетона с плотностью ъtиже 2,2 т/м3 примерно одинаков, Применение щебня с 'большой плотностью (кривая 3) лает значительное повышение плотности бетона. Путем сравнения подобных кривых, полученных при опьiтных укладках, можно объективно оценить пригодность подобранных составов беiона для биологической защиты. виб_рПиррио вваынбиояр е рациональных режимов бетонных смесей предлолагается опреде,,Iение следующих параметров; амплитуды, частоты, длительности вибрационного воздействия, а Также радиуса эффективного чплотне_ния. Мерой эффекfивносr" вибрацrонной обработки смеси является достижение заданных стрyктурно-механичесKlix свойств готового бетона при заданной производительности вибромеханизмов. Конечным итогом виброобработки смеси является уменьшение объема воздушных пор за счет выделения воздуха, т. е. уплотнение смеси, увеличение ее плотности. перед вибрированием на определенных расстояниях от оси вибратора в задаяных точках изделия Устанавливаются радиоизOтопные датчики. Тип датчика определяется В опытdв, можно выбрать оптимальные расстOяния и время вибрирования, при которых неоднOродность будет наименьшей. Совмещенные кривые (см. рис. i3,1l) tlересекают вертикалями, сотВеТСТВУющими наиболее характерным значениям времени вибрирования Ir, Tz, Тз и оПреДеЛяЮТ ДЛя них зНачения среднего т и среднеквадратичного о.l, которые характеризуют общий ход кривых интенсивности уплотнения. Следует заметить, что вследствие расслоения смеси может оказаться, что длительное уплотнение ухудшает однородность смеси. Наиболее удобный и простой метод контроля качества бетона биологической защиты - локальное измерение плотности т пли водородосодержания И при помощи ,радиоизотопного плотномера или влагомера, причем оценка этих параметров производится по формулам Ku - Tr,n/T*oou t,tЛИ КФ : V ^in/ V{г.iе "ор", Tr;n, ,'Vпiп - Ваиценьшее в серии измерение плотности Йли водородосодержанияi }норм, И*ор* - нормативное для данного сооружения значение плотности или водородосодержания, I 3.4. MeToOuKa статuстuцескоео контроля бетона б uо ло е uц е с ко Ii з аlцuт bL по велuцuне плотностu uлu воаороаосоOерэrcанuя Структурно-механические свойства бетона, укладываемого в изделие или сооружение в лроцессе производства, претерпевают непрерывные случайные изменения, обусловленные неполадками в работе, оборудования; естественными изменениями режимов работы l\,1еханизмов, неоднородностью качества составляющих, ошибками персонала при работе с механизмами. Эти причины вызывают либо одностороннее и систематическое отклонение структурно-механических свойств от номинала, либо случайные отклонения ts разные стороЁtы и в разные моменты времени. Изменение структурно_механических свойств количественно характеризуется вариациями статистических параметрOв случайной ограниченной по объему выборки из n измерениЙ плотнOсти (или водородосодержания) Yl, или Иi, взятоЙ из обшеЙ массы (генеральноli совокупности) значениЙ, Это срелнее в выборке Т, V/, среднеквадратическое б, размах R, медиана м и т. д. Стабильный технологическирi процесс

140

характеризуется относительным лостоянством этих параметров. Чтобы организовать стабильный техI-Iологический процесс, нужно обнаружить и устранить причины систематических отклонений и уменьшить вJIияние случайных отклонений от пределов, обеспечивающих заданные структурно_механиI{еские свойства. Признакошt на рушения стабилL,ного технологического процесса служит существенное смещение во времени средних Т, W или увеличение среднеквадратических о в выборках. Статистические методы позволяют количественно оценивать отклонение статистических параметров от нормы. Информаuия для статистического контроля в виде выборок из п измерений плотности и водOродосодержания свежеуложеннOго и уплотнснного бетона лолучается в прошЪссе оперативного контроля. На основе периодически отбираемых выборок из п измерений плотности т строится контрольная карта (рис. l3.12), изображающая изменение во времени статистических параметров случайной выборки (среднего значения Y и стандарта о,). i{онтрольная карта фиксирует изменение параметров, которые обусловлива-ют характер протекания процесса. На рис. l3,12 точка 1 соответствует статистическим параметрам в выборке, 2 контрольные пределы. - l3.5. РаOuоuзотапньrй е_алl,.лtалуче во й d е фектос коп dля контроля заuluтньlх стенок б uолоа uч ес ко й заuluт bL Д,ефектоскоп защитных стенок, использующий принцип прямого прОсвечивания гаl\.Iма-лучами, позволяет оперативно вмешиваться в производств.енный процесс, обеспечивая надежныи контроль и своевременное устранение выявленных недостатков. fiефектоскоп предназначен для контроля плотности и однородности, как свежеуJоженного, так и затвердевшего бетOна с плотIlостью до 6500 кг/м3, (онтроль изделий производится при помощи переносной металлической рамы, оборулованной блоками. Схема контроля представлена на рис. l3.13. В качестве источника гамN{а-излчче1!я в лриборе использ}.ется кобальт 60 активностью 1.5 ГБй, Такая величина активности обеспечивает нормальную работу дефектоскопа при толщине защиты l от 20 до 30 см. Источник помещен в свинцовый контейнер, обеспечивающий безопасность рабо;гы пер_ сонала. Имеются источник питанйя 6 и блок уtIравления Z, механическое приспособление 4 позволяет перемещать источник 9 в контейнепе 8 и кассету 2 с усилительной пристiвкой вдоль контролируемой стенки с соблlодением соосности и 1]остоянства базы между источником и кассетой, Помимо горизонтальных перемещений можно прOизводить и вертикальные, т. е. просвечивать стенки высотой до l0 м. Уси"rительная приставка J и блок управления' соединены с кассетой, и все вместе пOмещены в предохранительный кожух. Тарировка прибора производится на ста"rьной форме, заполненной скрапом. толп{ина образuа в направ.цении про свечивания дOлжна быть равна толuIине контролируемой стенки. Fiлина образша -- 50 см, высота -- 30 см. Стенки образца (лицевая и задняя) соOтветствуют облицовке просвечиваемой стены. В нижней части у днища формы предусматривается отверстие со штyцером. В форму укладывается скрап по технологии, trредусмотренной техническими ус,]овиями на