Приложение Е. Примеры использования метода инфракрасной термографии для диагностики усталостных трещин в металлических пролетных строениях автодорожных мостов

Приложение Е. Примеры использования метода инфракрасной термографии для диагностики усталостных трещин в металлических пролетных строениях автодорожных мостов

Е.1 Сталежелезобетонное пролетное строение

Мост введен в эксплуатацию в 1986 году, суточная интенсивность движения автомобилей составляет 24104 авт./сут. Пролетные строения моста - разрезные балочные сталежелезобетонные, выполнено по схеме 42,3х63х42,3 применительно к типовому проекту 3.503-50, инв. N1180/3. Поперечное сечение представлено на рисунке Д.1. Железобетонная плита проезжей части имеет наращенные консоли.

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Имеется в виду "на рисунке Е.1"

Рисунок Е.1 - Поперечное сечение сталежелезобетонного пролётного строения

Через 32 года эксплуатации на конструкции были зафиксированы усталостные трещины в сварных швах прикрепления стенки главной балки к верхнему горизонтальному листу и в стенках балок по концам верхних сварных швов (рисунок Е.2).

Из-за резкого увеличения интенсивности движения за последующие 4 года произошло интенсивное развитие имевшихся трещин и появление новых. Динамика развития неисправностей приведена в таблице Е.1.

Рисунок Е.2 - Усталостные трещины в сварных швах:

а) схема; б) фотография

Таблица Е.1 - Усталостные трещины в сталежелезобетонном пролетном строении после 32 и 36 лет эксплуатации

32 года эксплуатации	36 лет эксплуатации
ПС1, балка Б1 на опоре N 1, опорное ребро жесткости, длина 200 мм	балка Б1 на опоре N 1, опорное ребро жесткости, длина 285 мм
ПС1, балка Б2 на опоре N 1, опорное ребро жесткости (РЖ1), трещина в стенке балки по концу верхнего сварного шва	ПС1, балка Б2 на опоре N 1, опорное ребро жесткости, трещина в стенке балки по концу верхнего сварного шва и новая трещина, отделяющая верхний пояс стальной балки от стенки
ПС1, балка Б1, ребро жесткости N 16, трещина в стенке балки по концу верхнего сварного шва	ПС1, балка Б1, ребро жесткости N 16, трещина в стенке балки по концу верхнего сварного шва и новая трещина, отделяющая верхний пояс стальной балки от стенки
Отсутствовала
	ПС2, балка Б2, ребро жесткости N 20, трещина в металле сварного шва
отсутствовала
	ПС2, балка Б2, ребро жесткости N 20, трещина по сварному шву прикрепления ребра жесткости к верхнему поясу балки
отсутствовала
	ПС2, балка Б1, ребро жесткости N 24, трещина в металле сварного шва
отсутствовала
	ПС3, балка Б2, ребро жесткости N 12, трещина, отделяющая верхний пояс стальной балки от стенки

Диагностирование усталостных трещин выполнялось с помощью инфракрасной камеры с неохлаждаемым микроболометром Fluke Ti400, имеющей тепловую чувствительность NETD менее 0,05°С, размер матрицы 320 х 240, объектив 24° х 17° и частоту съёмки 9 Гц. В момент съёмки с помощью тензосистемы Тензор-МС фиксировались значения нормальных напряжений. Съёмка проводилась с расстояния около 20 см. Изображение оборудования представлено на рисунке Е.3.

Инфракрасная съёмка проводилась в момент прохождения автомобильной нагрузки по мосту. По результатам съёмки был получен пакет термограмм, который в последующем был обработан специально разработанным алгоритмом. Результаты обработки представлены на рисунках Е.4 и Е.5.

Рисунок Е.3 - Расположение измерительного оборудования

а) схема; б) фотография

Рисунок Е.4 - Результаты инфракрасной съёмки:

а) исходная термограмма; б) обработанная термограмма; в) фотография трещины

Рисунок Е.5 - Результаты инфракрасной съёмки

а) исходная термограмма; б) обработанная термограмма; в) фотография трещины.

Как следует из этих рисунков, наилучшим образом разогрев зафиксирован на трещине, отделяющей верхний пояс стальной балки от стенки (см. рисунок Е.4, б). Значительно меньшая интенсивность диссипации энергии отмечена в вершине трещины в стенке балки по концу верхнего сварного шва (см. рисунок Е.5, б). Это указывает на то, что трещина, показанная на рисунке Е.4, в, продолжает интенсивно развиваться и это подтверждается значительным (более 30%) увеличением ее длины за 4 года. Эта трещина привела к снятию поперечных и изгибных воздействий с трещины по концу верхнего сварного шва и поэтому последняя развития не получила.

Е.2 Подвесное пролетное строение вантового моста

Вантовый мост введен в эксплуатацию в 2000 году. Средняя суточная интенсивность движения по мосту составляет 12712 авт./сут. Поперечное сечение балки жесткости подвесного пролетного строения показано на рисунке Е.6.

Рисунок Е.6 - Поперечное сечение балки жесткости подвесного пролетного строения вантового моста и области образования усталостных трещин

Через 20 лет эксплуатации в балке жесткости пролетного строения были обнаружены трещины множественные трещины (более 40 шт.) по сварному шву прикрепления нижнего поперечного ребра жесткости к листу настила. По степени развития такие трещины разделены на два типа - трещины, которые не имеют выхода в нижний лист настила коробчатого сечения и имеют длину от 5 до 25 мм (тип 1, рисунок Е.7) и трещины, длина которых варьируется от 25 до 40 мм и которые выходят в нижний лист коробчатого сечения (тип 2, рисунок Е.8).

Через год такие же трещины (около 30 шт.) были обнаружены при детальном осмотре балочного (неподвесного) пролетного строения.

Осмотром, проведенным через год после первого обнаружения трещин, было установлено, что некоторые из трещин получили развитие. Так, например длина одной из трещин увеличилась в 2,2 раза (рисунок Е.9).

Рисунок Е.7- Изображение трещины 1 типа, не имеющей выхода в нижний

лист сечения а) схема трещин, б) и в) фотографии

Рисунок Е.8 - Изображение трещины типа 2, имеющей выходы в стенку и нижний лист сечения:

а) схема трещин; б) и в) фотографии

Рисунок Е.9 - Изображение растущей трещины

Увеличению длины трещины способствует накопление повреждений за каждый цикл приложения нагрузки, при этом, согласно теоретическим выкладкам и экспериментальным работам накопление повреждений сопровождается выделением энергии, что приводит к саморазогреву материала конструкции.

Для регистрации явления саморазогрева и в последующем установлении предрасположенности трещины к развитию была выполнения инфракрасная съёмка. Съёмка выполнялась с помощью инфракрасной камеры Fluke Ti400, имеющей тепловую чувствительность менее 0,05 °С и частоту съёмки 9 Гц. Съёмка проводилась с расстояния от 20 до 25 см. Расположение измерительного оборудования представлено на рисунке Е.10.

Рисунок Е.10 - Расположение съёмочного оборудования:

а) схема; б) фотография

Съёмка производилась в момент прохождения автомобильной нагрузки по мосту. В качестве объектов исследования были выбраны несколько трещин типа 1 и несколько трещин типа 2. Особое внимание заслуживали трещины типа 1, поскольку по наличию саморазогрева металла (рисунок Е.11) можно судить о дальнейшем их развитии.

При выполнении работ по диагностике усталостных трещин методом инфракрасной термографии были также зафиксированы случаи, когда "тепловое пятно" в области вершины трещины отсутствовало (рисунок Е.12). Это говорит о том, что на момент наблюдения трещина не развивалась. Это подтверждается визуальной оценкой - спустя 7 месяцев трещина не перешла отметку, оставленную по её вершине в октябре 2020 года.

Рисунок Е.11 - Результаты съёмки трещин типа 1:

а) и в) исходные термограммы; б) и г) обработанные изображения (видны обе трещины

Аналогичный результат (отсутствие саморазогрева) можно увидеть при обработке записей, полученных при инфракрасной съёмке бездефектных сварных узлов ортотропной плиты проезжей части (рисунок Е.13).

Рисунок Е.12 - Результаты инфракрасной съёмки усталостной трещины в сварном шве, вышедшей в нижний лист

Рисунок Е.13 - Результаты инфракрасной съёмки сварного узла ортотропной плиты проезжей части

Е.3 Неразрезное металлическое пролетное строение с ортотропной плитой проезжей части и подпругами

Мост введён в эксплуатацию в 1995 году. Интенсивность движения на мосту составляет 13626 авт./сут. Пролётное строение моста - металлическое балочное неразрезное, выполнено по схеме 84,7+136,5+168+136,5+84,7 м. Поперечное сечение пролётного строения состоит из двух несущих коробок с ортотропной плитой проезжей части (рисунок Е.14).

Первая усталостная трещина в сварном шве прикрепления продольного ребра к листу настила ортотропной плиты проезжей части с выходом в ребро были обнаружены через 26 лет эксплуатации. Еще через 10 лет была зафиксирована вторая аналогичная трещина (рисунки Е.15 и Е.16).

Рисунок Е.14 - Схема расположения датчиков на ортотропной плите проезжей части

Рисунок Е.15 - Схематическое изображение усталостной трещины, расположенной в продольном ребре

Рисунок Е.16 - Трещины по сварному шву прикрепление продольного листа к листу настила и продольном ребре, пролет N 4, панель N 8, ребро N 2 от Б1

Следует отметить, что эти трещины идентичны трещинам, отмеченным на подвесном пролетном строении (см. п. Е.2) - начинаются по сварному шву между стрингером и листом настила и затем раздваиваются, уходя под 45° в ребро жесткости (стрингер) и под 90° - в лист настила. Причем длина трещин в листе настила не превышает 20 мм.

Испытания проводили под проходящей нагрузкой с расстояний не более 0,2 м. Для контроля напряжений и последующей синхронизации данных измерений на ребра жесткости и лист настила устанавливали тензодатчики с базой 50 мм измерительной системы Тензор-МС (рисунок Е.17).

По итогам были записаны тензограммы изменения напряжений, нормированные значения которых представлены на рисунках Е.18.

Рисунок Е.17 - Размещение измерительного оборудования:

а) схема; б) фотография

На рисунках Е.18, а, б изображены сигналы: синий - температурный, красный - изменения напряжений. На графиках приведены нормализованные значения обоих сигналов, нормализация выполнена типа "макс-мин", в этом случае, самому минимальному значению сигнала соответствует 0, а максимальному 1. Все значения температурного сигнала умножены на -1. Графики на рисунках Е.18, а, б получены в продольном ребре жесткости при прохождении различных транспортных средств и показывают синхронное изменение напряжений и температуры.

С помощью инфракрасной камеры были исследованы усталостные трещины, выходящие в лист настила и в продольное ребро (рисунок Е.19).

Как следует из рисунка Е.19, вершина усталостной трещины в листе настила также уверенно фиксируется, хотя разогрев здесь значительно меньше, что в ребре.

Рисунок Е.18 - Графики изменения напряжений в продольных рёбрах ортотропной плиты под проходящим седельным тягачом, совмещенные с изменениями температуры (изменения температуры приняты с обратным знаком)

Рисунок Е.19 -Усталостная трещина в листе настила:

а) обработанная термограмма, б) фотография

Е.4 Пролетное строение комбинированной системы "арка-ферма-балка"

Мост был сдан в эксплуатацию в 2004 году. Интенсивность движения по мосту составляет 4300 авт./сут. Пролётное строение моста состоит из балочной неразрезной и комбинированной частей. Комбинированная система типа арка-ферма-балка имеет схему 136,5+231+136,5 м.

Конструкция балочной части комбинированного пролётного строения имеет в своём составе четыре главных балки с ортотропной плитой проезжей части. Поперечное сечение пролётного строения представлено на рисунке Е.20.

При выполнении работ по обследованию моста через 21 год эксплуатации визуальным осмотром и капиллярным методом было выявлено большое количество усталостных трещин в сварных швах прикрепления вертикальных рёбер жёсткости к верхнему листу главных балок Б2 и Б3. Местоположение и вид трещин показаны на рисунке Е.21.

Контроль выявленных усталостных трещин был выполнен методом инфракрасной термографии с помощью инфракрасной камеры Fluke Ti400. Для этого камера устанавливалась на расстоянии 20-25 см от снимаемой поверхности. Размещение оборудования показано на рисунке Е.22. Поскольку при проведении капиллярного исследования поверхность металла была зачищена от краски, то для проведения теплового контроля зона трещины была покрыта слоем графитового спрея.

Рисунок Е.20 - Поперечное сечение балочной части комбинированного пролётного строения

Рисунок Е.21 - Характерная усталостная трещина в сварном шве прикрепления ребра жёсткости к верхнему листу главной балки а) расположение трещины; б) вид трещины

По результатам инфракрасной съёмки был получен пакет термограмм, который далее был обработан по алгоритму, описанному в основном тексте Рекомендаций (рисунок Е.23).

Тепловизионный контроль показал, что капиллярным способом, визуальным осмотром, а также ультразвуковой диагностикой были выявлены не все возможные трещины. На рисунке Е.24 показан узел конструкции, не имеющий видимых усталостных повреждений.

Рисунок Е.22 - Размещение измерительного оборудования: а) схема, б) фотография

Рисунок Е.23 - Результаты инфракрасной съёмки: а) исходная термограмма, б) обработанное изображение

На рисунке Е.25 показан результат обработки пакета термограмм носка сварного шва без видимых трещин. Из этого рисунка видно, что при проходе автомобильной нагрузки в сварном шве наблюдается интенсивный саморазогрев металла, что свидетельствует о протекающем скрытом процессе развития микроповреждений. При этом очертания зоны саморазогрева выглядят более размытыми, чем при наличии видимой трещины (см. рисунок Е.23).

Рисунок Е.24 - Сварной шов без видимых усталостных повреждений

Рисунок Е.25 - Обработанное инфракрасное изображение внешне бездефектного носка сварного шва