Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
КОВАЛЕНКО Роман Геннадьевич
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРИЧАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ ТИПА БОЛЬВЕРК
Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2012
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Работа выполнена в Дальневосточном федеральном университете Актуальность работы. По статистике в России более половины от общего количества причальных сооружений морских портов имеют значительные уровни физического износа, что в свою очередь значительно сни
Научный консультант:
жает их надежность и повышает опасность возникновения аварийных сичлен-корреспондент РААСН, туаций. Одной из причин, по которой в качестве исследуемого объекта доктор технических наук, профессор Беккер Александр Тевьевич были выбраны причальные сооружения в виде тонкой стенки, являлась их широкая распространенность (65% от общего числа в России).
Федеральная программа Модернизация транспортной системы Рос
Официальные оппоненты:
сии (2002 2010) предусматривает рост объема перевалки грузов в портах на Штильман Владимир Борисович, доктор технических наук, 82%. Федеральный закон о безопасности гидротехнических сооружений Открытое акционерное общество ВНИИГ имени Б.Е.Веденеева, № 117-ФЗ предполагает повышение эксплуатационной надежности и уровня отдел Диагностика сооружений, механического оборудования научного обеспечения обследования ГТС за счет разработки современных и сопровождение спецработ, ведущий научный сотрудник методов расчета прочности, безопасности, устойчивости и долговечности сооружений, а также внедрения информационных технологий для анализа данСоколов Владимир Алексеевич, кандидат технических наук, профессор, ных и моделирования.
Санкт-Петербургское государственное бюджетное образовательное Гидротехнические сооружения являются сложными техническими учреждение высшего профессионального образования объектами, которые одновременно подвергаются воздействию большого Петербургский государственный политехнический университет количества техногенных факторов и факторов внешней среды с перемен(ФГБОУ ВПО СПбГПУ), кафедра Строительные конструкции и материалы, заведующий кафедрой ной интенсивностью. В ходе строительства и эксплуатации многие пара метры сооружения могут выйти из области разрешенных допусков. Разра ботка научно обоснованных подходов к совершенствованию систем мони
Ведущая организация: торинга сооружений, оценке технического состояния, к прогнозированию Специальное проектное и конструкторско-технологическое бюро остаточного ресурса и рисков аварий при стихийных бедствиях, является Ленгидросталь филиал ОАО Трест Гидромонтаж актуальной задачей.
(СПКТБ Ленгидросталь) Морские гидротехнические сооружения непрерывно подвергаются действию агрессивной морской среды. Для многих сооружений техниче
Защита состоится ______________ часов на заседании ское состояние определяется скоростью разрушения конструкций вследстдиссертационного совета ДМ 512.001.вие морской коррозии. Таким образом, косвенный ущерб от коррозии мопри Открытом акционерном обществе ВНИИГ имени Б.Е.Веденеева, жет быть довольно значительным и выражаться в снижении надежности по адресу: 195220, Санкт-Петербург, ул.Гжатская д. сооружений, повышении расходов на ремонт, увеличении времени простоя из-за отказов, затрат на устранение последствий аварий и т.д.
Коррозия, также как многие из сопутствующих деградационных процессов, представляется нам случайной величиной и зависит от време
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической ни. В связи с этим имеет смысл рассмотреть возможность применения вебиблиотеке ОАО ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева роятностных моделей для прогнозирования долговечности стальных конструкций ГТС с учетом динамики и переменной весомости факторов, влияющих на деградационные процессы.
Автореферат разослан л 2012 г.
Необходимо проанализировать эффективность применения различных моделей коррозии, предложить методику их применения для прогнозирования сценариев изменения технического состояния причалов. Требуется
Ученый секретарь диссертационного совета, сделать сопоставление с нормативным расчетом, разработать рекомендации кандидат технических наук Т.В. Иванова по применению моделей, оптимизации проектирования и эксплуатации со- ний Дальнего Востока, а, следовательно, выбрать более рациональные и оружений, минимизации рисков, повышению надежности. эффективные решения по ремонту и реконструкции причалов.
Целью работы является совершенствование методик долгосрочноРекомендации по расчету долговечности с применением долгосрочго прогнозирования технического состояния причальных сооружений типа ной прогнозной вероятностной модели коррозионного износа могут быть больверк с учетом коррозионного износа.
использованы при проектировании и эксплуатации морских портов, оргаОсновными задачами
работы являются:
низаций-контролеров, занимающихся диагностикой и ремонтом морских 1. Анализ и статистическая обработка данных по техническому согидротехнических сооружений. Результаты являются дополнением к норстоянию шпунтовых стенок причальных сооружений Дальнего Востока.
мативному расчету коррозии.
2. Идентификация подходов к описанию изучаемых процессов и На защиту выносятся анализ значимости факторов, влияющих на эти процессы.
1. Математические модели и уточненные по натурным данным, па3. Создание математических прогнозных моделей морской коррозии раметры деградационных процессов причальных сооружений Дальнего стальных конструкций, верификация моделей.
Востока.
4. Разработка рекомендаций для долгосрочного прогнозирования 2. Методика долгосрочного прогнозирования технического состоянадежности больверков на основе прогноза деградационных процессов (на ния стальных конструкций морских ГТС на примере причального соорупримере коррозии).
жения в виде тонкой стенки.
Объектом исследования являются причальные сооружения типа 3. Пример применения разработанных методик для оценки техничебольверк.
ского состояния реальных причальных сооружений с учетом сейсмических Предметом исследования является уточнение, разработка и совервоздействий и коррозионного износа.
шенствование методик оценки надежности и прогнозирования изменения Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована технического состояния морских причальных сооружений с учетом коррообщепринятыми апробированными исходными положениями, согласовазионного износа.
нием теоретических результатов с результатами испытаний и наблюдений.
Методы исследований. В работе были использованы методы матеСоответствием и непротиворечивостью результатов нормативным и осматической статистики и теории вероятностей, теории надежности, метоновным общепринятым положениям.
ды численного моделирования. Для решения многих практических задач Результаты исследований использованы в отчетах НИР ДВГТУ (20использовались средства анализа и обработки данных.
2008), ДальНИИС РААСН (20052009), в учебном процессе Строительного Информационная база исследований включает отчеты и данные института ДВГТУ по дисциплине Обследование и ремонт ГТС.
обследований портовых сооружений (предоставлено ООО НПО ГидроАпробация работы:
текс), а также (монографии, Интернет-ресурсы, материалы из научных Основные положения работы были представлены на следующих журналов и конференций, нормативные документы, собственные модели и конференциях: ISOPE PACOMS (Владивосток, 2004), International Young результаты расчетов).
ScholarsТ Forum of the Asia-Pacific Region Countries (Владивосток, 2005, Научная новизна работы состоит в следующем:
2007, 2008), Исследование, разработка и применение высоких технологий 1. Предложена новая методика прогнозирования надежности больв промышленности (С-Петербург, 2006, 2007), Молодежь и научноверков на основе вероятностных моделей коррозии.
технический прогресс (Владивосток, 2005, 2006, 2008, 2009), Интернет2. Уточнены закономерности физического износа стальных констконференция Состояние современной строительной науки (Полтава, рукций и разработаны методики долгосрочного прогнозирования их тех2007), Города России: проблемы строительства, инженерного обеспеченического состояния.
ния, благоустройства и экологии (Пенза, 2007), Международная научно3. Обработаны результаты натурных наблюдений и уточнены паратехническая конференция, посвященная 85-летию со дня рождения проф.
метры коррозионных процессов для морских причальных сооружений П.П. Ступаченко (Владивосток, 2008), ISOPE Conference (2009 2011), Дальнего Востока.
Строительная наука и практика: Всероссийская научно-практическая 4. Разработаны рекомендации по оценке и прогнозированию техничеконференция (Чита, 2010).
ского состояния причальных сооружений типа больверк с применением Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных рачисленного моделирования и разработанных вероятностных моделей.
бот, среди которых 2 в рецензируемых ВАК изданиях, 3 в международной Практическое значение. Прогнозирование и статистика позволяет реферативной базе отслеживания цитируемости научных статей SCOPUS.
выявить закономерности деградационых процессов причальных сооруже2 Структура и объем диссертации Деградационные процессы, такие как коррозия, оказывают значиДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка тельное влияние на эксплуатационную надежность сооружений. Ученые, внесшие большой вклад в развитие теории надежности и методов диагнолитературы и приложения. Она содержит 158 страниц текста, 72 рисунков, стики: Биргер И.А., Болотин В.В., Златоверховников Л.Ф., Мирцхулава 39 таблиц и список литературы из 119 наименований.
Ц.Е., Ржаницын А.Р. и др. Применение вероятностных моделей в теории надежности также рассмотрено в работах таких ученых: Аугусти Г., БаратОСНОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
та А.,Богданофф Дж., Болотин В.В., Гнеденко Б.В., Зайнетдинов Р.И., Во введении обоснована актуальность, обозначены цели и задачи Иващенко И.Н., Кашиати Ф., Козин Ф., Кумамото Х., Малаханов В.В., исследования, определена общая направленность работы.
Манапов А.З., Физдель И.А., Хенли Э.Дж., Черепахин А.П., Шор Я.Б., В первой главе проведен обзор распространенных морских гидроЧирков В.П, Штанько Л.Ф., и др.
технических сооружений, имеющих металлические конструкции, которые Исследованием надежности и безопасности гидротехнических соподвергаются морской коррозии. Рассмотрены особенности коррозионных оружений занимались Альхименко А.И., Беккер А.Т., Беляев Н.Д., Будин процессов.
А.Я., Гинсберг Р.И., Горюнов Б.Ф., Костин И. В., Костюков В.Д., Петросян Обзор технического состояния причальных сооружений Дальнего В.И., Пойзнер М.Б., Самарин В.Ф., Смирнов Г.Н., Стефанишин Д.В., ФиВостока показал, что большинство из них имеет значительные уровни финагенов О.М., Фомин Ю.Н., Цыкало В.А., Шафир И.Н., Школа А.В., Якозического износа (до 70 %). Часто встречаются опасные дефекты, являювенко В.Г., Яковлев П.И., и др.
щиеся следствием коррозии (рис. 1).
Принимаемые по нормам запасы надежности предназначены для Коррозионные процессы очень разнообразны и их исследованию удекомпенсации нашего незнания о реальных, часто случайных, процессах и ляется большое внимание. Отметим некоторых исследователей: Акимов их изменениях с учётом и износа. Зная законы распределения таких проГ.В., Антропов Л.И., Герасименко А.А., Дружинин С.И., Кеше Г., Кистяковцессов, можно определить вероятность пребывания сооружения в некотоский В.А., Колотыркин Я.М., Москвин В.М., Пурбе М., Розенфельд И.Л., Руром состоянии. Основная сложность для вероятностного подхода недосбецкая Т.В., Семенова В.И., Томашов Н.Д., Флорианович Г.М., Фрумкин А.Н., таточная информация по распределению нагрузок и воздействий.
Шлугер А.М., и др. Вероятностные модели для описания коррозионных про- Для задач оценки долговечности конструкций, требуются знания о цессов были предложены в работах Арутюняна Р.А., Ван Гелдера П., Вридж- законах распределения, динамике и физико-химических особенностях делинга Х., Костюкова В.Д., Майстренко И.Ю., Манапова А.З, Маннапова Р.Г., градационных процессов, что требует проведения экспериментов и наблюН. Мд. Нура, Мустафы З., Сахненко М.А., Яхайя Н., Фортейна Е. и др. Обзор дений. По результатам обзора в области прогнозирования технического показывает, что вероятностный подход к моделированию коррозии оказался состояния нами сделаны выводы:
удачным и позволил более эффективно решать практические задачи, но все 1. Простейшие физико-химические и математические модели могут эффективно применяться лишь в случаях с небольшим числом факторов еще требует совершенствования.
при условии, что имеется достаточно информации о возможных изменениях этих факторов. Коррозия стальных конструкций в морской воде зависит от множества различных факторов, влияние многих из них не в достаточной мере изучено.
2. Выражение показателей долговечности и безотказности в форме экономического ущерба не всегда оправдано по причине значительного влияния на стоимостные показатели экономических и социальных факторов, что приводит к большей неопределенности.
3. Детерминированные эмпирические и полуэмпирические модели, даже учитывающие множество факторов, не могут учесть случайный хаРис. 1. Дефекты причальных сооружений рактер и различную весомость многих из этих факторов. Кроме того, под тверждено исследованиями, что вероятностные модели в подобных задачах, как правило, эффективнее детерминированных.
Коррозионные процессы очень разнообразны, что в свою очередь 4. Натурные данные по коррозии обычно описываются различными сильно осложняет создание обобщенных моделей и требует экспериментеоретическими законами методом подгонки. Необходимо расширение тальных исследований.
4 экспериментальных исследований и теоретическое и обоснование выбора мость оценки их значимости. Если факторы не равнозначны, то закон расзаконов распределения. пределения определяется наиболее значимыми из них. Согласно нашим 5. Попытка строить вероятностные модели, основываясь на предпонаблюдениям, очень значимый фактор принадлежность к зоне (подводложении нормальности (ссылаясь на ц.п.т. теории вероятности), не обосная; подземная; переменного уровня). Имеет смысл каждую из зон расновано до тех пор, пока не подтверждено, что факторов, влияющих на смотреть в отдельности, определить весомость факторов для каждой из процесс коррозии, много и они имеют равную весомость. Кроме того, резон.
зультаты многих наблюдений дают основание усомниться в таком подходе Предположительно, одной из основных причин увеличения разброк морской коррозии.
са величин коррозионных повреждений со временем, является одновреВо второй главе рассматриваются способы повышения точности менное протекание параллельных процессов, сопровождающихся появлепрогноза технического состояния больверков. Для этого важно знать иннием разных видов коррозии (рис. 2A). Локальные виды коррозии отличатенсивность и сочетание деградационных процессов, которым подвергаются от сплошной большими скоростями растворения металла, при этом ются материалы конструкций в процессе эксплуатации.
окальные повреждения способны к объединению.
Коррозия включает в себя большое число различных процессов и Предполагаю, что наиболее значимые факторы (рис. 2Б):
часто является причиной значительного снижения долговечности соору1) зона, в которой происходит коррозия (подводная; переменного жений. Она зависит от многих факторов, имеющих различную весомость, уровня).
многие из которых являются случайными (географическое положение;
2) локализация коррозионных процессов (зависимость интенсивнотечения; попеременное смачивание; доступ атмосферных газов; обрастасти локального и сплошного коррозионных процессов от времени).
ние; замораживание-оттаивание; контакт с морской водой; воздействие химических веществ; блуждающие токи и т.д.). Опираясь на результаты наших натурных наблюдений, необходимо разработать модели и проанализировать возможность, применимости различных подходов к задаче долгосрочного прогнозирования морской коррозии стальных конструкций.
Рассмотрим следующие подходы:
1) Эмпирический подход, направленный на создание простой регрессионной модели;
2) Теоретико-эмпирический дедуктивный вероятностный подход;
3) Теоретико-эмпирический индуктивный вероятностный подход.
В качестве примера рассмотрим коррозию шпунтовой стенки больРис. 2. Схема развития коррозии (А) и факторы коррозионного процесса (Б) верков. База данных натурных исследований принадлежат ООО НПО Гидротекс.
Полиномиальная регрессионная модель коррозии.
Рассматривая вероятностный подход, следует отметить, что многие Детерминированную регрессионную модель в общем виде предстаисследователи используют нормальный закон для описания величины вим так коррозионных повреждений в вероятностной форме, ссылаясь на ценy(x1, x2,..., xn ) f (x1, x2,..., xn ) (1) тральную предельную теорему (ц.п.т.).
В соответствии с ц.п.т., распределение среднего для последовательгде y - выходной параметр; x1,x2,Е,xn - множество входных параметров; f - ности из n случайных величин (в том числе разнораспределенных) с кофункция, определяющая связь между входными и выходными параметрами.
нечной дисперсией, с увеличением n ( n ) будет приближаться к норСуществует два подхода к идентификации функции f.
мальному. Важным условием, определяющим применимость ц.п.т. являет1. Теоретический. Вид функции определяется на основе теоретичеся пренебрежимо малый вклад каждого фактора в отдельности. Во многих ских предположений о связи входных параметров;
случаях наблюдаемое распределение действительно близко к нормально2. Эмпирический. Вид функций определяется из условия наименьму, но бывает и так, что коррозия имеет более сложные распределения.
шей ошибки (метод наименьших квадратов) между наблюдаемыми предМожно предположить, что в некоторых случаях влияние каких-то сказанными значениями В этом случае стараются подобрать наиболее профакторов более значительное, в соответствии с чем, возникает необходистую функцию, обычно используется полиномиальная функция (табл.1).
6 На практике часто используется простая модель без входных параметров, (остаточная толщина шпунта) стремится к нормальному, независимо от где y - скорость коррозии (мм/год) для акватории. распределения каждого из факторов. Однако имеются основания предполагать, что некоторые факторы оказывают значительно более сильное y = const (2) влияние, чем остальные. Тогда утверждение, что морская коррозия стальВероятностная модель коррозии на основе дедуктивного подхода.
ных конструкций должна соответствовать нормальному закону, может На первом этапе создаем модель без каких-либо начальных предпобыть подвергнуто сомнению. Это так же подтверждается во многих слуложений о влиянии факторов на процесс коррозии. Целью являлось нахочаях наблюдениями других исследователей.
ждение функции F(H,t) распределения остаточной толщины шпунта по Факторы принадлежности к зоне (зона переменного уровня, и подзаданным параметрам: величина коррозии (H) и время (t).
водная зона) и время очень важны, следовательно, выборка должна быть Выборка разделяется по времени на 5-ти или 10-ти летние интерваразделена с учетом этих факторов. Другой важный фактор, характерный лы. Для каждого интервала по критерию Колмогорова-Смирнова на уровне для обеих зон, это параллельное развитие локальной и сплошной коррозии значимости 0,05 подбирается теоретический закон распределения, но со с различной интенсивностью. Отмечать в процессе сбора данных, каким своими параметрами. Далее параметры распределений опишем как функвидом коррозии и в какой мере обусловлено данное измерение, будет ции от времени, аппроксимируемые полиномами.
весьма затруднительно, следовательно, судить об интенсивности процесНа следующем этапе полученная модель может быть использована в сов можно только косвенно по результатам обработки наблюдений.
расчете, либо представлена в виде таблиц обеспеченности (вероятности), Исходя из предположения о совместном протекании локальных и номограмм или поверхностей (t - время; H - величина коррозии (остаточравномерных процессов коррозии, можно предположить, что эмпириченой толщины); p - вероятность). Функция F(H,t) показывает вероятность ское распределение для некоторого фиксированного момента времени мотого, что данный уровень коррозии (H в миллиметрах) будет достигнут на жет быть унимодальным, либо бимодальным. Такое явление может быть данный момент времени, прошедший с момента ввода сооружения в эксобусловлено тем, что для каждого вида коррозионных процессов можно плуатацию (t в годах). Далее в математическую модель, для повышения выделить среднее значение и разброс. Совсем не обязательно, что они буточности, вводим поправки, учитывающие различные физические процесдут совпадать, во всяком случае, не на всём временном интервале.
сы и новые результаты.
Оба вида коррозии (сплошная и локальная) наблюдается в каждой Дедуктивная вероятностная модель основана на предположениях и зоне (зона переменного уровня, подводная зона), исходя из этого, можно допущениях:
предположить, что каждую из зон можно описать одним и тем же законом, функция распределения остаточной толщины показывает вероятно с различными параметрами.
ность для осреднённой величины коррозионного повреждения;
На данном этапе с учетом предположений представляем вероятноувеличение разброса значений коррозионных повреждений с течестную модель для индуктивного подхода как функцию бимодального норнием времени не идентифицируется;
мального распределения, зависящую от времени. Функция плотности норпредполагается, что функция распределения имеет более сложный мального распределения.
закон, зависящий от времени и величины коррозионного повреждения;
1(x a)учет дополнительных факторов (наличие защитных покрытий, ско- (3) f (x) exp 2 22 рости коррозии в различных зонах, стенки произвольной толщины) рас сматриваются отдельно;
Функция нормального распределения.
в основе модели лежат эмпирические зависимости, полученные на x 1(t a)основе большого числа наблюдений.
(4) F(x) exp dt Вероятностная модель коррозии на основе индуктивного подхода.
2 22 Вероятностная модель, основанная на индуктивном подходе, строНормальное распределение N(a,) определяется двумя параметрами:
ится на изначальных знаниях и предположениях о весомости факторов, их a - среднее значение и - стандартное отклонение. Случайной величиной взаимосвязи, протекающих процессов и их последовательности. Целью является Н (мм) - потеря толщины в результате коррозии.
является нахождение функции F(H,t).
окальные виды коррозии характеризуются большей глубиной поСсылаясь на центральную предельную теорему, согласно которой, вреждений, чем сплошной процесс на той же стадии. Каждый из процессов если на некоторый процесс влияет большое число факторов и влияние каобусловлен влиянием множества факторов. Распределение величины пождого из них достаточно слабое, то распределение случайной величины 8 вреждений для каждого процесса, предположительно, можно описать нор- зии в наиболее напряженной зоне на 8% быстрее, что не существенно по мальным законом. Оба процесса имеют выраженную динамику, чтобы сравнению с влиянием других факторов.
учесть фактор времени, представим параметры распределений как функ- В третьей главе, на основе натурных данных и принятых допущеции от времени: a1(t), 1(t), a2(t), 2(t) и введем функции, определяющие ний, автором определяются параметры моделей, оценивается стабильность вклад каждого процесса в общее распределение на заданный период вре- во времени и точность прогноза. Точность оценивается по правилу л2, мени: k1(t), k2(t). т.е. при нормальном, 95,45% значений случайной величины (ошибки предФункции распределения для каждого процесса F1(H,t) и F2(H,t) бусказания) будет в [a 2; a + 2].
дут показывать вероятность того, что заданная величина потери толщины Полиномиальная регрессионная модель была получена автором для полки шпунта может быть достигнута к моменту времени t, прошедшему с v(t) - скорость коррозии (мм/год); H(t) - потеря толщины стенки шпунта момента ввода сооружения в эксплуатацию. Функцию распределения F (мм); I(t) - изменение момента инерции (см4), t - время в годах.
заменяем функцией обеспеченности 1-F.
xТаблица 1 (t a1(t))2 k1(t)1 exp dt Уравнения изменения скоростей коррозии шпунта 1(t) 2 21(t)2 x Общая (5) F1 H,t v 0,000056t2 0,00611t 0,29k1(t) k2(t) Владивосток v 0,00012t2 0,01229t 0,41k1(t) 1 F(a1(t);1(t)) Находка v 0,000048t2 0,00558t 0,27k1(t) k2(t) Другие порты xv 0,000112t2 - 0,0095t 0,28 1 (t a2 (t))2 k2 (t)1 exp dt 2 (t) 2 22 (t)2 x (6) Дедуктивная вероятностная модель построена на основе модифициF2 H,t k1(t) k2(t) рованного трехпараметрического закона Вейбулла, случайной величиной k2(t) 1 F(a2(t);2(t)) была потерянная толщина шпунта. Трехпараметрические функции плотно сти и распределения Вейбулла:
k1(t) k2(t) k x (7) F(H,t) F1(H,t) F2(H,t) F (x) 1 e (8) где k - параметр формы; - параметр масштаба; - параметр положения Далее, по натурным данным идентифицируем параметры модели.
(сдвига). Далее эти параметры были представлены как параметры-функции Выборка разбиваем по времени и зонам, затем определяются значения параметров, при которых функция будет описывать наблюдаемое распреде- от времени k(t), (t), =Hcp(t) - значения аппроксимирующих функций (табл. 2). Функция F(H,t), показывает вероятность того или иного уровня ление наилучшим образом. Идентификация осуществлялась на основе викоррозии Н к моменту времени t (рис. 3).
зуального анализа и статистического критерия (Колмогорова-Смирнова), на уровне значимости 0,05. Параметры значения представляются как па- Дальнейшие усовершенствования модели через введение поправок повысили точность, но усложнили модель. Были учтены зоны (подводная, раметры-функции от времени.
переменного уровня), влияние защитных покрытий, произвольная толщина Индуктивная модель позволяет определить вероятность, что коррозия к некоторому моменту времени достигнет некоторой величины. Мо- стенки.
( 0,31070,1t -0,0014t2 ) дель может быть представлена в виде графиков поверхностей, номограмм, H 0,00014t3 0,0155t2 0,61t1,таблиц обеспеченности.
(H,t) 2,0390,5068t 0,0125t2 0,0001t3 Известно, что разрушению сталей может способствовать коррози F(H,t) e (9) онное растрескивание и усталость, зависящие от напряжений. Модель учитывает влияние напряженно-деформированного состояния автоматически. Индуктивная вероятностная модель построена на ранее определенПопытка ввести напряжение как параметр в модель сопряжена с рядом ных предположениях и допущениях автора, в отличие от дедуктивной сложностей. Оценка скоростей коррозии в наиболее и наименее напряжен- модели, неопределенными остаются только параметры модели. Параметры ных зонах шпунтовой стенки, подтвердило, что в среднем скорость корро- определяем по натурным данным и представляем их параметрами10 функциями от времени. Анализ натурных данных подтвердил предполо- область применения ограничивается сроком 50 лет. Несмотря на простоту жения о характере распределения. регрессионной полиномиальной модели, у нее есть ряд существенных недостатков: ошибка от 21,1 до 22,7%, нестабильность (точность относиТаблица тельно стабильна 12 15 лет), модель полностью эмпирическая, не учитыАппроксимирующие функции вается влиянием других значимых факторов.
Дедуктивная вероятностная модель более точная (ошибка в % в k(t) 0,3107 0,1t 0,0014tподводной зоне (16,8; 18,2), зоне переменного уровня (13,5; 17,7), (t) 2,039 0,5068t 0,0125t2 0,0001tобобщенная (13,6; 16,1)). Возможно постепенное дополнение модели вводом поправок. Модель достаточно стабильна, точность лишь немного Hср (t) 1,2 0,61t 0,0155t2 0,00014tснижается после 1520 лет. Основным недостатком является сложность модели, а также то, что на начальном этапе она эмпирическая.
Индуктивная вероятностная модель оказалась наилучшей: простота использования, стабильная точность во времени, наименьшая ошибка прогноза (зона переменного уровня (13,48; 13,22), подводная зона (4,83;
8,46)). Модель является теоретико-эмпирической, что делает ее более понятной и информативной. Кроме того, есть возможность вводить дополняющие поправки как для дедуктивной модели.
Выполнен расчет изменения эксплуатационной надежности причального сооружения (причал №13, порт Находка) с учетом коррозии шпунтовой стенки и сейсмических воздействий. Оценивалось изменение надежности конструктивных элементов во времени. Расчет сооружения выполнялся в МКЭ-пакете PLAXIS. Для Находки сейсмичность принимаРис. 3. График F(H,t) дедуктивной вероятностной модели ется равной 7 баллов по шкале MSK по СНиП II-7-81.
Рассматривался сценарий отказа: сооружение разрушается в течение Бимодальнность нами наблюдалась в каждой зоне, при этом каждый срока службы. Вероятность отказа определялась с учетом вероятностных из процессов, соответствующих виду коррозии, приближался к нормальсценариев коррозионного износа и землетрясений заданной балльности ному закону, интенсивность процессов изменялась во времени. Уравнения (рис. 5).
(5)-(7) хорошо описывали натурные данные (рис. 4). Индуктивная модель, согласно нашим исследованиям, оказалась самой удачной, дающей наиболее полное теоретическое объяснение процессов в сочетании с простотой и наилучшей точностью.
Потерянная толщина шпунта Рис. 5. График вероятностей Pi разрушения больверка землетрясением Потерянная толщина шпунта (подводная зона, t=50 лет) (зона переменного уровня, t=30 лет) Рис. 4. Бимодальное распределение коррозионного износа Во втором расчете использовал вероятностную модель для прогнозирования изменения несущей способности больверка (НРП №2 (НаходВ четвертой главе автором даются заключения и рекомендации по кинский рыбный порт), п. Находка) с учетом износа (рис. 6). Несущая споприменению прогнозных моделей коррозии. Наш анализ показал, что весобность определялась по величине предельной, равномерно распределенроятностные модели оказались наиболее эффективными. Для всех моделей ной по территории причала, нагрузке Fmax при заданных уровнях коррози12 онного износа. Показатель надежности - M/Mmax в шпунтовой стенке и 1) определить каким вероятным состояниям соответствует станусилия в анкерных тягах. M - расчетный момент в зоне стенки, Mmax - пре- дартный расчет потерь на коррозию в различные моменты времени;
дельное значение момента в зоне стенки с учетом коррозии. Если 2) определить, какие вероятности следует принимать при проектиM/Mmax= 1, то происходит разрушение. ровании в зависимости от заданного срока эксплуатации;
3) адаптировать вероятностную модель для расчетов коррозионного износа в других бассейнах (табл. 3). Предполагается, что индуктивная вероятностная модель коррозии подходит для различных бассейнов.
Автор рекомендует методику использования таблиц вероятностей и номограмм для прогнозирования технического состояния причальных сооружений типа больверк:
1) назначается время t (время прогноза,предполагаемый срок эксплуатации).
2) если срок менее 10 лет, то используется регрессионная модель Рис. 6. Причал НРП №2 (разрез 1-1 и МКЭ-модель в Plaxis) (табл. 1). Если срок более 10 лет, то имеет смысл использовать вероятностную модель, т.к. в этом случае регрессионные модели не могут обеспеПри наиболее вероятном сценарии коррозионного износа, наименее чить приемлемую точность.
надежным элементом оказывается шпунтовая стенка в подводной зоне. В 3) для вероятностной модели выбирается бассейн и для каждой зотечение проектного срока службы, при отсутствии нагрузки, обеспечиваны принимаются вероятности.
ется неразрушение. Определены предельные значения нагрузки в зависи4) по заданным вероятностям строится изолиния на номограмме мости от срока эксплуатации, исследовано перераспределение резерва (рис. 8), в соответствии с ней делаются поправки на коррозию.
прочности конструктивных элементов во времени с нагрузкой и без нее (рис. 7).
Таблица Таблицы вероятностей для бассейнов и срока эксплуатации Рис. 7. Снижение надежности шпунтовой стенки по зонам и средняя ожидаемая потеря толщины полки шпунта Подобные расчеты позволяют более эффективно управлять надежностью на стадиях эксплуатации и проектирования, а именно:
1) оценивать вероятность различных неблагоприятных сценариев аварий и отказов с учетом коррозионного износа и различных воздействий;
2) повысить безопасность эксплуатации сооружения за счет оптимизации эксплуатационных нагрузок во времени с учётом износа.
3) принимать меры по недопущению неблагоприятных ситуаций.
Проводилось уточнение нормативного расчета коррозии. СтандартРис. 8. Номограммы по зонам (А - подводная, Б - переменного уровня) ный расчет учитывает один сценарий из множества возможных, следовательно, было необходимо:
14 При наличии натурных данных, предлагаем использовать расчетное емов проведенных ремонтов; даты и причины перегрузки причалов; измевремя tp. нения в составе оборудования причала.
tp t сtc (10) ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ где tc - суммарное время существования всех покрытий до того времен;
t - реальное время эксплуатации; c эмпирический коэффициент, учитыНа основании проведённых исследований были получены следуювающий сочетание методов защиты, их качество, непрерывность и периощие результаты.
дичность.
1. Проведен анализ методов оценки технического состояния приК числу дополнительных рекомендаций относятся организационные чальных сооружений типа больверк, который показал, что вероятностные и технические меры, направленные на снижение риска аварий, повышения методы являются наиболее эффективными.
точности и информативности технической диагностики, увеличения дол2. Автором установлено с использованием статистического анализа и говечности конструкций.
натурных данных, что коррозионный износ стальных шпунтовых стенок Отсутствие начальных данных о НДС конструкций и их соответстморских причальных сооружений типа больверк имеет вид бимодального вии проектным значениям приводит к снижению достоверности оценок нормального распределения, форма которого зависит от времени.
технического состояния по результатам осмотров, т.к. без начальных дан3. Предложены и проанализированы по эффективности различные ных очень сложно рассматривать работу конструкций в динамике и колиподходы к моделированию деградационных процессов (эмпирический чественно оценивать причинно-следственные влияния.
регрессионный, теоретико-эмпирические вероятностные дедуктивный и Для причальных сооружений типа больверк важно знать начальное индуктивный). Разработаны прогнозные модели технического состояния в состояние стенки. В соответствии с этим вносим предложение включить соответствии с указанными подходами.
требование обследования сооружения в полном объеме в процедуру сдачи 4. Автором предложена методика вероятностного прогнозирования объекта в эксплуатацию:
технического состояния шпунтовых стенок больверков с учетом коррозион1) с момента завершения строительства сооружения до размещения ного износа на основе индуктивной модели. Выделены наиболее значимые на его территории перегрузочного оборудования, грузов и швартовки суфакторы, определяющие вероятность коррозионных повреждений: время, дов необходимо провести измерения положения (деформации, отклонение принадлежность к зоне (подводная, переменного уровня), вид коррозии от вертикального положения) стенки;
(сплошная и локальная коррозия), интенсивность процессов по каждому 2) измерения должны проводиться по пикетам с шагом 5 10 метров;
виду коррозии в зависимости от срока эксплуатации сооружения.
3) желательно выполнять измерения с шагом по вертикали 1 5. Нами отмечено, что долговечность и безотказность больверков метра, по всей высоте стенки от дна до оголовка.
сильно изменяются во времени по причине деградационных процессов, сле4) минимальное количество измерений отклонения от вертикали довательно, это необходимо учитывать в широком спектре задач. Как поддолжно быть не менее 4 точек (точка в придонной зоне (0,5 1 м от дна);
тверждение, представлены результаты расчета реальных сооружений с исдве точки в средней части с удалением друг от друга не менее 2 метров;
пользованием методики прогнозирования коррозионного износа. Представверхняя точка вблизи оголовка).
ен прогноз надежности причала №13 (б.Находка) с учетом коррозионного К числу общих рекомендаций по повышению надежности следует износа и сейсмических воздействий. В расчете причала НРП №2 (Находкинотнести:
ский рыбный порт) методика применялась для прогнозирования изменения 1) исследование сценариев аварий и отказов с оценкой их вероятнонесущей способности сооружения с учетом износа.
сти, взаимовлияния и выработку критериев для общей оценки надежности;
6. Показано, что нормативный расчет поправок на коррозию не учи2) фиксировать фактические постоянные и временные нагрузки и тывает случайных характер развития деградационных процессов. Для повоздействия: силовые (от судов, кранов, грузов, транспорта) и деформацивышения достоверности долгосрочного прогноза предлагаем использоваонные (деформации грунтового основания или засыпки и пр.);
ние методики на основе вероятностной индуктивной модели.
3) условия эксплуатации в периоды между обследованиями должны 7. Отмечено, что качество прогноза технического состояния зависит оцениваться на основании анализа документации и опросов работников от знания начального состояния стенки. В связи с этим предлагаем дополдля установления степени загрузки причала и оборудования; сроков и обънения к мероприятиям первичного осмотра сооружений.
16 ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Коваленко Р.Г. Анализ устойчивости причальных сооружений типа больверк // Международные научные чтения Приморские зори-20Экология, защита в чрезвычайных ситуациях, охрана, безопасность и ме- дицина труда, гигиена питания, образование, 2007.
2. Kovalenko R.G. Control of sheet piling corrosion during life cycle // Seventh International Young ScholarТs Forum of the Asia-Pacific Region Coun- tries, Vladivostok, 2007.
3. Коваленко Р.Г. Анализ изменения несущей способности больвер- ка с учетом коррозии шпунтовой стенки // журнал Строительная механи- ка инженерных конструкций и сооружений, № 3, 2008, С. 43-51.
4. Kovalenko R.G. Probabilistic corrosion model of sheet piling berth// Eights International Young ScholarsТ Forum of the Asia-Pacific Region Coun- tries, Vladivostok, FESTU, 2008.
5. Kovalenko R.G., Kim L.V. Durability evaluation of marine and off- shore structures // ISOPE-2009 The Nineteenth (2009) International Offshore and Polar Engineering Conference, Osaka, Japan, June 21-26, 2009.
6. Коваленко Р.Г., Беккер А.Т., Любимов В.С., Александров А.В.
Вероятностное моделирование коррозионных процессов стальных конст- рукций морских портовых сооружений // журнал Гидротехническое строительство, № 3, 2011. С.27-31.
7. Bekker A.T., Kovalenko R.G., Luybimov V.S., Kim L. V. Steel con- struction corrosion wear processes modeling of sea hydraulic engineering struc- tures // ISOPE-2011 The 21-th (2011) International Offshore and Polar Engi- neering Conference, Maui.
Типография ООО Наша Марка.
195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21.
Объем 1,0 п.л. Тираж 100. Заказ 8.
18
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям