Методология оценки технического состояния сварных элементов конструкций стальных мостов на основе принципов термодинамики

В статье представлена методология неразрушающего контроля появления и развития усталостных трещин в элементах стальных мостов на всех этапах их развития с использованием инфракрасной термографии. Описаны методы термического неразрушающего контроля, основанные на балансе энергии (диссипативного разогрева и анализа термоупругих напряжений), и введен метод температурного скачка. Показано место каждого метода на каждом этапе развития усталостных трещин. Метод диссипативного разогрева применим на этапе зарождения трещины и позволяет установить циклическую долговечность по критерию возникновения макротрещины на основе анализа рассеивания энергии при неупругом деформировании. Метод анализа термоупругих напряжений позволяет выявить области, в которых имеются концентрации напряжений, вызванные внутренними несовершенствами и усталостными микротрещинами, оценить коэффициент интенсивности напряжений, изменение напряженного состояния после проведения ремонтных работ на конструкции, установить точное положение вершины трещины. Метод температурного скачка основан на теплоизоляционном эффекте трещины. Несмотря на то что этот метод в целом носит вспомогательный и приближенный характер, он имеет преимущество: в отличие от методов, основанных на балансе энергии, не требует механического воздействия, что открывает путь к его практическому применению. Для этого, как правило, достаточно естественного нагрева конструкции, однако можно использовать дополнительное стимулирование внешним тепловым источником. Приведены результаты применения представленных методов теплового неразрушающего контроля для обнаружения трещин и оценки структурной целостности как в лабораторных условиях, так и на эксплуатируемых мостах.

1. ОДМ 218.3.042–2014. Рекомендации по определению параметров и назначению категорий дефектов при оценке технического состояния мостовых сооружений на автомобильных дорогах. Каталог дефектов в мостовых сооружениях : отраслевой дорожный методический документ : издан на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 30.01.2015 № 135-р. Москва, 2015. 140 с.

2. Инструкция по оценке состояния и содержания искусственных сооружений ОАО «РЖД» : утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 02.10.2020 № 2193/р. Москва, 2019. 78 с.

3. Homepage of the CAESAR: Center for Advanced Engineering Structural Assessment and Research. URL: http://www.pwri.go.jp/caesar/pdf/caesar.pdf (дата обращения: 11.03.2023).

4. Плехов О. А. Структурно-кинетические механизмы деформирования и разрушения материалов в крупнозернистом и субмикрокристаллическом состояниях : специальность 01.02.04 «Механика деформируемого твердого тела» : диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук / Плехов Олег Анатольевич. Пермь, 2009. 360 с.

5. ГОСТ Р ИСО 184 34-1–2013. Контроль состояния и диагностика машин. Термография. Часть 1. Общие методы : утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 ноября 2013 г. № 1659-ст. Москва : Стандартинформ, 2014. 39 с.

6. Куриленко Г. А., Айрапетян В. С. Теоретические основы термографического способа исследования циклической повреждаемости металлов // Вестник Сибирского государственного университета геосистем и технологий. 2017. Т. 22, № 2. С. 252–259.

7. Куриленко Г. А. Прогнозирование циклического ресурса деталей с макротрещинами термографическим методом // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 321, № 2. С. 36–39.

8. Глушков С. П., Соловьев Л. Ю., Соловьев А. Л. Экспериментальная оценка долговечности сварных металлических пролетных строений мостов методом инфракрасной термографии // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2018. № 2 (45). С. 63–71.

9. Lesniak J., Boyce R. B., Howenwater G. Thermoelastic measurement under random loading // Proc. SEM Spring Conf. Soc. Exp. Mech. Р. 504–507.

10. Nondestructive Evaluation of Fatigue Cracks in Steel Bridges Based on Thermoelastic Stress Measurement / T. Sakagami, Y. Izumi, D. Shiozawa [et al.] // Procedia Structural Integrity. 2016. Vol. 2. Р. 2132–2139. DOI 10.1016/j.prostr.2016.06.267.

11. Solovyev A. L., Royak M. E. Self-reference Lock-in Thermography for Detecting Defects in Metal Bridge Spans // Advanced Engineering Research. 2022. Vol. 22, No. 2. P. 161–168. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2022-22-2-161-168/.

12. Соловьев Л. Ю., Федоренко В. А. Усовершенствование метода оценки характеристик усталостных трещин в сварных металлических конструкциях мостов тепловым способом // Дороги и мосты. 2022. № 2 (48). С. 113–139.

13. Sakagami T. Remote NDE using infrared thermography // Fatigue Fract Engng Mater Struct. 2015. Vol. 38. P. 755–779.

14. Соловьев Л. Ю., Федоренко В. А. Экспериментальные исследования процессов диссипации энергии в вершинах усталостных трещин в элементах мостовых конструкций // Транспортные сооружения. 2021. Т. 8, № 3. DOI 10.15862/04SATS321.

15. Соловьев Л. Ю. Тепловой метод контроля усталостных трещин в сварных пролетных строениях мостов // Путь и путевое хозяйство. 2021. № 1. С. 24–27.

16. ОДМ 218.7.2.001–2021. Методические рекомендации по дистанционному определению наличия и степени развития усталостных трещин в элементах металлических пролетных строений автодорожных мостов (включая ортотропные плиты) методом инфракрасной термографии : отраслевой дорожный методический документ : издан на основании распоряжения Федерального дорожного агентства Министерства транспорта Российской Федерации от 27.12.2021 № 4782-р. Москва, 2021. 98 с.