книги из ГПНТБ / Мирцхулава, Ц. Е. Надежность гидромелиоративных сооружений

колонки 3 и 4 и т. д. до 7.

Таблица 16 получается как разность табулированных вероятностей, при­

Ожидаемые потери от отказа системы равны вероятности того, что система будет восстановлена за время т, умноженное на стоимость простоя в течение этого же интервала т.

Для того чтобы рассчитать ожидаемые потери при отказе системы, необ­ ходимо суммировать произведение колонок 3, 4, 6 , 7 на 2. Эти результаты приведены в колонках 8 , 9, 10, 11, 12.

194

Рис. 32. Полная экономия, полученная за пятилетний период эксплуатации.

Стоимость системы за пятилетний срок службы при учете пятикратного резервирования сведена в таблицу 18.

Из таблицы и графика (рис. 32) видно, что потеря для нерезервирован­ ной системы почти в три раза больше, чем для системы с трехкратным резер­ вированием.

го примера видно, что оптимальным вариантом является двукратное резерви­ рование. Полная стоимость при этом на 52 350 руб. меньше, чем для нерезер­ вированной системы.

На рисунке 32 представлена зависимость полной экономии от числа ре­ зервных систем.

Следует помнить, что не всегда возможно реализовать все оптимальные решения практически. В этом случае большое зна­ чение имеет использование опыта работы данной конструкции.

Аналогично можно решить и другие задачи на оптимальную надежность, задачи оптимального резервирования при наличии некоторых ограничений, оптимизации избыточности, оптимальных сроков профилактических работ, оптимального управления и др.

Изложенный прием можно использовать для решения задач оптимизации проектной надежности. Проектная надежность гид­ ромеханического оборудования затворов довольно удачно реше­ на в последнее время В. А. Солнышковым с применением теории графов *.

* С о л н ы ш к о в В. А. Оптимизация надежности конструкции и механи­ ческого оборудования водопропускных трактов гидротехнических сооружений. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Л., ВНИИГ, 1972.

Г л а в а VI

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

С течением времени сооружения, в том числе и гидромелио­ ративные, изнашиваются, стареют, ветшают. Под воздействием различных внутренних и внешних факторов изменяются эксплуа­ тационные, механические, физические, химические и другие свой­ ства сооружений. Безотказность разных объектов гидромелиора­ ции не является величиной постоянной и может изменяться во времени в зависимости от воздействия геологических, гидрологи­ ческих, климатических, эксплуатационных и других факторов.

Необлицованные каналы приходят в неисправное состояние главным образом из-за размыва или заиления, просадок, зара­ стания и оплывания откосов, облицованные — вследствие истира­ ния, износа и деформации облицовок.

Плотины приходят оз негодность в основном из-за деформаций тела плотин, которые вызываются неравномерными осадками, температурным напряжением, местным размывом нижнего бьефа и фильтрационным выпором грунта основания, водозаборные уст­

изменяются во времени. Например, размывы, наблюдаемые в на­ чальный период пуска канала, в результате смыва верхнего раз­ рушенного слоя грунта ложа канала со временем постепенно уменьшаются. Вследствие кольматации крупных и мелких пор грунтов ложа канала может прекратиться фильтрация.

При наличии в грунтах ложа канала легкорастворимых солей вследствие вымыва и выщелачивания их фильтрация из каналов может увеличиться.

В результате старения швов каналов утечки из железобетон­ ных лотков могут со временем резко возрастать. Возрастает так­ же значение гидравлического сопротивления в тоннелях и обли­ цованных каналах, которые подвергаются износу вследствие тран­ спортировки потока с донными наносами, а также засорения.

Несмотря на то, что прочность бетона в сборных (так же как и в монолитных) конструкциях со временем повышается, общая прочность этой конструкции уменьшается в результате кор­ розии сварных стыков и уменьшения их прочности.

Значительно уменьшается прочность металлических и других

196

конструкций в результате воздействия ударнсщ и вибрационной динамической нагрузки.

От воздействия климатических факторов со временем значи­ тельно снижается прочность многих пластмассовых изделий.

Специфические свойства лессовых грунтов (пылеватость, просадочность, большая карбонатность и др.) создают известные трудности при их применении в качестве строительных материа­ лов или основания для гидротехнических сооружений. Часто не­ своевременное и неполное применение комплекса противопросадочных мероприятий вызывает деформации и просадки каналов и других гидротехнических сооружений, эти объекты на значи­ тельный период выводятся из строя.

Продолжительность безотказной работы в заданных эксплуа­ тационных условиях с момента возведения до полной потери эк­ сплуатационных свойств (включая перерывы для проведения про­ филактических ремонтных работ)— долговечность — устанавли­ вается нормативными документами в зависимости от назначения объекта и других факторов.

Одна из основных задач экономики на современном этапе — улучшение использования производственных фондов. Повышение качества, надежности, долговечности сооружения является пер­ востепенной задачей. Для регулирования долговечности объекта существует три способа:

увеличение прочности (сопротивляемости к нагрузкам) объ­ екта;

уменьшение приложенной к объекту нагрузки; уменьшение скорости старения объекта.

Изменением этих трех основных параметров можно регули­

* На основании теоретических исследований Эвингом для скорости хими­ ческой реакции предложена другая зависимость [122], но для большинства ин­ женерных задач достаточную точность дает закон Аррениуса.

1-97

Из этого уравнения следует, что:

а) при постоянстве внешней среды прочность объекта умень­

в) логарифм долговечности объекта, отвечающий определен­

справедливо для многих типов материалов при наличии двух не­ зависимых процессов начального и долговечного старения.

При приложении нагрузки к элементу энергия, вносимая на­ грузкой, приводит к образованию новых слабых звеньев. Таким образом, допуская, что энергия нагрузки участвует в процессе старения, следует считать, что скорость старения зависит от на­ грузки и будет меньше при меньших значениях .нагрузки. Влияние нагрузки на старение было исследовано на большом коли­ честве материалов. Для многих материалов долговечность умень­ шается при всех значениях нагрузки. Вейбулл экспериментально

Уравнение дает более точные результаты, если Е выбрано опыт­ ным путем. Вейбулл обнаружил, что наилучшее совпадение с

где N — выносливость в циклах или часах;

5 — нагрузка (индекс «т» относится к стандартным или ра­ бочим условиям).

Для шарикоподшипников [109] т—4.

Для изоляционных материалов часто используется закон де­ сяти градусов, это означает, что при повышении температуры

обмоток и т. п. приводит Б. С. Сотсков [109].

Прочность (или сопротивляемость различным нагрузкам) можно изменить соответствующей обработкой материалов; при­ нятием мер в процессе старения (упрочнение); проведением про­ филактических ремонтных работ для начальной прочности; из­ менением влияния среды; цементацией и нагнетанием глинистого раствора и поверхностно-активных веществ для улучшения филь-

198

грационных свойств; торкретированием поверхностей облицовок для повышения сопротивляемости износу.

Нагрузки выбирают изложенным выше методом в соответствии с принятым коэффициентом запаса, обоснованной характеристи­ кой 'надежности и степенью риска.

Когда нагрузка обусловлена внешней средой, ее уменьшить невозможно (ветер, ураган, наводнение, землетрясение, снегопад и т. д.). В этих случаях конструкция объекта должна учитывать наибольшую вероятную нагрузку. Другая группа нагрузок свя­ зана с выполнением объектом определенной функции. Этими нагрузками в общем случае можно управлять, изменяя рабочие характеристики объекта.

При старении может происходить как ухудшение, так и улуч­ шение физико-химических свойств материалов, поэтому необхо­ димо научиться управлять этим процессом.

На практике старением управляют следующими приемами: вы-' бором материалов; уменьшением нагрузки; ремонтом объекта; применением мер защиты против потоков энергии; установкой преград причинам, вызывающим старение. Мероприятия по прод­ лению долговечности должны быть направлены на уменьшение причин, сокращающих ее.

Для повышения долговечности следует выбирать те материа­ лы, которые обладают высокой энергией активации. Материалы, обладающие малой константой активации, целесообразно приме­ нять в тех случаях, где в процессе старения участвуют большие массы реагирующих веществ. Малая константа скорости озна­ чает, что соединение атома или молекулы реагирующего материа­ ла с материалом объекта, приводящее к образованию слабого звена, маловероятно. При выборе материалов должна быть уч­ тена среда, в которой им придется работать. Пластмассы особен­ но подвержены старению в присутствии озона, поэтому в местах, где выделение озона интенсивно, желательна замена их керами­ ческим материалом.

Для уменьшения энергии, участвующей в процессе старения, устраивают изоляцию, малопрочный стеновой материал штукату­ рят и облицовывают.

Установка преград причинам, вызывающим старение, состоит в том, что защищаемый элемент окружают материалом, который обладает малой константой скорости или высокой энергией ак­ тивизации (окраска, различные покрытия, герметизация, масля­ ная ванна).

Для уменьшения старения важно иметь своевременную ин­ формацию о качестве преград и изоляции. Ее получают визуаль­ ным определением свойств. Измерение свойств изоляции или барьеров можно использовать для определения их качеств.

При проектировании следует предусмотреть возможность про­ ведения ремонта, удобный доступ к отдельным звеньям. Объект должен быть ремонтопригодным.

199

Старение и износ — процессы необратимые, существенно влия­ ющие на долговечность сооружения. Старение происходит не­ прерывно, независимо от того, работает или не работает данный элемент. В отличие от старения износ наблюдается только в ра­ бочем состоянии элемента. Он проявляется при динамическом взаимодействии элементов сооружения с участиемокружающей среды и внешних сил.

В зависимости от вида объекта, принципа его действия наи­ большее значение для старения объекта имеют те или иные фи­ зические или физико-химические процессы. При проектировании необходимо оценивать влияние различных факторов в физиче­ ских и физико-химических процессах, обусловливающих измене­ ние характеристик элемента, вызывающих старение или износ. В старении и износе участбуют следующие физико-химические процессы: испарение материала, диффузия компонентов (описы­ ваемые первым и вторым законом Фика), коррозия, различные эрозии, фотохимические процессы, трещинообразование, рекри­ сталлизация, радиационное воздействие, суффозия, выщелачива­ ние, фильтрационные деформации, засоление и т. п.

Процессы старения и износа неизбежны, их нельзя полностью предотвратить, можно только в некоторой степени уменьшить вы­ зываемые ими последствия. При старении в результате действия внутренних и вйешних сил медленно изменяются физико-химиче­ ские свойства материалов (дерева, стали, латуни, бронзы, изоля­ ционных материалов и т. п.). Старение зависит от среды — со­ вокупности всех параметров, не являющихся частью объекта, то есть всех факторов, за исключением рассматриваемой нагрузки.

При механической нагрузке, особенно с циклической законо­ мерностью, в материалах возникает явление усталости, которое выражается в значительном снижении прочности или упругости. Пластичные материалы, находящиеся под постоянной механиче­ ской нагрузкой, проявляют остаточные деформации, в некоторых случаях наблюдается хладотекучесть.

Находящиеся в напряженном состоянии винтовые и закле­ почные соединения расслабляются. Длительная работа резино­ вых деталей вызывает изменение их упругих свойств, нередко они разрушаются хрупко. Существуют некоторые сплавы, которые после длительного пребывания в нерабочем состоянии вследствие внутренних процессов перекристаллизации в значительной степе­ ни упрочняются. Происходит постепенное упрочение кладки на из­ вестковом растворе. Однако количество материалов, которые вследствие старения улучшают свои свойства, крайне ограни­ ченно.

На долговечность гидромелиоративных сооружений и их сос­ тавных элементов в процессе эксплуатации воздействует ряд фак­

2 0 0

Учет сопутствующих факторов также необходим при разработке проектов. Случайные факторы не могут быть учтены в процессе разработки. Две первые группы факторов можно разделить на три основные подгруппы: управляемые, слабоуправляемые и не­ управляемые.

Управляемые могут изменяться в процессе разработки. Это — скорости потока, давление, фильтрационный градиент, влажность и т. п. К слабоуправляемым факторам следует отнести износ, размыв, коррозию, подъем грунтовых вод и т. п. Действие их можно уменьшить с помощью специальных мер защиты.

К неуправляемым факторам относятся физические и химиче­ ские процессы, происходящие в материалах конструкции, боль­ шинство процессов старения, изменение физических свойств ма­ териалов и т. п.

Различают две среды влияния на долговечность сооружений — внешнюю и внутреннюю. Внешняя среда находится в рабочем пространстве сооружения. Она может быть газообразной или жидкой. Внутренняя среда находится в объеме, окружающем ог­ раниченное количество элементов.

Приведем краткое описание некоторых факторов, состояние которых существенно влияет на срок службы сооружения. Основ­ ные факторы, вызывающие старение, — это кислород и водяные пары, присутствующие в атмосфере. Вода, являясь универсаль­ ным растворителем, удаляет растворенные материалы. В соче­ тании с кислородом она обладает еще большей активностью.

Атмосферные осадки в виде дождя и снега, кроме непосредст­ венного воздействия, могут влиять и следующим образом. Вода, находящаяся в атмосфере, всегда загрязнена активными приме­ сями, в результате чего она вступаеТг в химические соединения со многими веществами. Вода может содержать углекислые и сер­ нистые соли, соли кальция, магния, железа, хлористый натрий, органические и неорганические частицы, а также растворенные газы воздуха: азот, кислород и углекислый г.аз. В промышленных районах имеются примеси серы и сернистой кислоты. В речной воде растворены различные вещества, количество и свойство ко­ торых зависит от состава источников, питающих реку, а также от состава 'пород, в которых проходит река и ее притоки.

Ряд нежелательных последствий вызывают пыль и песок. Они коррозируют, истирают различные элементы. Пыль и песок засо­ ряют многие части сооружений. В земной атмосфере находится огромное количество пылинок. Пыль способна легко переносить­ ся в пространстве (особенно при ветровой эрозии, при пыльных бурях); она проникает через неплотные соединения и оседает под действием силы тяжести. Частицы размером до 5 мкм по ве­ су составляют 7% от всей находящейся в атмосфере п-ыли, ос­ тальные 93% частиц имеют размеры более 5 мкм. От 65 до 75% всего количества пыли в свободной атмосфере состоит из неорга­ нического вещества. Эти частицы имеют кристаллическую струк­

201