Дымовые трубы как объекты мониторинга конструкций

Дымовые трубы являются ответственными инженерными сооружениями, работающими в тяжелых условиях ветровых нагрузок, температуры и агрессивного воздействия дымовых газов. 

Дымовые трубы должны противостоять воздействию температур и возникающих при этом напряжений, а также коррозии  от воздействия агрессивных веществ, содержащихся в дымовых газах

Дымовая труба состоит из несущей и газоотводящей части

Несущая часть конструктивно оформляется в виде металлической решетчатой башни или железобетонной оболочки цилиндрической или конической формы

Газоотводящая часть конструктивно представляет собой металлический цилиндрический ствол, который собирается в процессе возведения трубы из отдельных 10–15-метровых секций. 

Ствол (или несколько стволов) по высоте крепится к железобетонной оболочке или металлической башне. Нагрузка от ствола передается на оболочку (башню)

Дымовые трубы, с высотой, превышающей 100 м, относятся к высотным сооружениям, для которых возникает необходимость проведение мониторинга, согласно Градостроительному кодексу ГрК РФ Статья 48.1 

Дымовые трубы высотой более 75 м, согласно СП 22.13330.2016, СП 267.1325800.2016, МГСН 4.192005, ГОСТ 31937-2011 считаются уникальными высотными сооружениями, в отношении которых, в соответствии с требованиями 384 ФЗ по безопасности зданий и сооружений, в обязательном порядке должен осуществляться мониторинг показателей, характеризующих надежность сооружения 

Цель мониторинга - предупреждение ситуаций, при которых значения регистрируемых параметров превысят их предельно допустимые величины

Состав работ по мониторингу технического состояния оснований и конструкций высотных сооружений регламентируется индивидуальными программами проведения измерений и анализа состояния несущих конструкций в зависимости от технического решения сооружения и его деформационного состояния

Нормативная документация по мониторингу конструкций дымовых труб

-  ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния»

- СП 13-101-99 «Правила надзора, обследования, проведения технического обслуживания и ремонта промышленных и вентиляционных труб»

- СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений»

- СП 43.13330.2012 «Сооружения промышленных предприятий. Актуализированная редакция СНиП 2.09.03-85»

-. СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»

-  СП 267.1325800.2016 «Здания и комплексы высотные. Правила проектирования»

-  МГСН 4.19-05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы»

- СТО НОСТРОЙ 2.31.11-2011 «Промышленные дымовые и вентиляционные трубы. Строительство, реконструкция, ремонт. Выполнение, контроль выполнения и сдача работ»

- РД 03-610-03 «Методические указания по обследованию дымовых и вентиляционных промышленных труб»

- РД 22-01-97 «Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств 
и объектов»

- Руководство по эксплуатации промышленных дымовых и вентиляционных труб. - М.: 1993 г.

Система мониторинга дымовых труб как продукт

Система мониторинга конструкций дымовых труб представляет собой программно-технический комплекс и позволяет осуществлять контроль:

- крена конструкции трубы (в 3 точках по высоте)

- cобственных вибраций несущих элементов (со съемом в 3 точках)

- осадки фундамента конструкции (в 4 точках по периметру)

- напряженно-деформированного состояния конструкции

- скорости воздушных потоков  в верхней и средней точках трубы

В дальнейшем заказчик может добавлять параметры (модули) контроля (температурные режимы, в том числе температуры ствола в нескольких точках по высоте, удельное расширение, уровень сейсмического воздействия  и пр.) с интеграцией данных в систему 

Система построена на сборе, обработке и анализе данных с акселерометров, инклинометров, анемометров, расположенных на трубе на разных отметках высоты ствола с внешней стороны, а также скважинных экстензометров, смонтированных на ее фундаментной части.

Для измерений параметров напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов используются струнные датчики деформации

Задачи системы мониторинга конструкций дымовых труб

Непрерывный мониторинг технического состояния дымовых труб с целью:

  - контроля ветровой нагрузки и динамических характеристик трубы 

  - контроля деформаций дымовой трубы 

  - отслеживания неравномерной осадки фундамента (крена) объекта

  - основных (собственных) параметров колебаний дымовой трубы 

Мониторинг осадки фундамента дымовой трубы

Осадка фундамента дымовой трубы контролируется комбинированным методом

Для измерения относительной осадки в основании трубы устанавливается цепочка гидронивелиров. 

Для получения абсолютной осадки дополнительно устанавливаются поверхностные акселерометры-наклономеры, датчики осадки (скважинные экстензометры). 

Дополнительно возможно использование гидравлической системы контроля осадки.

Акселерометр-наклономер предназначен для одновременного измерения отклонения угла наклона и контроля виброчастнотных ускорений трубы

Измеряемые прибором параметры:

-  угол наклона конструкции
-  мгновенное значение ускорения конструкции по двум измерительным осям
-  среднее значение ускорения за период
-  максимальное значение ускорения за период

Характеристики измерительного устройства

-   4 измерительных канала передачи данных: X,Y-углы наклона, X,Y-ускорения,
-  Передача данных по 2-х проводной линии RS-485
-  Поддержка протокола ModBUS,
-  Контроль состояния оборудования, передача данных об ошибках в измерительном канале

Мониторинг крена дымовой трубы

Крен дымовой трубы может происходить благодаря свойству ее конструкции – большой высоты и малого основания. Центр тяжести такой постройки находится наверху, на нее особенно действуют ветровые и вибрационные нагрузки. Крен трубы может свидетельствовать о деформации здания.

Допустимое отклонение оси дымовой трубы от вертикали – крен (в т.ч. вследствие неравномерной осадки фундамента) должно быть не более 1/75 высоты дымовой трубы. Если имеются признаки увеличения осадки фундаментов (наклон трубы, наличие трещин в местах примыкания опорных элементов к фундаменту и др.), производятся внеочередные измерения

Для определения крена дымовой трубы используются поверхностные датчики наклона – 2-х-координатные инклинометры.

Инклинометр (датчик наклона) предназначен для измерений малых углов наклона и наклонных перемещений объекта по двум координатам

Назначение:

– Контроль отклонения дымовых труб от вертикали в системах мониторинга конструкций

– Регистрация угловых подвижек объекта мониторинга

Особенности исполнения:

– Измерение наклона по двум координатам

– Исполнение с аналоговым и цифровым выходом RS-485

– Поддержка протокола  ModBUS

Стержневой волоконно-оптический датчик деформаций (СВОДД) 

является базовым датчиком для измерения напряженно-деформированного состояния, используемым в системе мониторинга конструкций дымовых труб

Установка датчиков СВОДД в точках потенциального источника деструкции (большие нагрузки, моменты) регламентируется на стадии проекта. Контроль может вестись как в течение монтажа, так и во время эксплуатации сооружения

Электронный блок обработки сигналов получает постоянную информацию о состоянии конструкции дымовой трубы в точках контроля. Сопоставление этой информации с проектными данными в постоянном режиме позволяет делать выводы о состоянии конструкции

Динамический мониторинг амплитуды колебаний трубы

3-х-координатные акселерометры, подключенные к программной платформе позволяют в режиме онлайн осуществлять динамический мониторинг собственных частот колебаний трубы (амплитуды колебаний трубы) от основания до верхней точки для отслеживания и определения частотного состава колебаний

Мониторинг собственной частоты колебаний дымовых труб позволяет в автоматизированном режиме сигнализировать о превышении допустимого уровня напряженно-деформированного состояния конструкции для предупреждения аварийно-опасных случаев.

Система обеспечивает контроль за виброускорениями элементов конструкций, периодами собственных частот колебаний дымовых труб и соответствующих им логарифмическими декрементами затухания



Акселерометр СД-1Э – трехкоординатный, пьезоэлектрический, аналоговый обладает высокой чувствительностью и низким уровнем собственных шумов. С помощью акселерометра СД-1Э измеряют виброускорения в диапазоне частот 0,1…40 Гц.

Акселерометр СД-1Э оптимально подходит для решения задач мониторинга конструкций в том числе высотных сооружений и дымовых труб. Измерение вибрации и ускорения в системах СМИК необходимо для определения: амплитуды колебаний, собственных частот и формы колебания высотных объектов

Состав программно-технического комплекса мониторинга дымовых труб

Уровень сбора измерительных данных (датчики)

Уровень агрегации и передачи измерительных данных 
Предварительная обработка данных в полевых условиях осуществляется при помощи контроллера 

Уровень хранения и обработки измерительных данных 
Сервер сбора данных, база данных, включающая исходные данные, данные предварительной обработки).

Обработка и хранение данных осуществляется с помощью специализированного ПО с добавленными элементами SCADA и СМИК.

 Шкаф сбора и обработки информации оснащен ИПБ, что позволяет обеспечивать бесперебойную работу датчиков в случае сбоя питания на трубе

Уровень анализа обработанных данных 
Данные вычислительной обработки, анализа и прогноза наблюдаемых величин, анализ статистических методов прогнозирования, сравнение полученных данных с проектными значениями и данными других периодов. 

Отправка пакета зарегистрированных обработанных данных осуществляется по радиоканалу на АРМ оператора

Уровень представления результатов мониторинга и хранения данных (АРМ оператора)
АРМ оператора также выполняет роль сервера хранения данных.

ПО автоматически контролирует состояние дымовых труб с выводом показателей датчиков на монитор оператора и сигнализирует о достижении предельных показателей. 

Система оснащена внешним свето-звуковым сигнальным устройством (сиреной), срабатывающей при превышении предельно допустимых показателей

 ПО обеспечивает и конструирование, и формирование отчетов за необходимый период из массива данных - текстовые, табличные, графики данных по усмотрению заказчика, легкую настройку параметров системы, возможность задавать предельные показатели для каждого параметра и многое другое 

Уровень анализа обработанных данных 

Вычислительная обработка осуществляется с помощью корреляционно-регрессионного анализа, анализа спектральной плотности мощности получаемого сигнала ускорений, статистических методов прогнозирования, позволяющих интерпретировать значения параметров в терминах состояния

Для вывода исходных данных, результатов обработки, анализа и прогноза используются различные формы отчетов: текстовые, табличные, графические.
Все отчеты конвертируются в форматы общедоступных офисных приложений

Результат мониторинга технического состояния несущих конструкций дымовой трубы отображается на масштабируемой карте с помощью загружаемого геоинформационного приложения 

В случае изменения технического состояния трубы на информационной панели отображается сигнал, маркируемый соответствующим образом

Программный интерфейс системы  позволяет использовать данные в других системах и бизнес-приложениях, а также организовывать оповещение персонала с помощью различных технических средств

Анализ обработанных данных:

производится накопление измеренных параметров за длительное время с целью создания «истории» технического состояния дымовой трубы

Далее производится сравнение полученных данных за интервал измерений с проектными значениями и значениями за предыдущие интервалы измерений

Анализируемые параметры:

-  отклонение ствола трубы от вертикали (крен)

-  осадка фундамента дымовой трубы

-   аномальные изменения частот основных форм собственных колебаний трубы и их декрементов затухания

Формат представления результатов измерений 

Визуализация измеренных данных, результаты анализа данных представляются в  настраиваемой пользовательской форме в web-браузере

Для вывода исходных данных, результатов обработки, анализа и прогноза используются различные формы отчетов: текстовые, табличные, графические.
Все отчеты конвертируются в форматы общедоступных офисных приложений

Результат мониторинга технического состояния несущих конструкций дымовой трубы отображается на масштабируемой карте с помощью геоинформационного модуля

В случае изменения технического состояния трубы на информационной панели отображается сигнал, маркируемый соответствующим образом

Программный интерфейс системы АРМ трубы позволяет использовать данные в других системах и бизнес-приложениях, а также организовывать оповещение персонала с помощью различных технических средств.

Графики данных 

Все графики размещаются на одном комплексном экране

Программа строит графики зависимости параметров мониторинга от времени используя, 10-минутные и часовые значения.

Часовые значения используются для построения линии часового тренда за несколько последних дней

Загрузка исторических данных производится за любой интервал времени

 Анализ основных параметров колебаний (ветровой нагрузки)

Расчет спектральной плотности мощности и анализ основных параметров колебаний (ветровой нагрузки) дымовой трубы

Расчет спектральной плотности мощности производится по 200 реализациям длительностью 26 минут

К расчету принимаются реализации, в которых наблюдалось ветровое воздействие на трубу, при которых энергетический спектр отклика объекта превышает уровень шумов акселерометра-наклономера.

Так же отсеиваются реализации, в которых данные по каким-то причинам являются недостоверными

Преобразование Фурье производится по шестнадцати тысячам отсчетам в режиме реального времени, что позволяет определять частоты основных форм колебаний с погрешностью до 0,005Гц.

Определение и анализ частот и декрементов основных форма колебаний дымовой трубы производится в автоматическом режиме.

Измеренные параметры записываются в БД для ретроспективного анализа изменения спектральных характеристик трубы во времени 

Анализ траекторного отклонения и выявление аэродинамических неустойчивых колебаний

Анализ тракторного отклонения позволяет выявить аэродинамически неустойчивые колебания поперек основного воздушного потока с помощью посекундно-обновляемой диаграммы рассеяния вектора траекторного отклонения

Для автоматизации применяется анализ меры корреляции (коэффициент Пирсона) силы и направления ветра и колебания дымовой трубы, вызываемые этим ветровым воздействием

При возникновении сильных увеличивающихся во времени колебаний дымовой трубы поперек ветрового потока система автоматически детектирует возникновение деформаций промышленного объекта

Преимущества внедрения системы мониторинга конструкций дымовой трубы

Повышение безопасности эксплуатации сооружения (Выполнение требований 384 ФЗ и Градостроительного кодекса по безопасности зданий и сооружений)

Защита собственника (в соответствии с законодательством отвечает за состояние сооружения и должен не допускать возникновения ЧС техногенного характера)  путем предоставления информации об изменениях технического состояния сооружения и необходимости проведения дополнительного визуального и инструментального обследования. 

Применение обслуживания по состоянию на основе мониторинга технического состояния несущих конструкций дымовой трубы в модели RCM (надежностно-ориентированное техническое обслуживание) позволяет снизить общие затраты на ремонт и техническое обслуживание к безопасному минимуму за счет оптимизации проведения профилактических и ремонтно-восстановительных работ.

Повышение эффективности использования дымовой трубы за счет учета фактического износа объекта при проведении расчета несущей способности и организации непрерывного мониторинга технического состояния.

Система мониторинга позволяет собирать полную информацию о состоянии объекта мониторинга дымовой трубы, об изменениях ее состояния, позволит судить о причинах этих изменений, а анализ собираемой информации может позволить прогнозировать наступление критических изменений параметров в будущем.

Этапы внедрения системы мониторинга конструкций дымовых труб

- Разработка цифровой модели объекта и методики мониторинга

- Разработка проектной документации 

- Сопровождение проектной документации при прохождении Главгосэкспертизы или экспертизы промышленной безопасности

- Разработка рабочей документации

- Поставка оборудования, комплектных изделий

-  Строительно-монтажные работы (СМР) или шеф-монтаж (если монтажные работы выполняет персонал заказчика)

-  Пусконаладочные работы (ПНР) или шеф-наладка (если пусконаладочные работы выполняет персонал заказчика

- Консультирование заказчика на всех этапах проекта

- Разработка технорабочего проекта вместо двухстадийного проектирования (если объект находится на стадии эксплуатации) 

- Коммерческая экспертиза промышленной безопасности объекта мониторинга

- Техническое (удаленное) обслуживание системы (мониторинг работоспособности и т.д.) 

- Периодическое проведение поверки средств измерений на объекте

Обсудим ваш проект мониторинга конструкций? 

Стоимость услуги мониторинга определяется объемом и сложностью работ.
Чтобы узнать условия и стоимость внедрения системы мониторинга для вашего объекта, позвоните нам, отправьте электронное письмо или оставьте заявку на обратный звонок.