Использование систем автоматизированного мониторинга на этапе эксплуатации позволит повысить безопасность и надёжность объекта мониторинга, а также своевременно проводить ремонтные мероприятия на ранних стадиях формирования дефектов, не допуская их развитие. Современные программные платформы в связке с аппаратной частью измерительной системы позволяют регистрировать изменения всех основных характеристик сооружения, а также оценивать влияние различных комбинаций нагрузок на основные элементы причала и его основание.
Размещение системы автоматизированного мониторинга на терминале позволяет в режиме реального времени наблюдать за текущим техническим состоянием сооружений, действующими на них нагрузками, а также процессами, являющимися следствием этих нагрузок. Система оперативно информирует ответственных лиц о превышении допустимых нагрузок или о наличии результатов измерений, выбивающихся из общих трендов.
При выполнении достоверной и точной оценки состояния терминала, а также при прогнозировании поведения основных параметров, влияющих на безопасность сооружений, необходима полная информация о протекающих в сооружениях процессах, а также внешних факторах, влияющих на его состояние.
Комплексный подход к обеспечению безопасности терминала заключается в единовременном непрерывном мониторинге таких параметров с контролем достоверности получаемых в автоматическом и ручном режиме измерений.
Ключевыми моментами в принятии правильного решения при развитии негативных процессов в сооружениях являются:
Именно развёртывание на портовых сооружениях автоматизированной системы диагностического контроля позволяет мгновенно реагировать на неблагоприятные события, развивающиеся в сооружениях, и формировать полный отчёт о текущем состоянии в автоматическом или полуавтоматическом режиме для передачи лицам, разрабатывающим компенсационные мероприятия.
Кроме портовых сооружений и терминалов, находящихся в начале или в середине своего нормативного срока службы, на территории России существует множество возрастных сооружений, требующих особого внимания к их состоянию.
В рамках рассмотрения возрастных причальных сооружений на ум сразу приходят причальные сооружения типа «больверк», широко распространённые на территории России. Пик массового строительства причалов данного типа был в 1960–1970-х годах. Большинство из имеющихся причальных сооружений типа «больверк» относятся к III классу. Класс сооружения назначается в зависимости от высоты вертикальной лицевой стенки (III класс соответствует высоте стенки до 20 метров).
Таким образом, сегодня подходит к концу нормативный срок службы причальных сооружений III класса. Постоянно растущий товарооборот влияет на габариты морского флота, которые, в свою очередь, оказывают влияние на характеристики причальных сооружений, в частности, на увеличение глубин у существующих причалов. Таким образом, вопрос реконструкции причальных сооружений типа «больверк» является актуальным по причине растущего числа причалов, не отвечающих современным требованиям, а также имеющих превышенный расчётный срок службы, физический и моральный износ.
Оборудование как строящихся, так и возрастных причалов типа «больверк» современными системами автоматизированного мониторинга позволит повысить их надёжность, а также своевременно проводить ремонтные мероприятия. Современные системы мониторинга с использованием различных датчиков позволяют в режиме реального времени единовременно регистрировать изменения всех основных характеристик сооружения, оценивать влияние различных комбинаций нагрузок на основные элементы причала и его основания.
Одним из факторов, влияющих на развитие дефектов в основании и конструкциях причальных сооружений типа «больверк», является превышение установленных эксплуатационных нагрузок при его эксплуатации. Зачастую при передаче причала арендатору наблюдаются грубые нарушения режима эксплуатации, которые могут привести к недопустимому снижению несущей способности или устойчивости сооружений, разрушению отдельных конструкций или нарушению нормальной работы оборудования.
Чаще всего нарушения режима эксплуатации не приводят к мгновенному проявлению дефектов, а носят накопительный эффект. Такой режим эксплуатации существенно сокращает срок службы причала.
При внедрении автоматизированного мониторинга эксплуатирующая организация мгновенно получит информацию о нарушении эксплуатационного режима арендатором, что позволит пресечь подобные нарушения, а также взыскать с арендатора неустойку за нарушение эксплуатации объекта найма.
Приведём пример возможного расположения контрольно-измерительной аппаратуры на причале типа «больверк». Весь объём измерительного оборудования, располагаемого в зоне движения эксплуатационного транспорта может быть скрыт и защищён от механических воздействий и движущегося транспорта.
Автоматизированные системы мониторинга — это не новая веха в развитии технологий. Начиная с 60-х годов, на базе институтов «Гидропроект» и Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники была разработана широкая номенклатура различных датчиков, которые монтировались тысячами на все гидроэлектростанции I, II и III классов в СССР. Большая часть установленных с 60-х годов датчиков до сих пор находится в работоспособном состоянии.
Традиции мониторинга ответственных гидротехнических сооружений в СССР были полностью унаследованы и усовершенствованы в ногу с развитием передовых технологий. Сформированы отраслевые стандарты, отражающие минимальный объём контролируемых параметров и средств измерений для различных классов и типов сооружений, возникает требование о наличии программно-аппаратного комплекса автоматизированного контроля за основными параметрами сооружений.
В настоящий момент подавляющее большинство гидроэлектростанций, гидроузлов и плотин водохозяйственного назначения I, II и III классов оснащены автоматизированной контрольно-измерительной аппаратурой и информационно-диагностическими системами.
Несмотря на широко распространённый в отечественной практике опыт применения современных для своего времени технологий, обеспечивающих высокий уровень безопасности гидротехнических сооружений, на подавляющем большинстве портовых сооружений России ещё проводятся элементарные ручные наблюдения без какой-либо автоматизации и информационно-диагностических систем. В отдельных случаях встречаются портовые сооружения с выполненной частичной автоматизацией измерений уровня воды, датчиков наклона и других показателей, однако это не носит массового характера, и объём такой автоматизации явно недостаточен для обеспечения должной безопасности портовых сооружений.
В последнее время отечественные компании проявляют активный интерес к технологиям мониторинга портовых сооружений, следят за зарубежным опытом и запускают процессы создания проектной документации для дальнейшего дооснащения автоматизированной контрольно-измерительной аппаратурой своих активов. Развёртываются локальные и единые информационно-диагностические и аналитические системы.
В большинстве случаев данные проекты находятся на ранних стадиях реализации, однако эта тенденция свидетельствует о том, что в ближайшие 5–10 лет все портовые сооружения будут обеспечены достаточным объёмом современного высокотехнологичного мониторинга.
Также существуют сложности при мониторинге дна от воздействия винтовой нагрузки при швартовке. Данный мониторинг, как правило, выполняется путём систематических обследований дна в швартовой зоне с применением эхолотов или визуальных обследований водолазами и является крайне трудоёмким процессом.
Данный процесс может быть существенно упрощён современными беспилотными гидрографическими комплексами, представляющими собой малогабаритное судно, выполненное в виде тримарана, предназначенное для выполнения гидрографической съёмки однолучевым эхолотом в полностью автоматическом режиме в открытых и закрытых водоёмах и прибрежных частях моря на глубинах от 0,3 до 250 метров, скорости ветра до 9 м/c и высоте волны до 1 метра. Управление съёмкой возможно как в ручном режиме с помощью дистанционного пульта, так и в полностью автоматическом режиме по заранее запрограммированному маршруту.
Применение беспилотных водных аппаратов позволяет специалистам оставаться на берегу, в то время как дроны, оснащённые интеллектуальными датчиками, выполняют работы в автоматическом режиме. Внедрение беспилотных технологий позволяет снизить эксплуатационные расходы на гидрографические изыскания дна при увеличении эффективности и точности измерений.
Решаемые задачи:
Автоматизированная система диагностического контроля (АСДК) — система автоматического опроса дистанционной контрольно-измерительной аппаратуры, установленной на сооружениях, одновременно сравнивающая полученные результаты с критериями безопасности с целью оценки технического состояния и безопасности сооружений, включает в себя:
Для более полного понимания возможностей автоматизированных систем мониторинга причальных сооружений и терминалов предлагаем ознакомиться с самыми распространёнными способами автоматического измерения контролируемых параметров.
При наличии в составе портовых сооружений и терминалов грунтовых сооружений, которые требуют контроля положения кривой депрессии, целесообразна автоматизация данных измерений. Для автоматизации измерений уровней воды в безнапорных пьезометрах широкое распространение получили погружные датчики уровня воды. При автоматизации существующего пьезометра достаточно установить комплект аппаратуры опроса на устье скважины и поместить в пьезометр погружной датчик уровня воды.
Стоимость измерительного оборудования для автоматизации уровней воды в пьезометрах в сравнении с другими технологиями мониторинга невысока. Ввиду отсутствия ощутимого объёма строительно-монтажных работ, автоматизация измерений уровня воды в пьезометрах может быть организована в максимально сжатые сроки.
Автоматизацию измерения уровня воды на водомерном посту либо в любой другой точке выполняют различной контрольно-измерительной аппаратурой.
Для автоматизации уровня воды может быть применён всё тот же погружной датчик уровня воды, используемый при автоматизации опускных пьезометров. С целью защиты датчиков уровня воды от механических воздействий, а также исключения влияния подвижностей зеркала воды, связанного с ветровыми воздействиями, движением водного транспорта и т. д., устраиваются успокоители. Данная конструкция выполняет вертикальное измерение расстояния от мембраны датчика до поверхности воды.
Погружной датчик уровня воды — не единственный способ выполнения измерений уровня воды. В качестве альтернативных способов измерения данной величины, в зависимости от ситуации, могут применяться бесконтактные или поплавковые датчики.
Бесконтактный (радарный) датчик передаёт короткие микроволновые импульсы на поверхность воды и принимает их после отражения от поверхности продукта. Время от передачи до приёма сигнала пропорционально расстоянию от прибора до поверхности воды. Радарные датчики работают с малой излучаемой мощностью в частотных диапазонах, предназначенных для измерения уровня воды. Радарные уровнемеры обеспечивают надёжное и очень точное измерение уровня жидкостей в случае отсутствия на поверхности сильной ряби, пены, льда, мусора и т. д. Также стоит отметить, что прибор устанавливается в вертикальном положении над измеряемой поверхностью воды.
Поплавковый датчик представляет собой постоянный магнит, вмонтированный в поплавок, и шток датчика со встроенным герконом. Поплавок с постоянным магнитом перемещается вместе с уровнем жидкости по штоку. Под воздействием магнитного поля происходит срабатывание герконов. При изменении уровня жидкости изменяется выходное сопротивление датчика, которое прямо пропорционально уровню жидкости. Данные датчики также выполняют высокоточное измерение уровня воды при отсутствии замерзания поверхности воды или наличия греющего элемента. Данные датчики, как и погружные, устанавливаются в успокоительных колодцах.
Для автоматизации процесса измерения вертикальных и горизонтальных смещений гидротехнических сооружений и их элементов чаще всего применяются роботизированные тахеометры и оборудование ГННС.
Роботизированные тахеометры позволяют выполнять геодезические наблюдения по расположенным на объекте отражателям с точностью соответствующей первому классу триангуляции. Роботизированные тахеометры применяются для определения плановых смещений, а также осадок на гидротехнических сооружениях.
Очевидным критерием выбора данного способа автоматизации геодезических измерений является наличие прямой видимости между тахеометром и отражателем, что достигается не всегда, а увеличение количества устанавливаемых тахеометров для охвата всех измерительных точек следует оценивать в сравнении с альтернативными способами автоматизации геодезических измерений.
Так как роботизированные тахеометры располагаются на открытой поверхности и подвержены внешним воздействиям, в зависимости от их состава, необходимо обеспечить сохранность измерительного оборудования.
Спутниковая система навигации ГННС, требующая размещения на объекте приёмников, позволяющих с достаточной для мониторинга грунтовых гидротехнических сооружений точностью определять горизонтальные и вертикальные смещения гидротехнических сооружений, не требует прямой видимости между измерительным оборудованием. Также оборудование является более неприхотливым, чем роботизированный тахеометр с отражателями, требующим уход.
Точность измерения контролируемых величин у системы ГНСС значительно ниже в сравнении с роботизированным тахеометром, однако достаточна для выполнения непрерывного мониторинга грунтовых сооружений. В статическом режиме точность может достигать 6 мм, что более чем достаточно для поставленной задачи обеспечения безопасности грунтовых дамб хвостохранилищ.
Окончательный выбор технологий или их комбинации при автоматизации процесса измерения вертикальных и горизонтальных смещений гидротехнических сооружений зависит от множества факторов и требует внимательного рассмотрения в каждом отдельном случае.
Послойные горизонтальные и вертикальные перемещения в теле грунтовых сооружений, обратных засыпок и их оснований портовых сооружений и терминалов являются крайне опасными процессами, которые необходимо контролировать на всех стадиях жизненного цикла сооружений. Измерение данных величин позволяет получить полную картину происходящих в сооружении процессов и своевременно выполнить мероприятия, направленные на их стабилизацию или прекращение.
Для возможности выполнения ручных измерений вертикальных и горизонтальных перемещений в специально пробурённую скважину устанавливаются гибкие инклинометрические сборные НПВХ трубки, дополнительно комплектуемые:
А — защитным оголовком;
B — маркером платформой (в случае установки трубок не в скважину, а по мере наращивания сооружения в процессе строительства);
С — телескопическими секциями (при значительных ожидаемых осадках);
D — рессорами с магнитными маркерами (предназначенными для регистрации вертикальных послойных перемещений);
E — концевой элемент с заглушкой и магнитным маркером.
Измерения выполняются переносными зондами (инклинометрическим — для измерения послойных горизонтальных смещений инклинометрических трубок, экстензометрический — для измерения послойных вертикальных перемещений магнитных маркеров).
Измерения послойных горизонтальных перемещений в теле сооружения и его основания могут быть автоматизированы с помощью скважинных автоматических инклинометров. Датчики устанавливаются в те же инклинометрические сборные НПВХ трубки, монтируемые для ручных измерений при помощи зондов, что особенно удобно, так как измерение горизонтальных смещений можно начать выполнять с самого начала жизненного цикла сооружения, а решение о дорогостоящей автоматизации данных измерений может быть принято позднее.
Скважинные автоматические инклинометры представляют собой датчики наклона, собираемые в гирлянды, при этом данная конструкция может дополнятся гибкими и жёсткими штангами, которые позволяют сэкономить на количестве применяемых приборов, размещая их точечно в самых ответственных участках скважины. Углы наклона, измеряемые датчиками, пересчитываются в горизонтальные перемещения инклинометрической скважины.
При автоматизации горизонтальных перемещений с помощью скважинных автоматических инклинометров гирлянда из датчиков наклона легко извлекается для проведения обслуживания, замены, поверки и т. д. Так как датчики наклона автоматизируют только горизонтальные перемещения и занимают всю внутреннюю полость инклинометрических трубок, автоматизация измерений вертикальных перемещений невозможна и выполняется путём монтажа скважинного экстензометра. При этом сохраняется возможность выполнения ручных измерений послойных вертикальных перемещений грунта при извлечённой гирлянде скважинных автоматических инклинометров (однако это неудобный и трудоёмкий процесс, который имеет смысл только в случае демонтажа гирлянды для проведения работ по её обслуживанию).
С целью организации автоматизированных измерений послойных вертикальных перемещений грунта применяются автоматические скважинные экстензометры. Это тип измерительных устройств, представляющий собой пучок стержней различной длины с якорями на одном конце и измерительной головкой на другом.
Задача стержней — сформировать жёсткую связь между измерительной головкой и якорем конкретного стержня. Стержни комплектуются якорями различной конструкции для надёжного сопряжения с контролируемой точкой (зоной) в теле дамбы или её основания.
Измерительная головка скважинного экстензометра сложена из датчиков перемещения, соединяемых со стержнями. Таким образом, совместно с вертикальным перемещением грунта в теле или основании сооружения перемещается и якорь со стержнем. Вертикальные перемещения вычисляются относительно устья скважины, где размещена измерительная головка.
Максимальное количество якорей, устанавливаемых в одну скважину на различных отметках, зависит от конкретной модели экстензометра и, как правило, варьируется в пределах 1–6 штук.
Для автоматизации трёхосевых щелемеров, контролирующих взаимные перемещения секций портовых сооружений и терминалов, применяют преобразователи линейных перемещений, закреплённые на специальных конструкциях в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях.
Данное оборудование широко себя зарекомендовало как в отечественной, так и зарубежной практике и позволяет выполнять измерения с высочайшей точностью до долей миллиметра в непрерывном режиме. Стоит отметить, что аналогичным способом автоматизируются измерения одноосевых щелемеров, а также двухосевых.
Для измерения относительных вертикальных перемещений элементов сооружения часто применяется гидростатический нивелир. Он представляет собой несколько датчиков, последовательно соединённых между собой трубками. Работа прибора основана на принципе сообщающихся сосудов. Жидкость, свободно перемещаясь внутри приборов и по трубкам, принимает единое положение во всех приборах, а измерение расстояния от поверхности воды до регистрирующего органа в каждом приборе позволяет с высокой точностью определять превышение одной измерительной точки над другой.
Как следует из описанной конструкции гидростатического нивелира, вода в измерительном приборе сообщается с воздушной средой. В зарубежной практике кроме такого типа приборов существуют и полностью замкнутые системы, представляющие собой датчики давления воды с замкнутой системой циркуляции жидкости и воздуха.
У данной системы есть как достоинства, так и недостатки. К достоинствам можно отнести отсутствие необходимости выставлять контролируемые точки в одной горизонтали. С применением датчиков давления в конструкциях некоторых западных гидронивелиров, расширяется диапазон измерения приборов, что позволяет устанавливать контролируемые точки не в одной горизонтальной плоскости, а на разных отметках в пределе диапазона измерений устройства. В зависимости от производителя и модели разброс может составлять от 0,5 до 2 метров.
Недостатком данного подхода является искажение результатов измерений при неравномерном изменении температуры завоздушенной гидромагистрали. Это диктует особые требования при заполнении линии, а также защиты магистрали от её неравномерного нагрева. Существенным недостатком гидронивелиров, не позволяющим их повсеместное использование, является наличие жидкости в приборах и трубках. Очевидно, что возможно добавление в воду незамерзающих реагентов, однако эксперименты при сверхнизких температурах окружающей среды до −40 °C не проводились.
Широко применяемым на портовых сооружениях и терминалах за рубежом является трёхосевой датчик наклона. Он позволяет с высокой точностью регистрировать даже малейшие углы наклона по трём осям, что делает его незаменимым при мониторинге сооружений и конструкций.
Кроме описанных выше приборов, измеряющих физические величины видные глазом, такие как вертикальное и горизонтальные перемещения, наклоны сооружений и уровень воды, существует группа крайне важных устройств, позволяющих вести непрерывный контроль невидимых человеческим глазом процессов, таких как напряжённо-деформированное состояние. Номенклатура таких приборов огромна, однако акцентируем внимание на основных из них, применяемых для мониторинга портовых сооружений и терминалов.
Датчики деформации в арматуре монтируются врезкой в существующий арматурный каркас бетонных сооружений при их возведении. Данные приборы, как правило, устанавливаются совместно с закладными датчиками деформации в бетоне. Такая комбинация датчиков позволяет контролировать напряжённо-деформированное состояние в любых железобетонных конструкциях на всех этапах жизненного цикла сооружения и в любых его режимах работы.
Аналогичные арматурным датчикам устройства применяются для мониторинга деформаций стальных конструкций любого назначения, таких как тяги, швеллера, балки, стенки и т. д. Также широкое распространение в портовых сооружениях, доках и гидроузлах получили датчики силы, устанавливаемые на распределительном поясе, позволяющие регистрировать численное значение величины натяжения тяг.
Существует бесчисленное количество различных измерительных устройств, позволяющих выполнять измерения абсолютно любого контролируемого параметра, и автоматизация данных процессов в существенной степени повысит безопасность портовых сооружений, швартующихся судов и эксплуатирующего их персонала.
Система SODIS Building M позволяет в режиме реального времени получить оперативные сведения о текущем техническом состоянии контролируемых элементов объекта и измерительных подсистем, а в случае его изменения — оперативно принять необходимые меры.
Система онлайн-мониторинга обладает простым и интуитивно понятным интерфейсом и предоставляет оператору полную информацию о расположении контролируемых элементов сооружения, измерительных подсистемах и их компонентах, включая фотографии, инструкции по эксплуатации, регламенты технического обслуживания.
SODIS Building M выводит на экран диспетчера трёхмерное изображение объекта мониторинга, построенное с использованием технологии информационного моделирования со всем комплексом технических средств СМДС.
Система SODIS Building M предназначена для:
Фотозаставка: «ЗИЗХУ РУС».