Совершенствование методов оценки состояния оттяжек опор высоковольтных линий в электроэнергетических системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Кузнецов Алексей Юрьевич

• Кузнецов Алексей Юрьевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Кузнецов Алексей Юрьевич

Список литературы

Приложения:

1. Акт о внедрении

2 Высокочастотный коррозиметр

3 Аппаратура для измерения методом поверхностной стоячей волны

Введение

Актуальность темы. Общая протяженность входящих в ОАО «ФСК ЕЭС» 303 воздушных линий электропередач 220 - 750 кВ составляет более 44 тыс.км. Принимая во внимание тот факт, что в агрессивных грунто-климатических условиях, в частности, в условиях Северных регионов, срок службы электроконструкций зачастую сокращается до 3-5 лет (это в 5-10 раз меньше расчетного) и то, что 40% аварий, происходящих из-за повреждений на линии, приходится на повреждения опор ВЛ, становится очевидно, что существенной частью комплекса мер по оценке состояния электросетевого хозяйства ОАО «ФСК ЕЭС» должна стать комплексная оценка состояния опор ВЛ и их ресурс, на основе полученных данных.

Распространенность в России и за рубежом опор с оттяжками на линиях 500кВ и выше ставит задачу оценки состояния данного типа опор. Необходимость этого вытекает из того факта, что аварии на подобных линиях приводят к крупным убыткам. В частности, особое внимание следует уделить проблеме оценки состояния анкерного крепления оттяжек и определение его ресурса работы. Так, с одной стороны, данный узел находится под землей и недоступен для непосредственного визуального осмотра; вскрытие грунта является весьма трудоемкой и дорогостоящей операцией, особенно в условиях северных регионов, требующей отключения линии и установки временных оттяжек. С другой стороны, мировой опыт свидетельствует, что коррозионное разрушение анкерной петли либо Ц - образного болта зачастую приводит к падению опор. Таковые явления присущи, как показывает статистика, таким странам, как Россия, США, Мексика, Финляндия. Причиной аварий, как было установлено, являются коррозионные повреждения анкерных креплений оттяжек на опорах высоковольтных линий (220 ^ 500 кВ).

В свете вышесказанного разработка новых и совершенствование существующих методов оценки состояния опор линий электропередачи и

определение их ресурса работы представляется весьма актуальной.

4

Объектом исследования являются опоры линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения.

Предметом исследования являются совершенствование методов оценки состояния оттяжек опор высоковольтных линий в электроэнергетических системах

Идея работы заключается в создании анализа оценки состояния анкерных узлов опор линий электропередачи, лишенного недостатков, присущих методам, используемым в настоящее время и позволяющего определение остаточного ресурса работы анкерных петель и Ц-образных болтов высоковольтных линий в электроэнергетических системах.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов оценки состояния оттяжек опор высоковольтных линий в электроэнергетических системах»

Целью работы являются:

- исследование распределения токов короткого замыкания и коррозионных токов в заземляющих системах опор высоковольтных линий узла крепления оттяжек;

- теоретическое обоснование анализов оценки состояния элементов анкерного узла;

- экспериментальная оценка опасности коррозии и ресурса элементов крепления оттяжек;

- дать оценку экономической эффективности использования предлагаемых методов.

Методика исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы. Применялись: научно-техническое обобщение литературных источников по исходным предпосылкам исследований, методы теоретических основ электротехники, теории поля, методы математической статистики и теории вероятностей (теории планирования эксперимента, теории ошибок), рекомендованные Госстандартом России методы и средства измерений, пакет программ МаШСАО.

Научная новизна работы заключается в том, что :

- выполнен анализ расчета распределения токов короткого замыкания, коррозионных токов и потенциалов как в системах «заземляющее устройство подстанции - грозозащитный трос - опоры высоковольтной линии с оттяжками», так и в заземляющем устройстве отдельно стоящей опоры высоковольтной линии с оттяжками.

- для теоретического обоснования анализов оценки состояния узла крепления оттяжек разработаны математические модели, основанные на использовании системы уравнений Максвелла для токов СВЧ средах «металл-продукты коррозии-грунт», позволяющие отстроиться от влияния грунта и рассматривать продукты коррозии в качестве диэлектрика, в котором электромагнитная волна как бы «прилипает» к поверхности металла, что позволяет измерять величины затухания поверхностных волн в анкерных петлях и болтах в реальных условиях с отклонениями от проекта:

- разработана математическая модель для определения степени опасности коррозии и-образных болтов, связывающая коррозию стали с её электрическим сопротивлением на переменном токе высокой частоты (1,6 МГц) с учетом скин-эффекта;

- разработана математическая модель для определения степени опасности коррозии анкерной петли, связывающая коррозию со степенью затухания поверхностной электромагнитной волны (частотой порядка 2 ГГц) с учетом стоячей волны, фиксированной в момент резонансов, когда по длине анкерной петли укладывается целое число полуволн.

- Предложена методика оценки срока службы (ресурса) и-образных болтов и анкерных петель:

- основанного на использовании математической зависимости, описывающей изменение глубины коррозии металла оттяжек (измеренных методами оценки состояния и/или при непосредственном вскрытии) во времени с погрешностью от 4% до 20%;

- основанного на использовании регрессионной зависимости, связывающей глубину коррозии стали оттяжек с временем и обобщающими физико-химическими параметрами грунта, с погрешностью до 10%.

Достоверность научных положений и результатов

Проведена проверка разработанных методов в лабораторных и полевых условиях (ВЛ 220 кВ «Кентау - Чимкент», ВЛ 330 кВ Ставропольэнерго), показавшая приемлемую для практики точность результатов при малых трудозатратах на проведение измерений.

Практическая значимость работы заключается в том, что предложены:

- анализ расчета распределения токов короткого замыкания, коррозионных токов и потенциалов, в системах «заземляющее устройство подстанции - грозозащитный трос - опоры высоковольтной линии с оттяжками» и метод расчета коррозии, основанный на теории многоэлектродных электрохимических систем, позволяющий определить распределение анодных и катодных зон на поверхности Ц-образных болтов и анкерных петель, а также количественно оценить степень опасности коррозии.

- для теоретического обоснования методов оценки состояния узла крепления оттяжек разработаны математические модели, основанные на использовании системы уравнений Максвелла для токов СВЧ средах «металл-продукты коррозии-грунт», позволяющие отстроиться от влияния грунта и рассматривать продукты коррозии в качестве диэлектрика, в котором электромагнитная волна как бы «прилипает» к поверхности металла, что позволяет измерять величины затухания поверхностных волн в анкерных петлях и болтах в реальных условиях с отклонениями от проекта:

- разработана математическая модель для определения степени

коррозии Ц-образных болтов, связывающая коррозию стали с её

7

электрическим сопротивлением на переменном токе высокой частоты (1,6 МГц) с учетом скин-эффекта;

- разработана математическая модель для определения степени коррозии анкерной петли, связывающая коррозию со степенью затухания поверхностной электромагнитной волны (частотой порядка 2 ГГц) с учетом стоячей волны, фиксированной в момент резонансов, когда по длине анкерной петли укладывается целое число полуволн.

- Предложена методика оценки срока службы (ресурса) Ц-образных болтов и анкерных петель:

- основанного на использовании математической зависимости, описывающей изменение глубины коррозии металла оттяжек (измеряных методами оценки состояния и/или при непосредственном вскрытии) во времени с погрешностью от 4% до 20%;

- основанного на использовании регрессионной зависимости, связывающей глубину коррозии стали оттяжек с временем и обобщающими физико-химическими параметрами грунта, с погрешностью до 10%.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и были одобрены на:

1. Международной юбилейной научно-технической конференции «Обновление флота - актуальная проблема водного транспорта на современном этапе» (2011 г., г.Новосибирск);

2. Третьей международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки» (24-28 марта 2011 г., г.Тамбов).

3. Четвертой международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки» (25-30 мая 2011 г., г.Тамбов).

4. Шестой международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки» (24-28 сентября 2011 г., г.Тамбов).

5. Девятнадцатой международной выставке «Сиббезопасность.

Спассиб - 2011» (20-22 сентября 2011 г., г.Новосибирск)

8

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работы, в том числе 11 статей, 7 из которых - в изданиях по перечню ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 76 наименований и 3 приложения. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, поясняемого 31 рисунком и 17 таблицами.

Глава 1 Анализ причин разрушения и методов оценки состояния узлов крепления оттяжек опор

1.1 Анализ состояния конструкций оттяжек опор воздушных линий электропередач

На сегодняшний день общая протяженность входящих в ОАО «ФСК ЕЭС» 303 воздушных линий электропередачи 220 - 750 кВ составляет более 44 тыс.км. Принимая во внимание тот факт, что в агрессивных грунто-климатических условиях, особенно в условиях Северных регионов, срок службы электроконструкций зачастую сокращается до 3-5 лет (это в 5-10 раз меньше расчетного) и то, что 40% аварий, происходящих из-за повреждений на линии, приходится на повреждения опор ВЛ, становится очевидно, что существенной частью комплекса мер по диагностике электросетевого хозяйства ОАО «ФСК ЕЭС» должна стать комплексная оценка состояния опор ВЛ [1;2;4].

С другой стороны, мировой опыт свидетельствует, что коррозионное разрушение анкерной петли или Ц-образного болта зачастую приводят к падению опор. Эти весьма неприятные для эксплуатации явления присущи, как показывает статистика, таким странам, как Россия, США, Мексика, Финляндия. Причиной аварий, как было установлено, являются коррозионные повреждения анкерных креплений оттяжек на опорах высоковольтных линий (220...500 кВ) [8;9].

На рисунке 1.1 представлена примеры коррозии анкерных петель отяжек опор ВЛ - 500 кВ

в) д)

Рис. 1.1 Примеры коррозии анкерных петель отяжек опор ВЛ - 500 кВ а - ВЛ - 500 кВ "Ермак - Омск", опоры № 61, срок службы 17 лет; б, в - ВЛ - 500 кВ "Ермак - Екибастуз - Целиноград", опора 244 срок службы 20 лет;

г, д - ВЛ - 500 кВ "Ермак - Екибастуз - Целиноград", опора 239 срок службы 20 лет.

Сильная коррозия петли вызвала аварию с падением опоры и выводом линии из строя на 10 дней [4].

В настоящее время применяются некоторые способы косвенных оценок состояния узла крепления оттяжек электрических опор. К ним относятся: визуальная проверка натяжения тросов крепления и различные способы исследования поверхности грунта вокруг опоры, однако они не затрагивают глубинных слоев, где находится обследуемый анкерный узел. Обзор иных существующих методов представлен в работах [2; 10-14;72]. При проектировании линий производятся изыскательские работы, при выполнении которых осуществляются вертикальные зондирования с определением удельного сопротивления грунта на различной глубине. Однако прямой зависимости между коррозией металла и свойствами грунтовой среды пока не установлено [2;10;11;15;72].

Так, после случаев падения опор ВЛ-500 кВ в Казахстане были произведены обследования состояния оттяжек указанных опор [2]. Часть результатов данного обследования приведена на рисунке 1.2, откуда видно, что разрушения двух анкерных петель одной опоры может отличаться весьма значительно (от 0 до 40%).

ДЭ,0/ 'о J

▲

▲ ▲ ■

▲ ▲ ■ ■

■

■ ■ 1 ▲ 1 1 1

201 234 235 238 239 241 242 243 244 245 247 ■ АП №1 А АП №2 № опоры

Рисунок 1.2 - Степень коррозии петель анкерных плит опор ВЛ-500 кВ

«Ермак — Экибастуз — Целиноград» В СНГ также известны случаи падения опор ВЛ из-за разрушения Ц-

образных болтов и анкерных петель [5; 6; 7; 8]. Так, например, на ВЛ - 500

кВ «Ермаковская ГРЭС - Иртышская - Омск» 3 апреля 1990 г. произошла

12

авария с падением опоры N 61 (тип ПОУЕМ). Авария вывела эту линию на 10 дней. Причиной аварии оказалась сильная коррозия анкерной петли (рис.1.1.). Массовые обследования коррозионного состояния указанных узлов на этой линии показали, что у 10-15% опор необходима замена разрушенных конструкций.

В целом зоны максимального разрушения Ц-образных болтов достигнет 15-17% и расположены либо в нижней их части, либо на глубине 0,7-1 м.

Зоны наибольшей потери сечения петель анкерных плит составляют 50-80% и располагаются в верхней части петли, либо у ее основания.

Аналогичный характер разрушения отмечен на ВЛ 500 кВ № 501 «Ермак-Экибастуз-Целиноград». В 1986 г. произошло падение опоры № 244 вследствие сильной коррозии анкерной петли (до 80% снижения сечения) рис. 1.1. [5].

При обследовании на этой линии было откопано 17 анкерных плит, из них заменены 14 шт. из-за сильной коррозии анкерных петель.

Кроме интенсивной коррозии анкерных петель на практике отмечены случаи падения опор из-за разрушения Ц-образных болтов.

Так, на ВЛ -220 кВ «Кентау - Чимкент» отмечен случай падения опоры № 344 на 28 г. эксплуатации из-за интенсивной коррозии Ц-образного болта [5].

Обследование с помощью откопки на других опорах выявили аналогичную картину коррозии. Например, на опоре N 347 Ц-образный болт прокорродировал на 50% и был заменен.

Аналогичное разрушение отмечено на ВЛ - 330 кВ на оттяжках «Невинномысская ГРЭС - ГРЭС-2». На этой линии на 30 году эксплуатации упала опора N54 ППОД-8 из-за коррозии узла крепления оттяжки.

В южных регионах СНГ коррозия указанных узлов протекает

интенсивнее и опасные разрушения наступают после 10 лет эксплуатации

13

(табл. 1.1.).

В тоже время, наряду с интенсивной коррозией Ц-образных болтов и анкерных петель, наблюдается относительно небольшая коррозия. Так, в статье [9] приводятся результаты обследования на ВЛ - 500 кВ на оттяжках, построенных в 1954 - 1960 г.г. в средней полосе. Скорость коррозии была 0,06-0,07 мм в год. На последующие 25 лет в тех же условиях коррозионные потери возрастут от 0,3-0,5 мм.

Таблица 1.1. Диагностика состояния анкерных петель опор ВЛ - 220500 кВ на оттяжках

Наименование ВЛ Номер опоры Оценка коррозии по параметрам грунта, мм Фактическая коррозия АП при вскрытым мм /% снижения сечения (А)

«Красноводск-КС Котур-Тепе», ВЛ - 220 кВ; 14 лет Обследовано : 25 опор 404 5,1 мм 5,1 м 55%

406 8,5 м 8,3 м 100%

ВЛ-500 кВ «Мары-Чарджоу» 10 лет 55 средняя; 1,15 0,9 2мм А=42%

186 средняя; 1,39 1,46 1,5-2мм А=27% 0,9

227 Средняя - 0,5-1 мм

Обследовано: 47 опор 642 Сильная 3,15 мм 3,05мм 4-5 мм

В ряде мест, где защитное покрытие слоем битума отслоилось, к 1996 г. появились каверны глубиной до 1 мм и даже до 3 мм.

Требования современных норм к несущей способности удовлетворяются при коррозии оттяжек до 1% по сечению, поскольку коррозия поясов до 1 мм снижает несущую способность опор примерно на 10%. Авторы [9] делают вывод, что надежность опор на обследованных линиях в обозримом будущем зависит в основном от проектных решений, но не от коррозии.

Оценивая в целом проведенный анализ необходимо констатировать:

- в зависимости от конкретных условий, наблюдаются случаи как сильной, так и слабой коррозии Ц-образных болтов и анкерных петель;

- методы оценки коррозионного состояния с помощью вскрытия грунта трудоемкие, неэкономичные и не позволяют производить массового обследования линий;

- необходима разработка более эффективных методов оценки коррозии.

1.2 Причины коррозии подземных конструкций опор на оттяжках

Для анализа причин коррозии конструкций оттяжек опор ВЛ целесообразно изложить особенности конструкций анкеров, на которых произошли аварии.

В США авария на ВЛ-345 "Коффин-Норд-Пана" (компания СИПС) произошла на угловой опоре с углом поворота трассы 58° 59'.

Тяжелая угловая опора рассчитана на угол поворота 15-60° и фиксируется 4-мя бетонными анкерами. Бетонный анкер по своей конструкции такой же, как фундамент под опору. На дне скважины глубиной 2,4 м помещен небольшой арматурный каркас. 2 анкерных стержня из оцинкованной стали 0 2,5 см и длиной 3 м забиваются в грунт под углом 45° до тех пор, пока их концы не войдут в арматурный каркас. К концам анкерных стержней прикреплена квадратная плоская шайба, скважина заполняется бетоном (1,5 м), а последние 90 см засыпаются грунтом. Общее число анкерных стержней - 8 (2 на каждую фазу и 2 для грозозащитного троса). Они распределены попарно между 4 бетонными анкерами.

Удельное сопротивление грунтов в месте установки бетонных анкеров довольно низкое и уменьшалось с глубиной (22 Ом*м на глубине 1,5 м). Результаты измерения потенциалов грунта и его удельного сопротивления показали, что условия были благоприятными для коррозии.

По заключению фирмы-консультанта (Sargent and Jundy Чикаго) причиной поломки анкера у опоры АР171, вызвавшей последующую аварию ВЛ, называется воздействие сдвоенного элемента.

Первый элемент был гальванической парой, образовавшей на пути тока между анкерным стержнем и стальной частью ближайшего фундамента и/или медного заземляющего электроду (у API 71 заземляющих электродов не было).

Второй элемент был элементом, образовавшимся в результате взаимодействия бетон-земля, вдоль анкерного стержня

Оба процесса усиливались вследствие довольно низкого удельного сопротивления грунта, которое фактически позволяет проводить более сильный ток коррозии.

В Финляндии причину коррозии конструкций оттяжек опор ВЛ также объяснили функционированием коррозионных, гальванических пар, образуемых медным заземлением и стальной оттяжкой. Нужно отметить, что конструкция оттяжек в Финляндии наиболее близка аналогичным конструкциям в СССР (СНГ). Принципиальное отличие заключается в использовании меди, остальные металлические детали выполнены из стали оцинкованные горячим способом.

В итоге медное заземление и оцинкованные стальные конструкции образуют гальваническую пару с разностью потенциалов 1,1 В. Постоянный ток, порождаемый указанной гальванической парой, ограничивается поляризацией анодного (стального) и катодного (медного) электродов, а также сопротивлением грунта между ними.

Медная конструкция заземления, имеющая существенное значение с точки зрения коррозии, может являться или заземлением отдельной опоры, или решеткой заземления электростанции, расположенной поблизости. В последнем случае гальваническая связь образуется через грозозащитные тросы, соединяющие опоры и заземляющее устройство электростанции.

Таким образом, вблизи электростанций имеются предпосылки появления больших коррозионных токов.

Наличие сопротивления между частями растяжек и в конструкции

опоры может существенно снизить коррозионный ток. На поверхности

деталей слабо натянутых оттяжек образуется изолирующая пленка

окисла. С другой стороны, на туго натянутых оттяжках такой пленки не

образуется и именно на них и происходит концентрация коррозионного

тока. Следовательно, оттяжки, подверженные статическому натяжению

17

(оттяжки на угловых опорах, что имело место в США), наиболее подвержены коррозии. Аварии, вызываемые разрушениями таких оттяжек, являются наиболее крупными.

Исследования (в Финляндии) показали, что гальваническая коррозия концентрируется в содержащих большое количество влаги слоях грунта с низким удельным сопротивлением. При обследовании коррозионного состояния оттяжек измеряли их коррозию, ток, данные о химии почвы, удельном сопротивлении и т.п. (всего 152 переменные). При анализе осуществили корреляцию переменных величин с помощью линейных моделей регрессии. Между измеренным током и коррозией существует явная связь. Большие коррозионные токи порождают большое поражение коррозией, поэтому результат замеров тока может служить и критерием для определения подверженности коррозии. Однако, этот критерий не однозначен, поскольку при этом не решен вопрос о распределении тока. Даже относительно малый ток и количественно незначительная коррозия могут, локально сосредоточившись, значительно повредить оттяжку.

Было обнаружено, что из отдельных свойств почвы только удельное сопротивление в значительной степени взаимосвязано с коррозией. Другие свойства почвы (влажность, содержание гумуса или рН) в одиночку явление коррозии не объясняют. Влияние удельного сопротивления объясняется тем, что оно является величиной суммирующей различные параметры почвы. При уменьшении удельного сопротивления грунта коррозия увеличивается. При возрастании удельного сопротивления земли усиливается поляризация оттяжек, а коррозия замедляется.

В результате исследований, финские специалисты выделили 3 критерия, используемые при контроле и замене оттяжек: возраст (8 лет), удельное сопротивление грунта (< 200 Ом*м), ток коррозии (>5мА).

Таким образом, специалисты США, Финляндии в качестве основной причины коррозии конструкций оттяжек выделяют функционирование коррозионных макропар в ЗС опор ВЛ.

Знание причины коррозии конструкций оттяжек опор ВЛ полезно и при анализе механизма коррозии конструкций и материалов Ц-образных болтов и анкерных петель, применяемых в СССР (СНГ).

Целесообразно также разработать методику расчета срока службы указанных конструкций, что важно, как для проектируемых, так и для эксплуатируемых опор ВЛ с оттяжками. Необходимость исследования механизма коррозии конструкций оттяжек обусловлена также и разнообразными грунтово - климатическими условиями в СССР (СНГ).

1.3 Методы оценки состояния Ц-образных болтов и анкерных петель

Косвенные методы

Коррозия стали в грунте определяется: удельным сопротивлением грунта, концентрацией ионов О- и SO4-2 в грунтовой влаге, влажностью грунта, плотностью поляризующего тока [2;7].

Группа косвенных методов нацелена на определение наиболее опасных, в коррозионном отношении, участков трассы воздушной линии (ВЛ) по проектным данным или по результатам натурного обследования.

Для этого необходимо проанализировать коррозионные параметры продольного профиля трассы, полученные при предпроектных изысканиях, на всей протяженности ВЛ. По данным геологических изысканий можно составить таблицы опор ВЛ с повышенной опасностью коррозии анкерных креплений оттяжек. По сумме опасных характеристик грунта и расположению опор на местности можно выделить опоры с наиболее вероятными коррозионными повреждениями (группа опор "повышенного коррозионного риска").

На рисунке 1.3 показано распределение опор по зонам коррозионной активности грунтов для ВЛ-500 кВ «Ермак - Омск» [2;4].

Рисунок 1.3 - Распределение опор по зонам коррозионной активности грунтов для ВЛ-500кВ «Ермак - Омск»

Из приведенной гистограммы видно, что в данном случае в группу повышенного коррозионного риска (К0 - К2) попадает 7,1% опор линии [2].

В целом, косвенная оценка опасности коррозии позволяет выделять участки повышенного коррозионного риска, однако, влияние неучтенных факторов коррозии на точность косвенных оценок велико. Попытка производить оценку коррозионной опасности по физико-химическим параметрам грунта дает погрешность до 50%, что делает невозможным использование косвенных оценок для определения коррозионного состояния отдельно взятой опоры [2].

Метод пробного точечного электрода

Из теории многоэлектродных электрохимических систем Г.В. Акимова и Н.Д. Томашова [25;26], обоснования и разработки метода прогноза Ю.В. Демина [2;27], следует однозначный вывод о том, что точечный электрод, расположенный в непосредственной близости от металлической поверхности значительно большей площади и электрически

связанной с ней, поляризуется до ее потенциала. Это дает возможность определять режим работы металлической поверхности (анодный или катодный) около которой расположен точечный электрод из того же металла.

Экспериментальная проверка метода проводилась на ВЛ - 500 кВ "Экибастуз - Целиноград" [28]. На расстоянии 10 см от Ц-образного болта в грунт погружался "пробный электрод" (рисунок 1.4). По падению напряжения на шунте измерялась величина и направление коррозионного тока. Измерение падения напряжения на шунте производилось последовательно по мере погружения точечного электрода в грунт с шагом 10 см, по направлению тока определялся режим работы (анодный или катодный) поверхности Ц-образного болта. Результаты показали, что, как и предсказано теорией, верхняя часть болта работала в катодном режиме [25;26]. Поскольку сумма катодных токов равна сумме анодных токов [25], то по величине катодного тока можно судить о степени коррозионной опасности узлов крепления оттяжек.

Г<3п

Е

о

300

Т/777. 77777,

/-5

V

Рисунок 1.4 - Метод пробного точечного электрода 1 - Ц-образный болт; 2 - шунт; 3 - милливольтметр; 4 - диэлектрическая штанга; 5 - металлический электрод.

Метод пробного точечного электрода хорошо отражает физику коррозионного процесса и может быть использован в качестве дополнительного при оценке опасности коррозии по параметрам грунта. Кроме того, при производстве изыскательских работ при проектировании линий, метод пробного электрода позволяет определить величину окислительно-восстановительного потенциала |ф| и удельного сопротивления грунта р - составляющие формулы А.Г. Тарасова [4] при оценке опасности коррозии оттяжек по физико-химическим параметрам грунта.

При всех достоинствах метод остается косвенным, то есть позволяет оценить не коррозионное состояние как таковое, а лишь вероятность протекания процессов коррозии. Следствием этого является сравнительно большая погрешность метода.

Ультразвуковая дефектоскопия

Обследование анкерных болтов также может производиться ультразвуковым методом [29]. Прозвучивание конструкции производится в режиме регистрации отраженного сигнала («эхо»). Характер отраженного сигнала изменяется в местах изменения плотности материала обследуемой конструкции, связанный с появлением и развитием трещин и коррозионных язв.

Метод позволяет с высокой точностью определять наиболее ослабленные места анкерных болтов, однако, имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что коррозия идет по поверхности болта, уменьшая его сечение, но мало затрагивая оставшийся материал. Это приводит к тому, что метод неэффективен для оценки состояния на ранних стадиях коррозии. Кроме того, при сварных анкерных болтах диагностике поддается лишь часть болта до сварного стыка, а у И-образных болтов лишь одной ветви, не затрагивая нижней части, которая,

чаще всего и разрушается от коррозии в месте контакта с анкерной петлей.

22

Метод магнитной памяти металла

В основе явления магнитной памяти металла (МПМ) лежат: эффект магнитопластики - процесс формирования собственного магнитного поля объекта из ферромагнитного материала в условиях пластической деформации и эффект магнитоупругости, вызывающий рост остаточной намагниченности [30-31], схема которого показана на рисунке 1.5. Так, если в каком-то месте конструкции действует циклическая нагрузка Да и есть внешнее магнитное поле Но (например, поле Земли), то в этом месте происходит рост остаточной намагниченности ДМа. После снятия нагрузки обратимая составляющая исчезает, а остается только необратимая составляющая остаточной намагниченности (ДМан). В силу магнитоупругого эффекта происходит как бы "самонамагничивание" конструкции в зонах концентрации напряжений от рабочих нагрузок

Рисунок 1.5 - Схема проявления магнитоупругого эффекта.

Метод позволяет оценить состояние металла, обусловленное наличием усталости, коррозии или любых иных факторов, влияющих на структуру, а, следовательно, и прочность металла.

Серьезным препятствием к широкому внедрению метода для оценки состояния Ц-образных болтов является необходимость приложения магнитного датчика непосредственно к объекту измерения, что требует проведения откопок, хотя, по сравнению с методом непосредственного

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузнецов Алексей Юрьевич, 2016 год

- На,

1 Н"«

Н{01>(На1) _ ( 2яа1л

Н1(1)(На1)

V Л У

'1 - 1Л

V £У

а

(3.40)

Полагая И = 1/х0 для а1/х0 < а1 после разложения в ряд функций Ганкеля, получим:

А Л2 А а

1п

V х0 у

0,89 а-

х,

2яа,

2

г 1 л

0 у

V х У

1 -1

г

£ У а1

(3.41)

Для больших значений а1 / х0 справедливо использовать асимптотическое разложение функции Ганкеля и уравнение (3.40) представить в виде:

Л

1 -1/2 Х°

а

—я г (1 -11

1 У

Л

(3.42)

Затухание волны в металле и диэлектрическом слое выражается соотношением

я8м (На1>2(Н1(1)(На1>>2

л а / (На)

где 5 — толщина скин-слоя.

Для практических расчетов формулы могут быть упрощены: если а1Х0 <<1, то Иа1=1а^х0 и

1

(43)

я

м Л 0,5 + 1п(0,89а / х0) '

я 1_1_

Л £ а 0,5 + 1п(0,89а / х0)

(3.44)

(3.45)

При а1 / Х0 >> 1:

Я^м

Л хп

я tgS 2г

Л £ Х„

1+-

1+-

V а у

— АtgSi

я

м!

хп

V а1 У

ЛУ V 8я3 tg8 (1

1 --

Л2^ о_3 . С^, N2,

1

1 -

Л £ V Л У V £

(3.46)

(3.47)

где 8М — глубина проникновения тока в металлический проводник; \ — толщина диэлектрического (коррозионного) слоя; е — диэлектрическая проницаемость;

2

г

£

3

3

1

8

£

8

— тангенс угла диэлектрических потерь.

Приведенные формулы (3.46) и (3.47) дают возможность рассчитать величину затухания поверхностной волны от величины коррозионного слоя. Они же позволяют определить величину коррозионного слоя:

г — ^ (3.48)

Из полученных соотношений можно сделать вывод о том, что величина затухания прямо пропорциональна толщине коррозионного слоя и изменение этой толщины с достаточной степенью точности может быть определено только при высоких частотах (малые X). Кроме этого, на высоких частотах наблюдается слабая зависимость затухания от радиуса провода (радиуса анкерной петли).

3.3 Влияние почвы на распространение поверхностных волн

При реальных измерениях коррозионного состояния поверхностного слоя исследуемых объектов приходится иметь дело с тройной системой: «металл — диэлектрик — почва» (рисунок 3.4) [10;32;33]. Металлический проводник диаметром «а» покрыт слоем диэлектрика толщиной ? и характеризуется диэлектрической проницаемостью вк и тангенсом угла потерь Считаем, что на границе «почва — коррозионный слой» волны распространяются с одинаковой скоростью (чтобы удовлетворить граничным условиям).

Рисунок 3.4 - Распространение поверхностной волны в системе «металл —

диэлектрик — почва»

(3.49)

Напряженность электрического поля:

Ех=Р(х)е-1Ь2

где: И — искомый коэффициент распространения.

Для составляющей электрического поля запишем уравнение в следующем виде:

ДЕх + к^Ех = 0. Из (3.49) и (3.50) найдем уравнение для б(х):

(3.50)

(Э2Б(х)/Эх2) + (к12-И2) Б(х) = 0.

Для поля с затухающей волной:

к 12 - И2 = -р2

И = V к12 + р2

Таким образом:

Ех = Лгрх-Ш2,

(3.51)

(3.52)

(3.53)

Е2 = I (р/И)Л

-ру-1Ьг

Для определения И воспользуемся условием Леонтовича-Щукина на границе с проводником:

Е2 = 72Иу,

г2 =.

Щ±е ]Ж/4

У2

Р = - ^к72 или

р = .

К^к с-ш/4

У 2

1 - /

к2 = к2

У2

Для проводника покрытого диэлектрическим слоем и размещенного в почве диэлектрика получаем: Ех1 = Е1(х)е-1Ь2 - в почве, Ех2 = р2(х)е-Шг - в коррозионном слое. Для полей в двух средах запишем уравнения:

01+(К2 - к 2 К = о,

5 2р2 , (1Л ,2

&2 +(к22 - к2 К = 0. (3.54)

Поскольку фазовая скорость на границе «почва - коррозионный слой» меньше фазовой скорости в почве, но больше, чем в коррозионном слое, то получим:

И2 - к12 = р2, к22 - И2 = д2. (3.55)

После преобразований найдем:

Е71 = 1(р/Ь)Л1е-рх-Ш7,

Е22 = (д/И)(Л2е-1чх - В2е-1дх)е-Шг. (3.56)

На поверхности проводника х = 0, Л2 = В2 , Е22 = 0 , следовательно:

Ех2 = 2Л2008 (дх) е-1Ьг ,

Е22 = 21(д/Ь)Л281п (дх) е*2 . (3.57)

Тангенциальная составляющая вектора «Е» и нормальная составляющая вектора «Э» на поверхности х = \ должны быть непрерывны:

Е21 = Е22 ,

еЕ = 8кЕх2. (3.58)

Подставив (3.56) и (3.57) в (3.58) получим:

рЛ1е-р1 = 2дв1п (д^,

81Л1е-р1 = 2екА2сов^). (3.59)

Разделив в (3.59) первое уравнение на второе определим характеристическое уравнение:

р = (е/ек)

второе уравнение, связывающее р и д получим из уравнения (3.57):

р2 + д2 = к22-к!2.

Для совместного решения уравнений запишем систему:

р1 = (е1/ек) (р1)2+^)2=Я2,

я = Цк 2 - к 2. (3.60)

Полученную систему можно решить графически. При Я< п имеется только одна точка пересечения кривых. Это означает, что при Я< п вдоль диэлектрического слоя может распространяться лишь одна волна. Двум точкам пересечения кривых при 2п >Я>п, т.е. двум корням системы, соответствуют две волны, которые могут распространяться вдоль диэлектрического слоя. Зная р и д из уравнения (3.56) легко найти связь между Л1 и Л2 .

Из уравнения (3.56) следует, что вне диэлектрического слоя напряженность электрического поля уменьшается по экспоненциальному закону. Чем больше р, тем больше ослабление поля. Поле как бы прижимается к поверхности диэлектрика. С увеличением р увеличивается также И и, следовательно, уменьшается фазовая скорость поверхностной волны.

Таким образом, поверхностная волна возникает и распространяется вдоль границ раздела разных сред: «диэлектрик — проводник» или сред с разной оптической плотностью. Кроме того, чем больше затухание

поверхностной волны в слое диэлектрика, тем меньше радиус распространения ее в почву. Поверхностная волна как бы «прилипает» к диэлектрику, что практически устраняет влияние грунта на результаты измерений затухания в коррозионном слое и позволяет измерить величины затухания поверхностных волн в анкерных петлях и болтах в реальных условиях.

3.4 Метод балансировки высокочастотного Т - образного моста для измерения сопротивления и - образных болтов

При измерениях электрического сопротивления на высоких частотах стоит отдать предпочтение Т-образным мостовым схемам [10;49;50]. В этих устройствах источник сигнала на входе и индикатор напряжения на выходе имеют общую точку, к которой может быть присоединен один из полюсов измеряемого объекта. Одновременно, вся измерительная цепь помещается в металлический экран, который заземляется вместе с общей точкой генератора, приемника и объекта измерения. В таком случае «паразитные» емкостные утечки между измерительной цепью и экраном шунтируют выход источника и вход индикатора, оказывая влияние лишь на чувствительность, которая остается достаточной для проведения качественных измерений.

Так как особенностью Т-образных мостов является высокая чувствительность в узких пределах параметров схемы и рабочих частот вблизи равновесия моста (отсутствия напряжения на выходе), то это исключает возможность плавной настройки по частоте и создает необходимость использования фиксированной частоты измерения. С учетом глубины проникновения измерительного тока в исследуемый объект (5 ^ 10 мм) выбрана частота 1,6 МГц.

Схема моста содержит сдвоенный конденсатор переменной емкости С и переменное сопротивление Я (рисунок 3.5).

Постоянная индуктивность Ь, имеющая также и небольшое активное сопротивление г, служат для начального баланса мостовой схемы. Исследуемый объект (Ц-образный болт) присоединяется в точках т - п последовательно с элементами моста Ь и г.

Рисунок 3.5 - Электрическая схема высокочастотного коррозиметра.

Немаловажным достоинством такой схемы является простота градуировки прибора.

Рассмотрим расчетную схему, представленную на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - расчетная схема измерительного моста

Система уравнений для определения контурных токов запишется в

виде:

(I, -1з) ■ г! + (I, -12) ■ г 4 + 1хХЕ = Е,

< (Iз -1,)■ г, + (1з -12)■ += о, (3.61)

(12 - Iз) ■ 12 + (12 - I,) ■ 14 + 12 = 0.

или

' 11 ■ (г, + г4 + гЕ) -12 г4 -1з г, = Е,

< -1,1, -1212 + 1з ■ (I, + г2 + 1з) = о, (3.62)

-1,г4 +12 ■ (х2 + г4 + ) -13г2 = о.

Напряжение на индикаторе будет равно «0» если ток 12 =0. В этом

случае система уравнений может быть переписана в виде:

' I, ■ (г, + г4 + 1е) - 1Ъ2Х = Е, (3.63)

< -^^ + ^ ■ (2Х + + !) = о, -1г2= о.

Решение данной системы дает нам уравнение баланса моста:

/1/2 + + /2 + гэ)=0, (3.64)

где, согласно схеме: 21 = = 1/]юС, = Я, = г + jюL. Разделяя и приравнивая нулю вещественную и мнимую части полученного уравнения получим два соотношения: Л + 2Ь/с = 1/ю2С2 и 2г/юС = юЬЯ, откуда, исключив г, находим, что Ь (1+ю2С2Я2/4) = 1/2 ю2С. При частоте меньшей 10 МГц ( ю < 2п ■ 107), R< 40 Ом, С< 500 пФ выражение упрощается: L = 1/2 ю2С, а после подстановки L в соотношение 2г/ юС = юЬЯ круговая частота ю и емкость С полностью исключаются. В результате имеем простую формулу активного сопротивления:

г = Я/4. (3.65)

Глава 4 Экспериментальная оценка опасности коррозии и ресурса элементов крепления оттяжек. Оценка экономической эффективности

4.1 Апробация метода измерения сопротивления на высокой частоте

Была проведена серия измерений в разных местах трассы линии напряжением 330 кВ [50;54]. Для обработки результатов измерений электрического сопротивления и-образных анкерных болтов применен статистический метод. Измеренные сопротивления разделились на две группы: (1,62±0,55) Ом и (3,86±1,05) Ом.

Последующие вскрытия (по 3 в каждой группе) показали, что эти данные могут быть интерпретированы как отсутствие коррозии в первом случае и как слабая коррозия во втором.

Кроме того, были измерены сопротивления болтов на складах до начала строительства. Длина и - болта при измерениях составила - 5 м, а измеренное сопротивление болта составило (1,52±0,4) Ом.

Данные измерений и их обработка приведены в приложении Д.

Указанные данные относятся к 35-мм болтам. Новые оцинкованные болты диаметром 42 мм имеют сопротивление 0,43 Ом.

Таким образом, отсутствие коррозии может быть определено достаточно надежно. Слабую и сильную коррозию можно оценить, исходя из наблюдений, по глубине коррозионного поражения: (2,5 и 5) мм соответственно (рисунок 4.1).

При расчете электрического сопротивления по формуле Я = р1/Б принято: удельное сопротивление продуктов коррозии (окислов железа) р = 5*10-4 Ом*м; площадь кольцевых сечений 5 = 2,55* 10-4 м2 (слабая коррозия) и 5 = 4,71*10-4м2 (сильная коррозия); длина коррозионно пораженной части болта 2,5 м (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Слабая (30 мм) и сильная (25 мм) коррозия в сечении 35-мм болта.

В этих случаях слабой коррозии соответствует сопротивление 2,5 Ом, сильной коррозии 4,9 Ом. К этим сопротивлениям необходимо добавить 0,75 Ом на неповрежденную часть болта.

4.2 Апробация метода измерения сопротивления с использованием поверхностной стоячей волны

Первоначальный этап [55] реализации метода заключался в следующем: на каждую анкерную петлю (№1 и №2) наматывались две обмотки, состоящие из 1-3 витков медного провода. Одна обмотка через развязывающие элементы присоединялась к СВЧ генератору, вторая — через детекторную секцию к индикатору. В этом случае анкерная петля с возбуждающими элементами становится линией передачи, активным элементом которой является скин-слой. Резонанс в такой линии наступает только в том случае, если по длине анкерной петли укладывается целое число полуволн. Результаты опытов подтверждают наличие большего затухания в петле №2, подверженной коррозии (таблица 4.1).

Таблица 4.1- Затухание поверхностной волны в коррозионном слое.

Расположение анкерных болтов Петля №1 иь мВ Петля №2 и2, мВ

500 90

700 75 ~8

800 90

1/,, мВ и2, мВ

\/ 90 0,45

уО>( 145 0,45 -200

90 0,45

6

900 9

980 6 -125

950 7,5

Предположение о различном затухании поверхностной волны в слое без коррозии и с коррозией было проверено на реальной модели узла анкерной петли. Возбуждение поверхностной волны производилось через анкерные болты, выходящие на поверхность земли. Реально использовать предыдущий опыт на действующих линиях электропередачи невозможно, так как выводы от обмоток нужно закладывать при установке опор. Это возможно только во вновь монтируемых линиях. Использование же анкерных болтов позволяет без откопки зондировать поверхностный слой анкерной петли.

Особенно важно исключить влияние произвольного расположения анкерных болтов и заземлителей, монтаж которых не всегда соответствует проектному, что приводит к невозможности контроля состояния анкерной петли на низких частотах (50Гц). В случаях когда болты смонтированы на очень близких расстояниях друг к другу (или даже имеют точки соприкосновения) измеряется, фактически, их влияние на изменение сопротивления анкерной петли (таблица 4.1). Аналогичное действие оказывает и неправильное расположение искусственных заземлителей. При расположении элементов узла крепления с отклонениями от проекта изменяется коэффициент трансформации между Ц-образными болтами и петлей, что влияет на выходной сигнал значительно сильнее, чем от коррозии. Это подтверждается расчетами и экспериментальными исследованиями.

Как показали теоретические исследования, переход на СВЧ позволяет существенно увеличить в выходном сигнале долю влияния от коррозии.

Это подтверждается экспериментально, причем в таблице 4.2 рассмотрены случаи неправильного расположения болтов, встречающихся на практике.

Таблица 4.2 - Влияние произвольного расположения болтов на результаты измерений.

Схема расположения и-образных болтов и обмоток Частота, Г, МГц Величина сигнала, мкВ Отношение и^и 2

Целая АП, У* Дефектная АП, и2

1867 2328 9,96 233,7

2100 14,6 0,3 48,8

2590 2382 7,98 298,5

2110 108,3 0,45 240

2117 943,3 7,5 125,7

Это полностью подтверждается расчетным путем: на высоких частотах сопротивление анкерной петли с учетом болтов составляет 9,35 Ом, а сопротивление поверхностного коррозионного слоя анкерной петли — 200 Ом.

Полевые испытания предложенного метода проводились на действующей ВЛ-220 кВ «Кентау — Чимкент» и заключались в последовательном исследовании Ц-образных болтов с помощью метода поверхностных волн с откопкой для подтверждения результатов измерений. Результаты измерений приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Результаты измерений на линии ВЛ-220 кВ «Кентау — Чимкент»

№ опоры и болта Частота, МГц Предел измер. Уровень сигнала, дел. Сигнал, мкВ Состояние и-образного болта

2012 3 мВ 56 1680 Болт целый, с1 = 32 мм

2012 1 мВ 10 100 Дефектный, с1 = 30 мм

2015 100 мкВ 40 40 Дефектный, с1 = 28 мм

344(1) 2018 0,3 мВ 73 220

344(2) 2438 1 мВ 70 700

344(3) 2020 10 мкВ 70 7

344(4) 2021 10 мкВ 70 7 Сильная коррозия, с1 = 27 мм, глубина 0,6 м

345(1) 2038 3 мВ 60 1800

345(2) 2559 3 мВ 30 900 Коррозии нет, с1 = 32 мм

345(3) 2032 1 мВ 55 550

345(4) 2032 1 мВ 60 600

347(2) 2020 1 мВ 80 800 Болт заменен

347(3) 2067 3 мВ 50 1500

347(4) 2018 100 мкВ 40 50 Коррозия 10%

351(1) 2019 0,3 мВ 70 210

351(2) 2537 3 мВ 70 2100 Болты долго находились в воде Болт чистый, с! = 32 мм

351(3) 2191 3 мВ 30 900

Для исследования влияния действующей линии и искусственных заземлителей были проведены опыты, имитирующие промышленную сеть под нагрузкой. При этом не было отмечено значительных изменений, а помехи вызывали лишь незначительные колебания сигнала, снижая его уровень не более, чем на 0,1% [55]. Результаты полевых испытаний подтвердили данное утверждение.

Все приведенные доказательства подтверждают различие реакций исходной и пораженной коррозией петель на зондирование СВЧ сигналом.

Это позволяет использовать указанный эффект для исследования состояния анкерных петель, находящихся в земле без откопки, применяя в качестве возбуждающих элементов анкерные болты, выходящие на поверхности земли.

Условия возникновения поверхностной волны в анкерной петле и возможность ее распространения только в поверхностном слое позволяют определить критическую толщину петли, а, следовательно, и ее способность выдерживать механические нагрузки, что, в свою очередь, дает возможность предотвращать падение опор линий электропередачи.

4.3 Региональная оценка опасности коррозии металлических конструкций оттяжек и оценка их ресурса

4.3.1 Оценка опасности коррозии стальных искусственных и естественных заземлителей

Для оценки опасности коррозии металла используют нормативные материалы: ГОСТ 9602-89, в которых используются физико-химические параметры грунта. основными из которых являются удельное сопротивление, гранулометрический состав грунта, засоленность грунта. Указанные параметры грунта могут быть получены из геофизических фондов, в которых имеются результаты вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ), выполненных для территорий, по которым проходят существующие линии электропередач.

Карты по удельному сопротивлению грунтов

Информация о величине удельного сопротивления грунтов (р) необходима для расчета токов коррозии электросетевых конструкций (ЭК), прогноза их коррозии, расчета параметров электробезопасности заземляющих систем (ЗС) и, кроме того, может быть использована для качественной оценки опасности грунтовой коррозии стальных сооружений по ГОСТ 9.602-89. Значения «р» могут быть определены как непосредственными измерениями на площадке электроустановки методом ВЭЗ, так и по данным геофизических фондов, в которых хранятся данные по «р» для целых регионов. Если получение «р» для отдельных площадок не представляет больших трудностей, то, например, для ВЛ - это трудоемкая задача. С этой точки зрения целесообразно определение «р» по данным геофизических фондов и представление информации в виде специальных карт.

Методику составления карты по «р» покажем на примере карты, составленной для (СНГ) (Туркмении) по усредненному значению «р» верхних слоев грунта для глубины 5-10 м.

Площадки на картах различных масштабов, на которых были представлены результаты геофизических исследований, разбивались на равные квадраты с такими размерами сторон, чтобы на итоговой карте М 1:300 000 стороны квадрата имели 2 см.

Из каждого квадрата исходных карт выписывались данные ВЭЗ. По полученным данным строились гистограммы (пример рис.1), по которым определялись наиболее вероятные значения «р». Они наносились в центр соответствующего квадрата карты итогового масштаба М 1:300 000.

Рис.4.2 Пример карты по удельному сопротивлению грунтов

Информация по механическому и химическому состоянию грунтов необходима для расчета срока службы ЭК, расчета сопротивления поляризации металлов и, кроме того, может быть использована для качественной оценки опасности коррозии кабелей, трубопроводов по ГОСТ

)еГ«стоео<7мм1/ распределено» е бь/дрон/юл, к&гдрате с числом почек '¿'релрхает.

9.602-89 и ЖБК по СниП 2.03.11.-85.

Карты по засолению грунтов.

Значения физико-химических параметров грунтов могут быть определены как непосредственными измерениями по ГОСТ, что трудоемко, так и по результатам региональных исследований грунтов соответствующими организациями (например, институтами "Гипрозем", "Гипроводхоз" и т.п.).

Для исследования коррозии и долговечности ЭК создавались специальные карты засоления грунтов масштаба М 1:300000, по которым можно определить следующие параметры грунта: тип, влажность, степень насыщения, содержание ионов НСО3; №+К; Са2*; М^2*, а также наличия гипса, карбонатов, сухого остатка. Химический состав грунтов по административным районам для степени засоления (незасоленное, среднее, сильное, солончаковое) приведен в приложении к картам засоления.

Методику составления карт по засолению грунтов покажем на примере двух типов карт, выполненных в Туркмении, проектным институтом "Туркменгипроводхоз" для стальных ИЗ и СибНИИЭ для ЖБК.

Карта засоления грунтов института "Туркменгипроводхоз" ММиМВ Туркмении составлена по почвенным материалам Республиканской комплексной землеустроительной экспедиции, института пустынь АН ТССР, АН УзССР и института "Средазгипроводхлопок". На этих картах соответствующими значками показана степень засоления и механический состав почв (рис. 4.3). Контуры почв выделены на карте в результате исследований, проведенных в соответствии с общесоюзной методикой [2]. На каждый квадратный километр съемки приходится 3-7 почвенных разрезов на глубину от 2 до 5 м. Пустынная зона - Центральные Каракумы была составлена из расчета I разрез на 4 км2.

Для характеристики грунтов по механическому и химическому составу использовались классификации В.В. Охотина [2] и института "Средазгипроводхлопок" [2].

Рис. 4.3 Пример карты по засоленью грунтов Тип грунта: - незасоленный;

- среднезасоленный;

- сильнозасоленньш;

- солончак

Полученные данные по физико - химическим параметрам грунта и статистика степени коррозии и-образных болтов и анкерных петель позволяют построить регрессионные модели связывающие коррозию, физико - химические параметры грунта и сроки эксплуатации линий.

В конечном счете интерес представляет не столько фактическая оценка коррозии на момент обследования, сколько изменение коррозии конструкции во времени, то есть ее прогноз. Для этого был получен временной ряд изменения средней глубины коррозии 5ср конструкции. С помощью аппарата регрессионного анализа обработана указанная статистическая выборка.

Определение всех вышеуказанных физико-химических параметров грунта в сочетании с физико-химическими грунтовыми характеристиками позволяет наиболее полно охарактеризовать грунт как электропроводную и коррозионную среду.

Исследованиями, проведенными во всех регионах СНГ, установлено, что среднее значение глубины коррозии (5ср) стальных искусственных заземлителей (ИЗ) монотонно увеличивается со временем (1) по закону:

5ср== а 1п3г+ Ь 1п2г +с 1п г (4.1)

где а, Ь, с, ё - коэффициенты, зависящие от физико-химических свойств грунта (удельного сопротивления (рг); влажности степени водонасыщения (К№); засоленности).

Найдена качественная зависимость между указанными параметрами грунта и степенью коррозии [К0 (сильная) ^ К5 (слабая)] стальных искусственных заземлителей. Каждой степени коррозии (К0 ^ К5) соответствует определённые значения коэффициентов «а, Ь, с. й» уравнения (4.1) (табл. 4.4).

Точность прогноза коррозии ИЗ зависит от числа, используемых для прогнозирования точек и находится в пределах от 4% до 20%.

Таблица 4.4 Степень коррозии (К0 ^ К5) и уравнения для расчета срока

службы

Качественное определение Степень коррозии

Слабая К5 Средняя К4, КЗ Сильная К1;К2 Очень сильная ;К0

Параметры грунта

Удельное сопротивление грунта р, Ом-м >100 20-100; 10-20 5-10 2-5; <2

Влажность, W, % >25 <2 2-10 20-25 10-20

Степень водонасыщения Шё К = £ 0,85 0,05 0,05-0,5 0,7-0,85 0,5-0,7

Показатели концентрации 0,001 0,001-0,005; 0,015-0,05; 0,1

Cl .+ O _ 0,005-0,015 0,05-0,1

W

Коэффициенты уравнения

a 0,0013 0,0026; 0,0056 0,0056; 0,0118 0,0206

b 0,0030 0,0092; 0,0031 0,0220; 0,0350 0,1054

c -0,006 8 -0,0104; -0,0410 -0,0107; -0,0612 -0,0410

d 0,0440 0.0224; 0,2430 0,0408; 0,1430 0,0593

5ср, мм за 30лет 0,4 0,8; 1,1 2,0; 3,4 8,8

Примечание: в - пористость грунта ,% ;(С1 ), (Б04 2) - количество ионов хлора и сульфатов в % к весу грунта; d - удельный вес грунта, г/см3

Построен ряд регрессионных зависимостей, связывающих 5ср стальных ИЗ с обобщающими физико-химическими параметрами грунта. Получена модель (4.2), имеющая коэффициент множественной корреляции 0,86 и остаточную дисперсию 0,423:

1п5ср=0,035(200-1)(0,01рз+шс1-)+0,064В(36-рз)-0,3т8(2-шс1-)+ .

+0,25W+9,0A+0,33Vr+0,04tKw-30,5, (4.2)

где интервалы варьирования параметров находились в пределах: t - время (2-5 лет); рз - удельное сопротивление грунта (5-500 Ом-м); W- влажность (5-30%); Kw- степень водонасыщения (0,2-1); шс1- -содержание ионов C1- по массе (0,001-1%); D - глубина заложения в грунт ИЗ (0,3-0,7м);

ms - общее содержание по массе водорастворимых солей (0,03-3%); A(1,5-2,2 г/см3) - объемная плотность грунта при влажности W; V - объемная доля газа в порах (0-80%).

При использовании выражения (4.2) ошибка в среднем составляет

10%.

Выводы

1. Для характеристики коррозионных свойств грунта и его электропроводности является важным определение следующих параметров: содержание катионов натрия, кальция и магния; содержание анионов хлора и сульфатов; влажность грунта; окислительно-

восстановительного потенциала; водородного показателя и количества поглощенного водорода и др., которые используются для прогноза коррозии стальных конструкций, в том числе и стальных оттяжек.

2. Результаты проведенных исследований могут также использоваться при расчете параметров электробезопасности заземляющих устройств, которые являются важнейшим фактором при оценке электромагнитной обстановки и электромагнитной совместимости на электроустановках, что особенно актуально в настоящее время в связи с реконструкциями подстанций и внедрением микропроцессорной техники.

4.3.2 Влияние конструктивных особенностей опор воздушных линий с оттяжками на степень опасности коррозии анкерного узла

Отличительной особенностью опор ВЛ с оттяжками, по сравнению со свободностоящими опорами, являются на порядок большие расстояния между гальванически связанными элементами опоры. Эта конструктивная особенность приводит к тому, что происходит разделение поверхностей и-образных болтов на анодные и катодные зоны не только по глубине (за счет расположения конструкций в поле аэрации), но и в плане (за счет контактной коррозии).

Как показывают экспериментальные исследования на ВЛ 1150 кВ "Экибастуз-Барнаул" и ВЛ-500 кВ "Ермак-Омск" наиболее существенная дифференциация происходит у опор, располагаемых на склонах. Этот факт устанавливался с помощью пробного стального электрода, закрепленного на диэлектрическом (стеклопластиковом) стержне. При погружении пробного электрода в грунт, вдоль и-образных болтов, наблюдалось изменение направления тока от катодного до анодного, что подтверждает выводы теории и эксперимента (рис. 4.4, 4.5).

О.! 0,2 аз 0,4 о,5 ОД 0.7 о.в о,о /.о /,/ /,3 Рисунок 4.4. Изменение потенциала по глубине (сталь)

Рисунок 4.5. Коррозия вертикального ИЗ (пст. Южказэнергр песок),

• - глубина коррозии Для описания распределения тока неравномерной аэрации по поверхности и-образных болтов может быть использована формула Г.Г.Улига [2]:

1 = 1о(1 + Бк/За) (4.3)

где: 1о - ток равномерной коррозии при отсутствии дифференциальной аэрации; Бк, За - значения катодной и анодной поверхностей и-образного

болта.

Как видно из кривых изменения электрохимического потенциала с глубиной и рис. 4.4 зона влияния аэрации распространяется до глубины 0.5

- 0.6 м (для суглинков) и около 1 м для песков при средней их влажности. Если бы аналогичная глубина аэрации сохранилась и для Ц-образных болтов, то соотношение Бк/Ба лежало бы в пределах от 0.3 до 1.0, что соответствовало бы увеличению коррозии нижней части болта в 1.3 - 2.0 раза.

На самом же деле, благодаря наличию вибрации оттяжек опор под действием ветра, вокруг Ц-образных болтов образуется "воронка", которая существенно увеличивает глубину проникновения кислорода и расширяет катодную зону Ц-образных болтов. В результате глубина аэрации возрастает до 1.2 - 1.5 м (рис. 4.6), а в более сухих грунтах и до 1.8-1.9 м, что соответствует увеличению коррозии нижней части болта в 3.0 раза (рис. 4.7).

Рисунок 4.6. Образование аэрации Ц- образного болта

Рисунок 4.7. Смещение максимума коррозии петли (5п) анкерной плиты под действием усиленной аэрации

Коррозионный процесс петель анкерных плит, при наличии надежного гальванического контакта с Ц-образным болтом, протекает также по механизму пары дифференциальной аэрации. Благодаря наличию "воронок аэрации" вокруг Ц-образных болтов, зона подвода кислорода и дождевой влаги, обогащенной кислородом, приближается непосредственно к петле. Существование дренажного эффекта Ц-образных болтов по

отношению к атмосферной влаге подтверждается следующим фактом. Откопка и-образного болта после небольшого дождя до глубины 1 - 1.2 м показала, что если верхний слой грунта промок до глубины 5 - 7 см, то вдоль болта дождевая влага проникла в грунт до глубины 70 - 90 см (на порядок глубже). Данный эффект еще более усиливается за счет дополнительного натекания дождевой влаги по оттяжкам к и-образным болтам и вибрации оттяжек под действием ветра. Причем, если для долговечности ЖБ фундамента повышенная влажность является благоприятным фактором, то повышение обогащенной кислородом влаги у петли анкерной плиты - явление вредное, так как способствует появлению самостоятельного механизма коррозии петли.

Наиболее устойчивые "воронки аэрации" получаются в глинистых грунтах с недостаточным количеством влаги. Такие грунты чаще всего наблюдаются вблизи низин, болот, солончаков.

Именно поэтому повышенная опасность коррозии и - образных болтов и петель анкерных плит не совпадает с зоной сильной агрессивности грунта, а смещается ближе к области средней и слабой степени коррозии КЗ - К4. Наглядно этот факт иллюстрирует табл. 4.5 и рис. 4.7.

Следует отдельно рассмотреть макропару "арматура анкерной плиты - петля", которая может работать независимо от остальной коррозионной системы, например, в случае значительного увеличения сопротивления контакта "и-образный болт - петля анкерной плиты". Эта макропара, судя по потенциалам, должна выполнять роль катода. Согласно теории коррозии катодный процесс в щелочных средах (бетон имеет рН = 10 - 12) должен идти с кислородной поляризацией. Следовательно, к анкерной плите должен осуществляться постоянный подвод кислорода из окружающей среды, что весьма затруднительно из-за большой глубины залегания анкерной плиты и высокой плотности ее бетона. Косвенно это подтверждается тем, что влияние атмосферы на поддержание в катодном

состоянии потенциала металла, расположенного в грунте на глубине 0.5 -1 м уже незначительно (рис. 4.4).

Таблица 4.5. Изменение глубины коррозии нижней части Ц-образного болта (петли) в зависимости от степени коррозии для заданного

срока службы

Степень коррозии К1 К2 К3 К4 К5 К6

Глубина коррозии, 20 3 2 1,5 1,0 0,5 0,3

лет

Бк/Ба 0,2/1,8 1/1 1,5/0,5 1,5/0,4 1,3/0,2 1,8/0,2

Глубина коррозии петли 3,3 4,0 6,0 5,0 3,3 2,7

Скорость доставки кислорода в подземную часть ЗС опоры может оказаться, таким образом, определяющей в процессе коррозии петли анкерной плиты.

В заключение необходимо отметить влияние механических напряжений в петлях анкерной плиты. Скорость коррозии стали может заметно увеличиваться при упругих деформациях лишь вблизи предела текучести (235 - 245 МПа), особенно при снижении рН среды.

Численное значение механического напряжения петли не превосходит предела текучести стали СтЗ сп, из которой выполняются петли. Следовательно, опасность коррозии под действием напряжения слабая для новой петли. При снижении сечения петли под действием коррозии опасность механокоррозии возрастает. При образовании коррозионных язв скорость анодного растворения металла в вершине трещины под действием напряжений увеличивается. В целом, опасное влияние напряженного состояния на коррозию стали заключается не только в увеличении сплошной коррозии, сколько в превращении ее из равномерной в локальную.

Вывод:

Наибольшее влияние на коррозию Ц-образных болтов и петель анкерных плит оказывают пары дифференциальной аэрации, усиливаемые

увеличением зоны аэрации за счет образования "воронок" вокруг и-образных болтов при их колебаниях при ветровой нагрузке. Вследствие этого нельзя оценивать опасность коррозии петель анкерных плит только по параметрам грунта.

4.4 Экономические аспекты предлагаемых методов

Для оценки эффективности использования предлагаемых методов проведем сравнение затрат на производство работ по определению коррозионного состояния анкерных узлов методом откопки, как наиболее точным, и с помощью предлагаемых методов.

Рассчитаем затраты на определение коррозионного состояния анкерных узлов одной опоры методом откопки:

В соответствии с [55] работы ВЛ-3-47 «Ремонт и-образного болта оттяжки металлической промежуточной опоры напряжения 500 кВ» требуют трудозатрат в объеме (таблица 4.6):

Таблица 4.6 - Трудозатраты и тарифные ставки (откопка)

Категория работника Объем работ, чел.-час. Тарифная ставка, руб./час Оплата по тарифу за указанный объем работ, руб.

Рабочий 4 разряда 12 10,70 128,40

Водитель бригадного а/м 4 9,48 37,92

Тракторист 4 9,48 37,92

ИТОГО: 20 204,24

Также для производства задействованы машины и механизмы в объемах, приведенных в таблице 4. 7:

Таблица 4.7 - Задействованные машины и нормы затрат на эксплуатацию (откопка)

Наименование машины Объем работ, м.-час. Норма затрат на эксплуатацию, рубУчас Всего затрат за указанный объем работ, руб.

А/м бригадный на базе ГАЗ-66 4 102,40 409,60

Трактор пневмоколесный К-700 4 223,20 892,80

ИТОГО: 8 1 302,40

Приведенные расценки учитывают выполнение работ в летнее время в нормальных условиях. При производстве работ в условиях отличных от нормальных (болотистая местность, кустарники и т.д.), к расценкам должен быть применен коэффициент Ку. Учитывая, что опоры могут находиться на территориях с разными условиями и то, что коэффициент Ку для различных условий производства работ лежит в диапазоне 1,15 ^ 1,40 примем Ку = 1.25.

При выполнении работ в зимних условиях к расценкам должен быть применен коэффициент Кз, зависящий от расположения объектов в той или иной температурной местности. Для 4 температурной зоны (Новосибирская область) среднегодовое значение коэффициента Кз = 1,11.

Кроме того, в соответствие с [57], к затратам на эксплуатацию машин и спецмеханизмов должен быть применен территориальный коэффициент Кт. Для территории 16 (Новосибирская область) Кт = 1,11.

Накладные расходы, включающие дополнительную заработную плату рабочих, отчисления на социальные нужды, прочие расходы могут быть учтены коэффициентом Кнр, применяемым к фонду оплаты труда. Рекомендуемый предельный уровень Кнр с учетом выплат стимулирующего и компенсационного характера составляет 2,26, но не может быть ниже 1,5. Положим Кнр = 2.

Для перевода цен в уровень 2011 года приняты: индекс роста заработной платы Jзп = 11,52; индекс роста затрат на эксплуатацию машин и механизмов Jпп = 4,9.

Суммарные затраты на определение коррозионного состояния анкерного узла методом откопки в базовых ценах 2001 года и ценах 2011 года приведены в таблице 4.8

Таблица 4.8 - Суммарные затраты на реализацию метода откопки

Статья расходов

Наименование показателя Заработная Затраты на эксплуатацию

плата, руб. механизмов и машин, руб.

По расценкам в базовых ценах 2001 года 204,24 1 302,40

С учетом коэффициентов Ку, Кз, Кт 283,38 2 005,86

С учетом районного коэффициента 20% 340,06 -

С учетом накладных расходов 680,12 -

Итого в ценах 2001 года 680 2 006

Итого в ценах 2001 года по всем статьям 2 686

Итого в ценах 2009 года 6 470 9 830

Итого в ценах 2009 года по всем статьям 16 300

Стоимость оценки коррозионного состояния анкерных узлов одной опоры (из расчета 2 узла на опору) методом откопки составляет 32600 руб.

К этой цифре следует добавить потери от недоотпуска энергии, связанные с необходимостью отключения линии при производстве земляных работ. В связи со сложностью точной оценки данной величины, в рамках данной работы, ограничимся учетом только прямых затрат на производство работ, подразумевая, что полученные значения являются лишь нижней границей стоимости работ.

Проведем аналогичный расчет для случая использования предлагаемого метода оценки состояния. При использовании данного метода отсутствует необходимость вскрытия грунта и, как следствие, необходимость установки временных оттяжек. Результаты расчета приводятся в таблицах 4.9 - 4.10.

Объем Тарифная Оплата по тарифу

Категория работника работ, ставка, за указанный объем

чел.-час. руб./час работ, руб.

Рабочий 4 разряда 1 10,70 10,70

Водитель бригадного а/м 1 9,48 9,48

ИТОГО: 2 20,18

Таблица 4.10 - Суммарные затраты на реализацию предлагаемого метода

Статья расходов

Наименование показателя Заработная Затраты на эксплуатацию

плата, руб. механизмов и машин, руб.

По расценкам в базовых ценах 2001 года 20,18 102,40

С учетом коэффициентов Ку, Кз, Кт 28,00 157,71

С учетом районного коэффициента 20% 33,60 -

С учетом накладных расходов 67,20 -

Итого в ценах 2001 года 67 158

Итого в ценах 2001 года по всем статьям 225

Итого в ценах 2009 года 640 770

Итого в ценах 2009 года по всем статьям 1 410

Таблица 4.11 - Задействованные машины и нормы затрат на

эксплуатацию (предлагаемый метод)

Наименование машины Объем работ, м.-час. Норма затрат на эксплуатацию, руб./час Всего затрат за указанный объем работ, руб.

А/м бригадный на базе ГАЗ-66 1 102,40 102,40

ИТОГО: 1 102,40

Стоимость оценки коррозионного состояния анкерных узлов одной опоры предлагаемым методом составляет 2820 руб.

Экономия на диагностике анкерных узлов одной опоры за счет использования предлагаемых методов составит не менее: 32600 - 2820 = 29781,86 руб.

С учетом времени, необходимого для перемещения бригады и техники между опорами одна бригада может обеспечить диагностику 3 опор в смену. При 170 сменах в год (исключая период с ноября по февраль) достижимый объем оценки состояния может составить до 510 опор в год силами одной бригады. Экономия при этом составит до 15,2 млн. руб. в год.

При среднем пролете для линий 220 ^ 500 кВ равном 400 м и периодичности проверок коррозионного состояния 6 лет [58;59] можно говорить о том, что потребность в приборах реализующих предлагаемые методы составляет 1 комплект аппаратуры на 1000 - 1200 км длины линий.

Стоимость комплекта оборудования, реализующего предложенный метод оценки состояния, может быть оценена в 200 тыс.руб. Годовая сумма амортизационных отчислений - 30 тыс.руб. в год.

Оценим эффективность инвестиций в соответствии с рекомендациями [60] (таблица 4.10):

Таблица 4.10 - Данные для оценки эффективности инвестиций

Показатель Единица измерения Значение

Годовая ставка дисконта - 0,125