Перспективы применения низколегированных сталей для опор воздушных линий электропередачи - Опоры ЛЭП

Рассмотрен существующий уровень коррозионной стойкости металлических опор «старых» воз­душных линий электропередачи (ВЛ) к воздействиям окружающей среды. Показано, что применение для изготовления опор низколегированных сталей, вместо малоуглеродистых, с целью удовлетворения по­вышенных требований ПУЭ 7-го издания к устойчивости работы ВЛ в экстремальных климатических условиях, может снизить общую долговечность опор, благодаря возможности протекания процессов кор­розионной усталости и коррозионного растрескивания, которые необходимо учитывать при проектиро­вании новых конструкций опор.

В новой редакции ПУЭ обобщенный коэффициент надежности конструкции опор по ветровой нагрузке (без гололеда) принимается 1,3 вместо 1,0 по ПУЭ 6-й редакции. Такое увеличение запаса по ветровой нагрузке приводит к тому, что типовые опоры действующей унификации становятся неприменимыми без переработки проектов. Среди прочего, пер­спективными вариантами такой переработки проектов проектировщики видят замену стали Ст.3 на низколегированную сталь 09г2с во всех элементах опоры, а также в увеличении сечения некоторых элементов и в изменении класса прочности болтов.

Известно, что Ст.3 это низкоуглеродистая сталь, имеющая ферритную структуру. Сталь же 09г2с является низколегированной марганцово-кремнистой. Низколегированные конст­рукционные стали содержат до 0,2% углерода и до 2-3 % легирующих элементов. Упрочнение низколегированной стали основано на легировании феррита марганцем и кремнием.

В зависимости от условий эксплуатации и марки стали, используемой для конструкций опор воздушных линий, в материале опоры со временем могут обнаружиться два вида коррозионных процессов: межкристаллитная коррозия и коррозия под механическим напряжением.

В зависимости от агрессивности среды, в которой находятся опоры ВЛ, значения при­ложенной к ним механической нагрузки, динамики ее изменения и длительности воздейст­вия результатом коррозии под механическим напряжением может быть: сплошная корро­зия; ускоренная местная коррозия; коррозионное растрескивание (если нагрузка статиче­ская); коррозионная усталость (если нагрузка циклическая или повторяющаяся).

Для опор ВЛ, несущих статическую нагрузку от веса проводов, тросов, изоляторов и арматуры, а также испытывающих динамические воздействия от ветра, температуры, голо­леда, осадков могут проявляться все эти виды коррозионных разрушений.

Однако, первые два вида коррозии могут проявляться лишь в агрессивной атмосфере промышленных зон и приморских районов. Такие коррозионные разрушения в надземной части опор ВЛ легко могут быть обнаружены визуально и измерены штангенциркулем или микрометром. При этом действующий норматив [4] допускает снижение сечения металличе­ских конструкций от коррозии не более чем на 10 % от сечения установленного по проекту.

Натурное обследование коррозионного состояния металлоконструкций опор дейст­вующих ВЛ в ряде регионов России и стран СНГ проводилось в соответствии с требования­ми ГОСТ 9.908-85 «ЕСЗКЗ. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости», ОСТ 34 025-82 «Система разработки и постановки продукции на производство. Изделия министерства энергетики и электрификации», Пособия по проектированию усиления стальных конструкций (к СНиП II-23-81), нормативного документа «Объем и нормы испытания электрооборудования». РД 34.45-51.300-97, Сборника методических пособий по контролю состояния электрооборудования и Типовой инструкцией по эксплуата­ции воздушных линий электропередачи напряжением 35-800 кВ.

Место измерения коррозионных потерь выбиралось в зоне активного росообразования, в плохо проветриваемых местах конструкции, в местах повышенного механического напря­жения, сварных соединениях.

Поверхность уголков конструкций опор, содержащая первоначально лишь вторичную окалину (прокатную) и защитную окраску, за время эксплуатации изменилась (рис.1). Вто­ричная окалина, как правило, состоит из трех слоев окислов железа с возрастающей степенью окисления по направлению к внешней поверхности. Нижний слой состоит из закиси железа (FeO), средний - из магнетита (Fe3O4), а верхний - из окиси железа (Fe2O3). Типичная вторичная окалина на листе малоуглеродистой стали толщиной 9,5 мм составляет около 50 мкм и содержит приблизительно 70 % FeO, 20 % (Fe3O4) и 10 % (Fe2O3).

Если бы вторичная окалина обладала хорошей адгезией к металлу, была сплошной и непроницаемой, то она служила бы хорошим защитным покрытием. Однако на практике прокатная окалина быстро растрескивается и местами отслаивается. Наличие такой окалины может замедлить коррозию стали на воздухе на сравнительно короткий период времени, од­нако затем скорость коррозии начнет возрастать. При наличии достаточного количества вла­ги вторичная окалина может приводить к питтинговой коррозии, которая хорошо видна на рис1. Глубину питтингов для срока службы 30 - 44 года можно считать незначительной. В среднем она не превышает 0,13 мм, а сами питтинги равномерно распределены по поверхно­сти уголков. Таким образом, потеря сечения несущих металлоконструкций опор не превы­шает допустимых 10 % от установленного по проекту сечения.

На некоторых опорах в сварных швах косыночной части основания стоек опор обнару­живаются следы щелевой коррозии (рис.2, 3).

Что касается коррозионной усталости и коррозионного растрескивания, то эти два вида коррозионных разрушений, как правило, трудно обнаруживаются визуальными методами и в большей степени зависят от параметров механических воздействий на конструкции опор в период эксплуатации, чем от агрессивности атмосферы. Эти разрушения, влияющие на ме­ханические свойства металла опор можно оценивать прямыми методами, основанными на замерах (например, перемещений), испытаниях на прочность конструкций, а также на испы­таниях физико-химических свойств образцов, вырезанных из конструкции. Первые способы трудоемки, а многократный отбор образцов материалов для испытаний до разрушения сред­ствами металлографии невозможен. В таких условиях могут быть применены методы опре­деления физико-механических характеристик стали на основе неразрушающих испытаний, в частности на основании исследования акустических параметров - коэффициента затухания и скорости распространения упругих волн в материале.

Коэффициент затухания и скорость распространения упругих волн в различных веще­ствах обычно называют акустическими параметрами этих веществ. Измерение этих парамет­ров в поликристаллических металлах не только позволяет получить информацию об их структурных особенностях, но и оценить упругие характеристики этих металлов.

Рис.1 Поверхность несущего уголка опоры № 2 ВЛ 110 кВ «ЗайГРЭС - Каргали»

(срок службы 43 года) 1 - зона остаточного защитного покрытия металла;

2 - зона коррозионного разрушения металла; 3 - зона пассивного состояния металла

Рис.2 Состояние косыночной части угловой опоры №81 стойка 3 ВЛ 110 кВ «ЗайГРЭС - Каргали» (стрелкой показана сквозное поражение сварного шва щелевой коррозией активизи­руемой стекающей с опоры дождевой влагой)

Рис.3 Места в косыночной части, способствующие развитию щелевой коррозии металла (Опора № 81 стойка 3)

ГОСТ 9.908-85 «ЕСЗКЗ. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости.» допускает использование таких методов при установлении зави­симости между основными и применяемыми показателями.

Наличие изменения механических свойств металла, возможного при межкристаллитной коррозии, коррозионном растрескивании или коррозионной усталости - временного сопро­тивления разрыву, относительного удлинения, ударной вязкости, наличие трещин в нашем случае проверялось сравнением свойств однотипных элементов опор, эксплуатируемых в сходных условиях, подвергавшихся и не подвергавшихся коррозии. Средний показатель ме­ханических свойства элементов опоры, не подвергавшихся коррозии, принимали за 100 %. В качестве неразрушающего метода исследования механических свойств металла использовался акустический способ поверхностного ультразвукового прозвучивания полок несущих уголков опор. Сварные швы также проверялись путем сравнения акустического показателя шва с показателем для целого металла.

Средние значения акустического показателя материала конструкций новых опор и опор со сроком службы 20 и 40 лет, представлены ниже в табл.1. Из этой таблицы следует, что разброс значений скорости прохождения ультразвука находится в пределах ± 2,5 % от сред­него значения по всем обследованным объектам, приведенным в таблице. Такое изменение можно считать несущественным с точки зрения изменения механических свойств металла за время эксплуатации опор, тем более, что среднее по всем данным значение скорости прохо­ждения ультразвука (5406,5 мкс) практически совпадает с аналогичным показателем для но­вых конструкций (5411,2 мкс). Если же сравнивать этот показатель для отдельных опор од­ной и той же ВЛ, то будет существовать разница для опор, расположенных в лесной и степ­ной зоне. На продуваемых участках трасс ВЛ наблюдается снижение скорости ультразвука материала промежуточных опор на 5-10%. У анкерно-угловых опор эта разница не превыша­ет 2 %.

Таким образом, можно считать, что за время эксплуатации проверенных металлических опор ВЛ, выполненных из малоуглеродистой стали Ст.3, существенных изменений в мате­риале опор не произошло.

В связи с этим, при оценке технического состояния металлоконструкций таких опор, в рассмотрение может браться только потеря их сечения от сплошной, щелевой или ускорен­ной местной коррозии. Существенное отклонение измеряемых акустических характеристик сварного шва или места пластической деформации конструктивного элемента опоры от ана­логичных характеристик целого недеформированного металла также может рассматриваться как дефект.

Низколегированные стали ненамного дороже углеродистых, но по сравнению с ними имеют лучший комплекс механических свойств, повышенную хладостойкость, пониженную склонность к охрупчиванию, лучшую свариваемость, повышенную износостойкость и коррозионную стойкость в различных средах. Поэтому их использование для создания опор ВЛ несомненно перспективно, но при этом предыдущий опыт эксплуатации металлических опор, изготовленных из малоуглеродистой стали, не может распространяться на новые кон­струкции опор без специального анализа и коррозионных исследований.

Тарасов А.Г., Харитин А.В.

Источник информации: http://www.elsi.ru/upload/medialibrary/0c5/0c574f8ea1c23d28352e09c3e98a178c.pdf