Воздушные линии

В первой части статьи («Новости ЭлектроТехники» №6(78)2012) Александр Георгиевич Тарасов и Юрий Викторович Целебровский отметили, что среди элементов ВЛ, на каждый из которых воздействуют климатические факторы и переменные механические нагрузки, необходимо особо выделить фундаментные конструкции под опоры, испытывающие еще и разрушительное влияние грунтовой среды.
Высказав в предыдущей публикации свои соображения по поводу железобетонных фундаментов, авторы в сегодняшнем материале рассматривают проблемы эксплуатации металлических фундаментов опор ВЛ и делают обобщающие выводы.

Александр Тарасов, к.т.н., начальник службы организации диагностики ВЛ, Новосибирский филиал ОАО «Электросетьсервис ЕНЭС»	Юрий Целебровский, д.т.н., профессор, Новосибирский государственный технический университет
г. Новосибирск

ОПОРЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ
Проблемы жизнестойкости фундаментов

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФУНДАМЕНТЫ

Опыт эксплуатации металлических фундаментов в России пока мал, чтобы судить об их жизнестойкости столь же обоснованно, как и о железобетоне. Хорошо изучен лишь опыт эксплуатации металлических анкерных оттяжек опор ВЛ 500 кВ. Приведенный ниже материал позволяет с учетом этого опыта составить предварительное суждение о долговечности металлических свайных фундаментов.

Для защиты от коррозии винтовых свай и стальных свай-оболочек в настоящее время рекомендуется их горячая (а также термодиффузионная и газотермическая) оцинковка и применение изоляционных лакокрасочных покрытий, в том числе с грунтовочным слоем на основе цинконаполненных материалов [1, 2]. Цинкование предусмотрено также и ПУЭ, хотя основополагающий СНиП 2.03.11-85 [3] для подземных металлических конструкций оцинковку не рекомендует, ограничиваясь изоляционным покрытием. Следует также заметить, что долговечность изолирующих покрытий стальных труб в грунте из красок, эмалей, цинконаполненных композиций и т.п. – вопрос, до конца не изученный в силу разнообразия как самих покрытий, так и грунтово-климатических условий.

Цинковое покрытие защищает стальные изделия от коррозии на основе механизма контактной коррозии [4]. Этот механизм хорошо работает в воздушной среде, где цинк, покрывающийся пленкой окисла, разрушается медленнее. В грунтовой среде при наличии влаги и кислорода цинк разрушается весьма интенсивно. В качестве примера приведем экспериментальные данные по скорости коррозии цинка и сплавов железо-цинк, образующихся при горячем цинковании (рис. 1 [5]). Видим, что при ускоренных испытаниях цинковое покрытие может исчезнуть за несколько суток.

Рис. 1. Зависимость коррозионной стойкости сплавов Zn-Fe от содержания железа в сплаве при переменном погружении в раствор пластовой воды

Продолжительность испытаний: 1 – 24 ч, 2 – 72 ч, 3 – 120 ч [5]

Современные металлические сваи, помимо оцинковки, защищают лакокрасочными покрытиями. При хорошем качестве такого покрытия, нанесенного даже только в верхней части сваи, оно замедляет процессы коррозии цинка в нижней части на основе механизма катодного контроля. Тем не менее по нашим расчетам (см. ниже) можно ожидать полного растворения цинкового покрытия верхней (подземной) части стальной оболочки не более чем через 5 лет.

При завершении процесса исчезновения цинкового покрытия зона растворения (теперь уже стали) переместится под поверхность грунта, а катодные процессы – на надземную часть оболочки, где количество кислорода является максимальным. Начнется грунтовая коррозия стали в переходной зоне.

Грунтовая коррозия

Грунтовая коррозия стальных конструкций в электроустановках хорошо изучена, ее динамика количественно описана [4, 6].

В зависимости от электропроводности и химического состава грунта можно выделить несколько коррозионных зон с различной динамикой коррозии. Если их представить числами от 0 до 6 и назвать эти числа коррозионными зонами – Зк. то степень коррозии или коррозионную зону можно определить по эмпирическому выражению:

.

Значения Зк, равные 0; 1; 2, соответствуют большой опасности коррозии; значения Зк, равные 3 и 4, — средней степени опасности; равные 5 и более — слабой опасности. Например, в условиях юга Западной Сибири встречаются коррозионные зоны 2 и 3.

Нами были проведены экспериментальные исследования на трассе строящейся ВЛ 500 кВ, где примерно для половины промежуточных опор применены металлические сваи-оболочки. оцинкованные по всей длине и окрашенные в верхней части полимерной краской. В табл. 1 приведены экспериментальные данные по скорости коррозии цинка и стали в конкретных грунтах трассы.

Таблица 1. Результаты экспериментальных исследований по трассе ВЛ

Коррозия стали начинается после исчезновения цинкового покрытия. Проведенные нами расчеты показывают, что наличие надежного лакокрасочного покрытия в верхней части сваи замедляет процессы коррозии примерно в 1,7 раза. С учетом этого прогнозируемая средняя глубина коррозии и потеря сечения при сроке службы сваи-оболочки 70 лет составит для разных коррозионных зон значения, приведенные в табл. 2.

Таблица 2. Степень коррозии стальной сваи в грунте через 70 лет

Мы упомянули только процессы грунтовой коррозии металла оцинкованной и гидроизолированной в верхней части стальной сваи. На рассматриваемой трассе на эти процессы могут накладываться блуждающие постоянные и наведенные переменные токи. Всё это требует дальнейшего изучения вопроса и обязательного контроля коррозионного состояния сваи в процессе эксплуатации.

К настоящему времени накоплен заметный опыт поведения стальных анкерных конструкций промежуточных опор на оттяжках. Этот опыт подтверждает приведенные соображения о механизмах коррозии стальных фундаментных конструкций в грунте.

Проблема коррозии анкерных конструкций оттяжек опор ВЛ впервые реально проявилась в апреле 1990 года, когда упала опора № 61 ВЛ 500 кВ «Ермак – Омск». В 1995 году произошло выдергивание U-образного болта на опоре № 47 ВЛ 500 кВ «Ириклинская ГРЭС – Джетыгара» без ее падения, которое удалось предотвратить благодаря бдительности специалистов Восточных электрических сетей ОАО «Оренбургэнерго», обслуживающих эту ВЛ. В ночь с 1 на 2 марта 2000 года произошло каскадное падение двух опор № 487 и 488 ВЛ 500 кВ «Экибастуз – Караганда», находящейся под управлением компании ОАО «KEGOC». 8 марта 2002 года произошло падение опоры № 67 на ВЛ 500 кВ «Саратовская ГЭС – Курдюм», обслуживаемой предприятиями МЭС Волги.

Все указанные случаи аварий с опорами, несмотря на их различное географическое расположение, были вызваны одной причиной – коррозионным разрушением стальных подземных элементов анкерного узла.

На протяжении многих лет мы занимались инструментальным обследованием и диагностикой коррозионного состояния анкерных узлов опор ВЛ. Сущность метода электрохимического теста металлоконструкций (ЭХТМ) заключается в тестировании коррозионной системы опор ВЛ по специальному алгоритму с помощью прецизионных приборов высокой степени помехозащищенности, позволяющих работать на ВЛ без снятия напряжения при высоких электрических полях. Результаты тестирования подвергаются компьютерной обработке по специальной программе, учитывающей особенности коррозионной системы для конкретного типа опор. Достоверность оценок, получаемых этим методом, составляет 80% без пропусков аварийных опор, то есть существует некоторое завышение коррозионных потерь у опор с малой коррозией. Программа расчета коррозионного состояния по данным измерений определяет принадлежность анкерных конструкций опоры к одному из трех классов по потере сечения: 0–10%; 10–20% и более 20%.

К настоящему времени методом ЭХТМ на территории России и Казахстана обследовано около 14 тысяч опор ВЛ 220–1150 кВ. Ниже приводятся некоторые примеры обнаруженных методом ЭХТМ и подтвержденных откопкой коррозионных повреждений.

Состояние U-образных болтов

Примеры визуального осмотра коррозионного состояния U-образных болтов и цинкового антикоррозионного покрытия на некоторых ВЛ представлены на рис. 2–4. Из рис. 2 видно, что цинковое антикоррозионное покрытие, призванное защитить сталь от коррозии, либо почти везде отсутствует, либо отслаивается кусками, что подтверждает ранее изложенные соображения.

Рис. 2. Состояние цинкового антикоррозионного покрытия U-образных болтов

Рис. 3. Коррозионное состояние U-образных болтов в коррозионно-опасной зоне
(опора № 11 ВЛ 500 кВ № 531 «Заря–Юрга»)

Рис. 4. Коррозионное состояние U-образных болтов в переходной зоне «атмосфера–грунт»
(опора № 42 ВЛ 500 кВ № 546 «Означенное – Абаканская»)

У U-образных болтов опор, находящихся в коррозионно-опасной зоне, подземная часть, как правило, покрыта продуктами коррозии железа (рис. 3). В основном это двуокись железа Fe₂O₃, имеющая ярко-рыжую окраску.

При наличии вблизи трассы ВЛ соленых водоемов или солончаков, создающих агрессивную атмосферу, может происходить коррозия U-образных болтов в переходной зоне «атмосфера–грунт» (рис. 4).

Подобная локальная коррозия трубчатых стальных свай практически не изучена. Но такая коррозия может резко уменьшить несущую способность свайного фундамента.

Состояние петель анкерных плит

Примеры визуального осмотра коррозионного состояния петель анкерных плит и их цинкового антикоррозионного по-крытия на некоторых ВЛ представлены на рис. 5–7. Защитное цинковое покрытие петель анкерных плит опор, входящих в коррозионно-опасную зону, практически везде отсутствует. Причем цинковое покрытие петель анкерных плит разрушается даже у опор с нормальным коррозионным состоянием.

Рис. 5. Петля анкерной плиты (опора № 1027 ВЛ 500 кВ № 557 «Экибастуз–Таврическая»)

Рис. 6. Петля 2-й анкерной плиты (опора № 773 ВЛ 500 кВ № 555 «Иртышская–Таврическая»)

Рис. 7. Полное разрушение петли анкерной плиты на опоре № 8 ВЛ 500 кВ № 507

Полное разрушение петли, показанное на рис. 6 и 7, происходит при наложении на коррозионные процессы электроэрозионного воздействия переменного тока, наводимого в контуре оттяжки. Вибрация оттяжки приводит к искрению в месте сопряжения U-образного болта и петли, что разрушает продукты коррозии (замедляющие процесс) и ускоряет коррозионное разрушение. При этом локально и ускоренно разрушается U-образный болт (рис. 8).

Рис. 8. Коррозионно-эрозионное разрушение U-образных болтов
(опора № 646 ВЛ 500 кВ № 555 «Иртышская–Таврическая»)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема жизнестойкости фундаментных конструкций под опоры воздушных линий электропередачи является ключевой в обеспечении надежности и долговечности ВЛ.

Пятидесятилетний опыт эксплуатации железобетонных фундаментов опор ВЛ со всей очевидностью показывает, что разрушение фундаментов происходит в первую очередь из-за нарушений требований по водонепроницаемости и морозостойкости бетона железобетонной конструкции при изготовлении фундаментов. Если при требуемой марке бетона по прочности обеспечить марку по морозостойкости не ниже F300 и по водонепроницаемости не ниже W6, то жизнестойкость фундамента можно гарантировать на протяжении 70 лет и более. В сильно засоленных грунтах соответствующие марки должны быть повышены в соответствии с ГОСТ 31384-2008.

Срок службы железобетонных фундаментов можно заметно продлить, проводя периодический эксплуатационный контроль их состояния, включающий также и измерение токов, воздействующих на фундамент. Их плотность не должна превышать значений, установленных тем же ГОСТом.

Металлические фундаменты под опоры ВЛ (винтовые сваи и сваи-оболочки) в коррозионном отношении изучены недостаточно. Однако длительная эксплуатация металлических узлов оттяжек опор позволяет наряду с выполненными лабораторными исследованиями сделать следующие выводы:

• Оцинковка стальных подземных конструкций может продлить срок их службы максимум на 3–5 лет. Этого же можно добиться и простым увеличением толщины стенки трубы, что в большинстве случаев может оказаться экономичнее.
• Окраска наружной поверхности трубы, даже в ее верхней части, может увеличить долговечность стальной сваи примерно в полтора раза. Однако жизнестойкость самого покрытия, в первую очередь его защитные свойства, практически не изучены. Повреждения покрытия при транспортировке и монтаже сваи, воздействие попеременно замораживания-оттаивания, влияние химических компонентов грунтовой среды и токов в земле – всё это малоизученные факторы для любого вида покрытий, что не дает оснований для выбора того или иного вида при проектировании фундамента.
• Практически не изученными для новых стальных фундаментных конструкций являются и процессы локальной коррозии, резко снижающие нагрузочные характеристики фундамента. Все рекомендации по защите от подземной коррозии [3] получены в основном на образцах и относятся больше к металлу и равномерной или питтинговой коррозии, но не к коррозионным процессам в конструкции в целом. Об этом убедительно говорит опыт эксплуатации подземных металлических элементов оттяжек опор, изложенный в статье.
• Широкое внедрение металлических фундаментов должно быть организовано только после выполнения обширной программы исследования их долговечности и разработки методов повышения жизнестойкости металлических фундаментов. Одним из положений этой программы должна быть разработка методов контроля эксплуатационного состояния стальных фундаментов и мероприятий, корректирующих в процессе эксплуатации (в сторону увеличения) жизнестойкость фундаментной конструкции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Информационное письмо ОАО «ФСК ЕЭС» ЧА/29/3 от 28.01.2009.
2. Информационное письмо ОАО «ЦИУС» № ЦО 1 ИД 149 от 24.01. 2012.
3. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии. М., 1985.
4. Демин Ю.В., Целебровский Ю.В., Файдт М., Волковински К. Защита металла от подземной коррозии в электроустановках: Обзор. М.: Информэнерго, 1979. 72 с.
5. Проскуркин Е.В. и др. Мифы и реальность коррозионной стойкости цинковых покрытий, в частности диффузионных цинковых покрытий // Коррозия: материалы, защита. 2010. № 8. С. 34–38.
6. СТО 56947007-29.130.15.114-2012. Руководящие указания по проектированию заземляющих устройств подстанций напряжением 6–750 кВ.
7. Коррозия: Справ. изд. / Под ред. Л.Л. Шрайера. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1981. 632 с.