CC BY
52
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
dr inz. Krzysztof Dutka1
dr hab. inz. Jozef Pelc, prof. UWM1
Przyjçty/Accepted/Принята: 26.06.2014; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 10.05.2015; Opublikowany/Published/Опубликована: 30.06.2015;
Metoda oceny bezpieczenstwa i prognozy zywotnosci kratownicowych konstrukcji wsporczych linii elektroenergetycznej2
Safety Evaluation Method and Lifespan Prediction for Overhead Power Line Truss Pylons
Метод оценки безопасности и прогнозирование долговечности конструкционной ферменной опоры линий электропередачи
ABSTRAKT
Cel: Opracowanie metody oceny aktualnego bezpieczenstwa eksploatowanych przez kilkadziesi^t lat kratownicowych slupöw linii elektroenergetycznych i szacowanie dalszego czasokresu bezpiecznej pracy tych konstrukcji.
Metoda: Analizowano stopien korozyjnego zuzycia elementöw konstrukcyjnych slupöw na podstawie pröbek pobranych do badan laboratoryjnych z pr^töw wytypowanych konstrukcji. Metody trawienia usuwano produkty korozji i wyznaczano rzeczywiste wymiary przekrojöw pr^töw. Wykonano badania metalograficzne, skladu chemicznego i wytrzymalosciowe materialu pröbek. Badaniom metalogra-ficznym i ocenie wytrzymalosci poddano takze material srub. Slupy z pr^tami oslabionymi korozji poddano analizie wytrzymalosciowej za pomoc^ specjalistycznego, autorskiego programu komputerowego bazuj^cego na metodzie elementöw skonczonych. We wszystkich normowo wymaganych wariantach obci^zen analizowano warunki nosnosci pr^töw slupöw poddanych dzialaniu obci^zen wlasnych, wiatru, szadzi i naci^gu przewodöw (w przypadku slupöw odporowych).
Wyniki: Wzery korozyjne na powierzchniach pölek k^towniköw slupöw si^gaj^ na gl^bokosc srednio 0,29 mm. Nie stwierdzono proce-söw korozyjnych wewn^trz lub na granicach ziaren stali. Analiza skladu chemicznego wskazuje, ze jako material konstrukcyjny slupöw zastosowano stal spawaln^ o podwyzszonej odpornosci korozyjnej i podwyzszonej wytrzymalosci w gatunku 10H. Badania wytrzymalosciowe wykazaly, ze material spelnia wymagania okreslone dla stali 10H. Badania srub nie wykazaly obecnosci wad wewn^trznych typu mikrop^kni^cie lub korozji wewn^trznej, a ich klasa wytrzymalosci jest w zakresie 5.6-5.8. W niektörych wariantach obci^zen pr^ty oslabione korozji nie spelniaj^ warunköw bezpieczenstwa wytrzymalosciowego. Wynik prognozy wskazuje na mozliwosc bezpiecznej pracy slupöw w okresie kolejnych 20 lat pod warunkiem wzmocnienia nielicznych pr^töw zidentyfikowanych jako niebezpieczne. Wnioski: Przedstawiona metoda okreslania korozyjnego zuzycia elementöw slupöw i analizy wytrzymalosciowej oslabionych konstrukcji za pomoc^ specjalistycznego programu autorskiego umozliwia ocen§ bezpieczenstwa wytrzymalosciowego eksploatowanych linii elektroenergetycznych. Mozliwe jest röwniez prognozowanie dalszego czasu bezpiecznej pracy konstrukcji wsporczych. Okresowej ocenie zywotnosci powinny byc poddawane zwlaszcza slupy odporowo-narozne, bowiem ich awarie na ogöl skutkuj^ zniszczeniem calej sekcji linii.
Slowa kluczowe: bezpieczenstwo wytrzymalosciowe, linia elektroenergetyczna, slup, korozja, zywotnosc, metoda elementöw skonczonych Typ artykulu: studium przypadku - analiza zdarzen rzeczywistych
ABSTRACT
Aim: Development of a method to evaluate the current safety of overhead power line truss pylons, which have been in use for decades, and prediction of remaining lifespan for the continuous safe use of such structures.
Method: The degree of corrosive wear of pylon structural elements was analyzed from samples taken for laboratory testing from cross members of selected structures. Corroded structure rods were removed by etching and cross member section profiles were measured. Metallographic tests, identification of the chemical composition and durability measurements were performed on material samples.
1 Uniwersytet Warminsko-Mazurski w Olsztynie / University of Warmia and Mazury in Olsztyn, Poland; dutkak@uwm.edu.pl; Wklad merytoryczny w powstanie artykulu / Percentage contribution: K. Dutka - 40%, J. Pelc - 60%;
2 Artykul zostal wyrozniony przez Komitet Redakcyjny / The article was recognised by the Editorial Committee
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
Securing bolts were also exposed to such tests. Pylons, with cross members weakened by corrosion, were subjected to an endurance evaluation with the aid of the author's specialist computer programme, which is based on the finite element method. In all load bearing standard conditions, an analysis was performed on the load bearing capacity of pylon cross member rods exposed to consequences of their own weight, wind, icing and impact of overhead cable tension (where supported pylons are used).
Results: On average, corrosion pitting of angled flange surfaces achieved a depth of 0.29 mm. There was no corrosive processes found inside or at the granular boundary of steel. Analysis of the chemical composition indicates that pylons were constructed from steel, which can be exposed to welding, with increased corrosion resistance and strength grade of 10H. Durability tests revealed that the material meets the requirements specified for steel 10H. Examination of securing bolts did not reveal internal defects such as micro-cracks or corrosion and their durability is categorised within the range of 5.6-5.8. In some variations of load bearing capacity it was revealed that corroded rod cross members failed to fulfil safe endurance requirements. Resulting forecasts indicate a safe usage of pylons for the next 20 years, subject to the strengthening of some rod cross members, which were identified as unsafe.
Conclusions: The described method for determining the corrosive wear of tower elements and stress analysis of weakened structures, using the author's specialized computer programme, enables the assessment of durability for the safe exploitation of overhead power lines. It is also possible to forecast remaining lifespan for the safe use of supporting structures. A periodic lifespan assessment should be performed, specifically for supporting corner pylons, because their failure will culminate in the failure of an entire section of the power line.
Keywords: durability, power line, pylon, corrosion, lifespan, finite element method Type of article: case study - analysis of actual events
АННОТАЦИЯ
Цель: Разработка метода оценки актуальной безопасности эксплуатированных на протяжении нескольких десятков лет ферменных столбов линий электропередачи и оценка дальнейшего периода безопасной эксплуатации этих сооружений. Метод: Проанализирована степень коррозионного износа конструктивных элементов столбов на основе взятых для лабораторных исследований образцов со стрежней выбранных конструкций. При использовании метода травления были удалены продукты коррозии и определены реальные размеры сечений стрежней. Были проведены металлографические исследования, исследования химического состава и прочности материала образцов. Металлографическим исследованиям и оценке прочности был также подвержен материал винтов. Столбы со стрежнями, ослабленными коррозией, были подвержены анализу прочности при помощи специализированной, авторской программы, базирующейся на методе конечных элементов. Во всех вариантах нагрузок, соответствующих стандартам, были проанализированы условия грузоподъемности стрежней столбов, подверженных воздействию собственной нагрузки, а также ветра, изморози и напряжению проводов (в случае анкерных столбов). Результаты: Точечная коррозия на поверхности полок уголков достигает средней глубины 0,29 мм. Коррозионные процессы внутри или на границах зерен стали не обнаружены. Анализ химического состава показывает, что в качестве строительного материала для столбов использовали сварочную сталь с высокой коррозионной стойкостью и высокой прочностью для типа 10H. Исследования прочности показали, что материал соответствует требованиям, предъявляемым к стали 10H. Исследования винтов не выявили никаких внутренних дефектов таких как микротрещины или внутренней коррозии, а их класс прочности находится в пределах 5,6-5,8. В некоторых вариантах нагрузок стрежни, ослабленные коррозией, не соответствуют условиям безопасности относительно прочности. Результаты прогноза указывают на возможность безопасной работы столбов в течение ближайших 20 лет, при условии, что несколько столбов, определенных как опасные, будут укреплены. Выводы: Представленный метод определения коррозионного износа столбов и анализа прочности ослабленных конструкций с использованием специализированного авторского программного обеспечения позволяет оценивать безопасность линий электропередач отношенительно их прочности. Стало возможным также прогнозировать дальнейшее безопасное время использования несущих конструкций. Особое внимание в периодической оценке долговечности стоит уделить опорно-угловым столбам, потому что их аварии, как правило, приводят к разрушению целой секции линии.
Ключевые слова: прочностная безопасность, линия электропередачи, столб, коррозия, долговечность, метод конечных элементов Вид статьи: тематическое исследование - анализ реальных событий
1. Wprowadzenie
Na obecnym etapie rozwoju cywilizacyjnego prawid-lowe funkcjonowanie spoleczenstw wymaga dostarczania energii elektrycznej do odbiorcow w sposob ci^gly. Prze-rwy w zasilaniu, zwlaszcza dluzej trwaj^ce, wywoluj^ nie-bezpieczne sytuacje o znamionach sytuacji kryzysowych. Wazn^ rol^ w bezpiecznym przesylaniu energii elektrycznej spelniaj^ konstrukcje wsporcze napowietrznych linii elektroenergetycznych. Ich znaczenie jest tym bardziej istotne, ze rowniez wi^kszosc kablowych sieci swiatlowo-dowych zostala poprowadzona wzdluz linii elektrycznych wysokiego napi^cia, wi^c awaria takiej konstrukcji moze spowodowac zerwanie kabla i utrat^ l^cznosci cyfrowej przez wielu uzytkownikow (szpitale, urz^dy administracji,
banki). Konstrukcje wsporcze, zwane potocznie slupami, maj^ za zadanie utrzymywac przewody w odpowiednim polozeniu bez wzgl^du na warunki atmosferyczne (silny wiatr, oblodzenie). Na ogol s^ to konstrukcje kratownicowe wykonane z k^townikow i posadowione na stopach fun-damentowych. Na etapie projektowania zaklada si§ bez-pieczn^ prac^ takich konstrukcji w okresie dziesi^tkow lat. Trudno jednak dokladnie przewidziec warunki, w jakich b^d^ pracowaly, ze wzgl^du na globalne zmiany klimatu, zanieczyszczenie powietrza oraz lokalny mikroklimat, np. cz^ste wyst^powanie mgiel w rejonie linii. Trudne warunki atmosferyczne, jak rowniez wady materialowe cz^sto stanowi^ przyczyn^ przyspieszonej korozji elemen-tow konstrukcyjnych slupow. Istnieje wi^c uzasadniona potrzeba diagnostyki slupow dokonywanej po pewnym
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
czasie eksploatacji linii w celu oceny ich bezpieczeñstwa wytrzymalosciowego i oszacowania czasu dalszej, bez-piecznej pracy. Artykul ten dotyczy metody analizy slupów linii elektroenergetycznej wykonywanej w celu oceny ich aktualnej wytrzymalosci i prognozowania ich zywotnosci. Opracowano odpowiedni^ metody analizy, któr^ zastoso-wano do oceny slupów linii jednotorowej 110 kV o dlugosci ok. 30 km, usytuowanej w pólnocno-wschodniej Polsce, eksploatowanej przez okres 20 lat.
Podczas eksploatacji slupów linii wysokiego napif-cia, w wyniku korozyjnego zuzywania sif, zmniejszaj^ sif wspólczynniki bezpieczeñstwa wytrzymalosciowego po-szczególnych elementów konstrukcyjnych. O szybkosci pro-cesu korozji atmosferycznej decyduj^: wilgotnosc wzglfdna, zanieczyszczenie atmosfery i dobowe wahania temperatury powoduj^ce skraplanie pary wodnej na powierzchniach metalu. Wsród zanieczyszczeñ atmosfery bierze sif pod uwagf zawartosc substancji gazowych, glównie SO2 NOx, H2S, CO2 i chlorków [1]. Zaleznie od warunków korozji struktura produktów korozji jest rózna - luski, ziarna, lub rzadziej szczelna, przywarta warstwa. Wedlug [2] objftosc produktów korozji jest o ok. 60% wifksza od objftosci metalu, z którego powstaly. Stale trudnordzewiej^ce s^ stalami niskostopowymi o zawartosci wfgla mniejszej niz 0,2% wag., do których wprowadzono Cu, Cr, Ni, P, Si i Mn jako skladniki stopowe w ilosci nieprzekraczaj^cej l^cznie 3-5% wag. Zwifkszona odpornosc na korozjf w stosunku do zwyklej stali wfglowej jest spowodowana tworzeniem w atmosferach o niskiej i sredniej agresywnosci szczelnych i dobrze przylegaj^cych warstw produktów korozji zwa-nych patyn^ [3]. Skutecznie hamuje ona przebieg dalszego procesu rdzewienia stali. Budowa warstwy patyny na stali cortenowskiej zalezna jest nie tylko od skladu chemicz-nego stali, lecz równiez od warunków atmosferycznych. Ekspozycja na sloñce i deszcz tworzy mocno przylegaj^ce warstwy, podczas gdy powierzchnie oslonifte maje ten-dencje do tworzenia luznych slabo przylegaj^cych tlenków. Powierzchnie od strony pólnocnej ulegaje patynowaniu znacznie wolniej, a w srodowisku o bardzo wysokim po-ziomie zanieczyszczeñ powietrza (atmosfera morska) czy w warunkach ci^glej wilgotnosci, patyna moze sif w ogóle nie uformowac [4]. Czas stabilizacji szczelnej warstwy patyny zalezy od korozyjnosci atmosfery i szacowany jest na 6-8 lat w atmosferach o kategorii korozyjnosci [5] (C2-C3) i 4-6 lat w atmosferach o korozyjnosci (C3-C5) [6]. Zgodnie z literature [7] ubytek korozyjny stali trudnordzewiej^cej typu corten wyniósl 0,05 mm w ci^gu 20 lat pracy, podczas gdy ubytek stali wfglowej, w tych samych warunkach, byl 5-krotnie wyzszy. Równiez inne procesy, zachodz^ce w stalach podczas dlugotrwalej eksploatacji (zmfczenie, starzenie), moge byc przyczyn^ degradacji budowy struk-turalnej i obnizenia wlasciwosci mechanicznych materialu [8]. Dzifki swoim wlasciwosciom stal trudnordzewiej^ca znalazla zastosowanie w wielu konstrukcjach cywilnych takich jak mosty, kladki i inne konstrukcje drogowe, in-stalacje dachowe, maszty, wieze, elementy architektoniczne oraz slupy linii elektroenergetycznych [6].
W ocenie bezpieczeñstwa analizowanych konstruk-cji wsporczych za punkt odniesienia przyjfto przepisy
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
normowe obowi^zuj^ce w czasie budowy linii. Takie podej-scie umozliwilo ocenf samego wplywu korozji na wskazniki bezpieczeñstwa konstrukcji, niezaburzon^ wplywem zmian przepisów normowych.
2. Metody
W celu oceny bezpieczeñstwa i prognozy zywotnosci eksploatowanych konstrukcji kratownicowych przyjfto metodf postfpowania polegaj^c^ na:
• okresleniu wielkosci zuzycia korozyjnego elementów nosnych konstrukcji,
• szacowaniu stopnia degradacji mikrostruktury i wlas-ciwosci mechanicznych materialu,
• przeprowadzeniu obliczeñ wytrzymalosciowych, uwzglfdniaj^cych rzeczywisty i prognozowany stan elementów konstrukcji.
Realizuj^c zadanie z konstrukcji, pobrano material badawczy i okreslono jego sklad chemiczny i mikrostruk-turf oraz wyznaczono parametry wytrzymalosciowe. Po okresleniu wielkosci ubytków korozyjnych, uwzglfdniaj^c oslabione przekroje prftów kratownic, wykonano obliczenia wytrzymalosciowe najbardziej obci^zonych slupów.
Opieraj^c sif na publikowanych wynikach badañ szybkosci korozji w czasie uzytkowania obiektów, przedstawio-no warunki bezpiecznej eksploatacji slupów badanej linii w kolejnych 20 latach.
2.1. Pomiar poprzecznych wymiarów elementów konstrukcyjnych slupów
W trakcie szczególowej inspekcji slupów analizowanej linii wytypowano te, które pracuje w ekstremalnie trud-nych warunkach srodowiskowych (mokradla, obnizenie terenu). W sumie z calej linii wybrano 11 slupów. Stwier-dzono, ze najbardziej skorodowane elementy znajduje sif w dolnych czfsciach slupów (ryc. 1). W zwi^zku z tym za pomoc^ suwmiarki wykonano pomiary rzeczywistej grubosci i szerokosci ramion na elementach dostfpnych z ziemi. Pomiarom poddano kolejne krawfzniki (A, B, C, D) i najnizej usytuowane ukosniki scian prostopadlych (P) i równoleglych (R) do linii (ryc. 2).
Г ЖтХ
Ryc. 1. Widok skorodowanych k^townikow slupa Fig. 1. A view of corroded pylon metal angle brackets Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
К-к
с
П
I $
E I o
CD I
V j
* s
Ryc. 2. Strefa pomiaröw k^towniköw K-K oraz schemat oznaczenia krawçznikôw slupa A, B, C, D Fig. 2. Measurement area for pylon angle brackets K-K and outline revealing pylon feet A, B, C and D Zrodlo: Opracowanie wlasne.
Source: Own elaboration.
2.2. Badania laboratoryjne pobranego materialu
Ze scian röwnoleglych i prostopadlych do linii energe-tycznej wytypowanych slupöw pobrano w sposöb losowy l^cznie 5 k^towniköw przeznaczonych do szczegölowych badan laboratoryjnych. Pröbki odciçte z k^towniköw opi-sano kolejnymi numerami od l-5. Z kazdego odcinka k^-townika wyciçto pröbki do badan metalograficznych, oceny skladu chemicznego oraz wlasciwosci wytrzymalosciowych.
2.3. Okreslenie stopnia zuzycia elementow pobranych do badan
W celu okreslenia charakteru zuzycia pröbki pobrane z k^towniköw poddano dzialaniu roztworu wodnego kwasu siarkowego i urotropiny [9]. Przy uzyciu glçbokosciomierza czujnikowego dokonywano pomiaröw glçbokosci wzeröw korozyjnych. W celu oceny rzeczywistej glçbokosci wzeröw powierzchniç pröbek poddano obröbce mechanicznej, a nastçpnie mierzono grubosci korygowane gk. Na kazdym z dwöch ramion pröbki grubosc mierzono 10-krotnie, a za wartosc grubosci elementu przyjçto sredni^ z uzyskanych rezultatöw.
Ocenç röznic miçdzy wartosciami srednimi grubosci i ubytköw korozyjnych dokonano testem T Studenta.
2.4. Badania metalograficzne i skladu chemicznego
Mikrostrukturç oceniano na zgladach nietrawionych i trawionych Nitalem (2-proc. roztworem HNO3), za po-moc^ optycznego mikroskopu metalograficznego EPITYP. Szczegölnie starannie analizowano strefç przypowierzch-niow^ zgladöw na ewentualnosc wyst^pienia procesöw korozyjnych wewn^trz lub na granicach ziaren stali.
Sklad chemiczny stali okreslono za pomoc^ spektro-metru ARL 3460 i metodami chemii klasycznej.
2.5. Badania wytrzymalosci na rozci^ganie
Wlasciwosci wytrzymalosciowe wyznaczano przez zastosowanie pröbek plaskich o powierzchniach natural-nych oraz obrobionych mechanicznie. Pröbki zorientowane byly röwnolegle do kierunku obröbki plastycznej ksztal-tuj^cej wyröb hutniczy. Badanie pröbek uzytkowanych z obecnymi produktami korozji mialo na celu okreslenie wielkosci obnizenia wytrzymalosci elementöw konstrukcji
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
spowodowanej 20-letni^ eksploataj Pröbki przygotowano zgodnie z zaleceniami normy [10]. Zrywanie przeprowa-dzono na maszynie ZDTe-J30 zgodnie z [11].
2.6. Badanie stanu srub montazowych
W celu oceny stanu srub poddano je zabiegowi tra-wienia. Zglady metalograficzne wykonano na przekrojach wzdluznych dwöch srub (w tym jednej z odlamanym lbem).
Wytrzymalosc materialu srub okreslono metod^ po-sredni^, tj. przez pomiar twardosci na przekrojach wzdluz-nych i na Ibach srub. Pomiary przeprowadzono metod^ Vickersa zgodnie z zaleceniami PN-EN ISO 6507-1 [12].
2.7. Obliczenia wytrzymalosciowe slupöw z uwzglçdnieniem zuzycia korozyjnego
Na podstawie analizy trasy jednotorowej linii 110 kV wybrano do obliczen konstrukcje wsporcze najbardziej wytçzone, a wiçc obci^zone przçslami o najwiçkszej rozpiç-tosci. W zwi^zku z tym obliczeniom statycznym i wytrzy-malosciowym poddano trzy slupy serii B2, tj. po jednym ze wszystkich typöw wystçpuj^cych w analizowanej linii. Byly to slupy:
• przelotowy P+5,
• przelotowy PL+10 (odmiana lesna),
• odporowo-narozny M3+10.
Etapy typowej analizy slupa kratownicowego to:
• przygotowanie modelu obliczeniowego,
• wyznaczenie obci^zen w poszczegölnych wariantach obci^zenia,
• zadanie obci^zen i wyznaczenie sil w prçtach kratownicy,
• analiza warunköw nosnosci poszczegölnych prçtow. U podstaw analizy wytrzymalosciowej slupa lezy opracowanie modelu obliczeniowego realnej konstrukcji. Ana-lizowane slupy traktowano jako przestrzenne kratownice, w ktörych prçty pol^czone s^ przegubowo. W modelu roz-wazono osie geometryczne prçtôw przedstawiane w formie odcinköw, ktörym przypisano parametry geometryczne: pole przekroju poprzecznego, minimalny moment bezwlad-nosci i wspölczynnik dlugosci wyboczeniowej. Wartosci pöl i momentöw bezwladnosci przekrojöw poprzecznych pr^töw wyznaczono z uwzglçdnieniem ubytköw korozyjnych, ktörych wielkosc okreslono na podstawie wczesniej przedstawionej analizy materialowej.
Obci^zenie slupa stanowi^: ciçzar wlasny, parcie wiatru i ciçzar szadzi oraz naci^gi przewodöw w przypadku slupa odporowego. Zgodnie z przepisami obowi^zuj^cymi dla tych konstrukcji, w zaleznosci od typu slupa, badano jego nosnosc w kilku wariantach obci^zenia.
W celu oceny bezpieczenstwa pracy konstrukcji wspor-czych analizie wytrzymalosciowej poddano wszystkie trzy typy slupöw, jednak nizej przedstawiono tylko przebieg analizy w odniesieniu do slupa odporowo-naroznego typu M3+10 serii B2. Nosnosc slupa odporowo-naroznego spraw-dzano w czterech wariantach obci^zenia, w ktörych wy-specyfikowano nastçpuj^ce skladniki (ryc. 3): I. Ciçzar wlasny slupa, ciçzary przewodöw (V.), parcie wiatru na przewody (H.J, sily naporu wiatru na kon-strukcjç (Wr) i poziome sily naci^göw obliczeniowych (N.J o kierunkach dwusiecznej k^ta zalomu linii.
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
II. Ci^zar wlasny konstrukcji, ci^zar szadzi (VS) i sily na-ci^gow obliczeniowych (N.J o kierunkach dwusiecznej k^ta zalomu linii.
III. Ci^zar wlasny slupa, ci^zary przewodow (V), sily na-poru wiatru na konstrukcji kratow^ (Wp) wiej^cego prostopadle do dwusiecznej k^ta zalomu linii, sily
> f "I- vl' >L \ , Wri
4 1 t ^ i 1 i' 4 >
<p . N, У
V N •ч Niw t <
naci^gow obliczeniowych (N.J) dzialaj^cych w kierunku dwusiecznej k^ta zalomu linii.
IV. Ci^zar wlasny, ci^zary przewodow (V) i sily F. naci^gu umownego rowne 2/3 sil calkowitych naci^gow prze-wodow (Ni).
b)
c)
d)
У
V ^Ni
,' \
Wpi x> * Niw t
У
Fi=2/3Nj
x> f
Ryc. 3. Warianty obci^zen slupa odporowo-naroznego: a) - I, b) - II, c) - III, d) - IV Fig. 3. Pylon load bearing variations for supporting corner pylons: a) - I, b) - II, c) - III, d) - IV
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Obci^zenia slupow kratownicowych okreslono dla I ni-zinnej strefy klimatycznej, w ktorej w calosci znajduje si§ analizowana linia. Uwzgl^dniono szadz normaln^. War-tosci wyznaczonych sil wprowadzano do modelu oblicze-niowego slupa zgodnie z wyspecyfikowanymi wariantami.
Wartosci sil w pr^tach slupa obliczono za pomoc^ autorskiego programu komputerowego wyposazonego w procedure inteligentnego wykrywania i automatycznego blokowania w^zlow plaskich [13]. Program ten, oparty na metodzie elementow skonczonych [14], ma rowniez zgodne z obowi^zuj^cymi przepisami normowymi pro-cedury automatycznego sprawdzania warunkow nosnosci poszczegolnych pr^tow. Miar^ bezpieczenstwa konkretne-go pr^ta stanowi wartosc wspolczynnika bezpieczenstwa wytrzymalosciowego definiowanego jako:
• dla pr^tow sciskanych: iloraz wytrzymalosci oblicze-niowej R materialu pr^ta do napr^zenia obliczeniowego pomnozonego przez odpowiedni wspolczynnik wybo-czeniowy pr^ta [15],
• dla pr^tow rozci^ganych: iloraz wytrzymalosci oblicze-niowej R materialu pr^ta do normalnego napr^zenia obliczeniowego.
2.8. Prognoza trwalosci linii energetycznej
Wedlug badan przeprowadzonych przez American Society for Testing Materials [16], [17], szybkosc korozji podczas eksploatacji obiektow w czasie pierwszego roku
jest stosunkowo wysoka. W nast^pnych latach zmniejsza si§ dzi^ki oddzialywaniu ochronnemu warstw produk-tow korozji, a ubytki materialu staj^ si§ coraz mniej-sze. Ta zaleznosc jest szczegolnie widoczna w stalach cortenowskich.
Bior^c pod uwag^ granic^ plastycznosci stali bez uszko-dzen wywolanych korozji oraz wyniki badan k^townikow, w ktorych wyst^powaly efekty korozji spowodowanej warunkami eksploatacji, wyprowadzono rownanie przed-stawiaj^ce zmian^ tego parametru w zaleznosci od czasu eksploatacji linii energetycznej. Zaleznosc aproksymowano transformowan^ funkj paraboliczn^, ktorej ogolne rownanie przedstawia si§ nast^puj^co:
RT = —^ (1)
g - a~-J t gdzie:
g - grubosc probki (mm),
a - wspolczynnik zalezny od warunkow eksploatacyjnych linii,
T - czas eksploatacji (lata),
R0 - granica plastycznosci materialu elementu w czasie wykonania slupa (T = 0).
Zastosowany model zuzycia korozyjnego i zmiany nosnosci konstrukcji jest typowym modelem heurystycznym (opartym na doswiadczeniu). Jest to najbardziej intuicyj-ne podejscie do przewidywania korozji pozwalaj^ce na
prognozowanie zachowania systemu w przyszlosci przyj-muj^c, ze nie ulegn^ zmianie warunki eksploatacji [6], [18].
З. Wyniki i dyskusja
3.1. Pomiar poprzecznych wymiarów elementów konstrukcyjnych slupów
Charakterystykç kontrolowanych czçsci konstrukcji oraz rezultaty badañ zestawiono w tabeli l.
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
Rezultaty badañ porównano z danymi zawartymi w do-kumentacji technicznej. Stwierdzono:
a) wystçpowanie niezgodnosci grubosci ksztaltowników z dokumentacje (krawçzniki o cieñszych sciankach niz wymiary nominalne, a k^towniki scian grubsze),
b) szerokosc ramion kraw^zników dwóch slupów z od-chylke ujemne wiçksz^ od dopuszczanej przez normç PN-69/H-934Q1: Stal walcowana - K^towniki równo-ramienne [19].
Tabela 1. Wymiary rzeczywiste sprawdzanych k^towników slupów Table 1. Measurement results for tested pylon angle brackets
Nr slupa/ Pylon No Typ slupa/ Pylon type Miejsce pomiaru/ Location of measurement Wymiar ramion/ Flanges dimension (mm) Grubosc rzeczywista g J Actual thickness g g (mm) Wymiar wg dokumentacji/ Dimension in documentation (mm)
Nr pomiaru/Measurement No
1 (mm) 2 (mm) 3 (mm)
25 M3+10 A 88 x 86 6,3 6,0 6,0 6,0 90 x 8
B 6,5 6,2 6,0 6,0 90 x 8
C 6,5 6,5 6,4 6,0 90 x 8
D 6,0 6,3 6,2 6,0 90 x 8
U 51 x 51 5,5 5,3 5,0 5,0 50 x 4
26 M3+10 A 9Q x 9Q 6,3 6,2 6,3 6,0 90 x 8
B 6,1 6,0 6,5 6,0 90 x 8
C 6,2 6,0 5,9 6,0 90 x 8
D 9,0 9,1 8,9 8,0 90 x 8
U 5Q x 5Q 5,0 5,0 5,1 5,0 50 x 4
32 M3+10 A 88 x 88 6,0 6,0 5,8 6,0 90 x 8
B 6,0 6,2 6,3 6,0 90 x 8
C 88 x 9Q 5,8 6,2 6,5 6,0 90 x 8
D 89 x 89 6,0 6,0 6,2 6,0 90 x 8
U 51 x 51 5,2 5,2 5,0 5,0 50 x 4
54 M3+2,5 9Q x 9Q 8,2 8,4 8,3 8,0 90 x 8
55 P+5 U 75 x 75 6,2 6,6 6,9 6,0 75 x 5
45 x 45 5,5 5,3 5,3 5,0 45 x 4
56 P+5 A 75 x 75 6,4 6,3 6,5 6,0 75 x 5
B 8,2 8,2 8,0 8,0 75 x 5
C 6,4 6,5 6,4 6,0 75 x 5
D 6,4 6,5 6,5 6,0 75 x 5
U 46 x 46 5,0 5,4 5,3 5,0 45 x 4
U 5Q x 5Q 5,4 5,3 5,3 5,0 50 x 5
57 P+2,5 A 75 x 75 6,7 6,8 6,5 6,0 75 x 5
B 8,2 7,9 8,0 8,0 75 x 5
C 6,4 6,0 6,4 6,0 75 x 5
D 6,4 6,6 6,2 6,0 75 x 5
U 35 x 35 4,5 4,2 4,8 4,0 35 x 4
U 45 x 45 4,4 4,3 4,2 4,0 45 x 4
U 5Q x 5Q 5,3 5,3 5,4 5,0 50 x 4
73 P+5 U 75 x 75 6,1 6,4 6,0 6,0 75 x 5
45 x 45 5,5 5,3 5,4 5,0 45 x 4
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ D0I:10.12845/bitp.38.2.2015.2
Nr slupa/ Pylon No Typ slupa/ Pylon type Miejsce pomiaru/ Location of measurement Wymiar ramion/ Flanges dimension (mm) Grubosc rzeczywista g / Actual thickness g g (mm) Wymiar wg dokumentacji/ Dimension in documentation (mm)
Nr pomiaru/Measurement No
l (mm) 2 (mm) З (mm)
75 M3+2,5 U 88 x 89 8,2 8,0 8,4 8,0 90 x 8
50 x 50 5,8 5,8 5,6 5,0 50 x 4
76 M3+2,5 A 90 x 90 6,6 6,6 5,6 6,0 90 x 8
B 6,4 6,2 6,3 6,0 90 x 8
C 6,6 6,1 6,5 6,0 90 x 8
D 8,2 8,3 8,5 8,0 90 x 8
U 50 x 50 5,5 5,3 5,4 5,0 50 x 4
77 P+2,5 89 x 89 7,0 7,1 7,4 6,0 75 x 75
U - Ukosnik/Diagonal bracing Zródlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Zmierzona grubosc rzeczywista g elementów konstrukcyjnych w wiçkszosci przypadków jest wiçksza od nominalnej. Jest to spowodowane obecnoscie szczelnej warstwy produktów korozji. Lokalne zmniejszenie gru-bosci obserwowano jedynie na poziomie górnej krawçdzi stopy zawiasowej nalozonej na krawçznik. Bardzo czçsto w rejonie tym wystçpuje szczelina miçdzy powierzchnie zewnçtrzne krawçznika i powierzchnie wewnçtrzne spawanego ketownika zawiasu. Tworzenie szczeliny jest wynikiem niedokladnosci wykonania stóp fundamento-wych oraz bl^dów montazowych powodujecych deformaj ramion i skrçcenie krawçznika.
Tabela 2. Srednia rzeczywista grubosc k^towników g slupów w przedzialach wymiarowych grubosci nominalnej gnom (dla danych z tab. 1)
Table 2. Average thickness g for pylon angle brackets at intervals of nominal thickness gnom (for data in table 1)
g Licznosc/Lot size grz Odchylenie standardowe/Standard deviation, S
(mm) n (mm) (mm)
10 3 10,23 0,21
8 27 8,43 0,33
6 69 6,30 0,32
5 33 5,32 0,22
4 12 4,36 0,19
¿ródlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
3.2. Badania laboratoryjne pobranego materialu
Obserwacje powierzchni pobranych próbek potwier-dzily slusznosc ustalonego podczas wizji lokalnej pogledu o charakterze korozji. Na powierzchni stali wystçpowaly dwie warstwy: zewnçtrzna - luzna i wewnçtrzna - silnie przylegajeca do podloza.
3.3. Okreslenie stopnia zuzycia elementów pobranych do badaú
Wyniki pomiarów grubosci ramion ketowników wska-zuje na to, ze efektywnosc oddzialywania srodowiska wy-kazywala nieznaczne róznice (tabela 3 oraz ryc. 4).
Z danych literaturowych wynika, ze zarówno procesy wytwarzania, jak i zuzycie powoduje wahania w grubos-ciach scianek elementów, które mozna aproksymowac rozkladem normalnym [20]. Traktuj^c wi^c poszczególne zbiory grubosci jako material statystyczny, obliczono war-tosci srednie i odchylenia standardowe charakteryzujece rzeczywiste grubosci poszczególnych ketowników (tabela 2). Ocen^ prowadzono grupuj^c rezultaty pomiarów grubosci w zbiory, których wyróznikiem jest grubosc nomi-
Powierzchniç próbek oczyszczone z produktów korozji przedstawiono na ryc. 5. W procesie trawienia z powierzchni usuniçto srednio ok. 0,26 mm produktów korozji (tabela 4). Pomiary glçbokosci wzerów wykazaly, ze siçgaje one na glçbokosc srednio 0,29 mm.
Oceniajec róznice miçdzy wartosciami srednimi grubosci i ubytków korozyjnych, stwierdzono, ze ze statystycz-nego punktu widzenia mozna je uznac za nieistotne, przy zalozonym poziomie ufnosci а = 0,05.
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
Tabela 3. Wymiary k^townikow pobranych do badan laboratoryjnych Table 3. Dimensions of angle brackets selected for laboratory testing
Nr k^townika/ Angle bracket No Rodzaj/ Type Grubosc grz przed trawieniem (mm) Thickness grz before etching (mm) Srednia Average grz Sr S Grubosc po szlifowaniu/ Thickness after grinding S
Nr pomiaru/Measurement No Ramiç/Flange gk Sr
1 2 3 4 5 1 2
1 50 x 5 5,8 5,6 5,4 5,4 5,5 5,54 0,15 4,26 4,28 4,27
2 50 x 5 5,6 5,3 5,4 5,2 5,2 5,34 0,15 4,36 4,38 4,34
3 45 x 5 5,3 5,4 5,3 5,1 5,2 5,26 0,10 4,38 4,29 4,33
4 45 x 5 5,5 5,3 5,3 5,1 5,3 5,30 0,13 4,35 4,36 4,35
5 50 x 5 5,3 5,5 5,4 5,3 5,3 5,36 0,08 4,40 4,38 4,39
Wartosc srednia grubosci rzeczywistej/ 5,36 Sredn. grubosc korygowana/ Corrected average thickness 4,34 0,05
Average value of actual thickness
S 0,16
S - odchylenie standardowe/Standard deviation Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Ryc. 4. Powierzchnie k^townikow pobranych do badan Ryc. 5. Probki po usuniçciu produktow korozji
Fig. 4. Angle brackets surfaces of samples selected for Fig. 5. Samples after removal of corrosion sources
laboratory testing Zrodlo: Opracowanie wlasne.
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration. Source: Own elaboration.
Tabela 4. Wyniki pomiaru grubosci k^townikow po trawieniu Table 4. Angle brackets thickness measurement results after etching
Nr k^townika/ Angle bracket No Grubosc po trawieniu/ Thickness after etching gtraw (mm) Grubosc srednia po trawieniu Average thickness after etching (mm) gr traw Grubosc rdzy/ Rust thickness (mm) gsr gsr traw
Nr pomiaru/Measurement No
1 2 3
1 5,20 5,30 5,25 5,25 0,29
2 5,05 5,05 5,10 5,06 0,28
3 4,90 4,95 5,00 4,95 0,31
4 5,00 5,15 5,05 5 10 0,20
5 5,10 5,15 5,10 5,12 0,24
5,10 0,26
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
3.4. Badania metalograficzne i skladu chemicznego
Badania metalograficzne wykazaly, ze w materiale nie wyst^puje mikrop^kni^cia b^dz nieci^glosci, które moglyby obnizac nosnosc konstrukcji podczas dalszej eksploatacji. Korozji wewn^trznej nie stwierdzono.
Rezultaty badañ skladu chemicznego przedstawiono w tabeli 5. Analiza tych wyników wskazuje, ze jako material konstrukcyjny slupów zastosowano stal spawaln^
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
0 podwyzszonej odpornosci korozyjnej i podwyzszonej wytrzymalosci w gatunku 10H. Stal ta jest zaliczana do III klasy odpornosci na korozjç atmosferyczne, co oznacza, ze ubytki korozyjne tej stali w identycznych warunkach powinny byc 3 do 5-krotnie nizsze niz dla stali 18G2A [21].
We wszystkich ksztaltownikach zawartosc fosforu byla nizsza niz wymagana przez normç, zas w ketowniku nr
1 stwierdzono przekroczenie zawartosci siarki o 0,002% powyzej górnej odchylki.
Tabela 5. Wyniki badania skladu chemicznego materialu k^townikow pobranych do badan oraz zawartosc pierwiastkow wg [3] dla stali w gat. 10 H
Table 5. Test results for chemical composition of examined angle brackets and element content by [3] for 10 H grade steel
Nr k^town./ Angle bracket No Zawartosc pierwiastka/Element content (%)
C Mn Si P S Cr Ni Cu Al Mo
1 0,14 0,70 0,39 0,021 0,057 0,55 0,04 0,25 0,052 0,006
2 0,17 0,80 0,56 0,014 0,037 0,75 0,05 0,28 0,10 0,008
3 0,11 0,67 0,37 0,020 0,037 0,60 0,06 0,26 0,062 0,013
4 0,14 0,70 0,42 0,027 0,038 0,73 0,05 0,27 0,069 0,010
5 0,17 0,76 0,52 0,014 0,036 0,74 0,05 0,28 0,094 0,008
10 H: max 0,15 + 0,2 0,4-0,03 0,9 + 0,05 0,25-0,03 0,6 + 0,05 0,06-0,01 0,1 + 0,01 max 0,05 + 0,005 0,5-0,05 1,0 + 0,05 - 0,25-0,05 0,50 + 0,05 min 0,020,005 -
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
3.5. Badania wytrzymalosci na rozci^ganie po zerwaniu A5 zestawiono w tabeli 6. Wartosci podane
Wyniki badania probek na rozci^ganie, tj. granicy w nawiasach dotycz^ probek szlifowanych. plastycznosci Re, granicy wytrzymalosci Rm i wydluzenia
Tabela 6. Wyniki badania wlasciwosci wytrzymalosciowych k^townikow pobranych do badan laboratoryjnych oraz wlasciwosci stali w gat. 10 H okreslone dla kategorii wytrzymalosci E 355
Table 6. Test results for mechanical properties of angle brackets used in laboratory tests and properties of 10 H grade steel categorised for durability in accordance with E 355
Nr k^townika-próbka/ Angle bracket No - sample Wymiar próbki/ Sample dimension (mm) Re MPa R m MPa As %
1-A 5,4 x 19,9 (4,7 x 20,0) 363 (406) 472(518) 28,5 (29,0)
1-B 5,5 x 19,9 (4,7 x 20,0) 354(402) 466 (515) 28,0 (29,5)
2-A 5,2 x 19,9 (4,4 x 20,0) 391(424) 522(576) 27,5 (28,5)
2-B 5,2 x 19,9 (4,4 x 20,0) 382(419) 515(572) 28,0 (28,0)
3-A 5,1 x 19,9 (4,4 x 20,0) 346 (398) 455(504) 29,7 (30,0)
3-B 5,1 x 19,9 (4,4 x 20,0) 346(396) 452(498) 29,0 (30,0)
4-A 5,1 x 19,9 (4,4 x 20,0) 355 (406) 479(525) 26,0 (28,0)
4-B 5,3 x 19,9 (4,4 x 20,0) 350 (401) 478 (528) 26,0 (27,5)
5-A 5,3 x 19,9 (4,4 x 20,0) 392 (423) 514(576) 24,3 (26,0)
5-B 5,3 x 19,9 (4,4 x 20,0) 395 (421) 520 (584) 26,5 (26,5)
Wartosci srednie/Average values 367 (410) 487
Odchylenie standardowe/Standard deviation S 19 (10)
Wlasciwosci materialu referencyjnego/ Reference material properties Wg [3]/According to [3] min. 355 490-20 630+10 min. 22,0
¿ródlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Srednia wartosc granicy plastycznosci (R = 367 MPa) dla populacji probek pobranych z k^townikow jest wyzsza od wartosci normowej wynosz^cej 355 MPa. Jedynie w k^-towniku nr 3 obie probki wykazaly granicç plastycznosci nieznacznie ponizej R . . Bior^c pod uwagç wystçpuj^-ce w probkach wady powierzchniowe, mozna stwierdzic, ze material k^townikow spelnia wymagania okreslone w normie [3] dla stali 10H. Wyniki badania wykonane na probkach po zeszlifowaniu wad powierzchniowych (wze-row) wykazaly R na poziomie 410 MPa, co potwierdza, ze material we wnçtrzu k^townikow nie wykazuje oslabienia zwi^zanego z 20-letni^ eksploatacj^. Zarowno Rm, jak i A5 mieszcz^ siç w zakresie wymagan okreslonych w normie [3].
3.6. Badanie stanu srub montazowych
Pobrane do badan sruby czarne M16 i M12 wykazuje objawy korozyjne podobne do materialow ksztaltownikow. Sruby nie maj^ na lbach oznaczenia klasy wytrzymalo-sci. Badania metalograficzne nie wykazaly obecnosci wad
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
wewnçtrznych typu mikropçkniçcie lub korozja wewnçtrz-na, ani w obrçbie gwintu, ani w przejsciu trzpienia do lba sruby.
Badania twardosci materialu srub daly wynik rzçdu 150-190 HV, ktory pozwala zakwalifikowac je do klasy wlasciwosci mechanicznych 5.6 lub 5.8, tj. wytrzymalosci na rozci^ganie rzçdu 500 MPa [22].
3.7. Obliczenia wytrzymalosciowe slupow z uwzglçdnieniem zuzycia korozyjnego
Podstawowe dane dotycz^ce analizowanych slupow zestawiono w tabeli 7. W obliczeniach wytrzymaloscio-wych uwzglçdniono normowo wymagane ekstremalne warunki pracy konstrukcji, wystçpuj^ce w I nizinnej strefie klimatycznej Polski. Bior^c pod uwagç ciçzar przewodow, izolatorow i szadzi oraz aerodynamiczne oddzialywanie wiatru na elementy linii, a takze naci^gi przewodow (dot. slupa odporowo-naroznego) okreslono wartosci sil obci^-zaj^cych konstrukcje (tabela 8).
Tabela 7. Podstawowe dane do obliczen statycznych wytypowanych slupow serii B2 Table 7. Basic data for static calculations of selected B2 series pylons
Wyszczegolnienie/Specification Typ slupa/Pylon type
P+5 PL+10 M3+10
Szadz/Rime Normalna/Normal
Cisnienie wiatru (Pa) na wysokosci/Wind pressure at height:
0-10 m 491
10-16m 537
16-40 m 688
Przewod roboczy/Main conductor Przewod odgromowy/Ground wire 3xAFL-6 240 mm2
1xAFL-l,7 70 mm2
Wysokosci slupa/Pylon height (m) 25,45 34,80 27,10
Ci^zar slupa/Pylon weight (kN) 16,50 27,30 31,03
Izolatory/Insulators:
Typ/Type 3xLP 75/17 3xLPV 3xLP75/17
Ci^zar/Weight (kN) 0,38 1,38 0,38
Wysokosc lancucha/String height (mm) 1459 1814 1459
Rozpi^tosc lancucha/String span (mm) 3400 3400 3400
Max. rozpi^tosc prz^sla/Max. span (m) 355 350 390
K^t zalomu linii/Line refraction angle (2^, ryc./fig. 3a) (rad) - - 2,616
Zrodlo obci^zenia/Source of load Rodzaj obci^zenia/Kind of load Wartosc sily/Force value (kN)
Typ slupa/Pylon type
P+5 PL+10 M3+10
Przewod roboczy z izolatorem/Main conductor and insulator
Skladowa pionowa od ci^zaru wlasnego/Vertical component of the weight VR 4,15 4,12 4,49
Skladowa pozioma od naporu wiatru/Horizontal component of wind pressure HRx 4,16 4,08 4,56
Skladowa pionowa ci^zar wlasny + szadz/Vertical component of the weight + rime VRS 7,21 7,14 7,86
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Tabela 8. Zestawienie obci^zen slupow serii B2 Table 8. Load specification for B2 series pylons
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
Zrodlo obci^zenia/Source of load Wartosc sily/Force value (kN)
Rodzaj obci^zenia/Kind of load Typ slupa/Pylon type
P+5 PL+10 M3+10
Naci^g calkowity/Total tension NR 15,29
Wypadkowa naci^gu/Resultant tension NRw 7,94
Skladowa umownego naci^gu/Conventional tension component FRx 2,64
Skladowa umownego naci^gu/Conventional tension component FRy 9,85
Przewod odgromowy/Ground wire
Skladowa pionowa od ci^zaru wlasnego/Vertical component of the weight vO 2,10 2,07 2,31
Skladowa pozioma od naporu wiatru/Horizontal component of wind pressure HOx 2,24 2,20 2,42
Skladowa pionowa ci^zar wlasny + szadz/Vertical component of the weight + rime vOS 4,15 4,09 4,57
Naci^g calkowity/Total tension NO 5,50
Wypadkowa naci^gu/Resultant tension NOw 2,85
Skladowa umownego naci^gu/Conventional tension component FOx 0,95
Skladowa umownego naci^gu/Conventional tension component FOy 3,54
Konstrukcja slupa/Pylon structure
Wiezyczka/Turret 0,73 0,80 1,15
Kolumna/Column I 3,12 3,12 3,93
Kolumna/Column II 3,75
Czlon/Segment I 4,10 3,93 3,46
Czlon/Segment II + 0 4,85 4,82 2,80
Czlon/Segment III + 5 5,98 4,46 4,59
Czlon/Segment IV + 10 4,58 4,64
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Zgodnie z wymaganymi wariantami obci^zen, slupy byly poddawane dzialaniu wyzej podanych sil. Na ryc. 6 przedstawiono model slupa M3+5 z silami dzialaj^cymi w I wariancie obci^zenia. Strzalki przedstawiaj^ce sily parcia wiatru na przewody uwzgl?dniaj^ rowniez sily naci^gu przewodow wynikaj^ce z zalamania linii, gdyz wypadkowa naci^gow pokrywa si? z osi^ x - dwusieczn^ k^ta zalomu linii.
W przypadku slupow przelotowych pomiary wyka-zaly, ze zastosowano k^towniki o grubszych sciankach niz wymiary podane w dokumentacji technicznej tych konstrukcji. W zwi^zku z tym w stanie obecnym, tj. po 20-letniej eksploatacji, w slupie P+5 nie stwierdzono pr?-tow nadmiernie wyt?zonych, zas w slupie PL+10 tylko jeden pr?t (nr 696) nie spelnia wymogow bezpieczenstwa. Obliczona wartosc wspolczynnika bezpieczenstwa dla tego pr?ta wynosi 0.92. W przypadku tego slupa pr?t niebezpieczny wyst^pil tylko w II wariancie obci^zenia, tj. podczas oddzialywania szadzi. W konstrukcji slupa M3+10 w stanie obecnym zidentyfikowano osiem pr?tow niebezpiecznych w I wariancie obci^zenia i dwa pr?ty w III wariancie. Otrzymane wartosci wspolczynnikow bezpieczenstwa Nb podano w tabeli 9.
Ryc. 6. Sily dzialaj^ce na slup odporowo-narozny M3+10
w I wariancie obci^zenia Fig. 6. Forces applied to M3+10 supporting corner pylon in the first load variation Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
Tabela 9. Zestawienie pr^tow niebezpiecznych (stan aktualny) Table 9. Collection of hazardous rod elements (current state)
Slup/Pylon: PL+10
Wariant obc./Load variation II
Nr pr^ta/Rod element No. 696
Nb 0,92
Slup/Pylon: M3+10
Wariant obc./Load variation I
Nr pr^ta/Rod element No. 3 4 35 36 97 98 117 118
N 0,81 0,81 0,81 0,81 0,85 0,85 0,85 0,85
Wariant obc./Load variation III
Nr pr^ta/Rod element No. 7 40
N 0,95 0,96
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Wartosc wspolczynnika bezpieczenstwa mniejsza niz jeden oznacza, ze pr^t jest zagrozony zniszczeniem i powi-nien zostac wymieniony na mocniejszy lub odpowiednio wzmocniony, np. przez dodanie pr^ta blizniaczego.
Wyniki analizy konstrukcji nosnych s^ generowane przez program autorski zarowno w formie wartosci liczbo-wych, jak i w formie rysunkow scian/poprzecznikow slupa z pr^tami niebezpiecznymi oznaczonymi odpowiednim kolorem [23] (ryc. 7).
Ryc. 7. Usytuowanie pr^tow niebezpiecznych w slupach: po 20 latach eksploatacji - kolor czerwony, prognoza po 40 latach
eksploatacji - kolor czerwony i niebieski; a) P+5, b) PL+10, c) M3+10 Fig. 7. Location of hazardous pylon rod elements; after 20 years of use - red, forecast after 40 years of use - red and blue;
a) - P +5, b) - PL+10, c) - M3+10 Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
3.8. Prognoza trwalosci linii energetycznej
Korzystaj^c ze wzoru (1), przy warunkach granicznych (por. tabela 6):
R 20 = 367 ± 38 MPa, R0 = 410 ± 20 MPa,
obliczono wartosc wspolczynnika a = -0,13. W tej sytuacji rownanie przedstawiaj^ce zmiany granicy plastycznosci w czasie eksploatacji RT obiektu przyjmuje postac:
RT=
R0 g
, (2) g +0.1 З-Г
Wykres przedstawiaj^cy zmiany analizowanej cechy dla elementu konstrukcyjnego o grubosci scianki g = 5 mm z granicami dwusigmowego przedzialu ufnosci Neumana przedstawiono na ryc. 8.
450
re CL
Q; 4oo
w w
Ш
W
0)
£ о
о с
N
О >
w re
350
300
re о
Ё re
О
250
200
* Re+2a /......
R e -2a ^ ............
Wartosc gr Limit value aniczna / Reg = 295 (MF •a)
10
20
30
40
Czas eksploatacji/Exploitation time x (lata/year)
Ryc. 8. Zmiana granicy plastycznosci materialu slupa w czasie eksploatacji Fig. 8. Yield strength variation of the pylon material during use Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Po uwzgl^dnieniu prognozowanego zuzycia korozyj-nego pr^tow analizowanych kratownic, ktore wyst^pi po kolejnych 20 latach eksploatacji linii, tj. po 40 latach od jej budowy, na podstawie obliczen stwierdzono, ze w kon-strukcjach wyst^pi^ pr^ty nie spelmaj^ce warunku bezpieczenstwa wytrzymalosciowego. Ich numery i wartosci wspolczynnikow bezpieczenstwa zebrano w tabeli 10, zas ich usytuowanie w konstrukcjach przedstawiono na ryc.
7. W celu zapewnienia bezpiecznej pracy slupow na okres kolejnych 20 lat nalezy wzmocnic lub wymienic na moc-niejsze wszystkie pr^ty zaznaczone na wspomnianej rycinie kolorem czerwonym i niebieskim. Po stosownej modyfikacji analizowanych konstrukcji nalezaloby wykonac obliczenia sprawdzaj^ce, zeby upewnic si§, czy wszystkie pr^ty spel-niaje warunki bezpieczenstwa.
Tabela 10. Zestawienie pr?tow niespelniaj^cych warunku bezpieczenstwa (prognoza na 20 lat) Table 10. Collection of rod elements, which fail safety requirements (forecast for 20 years)
Slup/Pylon: P+5
Wariant obc./Load variation II
Nr pr^ta/Rod element No. 300 299 303 305 291 293 294 296 360 361 363 364
N 0,90 0,91 0,91 0,91 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98
Slup/Pylon: PL+10
Wariant obc./Load variation II
Nr pr^ta/Rod element No. 696
Nb 0,76
D01:10.12845/bitp.38.2.2015.2
Slup/Pylon: M3+10
Wariant obc./Load variation I
Nr pr^ta/Rod element No. 3 4 35 36 97 98 117 118 169 170 189 190
Nb 0,63 0,63 0,63 0,63 0,65 0,65 0,65 0,65 0,79 0,79 0,80 0,80
Nr pr^ta/Rod element No. 151 152 163 164
Nb 0,92 0,92 0,92 0,97
Wariant obc./Load variation III IV
Nr pr^ta/Rod element No. 7 40 176 196 103 123 176 196
N 0,76 0,77 0,92 0,93 0,94 0,94 0,96 0,97
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Ze wzgl^du na bezpieczenstwo linii elektroenergetycz-nej norma [24] narzuca ograniczenia na maksymalne wy-chylenia punktow szczytowych slupow. W zwi^zku z tym obliczono maksymalne wartosci przemieszczen szczytowych w^zlow konstrukcji kratownicowych, uwzgl^dniaj^c oslabienie przekrojow poprzecznych pr^tow kratownicy korozji po 40-letniej eksploatacji. Odnosz^c te wartosci do wartosci dopuszczalnych wyspecyfikowanych w nor-mie, otrzymano nast^puj^ce wartosci wspolczynnikow dla analizowanych slupow: P+5 - 0.32, PL+10 - 0.53, M3+10 - 0.33. Najwi^ksz^ wartosc otrzymano dla slupa odmiany lesnej, jednak jest ona daleka od wartosci granicznej rownej jednosci. Warunki sztywnosci konstrukcji b^d^ spelnione z duzym zapasem.
4. Podsumowanie
Zaproponowana metodologia oceny bezpieczen-stwa pracy konstrukcji wsporczych linii elektroenerge-tycznych ma dwa etapy: badan materialowych i analizy wytrzymalosci.
Przyj^ta metoda badan materialowych elementow eksploatowanych slupow linii elektroenergetycznych umozliwia weryfikaj jakosci zastosowanych materia-low i zgodnosci wymiarow ksztaltownikow z projektem, jak rowniez okreslenie gl^bokosci wzerow korozyjnych, co jest niezb^dne do okreslenia stopnia oslabienia przekrojow poprzecznych pr^tow kratownic. Alternatyw^ dla badan metalograficznych i wytrzymalosciowych moze byc wy-korzystanie metod NDT do oceny ubytkow korozyjnych i wlasciwosci mechanicznych elementow konstrukcyjnych slupow.
Autorski program komputerowy dedykowany do analizy wytrzymalosciowej slupow kratownicowych umozliwia
Literatura
[1] Gluszko M., Zagadnienia ochrony antykorozyjnej konstrukcji stalowych oraz urzqdzen elektroenergetycznych eksploatowanych w warunkach atmosferycznych, Instytut Elektrotechniki, Warszawa 2008.
[2] Ziolko J., Wlodarczyk W., Mendera Z., Wlodarczyk S., Stalowe konstrukcje specjalne, ARKADY, Warszawa 1995.
sprawne obliczenia przy roznych wariantach obci^zen wymaganych przez przepisy normowe. Ocena bezpieczen-stwa wytrzymalosciowego konstrukcji po pewnym czasie eksploatacji polega na uwzglçdnieniu w obliczeniach oslabienia zuzyciem korozyjnym przekrojow poprzecznych prçtow kratownic. Program automatycznie generuje siatki prçtow scian slupow i poprzecznikow, na ktorych prçty niebezpieczne s^ oznaczane odpowiednim kolorem, co umozliwia ich latw^ lokalizaj
Na podstawie prognozy postçpow korozji mozliwa jest identyfikacja prçtow niebezpiecznych po dowolnym czasie eksploatacji konstrukcji.
Wskazanie prçtow niebezpiecznych umozliwia sluz-bom technicznym odpowiedzialnym za eksploatacji linii ich wzmocnienie lub wymianç na mocniejsze tak, aby nie dopuszczac do sytuacji niebezpiecznych zwi^zanych z postçpami korozji.
Badania diagnostyczne i obliczenia slupow linii ener-getycznych budowanych w poprzednim wieku powinny byc przeprowadzane rowniez ze wzglçdu na zdarzaj^ce siç przypadki stosowania zamiennikow, tj. prçtow o prze-krojach odbiegaj^cych nieco od wymagan projektowych lub materialow o nizszej odpornosci korozyjnej. W owych czasach takie postçpowanie wynikalo na ogol z chwilo-wych brakow materialowych z rownoczesnym d^zeniem do zachowania planowanego terminu realizacji inwestycji. Okresowej ocenie zywotnosci powinny byc poddawane zwlaszcza slupy odporowo-narozne, bowiem ich awarie na ogol skutkuj^ zniszczeniem calych sekcji linii.
Nalezy podkreslic, ze otrzymane wyniki w znacznym stopniu zalez^ od warunkow srodowiskowych, w ktorych usytuowane byly slupy, i nie mog^ byc uogolniane na konstrukcje pracuj^ce w innych warunkach.
[3] PN-83/H-84017: Stal konstrukcyjna trudno-rdzewiejqca - niskow§glowa z niewielkim dodatkiem Cr i Cu. Spawalna.
[4] Leygraf C., Graedel T., Atmospheric Corrosion, Electrochemical Society Series, J. Wiley & Sons, New York 2000.
[5] PN-EN ISO 12944-2:2000 Klasyfikacja atmosferycznych srodowisk korozyjnych dla klimatu umiarkowanego.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
D0I:10.12845/bitp.38.2.2015.2
[6] Morcillo M., Chico B., Díaz I., Cano H., de la Fuente D., Atmospheric corrosion data of weathering steels. A review, "Corrosion Science" Vol. 77, 2013, pp. 6-24.
[7] Schreir L.L., Korozja. Poradnik, Metalurgija, Moskwa 1981.
[8] Wielgosz A., Badania zmian zachodzqcych w eksploato-wanych stalach, XII Konfer. Metaloznawcza Katowice--Kozubnik, 1987, 267.
[9] PN-78/M-04610: Korozja metali. Metody oceny badan korozyjnych.
[10] PN-84/H-04308: Pobieranie próbek do badan wlasnosci mechanicznych.
[11] PN-80/H-04310: Próba statyczna rozciqgania metali.
[12] PN-EN ISO 6507-1: Metale. Pomiar twardosci sposobem Vickersa. Cz. 1. Metoda badan.
[13] Pelc J., A strategy for automatic elimination of mechanical instability in structural analysis of spatial truss tower model, "Technical Sciences" Issue 15(2), 2012, pp. 319-330.
[14] Rusinski E., Czmochowski J., Smolnicki T., Zaawansowana metoda elementów skonczonych w konstrukcjach nosnych, Oficyna Wydawnicza PWr, Wroclaw 2000.
[15] PN-80/B-03200: Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie.
[16] Larrabee C.P., Corrosion Handbook, ed. by. Uhlig, Willey and Sons, New York 1948, 124.
[17] Uhlig H.H., Korozja i jej zapobieganie, WNT, Warszawa 1976, 172.
[18] Simillion H. , Dolgikh O., Terryn H., Deconinck J., Atmospheric corrosion: A review focussed on modeling. "Corrosion Reviews", Vol. 32 Issue 3-4, 2014, pp. 73-100.
[19] PN-69/H-93401: Stal walcowana - Kqtowniki rownora-mienne.
[20] Chorafas D.N., Statistical Processes and Reliability Engineering, D. Van Nostrand Comp. Inc., 1976.
[21] Kubac R., Pilarczyk S., Pronobis A., Tablice stali zwyklej jakosci, Sl^sk, Katowice 1981.
[22] PN-82/M-82054.03: Wlasnosci mechaniczne srub i wkrçtôw.
[23] Pelc J., Komputerowe wspomaganie analizy wytrzymalos-ciowej kratownicowych slupow linii elektroenergetycznych, „Przegl^d Mechaniczny", Vol. 71 Issue 4, 2012, pp. 30-34.
[24] PN-84/B-03205: Elektroenergetyczne linie napowietrz-ne. Stalowe konstrukcje wsporcze. Obliczenia statyczne i projektowanie.
* * *
dr inz. Krzysztof Dutka - absolwent Wydzialu Metalurgicznego Politechniki Czçstochowskiej. Od 197б r. jest pracowni-kiem naukowo-dydaktycznym Wydzialu Nauk Technicznych Uniwersytetu Warminsko-Mazurskiego w Olsztynie, obec-nie na stanowisku asystenta. Zajmuje siç tematyk^ dotycz^c^ inzynierii materialowej, ze szczególnym uwzglçdnieniem procesów degradacji materialów konstrukcyjnych.
dr hab. inz. Józef Pelc - absolwent Wydzialu Inzynierii L^dowej Politechniki Warszawskiej. Od 1982 r. jest pracownikiem naukowo-dydaktycznym Wydzialu Nauk Technicznych Uniwersytetu Warminsko-Mazurskiego w Olsztynie, obecnie na stanowisku profesora nadzwyczajnego. Zajmuje siç zagadnieniami wytrzymalosci konstrukcji inzynierskich i metodami komputerowymi mechaniki cial odksztalcalnych, w szczególnosci analizy bezpieczenstwa wytrzymalosciowego wielkich konstrukcji kratownicowych.
