Metoda oceny bezpieczeństwa i prognozy żywotności kratownicowych konstrukcji wsporczych linii elektroenergetycznej

• Autorzy: Dutka K. , Pelc J.

Identyfikatory

DOI

10.12845/bitp.38.2.2015.2

Warianty tytułu

EN

Safety Evaluation Method and Lifespan Prediction for Overhead Power Line Truss Pylons

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Cel: Opracowanie metody oceny aktualnego bezpieczeństwa eksploatowanych przez kilkadziesiąt lat kratownicowych słupów linii elektroenergetycznych i szacowanie dalszego czasokresu bezpiecznej pracy tych konstrukcji. Metoda: Analizowano stopień korozyjnego zużycia elementów konstrukcyjnych słupów na podstawie próbek pobranych do badań laboratoryjnych z prętów wytypowanych konstrukcji. Metodą trawienia usuwano produkty korozji i wyznaczano rzeczywiste wymiary przekrojów prętów. Wykonano badania metalograficzne, składu chemicznego i wytrzymałościowe materiału próbek. Badaniom metalograficznym i ocenie wytrzymałości poddano także materiał śrub. Słupy z prętami osłabionymi korozją poddano analizie wytrzymałościowej za pomocą specjalistycznego, autorskiego programu komputerowego bazującego na metodzie elementów skończonych. We wszystkich normowo wymaganych wariantach obciążeń analizowano warunki nośności prętów słupów poddanych działaniu obciążeń własnych, wiatru, szadzi i naciągu przewodów (w przypadku słupów odporowych). Wyniki: Wżery korozyjne na powierzchniach półek kątowników słupów sięgają na głębokość średnio 0,29 mm. Nie stwierdzono procesów korozyjnych wewnątrz lub na granicach ziaren stali. Analiza składu chemicznego wskazuje, że jako materiał konstrukcyjny słupów zastosowano stal spawalną o podwyższonej odporności korozyjnej i podwyższonej wytrzymałości w gatunku 10H. Badania wytrzymałościowe wykazały, że materiał spełnia wymagania określone dla stali 10H. Badania śrub nie wykazały obecności wad wewnętrznych typu mikropęknięcie lub korozji wewnętrznej, a ich klasa wytrzymałości jest w zakresie 5.6–5.8. W niektórych wariantach obciążeń pręty osłabione korozją nie spełniają warunków bezpieczeństwa wytrzymałościowego. Wynik prognozy wskazuje na możliwość bezpiecznej pracy słupów w okresie kolejnych 20 lat pod warunkiem wzmocnienia nielicznych prętów zidentyfikowanych jako niebezpieczne. Wnioski: Przedstawiona metoda określania korozyjnego zużycia elementów słupów i analizy wytrzymałościowej osłabionych konstrukcji za pomocą specjalistycznego programu autorskiego umożliwia ocenę bezpieczeństwa wytrzymałościowego eksploatowanych linii elektroenergetycznych. Możliwe jest również prognozowanie dalszego czasu bezpiecznej pracy konstrukcji wsporczych. Okresowej ocenie żywotności powinny być poddawane zwłaszcza słupy odporowo-narożne, bowiem ich awarie na ogół skutkują zniszczeniem całej sekcji linii.

EN

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. 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.

Słowa kluczowe

PL

bezpieczeństwo wytrzymałościowe; linia elektroenergetyczna; słup; korozja; żywotność; metoda elementów skończonych

EN

durability; power line; pylon; corrosion; lifespan; finite element method

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2015
• Tom: Nr 2
• Strony: 29--43
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Dutka K.

• Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

autor

Pelc J.

• Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

Bibliografia

• [1] Głuszko M., Zagadnienia ochrony antykorozyjnej konstrukcji stalowych oraz urządzeń elektroenergetycznych eksploatowanych w warunkach atmosferycznych, Instytut Elektrotechniki, Warszawa 2008.
• [2] Ziółko J., Włodarczyk W., Mendera Z., Włodarczyk S., Stalowe konstrukcje specjalne, ARKADY, Warszawa 1995.
• [3] PN-83/H-84017: Stal konstrukcyjna trudno-rdzewiejąca – niskowęglowa 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 środowisk korozyjnych dla klimatu umiarkowanego.
• [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 zachodzących w eksploatowanych stalach, XII Konfer. Metaloznawcza Katowice–Kozubnik, 1987, 267.
• [9] PN-78/M-04610: Korozja metali. Metody oceny badań korozyjnych.
• [10] PN-84/H-04308: Pobieranie próbek do badań własności mechanicznych.
• [11] PN-80/H-04310: Próba statyczna rozciągania metali.
• [12] PN-EN ISO 6507-1: Metale. Pomiar twardości sposobem Vickersa. Cz. 1. Metoda badań.
• [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] Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T., Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 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 – Kątowniki równoramienne.
• [20] Chorafas D.N., Statistical Processes and Reliability Engineering, D. Van Nostrand Comp. Inc., 1976.
• [21] Kubac R., Pilarczyk S., Pronobis A., Tablice stali zwykłej jakości, Śląsk, Katowice 1981.
• [22] PN-82/M-82054.03: Własności mechaniczne śrub i wkrętów.
• [23] Pelc J., Komputerowe wspomaganie analizy wytrzymałościowej kratownicowych słupów linii elektroenergetycznych, „Przegląd Mechaniczny”, Vol. 71 Issue 4, 2012, pp. 30–34.
• [24] PN-84/B-03205: Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Stalowe konstrukcje wsporcze. Obliczenia statyczne i projektowanie.