[05-2018] Некоторые особенности защиты опор контактной сети

[бабулер25]

Некоторые особенности защиты опор контактной сети

Д-р техн, наук в.и. ПОДОЛЬСКИЙ, канд.техн, наук А.А. ЦАРЬКОВ, АО«ВНИИЖТ»

Основной парк опор на наших дорогах (около 90 %) составляют железобетонные центрифугированные конструкции. Их стали широко применять с той поры, когда промышленность испытывала дефицит металла (стали), а также из-за недостаточно обоснованного критерия о высокой надежности железобетонных конструкций в любых условиях. Кроме того, приняли во внимание, что исключалась окраска опор, упразднялось их техническое обслуживание.

Железобетонные опоры проектировали как обычные строительные конструкции, используя метод предельных состояний, не учитывая особенностей их работы в зоне движения поездов. Впоследствии на участках постоянного тока выявили высокую уязвимость конструкций оттоков утечки, приводящих к интенсивной электрокоррозии арматуры в подземной части опор, а также низкую сопротивляемость центрифугированных опор образованию продольных трещин и малую морозостойкость.

Чтобы выявить причины недостаточной надежности используемых опор, были проведены обширные исследования. В результате была установлена безопасная величина электрического сопротивления опор, позволяющая предотвратить электрокоррозию, — 10 кОм. Были изданы «Указания по техническому обслуживанию и ремонту опорных конструкций контактной сети», на дистанциях электроснабжения организовали систематическое обследование опор. На предприятиях-изготовителях железобетонных опор внедрили необходимые мероприятия, повысившие качество опорных конструкций. Проектные организации на основании рекомендаций научных и эксплуатационных организаций внесли коррективы в проекты опор.

В частности, в нижней части вертикальных частей были предусмотрены вентиляционные отверстия, исключающие накопление влаги в полости центрифугированных опор. Кроме того, эти отверстия способствовали исключению продольных трещин всех типов, улучшили сопротивляемость бетона опор при циклах «замораживание-оттаивание».

Дополнительно для предотвращения электрокоррозии и других повреждений опор между крепежными деталями консолей, кронштейнов внедрили в обязательном порядке двойную изоляцию из полимерных деталей. А для исключения изломов опор в надземной части, вызванных снижением прочности бетона, с 1993 г. ввели смешанное армирование. Оно включало в себя рабочую предварительно напряженную арматуру и ненапряженную стержневую арматуру, компенсирующую возможное снижение прочности бетона. Для оценки прочности бетона разработали способ и прибор диагностики УК-1401.

В целом, следует отметить, что современные железобетонные опоры со смешанным армированием (СС, ССА) обладают высокой безотказностью и долговечностью (оценочно — 85 лет). С 1993 г. не наблюдали отказов этих опор (за исключением одного случая повреждения опоры, установленной над катоднозащищенным трубопроводом). Их можно внедрять как в районах с расчетной температурой воздуха выше +40 °C, так и в районах с расчетной температурой воздуха ниже -40 °C. Недостаток, на который указывает ряд специалистов, заключающийся в значительной массе опор, устраняется благодаря применению соответствующей грузоподъемной техники.

Более сложной задачей является утилизация железобетонных опор. В свое время по заданию Главного управления электрификации и электроснабжения бывшего МПС была разработана машина-шредер, перерабатывающая железобетонные конструкции. Однако она не нашла широкого применения вследствие недостатков технологии разрушения — чрезмерного шума и сильного повреждения арматуры.

На наш взгляд, проблему утилизации опор следует решать не на уровне дистанций электроснабжения или даже дирекций инфраструктуры, а на уровне предприятий, выпускающих опоры. Получаемый при этом бетонный щебень может быть использован при изготовлении блоков, а арматура, при ее сохранности от повреждений, — для изготовления стоек опор контактной сети и других изделий, не требующих напряжения арматуры.

Что касается проблемы диагностики состояния арматуры на участках постоянного тока, то для опор, имеющих сопротивление более 10 кОм, она не требуется. В установленные сроки следует проводить только выборочную диагностику этих опор путем откопки и обследования откопанной части прибором УК-1401. В опорах с малым сопротивлением или с током утечки, превышающим 40 мА и относящимся к электрокоррозионноопасным, арматуру должны контролировать путем откопки подземной части на глубину 0,7 — 1 м и ее обследования прибором УК-1401 или любым другим прибором, позволяющим определить состояние арматуры. После проверки подземной части опор железобетонные конструкции защищают искровым промежутком. В дальнейшем обследование сводится к проверке исправности защитного устройства.

Оценить состояние арматуры подземной части опор без откопки в настоящее время не представляется возможным вследствие требования диагностических систем доступа к объекту диагностики. По мере замены низкоомных опор и установки высокоомных конструкций типа СС и ССА острота проблемы диагностики подземной части опор будет снижаться.

И, наконец, о затруднениях с подъемом на опору без приставных лестниц. Подобные ситуации не являются актуальными, так как доступ к узлам крепления контактной сети возможен с поворотных площадок автомотрис, а в отдельных случаях — и с приставной лестницы. С другой стороны, невозможность подъема на опору является защитным фактором, обеспечивающим недоступность контактной сети для посторонних.

Некоторое время тому назад на вновь электрифицируемых участках или при реконструкции контактной сети действующих линий стали устанавливать металлические опоры. Предпосылкой этого стала низкая цена на металл. Однако подобное обновление продлилось непродолжительное время, поскольку стоимость металлических опор начала расти. Сегодня их цена почти в два раза выше аналогичного показателя железобетонных конструкций.

Конструктивно металлические опоры выполняют из двух швеллеров, соединяемых между собой с помощью сварки планками одинаковой ширины. Исходные изделия могут быть горячекатаными или получены методом изгибания листового проката.

Для защиты от атмосферной коррозии преимущественно применяют горячее цинкование. Такое покрытие является достаточно эффективным барьером для коррозии. По данным Российской академии наук, срок службы подобных покрытий в сельской атмосфере составляет около 30 лет. В промышленной и морской атмосфере их эффективность значительно меньше.

Следует отметить, что цинкование горячим способом, наряду с положительным эффектом, имеет и ряд недостатков. Прежде всего, во многих случаях происходит водородное охрупчивание высокопрочных сталей и сварных соединений. Известны многочисленные случаи образования трещин в швах жестких поперечин, требующие дополнительных работ по их устранению. Но наиболее опасным является появление растрескивающей коррозии под воздействием жидкого металла. Трещины возникают в результате увлажнения межзеренных границ, близко к поверхности соприкосновения с вызывающим коррозию жидким металлом, таким как цинк, олово или свинец. Это уменьшает плотность стали и ее сопротивление растрескиванию.

Разветвляющиеся трещины возникают межкристаллитным путем уже в ванне горячего цинкования. Вследствие этого они заполняются расплавленным цинком. Их практически нельзя невооруженным глазом обнаружить на поверхности. Данные трещины располагаются не по существующим неоднородностям сварных швов.

На процесс образования трещин при горячем цинковании существенно влияют химический состав стали, ее прочность, наличие остаточных внутренних напряжений в свариваемых деталях. Отечественный опыт свидетельствует, что при использовании для изготовления опор стали марки ВСтЗ прочностью до 300 МПа и обладающей высокой пластичностью, трещин и растрескивания металла не наблюдается. Не отмечается появление трещин как в швеллерах горячекатаных, так и в гнутых швеллерах. Возникающие в последних внутренние напряжения при гнутье вследствие большой пластичности стали быстро релаксируют и не оказывают влияния на процесс цинкования.

Иная ситуация складывается при изготовлении опор из гнутых швеллеров, выполненных из низколегированной стали 09Г2С. В них вследствие низкой пластичности стали даже при выполнении всех требований к радиусу изгиба возникают значительные внутренние напряжения. После сварки конструкций и их оцинковки в металле швеллеров возникают многочисленные неоднородности и концентраторы напряжений. Наиболее опасные концентраторы напряжений возникают в конце швов и играют роль надрезов.

В результате появляются поперечные трещины в полках швеллеров. При этом трещины вдоль швов не образуются, хотя там также имеются неоднородности. Ремонт опор с отмеченными трещинами нецелесообразен, они подлежат замене и утилизации. В целом, если по температурным условиям требуется применение низколегированной стали, то оправдано использовать горячекатаные или гнутые профили, предварительно прошедшие термообработку для снятия внутренних напряжений.
Кроме рассмотренных проблем при горячем цинковании металлических опор, в проектах конструкций следует предусмотреть переменную ширину планок. Последняя должна составлять 40 — 50% межосевого расстояния швеллеров. Целесообразность такого конструктивного решения убедительно доказывает опыт Забайкальской дирекции Трансэнерго. Здесь в верхней части опор трещины образовывались. Поэтому целесообразно перенести изоляцию опор в верхний пояс, поскольку наличие изоляции между фундаментом и опорой не обеспечивает длительный срок ее эксплуатации и безопасность персонала.

Существует еще один способ защиты опор от коррозии путем применения цинконаполненных композиций. Проведенные сравнительные испытания образцов, оцинкованных горячим способом и покрытых цинконаполненной композицией в камере нейтрального соляного тумана, показали более высокую стойкость отмеченных композиций. Это значит, что ее можно применять в приморских районах, промышленных зонах с гарантированным сроком службы не менее 20 лет.

Как известно, все опоры раздельного типа устанавливают на фундаменты. Для железобетонных конструкций типа СС целесообразно использовать трехлучевые стаканные основания, исключающие накопление воды в них, обеспечивающие вентиляцию опор и получение требуемого сопротивления. Для металлических опор изготавливают трехлучевые фундаменты с установкой в оголовок изолированных термоусадочных трубок анкерных болтов. Однако данная изоляция не обеспечивает требуемого сопротивления между арматурой фундамента и болтами.

В заключение следует отметить, что специалисты АО «ВНИИЖТ» предложили новую технологию образования изоляции на фундаментах — напыление покрытия толщиной 4 мм из полимерного материала. После этого величина сопротивления фундаментов возросла до мегаомов. Считаем, что подобный метод целесообразно внедрить на всех заводах железобетонных конструкций, выпускающих фундаменты. Это приведет к значительному улучшению качества и долговечности опорных конструкций. Дополнительно необходимо изучить ситуацию с надежностью анкеров одноименных опор.