Воздушные линии

Согласно Технической политике ФСК ЕЭС [1] при проектировании и строительстве ВЛ необходимо применять конструкции, сохраняющие расчетные параметры в течение всего срока службы. Этим же документом определены сроки службы ВЛ: на железобетонных центрифугированных опорах – не менее 50 лет, на стальных решетчатых – не менее 60 лет, на стальных многогранных – не менее 70 лет.
Среди элементов ВЛ, подвергающихся воздействию климатических факторов и переменных механических нагрузок, Александр Георгиевич Тарасов и Юрий Викторович Целебровский выделяют фундаментные конструкции под опоры, испытывающие еще и разрушительное влияние грунтовой среды.

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

ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ
Проблемы жизнестойкости фундаментов опор

На фундаменты опор ВЛ одновременно могут воздействовать такие грунтовые факторы, как:

• химическая грунтовая среда, вызывающая коррозию материала фундаментов;
• попеременное замораживание-оттаивание грунта и элементов фундаментов;
• блуждающие постоянные токи, источником которых являются электрифицированные железные дороги и установки электрохимзащиты магистральных трубопроводов;
• длительные переменные токи, обусловленные электромагнитными процессами в самой линии электропередачи.

Только учет при проектировании, строительстве и эксплуатации ВЛ всех этих факторов, наряду с большими знакопеременными механическими нагрузками, испытываемыми фундаментом, позволит обеспечить жизнестойкость фундаментов и ВЛ в целом в течение заданного срока службы.

На жизнестойкость фундаментов в первую очередь влияет материал конструкции. В настоящее время накоплен огромный опыт эксплуатации железобетонных фундаментов и опор. Многие ВЛ в России эксплуатируются уже 50 лет и более, что позволяет обоснованно судить о причинах разрушения фундаментов в процессе эксплуатации.

В последнее время все шире начинают применяться металлические фундаменты с основными элементами в виде трубчатых винтовых свай [2, 3] или свай-оболочек [4]. Опыта длительной эксплуатации фундаментов из металлических труб в грунтовых условиях России нет. Известен лишь опыт эксплуатации стальных анкеров оттяжек опор. Рассмотрим в свете сказанного поочередно аспекты жизнестойкости железобетонных и металлических фундаментов.

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

По отношению к железобетонным конструкциям среди названных выше разрушающих процессов следует выделить:

• коррозию бетона;
• переменное замораживание-оттаивание железобетонной конструкции;
• коррозию арматуры.

Коррозия бетона

Коррозия самого бетона в грунте проходит в основном по трем механизмам [5]:

Коррозия выщелачиванием. Грунт вокруг бетонной конструкции имеет, как правило, уменьшающуюся щелочность от рН=12 у поверхности бетона до рН, равного значению этого показателя для рассматриваемого грунта в 0,5–1 м от бетонной конструкции. Если существуют условия перемещения влаги в этом слое, изменяющие рН, то кристаллогидраты цементного камня начинают разлагаться, возмещая убыток ионов ОН^–.

Коррозия с образованием растворимых соединений. Если в грунтовой влаге находятся активные анионы, способные при реакции с Ca(OH)₂ образовывать соединения с растворимостью, значительно большей, чем у гидрата окиси кальция, то процесс выщелачивания бетона существенно ускоряется. Наиболее опасным в этом отношении является ион хлора, при реакции с которым образуется легко растворимый хлорид кальция.

Коррозия с образованием нерастворимых соединений. К разрушению защитного слоя железобетонной конструкции может привести образование в порах бетона соединений, объем которых превосходит объем прореагировавших веществ. Одним из таких соединений является сульфат кальция, образующийся при наличии в грунтовой влаге ионов SO₄^––. Происходит так называемая сульфатная коррозия бетона.

Замораживание-оттаивание

Процессы коррозии бетона усиливаются при параллельном воздействии замораживания-оттаивания. При этом снижается механическая прочность бетона и конструкции в целом. Как будет показано ниже, несоблюдение требований по морозостойкости чаще всего является причиной снижения жизнестойкости железобетонных фундаментов.

Коррозия арматуры

Этот фактор начинает проявляться при разрушении защитного слоя бетона в результате действия первых двух процессов. Под слоем неповрежденного бетона коррозии арматуры не происходит (в отсутствие блуждающих постоянных токов) вследствие высокой щелочности порового раствора бетона и пассивации стальной поверхности.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОБСЛЕДОВАНИЙ

В 2009 году было выполнено инструментальное обследование несущих конструкций опор на шести ВЛ 220 кВ, расположенных на севере Томской области. Указанные ВЛ построены в 1974 году. Их трасса на протяжении более 500 км проходит вдоль реки Обь по лесам Сибирской тайги и Васюганским болотам.

В результате было обследовано более 1500 опор. Каждая опора содержала от двух до четырех железобетонных грибовидных фундаментов, или от 8 до 16 железобетонных свай. Некоторые опоры были выполнены из двух железобетонных центрифугированных стоек. Общее число обследованных несущих железобетонных элементов опор составило 4452 штуки. Основные результаты по состоянию железобетонных конструкций приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты оценки состояния железобетонных конструкций на обследованных ВЛ 220 кВ

Из табл. 1 видно, что около 30% железобетонных конструкций опор находятся в аварийном или предаварийном (неисправном) состоянии. При этом если для грибовидных фундаментов характерно разрушение бетона за счет процессов карбонизации и замораживания-оттаивания (рис. 1), то для свайных фундаментов, наряду с упомянутыми процессами, характерно еще и выщелачивание бетона на границе воздух – грунт или воздух – болотная вода (рис. 2).

Рис. 1. Разрушение грибовидного фундамента	Рис. 2. Разрушение свайного фундамента

У некоторых опор число дефектных конструкций, составляющих железобетонный фундамент, приближается к 100%. То есть уже не только фундамент, а вся опора находится в предаварийном состоянии. Состояние подземных анкерных плит, их петель и U-образных болтов для крепления оттяжек, а также самих металлоконструкций опор в основном исправное.

В общем случае, как показали наши исследования [6], средняя скорость деградации бетона железобетонных конструкций электроустановок в единицах прочности при сжатии лежит в пределах 0,4–0,6 МПа/год. То есть при исходной проектной прочности бетона фундаментов металлических опор в 20–30 МПа срок их службы составит 40–60 лет. На северных территориях России этот срок еще ниже и составляет 20–30 лет. Более того, в ряде регионов Сибири наблюдается механизм физической коррозии бетона, который сокращает срок службы конструкций до 10–12 лет.

НЕОБХОДИМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНА

Для обеспечения долговечности железобетонных фундаментов необходимо с учетом грунтово-климатических факторов изготавливать сваи из бетона с соответствующими характеристиками, определяемыми такими документами как ГОСТ [7] и СНиП [8]. Так, в [7] регламентировано, что в условиях водонасыщения бетонной конструкции, расположенной в сезоннооттаивающем слое грунта, марка бетона по морозостойкости должна быть не ниже F300, а по водонепроницаемости – не ниже W6. При засоленных грунтах эти марки соответственно повышаются до F1000 и W16.

Если требования при изготовлении бетона нарушены, то возможны повреждения железобетонных конструкций. Об этом и говорит опыт эксплуатации железобетонных фундаментов в условиях Западной Сибири.

Блуждающие токи, воздействующие на железобетонные сваи, в общем случае могут быть переменными и постоянными. Эти токи могут оказывать на защитный слой бетона и арматуру тепловое, электрокоррозионное и электроэрозионное воздействия.Тепловое действие тока на бетон связано с ионным характером его электропроводности, значение которой зависит от структуры и влажности бетона [9].

В высоковольтных установках большой мощности, к которым относятся и ВЛ энергосистемы, в процессе длительного протекания тока через бетон (при неотключаемых однофазных замыканиях на землю в сетях 6–35 кВ) последний нагревается, часть влаги испаряется и повышается удельное электрическое сопротивление бетона. При этом стекающий с конструкции ток не уменьшается, а увеличивается напряженность поля в защитном слое бетона. Когда напряженность достигает пробивных значений, в бетоне начинаются искровые и дуговые процессы.

Путь тока через дугу и искру более выгоден, поэтому равномерность протекания тока по сечению бетона нарушается и ток сосредоточивается в нескольких, а чаще всего в одном канале. Это приводит к выделению в малом объеме большого количества энергии, что вызывает оплавление и растрескивание бетона и пережог арматуры.

Железобетонная конструкция может потерять при этом свою несущую способность [10]. ГОСТом [7] плотность переменного тока, стекающего с арматуры, ограничена значением 1 А/м². По нашему мнению [9], в водонасыщенных грунтах ее можно увеличить до 10 А/м² и относить только к половине поверхности арматуры (поверхности, с которой стекает ток во внешнюю среду).

Электрокоррозионное разрушение стальной арматуры железобетонной конструкции происходит по закону Фарадея с электролизом железа и образованием в итоге гидрата окиси железа.

Объем образовавшейся гидроокиси значительно больше объема корродированного металла, что приводит к механическим напряжениям в железобетонной конструкции и растрескиванию защитного слоя бетона. На основе многолетнего опыта электрокоррозионных испытаний ГОСТом [7] определено, что опасной плотностью постоянного тока, стекающего с арматуры в бетон, следует считать плотность, равную 0,06 А/м². Это позволяет оценить опасность электрокоррозии при блуждающих постоянных токах.

Все эти моменты должны учитываться при проектировании железобетонных фундаментов ВЛ, что в итоге позволит обеспечить срок службы конструкций 70 лет и более. Указанные токовые воздействия должны контролироваться и в период эксплуатации ВЛ. В случае превышения предельных значений, вызванного изменившимися условиями, должны применяться меры к снижению воздействующих токов.

В следующем номере журнала авторы рассмотрят опыт эксплуатации в России металлических свайных фундаментов опор.

ЛИТЕРАТУРА

1. Положение о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС». М., 2011. 147 с.
2. Интернет портал инжиниринговой компании ОАО «Энергосетьпроект», http://www.oaoesp.ru/.
3. Сваи стальные винтовые для вечномерзлых грунтов. ТУ 5264-82996320-2009 ООО «Завод винтовых свай». Алапаевск, 2009. 15 с.
4. Патент на полезную модель № RU 52413 U1, приоритет от 24.11.2005. «Трубчатая свая». Авторы: Железков В.Н., Романов П.И., Дунаев Г.Б., Качановская Л.И. Заявитель: ОАО «СевЗапНТЦ».
5. Москвин В.М. Коррозия бетона. М.: Гос. изд-во литературы по строительству, 1952. 344 с.
6. Петров Г.С., Тарасов А.Г. Предельная механическая прочность железобетонных центрифугированных стоек опор «старых» ВЛ 110–220 кВ // Энергетик. 2009. № 5. С. 38–40.
7. ГОСТ 31384-2008. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования. М.: Стандартинформ, 2010. 51 с.
8. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии. М., 1985.
9. Бернацкий А.Ф. и др. Электрические свойства бетона / под ред. Ю.Н. Вершинина М.: Энергия, 1980. 208 с.
10. Каганс М.А. Повреждение железобетона переменным током // Бетон и железобетон. 1967. № 11. С. 31–33.