Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Комплексная диагностика при эксплуатации опор контактной сети. Монография
.pdf
Отказы из-за электрической коррозии или старения имеют наибольший вес после повреждений, допущенных в результате схода
подвижного состава. Наименьший вес имеют разрушения опор, вызванные нарушением габарита подвижного состава в результате несогласованной работы смежных подразделений.
Любой отказ опор контактной сети задерживает движение поездов минимум на час, что по комплексной автоматизированной системе анализа и учета надежности технических средств классифицируется как отказ первой категории.
В рассматриваемое время на этих участках проводились работы
групп коррозии по оценке технического состояния указанных повреждений опор. Но примененные подходы [94, 108, 109] к диагностике не позволили предотвратить отказы.
Центрифугированная железобетонная опора контактной сети
сильно подвержена трещинообразованию под воздействием температурных изменений [96]. В таких опорах в утренние часы перепады
температур доходят до 12–14 °С. К полудню перепады температур
сглаживаются, а в вечерние часы температура воздуха внутри опор
оказывается выше температуры наружного воздуха [74]. Так как
прочность бетона зависит от величины, определяющей соотношение сжимающих и растягивающих напряжений, то при неравномерности этих соотношений бетон разрушается [54].
Чем больше перепады температуры окружающей среды, тем
больше возникают растягивающие напряжения. Это снижает трещиностойкость железобетонных опор.
Снижают срок службы опор контактной сети и штормовые порывы ветра. Если нет соответствующих молниеотводов, то не исключаются и прямые попадания грозовых разрядов в опоры, расположенные на открытых насыпях.
Температурные колебания приводят к трещинообразованию бетонного слоя различной степени дефектности. Например, в течение
года нами выявлено 505 дефектных опор.
На начало 2019 г. на всей Свердловской железной дороге в эксплуатации находилось 3536 дефектных опор контактной сети (рис. 1.1).
Статистика за десять лет показывает стабильную динамику снижения количества дефектных опор в хозяйстве электрификации.
Однако проблемы образования дефектов в железобетонных опорах
нельзя решить переводом опор из разряда дефектных и остродефектных на основе ремонта местных повреждений опор, тем более
на дополнительном обследовании.
11
Рис. 1.1. Изменение количества дефектных опор по годам
Наибольшее количество дефектных опор составляют железобетонные типа СКУ (1088 шт.), ЖБК (612 шт.), металлические – опоры типа М (502 шт.).
Для метеоусловий, в которых эксплуатируются опоры контактной сети, нужны решения, компенсирующие температурные колебания в конструктивной части самих железобетонных опор, так
и разработка технических мероприятий, сохраняющие опоры в любую погоду. Различные дополнительные обследования должны полнее диагностировать опоры контактной сети. Появление трещин
в бетонном слое способствует коррозии металла и снижению несущей способности, а разработанные способы лечения лишь снижают
скорость ее протекания. Поэтому опоры, подвергнутые лечению,
сложно считать бездефектными, так как снижается лишь степень
дефектности [63, 100, 101].
Анализ повреждений и классификация отказов показали, что
большинство опор, отказавших из-за электрической коррозии, располагались на межподстанционной зоне. Основная причина здесь –
анодные и катодные зоны (рис. 1.2).
При проходе электроподвижного состава рельс в данной области
получает положительный потенциал. При увеличении количества
электропоездов на межподстанционной зоне увеличивается и область разности потенциалов в грунте, что приводит к появлению токов утечки [78, 79]. Так как бетон не проявляет свойств диэлектрика,
то при разности потенциалов возникают токи утечки, вызывающие
12
электрическую коррозию металлической арматуры в стенках бетона
[47, 49, 50, 65, 68].
Рис. 1.2. Изменение характера распределения потенциала от тяговой
нагрузки
I – тяговый ток электровоза; U1, U2, U3 – соответственно разность потенциалов,
вызванная движением поезда в начале, середине и конце межподстанционной
зоны; UΣ – разность потенциалов, вызванная тем, что в межподстанционной
зоне одновременно находится несколько поездов
Электрическая коррозия проявляется в катодной (вынос металла
происходит в надземной части железобетонной опоры) и анодной
(вынос металла происходит в подземной части на глубине примерно
0,8–1 м от уровня условного обреза фундамента) зонах.
Сильнее всего электрической коррозии подвержены опоры
с сопротивлением менее 1 кОм (низкоомные или электрокоррозионноопасные (ЭКО) опоры). Наличие низкоомных опор
в групповых заземлениях особо опасно из-за коррозии из-за перетекающих токов. Количество ЭКО опор (низкоомных и с током
утечки более 40 мА) на Свердловской железной дороге – 20758 ед.
(рис. 1.3).
Токи утечки, разрушающие металлические части железобетонных опор, возникают на дорогах постоянного тока; здесь нужны
разные способы защиты [42]. На дорогах с переменным током такого явления нет. Проблема обслуживания опорного парка заключается в сложности выявления дефектов опор, находящихся в анодной зоне, потому что необходимо откапывать опоры на глубину до
одного метра и проводить соответствующие замеры [111].
13
Рис. 1.3. Распределение электрокоррозионноопасных опор в границах
дистанций электроснабжения Свердловской железной дороги
При проектировании участков электрификации железных дорог
выполняются расчеты по определению значений максимальных изгибающих нагрузок на опоры контактной сети, возникающих при
эксплуатации контактной сети. Из полученных значений выбираются поддерживающие конструкции и опоры контактной сети [63].
Разнообразие местностей, на которых происходит строительство,
предполагает различные способы установки опор для контактной
сети. Способы установки опор контактной сети предусматривают
их установку в грунт без увеличения нормативных нагрузок [39].
Если действующие правила установки (выправки) опор нарушаются, то в стенках бетона опор возникают дополнительные напряжения, образуются трещины, разрушается фундаментная часть,
снижается их несущая способность (опора может упасть). Если не
соблюдаются требования в организации подготовительных мероприятий по откопке, то происходит излом опоры, который на начальных этапах сложно обнаружить [101].
К проблемам эксплуатации опорного парка можно отнести выполненные с нарушением действующих правил работы по установке или выправке.
Все строительные размеры и габариты устройств контактной
сети привязываются к оси железнодорожного пути [87, 88].
Ежегодное планирование и проведение капитального ремонта пути зачастую не согласовано с дистанциями электроснабжения, в результате чего капитальный ремонт ведут на разных участках. Рассогласованность в переустройстве объектов эксплуатации
14
приводит к нарушению установленных расстояний, требуемых для
обеспечения безопасного движения поездов [101].
При обследовании на соответствие ПТЭ выявляются негабаритные опоры контактной сети и на отремонтированных участках железнодорожного пути, и после проведения работ по его выправке.
Необходимы постоянные мероприятия, устраняющие выявленные
несоответствия ПТЭ. При эксплуатации это очень проблематично,
потому что ежегодный бюджет не предусматривает установку новых
опор контактной сети, перевод на них нагрузку от проводов контактной подвески и демонтаж негабаритных опор. Перераспределение же
трудозатрат по устранению негабаритных опор контактной сети снижает производительность труда на плановых работах
1
. К 2019 г. время резко увеличилось количество опор со сверхнормативным (более
50 лет!) сроком эксплуатации. Но техники или технологии, решающих такую проблему, нет. На полную реконструкцию одного перегона уходит от трех до пяти лет, поэтому в разы увеличивается количество опор со сроком эксплуатации выше нормативного (более 30 лет).
Анализ эксплуатационной надежности опор контактной сети
по Свердловской железной дороге показал, что из 127 тыс. опор
контактной сети, в состав которых входят как металлические, так
и железобетонные, наибольший удельный вес составляют опоры со
сроком эксплуатации более 40 лет (рис. 1.4, 1.5).
Рис. 1.4. Распределение количества железобетонных опор по срокам службы
1
Только за два года после ремонтных путевых работ выявлены 246 негабаритных опор
контактной сети, что повышает ежегодный объем трудозатрат и негативно влияет на
безопасность перевозочного процесса (например, сбитая в горловине станции негабаритная опора, образовавшаяся в результате смены стрелочного перевода) [1–6].
15
Рис. 1.5. Распределение количества металлических опор по срокам
службы
Из рис. 1.4, 1.5 видно, что темп увеличения количества опор со
сверхнормативным сроком эксплуатации заметно превышает ежегодный объем их замены (таблица 1.3).
Таблица 1.3
Распределение парка опор по сроку службы
Железобетонные 114704 20551 12152 34412 24747 16799
% 17,92 10,59 30,00 21,57 14,65
Металлические 14121 5136 20 74 1310 6829
% 36,37 0,14 0,52 9,28 48,36
Всего 128825 25687 12172 34486 26057 23628
На 01.01.2019, % 19,94 9,45 26,77 20,23 18,34
На 01.01.2018, % 27,50 10,70 25,80 20,50 17,30
На 01.07.2017, % 25,10 11,50 28,20 20,40 14,80
На 01.01.2016, % 24,55 12,20 29,81 20,10 13,34
На 01.01.2015, % 24,45 21,59 22,67 18,14 13,19
На 01.01.2014, % 25,21 21,71 23,17 20,79 9,13
На 01.01.2013, % 24 22,20 24,40 20,30 9
Всего, шт. До 20 лет 20–30 лет 31–40 лет 41–50 лет > 50 лет
16
На Свердловской железной дороги находится около 7 тыс. металлических опор (48,4 % от общего парка металлических опор) и 17 тыс.
железобетонных опор (14,7 %), которые эксплуатируются более
50 лет. В 2013 г. количество таких опор составляло 9 % от общего количества, в 2019 г. – уже 18,34 % (рис. 1.6); рост – в 2,3 раза [7].
Рис. 1.6. Доля распределения количества опор от 40 лет до 50 лет
и свыше 50 лет службы, находящихся в эксплуатации
В начале 2019 г. выявлены три остродефектных опоры, а в течение 2018 г. – 34, из них заменено 17 шт.; из разряда остродефектных
после ремонта (лечения) выведено 17 шт.
Своевременная диагностика позволяет повысить безопасность
за счет обновления опорного парка на тех участках, где это необходимо. В настоящее время имеется широкая линейка отечественных и зарубежных приборов для диагностики железобетонных конструкций [80, 81].
Классификация приборов для выполнения диагностики
железобетонных опор контактной сети [32]
Методы диагностики, характеризующиеся различной скоростью
получения информации:
– магнитный (основан на взаимодействии магнитного поля,
создаваемого прибором с металлической арматурой железобетонной конструкции. Позволяет определить толщину защитного слоя
бетона и примерно оценить диаметр арматуры. Скорость получения
информации ограничивается скоростью распространения электромагнитного поля в бетоне);
17
– ультразвуковой (основан на свойстве ультразвуковых волн отражаться от объектов. Применяется для дефектоскопии бетона и измерения прочности. Скорость получения информации определяется скоростью распространения ультразвука в бетоне);
– радиолокация (основана на свойствах отражения радиоволн
в исследуемой среде от находящихся в ней предметов или неоднородной среды, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость. После обработки сигнала полученная информация отображается на дисплее (радарограммы).
Сложность обработки сигналов хоть и несущественно, но снижает
скорость получения информации);
– механический (определение ширины раскрытия трещин
при помощи различных щупов и специальных оптических микроскопов);
– электрохимический (контроль развития электрической коррозии. Измеряют значения потенциалов и значения сопротивлений, контролируя параметры по подготовленной схеме соединения.
Определяемый ток утечки позволяет сделать вывод о скорости протекания электрической коррозии. Этот метод по скорости получения информации один из самых медленных, потому что для каждой контролируемой опоры контактной сети необходимо собирать
электрическую цепь и определять величину тока утечки);
– вибрационный (контроль целостности бетонного слоя и арматуры по скорости затухания колебаний. Достаточно медленный
метод по скорости получения информации за счет выполнения подготовительных мероприятий для проведения испытаний).
Рассмотренные методы условно разделим на несколько групп по
скорости обработки полученной информации:
– моментальные (информация о техническом состоянии железобетонной опоры выводится на дисплей сразу после испытаний);
– справочные (выводы о техническом состоянии железобетонных опор делаются после сравнения опытных данных с соответствующими справочными/табличными и т. д.);
– вычисляемые (методы диагностики, при которых проводят
вычисления для описания технического состояния опор контактной сети).
Приборы диагностики по степени точности подразделяются на
следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; и 4,0.
Класс точности не должен превышать приведенной относительной
погрешности прибора.
18
По характеру проявления:
– систематические (составляющая погрешности измерений,
которая при измерении остается постоянной или закономерно изменяется);
– случайные (составляющая погрешности измерения, которая
изменяется случайным образом. Может быть обнаружена при повторных измерениях одной и той же величины, когда получаются
неодинаковые значения);
– грубая (погрешность результата отдельного измерения, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов
этого ряда. Такой вид погрешности нельзя исключить, но ее влияние на результат измерений может быть учтено методами теории
вероятности и математической статистики).
По условиям применения:
– основная (погрешность средства измерений, применяемого
в нормальных условиях);
– дополнительная (составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности изза отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее
значения или ее выхода за пределы нормальной области значений).
По режиму измерений:
– статическая (погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях);
– динамическая (погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой физической величины).
Классификация диагностики технического состояния железобетонных опор контактной сети по объему выполняемых работ:
– диагностика надземной части опор производится на участках
переменного тока с определением несущей способности;
– диагностика подземной части опор выполняется на дорогах
постоянного тока. Подразумевает собой откопку опор или фундаментов опор, находящихся на глубине до одного метра. Оценивается техническое состояние железобетонных опор от влияния агрессивных веществ, находящихся в грунте, и электрической коррозии
на участках анодных зон;
– контроль сопротивлений опор контактной сети позволяет
определить величину тока утечки, влияющего на протекание электрической коррозии.
Стратегия технического обслуживания подразумевает эксплуатацию объектов железнодорожного транспорта с максимально
19
низкой среднегодовой стоимостью жизненного цикла [20, 42]. Поэтому эксплуатация железобетонных опор контактной сети на протяжении всего жизненного цикла не должна превышать минимально допустимых значений, обеспечивающих продление срока их
эксплуатации. В ином случае требуется организация работ, направленных на установку новых и утилизацию старых опор, эксплуатация которых экономически нецелесообразна.
Затраты, определяющие стоимость жизненного цикла, включают в себя стоимость научно-исследовательских работ, производства
и строительства, эксплуатации и техобслуживания, вывода из эксплуатации системы и утилизации.
Можно выделить некоторые зависимости, которые в той или
иной мере влияют на стоимость жизненного цикла железобетонной
опоры контактной сети.
Затраты, связанные с текущим ремонтом, включают в себя обследование технического состояния. Некачественная работа по выявлению и устранению дефектов может выразиться в виде отказа
(наклона) опоры контактной сети, что, в свою очередь, значительно
увеличивает стоимость жизненного цикла.
Ежегодно планируемые мероприятия, направленные на обследование железобетонных опор, срок эксплуатации которых значительно превышает установленный, выражаются в виде трудозатрат,
определяемых соответствующим увеличением стоимости жизненного цикла. Прогнозирование технического состояния позволит
избежать неоправданных потерь ресурсов на постоянное обследование.
Вероятность возникновения дополнительных затрат можно снизить при неукоснительном соблюдении соответствующих инструкций по установке или выправке опор контактной сети.
На сроки, надежность и безопасность эксплуатации влияют
эксплуатация объекта, внешняя среда, условия применения и эксплуатации, категории отказов [117]. Человеческий фактор отражает
влияние человека на объекты эксплуатации, связанное с качеством
обслуживания (таблица 1.4).
Здесь следует принимать во внимание, каким образом эти факторы влияют (положительно/отрицательно) на производственный
процесс, который отражается на безопасности железнодорожных
перевозок и стоимости жизненного цикла.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]