Деревянные опоры в зоне внимания

Как показывает мировой опыт, деревянные опоры, пропитанные водорастворимыми антисептиками, практически идеальны для использования в распределительных сетях, в отличие от железобетонных, отечественный опыт применения которых выявил серьезные недостатки — большой вес, наличие токов утечки, плохую работу на изгиб, боязнь ударных нагрузок и др.

В результате анализа зарубежного и отечественного опыта применения различных типов опор специалистами ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «Холдинг МРСК» были приняты решения о предпочтительном использовании  деревянных пропитанных опор в распределительных сетях напряжением 0,4—10 кВ. Этот факт нашел отражение и в официальных документах, определяющих техническую политику.

Однако установка этих опор на сетевых объектах идет довольно медленно, чему есть несколько причин. Это и отрицательный опыт применения деревянных опор, изготовленных на старых советских производствах с отклонениями от требований технологии, и абсолютно разное качество деталей опор, производимых на разных заводах, и отсутствие в сетевых предприятиях специалистов, способных определить качество поступаемых деревянных опор.

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

Для изготовления деревянных пропитанных деталей опор (стоек, подкосов, ригелей, анкеров, траверс) подходит только сосна первого или второго сорта по ГОСТ 9463-80 «Лесоматериалы круглые», заготовленная севернее 55-й параллели. Сосна имеет уникальное строение древесины, позволяющее производить из нее детали опор хорошего качества. Ствол сосны состоит из сердцевины более темной по цвету и окружающего ее слоя заболони более светлого цвета. Сердцевина — это мертвая древесина, капилляры которой заполнены смолой, и поэтому она практически не пропитывается. Заболонь же пропитывается прекрасно, если высушена до влажности не более 25%. Поэтому после пропитки сосновая деревянная опора снаружи имеет защитный слой пропитанной антисептиком заболони толщиной обычно 2—4 см, а внутри она пропитана естественным консервантом — смолой. В соответствии с ГОСТ 9463-80 изготавливать стойки опор можно также из лиственницы, ели и пихты. Однако ель и пихта пропитываются плохо, поэтому стойки, изготовленные из них, имеют меньший срок службы. Сибирская лиственница также практически не пропитывается, однако этого и не требуется. Изготовленные из нее стойки служат около сорока лет без какой-либо пропитки.

Так как качество древесного сырья является важным фактором при производстве деталей опор, на пропиточном  заводе должна производиться индивидуальная приемка сырья на соответствие требованиям ГОСТ 9463-80.

Стволы, прошедшие входной контроль,  подвергаются механической обработке — с них удаляется кора и снимается тонкий слой древесины, который должен быть как можно меньше, так как желательно максимально сохранить заболонь. Именно толщина слоя заболони будет определять глубину пропитки и, следовательно, срок службы опоры. После механической обработки производится контроль на наличие дефектов, измеряются длины и диаметры получившихся заготовок.

Стволы, прошедшие механическую  обработку и скомпонованные по типоразмерам, должны быть высушены до 25% влажности, чтобы пропитка была качественной. Сушка древесины происходит на складе естественной сушки и/или в сушильных камерах. Высушить круглое бревно в сушильной камере до влажности 25% без образования существенных трещин — задача достаточно сложная и посильна только автоматике. На ООО «Первый деревопропиточный завод» (ООО «ПДЗ») используются автоматические сушильные камеры. Микропроцессоры управляют режимами  сушки с помощью датчиков влажности, установленных непосредственно в древесину.

Высушенные до требуемой влажности заготовки поступают на участок окончательной обработки и пропитки. Здесь они еще раз проходят контроль на соответствие техническим требованиям  по геометрическим размерам, порокам, кривизне. После этого заготовки маркируют, торцуют и сверлят в них необходимые отверстия.

Пропитка заготовок происходит в автоклаве под давлением 12 атм способом «вакуум — давление — вакуум»  по ГОСТ 20022.6-05. Процесс пропитки на современных производствах  полностью автоматизирован,  что гарантирует безусловное выполнение технологии пропитки и требований по качеству. Для пропитки используются различные составы. Наиболее эффективными считаются хромо-медно-мышьяковые ССА (Сr, Cu, As) антисептики. На некоторых российских предприятиях традиционно  применяют хромо-медные СС (ХМ-антисептики). Они дают меньшую степень защиты, поэтому требуется увеличивать количество антисептика, содержащегося после пропитки в 1 м³ древесины. Это нежелательно, так как приводит к ухудшению механических характеристик древесины.

Шестивалентный хром и мышьяк в составе ССА и СС антисептиков, относятся к веществам первого класса опасности, поэтому свежепропитанная древесина ядовита до тех пор, пока не завершится химическая реакция антисептика с лигнином древесины, называемая фиксацией антисептика. В процессе фиксации компоненты антисептика встраиваются в структуру древесины и переходят в нерастворимые или труднорастворимые формы. Этим обеспечивается долговременная защита древесины и отсутствие вредного влияния пропитанной древесины на окружающую среду и людей. Скорость фиксации сильно зависит от температуры: при отрицательной температуре реакция фиксации не происходит, при +5°С для фиксации потребуется несколько недель, при +20°С время фиксации составляет двое-трое суток, а при +50°С — всего 2 часа. Визуально незафиксированная древесина имеет желтовато-оранжевый или коричнево-бурый цвет, а зафиксированная — от зеленого до зеленовато-серого.

Незафиксированная древесина ядовита, и человек, контактирующий с ней без специальных средств защиты, может получить отравление. На современных производствах непосредственно после пропитки детали опор подвергают ускоренной фиксации, которая производится обычно в том же самом автоклаве, что и пропитка. Это позволяет исключить попадание в окружающую среду антисептика, стекающего со свежепропитанных опор. При ускоренной фиксации в автоклав подается пар, который нагревает пропитанную древесину до температуры +50°С. После выдержки в течение двух часов при данной температуре из автоклава  выходит полностью безопасный продукт, готовый для применения. На многих российских заводах оборудования ускоренной фиксации нет, поэтому их продукция, выпускаемая в период отрицательных температур воздуха, является опасной. Использовать  ее можно только после того, как установятся положительные температуры, и в результате завершения реакции фиксации цвет древесины станет зеленым или серо-зеленым.

После пропитки и фиксации в соответствии с ГОСТ 20022.0-03 необходимо контролировать глубину пропитки древесины. Для этого выбирают 10% деталей опор из каждой партии и с помощью полого бура делают пробы. Керны, полученные при бурении, позволяют измерить толщину заболони и глубину пропитки. Толщину заболони в каждом керне измеряют линейкой, определяя границу между заболонью и сердцевиной по цвету древесины. Толщину пропитанного слоя определяют также визуально по цвету и измеряют линейкой. В соответствии  с ГОСТ 20022.0-03 должно быть пропитано не менее 85% заболони. Желательно контролировать содержание антисептика в заболони. Однако это сложный анализ, который невозможно выполнить в заводских условиях. ООО «ПДЗ», например, периодически проводит такие анализы  в независимой лаборатории в Англии. С результатами тестов можно  ознакомиться на сайте завода www.pdz.spb.ru. Они показывают, что заболонь пропитана полностью, а содержание антисептика в заболони на 40—60% превышает минимально необходимую концентрацию.

Поставляться деревянные пропитанные стойки должны обязательно в комплекте с крышками для защиты верхнего торца от осадков.

ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ В СЕТЕВЫХ КОМПАНИЯХ

К сожалению, в СССР не был разработан стандарт на деревянные пропитанные опоры. Нет его и в России. Каждый завод производит продукцию по собственным техническим условиям (ТУ), разработанным, как говорится «под себя». Фактически ТУ отражают технический и технологический уровень предприятия. Однако некоторые производители не выполняют даже свои ТУ, поэтому контроль качества деревянных пропитанных стоек покупателям  необходим. При входном контроле проверяется соответствие полученной продукции требованиям ТУ производителя или стандартам заказчика, в зависимости от того, что было указано в договоре поставки.

Контролировать деревянные стойки можно по целому ряду параметров — геометрическим размерам; глубине пропитки; химическому составу антисептика и его количеству в заболони; механической прочности.

Для контроля геометрических размеров  используется лесная вилка (штангенциркуль), которой измеряется диаметр вершины и, может быть, если это есть в ТУ, диаметр в полутора метрах от комля. Измерения округляются  по ГОСТ 2708-75. Кривизна стоек должна быть не более 1%.

Глубина пропитки по ГОСТ 20022.0-03 должна составлять не менее 85% заболони. Реальная глубина пропитки определяется путем бурения стойки полым буром. Следует отметить, что знание глубины пропитки недостаточно, чтобы сделать вывод о ее качестве. Для этого необходима информация о составе антисептика и его количестве в заболонной части древесины.

Контролировать состав и количество антисептика возможно только в специальной лаборатории. Такие тесты позволяют сделать квалифицированное заключение о соответствии продукции требованиям, указанным в договоре поставки.

Механическую прочность стоек можно проверить методом разрушающего контроля, сломав одну или несколько стоек. Однако подобный контроль — вещь довольно затратная.

КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОПОРЫ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Задача контроля состояния опор в процессе эксплуатации заключается в проверке справедливости неравенства:

Мрт > Mp (1) ,

где: Мрт — момент силы, которую необходимо приложить к опоре для ее разрушения в данный момент времени;
Мр — расчетный момент, указанный в проекте данной линии. Выполнение неравенства (1) означает, что опора выдержит расчетную нагрузку.

В процессе эксплуатации прочность опоры и ее способность противостоять изгибающим нагрузкам снижаются.  Основной причиной ухудшения механических характеристик опоры является загнивание древесины. При этом место наиболее интенсивного загнивания опор, пропитанных водорастворимым антисептиком, находится  на переходе почва — атмосфера. Почвенная влага обеспечивает постоянную увлажненность древесины, а в воздухе содержится кислород. Совокупность  этих двух факторов формирует  идеальные условия для деятельности дереворазрушающих грибов.

Самый простой и точный способ контроля состояния опоры — откопать опору на глубину 30—35 см, удалить слой сгнившей древесины и измерить  диаметр здоровой древесины в данном сечении d. Затем, зная диаметр здоровой древесины d и геометрические размеры опоры, можно по известным формулам рассчитать Мрт и проверить справедливость неравенства (1). Если оно выполняется,  опора признается годной либо подлежит замене или усилению. На практике, конечно, никто не рассчитывает Мрт. Диаметр d в приземном слое и величина момента до разрушения  опоры связаны известным образом. Поэтому вместо проверки неравенства (1) проверяют справедливость неравенства (2):

d > D (2) ,

где: D — заранее рассчитанное пороговое значение диаметра, вычисляемое по известному значению Мр.

Известны также приборы, которые определяют загнивание опоры путем измерения глубины проникновения щупа в древесину под действием тарированной силы — АКОД и ПОЗД.

Однако эти методы контроля неудобны, так как опору надо откапывать на глубину до 40 см.

За рубежом имеются приборы, определяющие состояние установленной  опоры по ее отклонению от оси под воздействием известной силы. Откапывать опору для тестирования не требуется.

В последнее время делаются попытки контролировать состояние опор акустическим методом. В ООО «ЭТС» разработан прибор ЛИС-У, который  предназначен для определения загнивания опоры путем анализа отклика опоры на удар молотка.

Идея акустического контроля, реализованная  в этом приборе, состоит в определении процента отклонения некой «характерной» частоты, отклика опоры на удар молотком от «эталонной»  частоты, соответствующей некоторой «эталонной» опоре. Если отклонение велико — опора подлежит замене. Данный алгоритм является полностью эвристическим. На основании каких соображений выбирается «эталонная» частота и насколько велико должно быть отклонение от нее для признания опоры негодной, создатели прибора пояснить не могут. Это и понятно, так как сам метод, используемый в данном приборе, по-видимому, выбран неправильно. Акустический метод контроля хорошо работает при определении дефектов в изотропных материалах, например в металлах. Там раковина или трещина заметно изменяет частотную характеристику  отклика, что обеспечивает обнаружение дефектов с очень высокой вероятностью. Древесина — материал анизотропный. На отклик влияют сучки, трещины от усушки, влажность древесины, температура окружающей среды, а также глубина установки опоры в грунт, плотность и влажность грунта и т.д. Вычленить из этого ансамбля вклад, который дает загнившая древесина, невозможно. Мало того, влияние многих перечисленных  факторов на «характерную» частоту гораздо сильнее влияния загнивания. При отрицательных температурах воздуха прибор ЛИСУ показывает, что контролируемая опора на 20—30% «лучше» эталонной и никакого загнивания в помине нет! Использование такого прибора на практике принесет серьезные материальные потери. Очевидно, что многие сгнившие опоры будут признаваться годными и, наоборот, многие годные опоры будут признаваться гнилыми и заменяться.  Оставленные гнилые опоры будут приводить к авариям и снижать прибыль сетевых предприятий, а замена годных опор приведет к материальным  потерям, связанным с неоправданным ремонтом.

По-видимому, разработчики  данного прибора хорошо понимают, с какой «точностью» он работает, и поэтому прибор ЛИСУ метрологической аттестации не подвергался.

Я считаю, что приборы АКОД и ПОЗД, позволяющие более или менее точно определить загнивание опор и их пригодность для дальнейшего применения, неудобны в использовании. ЛИСУ более удобен, однако, как его показания связаны с контролируемым  параметром Мрт, неизвестно. Поэтому применять его просто недопустимо.

Сегодня в электросетевом комплексе существует конкретная техническая задача создания прибора, контролирующего состояние деревянных опор. Прибор должен быть удобным в применении и обладать приемлемыми метрологическими характеристиками.

По-видимому, в интересах ОАО «Холдинг МРСК» финансировать разработку  такого прибора с привлечением специалистов различного профиля, которые смогут грамотно и в обозримые  сроки решить эту важную для отрасли задачу.