Milyen anyagok alkalmasak villamosenergia-átviteli tornyokhoz nehéz környezeti feltételek mellett?

Korrózióálló acélötvözetek partvidéki és ipari toronyalkalmazásokhoz

Hogyan gyorsítják fel a sópermet és az SO a toronyromlást

Amikor a tengervízből származó sózott pára leülepszik a partvidékek mentén található fémes felületekre, kémiai reakciót indít el, amely lebontja az acél védőrétegét. A tengeri levegőből származó kloridionok valójában átfúrják ezt az oxidréteget, apró gödröket hozva létre, amelyek idővel gyengítik a szerkezeteket. A helyzet még rosszabbá válik a gyárak közelében, ahol a kéndioxid a csapadékvízzel kénsavat alkot. A NACE International 2023-as, a légköri korrózió elleni védelemről szóló útmutatójában megjelent kutatás szerint ezek a körülmények akár ötször gyorsíthatják a rozsdásodási folyamatokat a normál levegőminőségű területeken tapasztalhatóhoz képest. Ha mindkét tényező együttesen jelen van, akkor komolyan nehéz környezeti feltételekkel állunk szemben a szokásos széntartalmú acél számára. Az ilyen környezetnek kitett szerkezetek évente több mint egy milliméter anyagot is elveszíthetnek, ami azt jelenti, hogy az alkalmas anyagok kiválasztása már nem csupán a tartósságra vonatkozik. A biztonsági aggályok és a karbantartási költségvetések ugyanolyan fontos szempontokká válnak a partvidéki infrastruktúra-projekteken dolgozó mérnökök számára.

Időjárásálló acél (ASTM A588) és forró-merítéses cinkbevonatos acél: patinaképződés, élettartam és karbantartási kompromisszumok

Az ASTM A588 szabvány szerinti időjárásálló acél védő tulajdonságait a réz, nikkel és króm keveréke biztosítja, amely segít egy vastag rozsdaréteg kialakulásában, amely valójában megakadályozza, hogy a rozsdásodás továbbhaladjon az idővel. Olyan területeken, amelyek távol esnek a tengerparttól, és ahol a környezet rendszeresen kiszárad, ez az acél típus több mint ötven évig is kitart alig bármilyen karbantartás nélkül. Azonban a tengerpart közelében, ahol állandóan jelen van a levegőben a só, a helyzet lényegesen megváltozik. A klórid-részecskék zavarják a védőréteg kialakulását, és inkább kellemetlen mélyedéseket okoznak a felületi film alatt. Ezért az acél megbízhatatlan a legtöbb tengerparti építési projekt számára, annak ellenére, hogy egyébként lenyűgöző tartóssági jellemzőkkel rendelkezik.

A forró mártási cinkbevonat készítésének folyamata olyan cinkréteget hoz létre, amely molekuláris szinten kötődik a acélhoz. Ez a réteg egyfajta pajzsként működik: először maga korrózióvá válik, és így védi az alatta lévő acélt a károsodástól. Ezt az anyagot kiváló teljesítmény jellemzi olyan környezetekben, ahol a levegőben sok nedvesség vagy só található, ezért számos tengerparti építmény támaszkodik rá. A legtöbb telepítés 30–50 évig tart, ám általában kb. 25 év után szükség van némi karbantartásra. A pontos időpont attól függ, hogy egy adott helyen mennyire szigorúak a körülmények.

Olyan toronyépítmények esetében, amelyek ipari–partvidéki határvonalakon helyezkednek el – ahol egyidejűleg jelentkezik a változó páratartalom, a sólerakódás és az SO – a legellenállóbb megoldás gyakran hibrid rendszerek alkalmazását jelenti: a fő szerkezeti elemek cinkbevonattal, a másodlagos alkatrészek pedig időjárásálló acélból készülnek, illetve olyan dupla rétegű bevonatok, amelyeket többféle károsító tényezővel szembeni ellenállásra terveztek.

Karbon- vagy üvegszálas erősítésű polimer (FRP) kompozit anyagok magas páratartalmú, vegyi anyagokkal szemben érzékeny és villamosan érzékeny toronytelepítésekhez

UV-, nedvesség- és vegyi anyag-állóság: Miért teljesítenek kiemelkedően az FRP-tornyok a trópusi és ipari övezetekben

A karbon- vagy üvegszálas erősítésű polimer (FRP) kompozit anyagok olyan korrózióálló polimergyantákat (pl. vinilészter, epoxi) és nagy szilárdságú szálakat (üveg- vagy karbonszál) kombinálnak, amelyek természetes módon ellenállnak a trópusi és ipari környezetben uralkodó három fő degradációs mechanizmusnak:

• UV sugárzás : A stabilizált gyanta-mátrixok ellenállnak a fényoxidációs láncfelhasadásnak, így kiküszöbölik a felületi fehéredést és a rétegek leválását, amelyeket a védetlen polimerek az egyenlítői napsütés hatására mutatnak.
• Vizeségszivárgás a vízfelvételi arány 0,2 % alatt tartva az FRP megakadályozza a hidrolitikus degradációt, az elektrolitikus útvonalak kialakulását és a fagy-olvadás okozta repedést – ami különösen fontos a monszunok által érintett vagy tengerparti régiókban.
• Kémiai hatás a nem fémes összetétel teljes ellenállást biztosít a savas (kén-dioxidból származó), lúgos és sós kémiai lerakódásokkal szemben – így elkerülhető a bevonatok vagy gátlószerek alkalmazása.

Összehasonlítva a szokásos szénacél bevonatokkal, ez a anyagkombináció 3–5-ször hosszabb ideig tart azokban a rendkívül nedves környezetekben, ahol a páratartalom egész nap jelen van. Egy másik nagy előny? Az üvegszálas műanyag (FRP) nem vezeti az áramot, így teljesen kizárt az olyan nem kívánt áramátfolyás vagy villámcsapás veszélye, amely a több ezer volttal működő fővezetékek közelében jelentkezhetne. Ez minden szempontból döntő fontosságú az alállomásokhoz vagy nagy feszültségű távvezetéki folyosók mentén elhelyezett infrastrukturális projekteknél. Gondoljunk például a tengervíz sótartalmú levegőjének kitett partvidéki területekre, a korrodáló gázokkal küzdő ipari övezetekre és a napfény állandó hatása alatt álló, napos régiókra. Ezekben a nehéz körülmények között az FRP kiemelkedően ellenálló anyagként mutatkozik meg – gyakorlatilag karbantartásmentes – míg a fémes alkatrészek fokozatosan kopnak és romlanak az idővel.

Alumínium ötvözetek és hibrid toronyszerkezetek sarkvidéki, permafrosztos és extrém hideg éghajlati viszonyokhoz

Hőmérsékleti feszültség, jégterhelés és alapozási instabilitás kezelése hideg éghajlati viszonyok közötti toronyszerkezetek tervezésénél

A hordozóoszlopok súlyos mechanikai és hőmérsékleti igénybevételnek vannak kitéve, amikor extrém hideg területeken – például az északi sarkvidéki tundrán vagy a permafroszt-zónákban – üzemelnek, ahol a hőmérséklet rendszeresen messze a fagypont alá csökken. Az ilyen körülményekhez különösen jól alkalmazhatók az alumínium ötvözetek, például a 6061-T6 és a 7075-T73, mivel számos előnnyel bírnak a hagyományos anyagokkal szemben. Először is az alumínium lényegesen kevesebbet tágul melegítéskor, mint az acél – körülbelül 23,6 mikrométer/méter/fok Celsius, szemben az acél 12 mikrométer/méter/fok Celsius értékével. Emellett természetes ellenállást mutat a tengervíz okozta korróziával szemben, tömege körülbelül 60%-kal kisebb az acélénál, és rugalmas marad akár mínusz 40 fok Celsius alatti hőmérsékleten is. Mindezek a tulajdonságok együttesen segítenek megküzdani a hőmérsékleti fáradás problémájával, csökkenteni a mozgó talajra épített alapozásokra nehezedő terhelést, valamint megakadályozni a hirtelen töréseket, amelyek akkor következhetnek be, ha jég válik le az oszlopokról, illetve földrengések idején.

Az alumínium szilárdság-tömeg aránya lehetővé teszi, hogy akár 50 mm vastag jéglerakódást is elbírjon az oldalakon kiegészítő megerősítés nélkül. Ez segít csökkenteni a szélterhelés okozta problémákat, valamint a szerkezet építéséhez szükséges anyagmennyiséget. Erős szeles területeken az alumínium és összetett anyagok kombinálása ténylegesen javítja a szerkezetek torzulási erőkkel szembeni ellenállását, miközben továbbra is megőrzi képességüket a szükséges energiamegbontásra. Hideg éghajlatú régiók alapozásainál a mérnökök kihasználják az alumínium könnyűségét a permafroszt védelmére a hőingerekkel szemben. Gyakran sekély spirális cölöpöket alkalmaznak speciális hűtőberendezésekkel – úgynevezett termoszifonokkal – együtt. Ezek a megoldások jó stabilitást biztosítanak anélkül, hogy mélyre kellene ásniuk a talajba, vagy folyamatos hűtőrendszert kellene üzemeltetniük. Valós világbeli tesztek Alaszkában és Kanada északi részén igazolták, hogy ezek a kombinált megközelítések körülbelül 40 százalékkal csökkenthetik a váratlan karbantartási igényeket a hagyományos acéltornyokhoz képest. Ekkora teljesítménybeli különbség különösen fontos olyan távoli helyeken, ahol a pótalkatrészek és a szakmunkások szállítása rendkívül kihívást jelent.

Összehasonlító kiválasztási keretrendszer: A toronyanyag illesztése a környezeti igénybevétel súlyosságához és az üzemeltetési követelményekhez

Az optimális távvezetéki tornyok anyagának kiválasztása azt igényli, hogy a környezeti terhelő tényezőket a funkcionális követelményekkel egy strukturált, bizonyítékokon alapuló keretrendszer segítségével párosítsuk. A tengerparti telepítések esetében bizonyított ellenállás szükséges a klórtartalmú lyukasodás és az esősav-szindróma szemben; az északi régiókban történő üzembe helyezésnél elsődleges szempont a hőmérsékleti stabilitás, a jégterhelésre való teherbírás és a kriogén ütésállóság – ez egy alapvető eltérés, amely hangsúlyozza, hogy az anyag megfelelősége ökoszisztéma-specifikus.

A mérnökök a lehetőségeket négy egymástól függő szempont szerint értékelik:

• Korrózióállóság : Kötelező előírás a tengerparti vagy ipari zónákban – a szénacél lebomlása háromszor gyorsabb, mint az ASTM A588 időjárásálló acélé az ISO 9223 C4/C5 korrodibilitási osztályozás szerint.
• Gépi tulajdonságok : A fáradási szilárdság, a nyomószilárdság-feszültség arány és a jégterhelésre adott deformációs határok határozzák meg a biztonsági tartalékokat – különösen ott, ahol a ciklikus terhelés dominál (pl. tengerparti szél, északi régiókban a jég lehullása).
• Életciklus-gazdaságtan az FRP kompozitok festésmentesek és 50 évig tartanak, de az előállítási költségeik kb. 40%-kal magasabbak a meleg-megmunkált cinkbevonatos acélnál – ez csak akkor indokolható, ha a hozzáférési logisztika vagy a leállás kockázata növeli a hosszú távú üzemeltetési költségeket (OPEX).
• Karbantartási megvalósíthatóság távoli vagy veszélyes helyszínek esetén az úgynevezett „beépítés és elfelejtés” megoldások előnyösek – az alumínium ötvözetek és az FRP jelentősen csökkentik a vizsgálatok gyakoriságát és a beavatkozási kockázatot a bevonatos vagy cinkbevonatos rendszerekhez képest.

Semmi sem működik mindenütt és minden időben optimálisan. A rozsdamentes acél jól ellenáll a tengervíz közelében, de rideggé válik, ha a hőmérséklet mínusz 30 fok Celsius alá csökken. Az üvegszálas műanyag nem produkál ilyen galváni problémákat, bár UV-védő kezelésre van szüksége, és tűzgátló anyagokkal kell formázni. A tapasztalt mérnökök döntéseiket az ISO 9223 vagy az IEC 60721-3-3 szabványokhoz hasonló, elismert környezeti terhelési osztályozásokra alapozzák, majd ellenőrzik, hogy az anyagok ténylegesen hogyan viselkednek a gyakorlatban – nem csupán laboratóriumi tesztekre támaszkodva. Ez a megközelítés megakadályozza, hogy a projektek túl alacsony szinten legyenek megtervezve a nehéz környezeti körülmények között, ugyanakkor elkerüli a felesleges költségeket a enyhébb feltételek mellett. Az eredmény olyan szerkezetek, amelyeknél az anyagválasztás pontosan tükrözi a tényleges helyszíni körülményeket, így biztosítva a tartósságot, a biztonságot és az ésszerű élettartam-költségeket anélkül, hogy túlzottan megterhelné a költségvetést.

GYIK szekció

Milyen anyagok a legmegfelelőbbek tengerparti toronyépítéshez?

A forró-mázasított acél gyakran előnyösebb választás a tengerparti tornyokhoz, mivel kiváló teljesítményt nyújt magas páratartalmú és sós környezetben.

Miért preferált az FRP anyag a trópusi régiókban?

Az FRP kompozitok kiválóan alkalmazhatók trópusi régiókban, mivel ellenállnak az UV-sugárzásnak, a nedvességnek és a vegyi anyagoknak.

Milyen előnyöket kínálnak az alumínium ötvözetek a hideg éghajlati viszonyokhoz?

Az alumínium ötvözetek – például a 6061-T6 és a 7075-T73 – könnyűsúlyúak, ellenállnak a hőmérsékleti feszültségnek és a korróziónak, valamint rugalmasságot biztosítanak extrém hideg körülmények között.