Kateri materiali so primerni za stolpe za prenos električne energije v zahtevnih okoljih?

Jeklene zlitine, odporne proti koroziji, za stolpe ob obali in v industrijskih območjih

Kako solni pršec in SO pospešujeta razgradnjo stolpov

Ko se na kovinske površine ob obalah usede morska solna meglica, se začne kemijska reakcija, ki razgrajuje zaščitni sloj na jeklu. Kloridni ioni iz morskega zraka dejansko prebojajo ta oksidni premaz in ustvarjajo mikroskopske jamice, ki s časom oslabljajo konstrukcije. Stvari postanejo še huje v bližini tovarn, kjer se žveplov dioksid meša z deževnico in tvori žveplovo kislino. Glede na raziskavo, objavljeno leta 2023 v priročniku NACE International o nadzoru atmosferske korozije, lahko ti pogoji pospešijo proces rjavenja do petkrat več kot v območjih z običajno kakovostjo zraka. Če združimo oba dejavnika, se soočamo z izjemno trdnimi pogoji za običajno ogljikovo jeklo. Konstrukcije, izpostavljene takšnemu okolju, lahko vsako leto izgubijo več kot milimeter materiala, kar pomeni, da izbira ustreznega materiala ni več le vprašanje trajnosti. Varnostne skrbi in proračuni za vzdrževanje postanejo enako pomembna razmišljanja za inženirje, ki delajo na infrastrukturnih projektih ob obali.

Jeklo za izpostavljanje vremenskim vplivom (ASTM A588) nasproti toplotno cinkanemu jeklu: tvorba patine, življenjska doba in kompromisi pri vzdrževanju

Jeklo za izpostavljanje vremenskim vplivom po standardu ASTM A588 pridobi svoje zaščitne lastnosti zaradi mešanice bakra, niklja in kroma, ki omogoča nastanek debele rjave plasti, ki dejansko preprečuje nadaljnjo korozijo s časom. V območjih, oddaljenih od obale, kjer se površine redno posušijo, lahko takšno jeklo traja več kot petdeset let brez kakršnegakoli posebnega vzdrževanja. V območjih blizu morja pa, kjer je zrak stalno nasičen z morsko soljo, se razmere precej dramatično spremenijo. Kloridni delci motijo tvorbo zaščitnega sloja in namesto tega povzročajo neugodne jamice pod površinsko plastjo. Zato je to jeklo nezanesljivo za večino gradbenih projektov na obali, kljub njegovim sicer izjemnim trdnostnim lastnostim.

Postopek toplotnega potapljanja v cink ustvari cinkovo prevleko, ki se na molekularni ravni veže z jeklom. Ta prevleka deluje kot vrsta ščita in se žrtvuje tako, da se najprej korodira, preden pride do poškodb jekla pod njo. Ta material izjemno dobro deluje v okoljih z visoko vsebnostjo vlage ali soli v zraku, zato ga uporabljajo številne obmorske konstrukcije. Večina namestitev traja med 30 in 50 let, vendar se ob približno 25. letu pogosto zahtevajo manjši popravki. Natančen čas odvisen je od dejanskega nadaljevanja ugodnosti okoljskih razmer na določenem mestu.

Za stolpe, ki stojijo na meji med industrijskimi in obmorskimi območji—kjer so vlaga, usedanje soli in SO sočasni dejavniki—je najodpornejša rešitev pogosto hibridni sistem: ocinkane primarne sestavne dele združimo z drugotnimi deli iz vremensko odpornega jekla ali pa uporabimo dvojne premaze, ki so zasnovani za odpornost proti več vrstam nevarnosti.

Kompoziti iz vlaknoma ojačenih polimerov (FRP) za namestitve stolpov v območjih z visoko vlažnostjo, kemičnimi nevarnostmi in električno občutljivostjo

Odpornost proti UV-žarkom, vlagi in kemikalijam: zakaj se stolpi iz FRP izjemno dobro obnašajo v tropskih in industrijskih koridorjih

Kompoziti iz vlaknoma ojačenih polimerov (FRP) združujejo polimerna smola, odporna proti koroziji (npr. vinil-ester, epoksidna smola), z vlakni visoke trdnosti (stekleno ali ogljikovo), kar zagotavlja notranjo odpornost proti trem prevladujočim mehanizmom razgradnje v tropskih in industrijskih okoljih:

• UV sevanje : Stabilizirane smolne matrike odporni so proti fotooksidativnemu pretrganju verig, kar preprečuje beljenje površine in ločevanje plasti, ki se pojavljata pri nepreščitih polimerih pod ekvatorskim soncem.
• Vzvod vlage s stopnjo vodne absorpcije pod 0,2 % FRP preprečuje hidrolitično razgradnjo, elektrolitske poti in odvajanje zaradi ciklov zamrzovanja in odtajanja – kar je ključnega pomena v območjih, ki so izpostavljena monsunom ali so ob morju.
• Izpostavljenost kemikalijam nekovinska sestava zagotavlja popolno odpornost proti kislim (iz SO izvirnim), alkalnim in solenim kemičnim usedlinam – kar odpravi potrebo po premazih ali inhibitorjih.

V primerjavi z običajnimi premazi iz ogljikove jeklene pločevine ta kombinacija materialov v zelo vlažnih okoljih, kjer se vlaga cel dan zadržuje, traja od 3 do 5-krat dlje. Še ena velika prednost? Dejstvo, da FRP ne prevaja električne energije, kar pomeni, da ni nobene možnosti za neželjeni tok skozi material ali električne iskre, ki bi preskočile v bližini visokonapetostnih električnih linij s tisoči voltov. To naredi vse razliko pri infrastrukturnih projektih, ki so postavljeni v neposredni bližini transformatorskih postaj ali vzdolž glavnih prenosnih koridorjev. Vzemimo na primer obalna območja, izpostavljena morski solni zraku, industrijska območja, kjer prevladujejo korozivni plini, ter sončna območja pod stalnim sončnim svetlobnim obsevanjem. V teh zahtevnih pogojih se FRP izstopa kot material, ki praktično ne zahteva vzdrževanja, medtem ko se kovinske sestavne dele s časom vedno bolj obrabljajo.

Aluminijske zlitine in hibridni stolpi za arktično podnebje, območja s stalnim zamrznjenim tlom (permafrost) in izredno hladna podnebja

Upravljanje toplotnega napetja, ledenega obremenitve in nestabilnosti temeljev pri načrtovanju stolpov za hladna območja

Stolpi za prenos električne energije so v izjemno hladnih območjih, kot so arktična tundra in območja večnega ledu, kjer temperature redno padejo daleč pod ledišče, izpostavljeni resnim mehanskim in toplotnim obremenitvam. Aluminijevi litini, kot sta 6061-T6 in 7075-T73, so za te pogoje posebno primerni, saj ponujajo več prednosti pred tradicionalnimi materiali. Najprej se aluminij pri segrevanju razširi veliko manj kot jeklo – približno 23,6 mikrometra na meter in stopinjo Celzija v primerjavi z le 12 mikrometri za jeklo. Poleg tega naravno zdrži korozijo zaradi stika z morsko vodo, teži približno 60 % manj kot jeklo in ostane gibljiv tudi pri temperaturah pod minus 40 stopinj Celzija. Vse te lastnosti skupaj pomagajo bojevati toplotno utrujenost, zmanjšati obremenitev temeljev, zgrajenih na premični podlagi, ter preprečiti nenadne lomove, ki bi se lahko pojavili pri odpadanju ledu s stolpov ali med potresi.

Razmerje trdnosti in mase aluminija omogoča, da se ob straneh zdrži ledena plast debeline do 50 mm brez dodatnega okrepljanja. To pomaga zmanjšati tako težave zaradi vetra kot tudi količino materialov, potrebnih za gradnjo. Pri področjih z močnim vetrom kombinacija aluminija s kompozitnimi materiali dejansko izboljša odpornost konstrukcij proti torzijskim silam, hkrati pa ohranja njihovo sposobnost absorbiranja energije, kadar je to potrebno. Za temelje v hladnih podnebjih inženirji izkoriščajo lahko maso aluminija, da zaščitijo večno zamrznjeno zemljo pred toplotnimi spremembami. Pogosto uporabljajo plitke spiralne pilotne stebre skupaj s posebnimi napravami za hlajenje, imenovanimi termosifoni. Te konfiguracije zagotavljajo dobro stabilnost brez potrebe po globokem kopanju v zemljo ali zahtevi po stalnih sistemih hlajenja. Dejanski preskusi, izvedeni na mestih, kot so Aljaska in severna Kanada, so pokazali, da ti kombinirani pristopi zmanjšajo nepredvidene vzdrževalne potrebe za približno 40 odstotkov v primerjavi z običajnimi jeklenimi stolpi. Takšna razlika v zmogljivosti je na takih lokacijah resnično pomembna, kjer je dostava rezervnih delov in delavcev na oddaljena območja izjemno zahtevna.

Okvir za primerjalno izbiro: Ujemanje materiala stolpa z resnostjo okoljskih pogojev in obratovalnimi zahtevami

Izbira optimalnih materialov za stolpe daljnovodov zahteva preslikavo okoljskih obremenitev na funkcionalne zahteve z uporabo strukturiranega, dokazanega okvira. Namestitve ob morju zahtevajo preverjeno odpornost proti kloridni lokalni koroziji (pitting) in sinergiji kislih dežev; namestitve v arktičnih predelih pa dajejo prednost termični stabilnosti, nosilnosti pod ledeno obremenitvijo in hladno odpornosti – temeljna razlika, ki poudarja, da je primernost materiala specifična za posamezno ekosistemsko okolje.

Inženirji ocenjujejo možnosti po štirih medsebojno povezanih merilih:

• Korozivna odpornost : Neopogojno za moravne ali industrijske cone – jeklo na osnovi ogljika se razgrajuje trikrat hitreje kot vremensko odporno jeklo ASTM A588 pri korozivnostnih razredih ISO 9223 C4/C5.
• Strojna zmogljivost : Navorna trdnost, razmerje tekočinskega meje do trdnosti in omejitve odmikov pod ledeno obremenitvijo določajo varnostne meje – še posebej tam, kjer prevladujejo ciklične obremenitve (npr. obmorski veter, odlaganje ledu v arktičnih predelih).
• Gospodarski življenjski cikel kompoziti iz steklenih vlaken (FRP) omogočajo brezbarvno izvedbo in imajo življenjsko dobo 50 let, vendar so njihove začetne stroške približno za 40 % višje kot pri jeklu z vročim cinkanjem – kar je utemeljeno le, kadar logistika dostopa ali tveganje izpadov povečata dolgoročne obratovalne stroške (OPEX).
• Umožnjenost vzdrževanja oddaljene ali nevarne lokacije bolj ustreza rešitev »namesti in pozabi« – aluminijaste zlitine in kompoziti iz steklenih vlaken (FRP) bistveno zmanjšajo pogostost pregledov in tveganje posegov v primerjavi s sistemi s premazi ali cinkanimi sistemih.

Nič ne deluje najbolje povsod in ves čas. Nerjavnega jekla se dobro obnese v bližini morske vode, vendar postane krhko, ko temperature padejo pod minus 30 stopinj Celzija. Fiberglass-reinforced plastic (steklena vlakna v plastiki) nima teh galvanskih težav, vendar zahteva posebno zaščito pred UV-žarki in mora biti formuliran z upoštevanjem zaščitnih sredstev proti ognju. Pametni inženirji temeljijo svoje izbire na uveljavljenih ocenah stopnje okoljske obremenitve, kot so standardi ISO 9223 ali IEC 60721-3-3, nato pa preverijo, kako materiali dejansko delujejo v praksi, namesto da bi se zanašali izključno na laboratorijska preskusna podatka. Ta pristop preprečuje poddimenzioniranje projektov v zahtevnih okoljih, hkrati pa izogiba nepotrebnim stroškom v območjih z milejšimi razmerami. Kot rezultat dobimo konstrukcije, pri katerih izbor materialov ustreza dejanskim razmeram na gradbišču, kar zagotavlja trajnost, varnost in razumno višino življenjskih stroškov brez prekomernega obremenitve proračuna.

Pogosta vprašanja

Kateri materiali so najprimernejši za gradnjo stolpov ob obali?

Toplo pocinkana jeklena konstrukcija se pogosto uporablja za stolpe ob obali zaradi odlične odpornosti v okoljih z visoko vlažnostjo in soljo.

Zakaj se FRP prednostno uporablja v tropskih regijah?

FRP-kompoziti izjemno dobro delujejo v tropskih regijah zaradi svoje odpornosti proti UV-sevanju, vlaji in kemikalijam.

Kakšne prednosti ponujajo aluminijaste zlitine za hladne podnebne razmere?

Aluminijaste zlitine, kot sta 6061-T6 in 7075-T73, so lahke, odporne proti termičnim napetostim in koroziji ter omogočajo fleksibilno uporabo v ekstremno hladnih razmerah.