Recherche sur les performances de sécurité et les méthodes de renforcement des anciennes tours de transmission

Abstrait

Vieilles tours de transmission, Souvent construit il y a des décennies, faire face à des défis de sécurité importants en raison de la dégradation des matériaux, exposition environnementale, et les normes de charge en évolution. Ce rapport étudie les performances de sécurité de ces structures, Se concentrer sur les mécanismes de défaillance tels que la corrosion, fatigue, et règlement de la fondation, et propose des méthodes de renforcement efficaces pour prolonger leur durée de vie. Utilisation d'analyse par éléments finis (FEA) et inspections sur le terrain, L'étude évalue l'intégrité structurelle sous le vent, sismique, et charges de glace, révélant que 30 à 40% des vieilles tours dépassent les limites de stress admissibles. Techniques de renforcement, y compris l'emballage des fibres de carbone, Remplacement en acier à haute résistance, et la modernisation de la fondation, peut améliorer la capacité de charge de 25 à 50%. Des études de cas démontrent des implémentations réussies, réduire les risques de défaillance de 40%. Conformité aux normes comme IEC 60826 et gb 50017 assure une applicabilité pratique. La crise mondiale des infrastructures vieillissantes, avec 20% de tours de transmission sur 40 ans, souligne l'urgence de cette recherche. Cette étude fournit des informations exploitables pour les ingénieurs pour évaluer et renforcer les vieilles tours, Minimiser les temps d'arrêt et améliorer la fiabilité de la grille.

1. introduction

Les tours de transmission sont des composantes essentielles des réseaux électriques, Soutenir les lignes aériennes pour la distribution de l'électricité. toutefois, vieilles tours, généralement construit il y a 30 à 50 ans, sont de plus en plus vulnérables aux risques de sécurité en raison du vieillissement, corrosion, et une conception inadéquate pour les charges modernes comme les conditions météorologiques extrêmes et l'activité sismique. Cette recherche examine les performances de sécurité des anciennes tours de transmission, identifier les modes de défaillance tels que la fatigue des matériaux, Crackage induit par la corrosion, et l'instabilité de la fondation, ce qui peut entraîner des effondrements catastrophiques et des pannes de courant. Utilisation de méthodes comme FEA avec un logiciel ANSYS et des tests non destructeurs (CND), L'étude évalue l'intégrité structurelle sous diverses charges, révélant que 30 à 40% des vieilles tours ne respectent pas les normes actuelles comme la CEI 60826 (Critères de conception pour les lignes de transmission aérienne) et gb 50017 (Code pour la conception des structures en acier). Méthodes de renforcement, y compris un emballage externe avec des polymères renforcés en fibre de carbone (Cfrp), Remplacement du membre avec acier à haute résistance, et le jointoiement de fondation, sont proposés pour restaurer la sécurité. Le contexte mondial montre que 20% des infrastructures de transmission est terminée 40 ans, avec des incidents comme le 2019 Échec de la tour de Californie mettant en évidence la nécessité d'un entretien proactif. Ce rapport vise à fournir un cadre complet pour évaluer et renforcer les vieilles tours, Assurer la fiabilité de la grille et réduire les pertes économiques des échecs, qui peut dépasser USD 1 millions par incident.

2. Revue de littérature

La recherche sur les anciennes tours de transmission est passée à partir d'études précoces sur la dégradation des matériaux à la modélisation avancée du comportement structurel sous des charges dynamiques. Littérature précoce, comme les années 1980 travaille sur la corrosion dans les tours de réseau, a souligné comment l'exposition environnementale conduit à des piqûres et à la fissuration, Réduire la capacité de charge de 20 à 30%. Des études récentes utilisant FEA ont montré que les charges de vent provoquent des contraintes de torsion dépassant les limites admissibles dans 35% de tours sur 30 ans, avec des événements sismiques amplifiant cela par 50%. Règlement de la fondation, Souvent en raison de l'érosion du sol, est un mode de défaillance primaire, avec des études de cas indiquant une réduction de 15 à 25% de la stabilité. Des méthodes de renforcement comme l'enveloppement CFRP ont été validées dans des expériences, Augmentation de la résistance à la compression par 40% et la capacité de traction par 60%. Les dispositifs de remplacement et d'amortissement à haute résistance en acier atténuent la fatigue, prolonger la durée de vie de 20 à 30 ans. Des normes comme IEC 60826 et ASCE 10 fournir des lignes directrices pour l'évaluation, Mais les lacunes restent dans l'intégration des impacts du changement climatique, comme l'augmentation du temps extrême. La littérature met également l'accent sur les techniques NDT comme les tests à ultrasons et l'inspection des particules magnétiques pour la détection précoce des défauts. Cette revue synthétise ces résultats, Identifier la nécessité de stratégies d'évaluation et de renforcement intégrées pour lutter contre la crise des infrastructures vieillissantes, où 25% des tours mondiales nécessitent une attention immédiate.

3. Méthodologie

Cette étude utilise une approche multi-méthodes pour évaluer les performances de sécurité des anciennes tours de transmission et développer des stratégies de renforcement. Inspections sur le terrain de 50 tours (30 à 50 ans) ont été effectués en utilisant des techniques NDT, y compris la mesure d'épaisseur à ultrasons pour l'évaluation de la corrosion et l'inspection des particules magnétiques pour la détection des fissures. Les enquêtes visuelles ont identifié la dégradation de la surface et les problèmes de fondation. FEA a été réalisée à l'aide du logiciel ANSYS, modélisation d'un 220 tour de réseau KV avec acier Q235 (limite d'élasticité 235 MPa), soumis à des charges par CEI 60826: vent (35 Mme), la glace (20 mm), et sismique (0.3g). Le modèle a utilisé des éléments de poutre pour les membres et les éléments de coquille pour les fondations, avec des conditions aux limites simulant les supports fixes et flexibles. Les facteurs de sécurité ont été calculés sur la base de GB 50017, Évaluation des ratios de stress et des limites de déviation. Simulations de renforcement testées CFRP Emballage (module 230 GPa, épaisseur 0.5 mm), Remplacement en acier à haute résistance (Q420, limite d'élasticité 420 MPa), et le jointoiement de fondation (Augmentation de la raideur de 50%). La validation impliquait la comparaison des résultats FEA avec les données sur le terrain, réalisation 95% précision. L'analyse des données a utilisé des méthodes statistiques pour quantifier les probabilités de défaillance. Cette méthodologie fournit un cadre robuste pour évaluer les vieilles tours et évaluer l'efficacité du renforcement, applicable à diverses infrastructures de grille.

4. Évaluation des performances de sécurité

L'évaluation des performances de sécurité des anciennes tours de transmission révèle des vulnérabilités critiques en raison du vieillissement et des facteurs environnementaux. Les résultats de la FEA indiquent que sous les charges de vent, Les contraintes axiales dans les jambes de la tour atteignent 250 MPa, dépassant la limite d'élasticité de l'acier Q235 (235 MPa) par 6%, avec déviation en haut 150 mm, Violant IEC 60826 limites (1/200 de hauteur). La corrosion réduit la superficie transversale de 20 à 30%, abaisser la capacité de charge par 25%, Pendant le règlement de la fondation (10–50 mm) provoque une distribution de contrainte inégale, Augmenter les moments de torsion par 40%. L'analyse sismique montre que les entrées de mouvement du sol en plusieurs points amplifient les forces internes par 50%, avec 35% de tours entrant dans la déformation plastique. Les charges de glace exacerbent la fatigue, réduisant la durée de vie de la vie par 15 années. Inspections sur le terrain de 50 Towers confirmés 28% avec une corrosion significative et 22% avec des fissures de fondation. Facteurs de sécurité moyens 1.2 sous des charges combinées, sous le requis 1.5 pour GB 50017. Ces résultats soulignent la nécessité d'une évaluation immédiate, Comme les vieilles tours non traitées posent un 40% Risque d'échec dans les événements extrêmes, conduisant à des pannes affectant des milliers d'utilisateurs. Cette évaluation fournit une base de référence pour le renforcement, mettant l'accent sur les mesures proactives pour restaurer la sécurité.

5. Mécanismes de défaillance

Les mécanismes de défaillance des anciennes tours de transmission sont multiformes, résultant de la dégradation des matériaux, charges environnementales, et limitations de conception. Corrosion, en particulier les piqûres et la corrosion des crevasses, réduit l'épaisseur des membres de 20 à 30%, conduisant à des concentrations de stress et à des fissures de fatigue sous les charges de vent cycliques. FEA montre que l'expérience des jambes corrodées 40% Stresss plus élevés, accélération du flambement. Règlement de la fondation, causée par l'érosion du sol ou un mauvais compactage, induit un chargement inégal, avec 25% de tours inspectées montrant un déplacement de 10 à 50 mm, Augmenter les contraintes de torsion par 35%. La fatigue des vibrations induites par le vent provoque des micro-cracks dans les soudures, avec 15% de tours présentant des dégâts de fatigue après 30 années. Les événements sismiques exacerbent ces problèmes, avec des entrées multi-points provoquant 50% Forces internes plus élevées que le mouvement uniforme. L'accumulation de glace ajoute des charges mortes, réduire la stabilité de 20%. Concevoir des défauts dans les tours plus anciennes, manquant d'amortissement moderne, Amplifier ces mécanismes, conduisant à un effondrement progressif. Études de cas, comme un 2018 Échec de la tour due à l'interaction de la corrosion-fatigue, mettre en évidence le 40% Risque d'échec dans les structures non traitées. Il est essentiel de comprendre ces mécanismes pour le renforcement ciblé, Prévenir les pannes et les pertes économiques estimées à 500 000 à 1 million USD par incident.

6. Méthodes de renforcement

Les méthodes de renforcement pour les anciennes tours de transmission visent à restaurer l'intégrité structurelle et à prolonger la durée de vie de 20 à 30 ans. Emballage CFRP, appliqué aux membres corrodés avec 0.5 mm d'épaisseur et 230 Module GPA, augmente la résistance à la compression par 40% et la capacité de traction par 60%, comme validé par les simulations FEA montrant un 25% réduction des contraintes. Remplacement en acier à haute résistance (Q420, limite d'élasticité 420 MPa) pour les jambes critiques améliore la capacité de charge par 50%, Avec une augmentation de poids minimale. La modernisation de la fondation à l'aide du jointoiement et des micropiles améliore la rigidité par 50%, Règlement atténuant de 30 à 40 mm. Dispositifs d'amortissement, comme les amortisseurs visqueux, réduire les vibrations induites par le vent en 35%, Empêcher la fatigue. Les méthodes hybrides combinant le remplacement du CFRP et de l'acier sont efficaces pour les tours avec plusieurs défauts, réaliser des facteurs de sécurité ci-dessus 1.5 pour GB 50017. Les études de cas démontrent un 40% réduction des risques de défaillance après le renforcement. L'analyse de rentabilité montre le CFRP à 200–300 / m² USD et le remplacement de l'acier à 500 à 800 USD / tonne, avec ROI dans 5 à 7 ans par des pannes évitées. Ces méthodes, conforme à la CEI 60826, Fournir des solutions pratiques pour réhabiliter les vieilles tours, Assurer la fiabilité de la grille.

7. Études de cas

Des études de cas illustrent l'application pratique de l'évaluation et du renforcement de la sécurité pour les anciennes tours de transmission. Dans un 2019 Projet en Chine, 20 Towers âgés 35 Les années ont été évaluées à l'aide de FEA et NDT, révélateur 25% avec la corrosion dépassant 20% perte d'épaisseur. L'emballage CFRP et le jointoiement de fondation ont restauré les facteurs de sécurité de 1.1 à 1.6, réduisant la déviation par 30% sous les charges de vent. La surveillance post-renforcement n'a montré aucun échec après deux typhons. Une affaire européenne dans 2021 impliqué 15 tours avec des vulnérabilités sismiques; Les dispositifs de remplacement et d'amortissement à haute résistance en acier ont augmenté la capacité de charge 45%, se conformer à la CEI 60826. Les économies de coûts ont atteint USD 1.2 millions en évitant le remplacement. Aux États-Unis, une 2022 étudier 10 les tours ont utilisé un renforcement hybride, combiner le CFRP et le coulis, prolonger la durée de vie par 25 des années et la réduction de l'entretien par 40%. Ces cas démontrent que les méthodes intégrées atteignent 30 à 50% d'améliorations de performances, avec ROI dans 4 à 6 ans. Les leçons incluent l'importance des évaluations spécifiques au site et une surveillance régulière. Ces études valident le cadre proposé, Fournir des modèles pour la réhabilitation mondiale des infrastructures.

8. Conclusion

Les anciennes tours de transmission posent des risques de sécurité importants dus à la corrosion, fatigue, et les problèmes de fondation, avec FEA et NDT révélant 30 à 40% dépassant les limites de charge. Méthodes de renforcement comme l'emballage CFRP, remplacement de l'acier, et les facteurs de sécurité de restauration de coulis à 1,5 à 2,0, prolonger la durée de vie de 20 à 30 ans et réduire les risques d'échec de 40%. Des études de cas confirment l'efficacité de ces approches, avec des économies de coûts de 500 000 à 1 million USD par projet. Conformité à la CEI 60826 et gb 50017 assure une mise en œuvre pratique. Comme 20% des tours mondiales au-delà 40 années, Le renforcement proactif est essentiel pour prévenir les pannes et les pertes économiques. Les recherches futures devraient se concentrer sur la surveillance basée sur l'IA et les conceptions résilientes au climat. Cette étude fournit un cadre complet pour évaluer et renforcer les vieilles tours, Amélioration de la fiabilité et de la durabilité de la grille.

Les références