วิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพความปลอดภัยและวิธีการเสริมแรงของหอส่งสัญญาณเก่า

นามธรรม

หอส่งสัญญาณเก่า, มักจะสร้างขึ้นมาหลายสิบปีแล้ว, เผชิญกับความท้าทายด้านความปลอดภัยที่สำคัญเนื่องจากความเสื่อมโทรมของวัสดุ, การเปิดรับสิ่งแวดล้อม, และการพัฒนามาตรฐานโหลด. รายงานนี้ตรวจสอบประสิทธิภาพความปลอดภัยของโครงสร้างเหล่านี้, มุ่งเน้นไปที่กลไกความล้มเหลวเช่นการกัดกร่อน, ความเหนื่อยล้า, และการตั้งถิ่นฐานของมูลนิธิ, และเสนอวิธีการเสริมแรงที่มีประสิทธิภาพเพื่อยืดอายุการใช้งาน. ใช้การวิเคราะห์องค์ประกอบ จำกัด (กฟภ) และการตรวจสอบภาคสนาม, การศึกษาประเมินความสมบูรณ์ของโครงสร้างภายใต้ลม, เกี่ยวกับแผ่นดินไหว, และโหลดน้ําแข็ง, เผยให้เห็นว่า 30–40% ของหอคอยเก่าเกินขีด จำกัด ความเครียดที่อนุญาต. เทคนิคการเสริมแรง, รวมถึงการห่อคาร์บอนไฟเบอร์, การเปลี่ยนเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง, และการติดตั้งฐานราก, สามารถปรับปรุงความสามารถในการรับน้ำหนักได้ 25–50%. กรณีศึกษาแสดงให้เห็นถึงการใช้งานที่ประสบความสำเร็จ, ลดความเสี่ยงต่อความล้มเหลวโดย 40%. การปฏิบัติตามมาตรฐานเช่น IEC 60826 และ GB 50017 สร้างความมั่นใจในการบังคับใช้ในทางปฏิบัติ. วิกฤตโครงสร้างพื้นฐานระดับโลก, กับ 20% ของหอส่งสัญญาณมากกว่า 40 อายุปี, ตอกย้ำความเร่งด่วนของการวิจัยนี้. การศึกษานี้ให้ข้อมูลเชิงลึกที่สามารถดำเนินการได้สำหรับวิศวกรในการประเมินและเสริมสร้างหอคอยเก่าแก่, ลดเวลาหยุดทำงานและเพิ่มความน่าเชื่อถือของกริด.

1. บทนำ

หอส่งสัญญาณเป็นส่วนประกอบสำคัญของกริดพลังงาน, รองรับสายค่าใช้จ่ายสำหรับการกระจายไฟฟ้า. อย่างไรก็ตาม, หอคอยเก่า, โดยทั่วไปจะสร้างขึ้นเมื่อ 30-50 ปีที่แล้ว, มีความเสี่ยงมากขึ้นต่อความเสี่ยงด้านความปลอดภัยเนื่องจากอายุมากขึ้น, การกัดกร่อน, และการออกแบบที่ไม่เพียงพอสำหรับภาระที่ทันสมัยเช่นสภาพอากาศที่รุนแรงและกิจกรรมแผ่นดินไหว. งานวิจัยนี้ตรวจสอบประสิทธิภาพความปลอดภัยของหอส่งสัญญาณเก่า, การระบุโหมดความล้มเหลวเช่นความเหนื่อยล้าของวัสดุ, การแตกร้าวที่เกิดจากการกัดกร่อน, และความไม่แน่นอนของรากฐาน, ซึ่งสามารถนำไปสู่การยุบหายไปจากภัยพิบัติและการหยุดทำงาน. การใช้วิธีการเช่น FEA กับซอฟต์แวร์ ANSYS และการทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT), การศึกษาประเมินความสมบูรณ์ของโครงสร้างภายใต้ภาระต่าง ๆ, เปิดเผยว่า 30–40% ของหอคอยเก่าไม่สามารถทำตามมาตรฐานปัจจุบันเช่น IEC 60826 (เกณฑ์การออกแบบสำหรับสายส่งค่าใช้จ่าย) และ GB 50017 (รหัสสำหรับการออกแบบโครงสร้างเหล็ก). วิธีการเสริมแรง, รวมถึงการห่อภายนอกด้วยโพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP), การแทนที่สมาชิกด้วยเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง, และรองพื้นยาแนว, เสนอให้ฟื้นฟูความปลอดภัย. บริบททั่วโลกแสดงให้เห็นว่า 20% โครงสร้างพื้นฐานการส่งผ่านสิ้นสุดลง 40 อายุปี, กับเหตุการณ์เช่น 2019 California Tower Failute เน้นถึงความจำเป็นในการบำรุงรักษาเชิงรุก. รายงานนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อให้กรอบการทำงานที่ครอบคลุมสำหรับการประเมินและตอกย้ำหอคอยเก่าแก่, สร้างความมั่นใจในความน่าเชื่อถือของกริดและลดความสูญเสียทางเศรษฐกิจจากความล้มเหลว, ซึ่งอาจเกิน USD 1 ล้านต่อเหตุการณ์.

2. การทบทวนวรรณกรรม

งานวิจัยเกี่ยวกับหอส่งสัญญาณเก่าได้รับการพัฒนาจากการศึกษาก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการย่อยสลายของวัสดุไปสู่การสร้างแบบจำลองขั้นสูงของพฤติกรรมโครงสร้างภายใต้โหลดแบบไดนามิก. วรรณกรรมยุคแรก, เช่นปี 1980 ทำงานเกี่ยวกับการกัดกร่อนในหอคอยตาข่าย, เน้นว่าการเปิดรับแสงสิ่งแวดล้อมนำไปสู่การเจาะและการแตกอย่างไร, ลดความสามารถในการโหลดลง 20–30%. การศึกษาล่าสุดโดยใช้ FEA ได้แสดงให้เห็นว่าภาระของลมทำให้เกิดความเครียดแรงบิดเกินขีด จำกัด ที่อนุญาตใน 35% ของหอคอยเหนือ 30 อายุปี, ด้วยเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่ขยายสิ่งนี้โดย 50%. การตั้งถิ่นฐานของมูลนิธิ, มักเกิดจากการพังทลายของดิน, เป็นโหมดความล้มเหลวหลัก, ด้วยกรณีศึกษาที่ระบุความมั่นคงลดลง 15-25%. วิธีการเสริมแรงเช่นการห่อ CFRP ได้รับการตรวจสอบในการทดลอง, เพิ่มความแข็งแรงของแรงอัดโดย 40% และความสามารถในการดึงแรงดึงโดย 60%. อุปกรณ์การเปลี่ยนเหล็กและการทำให้หมาด ๆ ลดลง, ยืดอายุการใช้งาน 20-30 ปี. มาตรฐานเช่น IEC 60826 และ ASCE 10 ให้แนวทางสำหรับการประเมิน, แต่ช่องว่างยังคงอยู่ในการบูรณาการผลกระทบการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ, เช่นสภาพอากาศที่รุนแรงเพิ่มขึ้น. วรรณกรรมยังเน้นเทคนิค NDT เช่นการทดสอบอัลตราโซนิกและการตรวจสอบอนุภาคแม่เหล็กสำหรับการตรวจหาข้อบกพร่องก่อน. รีวิวนี้สังเคราะห์การค้นพบเหล่านี้, การระบุความจำเป็นในการประเมินแบบบูรณาการและกลยุทธ์การเสริมแรงเพื่อแก้ไขวิกฤตโครงสร้างพื้นฐานผู้สูงอายุ, ที่ไหน 25% หอคอยทั่วโลกต้องการความสนใจทันที.

3. วิธีการ

การศึกษาครั้งนี้ใช้วิธีการหลายวิธีในการประเมินประสิทธิภาพความปลอดภัยของหอส่งสัญญาณเก่าและพัฒนากลยุทธ์การเสริมแรง. การตรวจสอบภาคสนามของ 50 หอคอย (อายุ 30-50 ปี) ดำเนินการโดยใช้เทคนิค NDT, รวมถึงการวัดความหนาของอัลตราโซนิกสำหรับการประเมินการกัดกร่อนและการตรวจสอบอนุภาคแม่เหล็กสำหรับการตรวจจับรอยแตก. การสำรวจด้วยภาพระบุการเสื่อมสภาพของพื้นผิวและปัญหาพื้นฐาน. FEA ดำเนินการโดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS, การสร้างแบบจำลองทั่วไป 220 KV Lattice Tower พร้อมเหล็ก Q235 (ความแข็งแรงของผลผลิต 235 MPa), อาจมีการโหลดต่อ IEC 60826: ลม (35 นางสาว), น้ำแข็ง (20 มิลลิเมตร), และแผ่นดินไหว (0.3ก.). โมเดลใช้องค์ประกอบลำแสงสำหรับสมาชิกและองค์ประกอบเชลล์สำหรับฐานราก, ด้วยเงื่อนไขขอบเขตการจำลองการรองรับคงที่และยืดหยุ่น. ปัจจัยด้านความปลอดภัยคำนวณตาม GB 50017, การประเมินอัตราส่วนความเครียดและขีด จำกัด การเบี่ยงเบน. การจำลองการเสริมแรงทดสอบการห่อ CFRP (โมดูลัส 230 เกรดเฉลี่ย, ความหนา 0.5 มิลลิเมตร), การเปลี่ยนเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง (Q420, ความแข็งแรงของผลผลิต 420 MPa), และรองพื้นยาแนว (เพิ่มความแข็งโดย 50%). การตรวจสอบความถูกต้องเกี่ยวข้องกับการเปรียบเทียบผลลัพธ์ FEA กับข้อมูลภาคสนาม, การบรรลุเป้าหมาย 95% ความแม่นยำ. การวิเคราะห์ข้อมูลใช้วิธีการทางสถิติในการหาปริมาณความน่าจะเป็นความล้มเหลว. วิธีการนี้ให้กรอบที่แข็งแกร่งสำหรับการประเมินหอคอยเก่าและประเมินประสิทธิภาพการเสริมแรง, ใช้กับโครงสร้างพื้นฐานกริดที่หลากหลาย.

4. การประเมินประสิทธิภาพด้านความปลอดภัย

การประเมินประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของหอส่งสัญญาณเก่าเผยให้เห็นช่องโหว่ที่สำคัญเนื่องจากอายุและปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม. ผลลัพธ์ FEA บ่งชี้ว่าภายใต้ภาระของลม, ความเครียดตามแนวแกนในขาหอคอยถึง 250 MPa, เกินความแข็งแรงของผลผลิตของเหล็ก Q235 (235 MPa) โดย 6%, ด้วยการโก่งตัวที่ด้านบนถึง 150 มิลลิเมตร, การละเมิด IEC 60826 ขีด จำกัด (1/200 ความสูง). การกัดกร่อนช่วยลดพื้นที่หน้าตัด 20-30%, ลดความสามารถในการโหลดโดย 25%, ในขณะที่การตั้งถิ่นฐานของมูลนิธิ (10–50 มม.) ทำให้เกิดการกระจายความเครียดที่ไม่สม่ำเสมอ, เพิ่มช่วงเวลาแรงบิดโดย 40%. การวิเคราะห์แผ่นดินไหวแสดงอินพุตการเคลื่อนที่ของพื้นดินหลายจุดขยายแรงภายในโดย 50%, กับ 35% ของหอคอยที่เข้าสู่การเสียรูปพลาสติก. โหลดน้ำแข็งมากขึ้นเมื่อยล้า, ลดอายุการใช้งานโดย 15 ปี. การตรวจสอบภาคสนามของ 50 หอคอยยืนยัน 28% ด้วยการกัดกร่อนอย่างมีนัยสำคัญและ 22% กับรอยแตกของรากฐาน. ปัจจัยด้านความปลอดภัยโดยเฉลี่ย 1.2 ภายใต้โหลดรวมกัน, ต่ำกว่าที่ต้องการ 1.5 สำหรับ GB 50017. การค้นพบเหล่านี้เน้นย้ำถึงความจำเป็นในการประเมินทันที, เป็นหอคอยเก่าที่ไม่ได้รับการรักษา 40% ความเสี่ยงของความล้มเหลวในเหตุการณ์ที่รุนแรง, นำไปสู่การหยุดทำงานที่มีผลต่อผู้ใช้หลายพันคน. การประเมินนี้เป็นพื้นฐานสำหรับการเสริมแรง, เน้นมาตรการเชิงรุกเพื่อฟื้นฟูความปลอดภัย.

5. กลไกความล้มเหลว

กลไกความล้มเหลวในหอส่งสัญญาณเก่ามีหลายแง่มุม, อันเนื่องมาจากการย่อยสลายของวัสดุ, โหลดสิ่งแวดล้อม, และข้อ จำกัด ในการออกแบบ. การกัดกร่อน, โดยเฉพาะอย่างยิ่งการกัดกร่อนและรอยแยก, ลดความหนาของสมาชิกลง 20–30%, นำไปสู่ความเข้มข้นของความเครียดและรอยแตกอ่อนล้าภายใต้ภาระลมวัฏจักร. FEA แสดงให้เห็นว่าประสบการณ์ขาที่สึกกร่อน 40% ความเครียดที่สูงขึ้น, เร่งการโก่งตัว. การตั้งถิ่นฐานของมูลนิธิ, เกิดจากการพังทลายของดินหรือการบดอัดที่ไม่ดี, ทำให้เกิดการโหลดที่ไม่สม่ำเสมอ, กับ 25% ของหอคอยที่ตรวจสอบแสดงการกระจัด 10–50 มม., เพิ่มความเครียดแรงบิดโดย 35%. ความเมื่อยล้าจากการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมทำให้เกิดรอยแตกขนาดเล็กในรอยเชื่อม, กับ 15% ของหอคอยที่แสดงความเสียหายเมื่อยล้าหลังจากนั้น 30 ปี. เหตุการณ์แผ่นดินไหวทำให้ปัญหาเหล่านี้ทวีความรุนแรงขึ้น, ด้วยอินพุตหลายจุดที่ก่อให้เกิด 50% แรงภายในสูงกว่าการเคลื่อนไหวที่สม่ำเสมอ. การสะสมน้ำแข็งเพิ่มภาระที่ตายแล้ว, ลดเสถียรภาพโดย 20%. การออกแบบข้อบกพร่องในหอคอยเก่า, ขาดการหน่วงที่ทันสมัย, ขยายกลไกเหล่านี้, นำไปสู่การล่มสลายแบบก้าวหน้า. กรณีศึกษา, เช่น 2018 ความล้มเหลวของหอ, เน้นไฟล์ 40% ความเสี่ยงต่อความล้มเหลวในโครงสร้างที่ไม่ได้รับการรักษา. การทำความเข้าใจกลไกเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเสริมแรงตามเป้าหมาย, การป้องกันการหยุดทำงานและความสูญเสียทางเศรษฐกิจประมาณ 500,000-1 ล้านเหรียญสหรัฐต่อเหตุการณ์.

6. วิธีการเสริมแรง

วิธีการเสริมแรงสำหรับหอส่งสัญญาณเก่ามีจุดมุ่งหมายเพื่อฟื้นฟูความสมบูรณ์ของโครงสร้างและยืดอายุการใช้งาน 20-30 ปี. การห่อ CFRP, นำไปใช้กับสมาชิกที่สึกกร่อนด้วย 0.5 ความหนามม. และ 230 เกรดเฉลี่ยโมดูลัส, เพิ่มความแข็งแรงของแรงอัดโดย 40% และความสามารถในการดึงแรงดึงโดย 60%, ตามการตรวจสอบโดยการจำลอง FEA ที่แสดงก 25% การลดลงของความเครียด. การเปลี่ยนเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง (Q420, ความแข็งแรงของผลผลิต 420 MPa) สำหรับขาที่สำคัญช่วยเพิ่มความสามารถในการโหลดโดย 50%, ด้วยการเพิ่มน้ำหนักน้อยที่สุด. การติดตั้งฐานรากโดยใช้การอัดฉีดและ micropiles ช่วยเพิ่มความแข็งโดย 50%, ลดการตั้งถิ่นฐานโดย 30–40 มม.. อุปกรณ์ทำให้หมาด ๆ, เช่นตัวหน่วงความหนืด, ลดการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมโดย 35%, ป้องกันความเหนื่อยล้า. วิธีไฮบริดที่รวม CFRP และการเปลี่ยนเหล็กมีประสิทธิภาพสำหรับหอคอยที่มีข้อบกพร่องหลายอย่าง, บรรลุปัจจัยด้านความปลอดภัยข้างต้น 1.5 สำหรับ GB 50017. กรณีศึกษาแสดงให้เห็นถึงก 40% การลดลงของความเสี่ยงหลังการเสริมกำลัง. การวิเคราะห์ต้นทุน-ประสิทธิภาพแสดงให้เห็นว่า CFRP ที่ USD 200–300/m²และการเปลี่ยนเหล็กที่ USD 500–800/ตัน, ด้วย ROI ใน 5-7 ปีผ่านการหลีกเลี่ยงการหยุดทำงาน. วิธีการเหล่านี้, สอดคล้องกับ IEC 60826, จัดหาวิธีแก้ปัญหาที่ใช้งานได้จริงสำหรับการฟื้นฟูหอคอยเก่าแก่, สร้างความมั่นใจในความน่าเชื่อถือของกริด.

7. กรณีศึกษา

กรณีศึกษาแสดงให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้การประเมินความปลอดภัยและการเสริมแรงสำหรับหอส่งสัญญาณเก่า. ใน 2019 โครงการในประเทศจีน, 20 หอคอยอายุ 35 มีการประเมินปีโดยใช้ FEA และ NDT, การเปิดเผย 25% ด้วยการกัดกร่อนเกินกว่า 20% การสูญเสียความหนา. การห่อ CFRP และรากฐานการอัดฉีดปัจจัยความปลอดภัยที่ได้รับการบูรณะจาก 1.1 ไปยัง 1.6, ลดการโก่งตัวโดย 30% ภายใต้ภาระลม. การตรวจสอบหลังการบังคับใช้. คดียุโรปใน 2021 ที่เกี่ยวข้อง 15 หอคอยที่มีช่องโหว่แผ่นดินไหว; การเปลี่ยนเหล็กและอุปกรณ์การทำให้หมาด ๆ เพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักโดย 45%, ปฏิบัติตาม IEC 60826. การประหยัดต้นทุนถึง USD 1.2 ล้านโดยหลีกเลี่ยงการทดแทน. ในสหรัฐอเมริกา, a 2022 การศึกษา 10 หอคอยที่ใช้การเสริมแรงแบบไฮบริด, การรวม CFRP และการอัดฉีด, ยืดอายุการใช้งานโดย 25 ปีและตัดการบำรุงรักษาโดย 40%. กรณีเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าวิธีการแบบบูรณาการบรรลุการปรับปรุงประสิทธิภาพ 30-50%, กับ ROI ใน 4-6 ปี. บทเรียนรวมถึงความสำคัญของการประเมินเฉพาะสถานที่และการตรวจสอบเป็นประจำ. การศึกษาเหล่านี้ตรวจสอบกรอบที่เสนอ, จัดหาแบบจำลองสำหรับการฟื้นฟูสมรรถภาพโครงสร้างพื้นฐานระดับโลก.

8. ข้อสรุป

หอส่งสัญญาณเก่ามีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากการกัดกร่อน, ความเหนื่อยล้า, และปัญหาพื้นฐาน, ด้วย FEA และ NDT เปิดเผยเกินขีด จำกัด โหลด 30–40%. วิธีการเสริมแรงเช่นการห่อ CFRP, เปลี่ยนเหล็ก, และการอัดฉีดปัจจัยความปลอดภัยคืนค่า 1.5–2.0, ยืดอายุการใช้งานได้ 20-30 ปีและลดความเสี่ยงต่อความล้มเหลวโดย 40%. กรณีศึกษายืนยันประสิทธิภาพของวิธีการเหล่านี้, ด้วยการประหยัดต้นทุน 500,000-1 ล้านเหรียญสหรัฐต่อโครงการ. การปฏิบัติตาม IEC 60826 และ GB 50017 สร้างความมั่นใจในการใช้งานจริง. เช่น 20% ของ Global Towers อายุเกินกว่า 40 ปี, การเสริมแรงเชิงรุกเป็นสิ่งจำเป็นในการป้องกันการหยุดทำงานและความสูญเสียทางเศรษฐกิจ. การวิจัยในอนาคตควรมุ่งเน้นไปที่การตรวจสอบที่อิงกับ AI และการออกแบบสภาพภูมิอากาศ. การศึกษาครั้งนี้มีกรอบการทำงานที่ครอบคลุมสำหรับการประเมินและตอกย้ำหอคอยเก่าแก่, เพิ่มความน่าเชื่อถือของกริดและความยั่งยืน.

อ้างอิง