автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Влияние цементных связок на прочностные характеристики и долговечность подвесных высоковольных изоляторов

На правах рукописи

КУЛИК НАТАЛЬЯ МИХАЙЛОВНА ^К^аЛМу'

ВЛИЯНИЕ ЦЕМЕНТНЫХ СВЯЗОК НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ПОДВЕСНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ

05.17.11 - Технология керамических, силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -1997

Работа выполнена в Российском химико-технологическом уш верситете имени Д.И. Менделеева, научно-исследовательском инстиг те НИИЦемент и Славянском научно-исследовательском институте вь соких напряжений.

Научные руководители: кандидат технических наук, старший нау ный сотрудник Т. А. Лютикова ; кандидат технических наук , доце! Ю.Р. Кривобородов.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Г.М. Матвеев;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Н.С. Панина.

Ведущая организация: ОАО "АИЗ-ЭНЕРГИЯ"

Защита состоится __ 1997 г

в ^О1' °ч. в ауд./со^сс?. 1л л на заседании диссертационнс совета Д 053.34.01 в Российском химико-технологическом универс тете имени Д.И. Менделеева по адресу: 125047, Москва, А-47, Ми; екая пл., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационн центре РХТУ имени Д.И. Менделеева.

Автореферат разослан & i О К-(к Я УЪ/ 1997 г

Ученый секретарь диссертационного совета

А.В. БЕЛЯКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эксплуатация воздушных линий (ВЛ) высокого и сверхвысокого напряжений, выполняющих роль межсистемных связей и мощных хмагистральных передач электроэнергии на дальние расстояния, резко повышает требования к надежности их работы . Аварийные и даже ремонтные отключения на ВЛ могут привести к нарушению устойчивости параллельной работы электростанций и энергосистем и, следовательно, к большому недоотпуску электроэнергии и убыткам в народном хозяйстве.

Одним из основных элементов ВЛ являются подвесные тарельчатые изоляторы, изоляционные детали которых выполняются из электротехнического фарфора или электроизоляционного стекла. На практике наи-эолыпее распространение получили стеклянные изоляторы, представляющие собой сложную конструкцию, изготовленную из различных по своим физико-механическим характеристикам материалов (электроизоляционное лгекло, чугун, сталь, цементная связка). Опыт эксплуатации изоляторов токазал, что со временем частота их выхода из строя ( отказов ) возраста-:т, а механическая прочность снижается. Это наносит значительный ущерб >нергетическому хозяйству, так как затраты на контроль и замену дефектных изоляторов в сетях весьма велики. Причины этого явления окончательно не выяснены и не получили достаточного освещения в технической гитературе. Поэтому исследование влияния цементных связок на проч-юстные характеристики и долговечность подвесных тарельчатых стеклян-[ых изоляторов во времени и изыскание путей повышения их эксплуатаци-1нных показателей (снижения уровня отказов) являются важной пробле-юй для изоляторного производства.

Целью работы является разработка способа повышения и стабили-ации механической прочности подвесных тарельчатых стеклянных изоля-оров во время их службы на ВЛ.

Для осуществления поставленной цели исследования проводили в педующих направлениях:

изучение влияния условий эксплуатации на изменение исходных харак-еристик изоляторов;

исследования воздействия различных видов цементов на электроизоляци-нное стекло;

исследование динамики изменения механических показателей изоляторов зависимости от деформативных и прочностных характеристик цемент-ых связок;

выявление влияния защитных покрытий в зоне контакта "цемент - элек-эоизоляционное стекло" в силовом узле изолятора;

разработка и практическая реализация технологических рекомендаций, шравленных на обеспечение высоких и стабильных во времени механиче-;их показателей изоляторов.

Работа проводилась в соответствии с отраслевой научно-технической эограммой Минэнерго СССР.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность повышения долговечности подвесных тарельчатых стеклянных изоляторов путем изменения состава цементных связок и нанесения специальных защитных покрытий на поверхность силового узла изоляционной детали изолятора;

- методами физико-химического анализа изучен процесс взаимодействия гидратирующегося цемента со стеклом и установлен характер формирования контактной зоны в зависимости от вида цемента. На поверхности электроизоляционного стекла образуется защитный слой из продуктов гидратации цемента и взаимодействия их со стеклом (портландит, гидросиликаты, гидроалюминаты, геленит и др.), обеспечивающий затухание коррозионного воздействия связки на стекло;

- установлено, что по степени агрессивного воздействия на электроизоляционное стекло цементы располагаются по мере убывания в ряду: портландцемент -> шлакопортландцемент —> белитосульфоалюминат-ный цемент —> глиноземистый цемент -» высокоглиноземистый цемент;

- выявлено, что наиболее высокие адгезионные свойства и прочность контактного слоя в системе "цемент - электроизоляционное стекло" имеют связки на основе глиноземистых, белитосульфоалгоминатного цементов и шлакопортландцемента, обеспечивающие снижение количества портлан-дита в переходной зоне (шлакопортландцемент, белитосульфоалюминат-ный цемент) или его полное отсутствие (высокоглиноземистый и глиноземистый цементы);

-установлено, что в составах связок целесообразно использовать цементы, обладающие наряду с высокими механическими характеристиками более высокими упруго-пластичными свойствами цементного камня, позволяющими создавать более благоприятные, с позиции прочности, перераспределения напряжений в конструкции изолятора и тем самым обеспечивать более стабильные показатели механической прочности изоляторов в период их службы на линиях электропередачи.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработан способ повышения механической прочности подвесных тарельчатых стеклянных изоляторов класса 120 путем изменения составов цементных связок и использования защитного покрытия силового узла изоляционной детали;

- разработан технологический регламент, включающий маршрутио-операционное описание технологического процесса сборки изоляторов;

- выпущены опытные партии изоляторов на экспериментальном производстве НИИВН (г. Славянск) и Южноуральском арматурно-изоляторном заводе;

- проведены длительные (до пяти лет) промышленные испытания изоляторов, находившихся в эксплуатации в системе Донбассэнерго Краматорского ПЭС на В Л 330 кВ Славянская ГРЭС - Змиевская ГРЭС;

- на основании решения НТС НИИВН разработанный способ повышения механической прочности подвесных тарельчатых стеклянных изоляторов

внедрен в экспериментальном производстве НИИВН и рекомендован к передаче на Южноуральский арматурно-изоляторный и Львовский изоляторный заводы.

Расчетный экономический эффект от использования результатов работы составляет 3105 тыс.руб. в ценах 1991 г на 1 технологическую линию.

Технологическая новизна работы подтверждена патентом.

Автор защищает:

- выявленную закономерность степени воздействия ряда цементов на электроизоляционное стекло;

■ установленные зависимости изменения во времени прочностных и дефор-чативных характеристик цементных связок;

• особенности распределения напряжений в конструкции изолятора в зависимости от изменения во Бремени упругих характеристик связок; выявленные особенности использования защитных покрытий в зоне контакта "цемент - электроизоляционное стекло" в силовом узле подвесных тарельчатых стеклянных изоляторов;

установленную динамику изменения во времени механической прочности юдвесных тарельчатых стеклянных изоляторов с опробуемыми вариантами их сборки;

результаты эксплуатационных испытаний, доказывающие возможность ювышения и стабилизации во времени прочностных характеристик полисных тарельчатых стеклянных изоляторов, а также эффективность внед->ения разработанного способа.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуж-*ались на XV Всесоюзном совещании "Основы повышения эффективности гроизводства и качества цемента" (Москва, 1990 г.), на Всесоюзном еминаре "Проблемы прочности стекла и стеклокристаллических материале" (Константиновка, 1991 г.), на заседаниях секции вяжущих материалов МП ЦП РХО им. Д. И. Менделеева, на технических совещаниях в Линистерстве энергетики и электрификации СССР.

Публикация работы. Основные результаты исследований по теме дис-ертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе в од-ом патенте - № 1579303 от 30.06.93 г.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 7 глав, би-лиографического описания литературных источников (201 наименова-ие), 6 приложений; содержит 283 страницы, в том числе 39 таблиц, 79 ри-унков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Аналитический обзор. Анализ работы высоковольтных линий тектропередачи показывает, что подвесные тарельчатые изоляторы яв-яются ответственными элементами и играют важную роль в обеспечении езотказной и надежной работы этих линий.

Подвесной изолятор представляет собой сборную конструкцию, в ко-эрой соединение изоляционной детали с металической арматурой

(чугунной шапкой и стальным стержнем) осуществляется портландцемент-ной связкой. В эксплуатационной практике наиболее широкое распространение получили изоляционные детали, выполненные из электроизоляционного стекла.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что взаимодействию стекла с цементом уделяется большое внимание. В результате многочисленных работ Н.С. Костюкова, В.Д. Абрамова, В.А. Аксенова, О.О. Солнцева, К.Л. Бирюковича, Д.Л. Орлова, П.П. Будникова A.A. Пащенко, В.В. Тимашева, В.В. Кудряшова, Л.И. Сычевой и многш других ученых показаны направления улучшения свойств этих материалов.

Проблемы повышения долговечности изделий в системе "цемент-стеклянное волокно" в основном рассматривались применительно к ком позиционным материалам для строительства. Работы по повышению ста бильности во времени механической прочности подвесных тарельчатьн стеклянных изоляторов не проводились. Для этих изделий очень важные является сцепление поверхности электроизоляционного стекла с цементно! связкой. До сих пор отсутствует единая точка зрения на механизм форми рования контактной зоны и прочностного сцепления между цементныи камнем и электроизоляционным стеклом.

Объекты, материалы и методы исследований. Для исследований i составах цементной связки были опробованы: портландцемент М600 Бел городского завода (традиционно используемый для сборки изоляторов] шлакопортландцемент М400 Краматорского цементно-шиферного комби ната, глиноземистый цемент М500 Пашийского металлургическо цементного завода, высокоглиноземистый цемент опытного завод НИИЦемент, белитосульфоалюминатный цемент Подольского цементног завода. В качестве заполнителя использовали кварцевый песок, соответ ствующий ГОСТ 22551-77, и доменный шлак, применяемый при получени шлакопортландцемента.

В качестве объекта исследований был выбран подвесной тарельчаты стеклянный изолятор ПС 120Б, наиболее распространенный и применяс мый на линиях электропередачи. Его характеристики: класс изолятора 120; механическая прочность изолятора - 120 кН; механическая про1 ность остатка изолятора - 96 кН; пробивное напряжение -130 кВ.

Для экспериментальных работ применяли серийные изоляционнь детали Южноуральского арматурно-изолягорного завода, изготовленнь из стекла (хим. состав дан в таблице) методом прессования с последующе закалкой. На том же заводе были изготовлены упрочненные стержни шапки для сборки изоляторов.

В качестве компенсирующей промазки использовали раствор 6i тума БН90/10 (ГОСТ 6617-76) в авиационном бензине Б70 с плотность 0,86 г/см3, а компенсирующей прокладки - пластины из прессование пробковой композиции, состоящей из пробковой крошки, склеивающи пластифицирующих и дубящих веществ.

Таблица Химический состав стекла изоляционных деталей

Содержание оксидов, %

БЮ2 АЪОз ЕегОз СаО МяО К20 ЫагО

нормир. 72,4±0,3 факт. 72,50 2,4±0,2 2,51 не>0,1 0,09 7,5+0,2 7,60 3,5+0,2 3,40 3,9±0,2 3,80 9,9±0,3 10,1

В лабораторных условиях для исследования влияния цементного раствора связки на поверхность стекла изготавливали образцы-балочки из электроизоляционного стекла размером 20x35x120 мм. и образцы - пластины двух видов - 4x20x50 и 4x20x20 мм.

Для определения минералогического состава исходных материалов и продуктов взаимодействия электроизоляционного стекла с цементной связкой использовали РФА, ДТА, оптическую и электронную микроскопию. Кроме этих методов при исследовании контактного слоя "цемент-электроизоляционное стекло" применяли электронно-зондовый микроана-шзатор "18М-35". Для оценки качества поверхности стеклянных образцов применяли метод люминисцентной дефектоскопии. Определение адгезионной прочности проводили на разрывной машине ГМ-500, состояние поверхности стекла оценивалось с помощью профилографа "Калибр".. Физико-механические испытания цементных образцов связки (прочность при язгибе и сжатии, ударную прочность, ползучесть, линейное расширение) эсуществляли по стандартным методикам, термостойкость образцов из электроизоляционного стекла определяли по известной в исследователь-:кой практике методике. Испытания изоляторов проводили в соответствии : действующим стандартом.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИДА ЦЕМЕНТА НА ФОРМИРОВНИЕ КОНТАКТНОЙ ЗОНЫ "ЦЕМЕНТ - ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОЕ

СТЕКЛО"

При выборе цементов для исследований исходили из следующих тредпосылок: а) цементы должны обладать высокими механическими характеристиками, обеспечивать целостность конструкции и нормирование показатели прочности изоляторов и их остатков; б) продукты гидратации цементного камня связки не должны оказывать агрессивного воз-сействия на электроизоляционное стекло.

Предварительные опробования показали, что указанным требовании отвечают следующие виды цементов: шлакопортландцемент, гли-юземистый, высокоглиноземистый и белитосульфоалюминатный.

Учитывая высокие требования к качеству и эксплуатационной на-(ежности подвесных тарельчатых стеклянных изоляторов, специфичность лужбы материала связки в их конструкции, а также отсутствие предвари-■ельных рекомендаций по опробованию глиноземистого, высокоглинозе-гастого и белитосульфоалюминатного цементов в этом направлении выкинули необходимость изучения возможности применения этих вяжущих

для сборки. С этой целью было проведено определение таких основных параметров цементных связок как соотношение компонентов, водоцементное отношение и режимы твердения.

При сборке подвесных тарельчатых изоляторов применяется цемент-но-песчаный состав на основе портландцемента М600 с соотношением компонентов 3:1 (три части цемента и одна часть песка), обеспечивающий показатели механической прочности в образцах-балочках при изгибе > 9 МПа и сжатии > 55 МПа (контрольный).

При подборе составов связок на выбранных видах цементов была подтверждена закономерность, согласно которой с увеличением доли цемента вплоть до состава 3:1 происходит интенсивное нарастание механической прочности связки. Дальнейшее увеличение цементной составляющей не дало существенного приращения прочности. Опробование состава на основе шлакопортландцемента проводили без заполнителя, так как цемент этого вида уже содержит добавки в количестве 50%.

Выбор оптимального водоцементного отношения для связок проводили с учетом двух определяющих факторов, находящихся в обратнопро-порциональной зависимости (показатели механической прочности и консистенции цементного раствора связки). Нормированная консистенция, определяемая методом расплыва конуса на встряхивающем столике в соответствии с ГОСТ 310.4-81, должна находиться в пределах 210-230 мм. Установлены следующие оптимальные значения водоцементного отношения для исследуемых цементов: шлакопортландцемент - 0,24; глиноземистый - 0,25; высокоглиноземистый - 0,38 и белитосульфоалюминатный -0,27.

Подбор параметров твердения связок на основе исследуемых видов цементов проводили на образцах-балочках размером 40x40x160 мм, изготовленных и испытанных в соответствии с требованиями ГОСТ 310.4-81.

Процесс твердения связок на основе портландцемента при производстве изоляторов осуществляется по следующей схеме: 4 ч при температуре (45+5)° С и 7-12 ч (в зависимости от класса изолятора) при температуре (85±5)° С в паровоздушной среде с последующим плавным снижением температуры в течение часа.

Установлено, что оптимальный режим твердения для связок на основе шлакопортландцемента совпадает со схемой портландского цемента из-за близости минералогического состава и эффективного реагирования данного вида вяжущего на тепловлажностную обработку.

Выбор оптимального режима твердения связки на основе белито-сульфоалюминатного цемента проводили методом математического планирования эксперимента при условии применения тепловлажностной обработки. Установлены следующие параметры: твердение в паровоздушной среде при температуре (85±5)° С в течение 5 ч; охлаждение до температуры (35±5)° С в течение 2 ч.

Проведенный поиск по определению режимов твердения связок на основе глиноземистого и высокоглиноземистого цементов определил как

наиболее целесообразный комбинированный вариант, включающий трехсуточное пребывание в воде при температуре (18±2)° С с последующим твердением в воздушной среде.

Установленные параметры связок для исследуемых видов цементов были использованы в экспериментальных работах при оценке влияния продуктов гидратации цементного камня на электроизоляционное стекло.

На первом этапе исследования проводили на образцах-балочках, изготовленных из электроизоляционного стекла, используемого при производстве изоляторов. Механическая и термическая прочность образцов обеспечивалась закалкой по технологическим режимам изготовления изоляционных деталей.

В качестве основных критериев оценки влияния продуктов гидратации цементного камня связки на стеклянные образцы были приняты:

- прочность при изгибе;

- термостойкость.

Стеклянные образцы заформовывали в рабочие растворы связок, приготовленные по разработанным параметрам.

После окончания цикла твердения образцы были размещены в помещении лаборатории. Испытания образцов на прочность при изгибе и термостойкость проводили через 1, 6 и 12 месяцев. Оценку полученных результатов испытаний выполняли с использованием методов математической статистики.

Установлено, что в возрасте до 12 месяцев у образцов из электроизоляционного стекла наблюдалось снижение средних показателей прочности при изгибе по сравнению с незаформованными. При чем для образцов, за-формованных в портландцементную связку, эта зависимость выражена в большей степени по сравнению с образцами для исследуемых видов вяжущих. Данная зависимость установлена также и при сравнительном анализе результатов испытаний на термостойкостью. Это свидетельствует о более агрессивном воздействии продуктов гидратации портландцементной связки на электроизоляционное стекло по сравнению с исследуемыми составами и подтверждается данными РФА и электронномикроскопических исследований. Анализ результатов этих исследований показал, что особенности формирования контактной зоны зависят от вида цемента. Выделяющийся при гидратации портландцемента гидроксид кальция взаимодействует с электроизоляционным стеклом с образованием высокоосновных гидросиликатов кальция. При этом отмечено, что на поверхности стекла появляются микротрещины.

Гидратация шлакопортландцементой связки протекает с образованием небольшого количества гидроксида кальция, который на ряду со стеклом взаимодействует со стеклообразной фазой шлаковой составляющей. При этом образуются низкоосновные гидросиликаты кальция.

При гидратации глиноземистого цемента Са(ОН)2 отсутствует. Продукты гидратации представлены гидроалюминатами кальция С2АЩ, СзАНб и гелем гидроксида алюминия А1(ОН)з. На поверхности стекла

имеются участки аморфной массы, которую по данным микрорентгено-спектрального анализа можно отнести к стратлингиту (СгАБЩ).

Фазовый состав контактной зоны при использовании высокоглиноземистого цемента аналогичен. Отмечается большее количество А1(ОН)з, СзАНб и С2АН8 и отсутствие гидроксида кальция.

При использовании белитосульфоалюминатного цемента наблюдается образование гидросульфоалюмината кальция (СзА-ЗС§-Нз1), гидромо-носульфоалюмината (СзА-СБ-Нп), гидроалюминатов кальция и гидроксида алюминия, а также гидросиликатов кальция (СБН), обусловленных гидратацией СгБ. У этого цемента, также как у глиноземистого и высокоглиноземистого цементов, на поверхности стекла имеются участки плотной аморфной массы предположительного состава СгАЁШ.

Сравнительный анализ полученных данных позволил выявить следующую закономерность степени взаимодействия продуктов гидратации цементных связок с электроизоляционным стеклом (по мере убывания): портландцемент -> шлакопортландцемент -> белитосульфоалю-минатный цемент глиноземистый цемент -> высокоглиноземистый цемент.

Результаты проведенных исследований показывают, что наиболее плотный контактный слой образуется при использовании глиноземистых и белитосульфоалюминатного цементов. При использовании поргландского цемента образуется рыхлый контактный слой, в котором присутствуют крупные кристаллы гидроксида кальция, имеются кристаллы карбоната кальция и гидросиликаты кальция, представленные чешуйчатыми и пластинчатыми кристаллами. Полученные данные позволяют предположить, что наибольшие адгезионные свойства и прочный контактный слой имеют глиноземистые цементы, а наименьшие - портландцемент.

Для проверки высказанного предположения была изучена прочность сцепления стекла и цемента, которую оценивали по показателям адгезионной прочности при испытании на сдвиг. Полученные данные подтвердили сделанные ранее выводы. Установлено, что адгезионная прочность (в МПа) убывает в ряду: высокоглиноземистый цемент - 2,8; глиноземистый цемент - 2,5; белитосульфоалюминатный цемент - 2,1; шлакопортландцемент - 2,0 и портландцемент - 1,6.

На втором этапе исследований оценку влияния продуктов гидратации цементного камня связки на электроизоляционное стекло проводили на подвесном тарельчатом стеклянном изоляторе ПС 120Б. В качестве критерия оценки влияния продуктов гидратации цементного камня связки на стекло были приняты показатели механической прочности изолятора в целом и его остатка, который должен обеспечивать целостность сцепления изоляторов в гирлянде на линиях электропередачи при разрушении юбки тарельчатой стеклянной изоляционной детали.

В ходе проведения исследований было отмечено, что характерной особенностью цементного теста на основе белитосульфоалюминатного вяжущего является быстрая потеря подвижности из-за коротких сро-

ков схватывания (10-15 мин), что, в свою очередь, вызывает необходимость его использования в кратчайшие сроки. Быстрое ухудшение удобо-укладываемости белитосульфоалюминатной связки в шапку и изоляционную деталь не позволило осуществить процесс сборки опытной партии изоляторов в условиях экспериментального производства на сборочном вибростанке.

Ограниченность выпуска и высокая стоимость высокоглиноземистого цемента не выявили целесообразность использования данного вида вяжущего в производстве подвесных тарельчатых стеклянных изоляторов.

Поэтому для сборки изоляторов были опробованы следующие составы: на основе портландцемента М600 с заполнителем (контрольный состав); на основе глиноземистого цемента М500 с заполнителем; на основе щлакопортландцемента М400 без заполнителя.

Сборку изоляторов осуществляли в условиях экспериментального производства НИИВН на однопозиционном вибростанке. Результаты испытаний изоляторов для исследуемых составов связок оценивали по пока-?ателям фактической минимальной (РМИн.), максимальной (Рлик-), средней Т), а также минимальной расчетной механической прочности (Ррп=Р-За) и :реднего квадратического отклонения (а).

Поптлапдпемент - Шлакоггоптланлпемепт

X

240-г

-0 ь- о 220-

0 1 200

X о 180

о. 160

1_ 140-

120

100

80-

60-

40-

20-

о-

Глиноземистый цемент

1 - Срок испытаний

1 месяц;

2 - Срок испытаний

б месяцев

2 12 12

- Фактическая прочность; А - Открытая

площадка; - Минимальная расчетная Б - Влажные прочность условия

Рис. 1. Механическая прочность изоляторов

Установлено, что уже в шестимесйчном возрасте наибольшее сниже-ие минимальной и расчетной прочности зафиксировано у изоляторов энтрольного исполнения (рис. 1) не зависимо от условий их выдержки открытая площадка или влажные условия).

Для изоляторов на глиноземистом цементе выявлены наряду с высокими показателями механической прочности разрушения по материалу связки (снятие шапок), что является не допустимым фактом, а также зафиксированы низкие значения механической прочности остатков изоляторов. Это послужило причиной исключения этого цемента из дальнейших исследований.

При этом отмечена тенденция снижения прочности изоляторов всех исполнений, находившихся на открытой площадке, по сравнению с изоляторами, хранившимися во влажных условиях. На этом основании было сделано предположение, что наблюдаемое изменение прочности может быть также связано и с изменением деформативных свойств связок,( во влажных условиях цементный камень находится в более "пластичном, размягченном" состоянии, способном уменьшать концентрации напряжений, возникающих в силовом узле изолятора), т. е. на прочность изолятора в целом могут оказывать влияние не только взаимодействие продуктов гидратации связки с электроизоляционным стеклом, но и упруго-деформативные характеристики цементного камня.

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАТИВНЫХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТНЫХ СВЯЗОК И ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯТОРА

Для проверки высказанного предположения проводились определения упруго-деформативных характеристик цементных связок на основе портландского и шлакопортландского цементов во времени и исследования напряженно-деформированного состояния изолятора с использованием динамики изменения данных показателей связок.

Выявлено, что прочностные характеристики цементных связок, коэффициенты Пуассона и линейного расширения, а также модуль Юнга несколько увеличивались со временем, усадка имела монотонно возрастающий характер, причем с течением времени интенсивность ее роста снижалась.

Структурный анализ методами оптической микроскопии выявил большую плотность микро- и мезотрещин в шлакопортландцементом камне связки по сравнению с портландским. Это, наряду с отсутствием кварцевого песка в составе шлакопортландцемента, объясняет более интенсивное протекание усадки в данной связке по сравнению с портландской.

Графические зависимости, описывающие процесс ползучести, имели двухстадийный характер, по форме напоминали кривые ползучести металлических материалов и свидетельствовали о большей ползучести шла-копортландцементного камня связки по сравнению с портландским, что также обусловлено различным структурным состоянием этих материалов и меньшим уровнем модуля упругости шлакопортландцемента, способствующими облегченному развитию трещин.

Расчет напряженно-деформированного состояния выполняли с помощью пакета прикладных программ, реализующего автоматизированное

решение задач. В качестве метода математического анализа использовался метод конечных элементов.

При анализе результатов выполненного расчета выявлено неравномерное распределение эквивалентных напряжений по всему объему изолятора. Локализация напряжений в основном наблюдалась на первом внутреннем выступе изоляционной детали, на стержне у его основания и на грилегагощем к нему теле связки, что совпадало с данными визуальных эсмотров о расположении центров разрушения в изоляторах, вышедших из ;троя на линиях электропередачи.

Установлено, что при изменяющемся во времени показателе упругости связок наблюдалось увеличение максимальных эквивалентных на-тряжений для портландцемента, в то время как для шлакопортландцемента зтмечено их снижение.

Таким образом результаты расчета показали, что одним из направ-гений создания более благоприятного, с позиции прочности, распределения напряжений в конструкции изолятора может являться использование 5 составах связок вяжущих, обладающих более "упругими" по сравнению с юртландским цементом характеристиками; другим направлением может >ыть применение покрытий, играющих как защитную, так и компенсирующую роль в зоне контакта "цемент - электроизоляционное стекло". Остановленную тенденцию изменения во времени прочностных и деф.орма-нвных свойств связок необходимо учитывать при оценке срока службы [золяторов на ВЛ.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РОЛИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ В ЗОНЕ КОНТАКТА "ЦЕМЕНТ - ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОЕ СТЕКЛО"

На основании результатов прсдваритального поиска для исследова-шй были выбраны следующие защитные покрытия: на основе полиурета-[а; меламинного лака; битумно-наиритовой композиции; раствора битума бензине, традиционно используемого в производстве изоляторов.

Нанесение и закрепление покрытий на образцы из электроизоляци-'Цного стекла проводили по режимам, соответствующим каждому составу.

Установлено, что в период до 12 месяцев образцы с покрытием на >снове полиуретановой и битумно-наиритовой композиций имели более ысокие показатели термостойкости и прочности при изгибе по сравнению образцами, заформованными в портландцементную связку.

При этом выявлено, что опробуемые защитные покрытия сохраняли о времени механическую прочность изоляционной детали в конструкции золятора по сравнению с контрольной партией на основе портландцемен-а, но при этом не обеспечили нормированную прочность его остатка. Потому был продолжен поиск защитного покрытия на основании анализа словий эксплуатации изоляторов и технико-экономической эффектив-ости технологического процесса защиты изоляционных деталей.

Установлено, что покрытие на основе поливинютхлоридной эмали [В-797, обладающее достаточной адгезией к поверхности стекла и не пре-

терпевающее изменений в интервалах температур от минус 60 до плюс 120° С, не снижало адгезионную прочность контактной зоны "цемент -электроизоляционное стекло" и защищало поверхность стекла от агрессивного воздействия портландцемента. Это подтверждено результатами люминисцентной дефектоскопии и измерением шероховатости поверхности профилометром типа "Калибр" (рис. 2), а также испытаниями образцов на изгиб.

0 0.2 а й

О 0.2

0 0.2

0.2

0.2

Без защитного покрытия

0

ца;

0.05

(лК

/^ТчлГ

С защитным покрытием ХВ-797 0.2"--

■а

0.2

О 0.2

О 0.2

0.2

0

/г

0.05

0.К

1,МЛ

0.10 1, мм

1 - исходное стекло; 2 - начальное состояние; 3 - в течение 1 меся-4 - в течение 6 месяцев; 5 - в течение 12 месяцев.

Рис. 2. Профилограммы поверхности электроизоляционного стекла.

Использовании защитного покрытия ХВ-797 позволило повысить во времени механическую прочность изоляторов, не снижая прочностных показателей их остатков ниже нормированных значений в начальном состоянии. На этом основании был сделан вывод о целесообразности использования данного покрытия в проведении дальнейших исследований, направленных на изучение динамики изменения прочности изоляторов и их остатков во времени с различными вариантами сборки.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВО ВРЕМЕНИ ДИНАМИКИ ИЗхМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗОЛЯТОРОВ

Изучение во времени прочностных характеристик подвесных тарельчатых стеклянных изоляторов проводилось с использованием выбранных на предыдущих этапах исследований вариантов сборки: цементно-песчанная связка на основе портландцемента (контрольная); шлакопорт-ландцементная связка без заполнителя и портландцементная с защитным покрытием силового узла изоляционной детали в зоне контакта с цемент-но-песчаным раствором связки..

Установлено, что за исследуемый период, включающий 12 месяцев, у контрольной партии (связка на основе портландцемента) отмечены тенденция снижения механической прочности изоляторов и увеличение процента их разрушений в интервале низких нагрузок по сравнению с изоляторами исследуемых вариантов сборки.

РФА и электронно-микроскопическими исследованиями контактной зоны "портландцемент - электроизоляционное стекло" в силовом узле изолятора установлено взаимодействие гидроксида кремния стекла и гид-роксида кальция с образованием гидросиликатного геля. При этом установлено, что количество Са(ОН)г увеличивалось с течением времени и оказывало агрессивное воздействие на электроизоляционное стекло.

У изоляторов на шлакопортландцементной связке отмечена тенденция роста прочности. Для контактной зоны "шлакопортландцемент - электроизоляционное стекло" на рентгенограммах в начальном состоянии фиксировались кремнезем, гидроксид кальция, интенсивность линий которого (с! = 4,93; 2,63; 1,79 А) существенно ниже, чем в контрольной серии, и слабоиитенсивные отражения, относящиеся к гидросиликатам кальция. Это находится в полном соответствии с процессом гидратации шлако-портяандцемента, содержащего в большом количестве активные минеральные добавки. С увеличением времени до 12 месяцев линии гидроксида кальция практически отсутствовали, а интенсивность отражений гидросиликатов и карбоната кальция возрастала.

Изоляторы с защитным покрытием имели наиболее высокие значения минимальных и расчетных показателей прочности и наибольший процент распределения механической прочности в интервале высоких нагрузок. Установлено так же, что на протяжении всего исследуемого периода у изоляторов этого исполнения зафиксирован наименьший процент разрушений по изоляционной детали, наибольший - у изоляторов контрольной партии. Изоляторы на шлакопортландцементной связке занимали промежуточное положение.

На рентгенограммах контактной зоны с защитным покрытием зафиксировано (по величине дифракционных максимумов) незначительное изменение концентрации Са(ОН)2, отмечены слабые отражения, присущие гидросиликатам кальция, образовавшимся при взаимодействии низкоосновных силикатов и кварца (заполнителя связки) с гидроксидом кальция, а

также ускорение процессов карбонизации Са(ОН)г по сравнению с контрольной серией.

Установлено, что на протяжении всего исследуемого периода у остатков изоляторов контрольной партии и со связкой на основе шлако-портландцемента наблюдалась тенденция роста показателей механической прочности. Наибольший прирост прочности отмечен у изоляторов на шлакопортландцементе. Это объясняется более эффективным реагированием на тегаювлажностную обработку шлакопортландцементного камня по сравнению с портландским.

Показано, что механическая прочность остатков изоляторов с защитным покрытием соответствовала требованиям, предъявляемым к изоляторам класса 120, и имела наиболее стабильный характер, несмотря на некоторое относительное снижение по сравнению с контрольными.

В результате проведенных исследований установлено, что опробуемые варианты сборки позволили повысить механическую прочность подвесных тарельчатых стеклянных изоляторов во времени, открывая тем самым возможность повышения их долговечности.

ВЫПУСК ОПЫТНОЙ ПАРТИИ ИЗОЛЯТОРОВ И ОБСЛЕДОВАНИЕ ИХ В ПЕРИОД ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Производственное опробование предлагаемых вариантов сборки изоляторов осуществляли в условиях экспериментального производства НИИВН и Южноуральского арматурно-изоляторного завода.

На основании разработанного маршрутно-операционного описания технологического процесса сборки были выпущены опытные партии подвесных стеклянных изоляторов ПС 120Б со связками на основе портландцемента с заполнителем; щлакопортландцемента без заполнителя и портландцемента с защитным покрытием силового узла изоляционной детали.

После сборки изоляторы были переданы Краматорскому ПЭС Дон-бассэнерго и установлены на ВЛ 330 кВ Славянская ГРЭС - Змиевская ГРЭС. Обследование изоляторов проводили два раза в год. За период подконтрольной эксплуатации с III кв. 1989 г по II кв. 1994 г не было отмечено случаев отказа изоляторов опробуемых вариантов сборки.

Послеэксплуатационные испытания изоляторов, демонтированных с ВЛ, показали (рис. 3.), что изоляторы опробованных вариантов сборки (связка на основе щлакопортландцемента и портландцемента с защитным покрытием силового узла) имели:

- более высокие показатели механической прочности (минимальной, средней, максимальной и расчетной) по сравнению с контрольной партией;

- более высокий процент распределения механической прочности при высоких нагрузках (> 180 кН) по сравнению с контрольной партией;

- более низкий процент разрушений по изоляционной детали по сравнению с контрольной партией.

Р

,999 -

Рис. 3. Сравнение проч-

ностных характеристик

,95 ,9

изоляторов.

,7 ,6 ,5 ,4 ,3

,8

- связка на основе портландцемента с заполнителем;

о - связка на основе шлако-портландцемента без заполнителя;

,05

,1

80

100 120 140 -160 180 200 220

Р,кН

А - связка на основе портландцемента с защитным покрытием силового узла.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Научно обоснован и экспериментально подтвержден в промыш-нных условиях метод повышения механической прочности подвесных рельчашх стеклянных изоляторов класса 120 и выше путем изменения става цементных связок и нанесения специальных защитных покрытий I поверхность силового узла изоляционных деталей.

2. Определено влияние вида цемента на формирование контактной ны "цемент - электроизоляционное стекло". Установлено, что в процессе дратации портландцементной связки, используемой для сборки изолято->в, происходит взаимодействие гидроксида кальция с кремнеземом стек-иной подложки изоляционного элемента с образованием оболочки из 1сокоосновпых гидросгошкагов кальция. При этом на поверхности стск-I появляются микротрещены. Снижение количества гидроксида кальция ш его полное отсутствие в продуктах гидратации исследуемых видов це-:нта способствует появлению плотной аморфной массы на поверхности :ектроизоляционного стекла. По степени взаимодействия цементной язки с поверхностью изоляционной детали цементы располагаются спеющим образом (по мере убывания): портландцемент -> шлакопортланд-:мент -> белитосульфоалюминатный цемент -> глиноземистый цемент —> .гсокоглиноземистый цемент. Адгезионные свойства связок и прочность »птактного слоя имеют другую последовательность: наиболее высокие их ;ачения имеют связки на основе глиноземистых, белитосульфоалюминат->го цементов и шлакопортландцемента, наименьшие - портландцемента.

3. Впервые определены во времени показатели упругих характери-ик, ползучести, коэффициента линейного расширения цементно-:счаных связок. Показано, что связки на основе шлакопортландцемента шадают большей деформативностью по сравнению с портландцемент->ши и меньшим модулем упругости.

4. Установлена тенденция изменения упруго-деформативных характеристик цементно-песчаных связок, свидетельствующая о том, что оценка долговечности изоляторов должна учитывать наряду с исходной механической прочностью динамику изменения их прочностных характеристик во времени.

5. Впервые показано, что использование в составах связок цементов, обладающих более "пластичными "характеристиками, является одним из путей создания более благоприятного, с позиции прочности, распределения напряжений в конструкции изолятора. Такие связки способны снижать локальные напряжения в изоляторе, обеспечивая большую его долговечность.

6. Установлена целесообразность применения защитных покрытий в зоне контакта "цемент - электроизоляционное стекло" и показано, что покрытия защищают поверхность электроизоляционного стекла от воздействия продуктов гидратации портландцементных связок. Подбор защитных покрытий выполнен с учетом реализации технологии защиты поверхности силового узла изолятора при незначительных затратах и без существенного изменения технологического процесса изготовления изоляци онных деталей, а также обеспечения нормируемых механических показате лей прочности изоляторов и их остатков в исходном состоянии.

7. Разработан технологический регламент, включающий маршрутно операционное описание технологического процесса сборки изоляторов Выпущены опытные партии изоляторов на экспериментальном произ водстве НИИВН и Южноуральском арматурно-изоляторном заводе i установлены в эксплуатацию на линиях электропередачи 330 кВ в систем' Донбассэнерго Краматорским ПЭС. Послеэксплуатационные испытание изоляторов, демонтированных по истечении пяти лет с линий электропере дачи, подтвердили эффективность разработанного способа сборки.

Расчетный экономический эффект от использования результатов ра боты составляет 3105 тыс. руб. в ценах 1991 г. на 1 технологическую ли нию.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Лютикова Т.А., Кривобородов Ю.Р., Кулик Н.М. Влияние цементны связок эксплуатационные характеристики подвесных стеклянны изоляторов. // Основы повышения эффективности производства и кг чества цемента: Труды НИИЦемента, материалы XY Всес. совещ.- ce.ui нара начальников ОТК (лабораторий) цементных заводов,- Москва 1990,-С. 247-248.

2. Самкова Л.Г., Москаленко А.М., Брежнева С.И., Кобцева Н.Л Карженок А.Г., Кулик Н.М. Повышение конструкционной прочности эксплуатационной надежности стеклянных подвесных изоляторо: // Проблемы прочности стекла и стеклокристаллических материало: Тез. докл. Всес. семин.- Константиновка.- 1992.- С. 102.

Самкова Л.Г., Москаленко A.M., Соболева К.Л., Карпенко А.Г., Кулик Н.М., Брежнева С.И., Кобцева II.Л. Эксплуатационная надежность стеклянных подвесных изоляторов.// Стекло и керамика.- 1991.-№8,- С.6-7.

Лютикова Т.А., Кривобородов Ю.Р., Кулик Н.М. Взаимодействие цементных связок с поверхностью подвесных стеклянных изоляторов. // Стекло и керамика.- 1993,- №11-12,- С. 39-40.

Лютикова Т.А., Кривобородов Ю.Р., Кулик Н.М. Исследование влияния цементных связок на эксплуатационные характеристики подвесных стеклянных изоляторов./УВНИИЭСМ. Промышленность строительных материалов. Сер.1. Цементная и асбестоцементная промышленность.-1997.-K9l.-C.7-8.

Патент №1579303. Высоковольтный подвесной изолятор / А.Б. Злака-зов. К.Л. Соболева, Н.М. Кулик. Т.В. Кузнецова //Открытие. Изобретения,- 1990,- №26.

Подп. в печ. 18.09-97 Заказ 126 Объем 1.0 п. л. Тираж 100 экз

Издательский центр РХТУ им. Д. И. Менделеева