Tilstandskontroll av liner under bendsling og oppheng

Transkript

1 Tilstandskontroll av liner under bendsling og oppheng System, problemer, årsaker, reststyrke og levetid.

2 Sannsynligheten for at liner svikter i lineoppheng. Kraftledningen utsettes for påkjenninger som: Kloridforurensning Is og vind Økt linetemperatur Lastvirkningen er et resultat av samvirket mellom systemet og påkjenningene: linestrekk, vibrasjoner pendling Linens egenskaper endres som funksjon av ulike nedbrytningsmekanismer. Disse oppstår pga. samvirket mellom komponentene, drifts- og miljøpåkjenningene Slitasje Utmatting korrosjon Systemarrangement / konstruksjon P(σ γ < Rm) 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00 LASTVIRKNING,σ d Pålitelighet Drifts- og miljøpåkjenninger Last Latvirkning, σ γ [N/mm 2 ] Tid Q Linens egenskaper under oppheng Strekkfasthet,R m R t,min Tøyning KAPASITET, R t,min

3 Tilstandskontroll av liner under bendsling og oppheng Systemarrangement Opphengsystemene Kraftledning Vinkelmast med avspenningsklemmer Bæremast med hengekjede Linen er utsatt for slitasje, korrosjon og utmattingsskader på strekk- og avspent side i en kileavspenning. Linens siste opplagerpunkt er utsatt for utmatting i en hengeklemme.

4 Tilstandskontroll av liner under bendsling og oppheng Systemarrangement Innhent opplysninger om de ulike opphengssystemene Hensikten er å: Klarlegge mulige angrepspunkt for ulike nedbrytningsmekanismer i linen. Gjøre det lettere å oppdage avvik og hvordan svikt på komponentnivå forplantes i linen og til andre komponenter.

5 Tilstandskontroll av liner under bendsling og oppheng Avspenningers mekaniske holdfasthet LINETYPE FEAL 35-6/1 BESTÅTT AVSPENNING MEK. FABRIKAT TYPE PRØVE ANMERKNING B. BERNTSEN AK 600, JA ENKEL KILE, TO KLEMMSTYKKER B. BERNTSEN AK 516, NEI ENKEL KILE, EN BOLTER I KLEMMSTYKKET B. BERNTSEN AK 516, JA ENKEL KILE, TO BOLTER, KONSTR. ENDR. ENSTO SO 85 NEI SNEGLE ENSTO SO 85 JA SNEGLE, KONSTRUKSJONSENDRING K. PFISTERER JA ENKEL KILE K. PFISTERER NEI PRESSAVSPENNING LORUNSER / 103 JA DOBBEL KILE RIBE JA DOBBEL KILE T. GREIFF 1035 K - 16 NEI SNEGLE

6 T1.2.2 Tilstandskontroll av liner under bendsling og oppheng NEDBRYTNINGSMEKANISMER De vanligste nedbrytningssmekanismene på liner kan gjenkjennes, som galvanisk korrosjon, spaltekorrosjon, gropkorrosjon, vekselstrømkorrosjon, interkrystallinsk korrosjon, gnidningskorrosjon og korrosjonsinitiert utmatting, slitasje og utmatting.

7 Utmatting Utmattingsslitasje har lenge vært kjent som en av årsakene til trådbrudd i ytre og indre trådlag i liner I punkt hvor linens bevegelser er hemmet, blir krumningen mye større enn i frie spenn Amplituden på den relative glidningen mellom trådlagene øker, små sprekker blir dannet og noen vokser til det oppstår trådbrudd.

8 Hvor opptrer utmattingsbrudd? Trådbrudd opptrer hovedsakelig ved hengeklemmer hvor de spesielle betingelsene oppfylles I mindre grad oppstår kan det oppstå lignende fenomener ved avspenningsklemmer, dempere, skjøter, markører eller avstandsholdere I loopen på avspent side av avspenningene kan det oppstå trådbrudd pga. slitasje og utmatting

9 Årsaker til utmattingsbrudd Kraftledninger kan bli utsatt for vibrasjoner i form av galoppering, eoliske vibrasjoner og delspennsvingninger. Galoppering er svingninger med lav frekvens (0-3Hz) og stor amplitude (flere meter). Galoppering blir gjerne observert i moderat til sterk vind, og forårsakes av usymmetrisk ising på lederen. Eoliske vibrasjoner er hovedårsaken til utmattingsbrudd. De har høyere frekvens (5-150Hz), liten amplitude (< linediameteren) og opptrer i svak til moderat vind (1m/s til 7m/s). Områder med lite turbulens vil være spesielt utsatt, for eksempel trange daler, åpne sletter, innsjøer, fjordkryssinger og områder med temperaturinversjon (for eksempel nær isbreer) Høyt linestrekk vil generelt gi kraftige vibrasjoner Andre vindinduserte bevegelser er pendlinger som kan føre til utmating og trådbrudd

10 Kunnskap om linevibrasjon og dens skadelige virkning er basert på studier i form av: Feltmålinger av liners bevegelser Enkle analytiske framstillinger av utmattingsfenomenet Beskrivelse av linens utmattingsegenskaper Evaluering av linens restlevetid

11 Feltmålinger av liners bevegelser Den motsatte bøyeamplituden er presentert som et alternativ for å kunne installere vibrasjonsmålere direkte på linen. Bøyeamplitudemetoden passer spesielt godt til den konfigurasjonen en line har i en opphengsklemme Det siste opplagerpunktet er lett å finne Siste opplagerpunkt Bøyeamplitude,Y b Xb= 89mm

12 Feltmålinger av liners bevegelser Type Funksjon Registrering Montasje / vedlikehold IEEE metode Senitur Direkte måling av vibrasjonsamplituden i hht. IEEE anbefaling Vibrasjon måles vha. seismisk masse og plottes i instrument Overføring fra instrument til PC via kabel Måleskive må tas ned for analyse Akselerometer Måler akselerasjon Målesignal må etterbehandles i PC Sandfylt rør Ball i et sandfylt rør som stiger ved vibrasjon. Indikator som må observeres jevnlig Monteres på spenningsløs line. Batteribytte Kan monteres AUS. Måleskive byttes. Krever ledning til bakken eller sender Kan monteres som AUS. Tilbakestilles. Strekklapp Måler tøyning i linen PC registrering Følsomt utst., robust sensor, strømtilførsel. Fibersensor Måler tøyning i linen PC registrering eller recorder. Teleskop Måler linens utslag i et punkt. PC registrering Videoovervåkn. Billedanalyse av posisjon PC registrering Monteres på spenningsløs line Følsomt utstyr som må beskyttes. Må ha strømtilførsel.

13 Feltmålinger av liners bevegelser Ontario Hydro recorder Vibrec Hilda Ribe LVR Scolar III TVM 90 Pavica

14 Enkel analytisk fremstilling av utmattingsfenomenet Line/ klemmesystemet beskrives som en utkraget bjelke Bøyeamplitudemetoden er kun gyldig for liner med eller uten stålkjerne, som festes med solide metall til metall klemmer Gjelder ikke for dempeklemmer Yb Xb = 89mm

15 Enkel analytisk fremstilling av utmattingsfenomenet En idealisert bøyespenning σ a kan beregnes vha. Proffenberger-Swarts formel, i øverste tråd ved linens siste opplagerpunkt. Evaluering av restlevetid basert på utmattingsholdfasthetsdata Idealisert bøyespenning kontra svingninger til brudd Holdfasthetsgrenser σ a = 22MPa for stålaluminiumliner med ett trådlag σ a = 8,5MPa for stålaluminiumliner med flere trådlag Bøyespenning, σ a 22,5Mp 8,5Mp Lastvekslinger til brudd, N

16 Korrosjonsutmatting Korrosjonsutmatting er sprekkdanning som følge av varierende spenninger og samtidig korrosjon Typiske utmattingsbrudd fra ikke korrosive miljø viser stort, glatt sprekkflateareal der sprekken har vokst ved utmatting og et vanligvis mindre areal med ru og krystallinsk flate oppstått ved restbrudd når maksimalspenningene når strekkfastheten. I de fleste tilfeller er korrosjonsutmattingsbrudd transkrystallinske og ofte forgreinet i motsetning til brudd ved tørr utmatting Korrosjonsutmatting opptrer for alle material- miljøkombinasjoner der en får generell eller lokal overflatekorrosjon. Tørr utmatting har en nedre grense for skadelige spenninger (utmattingsgrensen).

17 Korrosjonsutmatting Dersom en har et hakk i materialet som medfører større eller mindre geometriske defekter og dermed spenningskonsentrasjon, blir antall veksler til brudd mindre og utmattingsgrensen lavere.

18 Korrosjonsutmatting I et korrosivt miljø får en flere virkninger: Antall lastvekslinger til brudd minker Utmattingsgrensen elimineres eller reduseres drastisk slik at utmattingsbrudd bli mulig ved ganske små spenninger Antall vekslinger til brudd blir avhengig av frekvensen Initiering av sprekkutvikling pga. spaltekorrosjon, galvanisk korrosjon og ACkorrosjon. Bøyespenning, σ a Bøyespenning, σ a STÅL ALUMINIUM Tørt miljø Tørt miljø Korrosivt miljø Korrosivt miljø Lastvekslinger til brudd, N Lastvekslinger til brudd, N

19 Korrosjonsutmatting Sprekkutviklingen kan inndeles i fire ulike stadier 1. Initiering 2. Sprekkvekststadium med sprekkretning ca 45 o i forhold til strekkspenningsretningen 3. Sprekkvekststadium 4. Restbrudd a) Spaltekorrosjon b) Galvanisk korrosjon c) Fretting (tråder som beveger seg mot hverandre ved vibrasjon) d) Hakk fra froskekjeft

20 Korrosjonsutmatting Virkningen av korrosjon er bla. Dannelse av korrosjonsgroper som gir spenningskonsentrasjoner Gjensidig akselerasjon av korrosjon og mekaniske skadevirkninger 1. Korrosjonsindusert plastisk flytning 2. Deformasjonsindusert korrosjon Ved kraftig slitasje eller trådbrudd kan det initieres vekselstrømskorrosjon som gir rask nedbrytning

21 Korrosjonsutmatting Faktorer som virker inn på initiering og tidlig vekst Frekvens og temperatur Liten innvirkning på antall veksler til brudd ved tørr utmatting Sterk innvirkning ved korrosjonsutmatting Temperaturen har stor betydning ved korrosjon Oksygentilgang ph Sprekkveksthastigheten Sprekkveksthastigheten [mm/veksel] kan uttrykkes som spenningsintensitetsvidden: d a /d N = f(δk) der spenningsintensitetsvidden ΔK= YΔσ πa a = sprekkdybden Y = amplitude Δσ = nominell spenningsvidde

22 Korrosjonsutmatting Vern mot korrosjonsutmatting og slitasje Reduksjon av strekkspenningsnivået (redusert linestrekk) Liner med selvdempende egenskaper Vibrasjonsdemping Hengeklemmer som gir liten radiell spenning Bruk av belegg på de områdene der utmattingspåkjenningene er størst (sinkbelegg i hengeklemmene) Endring av miljø (redusere oksygentilgang ved innfetting) Hengeklemmer som er fleksible, og absorberer vindpåkjenninger på tvers av linjen Systemkonfigurasjon som gir liten looppendling i avspenningsmaster

23 Hendelser Skader under bendsling, i hengeklemmer og avspenningsklemmer

24 Line under bendsling Utmattingsbrudd under bendsling Tette bendslinger kan gi økt korrosjon

25 Hengeklemme Hengeklemmens utforming kan påvirke sannsynligheten for utmattingsbrudd Deformering, radielle trykkspenninger, kombinerte bøye- og trykkspenninger, dynamiske spenninger og spenningskonsentrasjoner unngås ved: Langt bæreparti Tilpasning til linas diameter Separat klemme- og bæreparti Stor krumningsradius Rotasjonsaksel nær linas senterlinje Avrundet klemstykke

26 Hengeklemme Korrosjon mellom linetrådene i og utenfor hengeklemmen Kan skyldes kraftig slitasje eller trådbrudd inne i klemmen Skader kan initiere vekselstrømskorrosjon mellom skadde og uskadde Al-tråder

27 Avspenningsklemme Hardt tiltrukket klemstykke har deformert linen Kan ha redusert bruddstyrken De kraftige radielle trykkspenningene øker sannsynligheten for utmattingsbrudd

28 Loop i avspenningsmast på 132kV linje 1 Brudd i loopen av FeAl /7 kan skyldes: Spenningskonsentrasjoner nær klemstykket på avspent side av avspenningsklemmen Slitasje som gir sprekkvekst i linen ved avspenningsklemmens bæreparti En lang loop som får store pendelbevegelse i kraftig vind, gir stor slitasje på linen Kraften i pendelbevegelsen forsterkes av loddenes masse

29 Levetid Linens estimert levetid basert på prøveuttak og skadeanalyser

30 Kontroll av linens tilstand i og ved avspenningsmast på 132kV linje 2 Observasjonspunkt på linen ved avspenningsmasten Feal /7 Byggeår 1963 Kontrolltidspunkt ) Avspenning 10) Avspenning 1) 2m fra avspenning 2) 1m fra avspenning 3) 5) 7) 9) Tape under klemm e 11) 12) 1m fra avspenning. 13) 5m fra avspenning. 14) 9m fr avspe. 6) 1m fra avspenning.

31 FeAl /7 i avspenningsmast på 132kV linje 2 På begge sider av avspenningsklemmene er det mange utvendige og innvendig sårskader på aluminiumtrådene, Kan initiere brudd ved vibrasjoner og stor islast ( punkt 4).

32 FeAl /7 i avspenningsmast på 132kV linje 2 Kraftig slitasje på indre trådlag i spennet ca 1m utenfor avspenningsklemmen (pkt2) Skyldes trolig vibrasjon i spennet

33 FeAl /7 i avspenningsmast på 132kV linje 2 Linas overflate i loopen har flere kraftige sår etter stående og vandrende lysbuer (pkt.2), som kan skyldes: Overspenninger Redusert isolasjonsholdfasthet Sammenslag Gir kraftig styrkereduksjon Gir bruddanvisning ved vibrasjon

34 FeAl /7 i avspenningsmast på 132kV linje 2 Tversgående hakk i spennet like utenfor avspenningsklemmen Sannsynligvis spor etter oppstrekkingsverktøy under montasje Kan gi bruddanvisning ved vibrasjon

35 FeAl /7 i avspenningsmast på 132kV linje 2 Tape rundt linen på avspent side av klemmen Tversgående hakk ved kanten av tapen Bruddanvisning ved vibrasjon Spaltekorrosjon under tapen Styrkereduksjon Bruddanvisning Slitasje på indre trådlag Tyder på vibrasjon i loopen

36 FeAl /7 i avspenningsmast på 132kV linje 2 Spaltekorrosjon mellom linens overflate og avspenningsklemmen kan gi: Styrkereduksjon Korrosjonsutmatting ved vibrasjoner

37 FeAl /7 i avspenningsmast på 132kV linje 2 Spaltekorrosjon under hengeklemmen i loopen Gir styrkereduksjon Bruddanvisning ved pendling og vibrasjon

38 FeAl /7 i avspenningsmast på 132kV linje 2 Oppsummering av registrerte skader På strekk- og avspent side av avspenningsklemmene har lina styrkereduksjon og bruddanvisninger i form av lysbuesår, slitasjesår og tversgående hakk. Det er spaltekorrosjon på linens overflate under avspenningsklemmene og hengeklemmen, Stålkjernen har kun antydning til punktkorrosjon ved avspenningsklemmene. Punktkorrosjon på stålkjernen påvirker ikke bruddstyrken. Slitasjesår mellom lina og avspenningsklemmene og mellom trådlagene indikerer vibrasjoner, som kan føre til sprekkvekst i sårene, i korrosjonsangrepene og i mikrosprekker på slitasjeflatene.

39 FeAl /7 i avspenningsmast på 132kV linje 2 Analyse av aluminiumtrådenes styrke Strekkspenningen i Al-trådene ved en last på 40% av linas bruddlast er 85N/mm 2 Skaden i loopen er større enn ute i spennet Svakeste Al-tråd i loopen har en bruddspenning på 91 N/mm 2 Svakeste Al-tråd i spennet har en bruddspenning på 114 N/mm 2 Linens bruddstyrke beregnes på grunnlag av normkravet, 159 N/mm 2 Linas styrke i spennet er redusert fra 67,2kN til 36KN Sannsynlighet for brudd ved en gitt strekkspenning 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Spredning i aluminiumtrådenes bruddspenning i FeAl / Strekkspenning, R (N/mm 2 ) 2, 1m ute i spenn 1 3, Avsp., spenn1 4, Avsp.,loop 8, Loop 9, Avsp., loop 11, Avsp., spenn 2 14, 10m ute i spenn 2 Referanse

40 FeAl /7 i avspenningsmast på 132kV linje 2 Linens estimerte levetid Linens alder er 40 år Skadegrensen er her definert som strekkspenningen i Al-trådene ved en last på 40% av linas bruddlast Restlevetiden varierer fra 1-32år Levetid [år] , 1m ute i spenn 1 3, Avsp. spenn 1 5, Avsp. loop 6, 7, Loopklemme 8, Loop 9, Avsp., loop 11, Avsp. i spenn 2 12, 1m ute i spenn 2 13, 5m ute i spenn 2 14, 10m ute i spenn 15, Ca 15m ute i spenn 2 Posisjon

41 Linebrudd ved avspenning på 132kV linje 3 Linebrudd ved loopskjøt

42 Loopskjøt på 132kV linje 3 Bruddet har oppstått i overgangen mellom hylseåpningen og vernespiralen Det blir store bøyespenninger i innspenningen blant annet fordi vernespiralen gjør linen stiv og lite bøyelig

43 Loopskjøt på 132kV linje 3 Bruddet har oppstått i overgangen mellom hylseåpningen og vernespiralen like utenfor hylsen De fleste trådene har tverre eller skrå bruddflater som kan tyde på slitasje og utmattingsbrudd

44 Loopskjøt på 132kV linje 3 Ellipseformede slitasjesår på Al-trådenes nest ytterste lag. Slitasjen indikerer vibrasjon eller pendling i loopen

45 Loopskjøt på 132kV linje 3 I en sektor på linens underside er det kraftig overflateslitasje på Altrådene pga. relativbevegelse mot hylseveggen i loopskjøten Skaden tyder på at linen har hatt pendelbevegelse i loopen

46 Nedbrytning i en 42 år gammel Condor line under en AK600 avspenningsklemme fra en 132kV linje 4. Strekkprøver av linetråder og visuell undersøkelse av den 42 år gamle linen i et avspenningspunkt, viser at de svakeste Altrådene under avspenningsklemmen kan ha inntil 50 % styrkereduksjon. Beregninger viser at linens styrke er ca 15 % under linens nominelle styrke. Hvis normkravet til aluminiumtrådenes strekkfasthet i NEN eller 30 % styrkereduksjon i aluminiumtrådene legges til grunn som skadegrense, så er trådene estimert restlevetid utløpt. Dersom Al-trådenes strekkspenning ved 40 % av linens bruddlast legges til grunn som nedre grense, så er Al-trådenes resterende levetid under avspenningsklemmen estimert til ca 4 år.

47 42 år gammel Condor line under en AK600 avspenning fra 132kV linje 4 Condorline under avspenningsklemme

48 42 år gammel Condor line under en AK600 avspenning fra 132kV linje 4 Condorlinen etter at avspenningsklemmen er demontert. Under klemstykket oppstår det bølgeformede bend på linen. Kilefunksjonen gir kraftige radielle krefter, som komprimerer linen.

49 42 år gammel Condor line under en AK600 avspenning fra 132kV linje 4 Under klemstykket har ytre aluminiumlag punkt med spaltekorrosjon og groptæring. Slike skader fungerer som bruddanvisning, gir trådene sprø tendens og kan lede til utmattingsbrudd nær nye opphengspunkt.

50 42 år gammel Condor line under en AK600 avspenning fra 132kV linje 4 Det er kraftig slitasje på linens overflate under bølgeklemmen. Skaden kan skyldes pendling i loopen. Sårene gir kraftig styrkereduksjon, og ute i et spennet kan disse trådene tøye seg, bli slakke og føre til slitasje mot nabotrådene. Dette kan i sin tur gi ujevn strømfordeling og initiering av AC- korrosjon.

51 42 år gammel Condor line under en AK600 avspenning fra 132kV linje 4 Elipseformede spor mellom trådlagene under klemmen. Skyldes dels deformasjon under klemmen og slitasje pga. bevegelse mellom trådlagene. Skadene gir litt styrkereduksjon, kan føre til ekstra tøyning og slakkere tråder

52 42 år gammel Condor line under en AK600 avspenning fra 132kV linje 4 Sinken på stålkjernen er delvis tæret bort. Sinken har begrenset evne til å beskytte stålet og aluminiumtrådene mot korrosjon. Stålet har derfor punktvis korrosjon.

53 42 år gammel Condor line under en AK600 avspenning fra 132kV linje 4 Trådene er kraftig deformert under kilen i avspenningsklemmen. Deformasjonen har trolig liten styrkemessig betydning. I de trange spaltene som er dannet mellom de sammenpressede trådene har det oppstått begynnende groptæring. Groptæring kan initiere sprekker og gi utmattingsbrudd nær nye opphengspunkt.

54 42 år gammel Condor line fra 132kV linje 4 Spredningen og den store reduksjonen av aluminiumtrådenes styrke tyder på at den 42 år gamle linen kan ha vært utsatt for kraftig nedbrytning i det kontrollerte punktet under avspenningsklemmen. Linens styrke under avspenningsklemmen og i det frie spennene er beregnet til hhv. 105,7 kn og 121 kn. Dette er hhv. 15 % og 2 % under linens nominelle bruddlast P Nom. Relativ kumulativ frekvens (p 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Spredning i aluminiumtrådenes bruddspenning i Condor / Bruddspenning, R (N/mm2) 50cm utenfor avspenning sklemmen Under avspenning sklemmen

55 42 år gammel Condor line fra 132kV linje 4 Estimert nedbrytningshastighet under avspenningsklemmen Hvis vi benytter normkravet til aluminiumtrådenes strekkfasthet i hht. NEN eller 30 % styrkereduksjon av aluminiumtrådene som skadegrense, så har den 42 år gamle linen passert disse grensene. Tiden fram til svakeste tråd har samme styrke som opptredende strekkspenning ved en belastning på 40 % av linens bruddlast ( σ R min ) er estimert til ca 4år. 1,3 Relativ endring (k) av Al-trådenes strekkfasthet R o, maks / R NEN 1,2 R o, min / R NEN 1,1 1,0 0,9 0,7R o, Maks / R NEN 0,8 0,7 0,6 R 0,4P / R NEN 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 Estimert levetid [år]

56 42 år gammel Condor line fra 132kV linje 4 Estimert nedbrytningshastighet ca 50 cm utenfor avspenningsklemmen 1,3 Relativ endring (k) av Al-trådenes strekkfasthe R o, maks / R NEN R o, min / R NEN 0,7R o, Maks / R NEN R 0,4P / R NEN 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Estimert levetid [år]

57 Linje 5 Estimert restlevetid til uinnfettet FeAl /19 langs en 132 kv-linje Linens levetiden i opphengpunktene er her tilnærmet halvert i forhold til liner i fritt spenn Under loop - hengeklemme i FM101 0,5m innenfor avsp. i loop i FM101 Under avspenningsklemme i FM101 Like utenfor avspenning i FM m utenfor avspenning i FM101 I spenn et stykke fra skjøt 1 mot FM101 Ved skjøt 1, side FM101 Ved skjøt 1, side M102 Bæreklemme i M114 I spenn et stykke fra skjøt 2 mot M114 0 Største estimerte restlevetid- T Maks Minste estimerte restlevetid- T Min Gjennomsnittlig estimert restlevetid- T Middel Estimert restlevetid [år] Ved skjøt 2, mot M114 Ved skjøt 2, mot M115 Kontrollpunkt