Разработка серии унифицированных железобетонных стоек опор ВЛ 0,4 кВ и 6–20 кВ повышенной долговечности

В настоящей статье приведены результаты определения оптимального способа армирования железобетонных вибрированных стоек опор ВЛ 0,4–20 кВ повышенной долговечности, основанного на безусловном соблюдении требований нормативно-технической документации и учитывающего необходимость использования при изготовлении конечного изделия модифицирующей добавки — амфифильного поликарбоксилата. Представлено заключение об успешности проведения механических испытаний опытных образцов стоек повышенной долговечности, изготовленных на основании разработанной конструкторский документации. Проведены технико-экономическая оценка результатов НИОКР и заключение о возможности обеспечения срока службы железобетонных стоек не менее 50 лет с возможностью исключения применения поверхностной гидроизоляции за счет повышения марки бетона по показателям водонепроницаемости и морозостойкости до W18 и F₂200 соответственно без их существенного удорожания.

Микрюков В.В., и.о. главного инженерна по технологическому развитию и инновациям ПАО «Россети Центр»
Пацев А.А., главный специалист дирекции технологического развития и инноваций ПАО «Россети Центр»
Зайцев А.Н., начальник Управления технологического развития и цифровизации филиала ПАО «Россети Центр и Приволжье» — «Тулэнерго»
Мурачев А.С., начальник Управления инновационного развития и энергоэффективности АО «Россети Научно-инжиниринговый центр»
Демин А.В., главный эксперт Управления инновационного развития и энергоэффективности АО «Россети Научно-инжиниринговый центр»
Князев В.В., главный научный сотрудник АО «Россети Научно-технический центр»
Савотин О.А., начальник Департамента инновационной деятельности филиала АО «Россети Научно-технический центр» — СибНИИЭ

В настоящее время конструкция железобетонных вибрированных стоек опор воздушных линий электропередачи (ВЛ) напряжением 0,4–10 кВ преимущественно базируется на положениях технических условий, разработанных АО «РОСЭП» (ВГПИиНИИ «Сельэнергопроект») в 1994 году (ТУ 1994) [1], то есть с использованием старых технологий приготовления бетонных смесей и классов арматуры. Кроме того, за последние 25 лет в связи с расширением номенклатуры навесного оборудования различных типоразмеров и производителей, монтируемых непосредственно на опоры ВЛ 0,4–10 кВ, а также с развитием электрической сети напряжением 20 кВ, наблюдается увеличение нагрузок на опоры.

Сложившаяся тенденция, а также отмеченные в [2] несоответствия в нормативно-технической документации ПАО «Россети» и ГОСТ Р, стали основанием для проведения по заказу ПАО «Россети Центр и Приволжье» НИОКР «Разработка унифицированной серии железобетонных опор ВЛ 0,4 кВ и 6–20 кВ повышенной долговечности с использованием наномодифицированного бетона».

По результатам выполнения НИОКР были разработаны конструкторская документация (КД) и технические условия (ТУ) на железобетонные стойки повышенной долговечности (тип СВ ХХХ-Хд, далее — СВд, с присвоением индекса «д» — долговечные) длиной 9,5 м с изгибающим моментом 35 кН·м и 11 м с изгибающими моментами 50 кН·м и 70 кН·м.

Полученные по результатам НИОКР технические решения в полной мере соответствуют требованиям нормативных документов к методикам расчета, нагрузкам и воздействиям в соответствии с ПУЭ-7 для расчетных климатических условий (РКУ) I–IV, а также коэффициентам надежности, применяемым к материалам согласно СП 63.13330.2018 [3] и ГОСТ 8829 [4]. Это позволило получить изделия — стойки типа СВд, с улучшенными эксплуатационными характеристиками и со сроком службы 50 лет и более. Результаты НИОКР могут быть использованы при формировании альбомов типовых проектных решений для проектирования как ВЛ 0,4–10 кВ, так и для ВЛ относительно нового номинального класса напряжения 20 кВ. Железобетонные стойки с повышенным изгибающим моментом СВ 95–3,5д и СВ 110–7д разработаны впервые и не имеют аналогов.

Для стоек типа СВ в рамках реализации НИОКР был определен оптимальный состав бетонной смеси, позволяющий за счет внедрения наномодифицирующих добавок отечественного производства, оказывающих влияние на наноуровне на степень воздухововлечения и изменяющих структуру материала, получить бетон с показателями по водонепроницаемости и морозостойкости на уровне W18 и F₂200 [2].

ПОДХОДЫ К РАЗРАБОТКЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СТОЕК ПОВЫШЕННОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Как было отмечено выше, в настоящее время изготовление стоек типа СВ для нужд группы компаний ПАО «Россети» осуществляется преимущественно с использованием устаревших технологий. Принимая во внимание сложившуюся ситуацию, в рамках проведения НИОКР были сформированы следующие основные задачи:

1. Получение оптимального состава бетонной смеси, обеспечивающего выполнение требований п. 8.3.1.17 и п. 8.3.2.9 [5] в части срока службы изделия не менее 50 лет без необходимости применения дополнительной поверхностной гидроизоляции комлевой части стойки. Оптимальный состав бетонной смеси при этом должен быть получен на основании применения полностью отечественных модифицирующих добавок.

2. Оптимальный состав бетонной смеси должен быть применим для серийного изготовления стоек повышенной долговечности типов: СВ 95–3,5д, СВ 110–5д и СВ 110–7д.

3. Разработка КД на стойку типа СВ 95–3,5д с повышенными требованиями к изгибающему моменту до 35 кН·м, позволяющему увеличить длины пролетов в ВЛИ 0,4 кВ и, соответственно, снизить стоимость строительства.

4. Разработка КД на ранее отсутствующую в номенклатуре заводов железобетонных изделий стойку типа СВ 110–7д с изгибающим моментом 70 кН·м, позволяющую:

• обеспечить увеличение количества навесногооборудования на одной стойке на ВЛ 6–10 кВ;
• снизить затраты до 20% за счет возможности увеличения длин пролетов магистралей 6–20 кВ;
• обеспечить основу развития сети ВЛ 20 кВ с возможностью организации установки навесного оборудования на опоре.

Основные подходы и результаты выбора оптимального состава бетонной смеси для стоек типа СВд повышенной долговечности были изложены в статье [2]. В качестве оптимальной по результатам НИОКР была выбрана полифункциональная добавка на основе комплекса модифицированных поликарбоксилатных эфиров (амфифильный поликарбоксилат) с добавлением ингибитора щелочной коррозии, позволяющей получить бетон с показателями по водонепроницаемости и морозостойкости на уровне W18 и F₂200 на имеющемся производственном сырье. Предложенная к применению добавка является полностью отечественной разработкой и может поставляться в промышленных масштабах на заводы железобетонных изделий по всей территории России. Влияние добавки на стоимость бетонной смеси по итогам изготовления опытных образцов стоек не превысила 2,3% от стоимости основных материалов.

Расчет конструкций железобетонных стоек выполнялся в соответствии с требованиями действующей (актуальной) нормативно-технической документации [3, 6–9]. Основным исходным параметром для расчета конструкций железобетонных стоек являлась их несущая способность (предельный изгибающий момент).

В расчетах также применялись основная прочностная характеристика бетона (нормативное значение сопротивления бетона осевому сжатию) и основная прочностная характеристика арматуры (нормативное значение сопротивления растяжению) с характеристиками, указанными в [2].

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ СТОЕК

В рамках реализации НИОКР был проведен анализ возможности изменения геометрии стоек типа СВ. В таблице 1 приведены основные рассмотренные сечения стоек типа СВ с указанием их преимуществ и недостатков.

По результатам анализа возможных форм сечений стоек сделан вывод, что изменение геометрии существующих стоек опор ВЛ 0,4–10 кВ может привести к уменьшению объема бетона по сравнению с традиционной трапециевидной формой (до 20%) и тем самым снизить стоимость (до 500 руб. за стойку) и ее вес (до 200 кг). В то же время изменение существующей геометрии стойки потребует увеличения затрат на модернизацию производства данного железобетонного изделия и усложнит технологию его изготовления. В итоге изменение геометрии стойки типа СВ приведет к нивелированию положительного эффекта от снижения массы и стоимости за счет уменьшения объема бетона с фактическим удорожанием конечной продукции из-за усложнения технологического процесса изготовления или необходимости дополнительного армирования. Как следствие, в рамках проведения НИОКР было принято решение о сохранении для разрабатываемых стоек повышенной долговечности существующей общепринятой трапециевидной формы.

В то же время был проведен анализ возможности снижения массы конечного изделия за счет изменения объема бетона путем снижения высоты его заливки (рисунок 1). Изменение существующей формы стойки СВ в части уменьшения ее высоты не снижает ее конечной стоимости (за счет увеличения массы арматуры), но может позволить снизить массу бетона и, как следствие, готового изделия до 10% (порядка 100 кг). При этом следует отметить, что изменение формы сечения стойки за счет изменения высоты заливки бетона потребует корректировки технологии заливки либо изменения конструкции существующих форм (уменьшение высоты) у заводов — производителей железобетонной продукции, что, в свою очередь, может повлечь корректировку конструкций хомутов для крепления траверс, узлов крепления подкосов, навесного оборудования и др. С учетом указанного, в рамках проведения НИОКР было принято решение о сохранении существующей формы для изготовления стоек типа СВд.

ВЫБОР ВАРИАНТОВ АРМИРОВАНИЯ СТОЕК

Расчет армирования стоек типа СВ повышенной долговечности был осуществлен на основе требований [3], согласно которым были получены несколько возможных вариантов для каждого типа стойки (таблица 2).

Анализ представленных данных показал, что наибольшие преимущества армирования стоек возможно получить в случае применения арматуры класса А1000. В то же время при опросе заводов — производителей металлопроката была установлена невозможность приобретения арматуры данного класса в малых объемах для изготовления опытных образцов. Приобретение арматуры класса А1000 возможно только по предварительному заказу партии весом от 60 тонн (вагонная норма) со сроками поставки от 2 месяцев. Кроме того, в настоящее время на территории РФ только несколько заводов изготавливают арматуру указанного класса, что для серийно выпускаемой продукции несет риски удорожания конечной стоимости изделия за счет существенных транспортных издержек.

С учетом указанного выше, при разработке опытных образцов стоек типа СВ на основании разработанной КД было принято решение отказаться от наиболее эффективного в части соотношения вес/стоимость решения на базе арматуры А1000. Опытные образцы стоек типа СВ были изготовлены по КД с использованием вариантов № 3 для СВ 95–3,5д, № 2 для СВ 110–5д и № 3 для СВ 110–7д (таблица 2) с комбинированным сочетанием напряженных и ненапряженных стержней со схемой их расположения согласно рисунку 2.

ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ СТОЕК ОПОР ТИПА СВ

В целях определения механической прочности полученных при выполнении НИОКР изделий были разработаны программа и методика испытаний опытных образцов стоек, учитывающие необходимость испытания железобетонных конструкций в соответствии с требованиями [4] (Приложение Б), согласно которым регламентируются значения контрольных нагрузок коэффициента С (таблица 3).

Механические испытания опытных образцов стоек опор были проведены в испытательном центре ООО «ИЦ ОРГРЭС» (рисунок 3) и предполагают нагружение до уровня показателей:

• 130% от расчетной нагрузки стойки (C=1,3) в случае разрушения от достижения в рабочей арматуре нормального или наклонного сечения напряжений, соответствующих пределу текучести стали ранее раздробления сжатого бетона;
• 160% от расчетной нагрузки стойки (C=1,6) в случае раздробления сжатой зоны бетона до достижения предела текучести стали в растянутой арматуре, что соответствует хрупкому характеру разрушения бетона.

По результатам успешного комплекса проведенных механических испытаний опытных образцов железобетонных вибрированных стоек типа СВ 95–3,5, СВ 110–5 и СВ 110–7 была разработана КД с литерой «О» — «Стойки опоры ВЛИ 0,4 кВ» и «Стойки опоры ВЛ 6–20 кВ» (СВ ХХХ-Хд) для полученных в рамках выполнения НИОКР стоек с применением модифицирующих бетон добавок.

Отдельно необходимо обратить внимание, что предельные уровни нагрузки, при которых происходило раздробление сжатой зоны бетона стоек, составили порядка 165–170% от расчетной нагрузки, что позволяет сделать вывод о необходимом и достаточном количестве арматуры по классам, принятым в конструкциях стоек.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ НИОКР

В рамках реализации НИОКР были получены конструктивные решения, соответствующие требованиям проектирования железобетонных изделий [3], а также требованиям методологии статических испытаний и правил оценки их результатов [4].

Применение для получения бетонной смеси модифицирующей добавки — амфифильного поликарбоксилата — позволило повысить марку бетона по показателям водонепроницаемости и морозостойкости до W18 и F₂200 соответственно, что, в свою очередь, оказало прямое влияние на достижение обозначенных в НИОКР и согласно [5] требований к сроку службы железобетонных стоек не менее 50 лет с возможностью исключения применения поверхностной гидроизоляции.

В настоящее время в производственной деятельности ПАО «Россети Центр» и ПАО «Россети Центр и Приволжье» в целях реконструкции и строительства новых ВЛ применяются стойки типа СВп (Модифицированная железобетонная стойка опор ВЛ 0,4–10 кВ повышенной долговечности, полезная модель № RU218483), выпускаемые по техническим условиям, разработанным АО «Тулаоргтехстрой» на базе ТУ 1994 [1].

Существенным различием в стойках СВп и СВд является их армирование, так стойки типа СВп, выпускаемые на основании [1], при проверке прочности рассчитаны на проведение механических испытаний стоек с максимальным усилием 140% от расчетной нагрузки стойки (С=1,4). Выбор армирования стоек СВд (применение арматуры большего диаметра и более высокого класса) осуществлен с учетом соблюдения требований [4], регламентирующих обеспечение проведения механических испытаний стоек при максимальном усилии 160% от расчетной нагрузки стойки (С=1,6).

Анализ сопоставления стоимости применяемой арматуры на изготовление серийно выпускаемых стоек аналогов СВ 110–5 (СВп) и опытных образцов стоек СВ 110–5д показал превышение стоимости для опытных образцов стоек СВ 110–5д за счет соблюдения требований по армированию (диаметру и классу арматуры), удовлетворяющим СП 63.13330.2018 [3] и ГОСТ 8829 [4] (С=1,6).

Помимо различий в армировании, стойки СВп и СВд отличаются типом применяемой модифицирующей добавки для повышения эксплуатационного ресурса бетона (таблица 4). Подобранная для стойки СВд модифицирующая добавка позволила получить изделие с более высокими показателями по морозостойкости и водонепроницаемости (как следствие, с повышенными эксплуатационными характеристиками) без увеличения затрат на бетонную смесь в сравнении со стойкой типа СВп.

При прямом сравнении конечной стоимости стоек типа СВ 110–5д, превышение их стоимости над серийно выпускаемыми и поставляемыми на объекты реконструкции и строительства ПАО «Россети Центр» и ПАО «Россети Центр и Приволжье» стойками СВп 110–5 в 2024 году и первом полугодии 2025 года составит не более 5%. При этом, как было отмечено выше, стойки СВд в полной мере соответствуют требованиям нормативных документов [3, 4, 10].

Аналогичное прямое сравнение затрат на изготовление стоек типа СВд: СВ 95–3,5д и СВ 110–7д, со стойками типа СВп не будет носить объективного характера в силу отсутствия серийно выпускаемых аналогов (указанные типы стоек с механическими моментами 35 кН·м и 70 кН·м и длинами 9,5 м и 11 м соответственно в настоящее время не выпускаются).

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО АКТУАЛИЗАЦИИ СТО 34.01-2.2-035-2018

Осуществленный в рамках выполнения НИОКР анализ позволил сделать вывод о наличии в СТО 34.01–2.2–035–2018 [10] ряда несоответствий по отношению к действующей в настоящее время в РФ нормативной документации. Наличие выявленных несоответствий, а также необходимость практического применения полученных по итогам НИОКР результатов явились основанием для формирования предложений по изменению и дополнению стандарта организации ПАО «Россети». В таблице 5 приведены основные изменения, предлагаемые к внесению в указанный нормативный документ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках выполнения НИОКР были предложены конструктивные решения на стойки типа СВ повышенной долговечности (СВд) с использованием модифицирующей (амфифильной поликарбоксилатной) добавки, позволяющей обеспечить показатели водонепроницаемости и морозостойкости до W18 и F₂200), сроком службы изделия не менее 50 лет. Выбранная в качестве оптимальной модифицирующая добавка является отечественной разработкой и может поставляться на заводы железобетонных изделий в промышленных масштабах.

В целях изготовления стоек повышенной долговечности были разработаны технические условия на изготовление стоек с использованием амфифильной поликарбоксилатной добавки, а также разработана конструкторская документация на стойки повышенной долговечности: СВ95–3,5д, СВ110–5д и СВ1107д, для использования на ВЛ 0,4–20 кВ.

Полученное в рамках выполнения НИОКР решение подлежит защите путем оформления на имя ПАО «Россети Центр и Приволжье» охранного документа в ФИПС (патент на полезную модель), а также путем введения режима «коммерческая тайна» на КД и ее распространение путем заключения лицензионных договоров.

В рамках учета современного опыта возможности использования модифицирующих бетон добавок разработаны предложения по изменению [10] в части корректировок требований:

• к классу бетона по прочности на сжатие (не ниже В30);
• к марке бетона по морозостойкости (не менее F₂200);
• к марке бетона по водонепроницаемости (не менее W18);
• к маркировке стоек СВд при их производстве.

ЛИТЕРАТУРА

1. ТУ 5863-007-00113557-94. Стойки железобетонные вибрированные для опор ВЛ 0,4…10 кВ. Технические условия. М.: АО «РОСЭП», 1994.
2. Микрюков В.В., Пацев А.А., Зайцев А.Н. и др. Модифицированные бетонные смеси для улучшения эксплуатационных характеристик и срока службы стоек опор ВЛ 0,4–10 кВ // Бетон и железобетон, 2025, т. 626, № 1. С. 38–49.
3. СП 63.13330.2018. СНиП 52–01–2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. URL: https://www.minstroyrf.gov.ru/docs/18227/.
4. ГОСТ 8829–2018. Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200163873.
5. Положение ПАО «Россети» «О единой технической политике». Утв. решением Совета директоров ПАО «Россети» (протокол от 28.12.2024 № 673). URL: https://www.rosseti.ru/upload/docs/ PETP_2024.pdf.
6. СП 28.13330.2017. Защита строительных конструкций от коррозии. Актуализированная редакция СНиП 2.03.11–85. URL: https://docs.cntd.ru/document/456069587.
7. ГОСТ 34028-2016. Прокат арматурный для железобетонный конструкций. Технические условия. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200144936.
8. ГОСТ 13015-2012. Изделия бетонные и железобетонные для строительства. Общие технические требования. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200101281.
9. ГОСТ 25192-2012. Бетоны. Классификация и общие технические требования. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200100938.
10. СТО 34.01-2.2-035-2018. Железобетонные вибрированные стойки для опор ВЛ 0,4–35 кВ. Общие технические условия. URL: https://www.rosseti.ru/upload/iblock/4bb/ihe4qr4gaxapo8jw 7oqyke95npyix2tp.pdf.