Зношування ключового ущільнення підводних тунелів: нові дослідження розкривають справжню картину
Як насправді зношується ключове ущільнення підводних тунелів
Глибоко під водою між океаном і внутрішньою частиною підводного тунелю захист забезпечує лише тонка смужка гуми. Інженери розраховували, що таке ущільнення прослужить щонайменше 100 років. Проте нові дослідження показують: у реальних умовах воно зношується значно швидше, ніж передбачали попередні випробування.
Вчені з Університету Шіцзячжуан Тіедао (Китай) провели експеримент із гумою, взятою з тунелю Юлянчжоу. Метою було з’ясувати, як поводиться основне водонепроникне ущільнення – так звана прокладка GINA – під постійним тиском сталевих з’єднань і впливом солоної води протягом десятиліть.
Результати виявилися тривожними: під комбінованим впливом стиснення та морської води гума втратила 67,66% своєї герметизуючої здатності.
«Столітня безпека гідроізоляції всього проєкту безпосередньо залежить від прокладки GINA як основного бар’єра для запобігання протіканню в занурених з’єднаннях тунелю», – зазначили дослідники у журналі Tunnelling and Underground Space Technology.
Чому попередні прогнози виявилися неточними
Раніше науковці прогнозували, що через 100 років прокладка збереже близько 2,32 мегапаскаля ущільнювального тиску – за умови впливу лише морської води. Однак оновлена модель, яка врахувала довготривале стиснення, знизила цей показник до 1,51 мегапаскаля, що на 35% менше за попередні оцінки.
«Ця різниця критична, адже саме такі ущільнювачі є останнім рубежем захисту від проникнення води. Занурені тунелі будують із готових секцій, які доставляють на плаву, опускають у траншею та з’єднують під водою. Після замикання стику прокладка GINA залишається стиснутою між сталевими поверхнями, створюючи контактне напруження, яке блокує витоки», – пояснюють автори дослідження.
Щоб відтворити реальні умови, науковці розробили спеціальний пристрій для випробувань на стиснення. Коли до впливу морської води додали механічне навантаження, прокладка почала зношуватися швидше й інтенсивніше, ніж очікувалося.
Чому твердіша гума не гарантує кращої герметизації
Випробування виявили парадокс, який міг би ввести в оману під час стандартних перевірок. З часом твердість прокладки зросла на 14,18%, а її щільність – на 5,88%. На перший погляд, міцніша гума здається позитивним сигналом. Однак насправді матеріал непомітно втрачав властивості, необхідні для забезпечення герметичності тунелю.
«Суть старіння прокладки GINA полягає в деградації матеріалу через структурні зміни», – зазначають вчені.
Молекулярні ланцюги всередині гуми руйнувалися, а внутрішня полімерна мережа, яка допомагає матеріалу відновлюватися після стиснення, слабшала. Одночасно температура затвердіння гуми підвищилася приблизно на 14,5°C.
«Під час прискорених випробувань на старіння команда зафіксувала внутрішні зміни вже через 90 днів. Це означає, що значна частина погіршення характеристик може статися задовго до закінчення розрахункового терміну служби прокладки», – підсумовують дослідники.
