Арматура из легированной стали

Арматура из легированной стали для электротехнической и кабельной продукции: материалы, типы, стандарты и применение

Арматура из легированной стали представляет собой комплекс конструктивных элементов, предназначенных для монтажа, крепления, натяжения и защиты проводов, кабелей и изолирующих конструкций в воздушных линиях электропередачи (ВЛ), контактных сетях, токопроводах и распределительных устройствах. Её основное функциональное назначение – восприятие и передача механических нагрузок (растягивающих, сжимающих, изгибающих) от проводов и внешних воздействий (ветра, гололёда, изменений температуры) на опоры и несущие конструкции. Использование легированных сталей обусловлено необходимостью обеспечения высокой прочности, надежности, коррозионной стойкости и долговечности в условиях интенсивных механических нагрузок и агрессивных сред.

Классификация и типы арматуры

Арматуру из легированной стали классифицируют по нескольким ключевым признакам:

• По функциональному назначению:
  • Натяжная арматура: Зажимы натяжные (типов НЛ, НР, НБ) для крепления проводов и грозозащитных тросов к анкерным опорам с возможностью регулировки натяжения.
  • Поддерживающая арматура: Зажимы поддерживающие (типов ПГ, ПМ, ПС) для подвески проводов на промежуточных опорах, обеспечивающие свободное отклонение в гирляндах.
  • Соединительная арматура: Овальные соединители, плашечные зажимы, болтовые сжимы для соединения проводов и тросов в пролёте.
  • Защитная арматура: Гасители вибрации (демпферы Петерсена, Стокбриджа), защитные кольца, экранирующие рога, арматура для защиты от схлёстывания.
  • Контактная арматура: Зажимы для соединения и ответвления проводов (типов ТА, ТУ, ТБ), наконечники кабельные.
  • Анкерная и крепёжная арматура: Крюки, штыри, серьги, ушки, скобы, хомуты для крепления изоляторов и арматуры к опорам.
• По типу крепления: Петлевая, клиновая, болтовая.
• По виду покрытия: Оцинкованная горячим способом, с термодиффузионным цинкованием, кадмированная, с полимерным покрытием.

Легированные стали, применяемые в производстве арматуры

Выбор марки стали определяется требованиями к пределу прочности, текучести, ударной вязкости и коррозионной стойкости. Основными легирующими элементами являются углерод (C), марганец (Mn), кремний (Si), хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo), бор (B).

Таблица 1. Основные марки легированных сталей для арматуры ВЛ

Марка стали (ГОСТ, ТУ)	Класс прочности	Основные легирующие элементы	Предел прочности, σв, МПа, не менее	Типовое применение в арматуре
35ХМ, 35ХМА	Высокопрочная	Хром (Cr), Молибден (Mo)	930 — 1080	Ответственные детали натяжных и поддерживающих зажимов, серьги, ушки, элементы соединителей.
40Х, 40ХН	Высокопрочная	Хром (Cr), Никель (Ni)	980 — 1130	Крюки, штыри, болты высокой прочности, детали гасителей вибрации.
30ХГСА, 35ХГСА	Повышенной и высокой прочности	Хром (Cr), Марганец (Mn), Кремний (Si)	1600 — 1800 (после термообработки)	Особо ответственные силовые элементы, пружинные детали, болты для зон с экстремальными нагрузками.
20ХГНР, 20ХГЦТ	Низколегированная для цементации	Хром (Cr), Марганец (Mn), Титан (Ti)	~1470 (после ХТО)	Детали, требующие высокой поверхностной твёрдости и износостойкости при сохранении вязкой сердцевины.
Ст3, Ст5 (оцинкованные)	Обычной прочности	Углеродистая	370 — 490	Ненагруженные элементы, хомуты, скобы, детали крепления.

Технологии производства и обработки

Производство арматуры включает несколько критически важных этапов, определяющих её конечные свойства.

• Ковка и штамповка: Придание заготовке предварительной формы. Горячая штамповка улучшает структуру металла.
• Термическая и химико-термическая обработка (ТО и ХТО):
  • Закалка + отпуск: Основной процесс для сталей 35ХМ, 40Х. Обеспечивает высокий предел текучести и ударную вязкость.
  • Цементация (науглероживание) + закалка: Для сталей типа 20ХГНР. Создает твердый износостойкий поверхностный слой при вязкой сердцевине.
  • Азотирование: Повышает поверхностную твердость и коррозионную стойкость.
• Антикоррозионная защита:
  • Горячее цинкование: Наиболее распространенный метод. Погружение детали в расплав цинка при ~450°C. Толщина покрытия 50-120 мкм. Обеспечивает барьерную и протекторную защиту.
  • Термодиффузионное цинкование: Цинковый слой формируется при высокой температуре в порошковой среде. Покрытие равномерное, даже в сложных полостях, с высокой адгезией.
  • Кадмирование: Применяется реже, для особых условий (высокая морская атмосфера).
• Контроль качества: Включает ультразвуковой контроль (УЗК) заготовок, измерение твердости по Бринеллю/Роквеллу, механические испытания на растяжение, контроль толщины цинкового покрытия магнитным методом.

Нормативная база и стандарты

Производство и применение арматуры регламентируется обширным перечнем национальных и международных стандартов.

• ГОСТ Р 55042-2012 (МЭК 61854:1998): Арматура для ВЛ. Требования и испытания. Основополагающий стандарт.
• ГОСТ 32893-2014: Арматура линейная для воздушных линий электропередачи. Общие технические условия.
• Серия ГОСТ на конкретные типы арматуры: ГОСТ 1197-2018 (зажимы плашечные), ГОСТ 13276-79 (зажимы натяжные), ГОСТ 22353-2018 (зажимы поддерживающие) и др.
• Стандарты на материалы: ГОСТ 4543-2017 (легированные конструкционные стали), ГОСТ 9.307-89 (горячее цинкование).
• Международные стандарты: IEC 61854, IEEE Std 524.

Критерии выбора и особенности монтажа

Выбор арматуры осуществляется на основе проектных расчетов с учетом:

• Типа и сечения провода/троса: Арматура должна соответствовать номинальному диаметру и материалу проводника (АС, А, М и др.).
• Расчетных нагрузок: Максимальное натяжение, ветровая и гололёдная нагрузка, тип опоры (промежуточная, анкерная, угловая).
• Условий эксплуатации: Климатическая зона (температурный диапазон, агрессивность среды – промышленная, морская), категория района по гололёду.
• Типа изоляции: Подвесные тарельчатые изоляторы, стержневые полимерные изоляторы (НГИ).

Особенности монтажа: Запрещается выправлять, подгибать или подвергать ударным воздействиям детали арматуры после изготовления. При монтаже натяжных зажимов необходимо соблюдать момент затяжки болтов, указанный в паспорте, с использованием калиброванного динамометрического ключа. Применение смазок для резьбовых соединений, работающих на растяжение (например, в составных серьгах), обязательно. Не допускается повреждение антикоррозионного покрытия.

Тенденции и перспективы развития

• Повышение прочностных характеристик: Разработка сталей с пределом прочности свыше 1200 МПа для ВЛ сверхвысокого напряжения и в тяжелых климатических условиях.
• Оптимизация конструкций: Внедрение методов конечных элементов (FEA) для создания облегченных арматурных узлов с оптимальным распределением напряжений.
• Композитные материалы: Использование гибридных конструкций, где силовые элементы из легированной стали сочетаются с диэлектрическими вставками из полимерных композитов для снижения веса и устранения необходимости в изоляторах.
• Мониторинг состояния: Интеграция в арматуру датчиков для контроля натяжения, температуры, вибрации в рамках концепции «умных сетей» (Smart Grid).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается арматура из легированной стали от арматуры из ковкого чугуна?

Легированная сталь обладает значительно более высокой прочностью (σ_в > 900 МПа) и ударной вязкостью по сравнению с ковким чугуном (σ_в ~ 350-500 МПа). Стальная арматура применяется на ответственных, высоконагруженных узлах (анкерное крепление, соединение проводов), в зонах с динамическими и ударными нагрузками. Чугунная арматура, обладающая хорошими литейными свойствами и стойкостью к износу, используется преимущественно для поддерживающих зажимов на промежуточных опорах в районах с умеренными нагрузками.

Как правильно выбрать класс цинкового покрытия для конкретных условий?

Класс покрытия (толщина) регламентируется ГОСТ 9.307-89 и выбирается по категории атмосферной агрессивности (согласно ГОСТ 15150):

• Класс 1 (толщина 40-60 мкм): Для атмосферы типа С1 (сельская) – слабоагрессивная.
• Класс 2 (толщина 60-80 мкм): Для атмосфер типа С2-С3 (городская, промышленная) – среднеагрессивная. Наиболее распространенный выбор для большинства объектов.
• Класс 3 (толщина 80-120 мкм): Для атмосфер типа С4-С5 (промышленная с высокой влажностью, приморская) – высокоагрессивная. Обязателен для прибрежных зон, химических производств.

Для особо агрессивных сред (морские платформы) рассматривается вариант с дублированной защитой: цинкование + нанесение полимерного лакокрасочного слоя.

Каковы признаки старения или критического износа арматуры в ходе эксплуатации?

Основные признаки, требующие немедленного осмотра и, как правило, замены узла:

• Появление на поверхности деталей неоцинкованных участков (рыжих пятен ржавчины), особенно в местах концентрации напряжений (резьба, отверстия, радиусы перехода).
• Трещины, видимые невооруженным глазом, на любом элементе арматуры.
• Остаточная деформация (вытягивание, изгиб) силовых элементов: ушек, тяг, корпусов зажимов.
• Значительный износ контактных поверхностей в зажимах (глубина борозд >10% от диаметра провода).
• Следы интенсивной коррозии на болтах, приводящие к уменьшению их диаметра.
• Разрушение или потеря упругости пружинных элементов в гасителях вибрации.

Плановый визуальный и инструментальный контроль состояния арматуры должен проводиться в соответствии с графиком технического обслуживания ВЛ.

Допустимо ли повторное использование демонтированной арматуры?

Повторное использование арматуры, бывшей в эксплуатации, крайне не рекомендуется и допустимо только после проведения её полного технического диагностирования в лабораторных условиях, включающего:

• Дефектоскопию (магнитопорошковый или ультразвуковой контроль) для выявления микротрещин.
• Измерение твердости и механические испытания образцов, вырезанных из наименее нагруженных участков.
• Контроль геометрических параметров на соответствие чертежам.
• Оценку состояния цинкового покрытия.

На практике экономическая целесообразность такой проверки редко оправдана. Категорически запрещено повторное использование натяжных зажимов, элементов соединителей, серьг и деталей, работающих на растяжение, без проведения полного цикла заводских испытаний.

Как влияет температура окружающей среды на монтажные параметры арматуры?

Легированные стали имеют коэффициент линейного расширения, близкий к сталеалюминиевым проводам, что минимизирует температурные напряжения в узле крепления. Однако ключевое влияние температуры связано с правилами монтажа провода:

• Монтаж натяжных зажимов должен производиться при температуре, близкой к среднегодовой для данной местности, либо при той температуре, которая указана в проекте монтажа.
• Затяжка болтовых соединений (особенно ответственных) должна производиться с учетом поправки на температуру металла: при отрицательных температурах требуется увеличение момента затяжки на 10-15% из-за повышения хрупкости и изменения свойств смазки.
• Эксплуатация при экстремально высоких температурах (пожар, короткое замыкание) может привести к отпуску стали (снижению твердости и прочности) и повреждению цинкового покрытия. Такая арматура подлежит замене.