Стальной круг диаметром 120 мм

Стальной круг диаметром 120 мм: технические характеристики, стандарты и применение в электротехнике и энергетике

Стальной круг диаметром 120 мм является крупномерным металлопрокатом, который находит специфическое и критически важное применение в электротехнической промышленности и энергетическом строительстве. В отличие от арматуры или труб, его использование обусловлено не столько конструкционной прочностью на изгиб, сколько высокой механической прочностью на сжатие и растяжение, а также магнитными свойствами (для сталей определенных марок). Данный прокат производится в соответствии с ГОСТ 2590-2006 «Прокат стальной горячекатаный круглый. Сортамент» и другими профильными стандартами.

Технология производства и основные марки стали

Круг диаметром 120 мм изготавливается преимущественно методом горячей прокатки на сортовых станах. Заготовкой служит стальная болванка (сляб или блюм), которая при температурах 1100-1200°C проходит через систему валков, формирующих круглое сечение. Для ответственных применений может применяться последующая термообработка (нормализация, отпуск) или калибровка (холодное волочение) для повышения точности размеров и прочностных характеристик.

Выбор марки стали является определяющим фактором для конечного применения:

• Углеродистые стали обыкновенного качества (Ст3сп/пс, Ст5): Наиболее распространены для конструкционных элементов, не несущих электрического тока. Применяются для изготовления деталей опор, кронштейнов, оснований, траверс, где требуются хорошие свариваемость и прочность.
• Качественные конструкционные углеродистые стали (сталь 45, сталь 50): Обладают повышенной прочностью (σ_в ≥ 590 МПа для стали 45). Используются для изготовления валов, осей, шпинделей в силовом оборудовании, ответственных крепежных элементов, деталей механизмов коммутационных аппаратов.
• Низколегированные стали (09Г2С, 10Г2С1): Обладают повышенной стойкостью к динамическим и вибрационным нагрузкам, а также улучшенной стойкостью к коррозии. Применяются в узлах, работающих в условиях низких температур (например, на северных подстанциях).
• Стали с особыми магнитными свойствами: Для электротехнических применений используются стали с высоким содержанием кремния (электротехническая сталь марок 10895, 20895 и др.). Однако в виде круга 120 мм они производятся реже, обычно для массивных полюсных наконечников или сердечников специальных электромагнитов. Чаще для магнитопроводов используется листовая рулонная сталь.

Основные геометрические и физические параметры

Для круга диаметром 120 мм нормируются следующие параметры:

• Номинальный диаметр (d_н): 120 мм.
• Предельные отклонения по диаметру (согласно ГОСТ 2590-2006, класс точности В – повышенной):
  • Для проката обычной точности (класс Б): ±1,8% (от -2,16 мм до +2,16 мм).
  • Для проката повышенной точности (класс В): ±1,1% (от -1,32 мм до +1,32 мм).
• Площадь поперечного сечения (S): Рассчитывается по формуле S = πd²/4. Для d=120 мм: S ≈ 11310 мм² или 113,1 см².
• Теоретическая масса 1 метра длины (погонный метр): Рассчитывается по формуле M = ρ S L, где ρ = 7,85 г/см³ (плотность стали). M = 7,85 113,1 100 / 1000 ≈ 88,78 кг. Фактическая масса может незначительно отличаться в зависимости от марки стали и допусков.

Таблица 1. Основные параметры стального круга Ø120 мм

Параметр	Значение	Примечание
Диаметр номинальный, мм	120
Площадь сечения, см²	~113.1	Расчетная
Масса 1 м.п., кг	~88.8	Для стали плотностью 7.85 г/см³
Момент инерции (J), см⁴	~1017.9	J = πd⁴/64
Момент сопротивления (W), см³	~169.6	W = πd³/32
Радиус инерции (i), см	~3.0	i = √(J/S)

Применение в электротехнике и энергетике

Использование стального круга 120 мм в отраслях связано с его высокими несущими способностями и функциональными свойствами.

1. Конструкции воздушных линий электропередачи (ВЛ) и подстанций

• Элементы опор ВЛ и ПС: Круг используется для изготовления стоек гибких поперечин на порталах подстанций 110 кВ и выше, элементов жестких поперечин, стоек в составных конструкциях опор. Его прочность на сжатие и изгиб позволяет выдерживать значительные нагрузки от веса проводов, тросов и климатических воздействий.
• Анкерные и фундаментные болты: Для крепления ответственных узлов опорного оборудования (силовых трансформаторов, ячеек КРУ) к фундаментам используются шпильки, изготавливаемые из круга 120 мм методом механической обработки (токарная обработка, нарезка резьбы). Сталь 35 или 45 обеспечивает необходимую прочность на растяжение.

2. Электротехническое оборудование и машиностроение

• Валы и оси крупных электрических машин: В синхронных генераторах, крупных асинхронных двигателях, вентиляторах систем охлаждения используются валы, изготавливаемые из круга 120 мм (после проточки) из сталей 40Х, 45. От качества и однородности материала напрямую зависит балансировка и вибрационные характеристики агрегата.
• Несущие конструкции и рамы: В составе сварных рам для установки мощных трансформаторов, реакторов, выключателей.
• Штанги и токоведущие части: В редких случаях, для систем заземления или низковольтных шин большой силы тока, может использоваться круглый прокат. Однако для токоведущих частей высокого напряжения предпочтение отдается трубам или профилям с развитой поверхностью (для снижения короны).

3. Системы заземления

Для создания глубинных заземлителей на подстанциях и электростанциях в условиях многолетнемерзлых или каменистых грунтов может применяться стальной круг 120 мм. Он выполняет роль вертикального электрода, забиваемого на значительную глубину. Его главное преимущество – высокая механическая прочность, позволяющая преодолевать твердые грунты. Однако с коррозионной точки зрения предпочтительнее омедненные или оцинкованные стержни.

Требования нормативной документации

Применение стального круга в энергетике регламентируется рядом стандартов и правил:

• ГОСТ 2590-2006: Основной стандарт на сортамент, допуски, правила приемки.
• ГОСТ 535-2005 (взамен ГОСТ 380): Определяет общие технические условия для проката из углеродистой стали обыкновенного качества.
• ГОСТ 1050-2013: Определяет технические условия для проката из качественных конструкционных углеродистых и легированных сталей.
• ПУЭ (Правила устройства электроустановок), 7-е изд.: Устанавливают требования к механической прочности опорных конструкций, заземляющим устройствам.
• СНиП и СП серии 20.13330 (Нагрузки и воздействия): Определяют методики расчета несущих элементов на прочность и устойчивость.

Особенности обработки, монтажа и эксплуатации

Резка: Для разделки круга 120 мм применяется газовая (кислородно-пропановая) резка, плазменная резка или резка на отрезных станках абразивными кругами. Ленточнопильные станки обеспечивают высокую точность и качество реза.

Сварка: Круг из низкоуглеродистых сталей (Ст3) хорошо поддается ручной дуговой сварке (ММА), автоматической сварке под флюсом (SAW) и сварке в защитных газах (MAG). Для сталей 45, 40Х требуется предварительный и сопутствующий подогрев, термообработка после сварки для снятия напряжений.

Механическая обработка: Круг является заготовкой для последующего точения, фрезерования, шлифования на станках с ЧПУ или универсальных. Важно учитывать возможную неравномерность механических свойств по сечению из-за ликвации в центре заготовки.

Защита от коррозии: Наиболее распространенный метод – нанесение лакокрасочных покрытий по системе праймер + финишная эмаль. Для ответственных конструкций в агрессивных средах применяется горячее цинкование или металлизация.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается стальной круг от арматуры А3 (А400С) такого же диаметра?

Круг – это гладкий прокат без рифления, регламентируемый ГОСТ 2590. Арматура А3 имеет периодический профиль (рифление) для лучшего сцепления с бетоном и производится по ГОСТ 5781. Их механические свойства и назначение различны: круг работает как самостоятельный конструкционный элемент (на сжатие/изгиб), арматура – для усиления бетона (работает на растяжение).

Как рассчитать максимальную нагрузку на сжатие для стойки из круга 120 мм длиной 3 метра из Ст3?

Расчет на устойчивость (продольный изгиб) ведется по формуле Эйлера или Ясинского в зависимости от гибкости стержня. Необходимо знать способ закрепления концов (коэффициент приведения длины μ), предел текучести материала (σ_т для Ст3 ≈ 245 МПа). Для предварительной оценки критической силы (F_кр) можно использовать формулу F_кр = π²EJ / (μL)², где E – модуль Юнга (2.1*10⁵ МПа), J – момент инерции (см. Таблицу 1), L – длина. Для свободно опертой стойки (μ=1) длиной 3 м из Ст3 расчетная допустимая нагрузка будет примерно 120-150 тонн, но итоговый расчет должен выполнять инженер-проектировщик с учетом коэффициентов запаса.

Можно ли использовать круг 120 мм в качестве шины заземления?

Технически можно, но нерационально с экономической и технической точек зрения. ПУЭ рекомендует для заземлителей сталь круглого сечения, но минимальный диаметр для искусственных заземлителей составляет 10-16 мм. Круг 120 мм обладает огромным запасом механической прочности, но его сопротивление растеканию тока будет определяться в основном контактом с грунтом, а не сечением. Эффективнее и дешевле использовать несколько стержней меньшего диаметра (16-20 мм), объединенных полосой. Использование круга оправдано только для вертикальных электродов в исключительно твердых грунтах.

Какие существуют альтернативы стальному кругу 120 мм в энергоконструкциях?

Альтернативы выбираются исходя из функции:

1. Труба стальная (например, Ø133х5 или Ø146х6 мм): Имеет близкий момент сопротивления при значительно меньшем весе (на 70-80%), лучше противостоит ветровым нагрузкам, часто используется для стоек порталов.
2. Двутавровая балка или швеллер: Незаменимы для элементов, работающих на изгиб в одной плоскости (траверсы, ригели).
3. Гнутый профиль (квадрат, прямоугольник): Обладает хорошими конструктивными свойствами и часто используется в современных опорах.

Круг сохраняет свою нишу там, где важна равнопрочность во всех направлениях, простота обработки на токарном станке или требуется максимальная прочность на сжатие при минимальной стоимости заготовки.

Как маркируется и поставляется данный прокат?

Маркировка наносится на бирку, прикрепляемую к пачке, или краской на торец. Указывается: наименование производителя, марка стали, номер плавки, диаметр, масса пачки, знак соответствия. Поставляется в прутках мерной (обычно 6-12 м), кратной мерной или немерной длины, связанными в пачки. Допускается поставка в бухтах для диаметров до 9 мм, для 120 мм – исключительно в прутках.