Стальной круг диаметром 20 мм

Стальной круг диаметром 20 мм: технические характеристики, стандарты и применение в электротехнике и энергетике

Стальной круг диаметром 20 мм является одним из наиболее распространенных и востребованных видов металлопроката в промышленности, включая электротехническую и энергетическую отрасли. Его применение выходит далеко за рамки общего машиностроения, находя узкоспециализированное использование в качестве заземляющих электродов, элементов несущих конструкций для электрооборудования, токопроводящих шин в установках постоянного тока, армирующих компонентов в фундаментах опор ЛЭП и подстанций, а также в качестве сырья для производства крепежных изделий, используемых при монтаже электроустановок.

1. Основные стандарты и марки стали

Качество, механические и электрические свойства стального круга диаметром 20 мм определяются государственными и международными стандартами. В Российской Федерации основным нормативным документом является ГОСТ 2590-2006 «Прокат стальной горячекатаный круглый. Сортамент». Данный стандарт регламентирует сортамент, предельные отклонения по диаметру, кривизне и другим геометрическим параметрам.

Для применения в электротехнике и энергетике критически важны марка стали и ее химический состав, которые определяют такие параметры, как коррозионная стойкость, электропроводность, свариваемость и механическая прочность.

Таблица 1. Наиболее распространенные марки стали для круга 20 мм и их применение в энергетике

2. Технологии производства и виды поставки

Стальной круг диаметром 20 мм производится преимущественно двумя методами, определяющими его конечные свойства:

• Горячая прокатка (ГОСТ 2590-2006): Заготовка (блюм, сляб) нагревается до температуры выше рекристаллизации (1100-1200°C) и прокатывается через ряд валков. Поверхность продукта имеет окалину, точность размеров и качество поверхности ниже, чем у холоднокатаного. Имеет более низкую стоимость и часто используется для строительных и неответственных конструкций.
• Холодное волочение/калибровка (ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8560-78): Горячекатаная заготовка очищается от окалины и протягивается через волоки при комнатной температуре. Калиброванный круг имеет высокий класс точности (h9-h11), улучшенные механические свойства (за счет наклепа), повышенную твердость и чистую, гладкую поверхность. Применяется для деталей, требующих точных размеров и хорошего качества поверхности (автоматизированные линии, точные механизмы).

По состоянию материала круг может поставляться:

• Без термической обработки (горячекатаный или холоднокатаный нагартованный).
• Отожженный (для снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости).
• Нормализованный или закаленный и отпущенный (для достижения требуемых прочностных характеристик).

3. Механические и физические свойства

Для инженерных расчетов при проектировании конструкций в энергетике необходимы точные данные по свойствам материала.

Таблица 2. Основные механические свойства стального круга диаметром 20 мм из распространенных марок

Марка стали	Предел текучести (σт), Н/мм² (МПа), не менее	Временное сопротивление (σв), Н/мм² (МПа), не менее	Относительное удлинение (δ5), %	Твердость по Бринеллю (HB)
Ст3пс	245	370-480	26	131
09Г2С	345	490	21	146
Ст20	245	410	25	156
Сталь 45	355	600	16	229
12Х18Н10Т	220	550	40	200

Таблица 3. Физические свойства, важные для электротехнических расчетов

Свойство	Углеродистая сталь (Ст3)	Нержавеющая сталь (12Х18Н10Т)	Примечание
Удельное электрическое сопротивление (ρ) при 20°C	~0.13-0.15 Оммм²/м	~0.73 Оммм²/м	Важно для расчета сопротивления заземляющих устройств и потерь в шинах.
Коэффициент теплопроводности (λ)	~47 Вт/(м·°C)	~15 Вт/(м·°C)	Влияет на теплоотвод в токопроводящих элементах.
Температурный коэффициент линейного расширения (α)	~1210⁻⁶ 1/°C	~16.610⁻⁶ 1/°C	Критично для проектирования протяженных конструкций и шинных мостов, работающих при переменных температурах.
Плотность (γ)	7850 кг/м³	7900 кг/м³	Используется для расчета массы конструкции.

4. Применение в электроэнергетике и электротехнике

Использование стального круга диаметром 20 мм в отраслях носит специфический характер.

• Заземляющие устройства (ЗУ): Круг является традиционным материалом для вертикальных заземлителей. Диаметр 20 мм обеспечивает хороший компромисс между механической прочностью (возможность забивки в грунт), коррозионной стойкостью (толщина стенки) и требуемым сопротивлением растеканию. Согласно ПУЭ (Глава 1.7), минимальный диаметр круглого вертикального заземлителя из черной стали составляет 16 мм, поэтому 20 мм является надежным и распространенным выбором. Для повышения срока службы может использоваться оцинкованный круг или круг из нержавеющей стали.
• Несущие и вспомогательные конструкции: Из круга 20 мм изготавливаются элементы решетчатых конструкций (фермы, траверсы), кронштейны для крепления изоляторов, кабеленесущих систем, осветительных мачт, ограждений электроустановок и подстанций. Для этих целей применяется сталь Ст3 или 09Г2С.
• Токопроводящие элементы: В установках постоянного тока (например, на тяговых подстанциях, в гальванических цехах) стальной круг может использоваться в качестве шин или сборных шин. Его сечение (314 мм² для диаметра 20 мм) рассчитывается исходя из допустимой плотности тока для стали (значительно ниже, чем для меди или алюминия).
• Крепежные изделия и детали машин: Круг служит заготовкой для производства шпилек, болтов, валов, осей и пальцев, используемых в механизмах коммутационной аппаратуры (выключатели, разъединители), в приводной технике и вспомогательном оборудовании.
• Армирование фундаментов: При строительстве фундаментов под мощные трансформаторы, опоры ЛЭП и здания подстанций стальной круг 20 мм может применяться в качестве арматуры для придания конструкции требуемой прочности на изгиб и растяжение.

5. Особенности монтажа и обработки

Работа со стальным кругом диаметром 20 мм предполагает ряд стандартных операций:

• Резка: Выполняется абразивно-отрезными кругами, ленточнопильными или отрезными станками, газопламенной резкой. Для калиброванного круга из твердых марок предпочтительна холодная резка.
• Гибка: Возможна на трубогибочных станках или с использованием шаблонов. Минимальный радиус гибки зависит от марки стали и состояния (отожженный материал гнется легче). Для Ст3 минимальный радиус гибки составляет примерно 2-3 диаметра.
• Сварка: Углеродистые и низколегированные стали (Ст3, 09Г2С, Ст20) хорошо свариваются ручной дуговой сваркой (ММА), полуавтоматической в среде защитных газов (MIG/MAG) и другими методами. Для ответственных конструкций требуется предварительный и сопутствующий подогрев, особенно для стали 45. Сварка нержавеющей стали 12Х18Н10Т требует специальных электродов и методик для сохранения коррозионных свойств.
• Сверление, токарная и фрезерная обработка: Стали 20, 45, 12Х18Н10Т хорошо поддаются механической обработке резанием. Для улучшения обрабатываемости стали 45 часто поставляют в отожженном состоянии.

6. Коррозионная защита

Для черных сталей (Ст3, Ст20, 09Г2С) защита от коррозии обязательна, особенно для заземлителей и наружных конструкций. Основные методы:

• Оцинкование: Горячее или гальваническое нанесение цинкового покрытия. Значительно увеличивает срок службы в атмосферных условиях и в слабоагрессивных грунтах.
• Лакокрасочные покрытия: Нанесение грунтовок и эмалей. Требует тщательной подготовки поверхности (очистка от окалины, обезжиривание).
• Электродренажная и протекторная защита: Применяется в комплексе с другими методами для подземных коммуникаций и заземлителей.
• Использование коррозионно-стойких сталей: Наиболее надежный, но и самый дорогостоящий метод.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Какой вес у одного погонного метра стального круга диаметром 20 мм?

Теоретическая масса одного метра круга из стали плотностью 7850 кг/м³ рассчитывается по формуле: M = (π d² / 4) ρ, где d – диаметр в метрах. Для круга 20 мм (0.02 м): M = (3.1416 0.02² / 4) 7850 ≈ 2.466 кг. Фактический вес может незначительно отличаться в зависимости от допусков по диаметру и марки стали.

2. Что лучше для заземлителя: стальной круг 20 мм или полоса 40х4 мм?

Выбор зависит от типа заземлителя и грунта. Круглый заземлитель (пруток) предпочтительнее для вертикального монтажа, так как он легче забивается в грунт на нужную глубину, достигая менее промерзающих и более влажных слоев. Полоса 40х4 мм (площадь сечения 160 мм²) имеет большее сопротивление растеканию при том же периметре, но используется преимущественно для горизонтальных заземлителей и соединения вертикальных электродов в контур. Площадь сечения круга 20 мм (314 мм²) больше, что обеспечивает больший запас по механической прочности и коррозионному износу.

3. Можно ли использовать стальной круг 20 мм в качестве рабочего нулевого проводника (PEN) в системе заземления TN-C?

Нет, это запрещено действующими правилами (ПУЭ, п. 1.7.131, ГОСТ Р 50571.5.52-2011). В качестве PEN-проводника должны применяться изолированные проводники кабелей или специальные неизолированные проводники, сечение которых выбирается по допустимому току. Стальной круг не является проводником, предназначенным для длительного пропускания рабочего тока, из-за высокого удельного сопротивления, значительного поверхностного эффекта («скин-эффекта») и нестабильного переходного сопротивления в местах соединений.

4. Каков срок службы стального заземлителя диаметром 20 мм в нормальном грунте?

Срок службы определяется скоростью коррозии. Для черной стали (Ст3) без покрытия в среднеагрессивном грунте скорость коррозии может составлять 0.05-0.1 мм/год. Исходя из начального радиуса 10 мм, полная коррозия до потери сечения займет 100-200 лет, но критическое увеличение сопротивления заземления наступит раньше. На практике, для ответственных объектов, расчетный срок службы такого заземлителя принимают в пределах 25-30 лет. Оцинкование увеличивает этот срок в 2-3 раза, использование нержавеющей стали – до 50 лет и более.

5. Как правильно рассчитать допустимую нагрузку на конструкцию из круга 20 мм?

Расчет ведется по правилам строительной механики и сопромата с учетом:

• Схемы нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение).
• Марки стали и ее механических характеристик (предел текучести σт).
• Коэффициента запаса прочности (коэффициента условий работы), регламентированного СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции».
• Геометрических характеристик сечения: для круга диаметром 20 мм момент сопротивления при изгибе W = π d³ / 32 ≈ 0.785 см³, момент инерции I = π d⁴ / 64 ≈ 0.785 см⁴, площадь сечения A ≈ 3.14 см².

Например, допустимая растягивающая нагрузка для круга из Ст3 (σт = 245 Н/мм²) с коэффициентом условий работы 0.9: N = A σт γ = 314 мм² 245 Н/мм² 0.9 ≈ 69.2 кН (около 7 тонн-сил). Для точных расчетов необходимо привлекать профильных инженеров-конструкторов.