Стержень стальной

Стержень стальной: классификация, производство и применение в электротехнической и кабельной промышленности

Стальной стержень, в контексте электротехнической и кабельной продукции, представляет собой металлический прокат круглого, реже шестигранного, сечения, используемый в качестве несущего, армирующего или проводящего элемента. Его применение строго регламентировано и обусловлено требованиями к механической прочности, электропроводности, коррозионной стойкости и технологичности монтажа. В отличие от общестроительного назначения, стержни для электротехники производятся по специализированным стандартам с четко контролируемыми характеристиками.

Классификация и виды стальных стержней

Классификация осуществляется по нескольким ключевым параметрам: назначению, виду стали, типу покрытия и геометрическим характеристикам.

1. По основному назначению:

• Несущий сердечник (стержень) для самонесущих изолированных проводов (СИП) и оптических кабелей. Предназначен для восприятия механических нагрузок (натяжение, вес, гололед). Изготавливается из высокопрочной углеродистой или легированной стали. Может быть оцинкованным или иметь иное защитное покрытие.
• Армирующий элемент для силовых кабелей. Используется в бронепокровах (например, тип Бл) в виде круглой проволоки, наложенной по спирали поверх защитных оболочек. Повышает стойкость кабеля к механическим воздействиям (растяжение, сдавливание, удар).
• Заземляющий проводник (стержневой заземлитель). Используется в контурах заземления электроустановок. Чаще всего это стальной пруток круглого сечения с оцинкованным или медненным покрытием для снижения коррозии и обеспечения стабильного переходного сопротивления.
• Токопроводящая жила. В некоторых типах проводов (например, сталеалюминиевых) стальной сердечник служит для увеличения механической прочности, в то время как алюминиевые провода обеспечивают основную токопроводность. В чистом виде как проводник тока практически не используется из-за высокого удельного сопротивления.

2. По материалу и типу стали:

• Углеродистая сталь обыкновенного качества (Ст0, Ст3кп). Применяется для менее ответственных конструкций, заземления.

Высокоуглеродистая сталь (например, 65, 70). После термической обработки (патентирование) приобретает высокие прочностные характеристики (временное сопротивление разрыву до 1400-1800 МПа), что критически важно для несущих сердечников СИП.

• Легированная сталь (с добавками марганца, кремния). Повышает прочность, износостойкость, усталостную выносливость.

3. По виду защитного покрытия:

• Без покрытия (светлый). Требует дополнительной защиты от коррозии при монтаже (окрашивание).
• Оцинкованный (горячим или гальваническим способом). Наиболее распространенный тип. Толщина цинкового слоя нормируется (например, от 6 до 40 мкм в зависимости от группы по ГОСТ 3282-74) и определяет срок службы в агрессивных средах.
• Медненный. Нанесение медного слоя улучшает электропроводность поверхности, облегчает пайку и снижает переходное сопротивление в контактах, что важно для заземляющих устройств.
• Комбинированные покрытия (например, Al+Zn). Обеспечивают повышенную коррозионную стойкость.

Технология производства и контроль качества

Производство высококачественного стального стержня для электротехники включает несколько этапов:

1. Выплавка и разливка стали. Контроль химического состава шихты для обеспечения заданных механических свойств.
2. Прокатка. Формование заготовки в стержень требуемого диаметра на прокатных станах. Важна точность калибровки.
3. Термическая обработка (отжиг, патентирование). Для снятия внутренних напряжений и придания необходимой структуры (сорбита или троостита), обеспечивающей сочетание прочности и пластичности.
4. Нанесение защитного покрытия. Чаще всего – горячее цинкование в ванне с расплавленным цинком при температуре ~450°C.
5. Контроль. Включает:
   • Измерение геометрических параметров (диаметр, овальность).
   • Механические испытания (разрывное усилие, относительное удлинение, изгиб).
   • Контроль качества покрытия (толщина, равномерность, адгезия).
   • Для несущих сердечников – испытание на релаксацию напряжений.

Нормативная документация и ключевые параметры

Качество стержней регламентируется национальными и международными стандартами. Основные из них:

• ГОСТ 3282-74: Стальная низкоуглеродистая проволока общего назначения. Оцинкованная и неоцинкованная.
• ГОСТ Р 52737-2007 (на основе МЭК 60888): Проволока стальная оцинкованная для армирования токопроводящих жил и несущих сердечников самонесущих изолированных проводов.
• ГОСТ 23286-78: Проволока стальная оцинкованная для бронирования кабелей.
• ТУ У 28.7-31523900-001:2009: Проволока стальная оцинкованная повышенной прочности для несущих сердечников СИП.
• IEC 60888, IEC 62155: Международные стандарты на стальную проволоку для армирования жил и сердечников.

Таблица 1. Типовые механические характеристики стального стержня для несущих сердечников СИП (на основе ГОСТ Р 52737)

Номинальный диаметр, мм	Марка стали	Временное сопротивление разрыву, МПа, не менее	Относительное удлинение при разрыве, %, не менее	Минимальная толщина цинкового покрытия, мкм
1.50 — 3.00	Высокоуглеродистая, патентированная	1340	4.0	20
3.01 — 5.00	Высокоуглеродистая, патентированная	1310	4.0	25
5.01 — 7.00	Высокоуглеродистая, патентированная	1240	4.0	30

Таблица 2. Сравнение стержней для различных применений

Применение	Типичный диаметр, мм	Ключевое требование	Стандарт	Покрытие
Несущий сердечник СИП-1, СИП-2	1.8 — 7.0 (однопроволочный или многопроволочный)	Высокая прочность на разрыв, низкая релаксация	ГОСТ Р 52737, ТУ У 28.7-31523900-001	Горячее цинкование
Броня кабеля (тип Бл)	1.4 — 6.0 (проволока)	Сопротивление раздавливанию и растяжению	ГОСТ 23286	Горячее цинкование
Заземляющий стержень	10 — 20 и более	Коррозионная стойкость, стабильность сопротивления	ГОСТ Р 50571.5.54-2013, ПУЭ	Оцинковка, меднение

Особенности монтажа и эксплуатации

При работе со стальными стержнями в электротехнических конструкциях необходимо учитывать ряд факторов:

• Коррозия. Даже оцинкованные стержни подвержены коррозии в почвах с низким pH (кислых) или высоким содержанием хлоридов. Необходим расчет срока службы и выбор покрытия соответствующей толщины.
• Гальваническая пара. При непосредственном контакте стали с алюминием (например, в СИП) в присутствии электролита (влаги) возникает электрохимическая коррозия. Для ее предотвращения используются биметаллические гильзы или специальные смазки.
• Релаксация. Для несущих сердечников явление постепенного уменьшения натяжения под постоянной нагрузкой критично. Используются стали с низким коэффициентом релаксации.
• Электропроводность. Удельное сопротивление стали (~0.13 Ом·мм²/м) значительно выше, чем у меди или алюминия. Это ограничивает ее применение как основного проводника тока.
• Монтажные операции. Резка, гибка, соединение (опрессовка, сварка) должны выполняться инструментами, не повреждающими защитное покрытие. Места повреждений подлежат окрашиванию антикоррозионными составами.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается стальной стержень для СИП от обычной оцинкованной проволоки?

Стальной сердечник для СИП производится из высокоуглеродистой патентированной стали, прошедшей специальную термообработку, что обеспечивает исключительно высокую прочность на разрыв (свыше 1240 МПа) и низкую релаксацию. Обычная оцинкованная проволока (например, по ГОСТ 3282) имеет прочность в 2-3 раза ниже и не предназначена для длительного восприятия значительных механических нагрузок в несущих элементах ВЛ.

Как выбрать толщину цинкового покрытия на стальном стержне для заземления?

Толщина выбирается исходя из коррозионной агрессивности грунта (удельного сопротивления, pH, наличия блуждающих токов) и требуемого срока службы заземляющего устройства. Для нормальных грунтов обычно достаточно покрытия 40-60 мкм (группа 2-3 по ГОСТ 3282). В сильноагрессивных средах применяются стержни с медненным покрытием или из нержавеющей стали, хотя последние значительно дороже.

Почему в броне кабеля используется именно круглая стальная проволока, а не лента?

Броня из круглой оцинкованной проволоки (тип Бл) обеспечивает кабелю большую гибкость по сравнению с плоскими стальными лентами (тип Б), а также лучшее сопротивление растягивающим нагрузкам. Однако она тяжелее и дороже. Выбор типа брони зависит от условий прокладки: проволочная броня рекомендуется для участков с значительными растягивающими усилиями (например, при прокладке в воде или по неровному рельефу).

Допустимо ли использовать стальной стержень в качестве основного проводника нулевого защитного (PE) или совмещенного (PEN) проводника?

Согласно ПУЭ (п. 1.7.121, 1.7.123), в качестве PE и PEN проводников должны применяться прежде всего жилы кабелей. Использование стальных стержней (полос, уголков) допускается только для заземляющих устройств и их соединений между собой. В качестве магистрали заземления внутри электроустановок стальной стержень не применяется из-за недостаточной проводимости и сложности монтажа. Для PEN-проводника требования еще строже: необходима проводимость, сравнимая с фазным проводником, что сталь обеспечить не может.

Как правильно соединять стальные стержни (например, в контуре заземления)?

Основной надежный метод – сварка. Сварной шов должен быть непрерывным, его длина должна быть не менее удвоенной ширины стержня (для полос) или шести диаметров (для круглых стержней). Место сварки необходимо защитить от коррозии битумным лаком или другими антикоррозионными составами. Болтовые соединения допускаются только в местах присоединения заземляющих проводников к магистрали или электрооборудованию и должны быть защищены от ослабления и коррозии.

Что такое релаксация и почему она важна для несущего сердечника СИП?

Релаксация – это процесс самопроизвольного уменьшения механического напряжения (натяжения) в материале, находящемся под длительной постоянной нагрузкой. Для СИП, натянутого между опорами, высокая релаксация сердечника приведет к провисанию провода ниже допустимого уровня через несколько лет эксплуатации, что может нарушить габариты безопасности. Поэтому для производства сердечников используется сталь, прошедшая специальную обработку, минимизирующую этот эффект.