С-образный прокат, полученный методом внутренней прокатки: шесть ключевых моментов.

Я.Холодноформованная тонкостенная сталь

Большинство людей ассоциируют сталь с горячекатаными двутавровыми балками и швеллерами, которые являются тяжелыми и толстыми. Однако сталь С-образного профиля, прокатанная внутрь, относится к холодноформованной тонкостенной стали — она производится при комнатной температуре путем непрерывного сгибания рулонных стальных пластин или полос через несколько комплектов валков, подобно складыванию бумаги, для постепенного создания сложных поперечных сечений, таких как С-образные и Z-образные формы. Этот процесс не требует нагрева и основан на «холодной обработке».

Почему это важно? Потому что процесс холодной гибки приводит к упрочнению материала: предел текучести стали увеличивается на 10–20% по сравнению с исходным материалом. Другими словами, тот же материал становится «прочнее» после холодной гибки. Кроме того, это позволяет создавать поперечные сечения большого диаметра с очень тонкой толщиной стенок (обычно от 1,5 до 3,0 мм), что приводит к чрезвычайно высокой степени использования материала. По сравнению с горячекатаной сталью, холодноформованная сталь позволяет сэкономить примерно 25–30% стали. Это одна из ключевых технологий, позволяющих снизить затраты на кронштейны для фотоэлектрических систем, сохраняя при этом их прочность.

II. Прогоны против главных балок

Многие, рассматривая чертежи несущих конструкций, называют все стальные балки С-образного сечения «прогонами», но на самом деле они выполняют разные функции. В несущей конструкции фотоэлектрической системы:

Прогоны — это горизонтальные элементы, которые непосредственно «поддерживают» фотоэлектрические модули. Модули крепятся к прогонам с помощью зажимов или болтов, а прогоны отвечают за сбор ветровой и снеговой нагрузки, передаваемой от модулей.

Главные балки (также называемые диагональными балками) — это наклонные несущие элементы, поддерживающие прогоны. Один конец соединяется с колонной, а другой — с диагональной раскосом или другой колонной, передавая усилие от прогонов к колонне.

Проще говоря: прогоны — это как стропила на крыше, а главные балки — как главные балки в несущей стене. В качестве прогона или главной балки может использоваться одна изогнутая внутрь стальная балка С-образного сечения; разница лишь в величине нагрузки и направлении её распределения. На этапе проектирования необходимы конструктивные расчёты для определения характеристик каждого элемента — как правило, поперечное сечение главной балки на один размер больше, чем у прогона.

（Фото из 微信公众号-机电原理）

lll.Толщина и срок службы горячего цинкования

Срок службы кронштейнов для фотоэлектрических панелей составляет более 25 лет, поэтому предотвращение коррозии имеет первостепенное значение. Наиболее распространенным методом защиты от коррозии является горячее цинкование: сталь С-образного профиля погружают в расплавленный цинк при температуре приблизительно 445°C для образования слоя цинково-железного сплава и внешнего слоя чистого цинка. Но какой толщины должен быть достаточный слой?

Эмпирические данные говорят нам:

В сельской местности или вдали от побережья: двухсторонний слой оцинкованной стали толщиной 40-50 мкм (приблизительно 275-350 г/м²) может прослужить 15-20 лет.

Промышленные или слабозагрязненные районы: 50-65 мкм (приблизительно 350-450 г/м²), что соответствует 20-25 годам.

Для прибрежных зон в пределах 2 км или в условиях высокой влажности и воздействия солевых брызг требуется толщина покрытия 80 мкм или более (приблизительно 550–600 г/м²) для достижения срока службы более 25 лет.

Важно отметить, что более толстое покрытие не всегда лучше — чрезмерная толщина увеличивает хрупкость покрытия, снижает адгезию и значительно повышает затраты. Поэтому разумный подход к проектированию предполагает выбор соответствующей плотности покрытия в зависимости от уровня коррозии на объекте. Недавно получившее популярность цинково-алюминиево-магниевое покрытие (содержащее 3,5–11% алюминия и 1–4% магния) представляет собой технологическое усовершенствование: его коррозионная стойкость в 3–10 раз выше, чем у чистого цинка, а срезы самовосстанавливаются; даже при царапинах во время установки повторное нанесение покрытия не требуется, что делает его особенно подходящим для прибрежных и кислотно-щелочных сред.

（Фото из 微信公众号-机电原理）

IV. Почему скручивание внутрь улучшает силу?

Этот вопрос наилучшим образом демонстрирует изобретательность инженерной механики. Когда открытая стальная балка С-образного сечения подвергается давлению, наиболее вероятным результатом является не разрушение прочности, а нестабильность — подобно раздавливанию пустой банки из-под газировки. Полки (две прямые кромки) стальной балки С-образного сечения имеют тенденцию скручиваться наружу или внутрь под давлением; этот тип разрушения называется локальным изгибом.

Функция загнутой внутрь кромки заключается в создании упругого ограничения для кромки фланца. Загнутая кромка действует как «небольшая перегородка», предотвращая свободное скручивание фланца. Это значительно увеличивает критическое напряжение потери устойчивости фланца, позволяя компоненту сохранять стабильную несущую способность даже при меньшей толщине стенок. С технической точки зрения, это улучшает несущую способность сечения при деформации и локальной потере устойчивости.

Для наглядности: представьте тонкий лист бумаги; его легко согнуть, если держать его ровно; но если согнуть небольшой край с каждой стороны, он станет намного жестче. Загнутый внутрь край — это и есть тот самый «загнутый край», эффект от которого проявляется немедленно. Именно поэтому сталь С-образной формы для фотоэлектрических элементов должна иметь закругленные края, а не просто открытую U-образную канавку.

V. Путь передачи нагрузки: от модуля к заземлению. Ни одно прерывание не допускается.

Основной принцип безопасности при проектировании фотоэлектрических электростанций заключается в обеспечении целостности пути передачи нагрузки. Изогнутый внутрь С-образный стальной профиль занимает центральное положение на этом пути. Давайте рассмотрим этот процесс от начала до конца:

Ветер или снег воздействуют на поверхность фотоэлектрических модулей.

Модули передают нагрузку на прогоны (изготовленные методом внутренней прокатки С-образной стали) с помощью зажимов или болтов.

Затем прогоны передают нагрузку на главную балку (которая также может быть выполнена из С-образного профиля).

Главная балка передает нагрузку на колонны (обычно С-образные стальные или круглые трубы).

Колонны передают нагрузку на фундамент (монолитные сваи, винтовые сваи и т. д.).

В конечном итоге, фундамент передает нагрузку на грунт (грунт или скальную породу).

Выход из строя любого узла на этом пути — например, ослабление соединительных болтов, локальное выпучивание С-образного профиля или коррозия сварных швов — приведет к обрушению всей конструкции. Поэтому при проектировании опор для фотоэлектрических систем необходимо не только рассчитать прочность каждого стального профиля, но и проверить несущую способность соединительных узлов, а также обеспечить сплошное покрытие всех компонентов в узлах (например, с использованием оцинкованных болтов, пружинных гаек и т. д.). Длинные монтажные отверстия на задней стороне скатанного внутрь С-образного профиля предназначены для удобной регулировки положения и обеспечения достаточного зазора для болтовых соединений.

VI. Почему следует избегать сварки на месте?

В некоторых небольших проектах по установке фотоэлектрических систем или временных электростанциях строительные бригады могут резать и сваривать стальные профили С-образного сечения прямо на месте для удобства. Это является серьезным табу по трем причинам:

Сначала выгорает оцинкованный слой. Во время сварки локальная температура может достигать более 1500℃, что приводит к мгновенному испарению или окислению оцинкованного слоя. Цинковый слой вокруг точки сварки также разрушается из-за высокой температуры. Эта точка становится «прорывом» для коррозии, ржавчина прорастает изнутри в течение нескольких лет и становится не подлежащей ремонту.

Во-вторых, сварка вызывает деформацию. Сталь охлаждается и сжимается после локального нагрева, в результате чего сталь С-образного профиля изгибается и скручивается. То, что было спроектировано с прямолинейностью не более 1 мм на метр, после сварки может стать прямолинейностью 5 мм на метр. Фотоэлектрические модули представляют собой изделия из стекла и чрезвычайно чувствительны к плоскостности; деформация опорной конструкции может напрямую привести к микротрещинам или разрушению модулей.

Во-третьих, прочность зоны термического воздействия снижается. Эффект упрочнения холодноформованной стали исчезает под воздействием термического цикла сварки, что приводит к снижению предела текучести вблизи точки сварки по сравнению с исходным основным материалом.

Поэтому во всех стандартных системах крепления фотоэлектрических панелей используются болтовые соединения: для сборки на месте применяются предварительно изготовленные соединители, болты, пружинные гайки и шайбы, предотвращающие ослабление крепления, подобно строительным блокам. Это обеспечивает постоянную коррозионную стойкость, упрощает разборку и регулировку, а также лучше соответствует требованиям к качеству и сроку службы в 25 лет.