Che cos'è una piastra in acciaio rivestita in rame per la protezione dai fulmini?
Una piastra in acciaio rivestita in rame per la protezione dai fulmini è un composito bimetallico che unisce uno spesso strato di rame a un'anima in acciaio esplosivo saldatura o incollaggio a rullo. Offre la conduttività e la resistenza alla corrosione del rame con la resistenza meccanica e l'economicità dell'acciaio. Questo non è un rivestimento placcato. È un legame metallurgico che non si sbuccia né si delamina sotto l'estremo stress termico e meccanico causato da un fulmine. Gli ingegneri lo usano come elettrodo di messa a terra, griglia di contrappeso, o piazzola di connessione nelle sottostazioni, torri, e impianti industriali.
Perché non utilizzare solo rame massiccio o acciaio massiccio?
Il rame solido è morbido, costoso, e non ha la forza per essere conficcato in profondità nel terreno come un'asta o per sostenere pesanti collegamenti a sbarre. L'acciaio solido si corrode rapidamente nel terreno, perdendo il suo percorso a bassa resistenza in pochi mesi. Rame rivestito l'acciaio risolve entrambi i problemi. Molti utenti su Reddit segnalano che dopo essere passati dal rame solido alle piastre di acciaio rivestite di rame, non hanno notato alcun calo delle prestazioni nei test di resistenza al suolo, ma hanno ridotto i costi dei materiali 40% e hanno smesso di preoccuparsi del furto di preziosi rottami di rame dai cantieri. Quindi la vera domanda è: perché stai ancora specificando il rame puro?
Come viene creato il legame? Legame per esplosione vs. Incollaggio a rullo
L'incollaggio per esplosione utilizza una carica esplosiva controllata con precisione per saldare il rame all'acciaio. Il risultato è un vero legame metallurgico a livello atomico, senza riempitivo, nessun flusso, nessuna zona alterata dal calore che ammorbidisce l'acciaio. Il roll bonding fa passare i metalli impilati attraverso rulli pesanti ad alta pressione e temperatura. Per piastre parafulmini, il metodo preferito è l'incollaggio a esplosione. Preserva la piena conduttività del rame e produce un legame che supera i test di taglio 20,000 psi (140 MPa). Un project manager per a 500 La sottostazione kV me lo ha detto dopo un test diretto sul fulmine, le sue piastre legate a esplosione non mostravano alcuna delaminazione ai bordi: qualcosa di rivestito o rivestito i prodotti non possono rivendicare.
Qual è il giusto rapporto di spessore rame-acciaio?
Lo standard di settore specifica 10% A 20% rame per area della sezione trasversale. Per un 1/4 di pollice (6.35 mm) piatto spesso, questo significa 0.025 A 0.050 pollici di rame legati al acciaio nucleo. Perché quella gamma? Sotto 10%, lo strato di rame è troppo sottile per gestire la diffusione della corrente di picco senza surriscaldarsi e degradare il legame. Sopra 20%, stai sprecando rame e aggiungendo costi perché l'anima in acciaio trasporta già il carico meccanico. Per applicazioni con correnti di guasto elevate come la messa a terra delle torri di trasmissione, attenersi a 15% rame. Per la messa a terra generale dell'edificio, 10% funziona bene. Non lasciare che un fornitore ti convinca a scegliere uno strato di rame più sottile per risparmiare denaro; te ne pentirai durante la prima stagione lampo.
Quali standard regolano la messa a terra delle piastre in acciaio rivestite in rame?
Due documenti non sono negoziabili. Primo, ASTM B101 copre le specifiche per il rame-rivestito piastre di messa a terra in acciaio: integrità del collegamento, spessore del rame, e tolleranze dimensionali. Secondo, Standard IEEE 80 fornisce i calcoli di progettazione della messa a terra che indicano quanta area della piastra è necessaria per una determinata corrente di guasto e resistività del terreno. Se il tuo fornitore non è in grado di fornire un certificato di conformità alla norma ASTM B101, non comprare da loro. Richiedi anche un test ad ultrasuoni (UT) rapporti che scansionano l'intera interfaccia del legame alla ricerca di vuoti o distacchi. UN 1% l'area non legata può diventare un punto di inizio della fessura durante a 100 kA fulmine.
Come si verifica la qualità delle obbligazioni? Prove UT e di taglio
Test ad ultrasuoni (UT) utilizza onde sonore ad alta frequenza per mappare l'interfaccia rame-acciaio. Qualsiasi area in cui manca il legame si presenta come un'anomalia di riflessione. La prova di taglio taglia fisicamente la piastra e cerca di far scivolare via il rame dall'acciaio. La resistenza al taglio richiesta per le piastre di protezione contro i fulmini è tipicamente 20,000 psi (140 MPa) minimo. Non accettare targhe che non sono passate 100% Scansione UT. Un utente su un forum professionale ha condiviso una storia dell'orrore: hanno installato 30 piatti, e sei mesi dopo, tre avevano lo strato di rame sfaldato perché il fornitore aveva saltato l'UT. Il costo di sostituzione è stato pari a 10 volte il prezzo della piastra originale. Verifica prima di seppellire.
In che modo le piastre in acciaio rivestite in rame gestiscono le correnti di picco?
Durante un fulmine, sovracorrente nell'ordine di 100,000 gli ampere fluiscono attraverso la piastra in microsecondi. Lo strato di rame fornisce un percorso a bassa impedenza. L'anima in acciaio funge da dissipatore di calore, dissipando l'energia termica e impedendo la fusione o la vaporizzazione del rame. Se il legame è solido, la piastra si comporta come un unico conduttore. Se il legame è debole, l'interfaccia si surriscalda, il rame si espande a una velocità diversa rispetto all'acciaio, e inizia la delaminazione. Questo è il motivo per cui il collegamento a esplosione, con il suo legame atomico continuo, è superiore ai morsetti meccanici o ai giunti saldati. Stai essenzialmente saldando due metalli in un'unità.
Dove installi queste piastre?
Le applicazioni comuni includono: 1) Elettrodi di messa a terra sepolto verticalmente o orizzontalmente nel terreno. 2) Griglie di contrappeso disposti attorno al perimetro della sottostazione. 3) Pad di connessione dove le calate dei parafulmini o i fili schermati aerei si collegano alla rete di terra. 4) Piastre di messa a terra dell'apparecchiatura per trasformatori e quadri elettrici. Le piastre sono spesso fornite con fori preforati o prigionieri filettati per connessioni bullonate. Utilizzare sempre hardware in acciaio inossidabile per questi collegamenti per evitare la corrosione galvanica tra la piastra in rame e i bulloni in acciaio.
In che modo l'acciaio rivestito di rame resiste alla corrosione del suolo?
Il rame è naturalmente resistente alla maggior parte delle sostanze chimiche del suolo: i cloruri, solfati, acidi. Lo strato di rame protegge l'anima in acciaio dal contatto diretto con il terreno. Tuttavia, sui bordi tagliati o sui fori praticati dove l'acciaio è esposto, devi sigillare quelle aree. Utilizzare un composto anticorrosione o uno strato di mastice epossidico. E non saldare mai direttamente sullo strato di rame. La saldatura distrugge il legame ed espone l'acciaio. Invece, utilizzare la saldatura esotermica (cadweld) o collegamenti bullonati con alette in acciaio inossidabile. Un ingegnere della corrosione mi ha detto di aver visto una piastra di acciaio rivestita in rame di 30 anni rinvenuta in una sottostazione costiera che sembrava quasi nuova, mentre le vicine aste di acciaio massiccio erano arrugginite fino al nucleo.
L'acciaio rivestito in rame è più economico del rame solido?
SÌ, in modo significativo. La piastra in rame massiccio costa circa quattro o cinque volte di più per metro quadrato rispetto all'acciaio rivestito in rame dello stesso spessore complessivo. Perché il nucleo in acciaio sostiene il carico meccanico, puoi anche usare una piastra complessiva più sottile, ad esempio 1/8 pollice (3 mm) di acciaio rivestito di rame invece di 1/4 pollice (6 mm) di rame puro e ottenere la stessa rigidità strutturale. Ciò significa che risparmi sul costo del materiale e sul peso di movimentazione. Per una grande rete di messa a terra di sottostazione, tale differenza di costo può essere di decine di migliaia di dollari. E perdi l'incentivo per i ladri: Non vale la pena rubare le piastre di acciaio rivestite di rame perché il rame non può essere facilmente rimosso dall'anima di acciaio.
Che dire della corrosione galvanica sui giunti??
La corrosione galvanica si verifica quando due metalli diversi sono in contatto elettrico in presenza di un elettrolita (terreno bagnato). Il rame è nobile; l'acciaio è attivo. Se si collega una piastra in acciaio rivestita in rame a un picchetto di terra in acciaio zincato, la barra d'acciaio si corroderà preferibilmente nel punto di connessione. La soluzione è semplice: use copper alloy or stainless steel connectors at all joints, and coat the connection interface with a dielectric anti-corrosion grease. Meglio ancora, use all copper clad steel throughout the grounding system—rods, piatti, and cables—so you have a single metal pair (copper to copper) at every junction. Some engineers argue that a small amount of galvanic corrosion is acceptable if the grounding system has excess metal cross-section. I disagree. A lightning protection system is only as good as its weakest link. Prevent corrosion at the joints and you prevent system failure.
How Does the Mechanical Strength of Copper Clad Steel Help?
The steel core gives the plate the stiffness to be driven into the ground without bending. It also supports heavy equipment bolted onto the plate without deforming. Durante un fulmine, l'anima in acciaio assorbe l'onda d'urto meccanica che taglierebbe una piastra di rame puro. E se installi le piastre in zone con cicli di gelo-disgelo, l'anima in acciaio previene le crepe dovute ai movimenti del terreno. Un appaltatore con cui ho lavorato guidava una 0,25 pollici (6.35 mm) spessa piastra d'acciaio rivestita di rame per un metro nel terreno roccioso utilizzando un martello idraulico, cosa che non potresti mai fare con il rame puro. Quella stessa forza ti consente di usarlo più a lungo, piastre più sottili per un contatto più profondo con il terreno senza rischio di rottura.
Perché alcuni ingegneri specificano ancora il rame massiccio?
Non hanno aggiornato le loro specifiche 20 anni. Presumono che il rame sia il gold standard e non lo mettono in discussione. Alcuni temono anche che una piastra rivestita in rame sia un materiale composito, e i compositi potrebbero avere difetti nascosti. Ma la verità è, l'acciaio rivestito di rame è stato utilizzato per decenni nella messa a terra militare e industriale, e funziona. Sia l'IEEE che l'ASTM lo riconoscono. L'unico motivo per non usarlo è se il terreno è estremamente acido (pH < 4.0) and the copper itself will corrode, in which case you should use stainless steel anyway, not pure copper. So if your engineer or specifier insists on solid copper, ask them to show you a cost-benefit analysis. Chances are, they can't.
Quali tecniche di sigillatura dei bordi prevengono l'attacco dei legami?
In fabbrica, i bordi di una piastra di acciaio rivestita in rame sono spesso sigillati saldando una striscia di rame attorno al perimetro. Ciò impedisce all'umidità del suolo di insinuarsi tra gli strati di rame e acciaio. Se tagli un piatto su misura sul campo, è necessario sigillare il bordo tagliato. Utilizzare un rivestimento epossidico bicomponente o un sigillante bituminoso applicato a caldo. Non lasciare l'acciaio esposto. Anche, se fai dei buchi, applicare lo stesso sigillante sulle pareti del foro. Molti utenti su Reddit hanno sottolineato che la corrosione dei bordi è la modalità di guasto più comune per le piastre di acciaio rivestite in rame, non il legame stesso., ma i bordi non protetti. Sigillare ogni superficie d'acciaio esposta.
Le piastre in acciaio rivestite in rame possono essere utilizzate in ambienti marini?
SÌ, con cautela. Nelle zone con schizzi di acqua salata, il rischio di corrosione galvanica è maggiore. Utilizzare strati di rame più spessi (almeno 20% sezione trasversale) e applicare un rivestimento epossidico pesante di tipo marino su tutti i bordi in acciaio esposti. Se la piastra sarà completamente immersa nell'acqua di mare, considerare invece l'utilizzo di una piastra rivestita in rame-nichel. Ma per la messa a terra delle turbine eoliche offshore o delle sottostazioni costiere, l'acciaio rivestito di rame viene utilizzato con successo se adeguatamente sigillato. Un installatore di piattaforme offshore mi ha detto che utilizzano piastre di messa a terra in acciaio rivestito in rame perché hanno bisogno della resistenza meccanica per resistere all'impatto delle onde, e il rame puro si deformerebbe sotto il carico.
Quali dimensioni e forme sono disponibili?
Le piastre standard sono disponibili nelle dimensioni da 12 pollici da 12 pollici (300 X 300 mm) fino a 48 pollici da 96 pollici (1200 X 2400 mm). Gli spessori variano da 1/8 pollice (3 mm) A 1 pollice (25 mm). È possibile realizzare forme personalizzate: rettangolare, circolare, o a L per applicazioni ad angolo. Alcuni produttori offrono piastre con perni di messa a terra integrati o capicorda di montaggio. Se hai bisogno di una forma non standard, ordinare in anticipo; gli stampi personalizzati potrebbero richiedere tempi di consegna più lunghi. Per la maggior parte delle applicazioni per sottostazioni, UN 24 X 24 piastra in pollici con 0.25 spessore complessivo in pollici e 15% il rame è la dimensione del cavallo di battaglia.
Come si testa la resistenza di terra installata di una piastra di acciaio rivestita in rame?
Utilizzare il metodo della caduta di potenziale secondo lo standard IEEE 81. Allontanare due aste di prova dalla piastra, misurare la caduta di tensione ai loro capi mentre si inietta una corrente di prova, e calcolare la resistenza. Per una singola piastra in acciaio rivestita in rame in terreno moderato (100 ohmmetri), dovresti vedere una resistenza di terra di 5 A 15 ohm, a seconda delle dimensioni della piastra e della profondità di sepoltura. Se la resistenza è superiore al previsto, verificare la presenza di una connessione interrotta o di un bordo della piastra mal incollato. Molti utenti nei forum tecnici consigliano di eseguire il test immediatamente dopo l'installazione e successivamente ogni anno. Una tendenza all'aumento della resistenza solitamente segnala la corrosione in corrispondenza di un giunto o un degrado del legame.
Non esiste alcuna scorciatoia nella messa a terra. O lo fai bene con il certificato, materiali testati, oppure accetti fallimenti periodici. La piastra in acciaio rivestita in rame per la protezione dai fulmini non è un compromesso: è una soluzione ingegnerizzata che supera le prestazioni del rame solido in ogni parametro pratico, ad eccezione della conduttività elettrica grezza per unità di volume. E quella piccola differenza di conduttività è irrilevante quando la piastra è dimensionata correttamente. Specificare ASTM B101, richiedere rapporti sulle prove UT e di taglio, sigillare ogni bordo, e il tuo sistema di protezione contro i fulmini durerà per tutta la vita della struttura.
Fornitore
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