Как правильно выбрать материал корпуса для уличной установки?

08.07.2020 dkc.ru

Несколько десятков лет назад выбор электротехнического шкафа был довольно прост: нужно было просто выбрать серую металлическую коробку подходящего размера и надеяться на то, что корпус выдержит условия установки. С появлением новых материалов и развитием технологий обработки выбор корпусов значительно увеличился. Разобраться в ассортименте становится все сложнее, а ведь именно выбор правильного материала корпуса обеспечивает длительный срок службы корпуса его соответствие потребностям клиента.

Разные материалы корпуса по-разному реагируют на условия окружающей среды, имеют разные физико-химические свойства. Уличная установка шкафа по сравнению с внутренней установкой накладывает дополнительные требования к материалу:в этом случае от шкафа требуется стойкость к осадкам, вандалостойкость, безопасность, презентабельный внешний вид. Попробуем разобраться во всем разнообразии материалов, выбрав наиболее востребованные варианты и сравнив их между собой. Итоговые результаты сравнения можно посмотреть в самом конце.

Материалы металлических корпусов

Металл прежде был лидером среди материалов, из которых изготавливаются корпуса, благодаря механическим свойствам и доступности. Однако с развитием неметаллических материалов, более дешевых и более коррозионностойких, металл становится менее популярным.

Сейчас для изготовления металлических корпусов чаще всего используются следующие материалы:
Окрашенная сталь была одним из первоначальных вариантов для конструирования электротехнического шкафа. Использование листовой стали широко распространено из-за относительной дешевизны данного материала и хороших механических свойств. Однако без защитного покрытия она быстро разрушается коррозией. Для защиты используют различные варианты цинкования и покрытия защитной краской. Здесь мы будем рассматривать именно окрашенную листовую сталь, как наиболее полно представленную на рынке.
Нержавеющая сталь – сталь с добавлением не менее 10% хрома. Нержавеющая сталь известна своей коррозионной стойкостью и применяется для уличной установки и пищевой промышленности. Высокая стоимость нержавеющей стали останавливает массовое применение таких корпусов.
Алюминий - известный и широко распространенный металл. Как и листовая сталь, он очень давно применяется в промышленности. Алюминий намного легче других металлов, кроме того, он имеет естественный защитный слой.

Материалы неметаллических корпусов

Неметаллические материалы корпусов появились в начале 1970х годов, но в последнее время их популярность возросла благодаря более глубокому пониманию преимуществ этих материалов. Они не подвержены коррозии и обеспечивают электрическую изоляцию корпуса, а их механические свойства и ударопрочность зачастую не уступает металлам.

В эту категорию входят:
Фиберглас – композиционный материал, состоящий из стекловолокна и связующего полимера, также называемый полиэстером, армированный стекловолокном. Это наиболее широко распространенный неметаллический материал в промышленности. Отличительная черта фибергласа – его высокая химическая и коррозионная стойкость, значительная ударопрочность и жесткость. Обладает самым широким среди неметаллических материалов температурным диапазоном эксплуатации.
Поликарбонат - разновидность термопластика с хорошими эксплуатационными свойствами и неплохими показателями устойчивости к воздействию открытого огня. Он получил широкое применение во многих сферах жизни человека. Поликарбонатные электрические корпуса больше всего выделяются своим внешним видом и удобством в использовании.
АБС-пластик - дешевый пластик, получаемый путем сочетания трех элементов. Название АБС является сокращением по первым буквам трех мономеров (акрилонитрил, бутадиен, стирол). Имеет ряд отличительных как положительных, так и отрицательных черт. Благодаря своим физическим и химическим свойствам нашел широкое применение в качестве инженерного и конструкционного материала, однако его не рекомендуется использовать в условиях высокой активности химических сред и воздействия прямых солнечных лучей. Обладает небольшим температурным диапазоном.

Коррозионная и химическая стойкость

Коррозия — это физико-химическое взаимодействие между металлом и окружающей средой, приводящее к изменению свойств металла и, возможно, к значительному ущербу для металла, среды или технической системы, в которую они входят (см. стандарт ISO 8044:2010).

Скорость коррозии обычной стали довольно высока, поэтому достижение удовлетворительных результатов невозможно без применения дополнительной антикоррозионной защиты, например, различных видов цинкования, и покрытия защитной краской. Если защитное покрытие повреждено, шкаф в уличных условиях непременно начнет ржаветь, притом очень быстро. Причиной повреждения краски могут быть умышленные и случайные царапины, сколы от камней при размещении корпуса рядом с дорогой и т.п. Из-за атмосферных факторов краска даже без внешнего механического воздействия может потрескаться, вздуться или облупиться, что также обязательно приведет к появлению коррозии. Такая возможность зависит от качества нанесения краски и обработки поверхности металла, соблюдения требований по эксплуатации окрашенного шкафа. Мелкие сколы и царапины при своевременном обнаружении можно без значительных усилий закрасить, но в случае отслоения краски восстановление защитного слоя становится практически невозможным без больших затрат. К тому же даже в случае мелкого ремонта необходимо иметь в наличии краску необходимого цвета и характеристик, а также осуществлять периодичный мониторинг, чтобы оперативно реагировать на повреждения – а это не всегда удобно.

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь противостоит коррозии благодаря своему химическому составу. Добавление хрома, обязательной черты нержавеющей стали, приводит к образованию стабильного, но очень тонкого (несколько нанометров) оксидного слоя (пассивирующего слоя) на поверхности металла. Поэтому нержавеющая сталь не подвергается коррозии, однако при определенных обстоятельствах пассивирующий слой может разрушиться, что приведет к возникновению местной формы коррозии, например, под воздействием хлорид-ионов. Увеличение или уменьшение содержания определенных элементов в нержавеющей стали изменяет ее коррозионные и механические свойства. В промышленности наиболее распространены марки нержавеющей стали 1.4301 (AISI 304) и 1.4401 (AISI 316). Сталь марки 1.4401 (AISI 316) имеет класс коррозионной стойкости 3 за счет содержания молибдена и может применяться, к примеру, в приморский районах и в районах с высоким уровнем промышленного загрязнение. Этим она отличается от стали марки 1.4301 (AISI 304), имеющей класс коррозионной стойкости 2 и не содержащей молибден. Она устойчива к коррозии, однако эксплуатировать ее в условиях агрессивных сред все же не рекомендуется.

К сожалению, добавление дополнительных элементов сказывается на стоимости, поэтому корпуса из стали 1.4401 (AISI 316) в среднем в 1,5-2 раза дороже аналогичного корпуса из стали 1.4301 (AISI 304).

Алюминий

Этот металл обладает хорошими показателями коррозионной устойчивости. В большинстве внутренних и наружных сред алюминий обладает довольно высокой стойкостью к коррозии и не требует дополнительных защитных покрытий. Такую естественную коррозионную стойкость алюминию обеспечивает тонкий, но очень эффективный оксидный слой, который самопроизвольно образуется на его поверхности. Коррозионная стойкость алюминия зависит от многих факторов: чистоты металла, коррозионной среды, концентрации агрессивных примесей в среде, температуры и т.д.

Основные виды коррозии: общая коррозия, точечная коррозия, гальваническая (контактная) коррозия, щелевая коррозия.
При общей коррозии, которую также называют сплошной коррозией, происходит более или менее одинаковое уменьшение толщины по всей поверхности изделия. Этот тип коррозии характерен для алюминия в сильнокислотных и щелочных условиях, в которых естественная алюминиевая оксидная пленка может раствориться.

Точечная коррозия — это локальная форма коррозии, для которой характерно образование на поверхности отдельных ямок неправильной формы. Если точечная коррозия алюминия всегда хорошо видна, то на нержавеющей стали заметить её сложнее. Количество металла, теряемого внутри этих отверстий, неизвестно, поскольку при этом внутри детали могут образоваться скрытые полости, что затрудняет обнаружение и прогнозирование точечной коррозии.

Щелевая коррозия — это локальная коррозия в узких углублениях между материалами или же между двумя поверхностями.

Контактная (гальваническая) коррозия возникает, когда два разнородных металла образуют электропроводящее соединение и соприкасаются с общим коррозийным электролитом. Например, так случается при соединении оцинкованной углеродистой стали и нержавеющей стали или алюминия. Поэтому при использовании корпусов из нержавеющей стали и алюминия необходимо использовать соответствующие рекомендованные комплектующие как при монтаже самого корпуса (настенные крепления, метизы и т.п.), так и при монтаже дополнительных аксессуаров (герметичные вводы, вентиляторы, кондиционеры и т.п.). Риск гальванической коррозии в сельской местности снижен. Однако его всегда стоит учитывать при установке корпусов в средах с высоким содержанием хлоридов, например, в прибрежных районах морей.

Какие факторы влияют на скорость коррозии

При уличной установке существует множество факторов, ускоряющих процесс коррозии. Например, повышение температуры и влажности приводит к ускорению химической реакции и, соответственно, к ускорению коррозии. Скорость коррозии будет низкой в сухой или холодной зоне с небольшой продолжительностью сохранения влажности. К таким засушливым районах относят пустыни, субарктическую зону и высотные горы. Высокая температура в пустыне не оказывает большого влияния на скорость коррозии, т.к. воздух остается очень сухим. И напротив, в приморских районах, для которых обычно характерна высокая влажность, повышение средней температуры приводит к ускорению коррозии. В результате для береговых и прибрежных областей в тропических климатических зонах характерна более высокая скорость коррозии, чем для аналогичных областей в более холодных регионах.

Высокое содержание хлоридов в воздухе заметно ускоряет коррозию. Хлориды оказывают многостороннее негативное воздействие на коррозионную стойкость металлов. Наличие солей способствует конденсации при более низкой относительной влажности. В результате этого периоды увлажнения поверхности становятся более длительными. Хлориды способствуют образованию растворимых продуктов коррозии, когда растворенные ионы металла образуют хлориды металла. Они обычно не обеспечивают достаточной защиты от дальнейшей коррозии. Хлориды разрушают защитный слой при воздействии на оксидную пленку, образовавшуюся на пассивированных металлах, например, нержавеющей стали и алюминии.

В морском воздухе основным источником хлоридов является морская вода. В ней содержится, в основном, хлорид натрия (более 90% всех солей), а также хлорид кальция и хлорид магния. Основным техногенным источником хлоридов является использование противообледенительных составов на дорогах в зимний период.

Из всех атмосферных загрязняющих веществ, образующихся в результате таких промышленных процессов, как сжигание топлива и выплавка металлов, диоксид серы сильнее всего влияет на скорость коррозии. Газообразный диоксид серы, присутствующий в атмосфере, приводит к повышению кислотности электролита на поверхности металлов, что приводит к образованию растворимых продуктов коррозии. В результате скорость коррозии многих металлов, например, листовой стали, алюминия и нержавеющей стали, увеличивается.

Фиберглас, поликарбонат и АБС-пластик не являются металлами, поэтому в принципе не подвержены коррозии. Они не требуют специальной обработки, покрытия или обслуживания, и это не влияет на срок их службы. Такие материалы могут применяться даже в наивысших категориях коррозионной активности C5 и CX по ISO 9223: умеренная, субтропическая и тропическая зона (с очень высоким периодом увлажнения поверхности) и очень высоким содержанием оксида серы SO2 (свыше 250 мкг/м3), включая дополнительные и производственные факторы и/или сильное воздействие хлоридов. Например, неметаллические корпуса можно использовать в промышленных зонах с очень высоким уровнем загрязнения, в прибрежных и морских зонах с периодическим контактом с соляным туманом.

В эти категории входят приморские районы с небольшим расстоянием до моря, открытые пространства с высоким уровнем промышленного загрязнения (например, предприятий нефтехимической и угольной промышленности), зоны вблизи дорог, обрабатываемых противообледенительными составами. Также они могут применяться в условиях, для которых характерны особые коррозионные условия, не включенных в ISO 9223, например, в дорожных тоннелях. В таких условиях не может применяться даже нержавеющая сталь 1.4401 (AISI 316) без дополнительного защитного покрасочного покрытия.

Категории коррозионной активности по стандарту ISO 9223:2012Класс коррозионной стойкости.
Нержавеющая сталь.
1.4301 (AISI 304) – класс 2
1.4401 (AISI 316) – класс 3
Внутренние применения
Отапливаемые помещения (обогреваемые или кондиционируемые помещения) без конденсации, например, офисные строения, школыC1, C21
Неотапливаемые помещения с временной конденсацией (необогреваемые помещения, не содержащие загрязняющих веществ), например, складские навесыC1, C21
Наружные применения
Открытые пространства в сельской или городской местности с низким уровнем загрязнения.
Большое расстояние (>10 км) до моря
C2, C32
Открытые пространства в сельской или городской местности со средней концентрацией загрязняющих веществ и/или солей, содержащихся в морской воде.
Расстояние до моря: 1-10 км
C2, C3, C42, 3
Приморские районы.
Расстояние до моря менее 1 км
C3, C4, C5, CX3, 4
Открытые пространства с высоким уровнем промышленного загрязнения. Расстояние до заводов менее 1 км (например, предприятий нефтехимической и угольной промышленности)C4, C5, CX 3, 4
Вблизи дорог, обрабатываемых противообледенительными составами. Расстояние до дорог менее 10 мC3, C4, C53, 4
Особые применения
Пространства, для которых характерны особые коррозионные условия, например, дорожные тоннели, обрабатываемые противообледенительными составами, закрытые плавательные бассейны попадают в область особого применения, связанного с химической промышленностью (возможны исключения).Классы С не включают особые климатические условия4, 5

Источник: справочник по защите от коррозии Hilty.

Химическую стойкость обычно делят на три категории: стойкость к растворителям, щелочам и кислотам. Все эти соединения могут воздействовать на корпус при уличной установке, поэтому при выборе материала необходимо учитывать его устойчивость ко всем соединениям, и очень точно определять регион и условия установки, чтобы исключить влияние какого-то неучтенного соединения. В таблице показана возможность применения материалов с различными веществами.

РастворителиЩелочиКислоты
РекомендованоФиберглас
Нержавеющая сталь
Алюминий
Фиберглас
Нержавеющая сталь
АБС-пластик
Нержавеющая сталь
Фиберглас
АБС-пластик
Поликарбонат
ДопустимоОкрашенная сталь
Поликарбонат
АБС-пластик
Поликарбонат
Окрашенная сталь
Окрашенная сталь
Не рекомендовано-АлюминийАлюминий

Высокую стойкость ко всем соединениям показывают нержавеющая сталь и фиберглас.

Поликарбонат устойчив к неорганическим кислотам и многим органическим кислотам, но не рекомендуется воздействовать на него ацетоном, эфирами и щелочными растворами, аммиаком, аминами.

АБС-пластик устойчив к щелочам, смазочным маслам, растворам неорганических солей и кислот, углеводородам, жирам, бензину, но растворяется в ацетоне, эфире, бензоле.

Щелочи легко растворяют защитную оксидную пленку на поверхности алюминия, и он начинает реагировать с водой, в результате чего металл растворяется с выделением водорода. Также оксидную пленку разрушают соли ртути, меди и ионы хлора. Кроме того, алюминий активно вступает в реакцию с кислотами.

Химическая стойкость окрашенной стали зависит от краски. Обычно качественная краска обладает хорошей химической стойкостью, но, как и в случае с атмосферной коррозией, любые повреждения лакокрасочного покрытия вызовут коррозию.

Нержавеющая сталь Окрашенная сталь Алюминий Фиберглас Поликарбонат АБС-пластик

Стойкость к условиям уличной установки

Под совокупностью климатических факторов понимаются атмосферные осадки, солнечное излучение, влажность, минимальные и максимальные температуры окружающей среды, ветер.

Температурный диапазон

Самый широкий температурный диапазон применения среди неметаллических шкафов имеет фиберглас, его можно применять при температурах от –60 °С до +120 °C. Температурный диапазон поликарбоната составляет от –40 °С до +120 °C, а у АБС-пластика от –40 °С до +90 °C.

Металлические шкафы имеют еще более широкий температурный диапазон. Однако условия применения собранного корпуса могут отличаться от условий эксплуатации для металла, из которого он изготавливается. Границы температурного диапазона шкафа определяются минимальными значения среди всех элементов, входящих в состав шкафа, и это может быть не только материал изготовления, но и, к примеру, уплотнитель. Если в качестве уплотнителя применяется полиуретан, то применять такой шкаф можно будет при температуре не ниже, чем –40 °С, даже несмотря на то, что метало выдерживает и более низкую температуру. Если в качестве уплотнителя используется силикон или этиленпропиленовый каучук (EPDM), то температурный диапазон эксплуатации расширяется, однако шкаф все равно нельзя будет применять при температуре ниже –60 °С.

К слову, для российского электротехнического рынка частым является требование соответствия климатическому исполнения УХЛ1 по ГОСТ 15150-69 "Исполнения дня различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды". Такое климатическое исполнение подразумевает эксплуатацию в районах с умеренным и холодным климатом на открытом воздухе при температурах от –60 °С до +40 °C. Этим требованиям соответствуют, например, шкафы "Conchiglia". Они изготовлены из фибергласа и имеют уплотнение из этиленпропиленового каучука (EPDM), поэтому могут применяться в зоне УХЛ1 без ограничений и без применения дополнительных комплектующих, таких как обогреватели.

Солнечный свет

Влияние солнечного излучения имеет несколько составляющих. Во-первых, солнце нагревает поверхность. Во-вторых, на поверхность воздействует ультрафиолет, вызывающий фотохимическое старение большей части органических материалов. Металлические шкафы устойчивы к воздействию ультрафиолета. Обычно устойчива к этому фактору и краска, применяемая для уличных шкафов из листовой стали. Однако в случае применения общепромышленных (а не специализированных) шкафов из окрашенной стали для уличной установки следует уточнить у производителя, насколько устойчиво красочное покрытие к длительному воздействию УФ.

Ультрафиолет также отрицательно воздействует на эластичность и пластичность некоторых каучуковых смесей и пластических материалов. Это является главным недостатком АБС-пластика - невысокая устойчивость к ультрафиолетовому излучению, под воздействием которого он меняет цвет и становится хрупким, что ставит под вопрос применимость АБС-пластика для уличной установки.

Чистый поликарбонат также неустойчив к УФ, однако для производства корпусов используют специальные добавки, благодаря которым становится возможным применения такого корпуса на улице.

А вот современный фиберглас не боится солнечных лучей – он устойчив к нагреванию и воздействию ультрафиолета, поэтому солнце не оказывает никакого влияния на структуру, цвет материала и срок его службы.

Пыль и влага

Ветер не оказывает негативного воздействия на корпус, однако его наличие является важным фактором при определении минимально необходимой степени защиты шкафа от проникновения пыли. Именно из-за воздействия ветра возможно попадание пыли внутрь шкафа даже через самые мелкие зазоры и щели. Степень пылезащищенности характеризует первая цифра кода IP (согласно ГОСТ 14254-2015 (IEC 60529:2013) «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (Код IP)»). Первая цифра «5» в коде степени защиты будет означать, что корпус защищен от пыли. Хотя такая степень герметизации и не обеспечивает 100% предотвращения проникновения внутрь пыли, она не проникнет внутрь в количестве, достаточном для нарушения нормальной работы оборудования или снижения его безопасности.

Для уличной установки, однако, требуется более серьезная защита – а потому рекомендуют степень защиты, которая начинается с цифры «6». Это означает полную пыленепроницаемость корпуса, когда пыль в принципе не проникает в оболочку.

Степень защиты от проникновения воды обозначается второй характеристической цифрой в коде IP. Для удовлетворения условиям уличной установке корпусов, достаточно, чтобы корпус был защищен от водяных струй, когда вода, направляемая на оболочку в виде струй с любого направления, не оказывает вредного воздействия на оборудование, установленное внутри корпуса. Данной степени защиты будет соответствовать цифра «5». При таком уровне защиты корпус способен противостоять даже сильному ливню.

Таким образом, минимальная степень защиты шкафа, предназначенного для установки на улице, составляет IP55. Оптимальной же степенью защиты является IP65. Можно использовать и шкафы с уровнем пыле- и влагозащиты IP66, однако она не имеет никакого преимущества в условиях уличной установки перед IP65.

Любой из представленных материалов позволяет производить корпуса с такими параметрами. Следует обратить внимание, что итоговая степень защиты оболочки определяется минимальной степенью защиты среди всех элементов, входящих в состав шкафа. Например, установка вентилятора на стенке шкафа не позволяется сохранить степень защиты «6» от пыли. Также нередко причиной снижения суммарной степени защиты является соединение шкафов вместе.

Степень защиты IPIP 0xIP 1xIP 2xIP 3xIP 4xIP 5xIP 6x
Нет защитыЗащита от частиц > 50,0 ммЗащита от частиц > 12,5 ммЗащита от частиц > 2,5 ммЗащита от частиц > 1,0 ммЗащита от пыли частичноЗащита от пыли полностью
IP х0Нет защитыIP00IP10IP20IP30IP40IP50IP60
IP x1Защищено от вертикально падающих капель водыIP11IP21IP31IP41IP51
IP х2Защита от падающих под углом 15° от вертикали капель водыIP12IP22IP32IP42
IP х3Защита от дождяIP23IP33IP43
IP х4Защита от сплошного обрызгиванияIP34IP44IP54
IP х5Защита от водяных струйIP55IP65
IP х6Защита от сильных водяных струйIP55IP65
IP х7Защита от временного погружения в водуIP67
IP х8Защита от длительного погружения в водуIP68
IP х9Защита от горячих струй воды под высоким давлениемIP69K

Высокая влажность для металлов означает ускоренную коррозию, а для некоторых неметаллических материалов высокая влажность может означать риск впитывания влаги. Однако фиберглас хорошо противостоит воздействию влаги – он не держит и не впитывает ее. Поликарбонат и АБС-пластик также отличает малая гигроскопичность и водопроницаемость. А вот для шкафов из окрашенной стали постоянная высокая влажность недопустима.

Например, постоянная высокая влажность (вплоть до 100%) характерна для тропического влажного климата и соответствует климатическому исполнению ТВ1 по ГОСТ 15150-69. При наличии таких требований нельзя использовать шкаф из окрашенной стали без специального дополнительного покрытия краской.

Нержавеющая сталь Окрашенная сталь Алюминий Фиберглас Поликарбонат АБС-пластик

Комплектация, доработка и монтаж шкафа

Сложность создания форм для производства пластиковых шкафов не позволяет легко менять размеры шкафов на нестандартные, как в случае с металлическими шкафами из листового материала, поэтому выбор по большей части возможен лишь из представленного производителем ассортимента. В случае со шкафами из фибергласа "Conchiglia" это компенсируется широким модельным рядом, доступностью к заказу различных комплектаций корпуса (например, шкафа двустороннего доступа), и возможностью соединять шкафы как по высоте, так и по глубине и ширине. Шкафы из окрашенной или нержавеющей стали обычно можно заказать в нестандартном размере, но, обычно такие изделия по специальному заказу дольше изготавливаются и имеют более высокую стоимость. В отличие от поликарбоната или АБС-пластика, фиберглас и металл позволяют производить большие напольные корпуса, потому что обладают достаточной жесткостью и не имеют производственных ограничений.

Шкафы из пластика, благодаря особенностям производства, почти всегда имеют закругленные края, минимальные выступы и зазоры между элементами, что предотвращает скопление влаги, пыли и мусора. Этим они выгодно отличаются от шкафов из металла – они всегда имеют зазор между дверью и корпусом, где скапливается влага и пыль, которые разрушают уплотнитель двери. В состав специализированных уличных шкафов из металла всегда включают специальную дождевую крышу или козырёк, которые в первую очередь защищают уплотнитель двери и только потом исключают возможность скопления осадков на крыше. Этот отдельный элемент конструкции делает корпус более габаритным, тяжелым и дорогим. Если металлический шкаф не оборудован дождевой крышей или козырьком, а также не располагается под неким естественным навесом, то через несколько лет замена уплотнителя двери будет обязательна. Это необходимо учитывать при заказе металлических шкафов.

Как правило, металлические корпуса и корпуса из фибергласа имеют шире ассортимент дополнительных комплектующих, и поэтому они дают больше возможностей для самостоятельной комплектации шкафа, чем корпуса из АБС-пластика или поликарбоната. Например, 19” профильные шины, рамки для модульного оборудования, различные монтажные платы и т.п.

АБС-пластик и поликарбонат легко модифицировать путем вырезания и пробивки отверстий. Фиберглас немного сложнее модифицировать из-за содержащегося в нем стекловолокна. Листовую сталь и алюминий можно доработать с помощью простого металлообрабатывающего инструмента. Однако в случае с окрашенной сталью обязательна дополнительная обработка краев вырезов (зачистка от заусениц, покраска) для исключения возможной коррозии. Доработку шкафов из всех этих материалов в случае необходимости можно производить даже непосредственно на производственном объекте. Нержавеющая сталь, из-за своей твердости, очень трудно режется и сложно модифицировать такой шкаф на месте установки. При работе с металлом необходимо соблюдать правила безопасности из-за возможной металлической стружки.

В зависимости от области применения предпочтительным может быть легкий корпус. Легкие материалы, такие как алюминий или пластик, легче поднимать и работать с ними, особенно когда монтируемое в них оборудование имеет значительный вес или, когда корпус будет установлен на стене или на столбе. Большинство неметаллических материалов весит меньше металлических. Особенно важно, когда при монтаже шкафа невозможно или нецелесообразно использовать подъемную технику, и шкафы монтируются вручную. Причиной могут служить узкие проемы, ограждения, провода, наличие мешающей инфраструктуры или простое отсутствие подъезда для техники.

Вес шкафа зависит от плотности материала [г/см3] и толщины стенки. Толщину стенки шкафа производитель определяет самостоятельно, обычно толщина пластиковых шкафов 2,5-5 мм, в то время как стенка металлических шкафов 1-2 мм и возможно больше для алюминиевых шкафов. Плотность АБС-пластика и поликарбоната примерно равны между собой 1,08 и 1,12 г/см3, фиберглас – 1,9 г/см3, алюминий – 2,7 г/см3, а листовая и нержавеющая сталь – 7,8 г/см3.

Таким образом, если корпус из поликарбоната или АБС-пластика весит 10 кг, то шкаф из фибергласа такого же размера будет весить 20 кг. Корпус будет весить 25 кг, если будет сделан из алюминия, но он весил бы 40 кг, если бы был изготовлен из стали. Более легкий шкаф повышает общую безопасность и сложность работ по монтажу, а значит снижает стоимость и время проведения этих работ.

Отдельно следует отметить необходимость организации заземления при монтаже металлических шкафов. Правильно организованное и протестированное заземление – дорогостоящая и трудоёмкая процедура, которую нельзя не учитывать. В свою очередь все пластиковые шкафы являются диэлектриками, поэтому нет необходимости в организации заземлении оболочки шкафа и его периодичной проверке, а на корпусе не появится опасное напряжение, повышая безопасность работника во время ремонтно-эксплуатационных работ и снижая время и расходы на монтаж.

Нержавеющая сталь Окрашенная сталь Алюминий Фиберглас Поликарбонат АБС-пластик

Безопасность, функциональность и эстетичность в городской среде

К шкафам уличной установки предъявляются повышенные требования к внешнему виду. Шкаф должен органично вписаться в различный городской пейзаж, начиная от автомагистралей, портов и заканчивая центральными парками и площадями городов. Различные производители по-разному добиваются решения этой цели, и многим это удается.

В этом плане шкафы из фибергласа имеют преимущество. Этот материал можно отливать любой формы, что дает производителям возможности для создания визуально привлекательных изделий из фибергласа, функциональных и прочных. Так, шкафы "Conchiglia" имеют оригинальную ребристую поверхность, что не только обеспечивает узнаваемый и привлекательный дизайн, но и защищает шкаф от расклеивания несанкционированных рекламных объявлений.

Еще одним аспектом внешнего вида шкафа является его однотонный цвет. Современные технологии изготовления пластиковых шкафов позволяют обеспечить абсолютно однотонную структуру, без цветовых вариаций и отклонений. Нержавеющая сталь, алюминий и заводское лакокрасочное покрытие шкафов из стали тоже однотонны. Однако если такие шкафы самостоятельно покрывают защитной краской для повышения коррозионной устойчивости, это может негативно сказываться на внешнем виде – шкаф приобретает разводы различных оттенков, наплывы и разводы.

Многие считают, что неметаллические шкафы не так надежны, как металлические. Но это заблуждение: неметаллические оболочки обеспечивают такой же уровень безопасности и сопротивления взлому, как и металлические корпуса. Конкретная степень взломостойкости или вандалостойкости определяется производителем.

Еще одним очень важным параметром для уличного шкафа, является его возможность сопротивляться различным видам нагрузок и ударам – это защищает шкаф от случайных механических повреждений и вандалов. Стойкость к одиночным ударам определяется значением кодом IK согласно ГОСТ IEC 62262-2015 "Электрооборудование. Степени защиты, обеспечиваемой оболочками от наружного механического удара (код IK)". Этот код может принимать значения от IK00 до IK10. Для уличной установки следует выбирать корпус с наивысшими значениями - IK09 или IK10. Код IK09 означает устойчивость к механическому воздействию энергией 10 Дж, что равносильно падению груза весом 5 кг с высоты 20 см. Код IK10 – это 20 Дж (эквивалентно падению груза весом 5 кг с высоты 40 см).

Отдельно стоит отметить, что при определении кода IK оцениваются допустимые повреждения, а также безопасность и надежность оборудования после проведенных испытаний, но никак не оценивается последующий внешний вид. А потому даже высочайшая степень ударопрочности не защитит гладкие металлические шкафы от некрасивых вмятин. Например, нержавеющая сталь при внезапных ударах она может довольно легко вминаться, даже если шкаф имеет степень стойкости к механическим ударам IK10, несмотря на то, что сам по себе этот материал отличается прочностью и устойчивостью к нагрузкам.

Фиберглас и поликарбонат имеют преимущество в этом плане – это также очень ударостойкие и прочные материалы, которые прекрасно переносят как внезапные сильные удары, так и высокие статические нагрузки, но при на них не остается никаких заметных повреждений.

Чуть меньшую механическую прочность и ударостойкость имеет АБС-пластик. Поэтому при установке вблизи дорог или же в зонах, где случается град, фиберглас предпочтительнее – шкаф из такого материала трудно повредить, мелкие сколы или царапины на нем не заметны, а допустимый суммарный вес установленного оборудования для таких шкафов не будет отличается от веса оборудования для металлического шкафа.

Мы уже упоминали, что пластиковые шкафы являются диэлектриками и имеют прекрасные изоляционные свойства. Снижение затрат на заземление не является их единственным преимуществом. Диэлектрическая изоляция обеспечивает безопасность для окружающих, что особенно актуально при установке корпусов в жилой зоне, на детских площадках. В случае возникновения аварийной или нештатной ситуации на поверхности оболочки не возникнет опасное напряжение.

Солнечное излучение воздействует на изделия в первую очередь путем нагрева материалов и окружающей их среды. Согласно обобщенным экспериментальным данным, дополнительное увеличение температуры поверхности вследствие нагрева солнечными лучами может для поверхностей, имеющих белый или серебристо-белый цвет - 15 °C, а для поверхностей, имеющих иной цвет - 30 °C. При этом оказалось, что для второго случая различие в цвете изделий играет несущественную роль, даже в случае сравнения светло-серого и черного цветов (см. ГОСТ Р 53615-2009 "Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика. Солнечное излучение и температура" или ГОСТ 15150-69 "Исполнения дня различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды"). Стоит обратить внимание, что стандарт цвета, принятый в промышленности, – RAL7035 (светло-серый), поэтому повышение температуры поверхности такого шкафа принимается как 30 °C.

Высокая температура поверхности в оживленной городской среде может привести к ожогу. Для оценки риска ожога от горячей поверхности необходимо знать факторы, ведущие к ожогу при соприкосновении кожи с горячей поверхностью: температура поверхности, материал поверхности и продолжительность контакта кожи с поверхностью. Остальные факторы незначительны. Для оценки можно обратиться к ГОСТ Р 51337-99 "Безопасность машин. Температуры касаемых поверхностей". На графиках ниже показаны области ожогового порога при контакте кожи с гладкой горячей поверхностью металла без покрытия (слева) и с гладкой горячей поверхностью из пластмассы (справа). В случае со шкафом из листовой окрашенной стали температура поверхности, вызывающей ожог, будет на 10 °С выше, чем для металла без покрытия (шкаф из нержавеющей стали или алюминия).

Можно сделать вывод, что металлический шкаф в солнечный день может вызвать ожог от простого прикосновения длительностью даже 1 сек, и что получить ожог от пластикового шкафа в аналогичных условиях невозможно.

Рассматриваемые в этой статье пластики являются огнестойкими, трудновоспламеняемыми и самозатухающими, т.е. они не поддерживают горение и могут загореться только при наличии внешнего источника огня. Например, шкафы из фибергласа "Conchiglia" имеют сертификат на категорию горения ПВ–0 согласно ГОСТ 28779-90 "Материалы электроизоляционные твердые. Методы определения воспламеняемости под воздействием источника зажигания". Это означает, что они горят только в присутствии внешнего источника огня, при этом не образуется горящих капель, а самогашение происходит в течение не более 10 секунд с момента прекращения воздействия открытого источника огня. При горении и плавлении фиберглас не выделяет едких и отравляющих веществ.

Многие краски, применяемые в производстве окрашенных корпусов, и сами шкафы в сборе не имеют сертификатов пожарной безопасности. Рекомендуется дополнительно запрашивать информацию о пожарной безопасности у производителей окрашенных шкафов.

Если стоит задача защиты беспроводных средств передачи информации и управления, то мы определяем еще одно отличительное свойство пластиковых шкафов – радиопрозрачность. Они не создают помех для передачи радио-, Wi-Fi, GSM-сигнала и других. При беспроводной передаче данных, например, по радио, доля полученного сигнала становится критической, если она слишком мала для того, чтобы сигнал можно было отличить от фонового шума. Если сигнал экранирован, отношение сигнал - шум уменьшается, а уровень сигнала опускается ниже порога, из-за чего возникают ошибки при передаче данных.

В случае использования металлических корпусов для систем беспроводной передачи данных появляется необходимость применения внешних антенн для оптимального использования и работы оборудования. Внешние антенны имеют много недостатков, основные из которых – их уязвимость к коррозии, естественным помехам окружающей среды, например, от воздействия сил окружающей среды, необходимость дополнительной доработки корпусов, дополнительная стоимость, отсутствие защиты от вандалов. По всему миру крупнейшие телеком-компании, государственные структуры, обеспечивающие безопасность и контроль, и другие компании, имеющие практический опыт работы при использовании металлических корпусов для размещения приложений, связанных с беспроводной передачей данных, пришли к выводу, что для защиты беспроводных средств управления и сохранения качества сигнала неметаллические корпуса являются наиболее надежным выбором.

АБС-пластик и поликарбонат являются хорошим шумоизоляторами. Например, высокие шумозащитные экраны вдоль автомагистралей часто изготавливаются из поликарбоната. Зайдя за такой экран, можно ощутить заметное снижение шума, идущего от проезжей части. Но фибеглас превосходит по шумоизоляции и АБС-пластик, и поликарбонат. В отличие от пластика или металла, фиберглас может дополнительно сжиматься или расширяться, обеспечивая еще более значительное снижения уровня шума. Металлические шкафы очень плохо справляются с подавлением шума, поэтому уровень шума от работающего оборудования в шкафу практически не снижается. А это важно при размещении корпуса рядом с больничной или жилой зоной, или же непосредственно внутри жилых помещений (чердаки и подвалы жилых домов).

При выборе шкафа для уличной установки специалистам приходится оценивать множество факторов, не всегда очевидных на первый взгляд. Например, шкафы из нержавеющей стали не рекомендуется размещать вдоль дороги из-за риска создания бликов для водителей. Эта проблема может решаться нанесением специально ориентирно-направленной шлифовки по всей поверхности шкафа, но при этом стоимость производства шкафа существенно возрастает. Шкафы из фибергласа и поликарбоната не дают бликов, обеспечивая безопасность для участников дорожного движения.

Нельзя также не упомянуть влияние на окружающую среду. Фиберглас изготавливается из переработанных материалов. Его производство хорошо известно своей экологичностью. Благодаря невероятно высокому содержанию переработанного стекла, создание таких конструкций устранило миллионы тонн мусора со свалок. Сам фиберглас также можно переработать для создания новых изделий, что помогает сохранять чистоту окружающей среды.

Нержавеющая сталь Окрашенная сталь Алюминий Фиберглас Поликарбонат АБС-пластик

Теплопроводность и микроклимат шкафа

При наличии разности температур, тепло всегда переходит от более горячее к более холодному. Теплопроводность - это способность материала проводить тепло. Теплопроводность обычно измеряется коэффициентом теплопроводности λ [Вт/м∙К], который зависит от физических свойств материала. Его значения приводятся в справочниках, и чем выше этот коэффициент, тем быстрее материал отдает или поглощает тепло.

При расчете микроклимата шкафов обычно используется коэффициент теплопередачи, обозначаемый как k [Вт/м2∙К]. Коэффициент теплопередачи k учитывает толщину стенки шкафа d, коэффициент теплопроводности материала λ и коэффициенты теплопередачи на внутренней α_i и внешней поверхности стенки шкафа α_a.

Добавление утеплителя на внутренней поверхности шкафа значительно снижает суммарный коэффициент теплопередачи за счет увеличения толщины стенки шкафа и крайне низкого значения λ утеплителя.

При наличии ветра интенсивность передачи тепла c поверхности (коэффициент α_a) возрастает, поэтому при установке шкафа на улице расчетный коэффициент теплопередачи k в два раза больше, чем при установке в помещении. Такое повышение коэффициента учитывают только при расчете обогрева и не учитывают при расчете охлаждения.

Усредненные значения коэффициента теплопередачи k [Вт/м2∙К] представлены ниже:

Нержавеющая сталь Окрашенная сталь Алюминий Фиберглас Поликарбонат АБС-пластик
в помещении 4.5 5.5 12 3.5 3.5 3.5
улице 9 11 24 7 7 7

На электротехническом рынке представлены также шкафы с двойной стенкой из алюминия. Благодаря такому решению коэффициент теплопередачи k алюминиевого шкафа с двойной стенкой становится на уровне нержавеющей стали, т.е. 4,5 Вт/м2∙К при установке в помещении и 9 Вт/м2∙К при установке на улице, однако при этом значительно увеличивается расход материала, техническая сложность изделия, вес и стоимость.

Для полноты описания следует добавить, что итоговое количество тепла Q, поступающего или рассеивающего через поверхность шкафа, помимо коэффициента теплопередачи k зависит от эффективной наружной поверхности шкафа A [м2] и разницы внутренней и наружной температуры ΔT.

Эффективная наружная поверхность шкафа A [м2] рассчитывается, исходя из способа установки и габаритов шкафа. Если температура внутри выще, чем снаружи, то ΔT будет положительна, шкаф будет излучать тепло. Если же температура внутри меньше, чем снаружи, то ΔT будет отрицательна, шкаф будет поглощать тепло.

Рассмотрим на конкретных примерах влияние коэффициента k на выбор комплектующих для обеспечения микроклимата в шкафу.

Стандартная задача по обогреву:
- свободно стоящий напольный корпус 600x1400x500 (ШxВxГ) мм;
- минимальная возможная температура снаружи шкафа -40 °С;
- минимальная допустимая температура внутри шкафа +5 °С.
Необходимая мощность обогрева в Вт составит:

Нержавеющая сталь Окрашенная сталь Алюминий Фиберглас Поликарбонат АБС-пластик
в помещении 646 789 1722 502 502 502
улице 1292 1578 3444 1004 1004 1004

Так, например, при установке на улице шкафа из окрашенной стали потребуется обогреватель на 1578 Вт, а для пластиковых шкафов обогреватель будет нужен на 1004 Вт. Более мощный обогреватель не только стоит дороже, но и имеет большее энергопотребление и требует больший номинал средств защиты. Также необходимо учитывать всегда возрастающие вместе с мощностью обогрева габариты обогревателя и возрастающие безопасные расстояния от него, что может повлечь за собой трудности в размещении оборудования в шкафу или даже к выбору шкафа с большими габаритами.

Стандартная задача по охлаждению:
- свободно стоящий напольный корпус 600x1400x500 (ШxВxГ) мм;
- максимально возможная температура снаружи шкафа +50 °С;
- максимально допустимая температура внутри шкафа +35 °С.
Количества тепла, поступающего внутрь шкафа через стенки в Вт составит:

Нержавеющая сталь Окрашенная сталь Алюминий Фиберглас Поликарбонат АБС-пластик
215 262 572 167 167 167

Таким образом, при таких условиях к общему тепловыделению оборудования необходимо прибавить 262 Вт для шкафа из окрашенной стали и всего 167 Вт для пластикового шкафа. Даже лишние 100 Вт тепловыделения могут повлечь использовании более мощного кондиционера, который стоит дороже и, вероятно, будет больше по габаритам.

Но бывают случаи, когда высокий коэффициент теплопередачи, напротив, оказывает положительную роль. Это возможно, когда нам необходимо решить задачу по охлаждению, в которой максимально возможная температура снаружи будет ниже, чем максимально допустимая температура внутри шкафа. Это не совсем типовая задача для уличного размещения корпуса, в которой возможно применение вентиляторов для охлаждения. Тепло при этом будет рассеиваться через поверхность шкафа, соответственно при более высоком коэффициенте k потребуется вентилятор меньшей мощности. Увеличение мощности вентилятора практически никогда не приводит к изменению габаритов шкафа и мало сказывается на стоимости, т.к. вентиляторы представлены в более широком ассортименте и имеют значительно меньшее габариты, чем кондиционеры.

Следует также отметить, что пластиковые шкафы обеспечивают более низкое поглощение солнечного тепла, в отличие от металлических. Причина – в различном коэффициенте отражения поверхности материалов (альбедо) – μ. Однако расчет конкретных значений поглощения солнечного излучения необходимо проводить индивидуально, т.к. существует множество факторов, влияющих на результат.

Нержавеющая сталь Окрашенная сталь Алюминий Фиберглас Поликарбонат АБС-пластик

Стоимость

Выше мы рассмотрели факторы, влияющие на стоимость монтажа и эксплуатации шкафов из различных материалов.

В эксплуатационные расходы на содержание металлических шкафов необходимо включить периодичное их обслуживание: очистка от загрязнений, подкрашивание повреждений, замена поврежденных уплотнителей, замер и проверка заземления. Пластиковые шкафы в таких расходах не нуждаются.

Монтажные расходы включают в себя организацию и монтаж заземления для металлических корпусов и организацию необходимых вырезов для всех видов рассматриваемых корпусов.

Расходы на приобретение включают стоимость шкафа и необходимых комплектующих к нему, таких как устройства контроля микроклимата, дождевая крыша и т.п.

Ключевую роль в цене шкафа играет стоимость самого материала. Самым дорогим материалом является нержавеющая сталь, за ним следуют алюминий, фиберглас, окрашенная сталь, поликарбонат и наконец, самым дешевым является АБС-пластик. Так, настенные корпуса из фибергласа в среднем в 1,5 раза дешевле, чем аналогичные корпуса из нержавеющей стали 1.4301 (AISI 304), а напольные корпуса из фибергласа дешевле аналогичных корпусов из нержавеющей стали 1.4301 (AISI 304) в 2 раза.

Если же сравнивать корпуса из фибергласа с аналогичными из нержавеющей стали 1.4401 (AISI 316), то разница дополнительно удваивается: настенные шкафы из фибергласа будут в 3 раза дешевле, а напольные – в 4 раза.

Многообразие возможных вариантов дает клиенту возможность выбрать наиболее подходящее решение, в том числе и с финансовой точки зрения.

Нержавеющая сталь Окрашенная сталь Алюминий Фиберглас Поликарбонат АБС-пластик

Результаты

Выбор правильного материала корпуса является ключевым элементом в обеспечении защиты установленного оборудования и длительного срока службы самого корпуса. В таблице собраны результаты сравнения самых востребованных материалов шкафов для уличной установки по наиболее значимым критериям:

  1. Коррозионная и химическая стойкость

    Рассматривается влияние промышленных и природных факторов, усиливающих коррозию, а также возможность применения в различных категориях коррозионной активности. Также оценивается химическая устойчивость к различным растворителям, щелочам и кислотам.

  2. Стойкость к условиям уличной установки

    Рассматривается устойчивость к воздействию солнечных лучей и УФ-излучения, атмосферных осадков, минимальных и максимальных температур окружающей среды, ветра и пыли.

  3. Комплектация, доработка и монтаж шкафа

    Сравниваются возможности комплектации шкафов, соединения их между собой, а также удобство монтажа по среднему весу шкафов и простоте модификации корпуса, например, организация вырезов для кабельного ввода.

  4. Безопасность, функциональность и эстетичность в городской среде

    Оценивается уровень безопасности корпусов для людей при их использовании в городе, а также существующие отличия по заземлению, радиопроводимости, вандалостойкости, стойкости к ударам, шумопоглощению и пожаростойкости, а также то, как выбор материала влияет на внешний вид и функциональность корпуса.

  5. Теплопроводность и микроклимат шкафа

    Значение теплопроводности отражается на выборе устройств микроклимата шкафа и конечной стоимости спецификации.

  6. Стоимость

    Сравниваются факторы, влияющие на фактическую стоимость приобретения, монтажа и эксплуатации шкафов из различных материалов.

Критерий сравнения Нержавеющая сталь Окрашенная сталь Алюминий Фиберглас Поликарбонат ABS-пластик
Коррозионная и химическая стойкость 5 2 3 5 4 4
Стойкость к условиям уличной установки 5 2 4 5 4 1
Удобство монтажа 1 2 3 4 5 5
Безопасность, функциональность и эстетичность в городской среде 2 2 2 5 4 3
Стойкость к ударам и нагрузкам 2 3 1 5 5 4
Теплопроводность 4 3 1 5 5 5
Стоимость 1 2 2 3 4 5
Средний балл 2,86 2,29 2,29 4,57 4,43 2,43
5 - отлично200531
4 - хорошо101142
3 - удовлетворительно022101
2 - плохо252000
1 - очень плохо202001

По результатам сравнения видно, что пластиковые шкафы по совокупности факторов более предпочтительны для установки на улице, чем металлические. И логично, что по всему миру наблюдается значительный рост использования уличных пластиковых шкафов. Причина кроется в уникальных преимуществах, недоступных для металла, которые позволяют создавать более функциональные, долговечные, безопасные и экономичные решения.

При этом ни на один день не останавливается развитие и совершенствование пластика, как в научной, так и в промышленной области, в то время как развитие металла можно считать завершенным. В ближайшем будущем металлические корпуса, вероятно, сохранятся лишь в узких нишах применения, тогда как «пластмассовый мир» будет лидировать.

Наибольший средний балл показали корпуса из фибергласа. Шкафы из фибергласа имеют наивысшую коррозионную и химическую стойкость, они устойчивы к любым условиям окружающей среды, имеют наивысшую ударную прочность, электро- и пожаробезопасность, небольшой вес и, кроме того, легко подвергаются доработке при необходимости. Срок службы таких корпусов составляет более 30 лет даже в экстремальных условиях эксплуатации: в холодных и жарких регионах, в приморских зонах, в условиях повышенной влажности, в загрязненных промышленных районах, непосредственно рядом с дорогой и в туннелях.

Вернуться к списку публикаций