Все о резьбовых шпильках и их эксплуатации

На любых строительных объектах применяются десятки видов крепежа, в том числе резьбовые шпильки. Это высокопрочное соединение, позволяющее стянуть две детали, и не требующее наружной фиксации с одной из сторон. Существует несколько видов шпилек, отличающихся по конструкции, размеру и форме. Каждый элемент имеет строгую регламентацию по изготовлению, утвержденную Государственным стандартом. В этой статье мы рассмотрим основные виды крепежа, а также разберемся, какие шпильки следует использовать в той или иной ситуации.

Особенности конструкции и применения резьбовых шпилек

По сути, шпилька – это металлический пруток с резьбой по всей длине или его части. Конструкция позволяет скреплять модули, и не имеет оголовка на конце, то есть ее можно вкручивать в имеющуюся на детали резьбу, или пропускать сквозь конструкцию, производя стяжку, накручивая гайку с одной или двух сторон шпильки. Применяются крепежи во всех сферах строительства и машиностроения, чем и обусловлено широкое разнообразие такого, казалось бы, простого элемента.

Конструкция

Шпилька – это обобщенное название крепежа, имеющего характерные особенности, такие как отсутствие оголовка на конце, а также обязательное наличие резьбы. Сама резьбы при этом может быть нанесена как на всю поверхность модуля, так и на его отдельную часть. Кроме того, отличается размер конструкции и диаметр резьбы. Исходя из этого, несложно понять, что разнообразие шпилек очень большое, и не существует единого норматива, по которому необходимо изготавливать шпильки. Для каждой модели есть свой стандарт, строго прописывающий особенности конструкции.

Важно! Для каждого типа шпильки существует два ГОСТа, различающихся по классу точности исполнения. Класс А – это шпильки с высоким классом точности, а Б – это крепеж с допустимыми погрешностями.

Каждый тип конструкции мы подробно рассмотрим ниже, но с самого начала необходимо понимать, что несмотря на простоту изделия, это крепеж, берущий на себя высокую нагрузку, и изготовление шпилек на заказ подразумевает, что они будут строго соответствовать нормам, как по размеру, так и по используемым при производстве материалам.

Размеры

Размер шпилек подбирается в зависимости от технических требований возводимого объекта. Государственные стандарты устанавливают диаметральный диапазон крепежа в пределах от 6 до 48 миллиметров. При этом длина самой шпильки и ее резьбы не регламентируются, и они могут быть изготовлены согласно требованиям заказчика, то есть инженера, ответственного за строительный объект.

Применение

Сфера применения резьбовых шпилек обширна, и не ограничивается строительством. Например, этот крепеж также применяется в машиностроении и при установке крупногабаритных станков. Для крепления станка к поверхности, в постамент на этапе заливки устанавливают специальные фундаментные шпильки, имеющие некоторые особенности конструкции.

В машиностроении чаще применяются шпильки с ввинчиваемым наконечником. Они же, но, как правило, большего размера и диаметра применяются в строительстве. Особенность таких шпилек заключается в том, что один из наконечников, самостоятельно ввинчивается в основание, а прикрепляемый объект уже притягивается гайкой.

Также шпильки используют при монтаже трубопроводов и вентиляционных систем. Здесь используются фланцевые соединения. Их конструкция практически не отличается от шпилек с ввинчиваемым наконечником, за исключением одного нюанса, который мы подробно рассмотрим ниже.

Виды резьбовых шпилек

Так как резьбовая шпилька – это не единичное изделие, и в зависимости от поставленной задачи и типа различается много вариантов этого крепежа, единого ГОСТа не существует. Требования к разным элементам также отличаются, поэтому каждый тип шпильки необходимо рассмотреть более подробно, с учетом особенностей конструкции и прочих технических нюансов.

И перед тем, как перейти к подробному описанию, необходимо сделать уточнение, что в большинстве типов шпилек используется два стандарта:

1. С диаметром гладкой части равным диаметру резьбового соединения;
2. И диаметром гладкой части, меньшего размера по отношению к резьбовому соединению.

Использование типа конструкции обуславливается особенностью возводимого объекта или конкретными требованиями к метизу.

Шпильки для деталей с гладкими отверстиями

В ситуациях, когда необходимо соединить два модуля, не имеющих собственной резьбы, используются шпильки для деталей с гладкими отверстиями. Их конструкция и размер регламентируются ГОСТом 22042-76. Согласно этому документу, метиз изготавливается в диаметральном диапазоне от 2 до 48 миллиметров. При этом размер самой шпильки напрямую зависит от ее диаметра. Нормы производства указаны в таблице:

Рассмотрим для примера 100 миллиметровую шпильку. Ее размер указан в крайнем левом столбце.

Важно! В таблице, в верхней строке указаны диаметры резьбовой части. Если размер помещен в скобки, такое значение считается нежелательным в производстве, но не запрещено стандартом.

Видим, что максимальный диаметр метиза с такой длиной – 18 миллиметров, а минимальный три. При длине шпильки 100, и диаметре 18, то есть наиболее крупный размер, длина резьбового наконечника должна составлять 42 миллиметра. В сумме это дает 84, то есть гладкая часть метиза посередине остается всего 16 миллиметров.

Следует отметить, что шпильки таких размеров редко применяются в крупном строительстве, для таких объектов также имеется свой норматив:

В первой таблице есть ступенчатые колонки. Они означают, что при таком соотношении длины к диаметру, используется накатка резьбы по всей длине метиза. Также подобная накатка может производиться на любой шпильке по желанию заказчика. Стандарт это допускает.

По сути, главная и единственная особенность шпилек для соединения деталей с гладкими отверстиями заключается в том, что на концах метиза имеются одинаковые по длине резьбовые соединения. Если их размер отличается, это уже совершенно другой тип конструкции.

Шпильки с ввинчиваемым концом

Шпильки с ввинчиваемым концом представляют собой метиз, на концах которого имеется резьба, но в отличие от предыдущей модели, здесь она может отличаться как по длине, так и по диаметру, а также шагу. Эти шпильки применяются в условиях, когда у одной детали есть собственное резьбовое соединение, то есть их применение допустимо только в случаях, когда одна из деталей изготовлена из металла.

При этом, в зависимости от металла, применяются разные шпильки, и их конструкция строго регламентируется. Существует несколько стандартов (в скобках указан номер ГОСТа):

• Шпильки для деталей из легких сплавов (22038-36 – 22040-76). Здесь два стандарта, различие между которыми заключается в допустимости к использованию метизов в стальных деталях и деталях из бронзы.
• Шпильки, ввинчиваемые в детали из серого или ковкого чугуна (22034-76 – 22036-76). Метизы, изготовленные по этим стандартам допускается вкручивать в изделие из стали и бронзы, а различие между гостами касается длины наконечников.
• Шпильки, вкручиваемые в стальные, бронзовые, латунные изделия, а также в детали изготовленные на основе титановых сплавов (22032-76).

Каждый ГОСТ имеет собственную расчетную таблицу, показывающую максимально и минимально допустимый размер резьбовой части метиза при его диаметре и общей длине. Длина резьбовых наконечников отличается, но имеет прямую зависимость от ввинчиваемой части. Проще говоря, если диаметр ввинчиваемого наконечника составляет 20 миллиметров, то использование второго окончания диаметром, скажем, 3 миллиметра не допустимо. Подробнее о допусках и особенностях соотношения можно почитать в ГОСТах. Описывать все нюансы таких шпилек здесь не имеет смысла, так как каждый стандарт имеет свои нюансы и подробные расчеты.

Фланцевые шпильки

Фланцевые шпильки предназначены для соединения паровых, газовых и турбинных трубопроводов с эксплуатационными нормами от 0 до 650 градусов. Их размер и конструкция детально описаны в ГОСТ 9066-75, где различают пять типов метизов:

1. Шпилька с одинаковым диаметром резьбы и гладкой части. Подробно эти метизы мы рассматривали как соединения для деталей с гладкими отверстиями.
2. Шпилька, где диаметр резьбовых наконечников больше диаметра гладкой части.
3. Шпилька с четырехгранным выступом и осевым отверстием по всей длине.
4. Шпилька с отверстием по всей длине и цилиндрическим выступом.
5. Шпилька с осевым отверстием по длине метиза и диаметрам резьбы, большим диаметра гладкой части.

Каждый метиз имеет собственную таблицу допуска, которую можно изучить в тексте ГОСТа, так как приводить их здесь не имеет смысла.

Важно! Шпильки 4 и 5 типов предназначены для затягивания в разогретом виде. Метизы с 1 по 3 монтируются на холодную.

Ключевая особенность фланцевых шпилек заключается в их использовании на объектах с повышенным температурным режимом. Все перечисленные типы предназначены для соединения трубопроводов, нагревающихся до температуры до 650 градусов. При этом стандартизация самих шпилек не имеет отношения к фланцам. У них свои нормативы и требования. По сути, конструкция фланцевых моделей не отличается от обычных шпилек, но требования к их изготовлению более высокие.

Приварные шпильки

Данный тип шпильки используется в ситуациях, когда есть возможность соединить метиз с основанием путем сварки, то есть деталь, к которой крепится шпилька, изготовлена из металла. Конструкцию метиза описывает ГОСТ Р 55738-2013, в котором на начальном этапе разделяют три вида изделий по методу приваривания:

1. Сварка в газовой, защищенной среде или с использованием специального керамического кольца.
2. Дуговая сварка с размыканием цепи.
3. Сварка с плавлением наконечника, то есть контактная.

В первом варианте допускается использование шпилек с наружной и внутренней резьбой, без резьбы, а также шпилек-опор. Маркируются они двумя латинскими буквами, где вторая буква D. Дуговая сварка с размыканием цепи маркируется литерой S, и допускается использование шпилек с наружной и внутренней резьбой, а также без нее. Третий метод позволяет использовать метизы из второй категории, а маркируются шпильки латинской буквой Т. ГОСТ подробный и описывает все типы сварки при использовании различных шпилек, поэтому приводить его полностью мы не будем.

Закладная шпилька

Этот метиз используется для фиксации деталей к бетонным и монолитными основаниям. Резьбовая шпилька имеет изогнутую или прямую форму, и чаще всего устанавливается в монолит на этапе его изготовления. Неправильна форма конструкции позволяет более плотно зафиксировался в основании, и исключает вероятность схождения метиза с посадочного места.

Размер и форма фундаментных или закладных шпилек регламентируется стандартом под номером 24379.1-2012, где их именуют фундаментными болтами. Формы, размеры, а также типы таких конструкций мы рассматривать не будем, так как на нашем сайте есть отдельная статья, посвященная этой теме. Отметим лишь, что монтаж таких шпилек возможен как на этапе производства монолита, так и в готовый бетонный блок. К каждому типу крепежа стандарт предъявляет свои требования, подробно описанные в его тексте.

Анкерная шпилька

Анкер – самостоятельный метиз, позволяющий произвести крепеж к монолитному блоку после этапа его производства. Так как в бетоне невозможно нарезать резьбу, применяется анкер, где одной из главных деталей является шпилька. Здесь это центральный элемент, на который накручивается гайка. Шпилька располагается в кожухе, разжимаемом каплевидным окончанием шпильки.

По сути, анкерная шпилька – это элемент с полной резьбой по всей поверхности и крупным окончанием. Как отдельный элемент она не используется, но упоминать ее необходимо.

Материалы изготовления

Государственный стандарт регламентирует не только конструкцию и размер шпильки, но марку стали, из которой она изготавливается. В зависимости от типа метиза и его назначения, используемые стали отличаются, но в большинстве случаев применяются одни и те же марки. Например, для изготовления шпилек с ввинчиваемым концом или для деталей с гладкими отверстиями применяются марки:

• Ст. 20Х13;
• Ст. 14Х17Н2;
• Ст. 12Х18Н10Т;
• Ст. 30ХМА;
• Ст. 25Х1МФ;
• Ст. 20ХН3А и т.д.

Это касается метизов, используемых при вкручивании в легкие сплавы, а также в чугун и сплавы на основные бронзы. Шпильки для стальных деталей и титановых сплавов изготавливаются также из марки ст.09Г2С. В случае с фланцевыми шпильками необходимо уделить повышенное внимание качеству стали и использовать для изготовления: Ст. 35, Ст. 40Х, Ст. 09Г2С и т.д.

Повышение уровня прочности резьбовых шпилек

Понятие высокопрочная шпилька не описывается в государственном стандарте и является условным. Зато, ГОСТ четко определяет марки сталей и делит их по классу прочности. Высокопрочными метизами принято считать изделия с классом от 8 и выше. Для их изготовления применяют углеродистые, легированные и нержавеющие марки.

По техническим характеристикам такие шпильки имеют ряд особенностей:

• Повышенная устойчивость к перепадам температуры;
• Устойчивость к экстремальным температурам;
• Устойчивость к химическому воздействию;
• Повышенная прочность на излом и разрыв;
• Устойчивость к физической деформации.

Достижение таких результатов прочности достигается применением альтернативных марок сталей. В случае с легированными марками применяются:

• 35Х,
• 40Х,
• 45Х,
• 35ХГСА,
• 14Х17Н2,
• 20х13,
• 20хн3а.

Углеродистая сталь – 10, 20 и 35 марки, а также нержавейка 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т.

В качестве меры по повышению прочности метиза применяется его закалка, то есть обработка высокими температурами с последующим резким остыванием. Это делает шпильку более прочной на разрыв и излом, но и одновременно более хрупкой, так как пропадает запас допустимой деформации.

Защита и повышение уровня износостойкости резьбовых шпилек

Резьбовые шпильки часто эксплуатируются в агрессивной среде, и так как изготавливаются они из металла, если не рассматривать высокопрочные метизы, то естественно, что рано или поздно они начинают подвергаться коррозии. Наиболее распространенный способ защиты – цинкование, когда на поверхность изделия гальваническим методом наносится слой цинка, не подверженного воздействию природных факторов.

Важно! Нанесение на поверхность шпильки защитной краски, даже полимерной, не имеет смысла, так как при накручивании на резьбу гайки она будет полностью или частично уничтожена, что сведет к минимуму ее защитные качества.

Для нанесения цинкового слоя используется метод гальваники, и он является наиболее прочным и долговечным. При воздействии на металл электрического тока, атомы защитного покрытия проникают в саму структуру метиза, то есть покрытие становится не поверхностным, а глубоким. Такие шпильки можно использовать с агрессивной среде, и вариантов их применения довольно много.

Трубопроводы

С помощью резьбовых шпилек производят фланцевые соединения трубопроводов, находящихся на улице или подвергающихся воздействию природы. Например, в уличных магистральных сетях. Также они используются на объектах с высоким температурным режимом. В ГОСТ есть отдельный раздел, описывающий высокопрочные шпильки, способные работать и не терять своих качеств даже при нагреве до 650 градусов. Для менее агрессивных условий, то есть при нагреве до 300 градусов включительно, используются обычные шпильки с защитным слоем.

Уличные объекты

Вариантов использования шпилек на улице много, и один из них – это установка рекламных билбордов. Здесь используются закладные модели, монтируемые в бетонное основание непосредственно на этапе его заливки. К этим шпилькам крепится станина рекламного щита, и несложно догадаться, что на такой крепеж будет постоянно оказываться негативное воздействие влаги и осадков, а в Москве и других крупных городах, еще и химических реагентов. Конкретных рекомендаций к таким объектам нет, однако, если необходимо сделать прочное и долговечное крепление, имеет смысл установить именно шпильки с защитным покрытием, цена на которые выше, но приложат они гораздо дольше и не потребуют замены, неизбежно влекущей за собой полный демонтаж бетонной конструкции.

Химическая промышленность

Оснащение химических производств имеет свой регламент и требования к крепежным изделиям. Описывать его не имеет смысла, но из-за постоянного воздействия агрессивных сред на метизы, здесь используют исключительно защищенные шпильки с покрытием. Причем в ряде случаев это покрытие может быть не цинковым, а, например, хромовым или медным. Все зависит от конкретных требований объекта.

Заключение

Сегодня, любой строительный магазин предлагает огромный ассортимент шпилек, и если мы говорим о частном строительстве небольшого объекта, то делать их на заказ не имеет смысла. Подобрать подходящий по размеру метиз труда не составит, чего не скажешь о более сложных моделях, например, с нестандартными размерами или изготовленные со специальным защитным покрытием. Здесь уже не обойтись без индивидуального заказа. К счастью и с этим проблем нет никаких.