艦船用中壓耐火輕便型軟電纜研制

李永江

(江蘇遠(yuǎn)洋東澤電纜股份有限公司，江蘇揚(yáng)州225129)

0 引言

作為艦船動(dòng)力所需電能的傳輸者，中壓耐火軟電纜直接關(guān)系到大功率艦船裝備在火災(zāi)情況下的安全和人員的生命保障。從提高艦船有效負(fù)載、降低制造成本角度出發(fā)，公司研制開(kāi)發(fā)了艦船用中壓耐火輕便型軟電纜，其技術(shù)特征在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外徑小、重量輕、彎曲半徑小、耐溫等級(jí)高、耐火性能優(yōu)異。

1 傳統(tǒng)工藝不能用于中壓耐火電纜的原因

目前常用的耐火電纜工藝主要有云母帶繞包線芯和礦物絕緣兩種結(jié)構(gòu)，但這兩種結(jié)構(gòu)的耐火電纜均無(wú)法用于艦船用中壓電纜。原因在于:

(1)云母帶繞包。中壓電纜由于其在高壓下運(yùn)行的電氣環(huán)境決定其導(dǎo)體外必須采用導(dǎo)體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽三層共擠結(jié)構(gòu)。由于各種原因，導(dǎo)體表面不可避免地會(huì)存在毛刺等缺陷，形成電纜內(nèi)部應(yīng)力集中或局部放電點(diǎn)，在長(zhǎng)期的負(fù)載運(yùn)行中容易導(dǎo)致絕緣擊穿。導(dǎo)體屏蔽用于消除導(dǎo)體絞合缺陷，使導(dǎo)體與導(dǎo)體屏蔽之間形成等電位，均化電場(chǎng)。因此制造中壓電纜，不能采取在導(dǎo)體上繞包云母帶的方式，否則會(huì)破壞絕緣線芯的整體結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)體屏蔽失去均化電場(chǎng)的作用，并且云母帶的絕緣強(qiáng)度相對(duì)較低，無(wú)法承受高電場(chǎng)強(qiáng)，在中壓電纜耐壓試驗(yàn)或負(fù)載運(yùn)行中會(huì)被擊穿，且云母帶邊緣的纖維還會(huì)形成局部放電點(diǎn)，增大電纜的局部放電量。

(2)礦物絕緣。礦物絕緣電纜(即MI電纜)的顯著特點(diǎn)是在導(dǎo)體外面包覆一層無(wú)機(jī)耐火礦物絕緣層以達(dá)到耐火目的，耐火性能優(yōu)異，但其敷設(shè)效率低下，彎曲性能很差，無(wú)法達(dá)到海洋工程裝備狹小空間對(duì)電纜的柔韌性要求，并且電纜封頭終端制作工藝復(fù)雜，電纜造價(jià)昂貴。與云母帶繞包耐火電纜一樣，礦物絕緣用于中壓電纜會(huì)破壞絕緣線芯的整體結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)體屏蔽失去均化電場(chǎng)的作用。

2 產(chǎn)品研制

2.1 設(shè)計(jì)理念

艦船用中壓耐火輕便型軟電纜的設(shè)計(jì)理念是采用以硅橡膠為基料的半導(dǎo)電導(dǎo)體屏蔽、陶瓷化硅橡膠絕緣料和以硅橡膠為基料的半導(dǎo)電絕緣屏蔽三層共擠，三種材料采用相同的硫化體系，實(shí)現(xiàn)耐火和絕緣集為一體，簡(jiǎn)化電纜結(jié)構(gòu)，減小電纜外徑，降低電纜重量和制造成本。

陶瓷化硅橡膠的基材是硅橡膠，主要成分是有機(jī)硅和無(wú)機(jī)二氧化硅，并配合陶瓷粉和環(huán)保型高溫耐火粉末催化劑等。其在常溫下柔軟、加工性能優(yōu)異，而在火焰燒蝕后或高于500℃溫度烘烤后，就會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)由高溫催化生成堅(jiān)硬的陶瓷狀殼體。陶瓷狀殼體受高溫火焰煅燒生成可耐溫不低于

1100℃的SiO2堅(jiān)硬陶瓷，隔絕阻擋火焰繼續(xù)燃燒，從而起到防火的作用。

2.2 關(guān)鍵材料

(1)半導(dǎo)電導(dǎo)體屏蔽料和絕緣屏蔽料

半導(dǎo)電導(dǎo)體屏蔽和絕緣屏蔽料以甲基乙烯基硅橡膠110-8和110-4S為基材，配以沉淀水合二氧化硅、乙炔炭黑、羥基硅油、含氫硅油、硅烷偶聯(lián)劑KH-560和硫化劑雙2，5。

制備方法是首先將硅橡膠110-8和110-4S以及沉淀水合二氧化硅、乙炔炭黑、羥基硅油、含氫硅油在密煉機(jī)中混煉均勻，溫度為90～100℃，然后將密煉機(jī)抽成真空保持1 h，接著將KH-560和雙2，5加入繼續(xù)混煉成團(tuán)狀物料后移出密煉機(jī)并進(jìn)行冷卻;將團(tuán)狀物料在開(kāi)煉機(jī)上開(kāi)煉、切片、慮橡、割條、冷卻備用。各組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 組份質(zhì)量份數(shù)

(2)絕緣耐火材料

絕緣耐火材料為陶瓷化硅橡膠，以甲基乙烯基硅橡膠110-8和110-4S為基料，加入燒結(jié)陶瓷粉填充劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、環(huán)保型高溫耐火粉末催化劑、硫化助劑，共同混煉為可供擠壓成型的混合膠料，在擠包使用前按照100∶1.0～100∶1.5的比例加入硫化劑雙2，5，在開(kāi)煉機(jī)上保持恒溫25℃持續(xù)1.5～2 min混煉均勻進(jìn)行快速硫化。

(3)護(hù)套材料

在護(hù)套選型上主要考慮高阻燃、低碳、環(huán)保，對(duì)比各種材料性能后，選用了無(wú)鹵阻燃聚烯烴，其以低碳高分子材料為骨架材料，加入燒結(jié)粉末填充劑、補(bǔ)強(qiáng)劑以及水合金屬氧化物等。在受熱時(shí)，水合金屬氧化物中的水分子蒸發(fā)吸收大量的熱量，降低電纜的溫度;形成的水蒸氣可以沖淡周圍氧氣濃度;燃燒的金屬氧化物與燒結(jié)粉末產(chǎn)物形成硬殼，減弱火焰和熱量向電纜內(nèi)部蔓延和傳遞。

2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

除電纜的優(yōu)異耐火性能外，需確保電纜最小彎曲半徑可以達(dá)到9倍的電纜外徑，以適應(yīng)艦船狹小空間的需求。經(jīng)反復(fù)研究，我們優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，一方面將絕緣層與耐火層集為一體，另一方面選用更合適的填充材料，并優(yōu)化護(hù)層結(jié)構(gòu)。

成纜縫隙采用阻燃聚丙烯網(wǎng)狀撕裂纖維進(jìn)行填充，其密度僅有0.7 g/cm3，柔軟、無(wú)毒，具有非吸濕性，不含石棉成分，滿足國(guó)際海事組織和各國(guó)船級(jí)社要求的綠色造船規(guī)定，耐溫等級(jí)滿足電纜最高長(zhǎng)期運(yùn)行溫度95℃，且與硅橡膠絕緣料兼容。

參照NEK TS 606—2009近海用無(wú)鹵耐泥漿電纜標(biāo)準(zhǔn)，采用擠包型內(nèi)襯層替代傳統(tǒng)的內(nèi)護(hù)套，既有機(jī)械保護(hù)的作用，又減小電纜外徑。

通過(guò)合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了成品電纜耐火性能好、外徑減小、重量減輕、便于敷設(shè)、易于彎曲的目的。具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 艦船用中壓耐火輕便軟電纜結(jié)構(gòu)

2.4 產(chǎn)品試制

(1)工藝流程

根據(jù)設(shè)計(jì)確認(rèn)的產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝流程如下:拉絲→韌煉→鍍錫(若需)絞合→三層共擠→金屬屏蔽→成纜繞包→擠包內(nèi)襯層→編織鎧裝→擠包外護(hù)套→成品檢驗(yàn)。

(2)關(guān)鍵工序控制點(diǎn)

該電纜的關(guān)鍵工序是三層共擠，控制點(diǎn)是同心度和硫化程度。與低壓電纜主要考慮機(jī)械強(qiáng)度不同，中壓電纜導(dǎo)體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽的三層共擠對(duì)于耐壓等電氣性能有著至關(guān)重要的影響，需要特別關(guān)注三層共擠的同心度。檢測(cè)方法是測(cè)量偏心度，即在同一截面進(jìn)行各層的厚度測(cè)量，各層的偏心度按照下式計(jì)算，結(jié)果應(yīng)不大于0.15。

式中:k為偏心度;tmax為各層最大厚度;tmin為各層最小厚度。

合適的硫化度是橡膠電纜產(chǎn)品機(jī)械物理性能得以保證的關(guān)鍵，按照ANSI/ICEA T-28-562—2003標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，硫化度通過(guò)負(fù)載延伸進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)品在重力負(fù)載下的延伸率應(yīng)不大于50%。

3 耐火性能試驗(yàn)

現(xiàn)行國(guó)外和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有針對(duì)中壓耐火電纜的試驗(yàn)方法，我們參照了國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心發(fā)布的技術(shù)規(guī)范TICW 08—2012附錄表B的方法進(jìn)行試驗(yàn)，并將試驗(yàn)溫度由750℃提高為830℃，以與各國(guó)船級(jí)社規(guī)范和相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推薦的低壓電纜的耐火試驗(yàn)溫度保持一致，試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。耐火試驗(yàn)步驟分為兩部分:

(1)供火時(shí)間內(nèi)。試驗(yàn)中在試驗(yàn)電路的兩端施加電纜的額定電壓，即導(dǎo)體和屏蔽之間的試驗(yàn)電壓等于電纜的額定電壓Uo，并在830℃的火焰條件下持續(xù)90 min，在此期間電路應(yīng)不被破壞、斷路器斷開(kāi)或?qū)w斷開(kāi)。

(2)供火時(shí)間外。供火試驗(yàn)結(jié)束后1 h內(nèi)，對(duì)試樣的完整性進(jìn)行檢查，在保持供火時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)原始狀態(tài)的情況下，對(duì)試樣施加3.5Uo的試驗(yàn)電壓并持續(xù)15 min，期間電纜不發(fā)生擊穿。

4 結(jié)束語(yǔ)

研制的艦船用中壓耐火輕便型軟電纜采用陶瓷化硅橡膠作為絕緣層和耐火層，簡(jiǎn)化了中壓耐火電纜的結(jié)構(gòu)，降低了外徑和重量，具有更小的彎曲半徑，提高了生產(chǎn)效率，在保證各項(xiàng)性能的同時(shí)大大提高了電纜的耐火性能。

［1］NEK TS 606—2009 Cables for offshore installations halogen free and/or mud resistant——technical specification［S］.

［2］ANSI/ICEA T-28-562—2003 Test method for measurement of hot creep of polymeric insulations［S］.

［3］TICW 08—2012 額定電壓6 kV(Um=7.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣耐火電力電纜［S］.