SPE涂層在電纜通道復(fù)合蓋板上的應(yīng)用

胡小剛，何 躍，曾 敏，王 超

(國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司北碚供電分公司，重慶 400000)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及城市配電網(wǎng)的逐步完善，城市用電需求逐年提升。傳統(tǒng)的架空電力線路占用地面大量空間且存在極大安全隱患，為了節(jié)約地表資源，在地下溝道鋪設(shè)電纜成為了替代架空線路的一種輸電方案[1]。與利用架空電力線路供電相比，采用電力線纜供電有著較多優(yōu)點(diǎn)，如供電比較可靠，能量也很高。然而，地下管線比較復(fù)雜，且具有較強(qiáng)隱蔽性，目前采用由復(fù)合蓋板組成的電纜通道，其剛度和抗壓能力無(wú)法滿足在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間保持通道完整性的需求，嚴(yán)重威脅電力線纜的運(yùn)行安全[2]。

在復(fù)合蓋板表面制備一層裝甲防爆涂層可有效提升復(fù)合蓋板的剛度及抗壓性能，然而裝甲涂層通常存在固化緩慢、與蓋板表面貼合不緊密即附著性差等問(wèn)題，無(wú)法達(dá)到蓋板預(yù)期的抗壓、防爆結(jié)果。針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究固體聚合物電解質(zhì)(SPE)技術(shù)與傳統(tǒng)復(fù)合蓋板有機(jī)結(jié)合方法，并對(duì)具有SPE防爆涂層的復(fù)合蓋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)及性能測(cè)試。

1 電纜通道現(xiàn)存的主要問(wèn)題

復(fù)合蓋板作為電纜通道的一種重要組成材料，其完整性關(guān)系到電纜通道安全運(yùn)行和行人車(chē)輛安全。目前使用的復(fù)合蓋板，經(jīng)常被停放的車(chē)輛和重物壓壞，如果沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)調(diào)換就會(huì)給過(guò)路的行人造成較大的安全威脅，同時(shí)電纜本體也缺少保護(hù)，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)某城市重點(diǎn)區(qū)域傳統(tǒng)蓋板進(jìn)行考察，并對(duì)車(chē)輛停放與重物堆積對(duì)傳統(tǒng)蓋板壓力和損壞情況進(jìn)行分析，當(dāng)前電纜通道蓋板中存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)為以下三大風(fēng)險(xiǎn)隱患。

1)腐蝕、銹斷風(fēng)險(xiǎn)。在陰雨天氣之后，電纜線路通道中通常有較多的積水存在，積水較多使得電纜通道內(nèi)濕度極大，容易造成電纜沿線支架銹蝕，考察結(jié)果顯示大部分電纜通道內(nèi)支架已銹斷，大多接地扁鐵嚴(yán)重?cái)嗔?，銹蝕情況嚴(yán)重。

2)坍塌、斷裂風(fēng)險(xiǎn)。電纜溝蓋板在受到不確定外力或存在質(zhì)量原因的情況下，會(huì)出現(xiàn)斷裂且會(huì)暴露出斷面，進(jìn)一步使電纜通道出現(xiàn)局部塌陷。如圖1所示，城市內(nèi)的電纜通道有部分建設(shè)在城市居民的活動(dòng)區(qū)域，在沒(méi)有警示的情況下，極易造成城市居民失足跌落，對(duì)城市居民的人身安全造成威脅。

圖1 人行道電纜蓋板現(xiàn)場(chǎng)圖

3)火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。由于電纜鋪設(shè)過(guò)程中監(jiān)管不嚴(yán)等原因，電纜并未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案敷設(shè)，支架上的電纜通?？v橫交錯(cuò)、相互纏繞。如圖2所示，位于郊區(qū)的電纜通道，由于蓋板表面無(wú)法得到及時(shí)清理，最終形成枯葉、干草等易燃雜物堆積平臺(tái)，若在天氣干燥或有煙頭、火柴等火源掉進(jìn)通道內(nèi)，極易引起火災(zāi)事故。如果電纜通道與天然氣管道距離較近，甚至引發(fā)爆炸事故[3]。

圖2 郊區(qū)電纜蓋板現(xiàn)場(chǎng)圖

2 復(fù)合蓋板SPE裝甲防爆涂層

固體聚合物電解質(zhì)(SPE)是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種新型固體電解質(zhì)材料，所謂SPE就是水合陽(yáng)離子交換膜，它是一種固體聚合物電解質(zhì)，主要分四大部分：雙極板(BP)、氣液擴(kuò)散層(GLDL)、膜電極組件(MEA)及密封墊圈[4]。

目前SPE一般采用美國(guó)杜邦公司的Nafion膜，Nafion 的全稱(chēng)是全氟磺酸離子交換膜(perfluoro sulfonate ion-exchanged membrane，PFSIEM)，主體材料為聚四氟烯為骨架，側(cè)鏈為帶有磺酸根結(jié)構(gòu)的全氟高分子聚合物[5]。圖3為Nafion膜的分子結(jié)構(gòu)。Nafion 微觀骨架中的碳-氟鍵(-CF)具有很強(qiáng)的結(jié)合能，在酸性和堿性環(huán)境中的穩(wěn)定時(shí)間均很長(zhǎng) ，因此Nafion 膜的化學(xué)穩(wěn)定性十分優(yōu)異，且Nafion 膜可在高溫下長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定性，這說(shuō)明 Nafion 膜在熱穩(wěn)定性方面也有優(yōu)秀表現(xiàn)[6]。

圖3 Nafion膜的分子結(jié)構(gòu)

SPE技術(shù)的特點(diǎn)是在Nafion膜的一側(cè)使用鍍膜方法將催化劑或具有催化作用的金屬離子引進(jìn)，而后與固體聚合物電解質(zhì)通過(guò)熱壓處理制得具有高選擇性及較高機(jī)械強(qiáng)度的SPE電極。

將引進(jìn)金屬離子的Nafion膜與固體聚合物電解質(zhì)通過(guò)熱壓處理制得成本低廉，并且可以在低溫或高溫環(huán)境下使用(21 MPa，150℃)，無(wú)副反應(yīng)，安全性和可靠性較高的涂料。進(jìn)一步將其噴涂在復(fù)合蓋板即可制成裝甲復(fù)合蓋板。

10月20日上午，中國(guó)供銷(xiāo)集團(tuán)總經(jīng)理陳振平一行到南通中農(nóng)督導(dǎo)調(diào)研，重點(diǎn)對(duì)南通中農(nóng)現(xiàn)代物流園項(xiàng)目及南通通海港集裝箱碼頭進(jìn)行了實(shí)地考察。

3 SPE技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合蓋板對(duì)抗壓能力的提升

將SPE技術(shù)應(yīng)用到復(fù)合蓋板上所制成的裝甲復(fù)合蓋板相較于傳統(tǒng)復(fù)合蓋板有以下幾點(diǎn)提升。

1)裝甲涂層固化速度較快，且可直接在蓋板表面噴涂，10 s左右可凝膠，只需要在施工完成后放置720 min，再投入使用，可大幅降低施工對(duì)城市運(yùn)轉(zhuǎn)的影響。

2)裝甲涂層表面極致密，各接口之間不存在接縫，耐介質(zhì)性能突出，可耐受各種可能破壞涂層表面的介質(zhì)，如酸、堿的腐蝕。

3)裝甲涂層具有優(yōu)秀的機(jī)械性能，抗沖擊性、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率均在較高水平，耐磨性較好也是涂層的優(yōu)點(diǎn)。電纜蓋板要經(jīng)常經(jīng)受撞擊和摩擦，優(yōu)秀的機(jī)械強(qiáng)度可保證涂層的長(zhǎng)時(shí)間有效應(yīng)，無(wú)需反復(fù)噴涂。

4)具有良好的熱穩(wěn)定性，可在120℃下可以長(zhǎng)期使用，經(jīng)受冷熱交替不變形、不開(kāi)裂。

5)裝甲涂層具有較強(qiáng)附著力，長(zhǎng)期使用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)氣泡、空鼓等降低涂層保護(hù)力的情況。電纜蓋板使用年限一般較長(zhǎng)，因此對(duì)涂層的防腐性能有較高的要求。

6)性價(jià)比高，變電站、配電站等電力中樞的輸電電纜通道，共井電纜數(shù)量多、電纜通道長(zhǎng)，日常維護(hù)難度較大。裝甲復(fù)合蓋板施工后基本不需要維護(hù)，降低了維護(hù)費(fèi)用。

表1 涂層性能參數(shù)

4 裝甲負(fù)荷蓋板性能

為檢測(cè)裝甲復(fù)合蓋板在無(wú)法得到有效支撐且在較大隨機(jī)載荷影響下的綜合抗壓、抗拉伸等綜合能力，本文設(shè)計(jì)了一種可反映蓋板綜合能力且滿足電力行業(yè)測(cè)試要求的測(cè)試方法。通過(guò)對(duì)一塊蓋板進(jìn)行逐步加載，測(cè)試其自開(kāi)裂到結(jié)構(gòu)破壞的相關(guān)表現(xiàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析蓋板承載能力的極限值及在受到隨機(jī)外力情況下表現(xiàn)出的相關(guān)特性[7-8]。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

最大壓力及加載速度可控的千斤頂1臺(tái)；DJCK-2裂縫測(cè)寬儀；高精度壓力傳感器配套顯示儀1套；矩形墊塊1片。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

4.2.1 裂縫荷載檢驗(yàn)

裂縫荷載試驗(yàn)是測(cè)試水泥蓋板試件的基礎(chǔ)性試驗(yàn)，其中裂縫荷載是當(dāng)蓋板表面出現(xiàn)寬度為1cm的2%裂縫時(shí)的所加荷載值，通過(guò)將載荷(分為一級(jí)加荷量和二級(jí)加荷量)分批次對(duì)蓋板試件進(jìn)行加載，其中一級(jí)加荷量為總載荷的20%，二級(jí)加荷量為總載荷的5%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際配重情況，首先用初始加荷量對(duì)蓋板試件進(jìn)行加載，在逐級(jí)加荷至裂縫出現(xiàn)后，用載荷值繼續(xù)對(duì)蓋板試件進(jìn)行加載，采用DJCK-2裂縫測(cè)寬觀測(cè)儀檢測(cè)裂縫寬度，當(dāng)裂縫寬度達(dá)到0.02 cm時(shí)停止加載，此時(shí)荷載即為裂縫荷載。

4.2.2 破壞荷載檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步測(cè)試蓋板的破壞荷載，對(duì)蓋板試件進(jìn)行破壞載荷試驗(yàn)，即不斷加載使蓋板試件結(jié)構(gòu)破壞時(shí)測(cè)量此時(shí)荷載數(shù)值。本次破壞荷載檢驗(yàn)對(duì)蓋板加載到開(kāi)裂、持續(xù)加載至結(jié)構(gòu)破壞，試驗(yàn)蓋板的抗彎載能力是否滿足要求。具體為在完成裂縫載荷試驗(yàn)后，采用兩倍二級(jí)載荷對(duì)蓋板試件繼續(xù)加荷，直至出現(xiàn)符合規(guī)定的結(jié)構(gòu)性破壞后，獲取蓋板試件的破壞荷載值[9]。

表2 有SPE蓋板與傳統(tǒng)復(fù)合蓋板不同荷載對(duì)比

有SPE蓋板與傳統(tǒng)復(fù)合蓋板不同荷載對(duì)比(見(jiàn)表2)可以看出，有SPE涂層的裝甲負(fù)荷蓋板相較于沒(méi)有SPE涂層的普通負(fù)荷蓋板在裂縫載荷與破壞載荷方面均有較大程度的提升，其中裂縫載荷提升了141.37%，大幅提升了復(fù)合蓋板在面臨隨機(jī)負(fù)荷時(shí)的抗壓能力，可滿足電纜通道在偶然載荷作用下的支撐需求。并且破壞載荷也有大幅提升，保證負(fù)荷蓋板在遭受極重負(fù)荷時(shí)也能長(zhǎng)時(shí)間保持完整性，為市政檢修提供了充足的時(shí)間裕度。由此可見(jiàn)，有SPE涂層的裝甲負(fù)荷無(wú)論是從瞬時(shí)抗壓能力還是長(zhǎng)時(shí)維持能力都足以滿足城市電纜通道的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

由復(fù)合蓋板作為重要組成部分的電纜通道存在安全風(fēng)險(xiǎn)、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等多種風(fēng)險(xiǎn)。利用SPE可制得SPE涂料，再通過(guò)工業(yè)噴涂的方式，將裝甲防暴涂層和現(xiàn)有復(fù)合蓋板結(jié)合，可以有效提升復(fù)合蓋板的剛度和抗壓能力，降低蓋板損壞率，保障地下電力線纜安全穩(wěn)定地運(yùn)行。