阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜的研制

居盛文 黃少成

（安徽華上電纜科技有限公司，安徽 蕪湖 238339）

傳統(tǒng)無(wú)鹵低煙阻燃電纜及試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)僅考慮電纜本體的不燃性、煙氣腐蝕性和煙氣透光性，忽略了電纜燃燒時(shí)的熱釋放過(guò)程、煙氣釋放過(guò)程、燃燒增長(zhǎng)速率、燃燒滴落物以及煙氣毒性等特性。根據(jù)地鐵本身的獨(dú)有特點(diǎn)，一旦起火，容易造成火勢(shì)蔓延擴(kuò)大和有毒濃煙的產(chǎn)生，不僅會(huì)威脅乘客的生命安全，還會(huì)給疏散和救援工作造成較大困難。目前，公眾對(duì)消防安全越來(lái)越重視，我國(guó)公安部引進(jìn)借鑒歐盟CPR 建筑指令并制定了GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》[1]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中非礦物質(zhì)絕緣電纜的最高等級(jí)為B1 級(jí)。目前阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜沒(méi)有統(tǒng)一的行標(biāo)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)商之間的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)又不盡相同，主要以符合GB/T 19666—2019《阻燃和耐火電線電纜或光纜通則》[2]的A 類為主。隨著《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》GB 31247—2014 的推出，阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜的研發(fā)勢(shì)在必行。

1 性能要求

根據(jù)GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)要求，研發(fā)的阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜的燃燒性能、燃燒滴落物、煙氣毒性、腐蝕性能及電氣性能等指標(biāo)應(yīng)滿足的要求見(jiàn)表1 和表2。

表1 阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜電氣性能指標(biāo)

表2 阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜燃燒特性指標(biāo)

2 阻燃基本原理

燃燒是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，但歸納一下必須符合3 個(gè)要素，即可燃物、助燃物（空氣）和溫度（著火點(diǎn)），缺一不可。缺失任何一個(gè)要素，燃燒現(xiàn)象即會(huì)終止。如果持續(xù)發(fā)生，必須有產(chǎn)生火焰的自由基物反應(yīng)。因此持續(xù)燃燒的要素為可燃物+阻燃物+溫度+自由基物反應(yīng)（3+1 模式）。

自由基物的反應(yīng)也是材料在燃燒過(guò)程中的氣相反應(yīng)，即聚合物受熱分解并釋放熱量。在材料持續(xù)燃燒中，如果能切斷自由基物的反應(yīng)，則無(wú)熱釋放量反饋給基材，燃燒即會(huì)中斷。反饋給可燃性基材熱量大小將直接表現(xiàn)為燃燒過(guò)程的劇烈程度。阻燃的理念就是阻礙和減少可燃性基材在燃燒過(guò)程中熱釋放量，使其達(dá)到最小化。

3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜分為綜合護(hù)套和鋁護(hù)套2 種結(jié)構(gòu)。其中，鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)電纜由于內(nèi)護(hù)層存在無(wú)機(jī)物金屬護(hù)層，因此只要內(nèi)護(hù)層滿足要求，電纜也就能符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。目前，主要難度在于綜合護(hù)套結(jié)構(gòu)的阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜的研發(fā)。由于綜合護(hù)套結(jié)構(gòu)的阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜的內(nèi)護(hù)套采用雙面鋁塑帶縱包，厚度較薄，外護(hù)層在燃燒過(guò)程中容易向內(nèi)部纜芯傳遞熱量而提升溫度，并且鋁塑帶縱包合縫處屬于開(kāi)放窗口，一旦內(nèi)護(hù)層在燃燒過(guò)程中結(jié)殼性不良，會(huì)導(dǎo)致向纜芯內(nèi)部流入助燃物空氣。因此研發(fā)重點(diǎn)在于如何滿足綜合護(hù)套結(jié)構(gòu)的阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜的燃燒特性要求。

3.1 阻燃材料的選擇

從燃燒的三要素來(lái)看，除了為滿足阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜的傳輸性能而無(wú)法更改的絕緣材料外，填充材料、包帶材料和護(hù)套材料宜優(yōu)先選用低熱釋放量、結(jié)殼性好的無(wú)鹵低煙阻燃材料，可有效降低熱釋放總量和發(fā)煙總量，防止燃燒物滴落，同時(shí)防止熱量向內(nèi)部傳遞。下面重點(diǎn)介紹填充材料、包帶材料和護(hù)套材料的選擇。

首先，填充材料填充材料可以是隔氧泥、玻璃纖維繩、無(wú)機(jī)紙繩以及低煙無(wú)鹵阻燃PP 繩等材料中的一種。在產(chǎn)品試制過(guò)程中，雖然隔氧泥固然有良好的阻燃特性，但用在電纜填充后電纜的彎曲半徑會(huì)受一定的影響，外徑也會(huì)增加，對(duì)電纜的絕緣也有一定影響。玻璃纖維繩阻燃性很好，但在生產(chǎn)加工和安裝敷設(shè)過(guò)程中易對(duì)生產(chǎn)和施工人員的皮膚造成過(guò)敏反應(yīng)。無(wú)機(jī)紙繩在生產(chǎn)過(guò)程中易斷裂，同時(shí)含有石棉，給人帶來(lái)一定危害。低煙無(wú)鹵阻燃PP 繩不僅易于加工，而且其低煙無(wú)鹵阻燃特性經(jīng)檢測(cè)可完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)使用要求。經(jīng)過(guò)以上材料的對(duì)比和分析，該文選用低煙無(wú)鹵阻燃PP 繩作為填充材料，完全滿足阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜燃燒特性要求。

其次，包帶材料可以選用阻燃無(wú)紡布、玻璃纖維帶和低煙無(wú)鹵阻燃帶等材料。在產(chǎn)品試制過(guò)程中，考慮阻燃無(wú)紡布雖然具有一定的阻燃特性，但因含有一定的鹵素，不能滿足產(chǎn)品的使用要求。玻璃纖維帶阻燃性能固然很好，但易對(duì)生產(chǎn)和施工人員的皮膚造成過(guò)敏反應(yīng)。低煙無(wú)鹵阻燃帶克服了阻燃無(wú)紡布和玻璃纖維帶的性能不足，具有更高的低煙無(wú)鹵阻燃特性，并且易于加工生產(chǎn)，同時(shí)對(duì)人體無(wú)影響。通過(guò)對(duì)比以上材料，該文選用低煙無(wú)鹵阻燃帶為纜芯繞包層。

最后，護(hù)套材料的選擇至關(guān)重要。內(nèi)護(hù)層主要是保護(hù)電纜內(nèi)部不被燃燒，在燃燒過(guò)程中，電纜內(nèi)護(hù)層經(jīng)燃燒后形成堅(jiān)硬的陶瓷化殼體，不熔且不滴落，阻止火焰向里蔓延，同時(shí)不含鹵素發(fā)煙量且熱釋放量小。外護(hù)套主要是保證電纜的機(jī)械物理性能和抗開(kāi)裂性能，更要考慮材料的低煙無(wú)鹵阻燃性能。電纜被燃燒時(shí)能阻止火焰沿電纜表面的蔓延且無(wú)鹵素產(chǎn)生，發(fā)煙量小。通過(guò)選擇不同材料廠家的材料試制，最終選擇內(nèi)護(hù)層為氧指數(shù)40%的高阻燃低煙無(wú)鹵隔氧料，外護(hù)層為氧指數(shù)36%的低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴材料，經(jīng)試驗(yàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

在選材過(guò)程中，該文結(jié)合電纜自身特點(diǎn)、制造成本和產(chǎn)品質(zhì)量等方面進(jìn)行了綜合考量，最終確定填充選用低煙無(wú)鹵阻燃PP 繩，繞包選用低煙無(wú)鹵阻燃帶，內(nèi)外護(hù)層選用高阻燃低煙無(wú)鹵聚烯烴護(hù)套料。

3.2 電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)的阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜采用厚度為1.2mm 的無(wú)機(jī)金屬物鋁板焊接形成的金屬套為屏蔽層，同時(shí)采用雙鋼帶鎧裝，因此只要內(nèi)護(hù)層的結(jié)殼性良好，就可阻止外部燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量向內(nèi)部傳遞。鋁護(hù)套電纜需要考慮的是如何隔絕助燃物空氣進(jìn)入纜芯，并要求結(jié)殼性良好，防止絕緣層的聚乙烯材料產(chǎn)生滴落。

綜合護(hù)套結(jié)構(gòu)的阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜纜芯成纜時(shí)采用低煙無(wú)鹵阻燃PP 繩填充，并在纜芯外繞包聚酯帶和低煙無(wú)鹵阻燃帶，再經(jīng)雙面鋁塑帶縱包后擠包氧指數(shù)40%的高阻燃低煙無(wú)鹵隔氧層以阻斷空氣進(jìn)入。內(nèi)護(hù)層外繞包低煙無(wú)鹵阻燃帶后進(jìn)行鋼帶鎧裝，并在鎧裝層外再繞包低煙無(wú)鹵阻燃帶，最后擠包氧指數(shù)36%的低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴護(hù)套層（電纜具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，工藝路線如圖2所示）。

圖1 阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜結(jié)構(gòu)圖

圖2 阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜工藝流程

4 創(chuàng)新方法的確定

內(nèi)、外護(hù)套采用防滴落熱釋放量小的高阻燃低煙無(wú)鹵護(hù)套料；纜芯經(jīng)成纜后繞包聚酯帶和結(jié)殼性較好的低煙無(wú)鹵阻燃帶，防止火焰滲入纜芯內(nèi)部，并防止纜芯在燃燒時(shí)滴落；內(nèi)護(hù)層內(nèi)采用雙面鋁塑帶縱包，內(nèi)護(hù)層外采用繞包低煙無(wú)鹵阻燃帶，防止內(nèi)護(hù)層在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生滴落，同時(shí)可以填充鎧裝鋼帶和內(nèi)護(hù)層間的間隙，減少助燃劑空氣滲入；鋼帶鎧裝后再繞包低煙無(wú)鹵阻燃帶，可以填充鎧裝鋼帶和外護(hù)層間的間隙，減少助燃劑空氣滲入；必要時(shí)可以適當(dāng)增加絕緣外徑，避免因纏繞阻燃包帶引起電容增大，從而影響傳輸質(zhì)量。

5 實(shí)施方案

阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜主要通過(guò)填充低煙無(wú)鹵阻燃PP 繩，繞包結(jié)殼性較好的低煙無(wú)鹵阻燃帶以及擠包防滴落高阻燃低煙無(wú)鹵內(nèi)、外護(hù)層等方式實(shí)施。通過(guò)以上措施可有效避免助燃劑空氣在燃燒過(guò)程中滲入電纜內(nèi)部，同時(shí)由于內(nèi)、外護(hù)層結(jié)殼性較好，因此可有效避免在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生滴落，另外上述材料均屬于低熱釋放量材料，可降低熱釋放總量并減少熱量向纜芯內(nèi)部的傳遞。

具體的創(chuàng)新優(yōu)化如下。

5.1 成纜工序

成纜工序的主要作用是將對(duì)線組、三線組或四線組等絞合成纜芯，并通過(guò)填充低煙無(wú)鹵阻燃PP 繩、非吸濕性聚酯帶及低煙無(wú)鹵阻燃包帶在纜芯外繞包固定。該工序的創(chuàng)新在于在非吸濕性絕緣帶外繞包低煙無(wú)鹵阻燃包帶，充分填充了金屬屏蔽層與纜芯間的縫隙，可在燃燒過(guò)程中避免助燃劑空氣滲入纜芯內(nèi)部而加速燃燒，同時(shí)通過(guò)玻璃纖維帶結(jié)殼性較好的優(yōu)勢(shì)來(lái)避免在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生滴落。

5.2 綜合護(hù)套工序

綜合護(hù)套是在繞包聚酯帶和低煙無(wú)鹵阻燃包帶的纜芯外縱包雙面鋁塑帶，并擠包低煙無(wú)鹵阻燃隔氧層。該工序的創(chuàng)新在于采用結(jié)殼性較好的高阻燃低煙無(wú)鹵聚烯烴隔氧層為綜合護(hù)套的內(nèi)護(hù)層，可有效避免助燃劑空氣滲入電纜內(nèi)部，減少熱量向內(nèi)部傳遞。

5.3 在鎧裝工序前、后增加繞包工序

阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜采用雙鋼帶間隙繞包鎧裝，因此鎧裝層間存在大量縫隙空間，可大量滲入助燃劑空氣，有利于助燃。鎧裝前、后增加2 道繞包工序，并采用結(jié)殼性較好的低煙無(wú)鹵阻燃包帶，可充分填充鎧裝間的縫隙，同時(shí)能有效避免內(nèi)護(hù)層在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生滴落。

5.4 外護(hù)套工序

外護(hù)套的作用是鎧裝層外的塑料保護(hù)層直接裸露在電纜外表面，如果遇火則會(huì)在燃燒過(guò)程中直接與火源接觸。該工序的創(chuàng)新在于外護(hù)套采用擠包結(jié)殼性好、熱釋放量小的高阻燃低煙無(wú)鹵聚烯烴護(hù)套料，可有效達(dá)到不延燃或不燃的目的，并且燃燒過(guò)程中不易產(chǎn)生滴落。

6 測(cè)試結(jié)果

該文試制的阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜系列中制造難度較高、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的WDZB1-PTYA23 3×2×1.0mm2的綜合護(hù)套結(jié)構(gòu)電纜，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3 和表4。

表3 阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜電氣性能測(cè)試結(jié)果

表4 阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜燃燒性能測(cè)試結(jié)果

7 結(jié)語(yǔ)

隨著各大中型城市地鐵、輕軌、有軌電車及磁懸浮等城市軌道交通如火如荼的建設(shè)，阻燃B1級(jí)城市軌道交通信號(hào)電纜市場(chǎng)需求相對(duì)較大，但制造工藝較復(fù)雜，生產(chǎn)技術(shù)難度較高。因此，生產(chǎn)企業(yè)要想有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量，必須建立長(zhǎng)效的、切實(shí)可行的質(zhì)量控制與管理機(jī)制，確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品在使用過(guò)程中存在的安全隱患及風(fēng)險(xiǎn)，才能為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，為市場(chǎng)持續(xù)提供更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。