海工装备用耐火中压电缆的研制

海工装备用耐火中压电缆的研制 陆云春 摘要：传统的耐火电缆制造无法满足海工装备用耐火中压电缆的技术要求，新工艺研制的耐火中压电缆，具有弯曲半径小、耐火性能优异等特点，填补了我国船舶和海洋装备用耐火中压电缆的空白，获得了国家发明专利。 关键词：中压电缆 耐火 工艺 发明专利 Development of MV Offshore Fire Resistant Cable LU Yun-chun Abstract: Now the traditional manufacturing processes of fire resistant cable is not able to meet technical requirement of medium voltage（MV）cable used on marine/offshore equipment. The MV fire resistant cable made with the new manufacturing processes has a lot of advantages, such as smaller bending radius, excellent fire resistance character and so on. This development fills the blank of MV fire resistant offshore cable and gets the national invention patent honor. Key words: MV cable, fire resistant, manufacturing process, invention patent 0 引言 世界最先进的第六代超深水半潜式钻井平台“海洋石油981”（3000米深水半潜式钻井平台）正式投入使用，标志着我国海洋石油工业深水战略拉开序幕，也为我国自主研制深水核心装备配套产品提出了新要求。 基于深水大功率海工装备的运行安全，需要有耐火中压电缆与之配套。但是，传统的耐火电缆制造工艺却无法满足海洋工程装备对耐火中压电缆的技术要求。为填补这项空白，我们研制出了海工装备用耐火中压电缆，并获得了国家发明专利。 1 传统耐火电缆制造工艺的不足 传统耐火电缆制造工艺主要有两种结构，即云母带绕包线芯和矿物绝缘。但这两种结构的耐火电缆均无法用于海洋工程中压电缆，原因在于： 1） 云母带绕包耐火电缆。 中压电缆由于其在高电压电气环境下运行的电缆，其导体外必须采用导体屏蔽、绝缘和绝缘屏蔽三层共挤结构。由于各种原因，导体表面不可避免的会存在毛刺等缺陷，形成电缆内部应力集中或局部放电点，在长期的负载运行中容易导致绝缘击穿。导体屏蔽用于消除导体绞合缺陷，使导体与导体屏蔽之间形成等电位，均化电场。因此制造中压电缆，不能采取在导体上绕包云母带的方式，否则会破坏绝缘线芯的整体结构，使导体屏蔽失去均化电场的作用，并且云母带的绝缘强度相对较低，无法承受高电场强，在中压电缆耐压试验或负载运行中会被击穿，且云母带边缘的纤维还会形成局部放电点，增大电缆的局部放电量。 2） 矿物绝缘电缆。 矿物绝缘电缆（即MI电缆）的显著特点是在导体外面包覆一层无机耐火矿物绝缘层达到耐火目的，耐火性能优异，但其敷设效率低下，弯曲性能很差，无法滿足在海洋工程装备狭小空间中敷设电缆时的柔韧性要求，并且电缆终端头制作工艺复杂，电缆造价昂贵。与云母带绕包耐火电缆一样，矿物绝缘用于中压电缆也会破坏绝缘线芯的整体结构，使导体屏蔽失去均化电场的作用。 2 耐火中压电缆的耐火机理 本文涉及的是海洋工程用乙丙橡胶绝缘耐火中压电力电缆，系通过包覆耐火层实现其耐高温性能。耐火层为挤包和绕包双重复合结构，内层为挤包可陶瓷化硅橡胶耐火层，外层为阻燃玻璃纤维带隔热层。 可陶瓷化硅橡胶的基材是硅橡胶，主要成分是有机硅和无机二氧化硅，并配合陶瓷粉和环保型耐火剂。其在常温下柔软、加工性能优异，而在燃烧温度超过600℃时，就会在很短的时间内烧结生成坚硬的陶瓷状壳体。陶瓷状壳体受高温火焰煅烧生成可耐温不低于1100℃的SiO2坚硬陶瓷，隔绝阻挡火焰继续燃烧，从而起到防火的作用。 玻璃纤维带的主要化学成分即为SiO2，其本身就是作为耐火云母带的组合成份呈现的，其氧指数高达65，具有良好的阻燃性能和隔热性能。 3 结构和制造工艺 3.1 电缆的主要结构 1）耐火层 除电缆的优异耐火性能外，需确保电缆最小弯曲半径可以达到9倍的电缆外径，以满足在船舶和海工装备狭小空间中敷设时的柔韧性要求需求。经反复优化了产品结构，摈弃了低压耐火电缆采用分相耐火隔离层的做法，将三芯成缆的缆芯作为整体进行耐火设计，在缆芯外包覆耐火隔离层，形成了成品电缆外径减小、重量减轻、便于敷设、易于弯曲等特点。 2）成缆填充 成缆缝隙采用阻燃聚丙烯网状撕裂纤维包覆阻燃隔氧层的扇形条填充，柔软、无毒、氧指数高、具有非吸湿性，不含石棉成份，满足国际海事组织和各国船级社要求的绿色造船规定，耐温等级满足电缆最高长期运行温度90℃，且与乙丙橡胶、交联聚乙烯等绝缘材料兼容。 3）挤包内衬层 参照NEK TS 606-2009近海用无卤耐泥浆电缆标准，采用挤包型内衬层替代传统的内护套，一方面具有机械保护的作用，另一方面可以减小电缆外径。 电缆各组成元件由内至外依次是铜导体、导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽、金属屏蔽、填充、耐火层、隔热层、内衬层、铠装、外护套。具体的结构如图1所示。 图1 3.2 电缆制造的主要工艺 1）制造工艺流程 根据设计确认的产品，生产工艺流程如图2： 拉丝 韧炼 镀锡（可选） 绞合 三层共挤 金属屏蔽 成缆 挤耐火层 绕包隔热层 挤包内衬层 编织铠装 挤包外护套 成品检验 图2 2） 导体：铜导体绞合需注意表面光洁，避免存在毛刺等缺陷，符合IEC 60228第2类。 3） 绝缘：与低压电缆主要考虑机械强度不同，中压电缆的绝缘对于耐压等电气性能有着至关重要的影响，需要特别关注绝缘的偏心度。在同一截面进行绝缘厚度测量，绝缘的偏心度按照公式1计算，结果应不大于0.15。 ……….. (1) 式中：k为偏心度； 为绝缘最大厚度，单位mm； 为绝缘最小厚度，单位mm。 4） 耐火层与隔热层：由于耐火性能作为产品的关键性能，耐火层与隔热层的包覆被定为关键过程。耐火层厚度的均匀性很重要，生产中需在同一截面进行耐火层厚度测量，其偏心度按照公式1计算，结果应不大于0.2。隔热层则需要包绕均匀，搭盖率控制合适，表观无褶皱。 4 耐火性能试验 现行的国际和国家标准中并没有中压电缆的耐火试验，我们参照了国家电线电缆质量监督检验中心发布的技术规范TICW 08-2012附录表B的方法进行试验，并将试验温度由750℃提高为830℃，以与各国船级社规范和相关的国际标准推荐的低压电缆的耐火试验温度保持一致，试验结果完全符合要求。试验分为两部分： 1） 供火时间内：在试验电路的电源侧装有断路器，对电缆施加额定电压，即导体和屏蔽之间的试验电压等于电缆的额定电压Ue，然后在830℃的火焰条件下持续燃烧90分钟，在此期间电路应不被破坏，即控制该电缆电源的断路器不跳闸、导体不开断。 2） 供火时间外：供火试验结束后1小时内，对试样的完整性进行检查，在保持供火时间内试验原始状态的情况下，对试样施加3.5Ue的试验电压并持续15分钟，电缆不发生击穿。 5 结束语 按照上述工艺研制的耐火中压电力电缆，允许弯曲半径小、耐火性能优异，填补了我国船舶和海洋工程装备用耐火中压电缆的空白，其各项性能指标完全符合国际有关规范的要求，该产品还适用于高层建筑、矿山、核电等场合。 参考文献： [1] NEK TS 606-2009: Cables for Offshore Installations Halogen Free and/or Mud Resistant-- Technical Specification [S]. [2] TICW 08-2012: 额定电压6kV（Um=7.2kV）到35kV（Um=40.5kV）挤包绝缘耐火电力电缆[S]. [3] 张仲韬.6kV到15kV交联聚乙烯绝缘耐火电力电缆的研发[J].电线电缆，2012(4):20-21. 作者简介： 陆云春（1973-），男，江苏远洋东泽电缆股份有限公司，高级工程师，主要从事舰船、海工、港机用电缆的设计与生产。 _1415774852.unknown _1415774863.unknown _1415774808.unknown