李永江

(江蘇遠洋東澤電纜股份有限公司，江蘇揚州225129)

0 引言

作為艦船動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。從提高艦船有效負載、降低制造成本角度出發(fā)，公司研制開發(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)簡單、外徑小、重量輕、彎曲半徑小、耐溫等級高、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，在長期的負載運行中容易導(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。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的作用，并且云母帶的絕緣強度相對較低，無法承受高電場強，在中壓電纜耐壓試驗或負載運行中會被擊穿，且云母帶邊緣的纖維還會形成局部放電點，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)的顯著特點是在導(dǎo)體外面包覆一層無機耐火礦物絕緣層以達到耐火目的，耐火性能優(yōu)異，但其敷設(shè)效率低下，彎曲性能很差，無法達到海洋工程裝備狹小空間對電纜的柔韌性要求，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的作用。

2 產(chǎn)品研制

2.1 設(shè)計理念

艦船用中壓耐火輕便型軟電纜的設(shè)計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，實現(xiàn)耐火和絕緣集為一體，簡化電纜結(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，主要成分是有機硅和無機二氧化硅，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，就會在很短的時間內(nèi)由高溫催化生成堅硬的陶瓷狀殼體。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、含氫硅油在密煉機中混煉均勻，溫度為90～100℃，然后將密煉機抽成真空保持1 h，接著將KH-560和雙2，5加入繼續(xù)混煉成團狀物料后移出密煉機并進行冷卻;將團狀物料在開煉機上開煉、切片、慮橡、割條、冷卻備用。各組份的質(zhì)量分數(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、補強劑、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，在開煉機上保持恒溫25℃持續(xù)1.5～2 min混煉均勻進行快速硫化。

(3)護套材料

在護套選型上主要考慮高阻燃、低碳、環(huán)保，對比各種材料性能后，選用了無鹵阻燃聚烯烴，其以低碳高分子材料為骨架材料，加入燒結(jié)粉末填充劑、補強劑以及水合金屬氧化物等。在受熱時，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)化護層結(jié)構(gòu)。

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

參照NEK TS 606—2009近海用無鹵耐泥漿電纜標準，采用擠包型內(nèi)襯層替代傳統(tǒng)的內(nèi)護套，既有機械保護的作用，又減小電纜外徑。

通過合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(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)計確認的產(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→擠包外護套→成品檢驗。

(2)關(guān)鍵工序控制點

該電纜的關(guān)鍵工序是三層共擠，控制點是同心度和硫化程度。與低壓電纜主要考慮機械強度不同，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。檢測方法是測量偏心度，即在同一截面進行各層的厚度測量，各層的偏心度按照下式計算，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)品機械物理性能得以保證的關(guān)鍵，按照ANSI/ICEA T-28-562—2003標準的試驗方法，硫化度通過負載延伸進行檢測，產(chǎn)品在重力負載下的延伸率應(yīng)不大于50%。

3 耐火性能試驗

現(xiàn)行國外和國內(nèi)標準中沒有針對中壓耐火電纜的試驗方法，我們參照了國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心發(fā)布的技術(shù)規(guī)范TICW 08—2012附錄表B的方法進行試驗，并將試驗溫度由750℃提高為830℃，以與各國船級社規(guī)范和相關(guān)國際標準推薦的低壓電纜的耐火試驗溫度保持一致，試驗結(jié)果令人滿意。耐火試驗步驟分為兩部分:

(1)供火時間內(nèi)。試驗中在試驗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、斷路器斷開或?qū)w斷開。

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

4 結(jié)束語

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，在保證各項性能的同時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］.