劉克

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

近年來，隨著中國“一帶一路”倡議的推進(jìn)實(shí)施，國內(nèi)各大工程公司承包的國外EPC項(xiàng)目逐漸增多，帶來更多機(jī)遇的同時(shí)，也面臨更多挑戰(zhàn)。儀表電纜作為項(xiàng)目實(shí)施中的重要材料，對(duì)項(xiàng)目成敗起到了至關(guān)重要的作用。隨著現(xiàn)代工廠對(duì)自動(dòng)化程度和控制精度要求的提高，儀表電纜選型也越來越嚴(yán)格。國外項(xiàng)目對(duì)電纜性能要求比較細(xì)致，同時(shí)國內(nèi)外相關(guān)電纜的規(guī)范存在一定的差異，這就要求設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行國外項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中要熟練運(yùn)用國際規(guī)范，做好周全的考慮。本文對(duì)照國內(nèi)外規(guī)范，對(duì)電纜的結(jié)構(gòu)和選型要求進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 儀表信號(hào)電纜選型規(guī)范

電纜選型需要根據(jù)項(xiàng)目合同，確定需要遵循的標(biāo)準(zhǔn)。國外項(xiàng)目電纜選型遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要有EN 50288-7Multi-elementmetalliccablesusedinanalogueanddigitalcommunicationandcontrol.part7：Sectionalspecificationforinstrumentationandcontrolcables[1]，UL2250 ULStandardforsafetyinstrumentationtraycable[2]。國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要有SH/T 3019—2016《石油化工儀表管道線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]和HG/T 20512—2014《儀表配管配線設(shè)計(jì)規(guī)范》[4],一些大型企業(yè)還有自己的標(biāo)準(zhǔn)，需要綜合起來進(jìn)行電纜選型。PIP ELSWC05DDatasheetfor300voltinstrumentationtraycable[5]給出了電纜數(shù)據(jù)單模板，可以作為電纜采購的設(shè)計(jì)輸入。

2 儀表信號(hào)電纜結(jié)構(gòu)

典型儀表信號(hào)電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。金屬導(dǎo)體外面包絕緣層，絞合之后，包一層屏蔽層，帶分屏接引線，成纜之后再繞包一層總屏蔽層，帶總屏接引線，再往外依次是內(nèi)護(hù)套、鎧裝層，外護(hù)套。

圖1 儀表信號(hào)電纜結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)項(xiàng)目要求，電纜結(jié)構(gòu)會(huì)有所差異[6-7]。例如： 有的項(xiàng)目不要求通信線和撕裂繩，就可以去掉，節(jié)省成本。

2.1 導(dǎo) 體

導(dǎo)體是電纜最重要的組成部分，導(dǎo)體的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響電纜的信號(hào)傳遞性能和成本。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)導(dǎo)體的要求如下：

1)SH/T 3019—2016和HG/T 20512—2014要求信號(hào)電纜是多股銅芯軟電纜。

2)UL 2250規(guī)定儀表信號(hào)電纜導(dǎo)體應(yīng)該是退火軟銅導(dǎo)體，符合ASTM B3Standardspecificationforsoftorannealedcopperwire[8]，導(dǎo)體應(yīng)該是連續(xù)不間斷的。

3)SH/T 3019—2016規(guī)定： 信號(hào)電纜經(jīng)過高強(qiáng)度交變磁場(chǎng)時(shí)，宜采用對(duì)絞線芯；EN 50288-7和UL 2250也推薦采用絞合線芯，此時(shí)其分布電容、分布電感非常接近，耦合導(dǎo)致的干擾電勢(shì)相互抵消，可以有效地抑制電磁干擾，同時(shí)也可以在一定程度上抑制靜電干擾。

a)EN 50288-7和UL 2250對(duì)電纜絞合節(jié)距有一定要求。絞合節(jié)距是指沿著絞線軸向方向旋轉(zhuǎn)1周所前進(jìn)的距離，和導(dǎo)體截面積有關(guān)系。EN 50288-7規(guī)定： 當(dāng)導(dǎo)體截面積小于1.5 mm2時(shí)，絞合節(jié)距不應(yīng)超過100 mm；當(dāng)導(dǎo)體截面積為2.5 mm2時(shí)，絞合節(jié)距不應(yīng)超過150 mm。UL 2250規(guī)定： 對(duì)于兩芯電纜，絞合節(jié)距不應(yīng)超過30倍線芯直徑；三芯電纜，絞合節(jié)距不應(yīng)超過35倍線芯直徑；四芯電纜，絞合節(jié)距不應(yīng)超過40倍線芯直徑；超過五芯電纜，絞合節(jié)距不應(yīng)超過15倍電纜直徑。絞合節(jié)距與導(dǎo)體直徑的比值可定義為節(jié)距比，節(jié)距比是電纜的重要參數(shù)之一，它的大小同電纜質(zhì)量有重要關(guān)系。節(jié)距比大，絞合不緊密，制造和使用過程中容易松股；節(jié)距比小，絞線比較柔軟，絞合緊密，但此時(shí)絞線單位質(zhì)量增大，材料消耗大，電纜導(dǎo)電率降低。

b)信號(hào)電纜的線芯截面積取決于多個(gè)因素。截面積過小，信號(hào)衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)儀表不能正常工作或者控制系統(tǒng)檢測(cè)不到穩(wěn)定信號(hào)；截面積過大，則會(huì)增大材料費(fèi)和施工成本[9-10]。

SH/T 3019—2016規(guī)定儀表信號(hào)電纜的線芯截面積不應(yīng)小于0.5 mm2；HG/T 20512—2014規(guī)定儀表信號(hào)電纜的線芯截面積不應(yīng)小于0.75 mm2。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定在一般場(chǎng)合或者2區(qū)防爆場(chǎng)合，兩芯及三芯儀表電纜的線芯面積可為1.0～1.5 mm2，對(duì)于多芯電纜，在線路電阻滿足要求的情況下，其線芯截面可適當(dāng)縮小為0.75～1.50 mm2。EN 50288-7規(guī)定線芯截面積為0.5～2.5 mm2，當(dāng)電纜較長(zhǎng)導(dǎo)致高電阻時(shí)候，可以選用更粗的電纜。UL 2250規(guī)定線芯截面積規(guī)格為22-12AWG，最終線徑選擇需要考慮電流負(fù)荷和壓降需求。

2.2 絕緣層

SH/T 3019—2016和HG/T 20512—2014規(guī)定電纜絕緣層為聚乙烯，聚乙烯在機(jī)械強(qiáng)度、電氣參數(shù)、防腐能力等方面具有一定的優(yōu)越性，是一種優(yōu)選的絕緣材料。

EN 50288-7給出了5種絕緣材料： 聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、無鹵阻燃化合物、交聯(lián)聚乙烯。如果有的場(chǎng)合電纜需要更高的溫度等級(jí)，就需要考慮合適的替代材料。線芯面積和絕緣層厚度會(huì)影響電纜的工作電容和阻抗等特性參數(shù)。EN 50288-7給出了不同導(dǎo)體尺寸下對(duì)應(yīng)的任意點(diǎn)絕緣層最小厚度，見表1所列。

表1 線芯面積對(duì)應(yīng)的絕緣層最小厚度 mm

UL 2250給出了20多種絕緣材料，常見的幾種材料以及對(duì)應(yīng)的溫度等級(jí)見表2所列。

表2 絕緣材料對(duì)應(yīng)的溫度等級(jí) ℃(°F)

續(xù)表2

UL 2250也給出了表2中幾種絕緣材料在不同規(guī)格下對(duì)應(yīng)的絕緣層最小厚度，見表3所列。

表3 線芯規(guī)格對(duì)應(yīng)的絕緣層最小厚度 mm

電纜絕緣層的最小厚度，是保障電纜可能經(jīng)受過電壓作用下可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。但是過于保守的絕緣厚度，也會(huì)使電纜成本增加、電纜載流能力降低。因此，需要按照規(guī)范，選擇合適的絕緣層厚度。

2.3 屏蔽層

當(dāng)1根導(dǎo)體處在一個(gè)變化的磁場(chǎng)中時(shí)，信號(hào)回路容易受到電磁干擾和靜電感應(yīng)干擾，加上回路信號(hào)一般是4～20 mA或1～5 V的微弱信號(hào)，屬于低電平范圍，信號(hào)可能會(huì)受到干擾而失真。為了保證整個(gè)控制回路的精度、靈敏度和可靠性，電纜需要帶有屏蔽層，提高其抗干擾能力[11-12]。

1)SH/T 3019—2016規(guī)定： 開關(guān)量信號(hào)宜用總屏蔽；4～20 mA或1～5 V(DC)信號(hào)宜用總屏蔽；熱電偶或脈沖量信號(hào)宜選用分屏蔽及總屏蔽。HG/T 20512—2014規(guī)定： 信號(hào)電纜宜選用分屏蔽加總屏蔽。

2)EN 50288-7給出了3種屏蔽方式： 普通或鍍金屬編織帶，要求最小填充系數(shù)為0.6；箔加普通或鍍金屬編織帶，要求最小填充系數(shù)為0.3，當(dāng)用該類型屏蔽時(shí)，最好加接引線，接引線應(yīng)該是實(shí)心或者成股，材質(zhì)為裸銅或者鍍金屬銅，例如鍍錫銅；要求箔有最小20%面積交疊，100%覆蓋導(dǎo)體，對(duì)導(dǎo)體完全隔離，接引線與箔的金屬側(cè)始終保持連接。

3)UL 2250也給出了3種屏蔽方式： 金屬-聚酯屏蔽帶，接引線要求是裸銅，連接金屬側(cè)，如果金屬是鋁，接引線需要鍍其他金屬；裸銅線編織或者鍍金屬銅線編織；裸銅帶或者鍍金屬銅帶。

上述規(guī)范并沒有指出具體選擇哪種屏蔽層材質(zhì)和形式，需要按照項(xiàng)目合同，與業(yè)主和電纜廠家協(xié)商確定。

2.4 鎧裝層

電纜在鋪設(shè)或者使用過程中容易受壓或者擦傷，帶鎧裝層之后，可以有效地降低機(jī)械損傷。

1)EN 50288-7給出了3種鎧裝形式： 一層圓形或扁形鍍鋅鋼線，要求最小厚度為0.8 mm，鍍鋅扁鋼線可用于鎧裝層下電纜直徑大于15 mm的電纜；一兩層鋼帶或者銅帶，鋼帶最小厚度為0.2 mm，銅帶最小厚度為0.075 mm；鍍鋅鋼或鍍錫銅編織帶，要求最小厚度為0.3 mm。

2)UL 2250也給出了幾種鎧裝形式： 光滑的金屬護(hù)套，材質(zhì)是銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.4%的鋁合金，鋁合金鎧裝層的最小厚度要求見表4所列；焊接波紋金屬護(hù)套，材質(zhì)是銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.4%的鋁合金或者銅合金，厚度要求不小于0.56 mm；擠壓波紋金屬護(hù)套，材質(zhì)是銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.4%的鋁合金，厚度要求不小于0.56 mm；鏈接鎧裝，材質(zhì)為鍍鋅鋼或銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.4%的鋁合金，該種鎧裝形式最小厚度要求見表5所列。

表4 鋁合金鎧裝層最小厚度與層下線徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系 mm

表5 鏈接鎧裝層最小厚度與層下線徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系 mm

電纜是否帶鎧裝層，取決于項(xiàng)目要求，如電纜已經(jīng)在橋架或者穿管內(nèi)保護(hù)好，可以不用鎧裝電纜。

2.5 護(hù) 套

由于儀表電纜的應(yīng)用場(chǎng)合可能是高溫、低溫、高輻射或潮濕等各種環(huán)境，所以要求電纜護(hù)套應(yīng)該具有阻燃，抵抗陽光、油、水分、蒸汽滲透等功能。

1)SH/T 3019—2016和HG/T 20512—2014規(guī)定電纜護(hù)套為聚氯乙烯。其特點(diǎn)為耐用、柔軟、耐環(huán)境污染和高溫。

2)EN 50288-7要求外護(hù)套材料應(yīng)該適合操作溫度，可以是下面幾種情況： 聚氯乙烯，符合EN 50290-2-22；聚乙烯，符合EN 50290-2-24；無鹵素阻燃材料，符合EN 50290-2-27。外護(hù)套的厚度應(yīng)該盡量均勻，主要取決于電纜外徑。當(dāng)沒有鎧裝層時(shí)，外護(hù)套的厚度SRt=0.028D+1.1(mm)，D是電纜直徑，任意點(diǎn)的最小厚度不應(yīng)小于(正常厚度×15%+0.1)mm，最小平均厚度不應(yīng)小于正常厚度。當(dāng)有鎧裝層時(shí)，外護(hù)套的厚度SRt=0.04D+0.7(mm)，任意點(diǎn)的最小厚度不應(yīng)小于(正常厚度×20%+0.2)mm。可以看出，護(hù)套的厚度取決于電纜直徑。

3)UL 2250給出了20多種護(hù)套材料以及對(duì)應(yīng)的溫度等級(jí)，常見的幾種見表6所列。

表6 電纜護(hù)套材料及對(duì)應(yīng)的溫度等級(jí) ℃(°F)

如果電纜絕緣層溫度等級(jí)為60～105 ℃，護(hù)套材料溫度等級(jí)不應(yīng)比絕緣層溫度等級(jí)低15 ℃以上。電纜溫度等級(jí)等于絕緣層溫度等級(jí)，如果電纜絕緣層溫度等級(jí)為125～250 ℃，護(hù)套溫度等級(jí)與絕緣層溫度等級(jí)關(guān)系沒有明確，但是電纜溫度等級(jí)應(yīng)該等于護(hù)套溫度等級(jí)與絕緣層溫度等級(jí)中的最小值。

UL 2250也給出了表6中幾種護(hù)套材質(zhì)在不同導(dǎo)體尺寸下對(duì)應(yīng)的護(hù)套最小厚度，見表7所列，任意點(diǎn)最小電纜護(hù)套厚度不應(yīng)小于最小護(hù)套平均厚度的80%。

表7 電纜護(hù)套最小厚度與護(hù)套下線徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系 mm

當(dāng)電纜有鎧裝層時(shí)，鎧裝層外面需要有外護(hù)套，其他情況可不含外護(hù)套。如果外護(hù)套是含氟聚合物，護(hù)套厚度同表7；如果是不含氟聚合物護(hù)套，護(hù)套厚度應(yīng)該滿足表8所列。

表8 鎧裝電纜外護(hù)套最小厚度與護(hù)套下線徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系 mm

3 結(jié)束語

本文介紹了在國內(nèi)外項(xiàng)目中，儀表電纜選型的參照標(biāo)準(zhǔn)。將有關(guān)電纜選型的歐標(biāo)、美標(biāo)與國內(nèi)的石化、化工行標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析。國外標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有很多的相似之處，相比之下，國外規(guī)范的要求更詳細(xì)一些。筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)人員應(yīng)該熟練掌握相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，只有這樣才能保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，節(jié)省項(xiàng)目成本。