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        淺析阻燃B1級電纜的研制、設計

        2020-04-30 15:44:46
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年3期

        (安徽華能電纜集團有限公司,安徽 蕪湖 238371)

        0 引言

        根據(jù)消防認證需要,GB 31247—2014 產(chǎn)品等級制定納入新版DJG08—2048—2016 標準《民用建筑電氣防火設計規(guī)程》,以消防安全需要規(guī)定了產(chǎn)品性能、分級,并指定了使用場合。隨著社會不斷的發(fā)展進步,B1 級電纜將廣泛應用于高層建筑、商場、學校、地鐵站、機場、體育場、展覽館和醫(yī)院等人口密集型公眾場所。

        GB 31247—2014《電纜或光纜在受火條件下火焰蔓延、熱釋放和產(chǎn)煙特性的試驗方法》,試驗考核項目見表1。主要根據(jù)火焰蔓延特性、熱釋放特性和產(chǎn)煙特性進行分級,同時在標準規(guī)定中附加包括燃燒滴落物/微粒等級、煙氣毒性等級和腐蝕性等級等信息。

        表1 GB 31247—2014 標準中B1 級阻燃電纜或光纜的考核要求

        1 研制的思路方案

        首先,要考慮該電纜所用的原材料應選用無鹵材料。其次,要使電纜符合上述標準,在電纜的燃燒過程中,要控制電纜燃燒過程中縱向火焰不能蔓延太高,橫向燃燒時不能燃燒填充物及絕緣材料。因此,電纜的填充、包帶及護套等材料應該是具有較高阻燃特性的低煙無鹵高阻燃材料,電纜的生產(chǎn)工藝也要符合要求。

        2 B1級阻燃電纜的原材料選擇

        該系列電纜導體采用無氧銅(或鍍錫銅等),絕緣采用輻照交聯(lián)無鹵低煙阻燃聚烯烴(或交聯(lián)聚乙烯等)無鹵材料,填充選用高溫阻燃填充,包帶采用低煙無鹵阻高阻燃包帶,內(nèi)護套采用低煙無鹵阻燃隔氧層,外護套材料選用高阻燃低煙無鹵阻燃聚烯烴護套料。鑒于該系列電纜的燃燒特性,下面重點介紹導體、絕緣和護套、填充材料、包帶材料和隔氧層材料的選擇。

        2.1 導體結(jié)構(gòu)的選擇

        為了避免或減少可燃和發(fā)煙量大的輔助材料的使用,因此在導體結(jié)構(gòu)上采用異型(扇形、瓦型或者半圓形)導體結(jié)構(gòu),可以避免或減少電纜在成纜過程中對填充材料的使用比例。

        2.2 絕緣和護套材料的選用

        在絕緣和護層的材料選用方面,一般無鹵低煙阻燃電纜用的絕緣材料都不是阻燃型的材料,燃燒熱值比較高,聚乙烯(交聯(lián)聚乙烯)燃燒值為45.9 MJ/kg,聚氯乙烯的燃燒值為16.43 MJ/kg,如果在燃燒過程中護套和填充被燒穿,絕緣層也被燃燒,此時可能會出現(xiàn)熱釋放速率峰值、受火1 200 s 內(nèi)熱釋放總量等考核不合格的結(jié)果,而阻燃聚烯烴的燃燒熱值介于這二者之間,因此在產(chǎn)品設計上絕緣層采用輻照交聯(lián)無鹵低煙阻燃聚烯烴材料,外護層采用高阻燃低煙無鹵聚烯烴材料。為了確保電纜在燃燒過程中,護套材料能夠迅速凝固結(jié)殼,防止火焰向上、向里蔓延。確定選擇氧指數(shù)為40 的高阻燃低煙無鹵聚烯烴護套材料,經(jīng)過試驗,各項性能指標達到標準要求。

        2.3 成纜填充、包帶材料的選用

        填充材料可選材料包括耐火泥、玻璃纖維繩、無機紙繩和高溫阻燃填充繩等。在產(chǎn)品試制過程中發(fā)現(xiàn)耐火泥雖然阻燃特性良好,但是會增加外徑,也會影響填充后電纜的彎曲半徑和絕緣效果;玻璃纖維繩阻燃特性很好,但是在生產(chǎn)和安裝敷設時,會使人的皮膚過敏;無機紙繩在生產(chǎn)過程中易斷裂,同時含有石棉,會對人體造成傷害。選用高溫阻燃填充繩,該材料不含玻纖、石棉、鹵素等有害物質(zhì),符合ROHS 檢測標準,重量輕,同比之下是玻璃纖維繩、石棉繩重量的1/3 ~1/5;是一種對人身及環(huán)境友好的環(huán)保型材料,且阻燃效果顯著。

        成纜包帶材料可以選用阻燃無紡布、玻璃纖維帶、低煙無鹵高阻燃帶等材料。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中,考慮到阻燃無紡布含有一定的鹵素,不符合產(chǎn)品的使用要求。玻璃纖維帶阻燃特性雖好,生產(chǎn)和施工時,易產(chǎn)生過敏反應。低煙無鹵阻燃包帶具有更高的無鹵低煙阻燃特性并且伸長率高、繞包緊密、不開裂,易于加工生產(chǎn),對人身安全。

        2.4 擠制隔氧層結(jié)構(gòu)

        擠制隔氧層采用氧指數(shù)不低于45 的無鹵阻燃材料,并在隔氧層外繞包低煙無鹵高阻燃包帶;隔氧層采用的氫氧化物阻燃劑被燃燒時發(fā)生分解反應,該反應是吸熱反應,吸收周圍空氣中的大量熱量,可有效降低電纜燃燒熱釋放總量。

        阻燃B1級電纜試驗方法標準中,燃燒根數(shù)與樣品中金屬材料體積(金屬導體截面積)大小無關(guān),僅僅與樣品的外徑有關(guān),也就是樣品外徑越大,參加燃燒的樣品根數(shù)越少。當樣品外徑處于上下檔時,外徑因素影響很大,外徑大的樣品比外徑小的樣品符合標準要求的可能性大一些。因此在進行隔氧層設計時,大規(guī)格產(chǎn)品隔氧層厚度比小外徑產(chǎn)品的隔氧層厚度要小些。

        3 結(jié)構(gòu)的設計

        根據(jù)電纜的研制思路方案,筆者最終確定試制一種低煙無鹵阻燃B1 級電纜,選擇的電纜型號規(guī)格為:WDZB1-YJ(F)Y23-0.6/1kV 3×120+1×70mm2,該電纜的生產(chǎn)工藝流程圖如下。導體絞制 →輻照交聯(lián)聚乙烯絕緣→輻照交聯(lián)→成纜繞包(填充)→ 擠包內(nèi)護套→鍍鋅鋼帶鎧裝→雙層包帶→擠包外護套。根據(jù)設計思路,電纜的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

        圖1 電纜的結(jié)構(gòu)設計

        4 關(guān)鍵工序生產(chǎn)過程控制要點

        在電纜生產(chǎn)過程中,導體絞合、絕緣擠出、交輻照聯(lián)、鎧裝等工序按照正常生產(chǎn)工藝即可達到良好的工藝效果,該電纜的關(guān)鍵工序控制點是成纜繞包及內(nèi)外護套擠出工序,這幾道工序控制不好會對電纜的燃燒特性有較大的影響。

        產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計和原材料不僅要滿足火焰蔓延高度要求標準,還要保證燃燒期間非金屬材料燃燒火焰的均勻性,因此在燃燒火焰的平穩(wěn)性方面生產(chǎn)時應注意5 點。1)電纜絕緣及護層在擠出時厚度應均勻,偏心度控制在10%以內(nèi);由于護套采用低煙無鹵阻燃聚烯烴,該材料的氧指數(shù)比較高,在40 左右,材料的黏度大,擠出時拉伸比小,要滿足電纜的阻燃特性,為了保證電纜的密實性,減少由于電纜護套松動、中間的空隙大導致在燃燒過程中,傳熱的速度加快,熱釋放等相關(guān)特性超過標準要求,要求采用擠壓式生產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中,首先選擇合適的擠出螺桿;其次選擇好匹配的模具,確保壓力合適;最后要控制好放線張力、牽引及收線張力,確保擠出過程中線速度穩(wěn)定,避免因張力不穩(wěn)而造成的脫膠等問題的出現(xiàn)。所以該工序的過程控制至關(guān)重要。2)成纜工序。在該工序中,要確保纜芯填充要充實、圓整,線芯張力一致,繞包帶的張力、繞包節(jié)距、寬度及搭蓋率要嚴格按照生產(chǎn)工藝要求,要求采用0.2 mm 厚度的雙層無鹵低煙高阻燃包帶重疊繞包,繞包搭蓋率不小于30%。繞包帶一定要繞包平整、緊密,無松包、鼓包、漏包等現(xiàn)象,確保繞包后纜芯應圓整,繞包層表面平整,無褶皺。3)成纜節(jié)距應均勻,成纜后外形應均勻圓整,嚴禁出現(xiàn)非規(guī)則形狀電纜。4)鎧裝工序:鎧裝材料選用鍍鋅鋼帶,雙層間隙繞包,內(nèi)層鋼帶的間隙為外層鋼帶靠近中間的部位所覆蓋,其間隙不能大于鋼帶寬度的50%。選用鎧裝結(jié)構(gòu)有利于通過熱釋放試驗的要求。5)在生產(chǎn)過程中,在成纜和護層擠制過程中的牽引履帶壓力應控制均勻,避免線芯在過牽引后發(fā)生壓扁的現(xiàn)象。

        5 電纜性能測試結(jié)果

        以下是對所研制設計的0.6/1kV 及以下B1 級阻燃電纜WDZB1-YJ(F)Y23-0.6/1kV 3×120+1×70mm2的性能進行的試驗測試,測試結(jié)果見表2,可見該電纜阻燃特性試驗數(shù)據(jù)滿足GB/T 3124—2014 標準和要求。

        表2 0.6 kV/1 kV 及以下B1 級阻燃電纜主要性能測試結(jié)果

        6 結(jié)語

        通過對阻燃B1 級電纜研制思路方案、原材料選擇、結(jié)構(gòu)設計及關(guān)鍵工藝控制及燃燒特性試驗情況的闡述,表明該電纜已經(jīng)研制成功。公司研發(fā)的阻燃B1 級電纜已經(jīng)廣泛應用于長春地鐵、合肥地鐵、南寧地鐵等重點項目,運行良好,得到用戶的一致好評。

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