海洋工程用本安仪表电缆的研制

2010-09-28陆云春李永江

电线电缆 2010年5期

陆云春，李永江

(江苏远洋东泽电缆股份有限公司，江苏扬州225129)

0 引言

伴随着全球能源开采向海洋的转移，海洋油气工程方兴未艾。由于海洋油气工程中充斥易燃易爆油污和气体，为确保设备中电气信号传输的安全性，需要专门的本安仪表电缆与之配套。笔者根据国内外相关行业技术资料，结合多年的工作经验，就海洋工程用本质安全防爆仪表电缆的研制作如下总结。

1 技术性能

根据海洋工程发展以及国际标准对本质安全仪表电缆的规定，结合工作中接触到的客户规格书等要求，确立的海洋工程用本质安全仪表电缆的产品技术性能如下:

(1)耐温等级。电缆应在环境温度为－35℃～+80℃的条件下正常工作，不发生护套开裂，并能通过标准CSA 22.2 No.03规定的低温性能试验;

(2)阻燃性能。电缆应通过IEC 60332-3-22规定的A类成束阻燃;

(3)弯曲半径。成品电缆最小弯曲半径不小于6倍的电缆最大直径;

(4)电气性能。成品电缆的电气性能需要满足低电容、低电感、优异的抗电磁干扰的屏蔽性能，具体指标见表1规定。

表1 海洋工程用本质安全仪表电缆的电气性能

(5)耐油泥。电缆应具有良好的耐油、耐泥浆性能，满足NEK 606－2004标准规定的耐泥浆试验(见表2)。

2 产品设计

2.1 产品简介

海洋工程用本质安全仪表电缆设计如下:

(1)电缆名称。交联聚乙烯绝缘对绞屏蔽无卤聚烯烃内衬层镀锡铜线编织铠装耐油泥聚烯烃外护套海洋工程用低烟无卤阻燃型本质安全仪表电缆。

表2 海洋工程用本质安全仪表电缆的耐油泥性能

(2)产品型号。CHJPJP85/SC(IS)，其中型号的含义:CH为海洋工程用仪表电缆;J为交联聚乙烯(XLPE)绝缘;PJ为无卤聚烯烃内衬层;P为对绞屏蔽;8为铜丝编织铠装;5为交联聚烯烃外护套;SC为A类成束阻燃低烟无卤;IS为本质安全。

(3)产品结构。设计的产品结构剖面见图1。

图1 电缆结构

2.2 性能设计要求

2.2.1 降低电容电感

由于海洋工程用本质安全仪表电缆最主要的性能是低电容和低电感，而电容和电感跟导体材料、绝缘材料、绝缘厚度、绞合节距等多因素有关。经过设计计算及模型验证，确定导体采用高纯度无氧铜线，同时为防止导体与绝缘之间发生化学反应，影响导体质量，在导体外镀锡。在满足标准规定的导体电阻的前提下，要尽可能地采用低倍数的节径比进行导体绞合，以使得电缆具有较小的弯曲半径。为了最大限度地优化导体设计电气数据，对于导体的加工也需要格外注意，例如:对于各规格的导体单丝拉丝、韧炼、镀锡、绞合均需合理加工和严格控制。导体采用正规绞合，节径比不大于16。

绝缘采用工艺性能适宜、电气性能优越、机械性能良好的低密度交联聚乙烯，绝缘厚度不超过0.6～0.7 mm，圆整度需控制在1.25倍之内，以保证绝缘线芯性能的最优化。

绝缘线芯绞合成对时需要严格控制绞合节距，其中截面积为0.75 mm2和1.0 mm2的导体，绞合节距在110 mm左右;1.5 mm2和2.5 mm2的导体，绞合节距在130 mm左右，并且相邻的对绞组采用不同的绞合节距，使相互之间信号互不干扰。

2.2.2 提高屏蔽性能

屏蔽性能关系着整个系统的安全运行，其重要性不言而喻。设计必须考虑电缆各个对绞组之间相互干扰和外界对电缆的干扰。

对于单元组(线对)之间的线对屏蔽，各个对绞线组绞合后采用铝箔聚酯复合带绕包，绕包的搭盖率为25%～45%;屏蔽中需有一根镀锡铜线绞合而成的接地引流线，并与铝箔聚酯复合带的铝层相接触;在复合带外面再绕包聚酯薄膜，确保屏蔽之间的电气隔绝。其中，铝箔聚酯复合带中铝和聚酯的厚度分别为0.015 mm和0.025 mm;屏蔽外的聚酯薄膜的厚度为0.03 mm，其绕包搭盖率为 25% ～30%;用作接地引流线的镀锡铜线的电阻需满足IEC 60092-376的规定。

电缆的整体(总)屏蔽采用双重复合结构:(1)在成缆缆芯外采用聚酯薄膜绕包，绕包搭盖率不小于25%;在聚酯薄膜外绕包铝箔聚酯复合带，屏蔽中需有一根镀锡铜丝绞合而成的接地引流线，引流线与铝箔聚酯复合带的铝层相接触，铝箔聚酯复合带的绕包搭盖率控制在20% ～45%;然后在铝箔聚酯复合带绕包屏蔽之外再绕包聚酯薄膜，搭盖率为25%～30%。其中，铝箔聚酯复合带中铝和聚酯的厚度分别为0.015 mm和0.025 mm;屏蔽外的聚酯薄膜的厚度为0.03 mm，其绕包搭盖率为25% ～30%;用作接地引流线的镀锡铜线的电阻需满足IEC 60092-376的规定。(2)铠装采用镀锡铜线编织，其兼具机械保护和屏蔽的双重作用。编织密度依据IEC 60092-350的公式计算不小于90%。

通过铝箔聚酯复合带和镀锡铜线编织双重复合屏蔽结构，可以极大地提高电缆的屏蔽性能，达到事半功倍的效果。

2.2.3 强化阻燃性能

海洋工程充斥油气的高危性要求电缆低烟无卤阻燃，尤其本安仪表电缆更是必须满足甚至高于A类成束阻燃的规定。为此从综合角度出发，实现成品阻燃的重点放在电缆的填充(必需时)、绕包和护套上。设计的电缆结构中在成缆时要求填充材料或绕包材料必须具有高阻燃性，氧指数不低于38，护套材料的氧指数不低于35，同时材料的低烟性能须符合 IEC 61034，无卤性能符合IEC 60754规定。据此填充材料设计为无卤阻燃玻璃纤维，考虑到电缆耐低温和耐泥浆性能，护套材料为阻燃无卤耐油泥聚烯烃。

2.2.4 耐低温、耐油泥

电缆综合性能的实现在很大程度上取决于电缆的护套。考虑到设计产品需阻燃、耐寒、耐油、耐泥浆，经多次试验反复比较验证，最终选定改性的聚烯烃材料作为电缆的护套材料。该材料经改性后耐低温可达－40℃，且具备耐磨、抗撕、耐油、耐臭氧、耐油泥、高阻燃等性能，能够满足海洋工程设备环境多腐蚀的要求。

3 产品试制

本产品设计结构特殊且选用改性新材料，不宜采用以往的电缆制造工艺，为此确定全新的工艺。

3.1 电缆生产工艺流程

根据设计确认的产品，生产工艺流程如下:拉丝→韧炼→镀锡→绞合→挤绝缘→ 线芯交联→对绞(含屏蔽 )→成缆(含屏蔽 )→挤包内衬层→ 镀锡铜丝编织→挤包外护套→成品检验。

3.2 工序工艺关键点

在电缆的制造过程当中，各工序均需按照既定工艺，着力于工艺要点，确保工序质量，完善成品性能，具体的各工序工艺要点如下:

(1)导体。控制单丝标称直径，韧炼彻底，导体绞合节径比不超过16倍。

(2)绝缘。绝缘厚度在0.6～0.7mm之间，圆整度不超过1.25倍，交联度控制应合适。

(3)对绞。0.75 mm2和1.0 mm2的导体的绝缘线芯对绞节距在110 mm左右;1.5 mm2和2.5 mm2的导体绝缘线芯对绞节距在130 mm左右，并且相邻的对绞组采用不同的绞合节距;对绞组外绕包厚度分别为0.015 mm和0.025 mm的铝箔聚酯复合带，绕包搭盖率25% ～45%，镀锡绞合铜丝引流线与铝箔聚酯复合带的铝层相接触，在复合带外面再绕包聚酯带，绕包搭盖率为25% ～30%。

(4)成缆。成缆缆芯外先采用聚酯带绕包，然后再绕厚度分别为0.015 mm和0.025 mm的铝箔聚酯复合带，搭盖率为25% ～45%，镀锡绞合铜丝引流线与铝箔聚酯复合带的铝层相接触。

(5)内衬层。挤包高阻燃无卤聚烯烃，表面应圆整光滑。

(6)编织铠装。镀锡铜线编织，编织密度依据IEC 60092-350的公式计算不小于90%。

(7)外护套。挤包阻燃无卤耐油泥聚烯烃，挤出后分段冷却，交联度控制应合适，蓝色护套。