电缆沥青材料的使用现状及生产工艺概述

李 虎，徐 萌，李福起

(中海油(青岛)重质油加工工程技术研究中心有限公司，山东 青岛 266500)

电线电缆广泛应用于能源、交通、信息通信、建筑、铁路、城轨、汽车、航空、冶金、石油化工等众多产业领域，目前，我国电线电缆行业正处在一个新的发展阶段，主要分布在华东和华南地区[1]。随着国民经济的飞速发展，各地对电力基础设施的需求量越来越大，为降低输配电过程中的能耗，电缆的电压等级也越来越高。为积极执行国家制定的“坚持电线入地，提高电缆化比例”的政策，城市外围一般采用220 kV或500 kV环网架空线,进入城区则多采用110 kV及以上交联电缆。因此，110 kV及以上高压交联电缆的需求量急剧增加。根据国家标准GB/T 11017-2002的要求，110KV高压电缆必须在金属护套外涂覆电缆沥青材料作为防腐层。建设海上风电场是国际新能源发展的重要方向，也将是我国风电产业发展的核心方向，对于海底电缆来说，其在海上风力发电及输电上的应用拥有广阔的市场前景，同时也必将大幅带动电缆沥青材料的市场用量。但电缆沥青材料作为一种特种沥青产品，其供应商多为中小规模私营企业，科技研发能力弱，产品质量良莠不齐。电缆沥青材料涂覆在电缆外层主要起密封、防腐和绝缘等作用，作为一种特种沥青与普通沥青相比具有以下特点[2]：

(1)软化点高，同时针入度大；

(2)有良好的热稳定性；

(3)好的粘附性和优良的低温性能。

1 电缆沥青市场存在的问题及使用情况

1.1 电缆沥青市场存在的问题

通过对国内电缆沥青产品调研发现，电缆沥青材料市场主要存在三个方面的问题：

1.1.1 产品重视度方面

沥青作为制备电缆的一种原材料，用量少，在电缆原材料中价格低，同时，电缆寿命约有30～40年，在实际使用过程中也不会有人关注沥青的防护作用，多方面因素导致电缆沥青的产品质量未引起电缆沥青生产、使用方的重视。

1.1.2 产品质量方面

(1)工厂涂敷时，存在固体颗粒，导致均匀性不好；

(2)沥青与金属套和铠装金属丝之间的粘附率差；

(3)夏季沥青的高温性能差，出现滴流现象；

(4)冬季低温时，弯曲后出现沥青裹覆层断裂和脱落的现象。

上述问题的存在降低了电缆沥青对金属套和铠装金属丝的防护作用，影响了电缆的使用功能及寿命，带来了电网的安全隐患。

1.1.3 产品规范化方面

国内电缆生产厂家对电缆用沥青的指标要求也不明确，导致了市场上出现了质量良莠不齐的电缆用沥青材料，仅有110kV高压陆缆对使用的沥青材料有明确的要求，引用的是GB/T 494-2010《建筑石油沥青》，该标准未要求产品的低温性能冷弯及粘附率，作为电缆用沥青材料的标准无法判定产品的质量对电缆的影响。而220kV、500kV高压电缆以及所有的海缆标准均未明确对电缆沥青材料的要求。这造成了电缆制造商在选择沥青材料方面的混乱，在质量方面出现了不同程度的问题，为此，电缆制造商纷纷制定了自己的内控指标，但尚未形成统一的标准。

1.2 沥青在电缆中的使用情况

沥青在电缆行业主要用作高压陆缆、海底电缆、特殊使用场合的中压电力电缆的金属护套，起到防腐和隔离的作用。

1.2.1 高压陆缆的使用情况

鉴于电缆沥青主要用于高压陆缆金属护套的防腐，调研主要集中于110kV及以上电压等级的高压陆缆制造商，各制造商选用的沥青制造商、沥青参数具体结果见表1。

表1 陆缆用沥青使用标准情况汇总

由表1的数据可以发现：

(1)调研的7家高压陆缆制造商有5家使用的是W厂生产的沥青材料，这与调研的电缆制造商大都在华东地区，以及沥青制造商所处的地理位置可能相关。

(2)使用W厂生产的沥青材料的5家电缆制造商中，只有A对沥青材料的软化点和针入度的要求明显优于标准，其余厂家对沥青材料的要求等同于标准。

(3)C公司使用的是Q公司生产的沥青，针入度跟软化点的要求低于标准，对冷弯无规定。

(4)E公司使用Y公司生产的沥青，技术参数还是与标准保持一致。

1.2.2 海缆沥青使用情况

目前，国内所有的海缆均采用沥青作为海缆铠装的防护和隔离，用量相对陆缆多，笔者对国内主要的海缆制造商进行了调研。海缆沥青使用情况调研汇总见表2。

分析调研获得的海缆用沥青的技术参数发现：

(1)W厂提供的沥青参数与陆缆完全相同；

(2)F公司使用N公司生产的沥青产品，与陆缆用沥青相比，降低了软化点、提高了针入度的要求，特别指明了使用的气候分区。

国外对海缆用沥青未查阅到相关标准，但各个厂家都规定了相应的技术要求，尤其对沥青低温(-20℃)不脆断、高温(65℃)不滴流等做了要求。

表2 海缆用沥青情况汇总

(3)各电缆厂家使用的电缆沥青性能分析

共收集了5种不同的电缆沥青样品，按照SH/T0001-1990《电缆沥青》标准要求的沥青性能做了全面的分析，分析结果见表3。

表3 电缆沥青性能分析结果

由表3可以看出，5种电缆沥青样品的品质相差很多，2#样品的针入度59，软化点50℃；3#样品的软化点达到了标准要求，但针入度较低，低温性能差；4#样品的软化点和针入度都达不到标准要求，5#样品的软化点最高，对应的针入度偏低，但低温性能好，其中满足SH/T0001-1990《电缆沥青》标准要求的沥青只有1#样品，在分析过程中发现，1#样品的生产工艺是用改性工艺，2#样品的生产工艺是直馏工艺，3#、4#、5#样品的生产工艺为化学改性工艺。

2 电缆沥青的生产工艺简介

目前因电缆用沥青材料尚未建立统一的质量标准，产品生产工艺多样化，质量参差不齐，概括起来现有的电缆沥青的生产工艺主要有：氧化、改性、溶剂萃取、调合等工艺。

2.1 氧化工艺[3-6]

二十世纪初，几乎所有的高软化点沥青都是氧化法所生产的。氧化工艺是生产高软化点沥青的成熟工艺。氧化法是将软化点低、针入度及温度敏感性大的减压渣油或溶剂脱油沥青或它们的调合物，在一定温度条件下通入空气，使其组成发生变化，软化点升高，针入度及温度敏感度减小，以达到沥青规格指标和使用性能要求。通过改变原料组成和通空气氧化等条件即调整氧化深度，可以生产道路沥青、建筑沥青及其他专用沥青。经过空气氧化法生产且满足相应技术指标的沥青成为氧化沥青。用氧化法生产电缆用沥青与生产建筑沥青相比，在操作条件上是完全不同的。在生产电缆用沥青时通常采用较低的温度，以抑制组分过度转化为沥青质，保持沥青稳定的胶体结构。氧化的另一作用是可以改善沥青的老化性能，提高沥青热储试验后的针入度比。

2.2 催化氧化工艺[7-10]

沥青的催化氧化工艺早在20世纪30年代就在国外应用，起初主要应用于建筑沥青的生产，解决普通氧化的低温脆裂、高温流淌问题，国内也曾用于10#建筑沥青及建筑防水材料(如油毡)的生产。目前经过文献调研，有学者对以下3种催化剂的催化氧化历程进行了分析。

磷酸催化氧化反应历程的分析：

图1 磷酸催化氧化反应历程分析

沥青中的极性分子首先与磷酸络合，这时宏观性质表现为软化点升高，针入度下降，然后在高温下被络合的极性分子形成不饱和键，紧接着磷酸加成上去，然后被水置换，磷酸脱离，后在氧化作用下形成羰基化合物和水，其中磷酸和水可重复利用，在极性分子形成不饱和键时也有部分聚合成分子量大的分子。

三氯化铁催化氧化反应历程的分析：

图2 三氯化铁催化氧化反应历程分析

三氯化铁催化机理主要为三价铁离子在高温和氧气存在下直接将烃分子氧化为羰基化合物和二价铁离子，接着二价铁离子又被氧气氧化成三价铁离子，整个催化反应被持续进行。但其有个缺点就是会生成氯化氢气体腐蚀尾气管道。

Al2O3催化氧化反应历程的分析：

图3 Al2O3催化氧化反应历程分析

Al2O3催化反应中催化剂的作用是作为氧气的载体，它对氧化的机理改变不大，只是加速了氧气的运输和传递过程，使反应速度加快。

2.3 沥青改性工艺[11-18]

沥青改性工艺可以分为物理改性与化学改性两大类。物理法指的是借助高速剪切机、胶体磨、混炼机等设备，使聚合物被剪切、磨成细小的粒子，使改性剂均匀分散于混合料中，与沥青混炼形成稳定的状态。化学改性工艺为：通过加入化学助剂，使聚合物与沥青中的烃类化合物发生连接、交联、接枝等反应，促使二者形成均匀稳定的胶体。

目前，用于制备改性沥青的改性剂主要以聚合物为主，主要有热塑性树脂类、橡胶类和树脂、橡胶共聚物(热塑性弹性体改性沥青)等3类。一般地，树脂类材料改性后沥青的针入度下降、软化点上升，高温粘度显著提高，温度稳定性得到改善，而延度变小；橡胶类材料改性后，沥青的针入度会有所降低，而延度与软化点都会上升，粘韧性好；热塑性弹性体材料则具有良好的双向改性功能。

研究表明，多聚磷酸对沥青的性能改善明显，储存稳定性优越，因此在19世纪70年代就应用于美国。近年来国内也开展了一些关于多聚磷酸改性沥青的研究，例如：付力强等研究了多聚磷酸改性沥青及混合料的性能；曹卫东等研究了多聚磷酸对沥青性能的影响；马庆丰等研究了多聚磷酸对沥青的改性是通过发生化学反应进行的；赵可等研究了多聚磷酸对沥青流变和老化性能的影响。然而，目前已有的研究主要集中在探讨多聚磷酸对单一沥青的影响，而关于多聚磷酸对沥青的改性机理研究则较少。

2.4 溶剂萃取工艺

溶剂脱沥青是利用轻烃对渣油中各组分的不同溶解能力将渣油分离，得到不含沥青质的脱沥青油与富含胶质和沥青质的脱油沥青。溶剂脱沥青是调节渣油组成的有效手段，它在优质沥青生产中，尤其是从不能通过蒸馏生产合格沥青的原油中生产优质沥青具有重要作用,是生产道路沥青和建筑沥青的重要原料[19]。近年来国内对通过溶剂脱沥青生产合格道路沥青进行了大量的研究。脱油沥青主要成分是胶质、沥青质及少量的油分，它们是沥青调合的理想组分。

2.5 调合法生产工艺

调合法生产沥青是指按沥青质量或胶体结构的要求调整构成沥青组分之间的比例，得到能够满足使用要求的产品。使用的原料组分既可以是采用同一种原油而由不同加工方法所得的中间产品，也可以是不同原油加工所得的中间产品，因而使生产受油源约束的程度降低，扩大了原料来源，增加了生产灵活性，更有利于提高沥青的质量。

3 电缆沥青标准

国内电缆行业引用的电缆沥青标准主要包括：

SH/T 0001-1990《电缆沥青》

GB/T 494-2010《建筑石油沥青》

GB/T 2952.1-1989*《电缆外护层 第1部分：总则》

(已被GB/T 2952.1-2008替代)

GB/T 2952.1-2008《电缆外护层 第1部分：总则》

国家标准GB/T 2952《电缆外护层》现行版本是2008版，引用的电缆沥青标准是SH/T0001-1990，而1989版引用的电缆沥青标准是SY 1668-1981。新旧版本标准对使用的沥青提出的材料要求、涂敷工艺和相关性能要求见表4。

由表4可以发现，电缆护层中所使用的沥青除了应满足材料的所有参数外，制造的陆缆或海缆还应满足热滴流和冷弯的要求。

高压电缆和外护层所引用的沥青标准，其技术参数随标准的不同有明显的差异，具体见表5。

表5 电缆用沥青指标要求

从上表5可以看出，SY 1668-1981电缆沥青标准目前已作废，被SH/T0001-1990所替代。高压电缆引用的GB/T 494-2010《建筑石油沥青》标准与SH 0001-1990《电缆沥青》技术要求没有可比性，对沥青的垂度、粘附性以及冷弯、热稳定性均未作要求。

4 结论

电缆沥青材料有着良好的应用前景，随着电力行业的快速发展其使用量将会大大增加，但目前国内电缆沥青材料的使用还是存在重视程度不够、产品质量参差不齐、未实现规范化等方面的突出问题，针对这些问题，建议下一步在不断提升对产品质量升级的技术研发基础上，尽快建立健全标准体系及分析方法，在很大程度上可以净化国内海缆和高压陆缆用电缆沥青产品质量参差不齐的局面，有利于提高产品质量，为采购方及用户提供产品质量考核的依据。

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