新型电缆管道封堵器的研制与应用

2018-12-21李华鹏杜建国王德刚

机电信息 2018年36期

关键词：硅橡胶压板密封圈

杨忠李华鹏李巍杜建国王德刚

（1.贵州电网有限责任公司兴义供电局，贵州黔西南562400；2.贵州电网有限责任公司兴义册亨供电局，贵州黔西南552200）

1 新型电缆管道封堵器的研制背景

电缆化是美化城市环境、节省土地资源、提高供电可靠性的一项重要措施[1]。而电缆在地下敷设以及管沟（孔）的日常维护均涉及防火、防水、防泥沙、防小动物进入等要求，这就需要对管道口进行封堵[2]。

目前，电缆管道封堵主要有以下方法：

（1）采用防火泥、水泥、泡沫剂、密封栓等材料进行固化密封[3]。这种封堵方法施工简便、成本低廉，但传统防火泥封堵效果往往不理想，容易漏水、进入泥沙、窜入老鼠等。而采用有机高分子发泡树脂容易取得一定的封效果[4]，但拆除不方便，可能因为二次堵塞而造成管孔报废[2]。

（2）充气密封装置。专利文献[5-7]介绍了此种密封的若干做法。这种密封装置一般为带有充气口的中空密封带，置于电缆与管道之间，充气后密封带膨胀将空隙填满。这种密封装置的优点是施工方便、效率高，但若充气过快可能充爆密封带[3]，长期使用也可能有漏气泄压、密封失效问题。

（3）电缆封堵器。这是一种机械密封装置，利用硅橡胶等高弹性材料的受压变形性，通过收紧螺栓挤满电缆与管道壁之间的空隙。机械密封操作简便、快速、安全，而且可以重复使用。专利[8-9]的封堵器零部件数量较多，装配较复杂。专利[10]采用多层可剥离的橡胶层，以适应多种电缆、管道规格，但小电缆、小管道使用大直径封堵器，存在经济性欠佳问题。专利[11]采用中部可更换的矩形密封模块来适应不同的电缆、管道大小，也存在类似问题。上述封堵器均未提到电缆和空管口不同场合下的通用性问题。

市场上常见封堵电缆和空管道两种封堵器结构，因此，本文研究了一种加装中央密封活塞适应电缆和空管口两种封堵互换的装置，安装、使用更为便利。

2 新型电缆管道封堵器的研制方案

2.1 设计原理

新型电缆管道封堵器用于封堵管道口，此类管口可能接入接出电缆，或者预留多管口，需要临时封堵。针对这两种情况，本研究设计的管道封堵器如图1所示，左侧为封堵空管口，右侧为封堵有电缆的管口，两者的区别仅在于封堵空管口使用了特制的中央密封活塞，而不用中央密封活塞装入电缆就成为密封电缆管口的封堵器。

图1 新型电缆封堵器设计原理

密封的关键是利用了橡胶密封圈的高弹性，在橡胶密封圈上、下两端设置带孔的上、下压板，螺栓穿入上、下压板和同样带孔的橡胶密封圈。旋上螺母后，橡胶密封圈夹在上、下压板之间。当其装到电缆管道口上后，旋紧螺栓就会产生图1中竖直箭头方向的力，这个力使橡胶密封圈压缩，并向水平箭头方向膨出，从而使其与电缆管道、电缆（或中央密封活塞）、螺栓杆部位挤紧，形成可靠的密封效果，阻止水、泥沙、小动物进入电缆管道内部，同时所使用材料（橡胶密封圈、中央密封活塞）具有良好的绝缘性和阻燃性，所以新型电缆管道封堵器可以提供优异的防水、防火、防小动物性能。

2.2 结构与功能

新型电缆管道封堵器结构组成如图2所示。封堵器由中央密封活塞、橡胶密封圈、上压板、下压板、螺栓、螺母组成，下面分述各部分结构及功能。

图2 新型电缆封堵器结构组成

2.2.1 中央密封活塞

中央密封活塞是一种柱形结构，如图3所示。从前面和后面观察，均由3个同心圆筒构成，最外层的圆筒构成外壁，中间两个圆筒构成内部结构。在各圆筒之间设置放射状的加强筋，外圈有12道矩形筋，内圈有6道梯形筋。在上下两层结构之间设置水平隔板，将活塞分隔为上下两部分，同时也保证了内部密封。活塞顶部边缘突出，外筒中部有一环状凹槽，这样做的目的是帮助轴向定位。安装时，顶部突出边缘靠在上压板面上，防止其滑入电缆管道深部；外筒中部的环状凹槽适应橡胶密封圈外凸的特点，使得活塞安装更容易，同时也减少了轴向滑动，这样的设计既满足了安装需求，也兼顾了材料的力学特性。整体而言，这样的结构使得中央密封活塞在减少材料用量的基础上又能承受巨大的压迫力，保持结构上的稳定。根据活塞的上述结构和功能，宜采用具有一定强度且易于成型的材料，例如选用尼龙一类的塑料注射成型。配料时，应添加阻燃剂，以保障防火性能。

图3 中央密封活塞结构

2.2.2 橡胶密封圈

橡胶密封圈外形似中空的鼓，其内外壁中央处均向外凸起，如图4所示。这样做的目的有以下几点：

（1）拧紧螺栓和压缩上下压板时，引导密封圈由中部向外膨出，可以更快地达到挤压密封效果；

（2）下压板要进入电缆管道内部，其外周边缘与密封圈底部边缘基本平齐，而密封圈中部外凸，顶部和底部比中部小一些，这样不影响下压板顺利进入电缆管道内部，而其他封堵器为了避免因制造安装误差使得上下端盖难以进入电缆管道内部，必须有意将上下端盖做小；

（3）由于上、下压板内周大于密封圈中部，这样在拧紧螺栓过程中也避免了上、下压板内周对电缆外皮的破坏。其次，沿密封圈纵向有一切口，使其可以张开成“C”字形以嵌入电缆或装入中央密封活塞。最后，在密封圈上设有螺栓孔，用于穿螺栓。

图4 橡胶密封圈结构

基于密封圈结构、性能要求，其材质宜采用硅橡胶，原因如下：硅橡胶具有优异的耐热性，可在200℃条件下长期使用，即使300℃下也可短期使用；其低温脆化点为-60～-70℃，在电缆低温使用环境下也能保持足够的弹性；硅橡胶具有1～100 TΩ高绝缘电阻，这可以保证密封圈在电缆绝缘层绝缘性能下降的情况下仍保持良好的绝缘性能；硅橡胶耐老化、耐候性极佳，可以避免普通橡胶材质老化后弹性下降而影响密封性的问题；硅橡胶耐油、耐溶剂性好，普通橡胶材质不耐溶剂，硅橡胶这一特性对于避免地下电缆井难以预见因素的影响来说很重要；硅橡胶具有优良的生理惰性，耐生物老化性强，对环境友好，对施工维护人员无害；硅橡胶阻燃性优于一般橡胶，仅添加少量阻燃剂就具有自熄性，而且硅橡胶不含有机卤素化合物，即使燃烧也不产生有毒气体，这对于城市环境保护意义重大[12]。

2.2.3 上、下压板

上、下压板形似月牙，如图5所示。根据封堵管口大小，每个封堵器可采用2～4片上压板和2～4片下压板（小直径管口使用较少数量的上、下压板，大直径管口使用较多数量的上、下压板）。之所以分为多块压板，是因为安装封堵器时电缆可能已经连接好，如果采用整周的压板则无法安装了。在每个上压板或下压板上有两个孔，用于穿螺栓。上压板外侧凸耳用于轴向定位，以便在管道上安装时卡住管口边缘，避免封堵器进入管道深处。下压板上设有防螺母转动的六边形孔，因为封堵器安装时下压板在管内，无法使用扳手，螺母可能在旋紧时跟着螺栓一起转动，这样就无法旋紧螺栓了，也达不到要求的预紧力，进而会影响密封效果。上、下压板采用金属材质，体积小，强度高，也易于批量加工，具体选材可使用不锈钢，若使用碳钢表面应作热镀锌处理。

2.2.4 螺栓与螺母

图5 上、下压板结构

螺栓和螺母用于压紧上、下压板，进而使橡胶密封圈变形而形成密封效果。由于橡胶密封圈的弹性较好，螺栓与螺母的强度不需要很高，但地下电缆井往往潮湿阴暗，普通材质的螺栓与螺母在这样的环境下容易锈蚀，时间长了甚至难以拆卸，这样会给电缆管道的维护带来很多困扰，因而封堵器螺栓与螺母需要具备较好的耐腐蚀性，最好采用不锈钢材质，或经特殊防腐工艺处理过，例如采用QPQ工艺处理的螺栓。另外，考虑到有些电缆管道间距比较小，而外六角螺栓占用的扳手空间较大，操作不便，甚至可能因此损伤电缆外皮，故应采用内六角螺栓。

2.3 封堵器的安装

安装前，应检查中央密封活塞、橡胶密封圈、上压板、下压板、螺栓、螺母的规格、型号与待施工电缆管道大小是否匹配。安装时，先将橡胶密封圈撑开套在电缆或中央密封活塞上，然后放上上压板，穿入螺栓，再装上下压板，旋上螺母，此时不必旋紧螺栓，保持螺栓与螺母没有松动即可。图6为封堵器固定电缆的效果，图7是封堵器固定中央密封活塞的效果。