海洋工程用本安儀表電纜的研制

陸云春， 李永江

(江蘇遠洋東澤電纜股份有限公司，江蘇 揚州225129)

0 引言

伴隨著全球能源開采向海洋的轉移，海洋油氣工程方興未艾。由于海洋油氣工程中充斥易燃易爆油污和氣體，為確保設備中電氣信號傳輸的安全性，需要專門的本安儀表電纜與之配套。筆者根據國內外相關行業技術資料，結合多年的工作經驗，就海洋工程用本質安全防爆儀表電纜的研制作如下總結。

1 技術性能

根據海洋工程發展以及國際標準對本質安全儀表電纜的規定，結合工作中接觸到的客戶規格書等要求，確立的海洋工程用本質安全儀表電纜的產品技術性能如下:

(1)耐溫等級。電纜應在環境溫度為－35℃～+80℃的條件下正常工作，不發生護套開裂，并能通過標準CSA 22.2 No.03規定的低溫性能試驗;

(2)阻燃性能。電纜應通過IEC 60332-3-22規定的A類成束阻燃;

(3)彎曲半徑。成品電纜最小彎曲半徑不小于6倍的電纜最大直徑;

(4)電氣性能。成品電纜的電氣性能需要滿足低電容、低電感、優異的抗電磁干擾的屏蔽性能，具體指標見表1規定。

表1 海洋工程用本質安全儀表電纜的電氣性能

(5)耐油泥。電纜應具有良好的耐油、耐泥漿性能，滿足NEK 606－2004標準規定的耐泥漿試驗(見表2)。

2 產品設計

2.1 產品簡介

海洋工程用本質安全儀表電纜設計如下:

(1)電纜名稱。交聯聚乙烯絕緣對絞屏蔽無鹵聚烯烴內襯層鍍錫銅線編織鎧裝耐油泥聚烯烴外護套海洋工程用低煙無鹵阻燃型本質安全儀表電纜。

表2 海洋工程用本質安全儀表電纜的耐油泥性能

(2)產品型號。CHJPJP85/SC(IS)，其中型號的含義:CH為海洋工程用儀表電纜;J為交聯聚乙烯(XLPE)絕緣;PJ為無鹵聚烯烴內襯層;P為對絞屏蔽;8為銅絲編織鎧裝;5為交聯聚烯烴外護套;SC為A類成束阻燃低煙無鹵;IS為本質安全。

(3)產品結構。設計的產品結構剖面見圖1。

圖1 電纜結構

2.2 性能設計要求

2.2.1 降低電容電感

由于海洋工程用本質安全儀表電纜最主要的性能是低電容和低電感，而電容和電感跟導體材料、絕緣材料、絕緣厚度、絞合節距等多因素有關。經過設計計算及模型驗證，確定導體采用高純度無氧銅線，同時為防止導體與絕緣之間發生化學反應，影響導體質量，在導體外鍍錫。在滿足標準規定的導體電阻的前提下，要盡可能地采用低倍數的節徑比進行導體絞合，以使得電纜具有較小的彎曲半徑。為了最大限度地優化導體設計電氣數據，對于導體的加工也需要格外注意，例如:對于各規格的導體單絲拉絲、韌煉、鍍錫、絞合均需合理加工和嚴格控制。導體采用正規絞合，節徑比不大于16。

絕緣采用工藝性能適宜、電氣性能優越、機械性能良好的低密度交聯聚乙烯，絕緣厚度不超過0.6～0.7 mm，圓整度需控制在1.25倍之內，以保證絕緣線芯性能的最優化。

絕緣線芯絞合成對時需要嚴格控制絞合節距，其中截面積為0.75 mm2和1.0 mm2的導體，絞合節距在110 mm左右;1.5 mm2和2.5 mm2的導體，絞合節距在130 mm左右，并且相鄰的對絞組采用不同的絞合節距，使相互之間信號互不干擾。

2.2.2 提高屏蔽性能

屏蔽性能關系著整個系統的安全運行，其重要性不言而喻。設計必須考慮電纜各個對絞組之間相互干擾和外界對電纜的干擾。

對于單元組(線對)之間的線對屏蔽，各個對絞線組絞合后采用鋁箔聚酯復合帶繞包，繞包的搭蓋率為25%～45%;屏蔽中需有一根鍍錫銅線絞合而成的接地引流線，并與鋁箔聚酯復合帶的鋁層相接觸;在復合帶外面再繞包聚酯薄膜，確保屏蔽之間的電氣隔絕。其中，鋁箔聚酯復合帶中鋁和聚酯的厚度分別為0.015 mm和0.025 mm;屏蔽外的聚酯薄膜的厚度為0.03 mm，其繞包搭蓋率為 25% ～30%;用作接地引流線的鍍錫銅線的電阻需滿足IEC 60092-376的規定。

電纜的整體(總)屏蔽采用雙重復合結構:(1)在成纜纜芯外采用聚酯薄膜繞包，繞包搭蓋率不小于25%;在聚酯薄膜外繞包鋁箔聚酯復合帶，屏蔽中需有一根鍍錫銅絲絞合而成的接地引流線，引流線與鋁箔聚酯復合帶的鋁層相接觸，鋁箔聚酯復合帶的繞包搭蓋率控制在20% ～45%;然后在鋁箔聚酯復合帶繞包屏蔽之外再繞包聚酯薄膜，搭蓋率為25%～30%。其中，鋁箔聚酯復合帶中鋁和聚酯的厚度分別為0.015 mm和0.025 mm;屏蔽外的聚酯薄膜的厚度為0.03 mm，其繞包搭蓋率為25% ～30%;用作接地引流線的鍍錫銅線的電阻需滿足IEC 60092-376的規定。(2)鎧裝采用鍍錫銅線編織，其兼具機械保護和屏蔽的雙重作用。編織密度依據IEC 60092-350的公式計算不小于90%。

通過鋁箔聚酯復合帶和鍍錫銅線編織雙重復合屏蔽結構，可以極大地提高電纜的屏蔽性能，達到事半功倍的效果。

2.2.3 強化阻燃性能

海洋工程充斥油氣的高危性要求電纜低煙無鹵阻燃，尤其本安儀表電纜更是必須滿足甚至高于A類成束阻燃的規定。為此從綜合角度出發，實現成品阻燃的重點放在電纜的填充(必需時)、繞包和護套上。設計的電纜結構中在成纜時要求填充材料或繞包材料必須具有高阻燃性，氧指數不低于38，護套材料的氧指數不低于35，同時材料的低煙性能須符合 IEC 61034，無鹵性能符合IEC 60754規定。據此填充材料設計為無鹵阻燃玻璃纖維，考慮到電纜耐低溫和耐泥漿性能，護套材料為阻燃無鹵耐油泥聚烯烴。

2.2.4 耐低溫、耐油泥

電纜綜合性能的實現在很大程度上取決于電纜的護套。考慮到設計產品需阻燃、耐寒、耐油、耐泥漿，經多次試驗反復比較驗證，最終選定改性的聚烯烴材料作為電纜的護套材料。該材料經改性后耐低溫可達－40℃，且具備耐磨、抗撕、耐油、耐臭氧、耐油泥、高阻燃等性能，能夠滿足海洋工程設備環境多腐蝕的要求。

3 產品試制

本產品設計結構特殊且選用改性新材料，不宜采用以往的電纜制造工藝，為此確定全新的工藝。

3.1 電纜生產工藝流程

根據設計確認的產品，生產工藝流程如下:拉絲→韌煉→鍍錫→絞合→擠絕緣→ 線芯交聯→對絞(含屏蔽 )→成纜(含屏蔽 )→擠包內襯層→ 鍍錫銅絲編織→擠包外護套→成品檢驗。

3.2 工序工藝關鍵點

在電纜的制造過程當中，各工序均需按照既定工藝，著力于工藝要點，確保工序質量，完善成品性能，具體的各工序工藝要點如下:

(1)導體。控制單絲標稱直徑，韌煉徹底，導體絞合節徑比不超過16倍。

(2)絕緣。絕緣厚度在0.6～0.7mm之間，圓整度不超過1.25倍，交聯度控制應合適。

(3)對絞。0.75 mm2和1.0 mm2的導體的絕緣線芯對絞節距在110 mm左右;1.5 mm2和2.5 mm2的導體絕緣線芯對絞節距在130 mm左右，并且相鄰的對絞組采用不同的絞合節距;對絞組外繞包厚度分別為0.015 mm和0.025 mm的鋁箔聚酯復合帶，繞包搭蓋率25% ～45%，鍍錫絞合銅絲引流線與鋁箔聚酯復合帶的鋁層相接觸，在復合帶外面再繞包聚酯帶，繞包搭蓋率為25% ～30%。

(4)成纜。成纜纜芯外先采用聚酯帶繞包，然后再繞厚度分別為0.015 mm和0.025 mm的鋁箔聚酯復合帶，搭蓋率為25% ～45%，鍍錫絞合銅絲引流線與鋁箔聚酯復合帶的鋁層相接觸。

(5)內襯層。擠包高阻燃無鹵聚烯烴，表面應圓整光滑。

(6)編織鎧裝。鍍錫銅線編織，編織密度依據IEC 60092-350的公式計算不小于90%。

(7)外護套。擠包阻燃無鹵耐油泥聚烯烴，擠出后分段冷卻，交聯度控制應合適，藍色護套。

4 結束語

經過檢測證實，按照上述設計、工藝試制的電纜各項性能指標均達到了預定的設計要求，并遠優于國外相關標準的規定，產品已批量生產并廣泛應用于國內外各大海洋工程項目。相信伴隨海洋工程的發展，其必將具有更廣闊的市場空間。

［1］BS 5038-2:1986 Instrumentation Cables Part 1 Specifications for Polyethylene Insulated Cables［S］.

［2］IEC 60092-376:2003 Cables for Control and Instrumentation Circuits 150/250V(300V) ［S］.

［3］IEC 60092-350:2008 General Construction and Test Methods of Power，Control，and Instrumentation Cables for Shipboard and Offshore Applications［S］.