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防静电耐油特种测量电缆的研制简介

发布时间: 2009-11-16    点击:   文章来源:中国电线电缆网   
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  • 防静电耐油特种测量电缆的研制简介 沈阳电缆有限责任公司宋守清 一引言
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    防静电耐油特种测量电缆的研制简介

    沈阳电缆有限责任公司    宋守清
          一  引言
         防静电耐油特种测量电缆是一种适用于特殊环境下使用的信号电缆。该种电缆的使用环境特殊,技术性能指标要求较高,牵涉到的技术全面综合性能性强。电缆在同时具备防静电、耐油性能方面较为特殊,对于此类电缆的研制开发其难度较大,因电缆在防静电方面的电缆性能还没有可借鉴的资料。电缆在极为易燃的汽油或柴油中使用,则要求电缆必须具备可靠的安全性。这个安全性就体现在电缆与燃油不可避免会产生摩擦,如果发生电缆外表面的材料的材质因摩擦而产生静电如遇放电会产生电火花,会引起燃油的燃烧及爆炸事故,所以该种电缆应具备防静电和耐油的安全可靠性能。除此之外电缆对外径有严格的限制,并且要求电缆有足够的承载能力,又要有较好的柔软性以便适合于移动使用等。由于该种电缆技术性能要求较高,综合性能要求全面,安全可靠性要求严格,因此研制难度较大,需要综合平衡电缆所需的各种性能指标,优选适合于电缆特性的材料,力求最合理的电缆性能及结构。
         二  电缆用途及主要技术指标
        1 电缆用途
         所研制的电缆主要适用于对防明火安全要求很高的油罐、油井、以及大型储油容器环境中使用,直接长期接触或浸泡在油中作为测量仪器与传感器连接传输控制信号及测量信号。由于该电缆具有较好的柔软性及耐寒性、耐磨性、高强度等特性,电缆在使用过程中可反复卷绕展开不影响电缆的电性能。
         2  电缆主要技术指标
         —— 使用环境温度:-40℃~+60℃
        —— 介质环境条件:浸泡在油中(汽油、柴油)。
        —— 卷绕展开次数:不小于3000次(卷绕升降落差20米)。
        —— 电缆应具有防静电特性。
        —— 承载能力:80kg。
        三  电缆规格及结构
       1  电缆规格:6×0.5
       2  电缆结构
       电缆中心为承载钢丝缆芯;承载钢丝缆芯外为氟聚物护层;在承载钢丝缆芯外围紧密排列成缆6根0.5mm2氟聚物绝缘线芯;在缆芯外用紧压工艺挤包橡塑复合弹性体材料做内护套;内护套外为编织屏蔽;编织屏蔽层外为聚合物弹性体外护套;外护套外为镀锡铜线编织屏蔽层。具体结构见结构图。
     
     
     
     

                           8          7         6         5      4   3  2  1  
     
                           1-承载钢芯     2-钢芯护层     3-导体     4-绝缘
                        5-内护套     6-屏蔽层     7-外护套     8-外屏蔽层
     
         四  电缆的研制过程
         1 研制设计
         由于“防静电耐油特种测量电缆”使用环境条件苛刻、可靠安全性要求严格,技术性能要求高,因此对构成电缆的材料、结构提出了更高的要求。为了保证电缆具有理想的电气性能、机械物理性能、适合于使用特殊要求的特性,我们通过对组成电缆的材料进行了研究优选、在结构上进行了优化设计。
         1.1 电缆承载能力
       电缆在使用过程中要求具备一定的承载能力,主要目的承受测试仪器对电缆的拉力,技术协议中要求电缆承载能力为80kg,电缆本身虽说能承受一定的拉力,但考虑到电缆如承受拉力会对电缆的电气性能带来影响,因此需在电缆中设置承载结构。如果增加承载结构会在电缆中占用一定的体积,因电缆外径(体积)在技术协议中有严格限制,所以根据电缆有限体积的限制,我们对承载结构进行了多方面的结构设计对比,从中选择了最佳的结构方案。为了尽可能减小承载结构所占的体积,承载钢芯的材料选择了高炭高强度镀锌钢丝,承载能力大可有效地提高电缆的承载性能。选择高炭高强度镀锌钢丝是电缆的承载能力加大了,但由于高炭高强度镀锌钢丝具有较大的硬度,这会对电缆的柔软度造成影响,为了解决这一矛盾,对承载钢芯在结构上进行了合理的设计,采用了减小多股绞合承载钢芯的单线直径,并且采用小节距绞合工艺参数,这样可有效改善承载钢芯的柔软性补偿了高炭高强度镀锌钢丝承载钢芯材质较硬的缺陷。承载钢芯的结构及绞合节距见表1。钢芯护层设计见表1。
    表1
    承载钢芯材料
    钢芯结构
    绞合节距
    钢芯护
    层材料
    钢芯护
    层厚度
    高炭高强度
    镀锌钢丝
    19/0.20
    12mm
    氟聚物
    0.5mm
     
    1.2 电缆导体
       在导体结构的设计上,考虑到电缆对柔软性的影响,采用了适合于电缆柔软性的软结构,采用小外径的单线,多股绞合或束线,并在绞线节距上限制最大绞线节距,以保证电缆的柔软性和抗疲劳断裂。因此根据电缆的性能要求,最终所设计的导体结构确定为见表2
    表2
    导体材料
    导体结构
    绞合节距
    导体直径
    28/0.15
    14倍电缆外径
    0.92mm
     
    1.3 电缆绝缘层
       在电缆的设计中绝缘层的设计是最重要的,因为电缆的主要性能就是导体的绝缘性能。对于防静电耐油特种测量电缆而言就更有其独特设计要求,主要是该种电缆对绝缘性能有特殊要求,由于电缆受到外径的限制(技术协议中要求电缆最大外径为11.5mm),所以电缆结构设计的原则除满足各项电性能的同时还应满足电缆的体积要求,这样给电缆结构设计带来较大的困难,牵涉到绝缘层的结构设计及绝缘材料有选择问题,考虑到电缆体积及柔软性以及强度的限制电缆绝缘层结构尺寸适当减小,同时就要求考虑提高绝缘层的强度问题,一是满足电缆绝缘的电性能;二是考虑由于电缆需承载钢芯受拉力而产生钢芯对绝缘线芯的压力,绝缘层的承受能力,也就是考虑研究优选适合于强度要求的最佳材料。
       为了使电缆更具有较高的综合性能,除绝缘材料强度外电绝缘性能、其他机械物理性能等,对于绝缘材料的优选我们做了充分研究,表3中列举了几种初选的绝缘材料电性能及机械物理性能的对比,从表3中可以得出,氟聚物对比其他几种材料,强度最高,体积电阻率较高、绝缘性能好,耐寒性能优良,耐油性好,密度小、重量轻等,所以F40对该电缆的综合性能适应性是最佳的。绝缘结构设计的考虑是因所优选的材料强度高,所以绝缘结构尺寸的设计厚度比其他材料小,完全可满足电缆所要求的性能,并根据电缆所要求的绝缘性能设定了绝缘厚度的公差范围、同心度、最薄点、平均厚度值。
    表3
    性能项目
    单位
    FEP
    氟聚物
    PVC
    XHPE
    PE
    抗张强度
    断裂伸长率
    体积电阻率
    耐电压性能
    密度
    耐温等级
    耐低温性能
    耐油性能
    MPa
    >%
    Ω·m
    kV/mm
    kg/dm3
     
    20~25
    350
    1016
    15~30
    2.2
    200
    -80
    60~70
    200
    1015
    20~35
    1.7
    150
    -80
    15`25
    100
    1012
    20~35
    1.4
    65~105
    -30
    14~23
    450
    1016
    20~40
    0.93
    90~125
    -50
    25~34
    500
    1016
    20~40
    0.93
    80
    -60
     
    1.4  内护套的设计
       电缆内护套的设置依据是考虑到由于电缆需承重所造成的承载钢芯对绝缘层的压力,内护套所起的作用是为缓解及减轻压力对电缆绝缘层的影响。内护套主要是起填充作用,尽可能填满绝缘线芯外围的空隙,使绝缘线芯外部所承受的压力面增大,既而减小绝缘线芯所承受的压强,以保证绝缘层不受压力的损伤。内护套的材料选择主要考虑了缓冲压力的柔软性及弹性,为此我们选择了橡塑复合弹性体材料,该种材料弹性好、柔软性好硬度小在邵氏硬度70左右。由于电缆受体积的限制,内护套只起填充缓解压力作用,所以内护套的设计厚度不需要太大,只要满足缓冲压力的要求尽可能设计的越薄越理想。因此我们设计的内护套的结构尺寸在保证占有较小的体积又完全符合缓冲绝缘受压力的效果。内护套的挤出工艺采用的是紧压性工艺挤出,可有效地填满绝缘线芯外围的空隙,只占用不影响电缆外径的空间,可有效的缓解绝缘线芯所承受的压力。
    1.5  护套的结构设计
    该电缆研制的主要特性是防静电和耐油,电缆的防静电和耐油特性完全靠外护套来实现,为此我们对电缆外护套的设计做了重点性的研究。
    1.5.1 电缆的防静电特性
    电缆的防静电特性要求是电缆在使用过程中与燃油接触密切,并且是移动使用,如果电缆护套不具备防静电功能,由于电缆护套与燃油摩擦必然会产生静电,由于燃油具有较高的绝缘性,静电蓄积的越多,随着电压的升高如遇放电,会产生电火花引起燃油起火及爆炸,所以对护套的防静电研究是达到电缆具有防静电的关键。
    对护套材料的研究的考虑是护套与燃油摩擦所产生的静电要少,与护套材料和燃油的材料性质有关,两者之间的介电系数差别越大代表着两种材料之间由于摩擦所产生的静电越少,护套材料越适合于防静电要求。为此我们对护套材料进行了性质适用的选择性研究,最终认定护套材料采用一种聚合物弹性体作为电缆的护套材料,这种材料非常适合于该种电缆所要求的特性,为使电缆具备高可靠性的防静电性能,需要对护套材料进行防静电的改性研究,材料除添加抗静电剂以减少因摩擦所产生的静电荷聚集外降低材料的体积电阻率,通过改性后的护套材料具备了可靠的防静电性能。
    1.5.2 电缆耐油性
    电缆的耐油特性是由护套材料的耐油性所决定的,对于耐油性护套材料的选择我们进行了充分的研究。关于护套材料的耐油性表5列举了几种典型的材料,虽然大多数材料都具备耐油性能,但我们所选择的聚合物弹性体做为护套材料依据是该种材料在综合性能方面最为突出。
    1.5.3 护套材料对电缆综合机械物理性能影响的研究
       所选择的聚合物弹性体护套材料具有优良的综合机械性能,护套材料选择最主要的依据是符合电缆主要性能,其次也要考虑电缆的其他机械物理性能。
    1.5.3.1 柔软性
    由于电缆在使用中反复卷绕,电缆要求应具有较好的柔软性,所以要求护套材料具有柔软性,一般电缆的柔软性起较大作用是护套,因护套结构尺寸对比电缆内部其他部分的结构尺寸相对较大,如果护套材料的材质硬度较大,必然会影响电缆的柔软程度,选择聚合物弹性体做护套材料的考虑是其材质柔软硬度较小、一般硬度指标在邵氏60~85A,其材质的柔软度比其他常用的护套材料要小,所以保证了电缆具有较好的柔软性。
    表5
    性能项目
    PVC
    氯丁
    橡胶
    天然
    橡胶
    聚合物
    弹性体
    PE
    耐油性能(芳族烃)
    抗张强度MPa
    15~25
    21
    20
    70
    25~34
    硬度(邵氏)
    40~100
    40~90
    30~100
    10~100
    90~100
    耐低温性能(℃)
    -30
    -50
    -60
    -50
    -60
     
    1.5.3.2 抗张强度
       由于电缆在使用中反复卷绕并且不可避免受到扭绞力,为防止受到机械损伤,要求护套必须具备较好的强度,表5中的有关几种材料抗张强度的数据说明了聚合物弹性体材料的强度是最好的,所以选择该种材料做护套材料充分满足了电缆的强度性能要求。
    1.5.3.3 耐磨性能
       由于电缆在使用中反复卷绕收放线,电缆护套与护套外屏蔽层会产生相互摩擦,则电缆护套应具备较高的耐磨性能,才可满足使用要求,表6中表明了聚合物弹性体具有较高的耐磨性,在所选择的护套材料中是最适合于电缆的适用要求。
    表6
    磨耗试验条件:CS17轮,1kg/轮,5000转,73°F
    材   料
    磨耗量,mg
    材   料
    磨耗量,mg
    聚合物弹性体
    0.5~3.5
    丁腈橡胶
    44
    尼龙610
    16
    低密度聚乙烯
    70
    聚酯薄膜
    18
    天然橡胶
    146
    尼龙11
    24
    PVC
    187
    高密度聚乙烯
    29
    ABS
    275
    聚四氟乙烯
    42
    氯丁橡胶
    280
     
     
    1.5.3.4 耐低温性能
       电缆要求具有耐低温-40℃,因此要求护套材料也必须具有耐低温特性,通过表5中可以得出聚合物弹性体的耐低温性能指标较高,所以所选择的该种护套材料充分满足了电缆的耐低温性能要求。
    2  电缆研制结论
    2.1 该电缆的设计研制完全达到了预期的性能指标要求,电缆结构设计合理,技术指标先进,经查新尚无类似产品,可称为技术水平较先进的新产品。
    2.2 该产品已向需方用户提供了1000米,经使用已得到了用户的认同,反映良好、完全满足了用户的特殊需要,产品的研制是比较成功的。
       参考文献
       热塑性弹性体手册   ﹝美﹞B.M. 沃 克编    朱绍忠 梁源修 贺云翠译
       化学工业出版社   1984.8
          电线电缆手册(1)  王春江    主编     机械工业出版社     2001.10
          电线电缆手册(2)  徐应鳞    主编     机械工业出版社     2001.10
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