一種地鐵隧道敷設(shè)用阻燃耐火光纜的設(shè)計與驗證

■ 詹朗朗 孫義興 張建峰 曹 朋 周鵬鵬 陸穎祥 （江蘇亨通光電股份有限公司 江蘇 吳江 215234）

一種地鐵隧道敷設(shè)用阻燃耐火光纜的設(shè)計與驗證

■ 詹朗朗 孫義興 張建峰 曹 朋 周鵬鵬 陸穎祥 （江蘇亨通光電股份有限公司 江蘇 吳江 215234）

本文介紹了一種地鐵隧道敷設(shè)用阻燃耐火光纜，重點介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用、工藝控制等。該阻燃耐火光纜通過嚴(yán)格的試驗測試，結(jié)果表明光纜機(jī)械環(huán)境性能滿足設(shè)計要求；阻燃性能通過了單根垂直燃燒和成束垂直燃燒C類試驗；耐火性能通過了IEC 60332-11/25和BS 6387 標(biāo)準(zhǔn)測試；煙密度測試顯示發(fā)煙量低；腐蝕性測試顯示燃燒時釋放的腐蝕氣體少。

地鐵 阻燃 耐火 光纜 BS 6387

一 前言

近些年全球范圍掀起了地鐵建設(shè)熱潮，各大城市正如火如荼地開展地鐵規(guī)劃或建設(shè)，地鐵這一高效快速的交通方式得到了人們的廣泛歡迎和認(rèn)可。光纜作為地鐵信號傳輸和數(shù)據(jù)網(wǎng)通信的一種傳輸載體，在建設(shè)過程中被大量敷設(shè)，為了保證地鐵沿線的安全，對敷設(shè)于地鐵的光纜阻燃性和耐火性提出了較高的要求。圖1為地鐵隧道光纜敷設(shè)場景。

圖1 地鐵隧道光纜敷設(shè)場景

目前，現(xiàn)有的阻燃耐火光纜，其結(jié)構(gòu)主要由纜芯、金屬鎧裝層、阻燃護(hù)套組成，其阻燃耐火材料主要以高阻燃聚烯烴材料和鋼塑復(fù)合帶為主，達(dá)到的阻燃耐火性能如表1所示。

表1 現(xiàn)有阻燃耐火光纜性能指標(biāo)[1-3]

從近幾年全球各區(qū)域內(nèi)地鐵運行情況和發(fā)生的事故來看，人們對其安全性和穩(wěn)定性的擔(dān)憂也日益提高，因此在新建的地鐵線路中，運營方和施工方對應(yīng)用于地鐵系統(tǒng)的產(chǎn)品要求也日益嚴(yán)苛。其中，對于光纜而言，客戶對其阻燃耐火性能提出了更高的要求，而現(xiàn)有的阻燃耐火光纜在滿足基于線路完整性試驗的耐火性能測試中已達(dá)極限，很難達(dá)到更高要求，因此急需開發(fā)出阻燃耐火性能更高并適用于地鐵敷設(shè)用的通信光纜[4]。

為了解決這一難題，對于地鐵隧道這一特殊應(yīng)用場景，基于我司阻燃耐火光纜的研發(fā)經(jīng)驗，我們開發(fā)了一種耐火性能高的阻燃耐火光纜，能夠達(dá)到目前國際光纜行業(yè)耐火等級最高的BS 6387標(biāo)準(zhǔn)，可滿足地鐵隧道的敷設(shè)及運行要求。圖2為設(shè)計的光纜結(jié)構(gòu)圖。

圖2 地鐵隧道敷設(shè)用阻燃耐火光纜結(jié)構(gòu)圖

二 產(chǎn)品設(shè)計思路

BS 6387為英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會提出的電纜在火焰條件下保持線路完整性的耐火試驗方法，隨后被引用到光纜行業(yè)，其最新發(fā)布的為2013年第3版。根據(jù)最新規(guī)定，其對光纜的耐火試驗方法包括C、W、Z三類，具體測試方法如下：

（1）C類試驗，即單純耐火試驗：火焰溫度：950℃，供火時間：180min，松套管間光纖進(jìn)行串聯(lián)熔接，要求試驗期間光纖保持通信正常且單芯光功率最大變化值≤3dB；

（2）W類（帶噴水的耐火試驗）：火焰溫度650℃，單純供火時間：15min，供火加噴水時間：15min，松套管間光纖進(jìn)行串聯(lián)熔接，要求試驗期間光纖保持通信正常且單芯光功率最大變化值≤3dB；

（3）Z類（帶沖擊的耐火試驗）：火焰溫度：950℃，供火加機(jī)械沖擊時間：15min，機(jī)械沖擊間隔：30s，松套管間光纖進(jìn)行串聯(lián)熔接，要求試驗期間光纖保持通信正常且單芯光功率最大變化值≤3dB。

BS 6387 CWZ標(biāo)準(zhǔn)對光纜耐火性能要求遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的IEC 60332-11/25標(biāo)準(zhǔn)，因此對現(xiàn)有阻燃耐火光纜提出了更高的挑戰(zhàn)，為達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)等級，我們從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用和工藝控制等方面進(jìn)行了綜合考慮，提出了一種滿足該標(biāo)準(zhǔn)等級要求的阻燃耐火光纜。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）采用雙層金屬鎧裝層的結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)層為鋼帶鎧裝層，外層為鋼絲鎧裝層。鋼的熔點在1500℃左右，即使在耐火試驗最高溫度950℃情況下也不會發(fā)生形變，同時金屬鎧裝層能夠隔絕火焰向內(nèi)燃燒，從而提高光纜的阻燃耐火效果。

（2）采用雙層非金屬耐火帶設(shè)計，并分別采用縱包和繞包的工藝包覆于光纜內(nèi)部，非金屬耐火帶耐溫等級高，并具有良好的隔熱效果，可在光纜燃燒時減少熱量向內(nèi)傳遞，從而降低高溫對光纖通信的影響。

（3）采用耐火內(nèi)護(hù)套+阻燃外護(hù)套設(shè)計，為滿足IEC 60332-3C成束燃燒試驗，并考慮到此款光纜的敷設(shè)場景，因此選擇抗開裂高阻燃低煙無鹵聚烯烴作為光纜外護(hù)套，其在具有較好的阻燃性能同時，具有較好的機(jī)械性能、環(huán)境性能。此外，內(nèi)護(hù)套采用低煙無鹵陶瓷化聚烯烴，其在高溫或火焰條件形成的陶瓷化殼體會進(jìn)一步增強(qiáng)光纜的耐火效果。

（4）基于IEC 61034-1標(biāo)準(zhǔn)對光纜燃燒時產(chǎn)生的煙霧透光率≥60%的煙密度要求，本次采用全干式設(shè)計，摒棄傳統(tǒng)油膏，松套管和纜芯均采用干式阻水材料填充，在滿足滲水要求的同時，避免了油膏對光纜的助燃效果及油膏燃燒時產(chǎn)生的大量煙霧影響。

2.2 耐火材料選用

（1）低煙無鹵陶瓷化聚烯烴內(nèi)護(hù)套

基于陶瓷化材料特性，其在火焰狀態(tài)下或500℃以上高溫下會迅速硬化并逐漸陶瓷化，形成一層堅硬且致密的陶瓷化殼體隔氧層，并隔絕火焰向內(nèi)延然，可耐1200℃～1600℃持續(xù)高溫。低煙無鹵陶瓷化聚烯烴作為內(nèi)護(hù)套材料，在火焰狀態(tài)下或500℃以上高溫能逐漸陶瓷化，形成一層堅硬的陶瓷化殼體，其殼體強(qiáng)度高、抗震動性能好，且具有耐火、隔熱、降溫、隔水效果，提升了光纜的整體耐火性能。

（2）非金屬耐火帶

為增強(qiáng)光纜的耐火隔熱效果，我們選取了兩類非金屬耐火帶，一類是雙面合成云母帶，雙面合成云母帶是通過硅樹脂將合成云母和雙層補(bǔ)強(qiáng)材料粘合為一體，具有優(yōu)異的耐燃性能和耐高溫性能，其耐溫等級最高可達(dá)800℃～1100℃；另一類為低煙無鹵陶瓷化帶，其耐火原理與低煙無鹵陶瓷化聚烯烴原理相同，通過燃燒時形成的陶瓷化殼體提升光纜的耐火性能，同時其加入了補(bǔ)強(qiáng)材料，具有較高的拉伸強(qiáng)度和柔韌性，可作為包覆材料使用。這兩類材料具有極好的耐火特性，可有效阻隔或延緩光纜燃燒時產(chǎn)生的熱量傳遞至纜芯內(nèi)部，從而降低燃燒過程中對光纖的影響。

（3）金屬鎧裝層

內(nèi)層金屬鎧裝層采用雙面覆膜鍍鉻鋼帶，外圍金屬鎧裝層選用細(xì)圓低碳鍍鋅鋼絲，光纜燃燒過程中阻緩火焰入侵，同時有提升光纜機(jī)械性能的效果，此外，低碳鍍鋅鋼絲模量較低，鎧裝絞合易成形，同時采用電鍍鋅技術(shù)，具有防腐蝕效果。

（4）高阻燃低煙無鹵聚烯烴外護(hù)套

此款光纜主要應(yīng)用于地鐵隧道中，因此要求光纜外護(hù)套具備適應(yīng)于在該環(huán)境安裝運行的機(jī)械性能、耐環(huán)境性能和阻燃性能。因此外護(hù)套選用的是高阻燃低煙無鹵阻燃聚烯烴，以聚烯烴樹脂為基料，并加入了高效無鹵阻燃劑、紫外線吸收劑、特殊改性劑等，在拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、耐環(huán)境應(yīng)力開裂、耐紫外線輻射強(qiáng)度、低煙性、無鹵性、氧指數(shù)、溫度指數(shù)等方面均有較好的性能。

2.3 工藝控制

（1）套塑工序

此款光纜采用干式套塑工藝，套塑材料仍采用常規(guī)PBT材料，套塑過程中，光纖與套塑專用阻水紗通過放線裝置和張力穩(wěn)定裝置進(jìn)入過纖針管，再通過擠塑機(jī)擠塑PBT套管，因套管內(nèi)無觸變性纖膏，為保證套管圓整，需在套管內(nèi)充入氮氣，并根據(jù)在線測量套管圓整度及時調(diào)整氮氣氣壓。同時，利用CCA裝置通過速差控制、多級水槽溫差、收放線張力等控制方式，保證光纖余長在合理范圍內(nèi)及合格的光學(xué)特性。

（2）成纜工序

松套管和可能有的填充繩以SZ絞方式絞合在中心加強(qiáng)件周圍，纜芯間隙內(nèi)通過直放和繞包多股阻水紗來保障滲水合格?；谀突鹦阅芸紤]，纜芯外包覆一層非金屬耐火帶，以提高對纜芯內(nèi)部的整體保護(hù)效果，要求非金屬耐火帶繞包搭接率達(dá)到30%～50%。

（3）內(nèi)護(hù)工序

鋼帶包覆采用縱包工藝，鋼帶扎紋深度為0.3mm～0.5mm，為保證鋼帶搭接不滲水，鋼帶搭接處采用熱熔機(jī)噴涂。另外，為保證內(nèi)護(hù)套擠塑的工藝穩(wěn)定性及擠塑后外表良好，需采用專用阻燃螺桿，螺桿L/D≥20，同時機(jī)頭各區(qū)擠塑溫度控制在140℃～150℃之間。

（4）鋼鎧工序

內(nèi)護(hù)后采用多根細(xì)圓低碳鍍鋅鋼絲進(jìn)行螺旋絞合，在內(nèi)護(hù)外形成一層鋼絲鎧裝層。為了增強(qiáng)了鋼絲鎧裝層對火焰的隔絕，需盡量減少鋼絲絞合間隙，鎧裝時需盡量選取直徑小于1.0mm的鋼絲，鋼絲數(shù)量則需根據(jù)內(nèi)護(hù)后外徑和鋼絲外徑合理計算得出。鎧裝后，采用一層非金屬耐火帶進(jìn)行繞包，一方面對鎧裝鋼絲進(jìn)行固定，另一方面再次增強(qiáng)光纜的耐火性能。

（5）外護(hù)工序

鋼絲鎧裝后再擠塑一層高阻燃低煙無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套，為保證擠塑穩(wěn)定性和護(hù)套外表，需將擠塑溫度控制在135℃～150℃。

三 試驗驗證

3.1 機(jī)械環(huán)境性能試驗

針對新開發(fā)的地鐵隧道敷設(shè)用阻燃耐火光纜，我們對其進(jìn)行嚴(yán)格的機(jī)械環(huán)境性能試驗測試，其試驗方法及結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)械環(huán)境性能測試方法及測試結(jié)果

3.2 阻燃耐火性能試驗

（1）單根垂直燃燒試驗

根據(jù)IEC 60332-1-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，取一根60cm長的光纜樣品，供火時間60s，試驗結(jié)束后試樣碳化部分上端距離上支架下緣32mm；試樣碳化部分下端距離上支架下緣460mm，測試結(jié)果顯示該項測試通過，試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 單根垂直燃燒現(xiàn)場圖

（2）成束垂直燃燒C類試驗

根據(jù)IEC 60332-3 C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，根據(jù)光纜中非金屬體積，取6根3.5m長的光纜用固定在梯形測試架上將丙烷燃燒器以750℃的火焰與樣品光纜接觸，樣品在強(qiáng)制吹風(fēng)的情況下, 供火時間20min，供火結(jié)束后，樣品光纜上火焰自然熄滅且最大碳化范圍與噴燈底面的距離為1.72m，測試結(jié)果顯示該項測試通過，試驗現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 成束垂直燃燒C類試驗現(xiàn)場圖

（3）耐火試驗

本次耐火試驗我們采用的測試平臺是上海捷勝NH-2電線電纜耐火試驗測試儀，如圖5所示，針對IEC 60332-11/25和BS 6387 CWZ兩類耐火試驗均按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行試驗測試，試驗現(xiàn)場如圖6所示，試驗方法及測試結(jié)果如表3所示。

圖5 耐火試驗測試平臺

圖6 耐火試驗現(xiàn)場圖

表3 耐火試驗測試方法及測試結(jié)果

（4）低煙性能

根據(jù)IEC 61034標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，根據(jù)光纜外徑尺寸取3根光纜樣品光纜，用金屬絲固定在燃燒室的鐵架上，樣品下方放置酒精盤作為火源，點燃酒精盤，利用鎢絲和透明石英燈管的鹵素?zé)糇鳛楣庠床y試光纜燃燒產(chǎn)生煙霧的透光

The paper describes a flame-retardant and fire-resistant optical cable applied in subway tunnel that emphasizes on cable design, material selection and process control. The flame-retardant and fire-resistant optical cable has passed strict testes and the results showed that the mechanical and environment performance comply design. And it also has passed the test of the fire behavior on a single cable and the test on bunched cables procedure C for flame-retardant performance, has passed IEC 60332-11/25 and BS 6387 standard for fire-resistant performance. And the cable possess with low-density smoke and low corrosive gas released when burning in the test.

Subway； Fire resistant；Flame retardant； optical cable； BS 6387

10.3969/j.issn.1673-5137.2016.05.003