儀表電纜的相關(guān)問題探討

王渤

(中科合成油工程股份有限公司，北京 101407)

隨著企業(yè)自動化水平的提高，信息傳輸量越來越大，儀表專業(yè)的電纜用量也隨之增大，電纜著火釀成的重大火災(zāi)事故呈蔓延趨勢。

電纜的結(jié)構(gòu)包括： 導(dǎo)線、絕緣層、屏蔽層、護套層4個主要部分，另外還有填充和承拉部件等。電纜基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電纜基本結(jié)構(gòu)示意

電纜發(fā)生火災(zāi)時具有起火迅速、極易蔓延的特點，由于煙火有毒，撲救困難，容易產(chǎn)生次生災(zāi)害且生產(chǎn)恢復(fù)時間長，因此預(yù)防和減少因電纜引發(fā)的火災(zāi)危害，保護人身和財產(chǎn)的安全成為保障社會公共安全的一個重大問題。

1 阻燃電纜

SH/T 3019—2016《石油化工儀表管道線路設(shè)計規(guī)范》6.2節(jié)規(guī)定：“有火災(zāi)危險場所現(xiàn)場儀表電纜應(yīng)選用阻燃型電纜”。

阻燃性指試樣在規(guī)定的試驗條件下燃燒，在撤去火源后，火焰在試樣上的蔓延僅在限定范圍內(nèi)并且可自行熄滅的特性，即具有阻止或延緩火焰發(fā)生或蔓延的能力。

阻燃電纜構(gòu)造與普通電纜基本相同，區(qū)別僅在于它的絕緣層、護套、外護層以及輔助材料(如包帶和填充物)部分或全部采用阻燃材料。

1.1 阻燃電纜的絕緣層

絕緣層包覆在電纜外圍四周，確保電流只沿著電纜傳輸，并能隔絕電纜與周圍物體形成的電位差。

1.1.1 絕緣材料分類

阻燃電纜常用的絕緣層材料有以下幾種：

1)聚氯乙烯。極性高聚物，電纜制造工藝簡單、價格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性好，具有較好的電氣絕緣性能。

2)聚乙烯。非極性材料，具有較強的防潮性能，絕緣性能優(yōu)良、無毒性，不具有阻燃性，適用于潮濕和易受水浸泡的環(huán)境中。

3)交聯(lián)聚乙烯。含有機過氧化物的聚乙烯，該過氧化物在高溫、高壓及惰性氣體環(huán)境下，與聚乙烯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使熱塑性聚乙烯變成熱固性的聚乙烯。

1.1.2 絕緣材料的工作溫度

1)采用聚氯乙烯、聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯做絕緣層的電纜，其最高允許工作溫度分別為70 ℃，80 ℃，90 ℃。

2)交聯(lián)聚乙烯在130 ℃下可保持彈性狀態(tài)，相對同等截面的聚氯乙烯絕緣層的電纜，截流量可提高約25%。由于儀表電纜以信號傳輸為主，該特性不明顯。

3)短路時，聚氯乙烯電纜的最高溫度不超過160 ℃，交聯(lián)聚乙烯電纜的最高溫度不超過250 ℃。

1.1.3 絕緣材料的選用

下列規(guī)范中對于電纜絕緣材料的選用有如下規(guī)定：

1)GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》3.3.6中規(guī)定：“年最低溫度在-15 ℃以下，應(yīng)按低溫條件和絕緣類型要求選用交聯(lián)聚乙烯、聚乙烯、耐寒橡皮絕緣電纜，低溫環(huán)境不宜選用聚氯乙烯絕緣電纜”。

2)SH/T 3019—2016《石油化工儀表管道線路設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：“一般情況下，電纜宜選用多股銅芯聚乙烯絕緣+聚氯乙烯護套阻燃電纜”。

硅橡膠、氟塑料絕緣材料一般用于耐高溫電纜，硅橡膠絕緣材料可用于低溫-40 ℃的環(huán)境。氟塑料與硅橡膠這兩種絕緣材料比較特殊，價格較貴，普及使用有一定難度，在此不過多討論。

1.2 阻燃電纜的護套層

1.2.1 護套層的作用與材質(zhì)選擇

電纜護套層的作用是使絕緣層與水、空氣或其他物體隔離，防止絕緣層受潮，避免絕緣層受到機械傷害。

使用聚氯乙烯作為護套的阻燃電纜中，聚氯乙烯單鏈由于氯原子存在使得分子鏈成鋸齒彎曲型，且單鏈較粗，燃燒過程會與部分H+生成HCl，而HCl極易與水組合形成鹽酸氣，從而起到一定的阻燃效果。

GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》3.4.1.5中規(guī)定：“除年最低溫度在-15 ℃以下低溫環(huán)境或藥用化學(xué)液體浸泡場所，以及有低毒性要求的電纜擠塑外護層宜選用聚乙烯等低煙、無鹵材料外，其他可選用聚氯乙烯外護層”。該標(biāo)準(zhǔn)中年最低溫度是指1 a中所測得的最低溫度的多年平均值。

北方地區(qū)，年最低溫度均低于-15 ℃，如新疆、內(nèi)蒙古的部分地區(qū)甚至低于-40 ℃，石化項目所用的電纜護套材料應(yīng)選擇耐溫在-30～-40 ℃的聚氯乙烯或硅橡膠，考慮到經(jīng)濟性問題硅橡膠選擇得較少。

儀表電纜的選擇通?？紤]經(jīng)濟實用性以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，選用聚氯乙烯護套，雖然滿足項目所在地的環(huán)境溫度，但這種選擇是否為最佳，還需進一步討論。

1.2.2 護套層的阻燃性

電纜護套的阻燃性能通常是用氧指數(shù)來衡量，氧指數(shù)是指讓試樣燃燒所需要的最低的氧體積分?jǐn)?shù)。氧指數(shù)越大，阻燃性越高，在GB/T 32129—2015《電線電纜用無鹵低煙阻燃電纜料》中規(guī)定： 氧指數(shù)在28%以上的材料就具有一定的阻燃性；GA306.1—2001《阻燃耐火電纜分級標(biāo)準(zhǔn)》中，阻燃特性按GB/T 18380—2008《電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗》驗收；在YD/T 1173—2016《通信電源用阻燃耐火軟電纜》中，要求阻燃電纜的氧指數(shù)不小于30%；在GB/T 8815—2008《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》阻燃性能用氧指數(shù)指標(biāo)考核，指標(biāo)值由供需雙方協(xié)商確定。

材料的氧指數(shù)隨著溫度升高會出現(xiàn)下降現(xiàn)象，當(dāng)氣溫升高而物料的氧指數(shù)降低，如果氧指數(shù)降至21%時，物料便會自動燃燒，該溫度被稱為溫度指數(shù)；一般阻燃電纜的溫度指數(shù)均大于250 ℃。

1.2.3 低煙低鹵及無鹵低煙材料

20世紀(jì)80年代，國際上開始研制無鹵低煙阻燃材料，該材料的優(yōu)點是低煙、無毒，被明火燃燒時，產(chǎn)生金屬氧化物和水蒸氣。由于無鹵阻燃電纜的價格較貴，因此在提高電纜阻燃性和降低鹵酸氣體發(fā)生量之間采取折衷的方式開發(fā)出了低煙低鹵阻燃電纜，它的含鹵量約為含鹵阻燃電纜的33%。

筆者認(rèn)為電纜護套材料可以選用無鹵阻燃化合物，特別是進入中心控制室或有人值守機柜間的電纜，從保證人員的健康并有利于消防滅火的角度考慮，在人員密集場所不宜選用含有鹵素的電纜護套。

在GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2018年版)中僅規(guī)定了消防配電線路的阻燃或耐火電纜具有不產(chǎn)生煙霧的要求；現(xiàn)行HAD 102/11—1996年修訂《核電廠防火》中規(guī)定：“在大量存在的電纜絕緣層和護套應(yīng)當(dāng)使用阻燃、低煙霧、低腐蝕性的材料”；在現(xiàn)行的石化標(biāo)準(zhǔn)中沒有針對電纜毒性的限定。

聚氯乙烯在燃燒過程中會釋放出氯化氫和其他有毒氣體，例如二?欪?英。聚氯乙烯是二?欪?英的主要來源，是二氧(雜)芑家族中最致命的物質(zhì)，是一種眾所周知的致癌物質(zhì)，對人身和環(huán)境有著很大的危害。

隨著防火安全標(biāo)準(zhǔn)的提高和科技的進步，人們環(huán)保意識的增強，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也會有所提升。

2 耐火電纜

耐火電纜是指在規(guī)定的火源和時間條件下燃燒時電纜能持續(xù)地在指定狀態(tài)下運行的能力，即保持線路完整性的能力。在SH/T 3019—2016《石油化工儀表管道線路設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：“用于緊急隔離閥門、SIS勵磁動作、與可燃有毒氣體信號聯(lián)動的電纜宜選用耐火電纜”。

2.1 耐火等級

關(guān)于耐火等級，GB/T 19666—2005《阻燃和耐火電線電纜通則》有明確規(guī)定及劃分；GA 306.2—2007《阻燃劑耐火電纜 塑料絕緣阻燃及耐火電纜分級和要求 第2部分： 耐火電纜》中規(guī)定： 耐火分一、二、三、四級，耐火標(biāo)記NH，線路完整性試驗按GB/T 19216.21—2003《在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性試驗》規(guī)定，將耐火試驗分A和B兩種級別。

耐火電纜在現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)中分為阻燃和非阻燃，以滿足不同的應(yīng)用場所和用途，所用的驗收標(biāo)準(zhǔn)也不同。煤化工及石化裝置設(shè)計中選用耐火電纜時，一般都會選用耐火阻燃型電纜。

2.2 護套材料的選擇

1)TICW/06—2009《計算機與儀表電纜》第5.8.1條中規(guī)定護套應(yīng)為擠包固體介質(zhì)的一種，耐火電纜護套材料見表1所列。

表1 耐火電纜護套材料

2)GB/T 12706.1—2008《額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件 第1部分： 額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到3 kV(Um=3.6 kV)電纜》13.2節(jié)中規(guī)定外護套為熱塑性材料(聚氯乙烯、聚乙烯或無鹵材料)或彈性材料(聚氯丁烯、氯磺化聚乙烯或類似聚合物)。如果要求在火災(zāi)時電纜能阻止火焰的燃燒、發(fā)煙少以及沒有鹵素氣體釋放，應(yīng)采用無鹵型護套材料。

聚氯乙烯樹脂本身的氧指數(shù)為45%，然而聚氯乙烯電纜料中加入了大量的增塑劑及其他助劑，使其阻燃性能降低，氧指數(shù)降到24%，由此可以看出耐火電纜的護套層材料與阻燃電纜沒有直接關(guān)系。

3 不同標(biāo)準(zhǔn)對阻燃等級的要求

電纜的阻燃性、煙霧的密度等涉及火災(zāi)人身安全，在這些方面國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)有著較大區(qū)別，美國防火標(biāo)準(zhǔn)較關(guān)注電纜的阻燃性、煙霧的密度，但是國標(biāo)及歐標(biāo)對此有不同的定義。

3.1 中國標(biāo)準(zhǔn)

在石化裝置中儀表電纜往往是電纜集束敷設(shè)，在GB/T 19666—2005《阻燃和耐火電線電纜通則》中5.1.2規(guī)定電纜的成束阻燃性能必須符合表2的要求。

表2 電纜的成束阻燃性能要求

注： 1) ZD適用于試樣外徑不大于12 mm的電線電纜。

3.2 美國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 美國標(biāo)準(zhǔn)

美國標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)燃燒物的易燃程度，從低到高定義了家居級、通用級、商用級、干線級、增壓級5個級別，其中增壓級阻燃為目前美國標(biāo)準(zhǔn)系列要求最苛刻、火災(zāi)時安全耐燃程度最高的級別。

3.2.2 IEC標(biāo)準(zhǔn)

IEC 60332-1、2分別用來評定單根線纜按垂直和傾斜布放時的阻燃能力；IEC 60332-3用來評定成束線纜垂直燃燒時的阻燃測試。IEC 60332-1、2單根電纜燃燒測試防火等級較低，較容易燃燒，而且容易回火；而IEC 60332-3采用成束電纜的垂直燃燒測試，阻燃等級比IEC 60332-1、2的高。

3.2.3 對火災(zāi)人身安全的觀點

美國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)對火災(zāi)人身安全有著不同的觀點。

1)美國標(biāo)準(zhǔn)?；馂?zāi)的根源在于CO的產(chǎn)生，以及其后的燃燒過程中CO轉(zhuǎn)化為CO2的熱釋放，控制燃燒過程中的熱釋放量可減少火災(zāi)的危害。

2)IEC標(biāo)準(zhǔn)。在燃燒中產(chǎn)生的鹵酸釋放量、氣體腐蝕性、煙霧濃度及氣體毒性，是決定人能否安全脫離火災(zāi)現(xiàn)場的主要因素。

3)為此，在控制室等有人值守場所可用IEC標(biāo)準(zhǔn)要求的電纜，在無人值守的機柜間可用美國標(biāo)準(zhǔn)要求的電纜。美國標(biāo)準(zhǔn)要求的電纜不易燃燒，但釋放有毒氣體；IEC標(biāo)準(zhǔn)要求的電纜著火點低，不釋放有毒煙氣。

3.3 儀表電纜阻燃等級

近幾年的煤化工及石化項目中，儀表電纜的阻燃選擇A，B，C的都有，據(jù)筆者了解阻燃A比阻燃C造價高10%左右。

煤化工及石化裝置中的中心控制室多采用抗爆建筑，既不屬于可燃物較多的生產(chǎn)廠房，又不屬于人員較多的公共建筑。根據(jù)SH/T 3006—2012 《石油化工控制室設(shè)計規(guī)范》4.4.4條規(guī)定： 控制室建筑物耐火等級應(yīng)為一級。SH/T 3017—2013《石油化工生產(chǎn)建筑設(shè)計規(guī)范》附錄A主要生產(chǎn)建筑及輔助生產(chǎn)建筑特征表中對控制室及機柜間的定義見表3所列。

在GB 50229—2006《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火規(guī)范》中規(guī)定：“主控通信樓當(dāng)未采取防止電纜著火后延燃的措施時，火災(zāi)危險性應(yīng)為丙類”。從建筑物的角度劃分進入控制室儀表電纜，使用阻燃級別C的電纜即能滿足現(xiàn)行設(shè)計要求。

表3 輔助生產(chǎn)建筑特征表

SH/T 3019—2016中規(guī)定： 有火災(zāi)危險場所現(xiàn)場儀表電纜應(yīng)選用阻燃電纜，但是沒有規(guī)定阻燃等級，應(yīng)按照裝置特性進行評定。還有就是按照用途劃分，可按照在SH/T 3019—2016中規(guī)定：“用于緊急隔離閥門、SIS勵磁動作、與可燃有毒氣體信號聯(lián)動的電纜宜選用耐火電纜”。這些電纜除耐火外還需提高阻燃等級，特別是與消防相關(guān)的電纜。

綜上所述儀表電纜阻燃級別最低為C級，隨著科技進步，信息和控制系統(tǒng)的安全性、完整性得到大家的格外重視，防火阻燃電纜的標(biāo)準(zhǔn)也會進一步提升和完善。

4 變 形

在煤化工及石化行業(yè)的生產(chǎn)、儲存、輸送等環(huán)節(jié)中，存有大量易燃、易爆物質(zhì)，這些物質(zhì)存在于生產(chǎn)裝置設(shè)備、容器、管道中，如果擴散到大氣環(huán)境中將形成爆炸危險場所，為此在設(shè)計時需要參考相關(guān)的防爆標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 冷變形

在GB/T 3836.15—2017《爆炸性環(huán)境 第15部分： 電氣裝置的設(shè)計、選型和安裝》9.3.11中規(guī)定： 選擇的電纜應(yīng)能減少電纜“冷變形”的影響，注釋中說明電纜使用的材料可能有“冷變形”特性，其中特別指出了低煙和耐火的電纜。電纜的“冷變形”可描述為： 在密封施加壓縮力的地方，電纜引入裝置中的密封件位移產(chǎn)生的壓縮力大于阻止電纜護套變形的力?，F(xiàn)在通常用格蘭作為防止冷變形的措施，但是冷變形與電纜護套材料選擇也是有關(guān)系的。

4.2 熱變形

GB/T 8815—2008《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》H護套級各種型式的熱變形通常不大于50%，斷裂拉伸應(yīng)變多不小于180%。

1)GB/T 32129—2015《電線電纜用無鹵低煙阻燃電纜料》中規(guī)定：

a)無鹵低煙阻燃熱塑性聚烯烴絕緣料和護套料性能的熱變形的試驗結(jié)果不大于50%。

b)無鹵低煙阻燃熱塑性彈性體絕緣料和護套性能的熱變形及100%定伸變形(僅對彈性體)的試驗結(jié)果不大于50%。

c)無鹵低煙阻燃交聯(lián)型聚烯烴絕緣料性能及無鹵低煙阻燃交聯(lián)型聚烯烴護套料性能的熱變形的試驗結(jié)果沒有數(shù)據(jù)要求。

2)耐溫性能除了熱老化的指標(biāo)，熱變形和高溫壓力也是耐溫等級的指標(biāo)。對于熱塑性低煙無鹵阻燃料，熱變形和高溫壓力性能差代表：

a)護套熔點降低且容易變形，相當(dāng)于在低于電纜最高使用溫度時，能使電纜護套變軟，同時在外力及自重的作用下，可使電纜變形甚至破壞絕緣層，從而喪失對電纜的保護。

b)護套易開裂，當(dāng)電纜局部受熱、受力時，容易在較軟的區(qū)域開裂。

c)制造出來的護套阻燃性差，所用材料氧指數(shù)并不低，但電纜在進行燃燒試驗時很難通過并達到合格。

由于阻燃電纜材料中有較多的填充物，導(dǎo)致在熔融狀態(tài)下熔體強度、拉伸比、熔體黏度與非阻燃電纜材料的性能存在較大的差異，從而使模具的選取也有所不同。阻燃絕緣材料采用擠壓式，護套采用擠管式或半擠管式生產(chǎn)；使用擠管式或半擠管式生產(chǎn)時必須考慮拉伸比，有鹵阻燃料拉伸比為6～7，低煙無鹵阻燃電纜料拉伸比為2.5～3.2。理論上，拉伸比越小，表面越光潔。

4.3 存在的問題

在煤化工及石化裝置中采用大量的阻燃電纜，關(guān)于如何減少或避免電纜的“冷變形”，筆者咨詢過國內(nèi)電纜和防爆標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)單位及生產(chǎn)廠家，暫時未有明確結(jié)論。防爆標(biāo)準(zhǔn)中的“冷變形”與電纜標(biāo)準(zhǔn)中的“熱變形”及拉伸比存在著關(guān)聯(lián)，理論及性能也有相近之處，但是在現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)中沒有界定，而且也沒有數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)束語

在煤化工及石化儀表設(shè)計中，電纜是比較成熟的產(chǎn)品，但是在選型問題上需要關(guān)注相關(guān)的細(xì)節(jié)。另外，希望國內(nèi)針對儀表電纜的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)能夠健全、完善，更新及時，讓設(shè)計人員依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有據(jù)可查。