淺析阻燃B1級(jí)電纜的研制、設(shè)計(jì)

（安徽華能電纜集團(tuán)有限公司，安徽 蕪湖 238371）

0 引言

根據(jù)消防認(rèn)證需要，GB 31247—2014 產(chǎn)品等級(jí)制定納入新版DJG08—2048—2016 標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑電氣防火設(shè)計(jì)規(guī)程》，以消防安全需要規(guī)定了產(chǎn)品性能、分級(jí)，并指定了使用場(chǎng)合。隨著社會(huì)不斷的發(fā)展進(jìn)步，B1 級(jí)電纜將廣泛應(yīng)用于高層建筑、商場(chǎng)、學(xué)校、地鐵站、機(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)、展覽館和醫(yī)院等人口密集型公眾場(chǎng)所。

GB 31247—2014《電纜或光纜在受火條件下火焰蔓延、熱釋放和產(chǎn)煙特性的試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)考核項(xiàng)目見(jiàn)表1。主要根據(jù)火焰蔓延特性、熱釋放特性和產(chǎn)煙特性進(jìn)行分級(jí)，同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中附加包括燃燒滴落物/微粒等級(jí)、煙氣毒性等級(jí)和腐蝕性等級(jí)等信息。

表1 GB 31247—2014 標(biāo)準(zhǔn)中B1 級(jí)阻燃電纜或光纜的考核要求

1 研制的思路方案

首先，要考慮該電纜所用的原材料應(yīng)選用無(wú)鹵材料。其次，要使電纜符合上述標(biāo)準(zhǔn)，在電纜的燃燒過(guò)程中，要控制電纜燃燒過(guò)程中縱向火焰不能蔓延太高，橫向燃燒時(shí)不能燃燒填充物及絕緣材料。因此，電纜的填充、包帶及護(hù)套等材料應(yīng)該是具有較高阻燃特性的低煙無(wú)鹵高阻燃材料，電纜的生產(chǎn)工藝也要符合要求。

2 B1級(jí)阻燃電纜的原材料選擇

該系列電纜導(dǎo)體采用無(wú)氧銅（或鍍錫銅等），絕緣采用輻照交聯(lián)無(wú)鹵低煙阻燃聚烯烴（或交聯(lián)聚乙烯等）無(wú)鹵材料，填充選用高溫阻燃填充，包帶采用低煙無(wú)鹵阻高阻燃包帶，內(nèi)護(hù)套采用低煙無(wú)鹵阻燃隔氧層，外護(hù)套材料選用高阻燃低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴護(hù)套料。鑒于該系列電纜的燃燒特性，下面重點(diǎn)介紹導(dǎo)體、絕緣和護(hù)套、填充材料、包帶材料和隔氧層材料的選擇。

2.1 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的選擇

為了避免或減少可燃和發(fā)煙量大的輔助材料的使用，因此在導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上采用異型（扇形、瓦型或者半圓形）導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可以避免或減少電纜在成纜過(guò)程中對(duì)填充材料的使用比例。

2.2 絕緣和護(hù)套材料的選用

在絕緣和護(hù)層的材料選用方面，一般無(wú)鹵低煙阻燃電纜用的絕緣材料都不是阻燃型的材料，燃燒熱值比較高，聚乙烯（交聯(lián)聚乙烯）燃燒值為45.9 MJ/kg，聚氯乙烯的燃燒值為16.43 MJ/kg，如果在燃燒過(guò)程中護(hù)套和填充被燒穿，絕緣層也被燃燒，此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)熱釋放速率峰值、受火1 200 s 內(nèi)熱釋放總量等考核不合格的結(jié)果，而阻燃聚烯烴的燃燒熱值介于這二者之間，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上絕緣層采用輻照交聯(lián)無(wú)鹵低煙阻燃聚烯烴材料，外護(hù)層采用高阻燃低煙無(wú)鹵聚烯烴材料。為了確保電纜在燃燒過(guò)程中，護(hù)套材料能夠迅速凝固結(jié)殼，防止火焰向上、向里蔓延。確定選擇氧指數(shù)為40 的高阻燃低煙無(wú)鹵聚烯烴護(hù)套材料，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 成纜填充、包帶材料的選用

填充材料可選材料包括耐火泥、玻璃纖維繩、無(wú)機(jī)紙繩和高溫阻燃填充繩等。在產(chǎn)品試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)耐火泥雖然阻燃特性良好，但是會(huì)增加外徑，也會(huì)影響填充后電纜的彎曲半徑和絕緣效果；玻璃纖維繩阻燃特性很好，但是在生產(chǎn)和安裝敷設(shè)時(shí)，會(huì)使人的皮膚過(guò)敏；無(wú)機(jī)紙繩在生產(chǎn)過(guò)程中易斷裂，同時(shí)含有石棉，會(huì)對(duì)人體造成傷害。選用高溫阻燃填充繩，該材料不含玻纖、石棉、鹵素等有害物質(zhì)，符合ROHS 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，重量輕，同比之下是玻璃纖維繩、石棉繩重量的1/3 ～1/5；是一種對(duì)人身及環(huán)境友好的環(huán)保型材料，且阻燃效果顯著。

成纜包帶材料可以選用阻燃無(wú)紡布、玻璃纖維帶、低煙無(wú)鹵高阻燃帶等材料。在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，考慮到阻燃無(wú)紡布含有一定的鹵素，不符合產(chǎn)品的使用要求。玻璃纖維帶阻燃特性雖好，生產(chǎn)和施工時(shí)，易產(chǎn)生過(guò)敏反應(yīng)。低煙無(wú)鹵阻燃包帶具有更高的無(wú)鹵低煙阻燃特性并且伸長(zhǎng)率高、繞包緊密、不開(kāi)裂，易于加工生產(chǎn)，對(duì)人身安全。

2.4 擠制隔氧層結(jié)構(gòu)

擠制隔氧層采用氧指數(shù)不低于45 的無(wú)鹵阻燃材料，并在隔氧層外繞包低煙無(wú)鹵高阻燃包帶；隔氧層采用的氫氧化物阻燃劑被燃燒時(shí)發(fā)生分解反應(yīng)，該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，吸收周圍空氣中的大量熱量，可有效降低電纜燃燒熱釋放總量。

阻燃B1級(jí)電纜試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中，燃燒根數(shù)與樣品中金屬材料體積（金屬導(dǎo)體截面積）大小無(wú)關(guān)，僅僅與樣品的外徑有關(guān)，也就是樣品外徑越大，參加燃燒的樣品根數(shù)越少。當(dāng)樣品外徑處于上下檔時(shí)，外徑因素影響很大，外徑大的樣品比外徑小的樣品符合標(biāo)準(zhǔn)要求的可能性大一些。因此在進(jìn)行隔氧層設(shè)計(jì)時(shí)，大規(guī)格產(chǎn)品隔氧層厚度比小外徑產(chǎn)品的隔氧層厚度要小些。

3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)電纜的研制思路方案，筆者最終確定試制一種低煙無(wú)鹵阻燃B1 級(jí)電纜，選擇的電纜型號(hào)規(guī)格為：WDZB1-YJ（F）Y23-0.6/1kV 3×120+1×70mm2，該電纜的生產(chǎn)工藝流程圖如下。導(dǎo)體絞制 →輻照交聯(lián)聚乙烯絕緣→輻照交聯(lián)→成纜繞包（填充）→ 擠包內(nèi)護(hù)套→鍍鋅鋼帶鎧裝→雙層包帶→擠包外護(hù)套。根據(jù)設(shè)計(jì)思路，電纜的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 關(guān)鍵工序生產(chǎn)過(guò)程控制要點(diǎn)

在電纜生產(chǎn)過(guò)程中，導(dǎo)體絞合、絕緣擠出、交輻照聯(lián)、鎧裝等工序按照正常生產(chǎn)工藝即可達(dá)到良好的工藝效果，該電纜的關(guān)鍵工序控制點(diǎn)是成纜繞包及內(nèi)外護(hù)套擠出工序，這幾道工序控制不好會(huì)對(duì)電纜的燃燒特性有較大的影響。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原材料不僅要滿足火焰蔓延高度要求標(biāo)準(zhǔn)，還要保證燃燒期間非金屬材料燃燒火焰的均勻性，因此在燃燒火焰的平穩(wěn)性方面生產(chǎn)時(shí)應(yīng)注意5 點(diǎn)。1）電纜絕緣及護(hù)層在擠出時(shí)厚度應(yīng)均勻，偏心度控制在10%以內(nèi)；由于護(hù)套采用低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴，該材料的氧指數(shù)比較高，在40 左右，材料的黏度大，擠出時(shí)拉伸比小，要滿足電纜的阻燃特性，為了保證電纜的密實(shí)性，減少由于電纜護(hù)套松動(dòng)、中間的空隙大導(dǎo)致在燃燒過(guò)程中，傳熱的速度加快，熱釋放等相關(guān)特性超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，要求采用擠壓式生產(chǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中，首先選擇合適的擠出螺桿；其次選擇好匹配的模具，確保壓力合適；最后要控制好放線張力、牽引及收線張力，確保擠出過(guò)程中線速度穩(wěn)定，避免因張力不穩(wěn)而造成的脫膠等問(wèn)題的出現(xiàn)。所以該工序的過(guò)程控制至關(guān)重要。2）成纜工序。在該工序中，要確保纜芯填充要充實(shí)、圓整，線芯張力一致，繞包帶的張力、繞包節(jié)距、寬度及搭蓋率要嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝要求，要求采用0.2 mm 厚度的雙層無(wú)鹵低煙高阻燃包帶重疊繞包，繞包搭蓋率不小于30%。繞包帶一定要繞包平整、緊密，無(wú)松包、鼓包、漏包等現(xiàn)象，確保繞包后纜芯應(yīng)圓整，繞包層表面平整，無(wú)褶皺。3）成纜節(jié)距應(yīng)均勻，成纜后外形應(yīng)均勻圓整，嚴(yán)禁出現(xiàn)非規(guī)則形狀電纜。4）鎧裝工序：鎧裝材料選用鍍鋅鋼帶，雙層間隙繞包，內(nèi)層鋼帶的間隙為外層鋼帶靠近中間的部位所覆蓋，其間隙不能大于鋼帶寬度的50%。選用鎧裝結(jié)構(gòu)有利于通過(guò)熱釋放試驗(yàn)的要求。5）在生產(chǎn)過(guò)程中，在成纜和護(hù)層擠制過(guò)程中的牽引履帶壓力應(yīng)控制均勻，避免線芯在過(guò)牽引后發(fā)生壓扁的現(xiàn)象。

5 電纜性能測(cè)試結(jié)果

以下是對(duì)所研制設(shè)計(jì)的0.6/1kV 及以下B1 級(jí)阻燃電纜WDZB1-YJ（F）Y23-0.6/1kV 3×120+1×70mm2的性能進(jìn)行的試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)該電纜阻燃特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足GB/T 3124—2014 標(biāo)準(zhǔn)和要求。

表2 0．6 kV/1 kV 及以下B1 級(jí)阻燃電纜主要性能測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)阻燃B1 級(jí)電纜研制思路方案、原材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵工藝控制及燃燒特性試驗(yàn)情況的闡述，表明該電纜已經(jīng)研制成功。公司研發(fā)的阻燃B1 級(jí)電纜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)春地鐵、合肥地鐵、南寧地鐵等重點(diǎn)項(xiàng)目，運(yùn)行良好，得到用戶的一致好評(píng)。