一種新型高溫壓力試驗(yàn)裝置的研究

柳家成， 姚 遠(yuǎn)， 許 凱， 柏曉雪

（湖北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，武漢 430000）

0 引言

隨著電線電纜應(yīng)用于航天、鐵路等各大工程越來(lái)越廣泛，電線電纜的安全監(jiān)管面臨著挑戰(zhàn)。 電纜護(hù)套不僅起到電氣絕緣作用，同時(shí)可以保護(hù)絕緣層免受到外界環(huán)境的影響。 由于電纜敷設(shè)或使用的場(chǎng)合不同，要求電纜受機(jī)械作用（外力、耐磨、彎曲或扭轉(zhuǎn)）和防潮等能力也不盡相同。 高溫壓力試驗(yàn)反映了試樣在一定溫度下受外界機(jī)械力、自重變形后，再去除外力、降低溫度時(shí)試樣恢復(fù)的能力，主要考察電線電纜絕緣層或護(hù)套層材料在高溫狀態(tài)下的抗壓性能［1-2］。 長(zhǎng)期的高溫壓力試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在高溫情況下，線纜試樣發(fā)生形變會(huì)使傳統(tǒng)裝置的矩形刀片產(chǎn)生位移或傾斜，并且不易更換砝碼影響工作效率。為解決試驗(yàn)裝置存在的不足，本工作研發(fā)新型高溫壓力試驗(yàn)裝置，并以聚氯乙烯護(hù)套材料為例，分別使用新型試驗(yàn)裝置和傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置進(jìn)行高溫壓力試驗(yàn)，按GB／T 2951.31—2008 中的試驗(yàn)方法對(duì)兩種試驗(yàn)裝置進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了新型高溫壓力試驗(yàn)裝置的可靠性。

1 試驗(yàn)方法及傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置

1.1 傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置組成

該試驗(yàn)方法依據(jù)GB／T 2951.31—2008《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法第31 部分：聚氯乙烯混合料專用試驗(yàn)方法——高溫壓力試驗(yàn)-抗開裂試驗(yàn)》，根據(jù)不同類型的電線電纜材料對(duì)應(yīng)不同的溫度進(jìn)行試驗(yàn)。 試驗(yàn)刀具采用矩形刀架，其厚度為（0.70±0.01）mm，刀架及其試樣支架采用能長(zhǎng)期耐受高溫環(huán)境的不銹鋼材料。 傳統(tǒng)高溫壓力試驗(yàn)裝置見圖1，圖1 中試樣支架有（a）、（b）、（c）3 種結(jié)構(gòu)。

圖1 傳統(tǒng)高溫壓力試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)方法及操作

按GB／T 2951.31—2008 要求對(duì)每個(gè)被試護(hù)套除去外護(hù)層（若有）和所有內(nèi)部組件（線芯、填充物、內(nèi)護(hù)層、鎧裝等，若有）取長(zhǎng)度約250 ～500 mm 的樣段，然后截取其相鄰的3 個(gè)試樣。 試樣長(zhǎng)度為50 ～100mm（直徑取較大值）［3］。

作用在試樣上壓力（F）按式（1）計(jì)算：

式中：k為有關(guān)電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的系數(shù)；D為試樣的直徑，mm；δ為試樣厚度平均值，mm。

計(jì)算出的壓力值可以向較小值化整，但舍去的值不應(yīng)超過3%。 試驗(yàn)加熱時(shí)間按照有關(guān)電纜產(chǎn)品規(guī)定，若沒有規(guī)定，則按試樣外徑不大于15 mm 時(shí)，加熱時(shí)間為4 h；試樣外徑大于15 mm 時(shí)，加熱時(shí)間為6 h［3］。

試樣加熱需要在空氣烘箱中進(jìn)行，試驗(yàn)裝置和樣品在烘箱中不應(yīng)振動(dòng)，任何使烘箱振動(dòng)的設(shè)備不允許與烘箱接觸，烘箱的溫度應(yīng)一直保持在相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度范圍之內(nèi)。

規(guī)定的加熱時(shí)間結(jié)束后，試樣須在壓力作用下迅速冷卻（可采用冷水噴射試樣），當(dāng)試樣冷卻至常溫不再變形時(shí)取出，浸入冷水中進(jìn)一步冷卻后對(duì)試樣進(jìn)行切片。 使用數(shù)顯投影儀測(cè)量壓痕深度，壓痕測(cè)量方法見圖2，圖中壓痕距離為所測(cè)壓痕深度。

圖2 護(hù)套壓痕測(cè)量方法

外徑6 mm 及以下的管狀絕緣試樣應(yīng)在壓痕處和壓痕附近橫向切取兩個(gè)試片，測(cè)量方法見圖3，其中剖面1 間距為受高溫壓力試驗(yàn)后的壓痕厚度，剖面2 中間距為絕緣樣品初始狀態(tài)厚度，壓痕深度應(yīng)是剖面圖1 和剖面圖2 在顯微鏡下的測(cè)量值之差［3］。

圖3 絕緣壓痕測(cè)量方法

護(hù)套試樣切取時(shí)應(yīng)盡量取壓痕較中間的位置，切取方式通常使用窄條法：沿著試樣的軸向方向，垂直于壓痕，從試樣上切取一片窄條試片（切取時(shí)應(yīng)避免靠近壓痕的始端和末端）。 在投影儀或顯微鏡下，測(cè)量壓痕底部和試片外側(cè)之間的距離為其壓痕深度。 取3 個(gè)試樣上測(cè)量的壓痕中間值，應(yīng)不大于試樣厚度平均值的50%。

1.3 影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的因素

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，刀具是否垂直加載于試樣表面是該試驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的主要因素。 GB／T 2951.31—2008 要求試驗(yàn)刀具必須垂直于試樣軸線，試驗(yàn)裝置和樣品在烘箱中不應(yīng)振動(dòng)。 標(biāo)準(zhǔn)中下掛砝碼式的長(zhǎng)方形刀具，安裝樣品必須由刀具中孔穿過，操作不方便。 遇到不規(guī)則凸起或圓形管狀試樣時(shí)，刀具很難固定在樣品上，稍有晃動(dòng)刀具就可能掉落。 高溫壓力試驗(yàn)須先將試驗(yàn)裝置放入高溫箱中進(jìn)行預(yù)熱，再迅速放入試驗(yàn)樣品并關(guān)閉高溫箱門，以防止熱量損失。 移動(dòng)樣品架和開關(guān)箱門的晃動(dòng)都可能導(dǎo)致試驗(yàn)失敗或數(shù)據(jù)異常。 如果在高溫箱內(nèi)安裝樣品稍有不慎還可能造成人員燙傷。 若前期正常安裝，樣品在高溫的作用下發(fā)生形變后，產(chǎn)生的微小傾斜也可能造成數(shù)據(jù)異常，嚴(yán)重時(shí)可能造成刀具滑落導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

2 高溫壓力試驗(yàn)裝置優(yōu)化

針對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)裝置中發(fā)現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)了一款新型高溫壓力裝置，改進(jìn)后的試驗(yàn)裝置示意圖見圖4。

圖4 新型高溫壓力試驗(yàn)裝置示意圖

該新型高溫壓力試驗(yàn)裝置在底盤上至少安裝一組托架，該型托架包括4 個(gè)帶凹形槽的支柱，相鄰的兩個(gè)支柱之間布置有刀架，試驗(yàn)時(shí)刀架的兩端部與凹形槽滑動(dòng)配合，中部固定安裝有用于夾持矩形刀片的夾持裝置。 該裝置在刀架上方固定安裝砝碼托盤，刀架下布置有用于固定線纜試樣的支撐件。 在試驗(yàn)時(shí)支柱和矩形刀片豎直布置于試樣上且與支撐件的軸線垂直。 4 個(gè)支柱頂部有可拆卸連接橫桿，用于固定4 個(gè)支柱在負(fù)載時(shí)不受擠壓，有效避免質(zhì)量損失或摩擦損失。 所述壓力試驗(yàn)裝置的矩形刀片固定在線纜試樣上方，只能在凹形槽中上下移動(dòng)，試驗(yàn)過程產(chǎn)生的晃動(dòng)和高溫作用下線纜試樣發(fā)生的形變均不會(huì)使矩形刀片產(chǎn)生位移或傾斜，穩(wěn)定性高適用于高溫壓力試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)對(duì)比

3.1 試驗(yàn)裝置對(duì)比

新型高溫壓力試驗(yàn)裝置與傳統(tǒng)高溫壓力裝置的對(duì)比：①新型高溫壓力試驗(yàn)裝置增加了負(fù)載固定輔助裝置，保證刀口和負(fù)載垂直作用于試樣表面，不會(huì)發(fā)生位移；②新型試驗(yàn)裝置的刀架在滑軌中上下滑動(dòng)，試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的晃動(dòng)對(duì)矩形刀片未產(chǎn)生不利影響；③該裝置更換砝碼易操作，有利于批量試驗(yàn)，可以提高試驗(yàn)效率。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

使用新型高溫壓力試驗(yàn)裝置與傳統(tǒng)高溫壓力試驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)，試驗(yàn)采用聚氯乙烯（ST2）護(hù)套材料為樣品。 聚氯乙烯試樣型號(hào)規(guī)格為YJV22-0.6／14×240，護(hù)套平均厚度3.6 mm。 試驗(yàn)中不改變操作人員、高溫烘箱及壓痕測(cè)量設(shè)備。 試驗(yàn)方法依據(jù)GB／T 2951.31—2008［4］進(jìn)行操作。 使用新型和傳統(tǒng)裝置對(duì)樣品進(jìn)行6 組高溫壓力對(duì)比試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求每組測(cè)量3 個(gè)試片的壓痕深度，壓痕深度的中間值與樣品平均厚度的比值不大于50%。 兩種試驗(yàn)裝置測(cè)量結(jié)果比對(duì)見表1。

表1 兩種試驗(yàn)裝置測(cè)量結(jié)果比對(duì)

由表1 可知：高溫壓力試驗(yàn)受人員或設(shè)備影響數(shù)據(jù)均存在偏差，試驗(yàn)通過6 組聚氯乙烯（ST2）護(hù)套材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度90 ℃，試驗(yàn)時(shí)間6 h，傳統(tǒng)裝置壓痕深度中間值與平均厚度的比值在15% ～20%之間，新型試驗(yàn)裝置壓痕深度中間值與平均厚度的比值在16% ～20%之間，可見兩者結(jié)果區(qū)間基本一致。 新型試驗(yàn)裝置類比標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)裝置在排除傳統(tǒng)裝置刀具傾斜的因素影響下，試驗(yàn)結(jié)果表明新型試驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)具備可靠性。

為進(jìn)一步探究試驗(yàn)裝置對(duì)壓痕深度影響，依據(jù)表1 數(shù)據(jù)繪制圖5。

圖5 兩種試驗(yàn)裝置散點(diǎn)圖

由圖5 可知：不同的試驗(yàn)裝置作用下，試樣壓痕深度并非恒定，而是在一個(gè)小幅度范圍內(nèi)波動(dòng)。 新型試驗(yàn)裝置壓痕波動(dòng)范圍為0.537 ～0.808 mm，傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置壓痕波動(dòng)范圍為0.526 ～0.759 mm，最大相差約0.049 mm。 可知新型試驗(yàn)裝置壓痕深度普遍高于傳統(tǒng)裝置，因此在不排除刀具傾斜情況下，新型試驗(yàn)裝置比傳統(tǒng)裝置數(shù)據(jù)具備參考性。 高溫壓力試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)要求每3 個(gè)試樣為一組，由圖4 可知：即使在不改變?cè)囼?yàn)裝置的情況下，數(shù)據(jù)同樣存在偏差。 因此，衡量試驗(yàn)裝置穩(wěn)定性以區(qū)間形式呈現(xiàn)更具備參考性。 由以上分析表明，新型試驗(yàn)裝置在具備穩(wěn)定性和簡(jiǎn)便性的同時(shí)也更好地驗(yàn)證了試驗(yàn)樣品在高溫壓力下的抗壓能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本工作介紹了高溫壓力試驗(yàn)的操作方法和常見的問題，通過分析影響試驗(yàn)的主要影響因素，發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)裝置時(shí)，高溫下線纜試樣形變導(dǎo)致矩形刀片產(chǎn)生位移或傾斜是導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的主要因素之一，進(jìn)而設(shè)計(jì)一款新型高溫壓力試驗(yàn)裝置。 新型試驗(yàn)裝置與傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置在結(jié)構(gòu)上使用不同的施壓方式，通過對(duì)兩種裝置的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析，證明新型高溫壓力試驗(yàn)裝置滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性要求。 新型試驗(yàn)裝置操作簡(jiǎn)便，改善了試驗(yàn)裝置操作人員在移動(dòng)、更換砝碼時(shí)出現(xiàn)刀具掉落的情況，提高了試驗(yàn)效率。 改進(jìn)后的高溫壓力試驗(yàn)裝置可為電線電纜工作者提供借鑒和幫助。