船用核安全級電纜研制

王云帆,樊 群,楊佳昱,于 帥,李永江*

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所,武漢 430064;2.南京全信傳輸科技股份有限公司,南京 211113)

0 引 言

隨著北極航道常態(tài)化通行的可能性日益增加,以俄羅斯為代表的主要造船國家開始建造核動力船,由此開啟了對船用核安全級電纜的需求。 船載核反應(yīng)堆艙作為核動力船舶的最后一道實體屏障,直接關(guān)系到船舶的整體安全。 在船舶航行的正常工況和事故工況下,船載核反應(yīng)堆艙應(yīng)能與相鄰艙室實現(xiàn)隔離,防止高壓、高溫、蒸汽的侵入,保障人員安全。 基于船舶航行工況、電纜敷設(shè)路徑和核環(huán)境等多種因素,船載核反應(yīng)堆艙內(nèi)電纜或保堆設(shè)備用電纜(以下稱“船用核級電纜”)除應(yīng)滿足船用電纜的相關(guān)性能外,還應(yīng)同時具備海洋環(huán)境適應(yīng)性,如“三防”、環(huán)保和核安全性能,如經(jīng)老化、輻照、設(shè)計基準(zhǔn)事件(DBE)事故仍能正常工作。 截至目前,尚無具體的標(biāo)準(zhǔn)對船用核安全級電纜予以規(guī)定和指導(dǎo)。 本工作結(jié)合實際工作和產(chǎn)品開發(fā)情況對此進(jìn)行了歸納,以期對行業(yè)有所裨益。

1 船用核級電纜關(guān)鍵性能

根據(jù)GB/T 22577—2008《核電站用1E 級電纜通用要求》[1]標(biāo)準(zhǔn),核電站用1E 級電纜,即核安全級電纜分為K1、K2、K3 等3 個安全等級。 不同于核電站用核級電纜的細(xì)致分類,因尚無相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),故船用核級電纜的分類并不明確,值得商榷。 從核動力船舶特點和電纜應(yīng)用情況來看,目前船用核級電纜主要是指堆艙用電纜,其類似于陸上核電站的K1 類電纜,主要用于船舶核反應(yīng)堆艙內(nèi)及貫穿艙內(nèi)外設(shè)備所需電能、信號的傳輸與控制,關(guān)鍵性能兼顧船用電纜常規(guī)性能、海洋環(huán)境適應(yīng)性能和核安全功能性能。 具體項目及試驗方法見表1。

表1 船用核級電纜關(guān)鍵試驗項目和參考標(biāo)準(zhǔn)

2 船用核級電纜設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

船用核級電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計須充分考慮海洋、核環(huán)境下的電氣性能和安全性能,除低煙、無鹵、低毒、阻燃等燃燒性能和耐鹽霧、濕熱、霉菌、油霧等氣候性能外,還須考慮高溫、高壓、蒸汽,以及γ 射線輻照等因素的影響。 船用核級電纜基本的主體結(jié)構(gòu)與船用電纜相同,區(qū)別在于特殊的絕緣型式、隔離層設(shè)置及材料選擇。 其中,絕緣型式和材料選擇主要基于壽命和燃燒性能考慮;隔離層設(shè)置主要基于DBE 事故后的功能實現(xiàn)考慮;所有電纜在鎧裝內(nèi)設(shè)置擠包內(nèi)襯層或內(nèi)護(hù)套。

2.1.1 控制電纜

船用核級控制電纜的典型結(jié)構(gòu)包括單護(hù)套電纜、鎧裝型無內(nèi)護(hù)套(有內(nèi)襯層)電纜和鎧裝型雙護(hù)套電纜等,鎧裝型無內(nèi)護(hù)套(有內(nèi)襯層)電纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 鎧裝型無內(nèi)護(hù)套(有內(nèi)襯層)電纜結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 儀表通信電纜

船用核級儀表通信電纜的典型結(jié)構(gòu)包括鎧裝型單護(hù)套電纜和鎧裝型雙護(hù)套電纜;根據(jù)屏蔽情況又分為無分屏蔽和有分屏蔽兩種結(jié)構(gòu),有分屏蔽的電纜在分屏蔽外繞包聚酯帶作為屏蔽絕緣。 鎧裝型雙護(hù)套電纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 鎧裝型雙護(hù)套電纜結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 材料選擇

為了達(dá)到船用核級電纜的關(guān)鍵性能要求,結(jié)合船用電纜和核電站用1E 級電纜的設(shè)計應(yīng)用經(jīng)驗,設(shè)計方案中控制電纜絕緣、儀表通信電纜絕緣分別采用乙丙橡膠和交聯(lián)聚乙烯,護(hù)套采用交聯(lián)聚乙烯,所有材料均為低煙、無鹵、低毒的阻燃材料。

選擇交聯(lián)聚乙烯和乙丙橡膠作為絕緣材料,以乙酸乙烯共聚物(EVA)為基材的阻燃交聯(lián)聚烯烴為護(hù)套材料,主要是考慮電纜經(jīng)DBE 事故后,在高溫、高壓、蒸汽環(huán)境下,不會發(fā)生永久塑性形變,可以保證電纜的正常結(jié)構(gòu)。 在材料實現(xiàn)上考慮到熱壽命、輻照老化性能,防老體系應(yīng)耐受γ 射線照射。 相關(guān)原理為高聚物經(jīng)輻照后,產(chǎn)生聚合物自由基,自由基與所選防老劑結(jié)合,終止聚合物自由基反應(yīng),實現(xiàn)預(yù)防老化、延長壽命的目的。

2.3 關(guān)鍵工藝

船用核級電纜生產(chǎn)工藝的控制要點主要集中在導(dǎo)體絞合、絕緣層、屏蔽隔離層、擠包內(nèi)襯層(或護(hù)套)和擠包外護(hù)套。

2.3.1 導(dǎo)體絞合

基于船用核級電纜在事故環(huán)境下須具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐擠壓性能和電氣安全性能,產(chǎn)品從內(nèi)而外應(yīng)盡可能圓整、密實。 因此,控制和儀表通信電纜的導(dǎo)體選擇19 根單絲替代常規(guī)的7 根單絲,經(jīng)正規(guī)絞合,使導(dǎo)體結(jié)構(gòu)更緊密,外圍縫隙更小,更有利于擠包絕緣的厚度與同心度的控制。

2.3.2 擠包絕緣、襯層和外護(hù)套

通過免調(diào)偏機(jī)頭采用擠壓式工藝進(jìn)行擠包,可以在偏心后自行調(diào)控,不需要人為調(diào)節(jié),保證大壓力擠包橡塑材料時的同心度;避免在貫穿件密封和事故工況下,導(dǎo)致最薄點發(fā)生故障。

絕緣采用雙層共擠結(jié)構(gòu),內(nèi)層采用分離型(BM)螺桿擠出,外層采用低煙無鹵材料專用螺桿擠出,模套采用擠壓式模套。

內(nèi)襯層和護(hù)套擠出采用低煙無鹵材料擠出設(shè)備,模套應(yīng)比成品外徑略小,使得材料在擠出后有所膨脹,且表面光滑。

絕緣和護(hù)套擠出后,首先測試材料的斷裂伸長率及其各層結(jié)構(gòu)尺寸,測試有余量后,再批量擠出。絕緣和護(hù)套輻照時,熱延伸控制在30% ～50%范圍。

2.3.3 屏蔽隔離層

屏蔽層內(nèi)外設(shè)置重疊繞包隔離層,搭蓋率不小于50%。 隔離層采用黏性高溫聚酰亞胺帶或電氣絕緣級耐高溫聚酯帶。

3 性能測試

3.1 試驗樣品

分別選取典型型號規(guī)格為JKEPJ/SC-H 2×0.75 mm2和JHYJP85/SC-H 24×2×0.6 mm2的控制電纜和儀表電纜作為試驗樣品,并根據(jù)試驗需要分別取同一電纜的不同長度,記為1#、2#樣件。

3.2 試驗方法及流程

常規(guī)性能按照GJB 1916—1994《艦船用低煙電纜和軟線通用規(guī)范》和GJB 774A—2020《艦船用電線電纜通用規(guī)范》規(guī)定的方法執(zhí)行,海洋環(huán)境適應(yīng)性能測試按照GJB 774A—2020 和GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》規(guī)定的方法執(zhí)行,核相關(guān)功能驗證試驗按照GB/T 22577—2008 規(guī)定的方法執(zhí)行。 1#、2#試樣具體的試驗流程見圖3。

圖3 產(chǎn)品試驗流程圖

3.3 測試結(jié)果

3.3.1 常規(guī)性能

本工作對2#試樣進(jìn)行船用核級電纜常規(guī)性能試驗,試驗結(jié)果見表2。

表2 船用核級電纜常規(guī)性能測試結(jié)果

3.3.2 海洋和船舶環(huán)境適應(yīng)性能

為了響應(yīng)船舶“三防”預(yù)案,更好地應(yīng)對船舶油污、海洋強日光、拉敷摩擦的影響,對2#試樣進(jìn)行海洋和船舶環(huán)境適應(yīng)性能試驗,試驗結(jié)果見表3。

表3 船用核級電纜海洋和船舶環(huán)境適應(yīng)性能測試結(jié)果

3.3.3 核安全功能性能

為響應(yīng)核環(huán)境下船舶壽命周期中熱、輻射、發(fā)生事故時的應(yīng)用功能,對1#試樣進(jìn)行了核安全功能性能驗證試驗,測試結(jié)果見表4。

表4 船用核級電纜核安全功能性能測試結(jié)果

由表2、表3 和表4 的測試結(jié)果可知,試制生產(chǎn)的產(chǎn)品試驗均符合技術(shù)要求,達(dá)到設(shè)計預(yù)期,實現(xiàn)了產(chǎn)品同時兼具海洋特殊環(huán)境和核工況的適應(yīng)性,且滿足相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)性能和功能要求。

實測數(shù)據(jù)雖然符合設(shè)計要求,但相關(guān)產(chǎn)品仍具有可優(yōu)化的空間,比如如何在保證電纜單位長度的外徑質(zhì)量基礎(chǔ)上實現(xiàn)分屏蔽隔離層更加密實,屏蔽間絕緣電阻更加優(yōu)異。

4 結(jié)束語

船用核級電纜直接關(guān)系核動力船舶的運行安全,本工作基于對關(guān)鍵性能和試驗項目的分析,完成了船用核級控制與儀表通信電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、試制開發(fā)和產(chǎn)品各項性能測試。 結(jié)果表明,該產(chǎn)品達(dá)到了設(shè)計預(yù)期,實現(xiàn)了相應(yīng)的特殊性能和功能需要。