一級建筑用難燃耐火電纜的研制及應用

高振軍,張開拓

(1.浙江萬馬股份有限公司,杭州 311305;2.河南工學院,新鄉(xiāng) 453004)

0 引 言

電線電纜行業(yè)是伴隨國民經濟和科技發(fā)展而產生的基礎工業(yè),只要有電能、信息傳輸、電磁能轉換的場所,就有電線電纜的存在。 因此,電線電纜被譽為電力工程、信息傳輸和機械儀表系統的“血管和神經”。 在國內高層公共建筑、特級體育建筑,特級展覽建筑、地下公共建筑(綜合商場、地鐵站等)、餐飲及其人員密集的公共場所中,阻燃電纜和阻燃耐火電纜應用尤為廣泛。 傳統的阻燃電力電纜主要以滿足GB/T 19666—2019《阻燃和耐火電線電纜或光纜通則》中成束阻燃性能、耐火性能為主,無法兼顧滿足GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級》中規(guī)定的燃燒性能B1級[1-3]。

目前,市場上銷售的燃燒性能B1級和同時達到阻燃A 類的途徑有以下3 種:①在防火不燃型礦物絕緣電纜結構和技術的基礎上研發(fā)或延伸開發(fā)出來的,將原有的鉆石泥、防火泥等結構組合式地應用到阻燃電纜結構上;②在常規(guī)阻燃A 類電纜的結構和技術上,增加最小氧指數為42% 的聚烯烴隔氧內襯層或擠制陶瓷聚烯烴復合材料內襯層;③將礦物絕緣防火電纜技術疊加在常規(guī)阻燃A 類電纜結構上,即在常規(guī)阻燃電纜外護套的內側增加鉆石泥、防火泥內襯層。

無論是哪種結構形式,雖然產品的阻燃性能得到了大大地提升,但是,產品在敷設和運行過程中,常常存在以下3 個方面的缺陷。 ①產品是為滿足燃燒、阻燃試驗而設計的,無法滿足現場敷設、安裝和運行維護等方面的需求,產品阻燃性能尚可,但鉆石泥、防火泥、聚烯烴隔氧層的彎曲性能較差,極易吸潮和斷裂;陶瓷聚烯烴護層的結殼性能一般,且材料幾乎接近失去塑性,防潮性能較差,類似的產品設計,給產品的質量和使用壽命埋下了隱患。 ②鉆石泥、防火泥、聚烯烴隔氧內襯層、陶瓷聚烯烴護層的擠塑加工性能差、生產效率低、易脫節(jié)、彎曲時易斷裂;實際擠塑生產過程中,因其擠塑性能差,護層厚度控制不均勻,易引起成品外徑偏大;導致電纜不易彎曲、無法穿過預設管道或穿管電纜數量遠低于設計值的情況時常發(fā)生,給諸多工程項目造成了一定影響。 ③試驗燃燒過程中鉆石泥、防火泥、聚烯烴隔氧層易膨脹,易引起熱釋放總量檢測結果超標,且在燃燒過程中護套會呈塊狀不斷地脫落或滴落后燃燒。 因此,本工作研制了一種建筑用一級難燃耐火電纜。

1 阻燃標準和試驗機理分析

1.1 成束阻燃試驗以結果為判斷依據

GB/T 19666—2019 規(guī)定了成束阻燃A 類、B類、C 類試驗。 試驗主要模擬在火災發(fā)生時,產品抑制火焰垂直蔓延的能力;所有類別只考量以電纜燃燒后炭化范圍不應超過噴燈底邊以上2.5 m 這個指標。 該試驗只看阻燃結果,未考慮燃燒過程[2]。

1.2 B1 級試驗以燃燒過程數據為判斷依據

GB 31247—2014 規(guī)定了燃燒性能B1級的試驗。 試驗主要模擬在火災發(fā)生時,產品燃燒現象和現象過程中的數據;通過模擬火災燃燒發(fā)生時的燃燒現場,對過程中的熱釋放總量、燃燒增長速率、熱釋放速率、產煙速率、產煙總量,以及燃燒滴落物的數據來反映火災沿線纜蔓延的危險性;通過透光率、煙氣毒性的檢測,來說明火災過程中的視野能見度和煙氣毒性對人員逃生和安全的重要性[3]。

由GB/T 19666—2019 和GB 31247—2014 兩個標準規(guī)定的試驗方法和內容可知,燃燒試驗電纜試驗根數的計取、綁扎方式、試驗時間、進風和排風、燃燒氣體流量等均存在一定差異。 GB 31247—2014 是對阻燃電線電纜的燃燒性能全方面多角度的評價和考量,是目前行業(yè)中模擬建筑防火場景比較科學的測評辦法[3-7]。

2 產品設計

2.1 使用技術要求

一級建筑用難燃耐火電纜是根據廣東地方標準DBJ/T 15-226—2021《民用建筑電線電纜防火技術規(guī)程》進行設計和研制的,主要適用于一級建筑場所:國內高層公共建筑、特級體育建筑、特級展覽建筑、地下公共建筑(綜合商場、地鐵站等)、餐飲及其人員密集的公共場所,應用環(huán)境較為重要。 產品的特殊性能應主要滿足以下幾點。 ①低煙無鹵性能須滿足GB/T 19666—2019 的規(guī)定。 ②阻燃性能應滿足GB/T 18380.33—2022《電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗 第33 部分:垂直安裝的成束電線電纜火焰垂直蔓延試驗A 類》規(guī)定的成束阻燃A 類試驗。 ③在火焰燃燒條件下,電纜的線路完整性試驗應滿足GB/T 19216.21—2003《在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性試驗 第21 部分:試驗步驟和要求——額定電壓0.6/1.0 kV 及以下電纜》的規(guī)定。 ④燃燒性能應滿足GB 31247—2014 的規(guī)定:燃燒性能等級為B1級、產煙毒性為t0級、燃燒滴落物/微粒等級為d0級。

2.2 產品結構

本工作參照GB/T 19666—2019、GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》、GB 31247—2014 和DBJ/T 15-226—2021 中阻燃檢測方法、性能相關規(guī)定[2-7],研制了一級建筑用難燃耐火電纜,型號為WDZAN-YJY-B10.6/1 kV 4×50,其結構示意圖見圖1。

圖1 WDZAN-YJY-B1 0.6/1 kV 4×50 電纜結構示意圖

為了滿足上述技術要求,以客戶敷設運行環(huán)境和技術標準為出發(fā)點,本產品結構設計如下。 ①導體采用二類絞合緊壓圓形結構,絕緣采用無鹵XLPE 材料。 ②為了滿足敷設運行環(huán)境的多樣性,可采用高抗拉強度的防腐鍍鋅鋼絲或高抗壓強度的鋼帶鎧裝結構。 ③為了實現優(yōu)異的燃燒性能,鎧裝內襯層和非鎧裝在外護套擠出前外徑不大于20 mm的電纜:擠制一層黑色90 ℃無鹵低煙阻燃聚烯烴材料作為內襯層;外護套采用特殊配方設計的黑色90 ℃高阻燃低熱釋放無鹵阻燃聚烯烴護套材料。電纜在燃燒過程中,可實現無滴落物、易成炭、不助燃、易結殼等特性。

2.2.1 耐火層設計與材料選用

為了滿足消防設備的供配電線路和人員密集場所疏散通道的敷設運行環(huán)境,使電纜能夠在火災中一定時間內保持線路的完整性,在銅芯導體和XLPE 絕緣之間設有耐火層,耐火材料選用優(yōu)質有機硅玻璃耐火云母帶,其厚度在0.05～0.20 mm 之間,采用雙層重疊繞包工藝。 經試驗,耐火溫度在不低于750 ℃時,在火災情況下持續(xù)供電時間可達120 min 以上,供電時間遠高于GB/T 19216.21—2003 規(guī)定的90 min,提高了電纜的安全指數,更好地保障了居民的生命財產安全。

2.2.2 內襯層設計與材料選用

為了實現優(yōu)異的燃燒性能,鎧裝內襯層和非鎧裝在外護套擠出前外徑不大于20 mm 的電纜:擠制一層黑色90 ℃無鹵低煙阻燃聚烯烴材料作為內襯層,材料的氧指數在33% ～38% 之間;根據產品設計需要選用半擠管式生產,SJ-150 擠塑生產線的擠塑螺桿轉速為22 ～30 r·min-1,使得材料擠出后具有較好的壓實度和阻燃性能。

為了保證內襯層材料在擠塑后的阻燃性能:用內襯層材料擠制的成品電纜WDZB-YJY 0.6/1 kV 2×10、3×25、4×50、1×150(結構:多芯阻燃填充、阻燃包帶+阻燃護套),應達到GB/T 18380.34—2022規(guī)定的成束阻燃B 類試驗(單芯1×150 試驗方法參考該標準,間隙排列,排滿單層即可)。

2.2.3 外護套設計與材料選用

外護套材料的選用和配方設計是研制建筑用一級難燃耐火電纜成功的關鍵。 為了保證產品的阻燃性能,同時滿足燃燒性能B1級和成束阻燃A 類要求,經電纜燃燒熱釋放和產煙測量系統、成束電纜燃燒試驗系統試驗和數據分析,最終制備出一種高阻燃低熱釋放無鹵阻燃聚烯烴護套材料,其主要由17 ～21 份的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、4 ～6份的聚烯烴熱塑性彈性體(POE)、44.1 ～57 份的茂金屬線性低密度聚乙烯(mLLDPE)、3.0 ～5.5 份的相容劑、1.0 ～1.7 份的硅酮母粒、1.5 ～2.3 份的炭黑母粒,47 ～58 份的氫氧化鋁、19 ～29 份的氫氧化鎂,0.5 ～1.2 份的抗氧劑、0.5 ～1.3 份的硅烷偶聯劑、2.7 ～4.3 份的成炭劑等混合材料組成[8-9]。 護套材料具有優(yōu)異的高阻燃、低熱釋放、低煙、無毒性能。

為了實現護套材料在燃燒過程中無滴落物,本工作設計研制了一種特殊配方的成炭劑,其主要由0.15 ～0.34 份的季銨鹽有機插層納米片層結構蒙脫土、0.7 ～1.05 份的云母粉、1.37 ～1.65 份的硅灰石、0.08 ～0.12 份的白炭黑、0.4 ～1.14 份的助熔劑陶瓷化硼酸鋅混合組成。 在護套材料配方設計中,氫氧化鋁、氫氧化鎂起到阻燃作用,而成炭劑中的季銨鹽有機插層蒙脫土可以充分打開蒙脫土的納米層狀結構,增加蒙脫土與有機基體的相容性,且納米層狀結構在燃燒過程中可增加復合材料的熔體強度,阻止材料滴流;云母硅灰石、白炭黑構成的成瓷骨架可在高溫下形成堅固的陶瓷結構,使復合材料燃燒時的炭層堅固不易碎;少量的陶瓷化硼酸鋅與成瓷骨架材料云母粉、硅灰石等進行共熔,并發(fā)生共晶反應,降低了成瓷溫度。 在護套材料制備過程中,添加上述比例的成炭劑,通過攪拌機均勻混合攪拌、混煉、造粒,得到高阻燃低熱釋放無鹵阻燃聚烯烴護套材料,材料的氧指數在35% ～40% 之間。 該材料的加工有別于常規(guī)的無鹵材料,所以在SJ-150 擠塑生產線上擠塑時選用雙螺紋低壓縮比無鹵專用螺桿,螺桿轉速為16 ～23 r·min-1。 根據材料特性和技術要求,采用半擠管式專用模具,模芯定徑區(qū)為5 mm,模套定徑區(qū)為4 mm,使得材料擠出后具有較好的壓實度,可降低燃燒過程中滴落物的形成幾率,實現了燃燒過程中護套無滴落物、易成炭、易結殼等特性。

2.3 紅外光譜圖

為了更好地控制護套材料的質量穩(wěn)定性、材料配方的一致性,本工作采用兩種質量檢測監(jiān)督方案。

方案一,根據電纜護套材料的特性,采用中紅外區(qū)間為4 000 ～450 cm-1的紅外光譜法輔助檢測護套材料的透過率,應做到以下兩點。 ①護套材料透過率應不小于96%;②當護套材料透過率小于92%時,應隨客戶訂單測試電纜的燃燒性能B1級、成束阻燃性能,以確保電纜的質量符合技術設計要求。護套材料紅外光譜圖見圖2。

圖2 護套材料紅外光譜圖

由圖2 可知,在某材料光譜曲線(2)與合格基樣光譜曲線(1)上,兩種材料的光譜峰位有多處差異,透過率僅有90.95%。 經成品電纜的成束阻燃A類和煙密度試驗測試,試驗結果合格,但燃燒性能B1級試驗中,熱釋放總量(THR)為14.338 kW,與GB 31247—2014 規(guī)定的15 kW 接近,滴落物為d2級,燃燒過程中塊狀護套脫落燃燒3 次(滴落物燃燒時間分別為5,17,32 s)。 由試驗結果可知,當護套材料的透過率小于92% 時,材料的阻燃性能可能會通過成束阻燃A 類試驗,但燃燒性能B1級試驗的熱釋放速率峰值(HRR)、受火1 200 s 內的熱釋放總量(THR)、產煙速率峰值(SPR)性能指標容易不合格,特別是在燃燒過程中,護套有塊狀掉落燃燒的風險。

方案二,供應商入圍和不定期抽查樣品的檢測制度。 入圍檢測:電纜電壓等級為0.6/1 kV,鎧裝型號為WDZA-YJY23-B1,規(guī)格為3×10 電纜;非鎧裝型號WDZB-YJY-B1,規(guī)格為3×50、1×25 電纜。檢測項目:成束阻燃試驗、燃燒性能B1級試驗(附加信息:燃燒滴落物/微粒等級應不低于d1級,且應有兩組達到d0級)和煙密度試驗。

隨制造執(zhí)行系統(MES)訂單對合格供應商不定期地進行電纜燃燒性能一致性測試,是監(jiān)測和保證電纜質量符合技術設計要求的關鍵。 若試驗不合格,該阻燃材料產生的返工、運輸、檢測等費用和損失由材料供應商承擔。 處罰、整改合格后,需要重新申請入圍檢測,合格后方可重新成為原材料供方。

3 測試結果

本工作研制的一級建筑用難燃耐火WDZANYJY-B10.6/1 kV 4×50 電纜,除了進行成品電纜的結構尺寸、機械性能、電氣性能、無鹵低煙性能等試驗外,還測試了成束阻燃A 類、燃燒性能B1級、耐火性能和毒性指數。 主要試驗結果見表1。

表1 WDZAN-YJY-B1 0.6/1 kV 4×50 電纜檢測結果比對

由表1 可知,本工作研制的一級建筑用難燃耐火WDZAN-YJY-B10.6/1 kV 4×50 電纜的各項主要指標均達到了預期要求,試驗結果符合GB/T 12706.1—2020《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)和3 kV(Um=3.6 kV) 電纜》、GB/T 19666—2019、GB 31247—2014 規(guī)定,材料在技術要求上滿足設計目標。

雖然表1 中熱釋放速率峰值、燃燒增長速率指數、產煙總量技術指標在企業(yè)內部的檢測結果與第三方檢測結果均符合設計標準規(guī)定,但有較大不同,可見不同取樣位置的護套壓實度、不同的電纜燃燒熱釋放和產煙測量系統試驗裝置均會對檢測結果產生影響。 因此,電纜護套的生產應采用專用工裝和定期對檢測設備進行校準。

4 結 論

1)本工作通過對一級建筑用難燃耐火電纜設計、護套材料設計和研發(fā),經成束電纜燃燒試驗裝置、電纜燃燒熱釋放和產煙測量系統試驗裝置測試,成功研制出可同時滿足燃燒性能B1級和成束阻燃A 類的耐火電纜,并成功在多個工程項目上敷設運行約1 000 km。

2)以阻燃耐火電纜運行環(huán)境為出發(fā)點,根據驗收標準DBJ/T 15-226—2021 要求,制備出高阻燃低熱釋放無鹵阻燃聚烯烴護套材料。 該材料可適用于GB/T 19666—2019 和GB 31247—2014 規(guī)定的燃燒性能,同時護套的物理機械性能符合GB/T 12706.1—2020 規(guī)定,延長了護套材料的使用壽命。

3)以質量為出發(fā)點,建立阻燃護套材料紅外光譜標準基樣模型。 通過透過率測評阻燃護套材料狀態(tài)的一致性,相同配方的紅外光譜透過率大于98%。 該模型可減少成品電纜模擬燃燒試驗頻次,節(jié)約一定比例的制造成本和試驗成本;給出了材料配方設計思路和配方的基礎方案,為材料的研發(fā)提供了一種新思路。

4)本工作通過產品結構設計、護套生產控制和材料制備,使得電纜具有優(yōu)異的燃燒性能。 但是,阻燃材料配方或基料變化對成品阻燃性能、護套抗開裂性能的關聯性,以及電纜在火災現場中的燃燒機理等方面,仍需要進一步深入研究和驗證。