電纜瀝青材料的使用現(xiàn)狀及生產(chǎn)工藝概述

李 虎，徐 萌，李福起

(中海油(青島)重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心有限公司，山東 青島 266500)

電線電纜廣泛應(yīng)用于能源、交通、信息通信、建筑、鐵路、城軌、汽車、航空、冶金、石油化工等眾多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，目前，我國電線電纜行業(yè)正處在一個新的發(fā)展階段，主要分布在華東和華南地區(qū)[1]。隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各地對電力基礎(chǔ)設(shè)施的需求量越來越大，為降低輸配電過程中的能耗，電纜的電壓等級也越來越高。為積極執(zhí)行國家制定的“堅持電線入地，提高電纜化比例”的政策，城市外圍一般采用220 kV或500 kV環(huán)網(wǎng)架空線,進入城區(qū)則多采用110 kV及以上交聯(lián)電纜。因此，110 kV及以上高壓交聯(lián)電纜的需求量急劇增加。根據(jù)國家標準GB/T 11017-2002的要求，110KV高壓電纜必須在金屬護套外涂覆電纜瀝青材料作為防腐層。建設(shè)海上風電場是國際新能源發(fā)展的重要方向，也將是我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心方向，對于海底電纜來說，其在海上風力發(fā)電及輸電上的應(yīng)用擁有廣闊的市場前景，同時也必將大幅帶動電纜瀝青材料的市場用量。但電纜瀝青材料作為一種特種瀝青產(chǎn)品，其供應(yīng)商多為中小規(guī)模私營企業(yè)，科技研發(fā)能力弱，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。電纜瀝青材料涂覆在電纜外層主要起密封、防腐和絕緣等作用，作為一種特種瀝青與普通瀝青相比具有以下特點[2]：

(1)軟化點高，同時針入度大；

(2)有良好的熱穩(wěn)定性；

(3)好的粘附性和優(yōu)良的低溫性能。

1 電纜瀝青市場存在的問題及使用情況

1.1 電纜瀝青市場存在的問題

通過對國內(nèi)電纜瀝青產(chǎn)品調(diào)研發(fā)現(xiàn)，電纜瀝青材料市場主要存在三個方面的問題：

1.1.1 產(chǎn)品重視度方面

瀝青作為制備電纜的一種原材料，用量少，在電纜原材料中價格低，同時，電纜壽命約有30～40年，在實際使用過程中也不會有人關(guān)注瀝青的防護作用，多方面因素導致電纜瀝青的產(chǎn)品質(zhì)量未引起電纜瀝青生產(chǎn)、使用方的重視。

1.1.2 產(chǎn)品質(zhì)量方面

(1)工廠涂敷時，存在固體顆粒，導致均勻性不好；

(2)瀝青與金屬套和鎧裝金屬絲之間的粘附率差；

(3)夏季瀝青的高溫性能差，出現(xiàn)滴流現(xiàn)象；

(4)冬季低溫時，彎曲后出現(xiàn)瀝青裹覆層斷裂和脫落的現(xiàn)象。

上述問題的存在降低了電纜瀝青對金屬套和鎧裝金屬絲的防護作用，影響了電纜的使用功能及壽命，帶來了電網(wǎng)的安全隱患。

1.1.3 產(chǎn)品規(guī)范化方面

國內(nèi)電纜生產(chǎn)廠家對電纜用瀝青的指標要求也不明確，導致了市場上出現(xiàn)了質(zhì)量良莠不齊的電纜用瀝青材料，僅有110kV高壓陸纜對使用的瀝青材料有明確的要求，引用的是GB/T 494-2010《建筑石油瀝青》，該標準未要求產(chǎn)品的低溫性能冷彎及粘附率，作為電纜用瀝青材料的標準無法判定產(chǎn)品的質(zhì)量對電纜的影響。而220kV、500kV高壓電纜以及所有的海纜標準均未明確對電纜瀝青材料的要求。這造成了電纜制造商在選擇瀝青材料方面的混亂，在質(zhì)量方面出現(xiàn)了不同程度的問題，為此，電纜制造商紛紛制定了自己的內(nèi)控指標，但尚未形成統(tǒng)一的標準。

1.2 瀝青在電纜中的使用情況

瀝青在電纜行業(yè)主要用作高壓陸纜、海底電纜、特殊使用場合的中壓電力電纜的金屬護套，起到防腐和隔離的作用。

1.2.1 高壓陸纜的使用情況

鑒于電纜瀝青主要用于高壓陸纜金屬護套的防腐，調(diào)研主要集中于110kV及以上電壓等級的高壓陸纜制造商，各制造商選用的瀝青制造商、瀝青參數(shù)具體結(jié)果見表1。

表1 陸纜用瀝青使用標準情況匯總

由表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

(1)調(diào)研的7家高壓陸纜制造商有5家使用的是W廠生產(chǎn)的瀝青材料，這與調(diào)研的電纜制造商大都在華東地區(qū)，以及瀝青制造商所處的地理位置可能相關(guān)。

(2)使用W廠生產(chǎn)的瀝青材料的5家電纜制造商中，只有A對瀝青材料的軟化點和針入度的要求明顯優(yōu)于標準，其余廠家對瀝青材料的要求等同于標準。

(3)C公司使用的是Q公司生產(chǎn)的瀝青，針入度跟軟化點的要求低于標準，對冷彎無規(guī)定。

(4)E公司使用Y公司生產(chǎn)的瀝青，技術(shù)參數(shù)還是與標準保持一致。

1.2.2 海纜瀝青使用情況

目前，國內(nèi)所有的海纜均采用瀝青作為海纜鎧裝的防護和隔離，用量相對陸纜多，筆者對國內(nèi)主要的海纜制造商進行了調(diào)研。海纜瀝青使用情況調(diào)研匯總見表2。

分析調(diào)研獲得的海纜用瀝青的技術(shù)參數(shù)發(fā)現(xiàn)：

(1)W廠提供的瀝青參數(shù)與陸纜完全相同；

(2)F公司使用N公司生產(chǎn)的瀝青產(chǎn)品，與陸纜用瀝青相比，降低了軟化點、提高了針入度的要求，特別指明了使用的氣候分區(qū)。

國外對海纜用瀝青未查閱到相關(guān)標準，但各個廠家都規(guī)定了相應(yīng)的技術(shù)要求，尤其對瀝青低溫(-20℃)不脆斷、高溫(65℃)不滴流等做了要求。

表2 海纜用瀝青情況匯總

(3)各電纜廠家使用的電纜瀝青性能分析

共收集了5種不同的電纜瀝青樣品，按照SH/T0001-1990《電纜瀝青》標準要求的瀝青性能做了全面的分析，分析結(jié)果見表3。

表3 電纜瀝青性能分析結(jié)果

由表3可以看出，5種電纜瀝青樣品的品質(zhì)相差很多，2#樣品的針入度59，軟化點50℃；3#樣品的軟化點達到了標準要求，但針入度較低，低溫性能差；4#樣品的軟化點和針入度都達不到標準要求，5#樣品的軟化點最高，對應(yīng)的針入度偏低，但低溫性能好，其中滿足SH/T0001-1990《電纜瀝青》標準要求的瀝青只有1#樣品，在分析過程中發(fā)現(xiàn)，1#樣品的生產(chǎn)工藝是用改性工藝，2#樣品的生產(chǎn)工藝是直餾工藝，3#、4#、5#樣品的生產(chǎn)工藝為化學改性工藝。

2 電纜瀝青的生產(chǎn)工藝簡介

目前因電纜用瀝青材料尚未建立統(tǒng)一的質(zhì)量標準，產(chǎn)品生產(chǎn)工藝多樣化，質(zhì)量參差不齊，概括起來現(xiàn)有的電纜瀝青的生產(chǎn)工藝主要有：氧化、改性、溶劑萃取、調(diào)合等工藝。

2.1 氧化工藝[3-6]

二十世紀初，幾乎所有的高軟化點瀝青都是氧化法所生產(chǎn)的。氧化工藝是生產(chǎn)高軟化點瀝青的成熟工藝。氧化法是將軟化點低、針入度及溫度敏感性大的減壓渣油或溶劑脫油瀝青或它們的調(diào)合物，在一定溫度條件下通入空氣，使其組成發(fā)生變化，軟化點升高，針入度及溫度敏感度減小，以達到瀝青規(guī)格指標和使用性能要求。通過改變原料組成和通空氣氧化等條件即調(diào)整氧化深度，可以生產(chǎn)道路瀝青、建筑瀝青及其他專用瀝青。經(jīng)過空氣氧化法生產(chǎn)且滿足相應(yīng)技術(shù)指標的瀝青成為氧化瀝青。用氧化法生產(chǎn)電纜用瀝青與生產(chǎn)建筑瀝青相比，在操作條件上是完全不同的。在生產(chǎn)電纜用瀝青時通常采用較低的溫度，以抑制組分過度轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，保持瀝青穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)。氧化的另一作用是可以改善瀝青的老化性能，提高瀝青熱儲試驗后的針入度比。

2.2 催化氧化工藝[7-10]

瀝青的催化氧化工藝早在20世紀30年代就在國外應(yīng)用，起初主要應(yīng)用于建筑瀝青的生產(chǎn)，解決普通氧化的低溫脆裂、高溫流淌問題，國內(nèi)也曾用于10#建筑瀝青及建筑防水材料(如油氈)的生產(chǎn)。目前經(jīng)過文獻調(diào)研，有學者對以下3種催化劑的催化氧化歷程進行了分析。

磷酸催化氧化反應(yīng)歷程的分析：

圖1 磷酸催化氧化反應(yīng)歷程分析

瀝青中的極性分子首先與磷酸絡(luò)合，這時宏觀性質(zhì)表現(xiàn)為軟化點升高，針入度下降，然后在高溫下被絡(luò)合的極性分子形成不飽和鍵，緊接著磷酸加成上去，然后被水置換，磷酸脫離，后在氧化作用下形成羰基化合物和水，其中磷酸和水可重復利用，在極性分子形成不飽和鍵時也有部分聚合成分子量大的分子。

三氯化鐵催化氧化反應(yīng)歷程的分析：

圖2 三氯化鐵催化氧化反應(yīng)歷程分析

三氯化鐵催化機理主要為三價鐵離子在高溫和氧氣存在下直接將烴分子氧化為羰基化合物和二價鐵離子，接著二價鐵離子又被氧氣氧化成三價鐵離子，整個催化反應(yīng)被持續(xù)進行。但其有個缺點就是會生成氯化氫氣體腐蝕尾氣管道。

Al2O3催化氧化反應(yīng)歷程的分析：

圖3 Al2O3催化氧化反應(yīng)歷程分析

Al2O3催化反應(yīng)中催化劑的作用是作為氧氣的載體，它對氧化的機理改變不大，只是加速了氧氣的運輸和傳遞過程，使反應(yīng)速度加快。

2.3 瀝青改性工藝[11-18]

瀝青改性工藝可以分為物理改性與化學改性兩大類。物理法指的是借助高速剪切機、膠體磨、混煉機等設(shè)備，使聚合物被剪切、磨成細小的粒子，使改性劑均勻分散于混合料中，與瀝青混煉形成穩(wěn)定的狀態(tài)?；瘜W改性工藝為：通過加入化學助劑，使聚合物與瀝青中的烴類化合物發(fā)生連接、交聯(lián)、接枝等反應(yīng)，促使二者形成均勻穩(wěn)定的膠體。

目前，用于制備改性瀝青的改性劑主要以聚合物為主，主要有熱塑性樹脂類、橡膠類和樹脂、橡膠共聚物(熱塑性彈性體改性瀝青)等3類。一般地，樹脂類材料改性后瀝青的針入度下降、軟化點上升，高溫粘度顯著提高，溫度穩(wěn)定性得到改善，而延度變??；橡膠類材料改性后，瀝青的針入度會有所降低，而延度與軟化點都會上升，粘韌性好；熱塑性彈性體材料則具有良好的雙向改性功能。

研究表明，多聚磷酸對瀝青的性能改善明顯，儲存穩(wěn)定性優(yōu)越，因此在19世紀70年代就應(yīng)用于美國。近年來國內(nèi)也開展了一些關(guān)于多聚磷酸改性瀝青的研究，例如：付力強等研究了多聚磷酸改性瀝青及混合料的性能；曹衛(wèi)東等研究了多聚磷酸對瀝青性能的影響；馬慶豐等研究了多聚磷酸對瀝青的改性是通過發(fā)生化學反應(yīng)進行的；趙可等研究了多聚磷酸對瀝青流變和老化性能的影響。然而，目前已有的研究主要集中在探討多聚磷酸對單一瀝青的影響，而關(guān)于多聚磷酸對瀝青的改性機理研究則較少。

2.4 溶劑萃取工藝

溶劑脫瀝青是利用輕烴對渣油中各組分的不同溶解能力將渣油分離，得到不含瀝青質(zhì)的脫瀝青油與富含膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的脫油瀝青。溶劑脫瀝青是調(diào)節(jié)渣油組成的有效手段，它在優(yōu)質(zhì)瀝青生產(chǎn)中，尤其是從不能通過蒸餾生產(chǎn)合格瀝青的原油中生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)瀝青具有重要作用,是生產(chǎn)道路瀝青和建筑瀝青的重要原料[19]。近年來國內(nèi)對通過溶劑脫瀝青生產(chǎn)合格道路瀝青進行了大量的研究。脫油瀝青主要成分是膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及少量的油分，它們是瀝青調(diào)合的理想組分。

2.5 調(diào)合法生產(chǎn)工藝

調(diào)合法生產(chǎn)瀝青是指按瀝青質(zhì)量或膠體結(jié)構(gòu)的要求調(diào)整構(gòu)成瀝青組分之間的比例，得到能夠滿足使用要求的產(chǎn)品。使用的原料組分既可以是采用同一種原油而由不同加工方法所得的中間產(chǎn)品，也可以是不同原油加工所得的中間產(chǎn)品，因而使生產(chǎn)受油源約束的程度降低，擴大了原料來源，增加了生產(chǎn)靈活性，更有利于提高瀝青的質(zhì)量。

3 電纜瀝青標準

國內(nèi)電纜行業(yè)引用的電纜瀝青標準主要包括：

SH/T 0001-1990《電纜瀝青》

GB/T 494-2010《建筑石油瀝青》

GB/T 2952.1-1989*《電纜外護層 第1部分：總則》

(已被GB/T 2952.1-2008替代)

GB/T 2952.1-2008《電纜外護層 第1部分：總則》

國家標準GB/T 2952《電纜外護層》現(xiàn)行版本是2008版，引用的電纜瀝青標準是SH/T0001-1990，而1989版引用的電纜瀝青標準是SY 1668-1981。新舊版本標準對使用的瀝青提出的材料要求、涂敷工藝和相關(guān)性能要求見表4。

由表4可以發(fā)現(xiàn)，電纜護層中所使用的瀝青除了應(yīng)滿足材料的所有參數(shù)外，制造的陸纜或海纜還應(yīng)滿足熱滴流和冷彎的要求。

高壓電纜和外護層所引用的瀝青標準，其技術(shù)參數(shù)隨標準的不同有明顯的差異，具體見表5。

表5 電纜用瀝青指標要求

從上表5可以看出，SY 1668-1981電纜瀝青標準目前已作廢，被SH/T0001-1990所替代。高壓電纜引用的GB/T 494-2010《建筑石油瀝青》標準與SH 0001-1990《電纜瀝青》技術(shù)要求沒有可比性，對瀝青的垂度、粘附性以及冷彎、熱穩(wěn)定性均未作要求。

4 結(jié)論

電纜瀝青材料有著良好的應(yīng)用前景，隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展其使用量將會大大增加，但目前國內(nèi)電纜瀝青材料的使用還是存在重視程度不夠、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、未實現(xiàn)規(guī)范化等方面的突出問題，針對這些問題，建議下一步在不斷提升對產(chǎn)品質(zhì)量升級的技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)上，盡快建立健全標準體系及分析方法，在很大程度上可以凈化國內(nèi)海纜和高壓陸纜用電纜瀝青產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊的局面，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，為采購方及用戶提供產(chǎn)品質(zhì)量考核的依據(jù)。

[1] 饒道富.淺析我國電線電纜行業(yè)市場現(xiàn)狀[J].經(jīng)營管理者，2014(22):205.

[2] 劉雪飛.用新疆九區(qū)稠油試生產(chǎn)電纜瀝青[J].石油煉制，2008(10):67.

[3] 范耀華.氧化瀝青幾個工藝問題的探討[J]．石油瀝青，1988(3):1-9.

[4] 劉延軍，張玉貞.直餾和氧化工藝制備硬質(zhì)瀝青性能對比分析[J]．石油瀝青，2010，24(4)：12-15.

[5] 吳 岳．減壓渣油生產(chǎn)90號氧化瀝青實驗[J]．山東化工，2016，45(04)：69-72.

[6] 王玉東，孔憲明.高軟化點氧化瀝青對改性瀝青性質(zhì)的影響[J].石油瀝青，2008，22 (1):45-48.

[7] 郭蘭芬.催化氧化法制備建筑瀝青[J].云南化工，2011,38(3)：18-21.

[8] 孫 庶.瀝青的磷酸催化氧化工藝及工業(yè)化生產(chǎn)[J].中國建筑防水材料，1993(2)：7-8.

[9] 孫 庶.四種常用瀝青催化氧化工藝的特點[J].中國建筑防水材料，1992(4)：2-6.

[10] 李 真，劉 瑾.催化氧化石油瀝青氧化機理探討[J].安徽建筑工業(yè)學院學報，2000，8(4)：50.

[11] SENGOZ B，ISIKYAKAR G.Evaluation of the properties and microstructure of SBS and EVA polymer modified asphalt [J].Construction and Building Materials，2008,22(9)：1897-1905.

[12] 高秀麗.改性瀝青的分類應(yīng)用及未來發(fā)展[J].銅陵職業(yè)技術(shù)學院學報，2008(3)：68-69.

[13] 魏建明，李銀山，等.瀝青改性機理研究的新構(gòu)想[J].新型建筑材料，2006(1)：35-36.

[14] Orange G，Dupuis D， Marin J V，et al.Chemical modification of bitumen throughpolyphosphoricacid: Properties-microstructure relationship[C]. Proceedings of the 3rd Eurasphalt and Eurobitume Congress Held Vienna， 2004.

[15] 付力強，王子靈，黃曉明，等.多聚磷酸改性瀝青的性能研究[J].公路交通科技，2008，25(2)：16-19.

[16] 曹衛(wèi)東，劉樂民，劉兆平，等.多聚磷酸改性瀝青的試驗研究[J].中外公路，2010，30(3)：252-255.

[17] 趙 可，杜月宗.多聚磷酸改性瀝青研究[J].石油瀝青，2010，24(3)：4-10.

[18] 馬慶豐，辛 雪，等.多聚磷酸改性瀝青流變性能及改性機制研究[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2015，39(6)：165-170.

[19] 李曉文.溶劑脫瀝青的技術(shù)進展與工藝優(yōu)化[J].中外能源，2007，12(2)：68-75.