儀表電纜的相關問題探討

王渤

(中科合成油工程股份有限公司，北京 101407)

隨著企業自動化水平的提高，信息傳輸量越來越大，儀表專業的電纜用量也隨之增大，電纜著火釀成的重大火災事故呈蔓延趨勢。

電纜的結構包括： 導線、絕緣層、屏蔽層、護套層4個主要部分，另外還有填充和承拉部件等。電纜基本結構如圖1所示。

圖1 電纜基本結構示意

電纜發生火災時具有起火迅速、極易蔓延的特點，由于煙火有毒，撲救困難，容易產生次生災害且生產恢復時間長，因此預防和減少因電纜引發的火災危害，保護人身和財產的安全成為保障社會公共安全的一個重大問題。

1 阻燃電纜

SH/T 3019—2016《石油化工儀表管道線路設計規范》6.2節規定：“有火災危險場所現場儀表電纜應選用阻燃型電纜”。

阻燃性指試樣在規定的試驗條件下燃燒，在撤去火源后，火焰在試樣上的蔓延僅在限定范圍內并且可自行熄滅的特性，即具有阻止或延緩火焰發生或蔓延的能力。

阻燃電纜構造與普通電纜基本相同，區別僅在于它的絕緣層、護套、外護層以及輔助材料(如包帶和填充物)部分或全部采用阻燃材料。

1.1 阻燃電纜的絕緣層

絕緣層包覆在電纜外圍四周，確保電流只沿著電纜傳輸，并能隔絕電纜與周圍物體形成的電位差。

1.1.1 絕緣材料分類

阻燃電纜常用的絕緣層材料有以下幾種：

1)聚氯乙烯。極性高聚物，電纜制造工藝簡單、價格低廉、化學穩定性好，具有較好的電氣絕緣性能。

2)聚乙烯。非極性材料，具有較強的防潮性能，絕緣性能優良、無毒性，不具有阻燃性，適用于潮濕和易受水浸泡的環境中。

3)交聯聚乙烯。含有機過氧化物的聚乙烯，該過氧化物在高溫、高壓及惰性氣體環境下，與聚乙烯發生化學反應，使熱塑性聚乙烯變成熱固性的聚乙烯。

1.1.2 絕緣材料的工作溫度

1)采用聚氯乙烯、聚乙烯、交聯聚乙烯做絕緣層的電纜，其最高允許工作溫度分別為70 ℃，80 ℃，90 ℃。

2)交聯聚乙烯在130 ℃下可保持彈性狀態，相對同等截面的聚氯乙烯絕緣層的電纜，截流量可提高約25%。由于儀表電纜以信號傳輸為主，該特性不明顯。

3)短路時，聚氯乙烯電纜的最高溫度不超過160 ℃，交聯聚乙烯電纜的最高溫度不超過250 ℃。

1.1.3 絕緣材料的選用

下列規范中對于電纜絕緣材料的選用有如下規定：

1)GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》3.3.6中規定：“年最低溫度在-15 ℃以下，應按低溫條件和絕緣類型要求選用交聯聚乙烯、聚乙烯、耐寒橡皮絕緣電纜，低溫環境不宜選用聚氯乙烯絕緣電纜”。

2)SH/T 3019—2016《石油化工儀表管道線路設計規范》中規定：“一般情況下，電纜宜選用多股銅芯聚乙烯絕緣+聚氯乙烯護套阻燃電纜”。

硅橡膠、氟塑料絕緣材料一般用于耐高溫電纜，硅橡膠絕緣材料可用于低溫-40 ℃的環境。氟塑料與硅橡膠這兩種絕緣材料比較特殊，價格較貴，普及使用有一定難度，在此不過多討論。

1.2 阻燃電纜的護套層

1.2.1 護套層的作用與材質選擇

電纜護套層的作用是使絕緣層與水、空氣或其他物體隔離，防止絕緣層受潮，避免絕緣層受到機械傷害。

使用聚氯乙烯作為護套的阻燃電纜中，聚氯乙烯單鏈由于氯原子存在使得分子鏈成鋸齒彎曲型，且單鏈較粗，燃燒過程會與部分H+生成HCl，而HCl極易與水組合形成鹽酸氣，從而起到一定的阻燃效果。

GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》3.4.1.5中規定：“除年最低溫度在-15 ℃以下低溫環境或藥用化學液體浸泡場所，以及有低毒性要求的電纜擠塑外護層宜選用聚乙烯等低煙、無鹵材料外，其他可選用聚氯乙烯外護層”。該標準中年最低溫度是指1 a中所測得的最低溫度的多年平均值。

北方地區，年最低溫度均低于-15 ℃，如新疆、內蒙古的部分地區甚至低于-40 ℃，石化項目所用的電纜護套材料應選擇耐溫在-30～-40 ℃的聚氯乙烯或硅橡膠，考慮到經濟性問題硅橡膠選擇得較少。

儀表電纜的選擇通常考慮經濟實用性以及標準規范的要求，選用聚氯乙烯護套，雖然滿足項目所在地的環境溫度，但這種選擇是否為最佳，還需進一步討論。

1.2.2 護套層的阻燃性

電纜護套的阻燃性能通常是用氧指數來衡量，氧指數是指讓試樣燃燒所需要的最低的氧體積分數。氧指數越大，阻燃性越高，在GB/T 32129—2015《電線電纜用無鹵低煙阻燃電纜料》中規定： 氧指數在28%以上的材料就具有一定的阻燃性；GA306.1—2001《阻燃耐火電纜分級標準》中，阻燃特性按GB/T 18380—2008《電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗》驗收；在YD/T 1173—2016《通信電源用阻燃耐火軟電纜》中，要求阻燃電纜的氧指數不小于30%；在GB/T 8815—2008《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》阻燃性能用氧指數指標考核，指標值由供需雙方協商確定。

材料的氧指數隨著溫度升高會出現下降現象，當氣溫升高而物料的氧指數降低，如果氧指數降至21%時，物料便會自動燃燒，該溫度被稱為溫度指數；一般阻燃電纜的溫度指數均大于250 ℃。

1.2.3 低煙低鹵及無鹵低煙材料

20世紀80年代，國際上開始研制無鹵低煙阻燃材料，該材料的優點是低煙、無毒，被明火燃燒時，產生金屬氧化物和水蒸氣。由于無鹵阻燃電纜的價格較貴，因此在提高電纜阻燃性和降低鹵酸氣體發生量之間采取折衷的方式開發出了低煙低鹵阻燃電纜，它的含鹵量約為含鹵阻燃電纜的33%。

筆者認為電纜護套材料可以選用無鹵阻燃化合物，特別是進入中心控制室或有人值守機柜間的電纜，從保證人員的健康并有利于消防滅火的角度考慮，在人員密集場所不宜選用含有鹵素的電纜護套。

在GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018年版)中僅規定了消防配電線路的阻燃或耐火電纜具有不產生煙霧的要求；現行HAD 102/11—1996年修訂《核電廠防火》中規定：“在大量存在的電纜絕緣層和護套應當使用阻燃、低煙霧、低腐蝕性的材料”；在現行的石化標準中沒有針對電纜毒性的限定。

聚氯乙烯在燃燒過程中會釋放出氯化氫和其他有毒氣體，例如二?欪?英。聚氯乙烯是二?欪?英的主要來源，是二氧(雜)芑家族中最致命的物質，是一種眾所周知的致癌物質，對人身和環境有著很大的危害。

隨著防火安全標準的提高和科技的進步，人們環保意識的增強，相關標準也會有所提升。

2 耐火電纜

耐火電纜是指在規定的火源和時間條件下燃燒時電纜能持續地在指定狀態下運行的能力，即保持線路完整性的能力。在SH/T 3019—2016《石油化工儀表管道線路設計規范》中規定：“用于緊急隔離閥門、SIS勵磁動作、與可燃有毒氣體信號聯動的電纜宜選用耐火電纜”。

2.1 耐火等級

關于耐火等級，GB/T 19666—2005《阻燃和耐火電線電纜通則》有明確規定及劃分；GA 306.2—2007《阻燃劑耐火電纜 塑料絕緣阻燃及耐火電纜分級和要求 第2部分： 耐火電纜》中規定： 耐火分一、二、三、四級，耐火標記NH，線路完整性試驗按GB/T 19216.21—2003《在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性試驗》規定，將耐火試驗分A和B兩種級別。

耐火電纜在現行的標準中分為阻燃和非阻燃，以滿足不同的應用場所和用途，所用的驗收標準也不同。煤化工及石化裝置設計中選用耐火電纜時，一般都會選用耐火阻燃型電纜。

2.2 護套材料的選擇

1)TICW/06—2009《計算機與儀表電纜》第5.8.1條中規定護套應為擠包固體介質的一種，耐火電纜護套材料見表1所列。

表1 耐火電纜護套材料

2)GB/T 12706.1—2008《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)到3 kV(Um=3.6 kV)電纜》13.2節中規定外護套為熱塑性材料(聚氯乙烯、聚乙烯或無鹵材料)或彈性材料(聚氯丁烯、氯磺化聚乙烯或類似聚合物)。如果要求在火災時電纜能阻止火焰的燃燒、發煙少以及沒有鹵素氣體釋放，應采用無鹵型護套材料。

聚氯乙烯樹脂本身的氧指數為45%，然而聚氯乙烯電纜料中加入了大量的增塑劑及其他助劑，使其阻燃性能降低，氧指數降到24%，由此可以看出耐火電纜的護套層材料與阻燃電纜沒有直接關系。

3 不同標準對阻燃等級的要求

電纜的阻燃性、煙霧的密度等涉及火災人身安全，在這些方面國內外標準有著較大區別，美國防火標準較關注電纜的阻燃性、煙霧的密度，但是國標及歐標對此有不同的定義。

3.1 中國標準

在石化裝置中儀表電纜往往是電纜集束敷設，在GB/T 19666—2005《阻燃和耐火電線電纜通則》中5.1.2規定電纜的成束阻燃性能必須符合表2的要求。

表2 電纜的成束阻燃性能要求

注： 1) ZD適用于試樣外徑不大于12 mm的電線電纜。

3.2 美國標準和IEC標準

3.2.1 美國標準

美國標準根據燃燒物的易燃程度，從低到高定義了家居級、通用級、商用級、干線級、增壓級5個級別，其中增壓級阻燃為目前美國標準系列要求最苛刻、火災時安全耐燃程度最高的級別。

3.2.2 IEC標準

IEC 60332-1、2分別用來評定單根線纜按垂直和傾斜布放時的阻燃能力；IEC 60332-3用來評定成束線纜垂直燃燒時的阻燃測試。IEC 60332-1、2單根電纜燃燒測試防火等級較低，較容易燃燒，而且容易回火；而IEC 60332-3采用成束電纜的垂直燃燒測試，阻燃等級比IEC 60332-1、2的高。

3.2.3 對火災人身安全的觀點

美國標準和IEC標準對火災人身安全有著不同的觀點。

1)美國標準。火災的根源在于CO的產生，以及其后的燃燒過程中CO轉化為CO2的熱釋放，控制燃燒過程中的熱釋放量可減少火災的危害。

2)IEC標準。在燃燒中產生的鹵酸釋放量、氣體腐蝕性、煙霧濃度及氣體毒性，是決定人能否安全脫離火災現場的主要因素。

3)為此，在控制室等有人值守場所可用IEC標準要求的電纜，在無人值守的機柜間可用美國標準要求的電纜。美國標準要求的電纜不易燃燒，但釋放有毒氣體；IEC標準要求的電纜著火點低，不釋放有毒煙氣。

3.3 儀表電纜阻燃等級

近幾年的煤化工及石化項目中，儀表電纜的阻燃選擇A，B，C的都有，據筆者了解阻燃A比阻燃C造價高10%左右。

煤化工及石化裝置中的中心控制室多采用抗爆建筑，既不屬于可燃物較多的生產廠房，又不屬于人員較多的公共建筑。根據SH/T 3006—2012 《石油化工控制室設計規范》4.4.4條規定： 控制室建筑物耐火等級應為一級。SH/T 3017—2013《石油化工生產建筑設計規范》附錄A主要生產建筑及輔助生產建筑特征表中對控制室及機柜間的定義見表3所列。

在GB 50229—2006《火力發電廠與變電站設計防火規范》中規定：“主控通信樓當未采取防止電纜著火后延燃的措施時，火災危險性應為丙類”。從建筑物的角度劃分進入控制室儀表電纜，使用阻燃級別C的電纜即能滿足現行設計要求。

表3 輔助生產建筑特征表

SH/T 3019—2016中規定： 有火災危險場所現場儀表電纜應選用阻燃電纜，但是沒有規定阻燃等級，應按照裝置特性進行評定。還有就是按照用途劃分，可按照在SH/T 3019—2016中規定：“用于緊急隔離閥門、SIS勵磁動作、與可燃有毒氣體信號聯動的電纜宜選用耐火電纜”。這些電纜除耐火外還需提高阻燃等級，特別是與消防相關的電纜。

綜上所述儀表電纜阻燃級別最低為C級，隨著科技進步，信息和控制系統的安全性、完整性得到大家的格外重視，防火阻燃電纜的標準也會進一步提升和完善。

4 變 形

在煤化工及石化行業的生產、儲存、輸送等環節中，存有大量易燃、易爆物質，這些物質存在于生產裝置設備、容器、管道中，如果擴散到大氣環境中將形成爆炸危險場所，為此在設計時需要參考相關的防爆標準。

4.1 冷變形

在GB/T 3836.15—2017《爆炸性環境 第15部分： 電氣裝置的設計、選型和安裝》9.3.11中規定： 選擇的電纜應能減少電纜“冷變形”的影響，注釋中說明電纜使用的材料可能有“冷變形”特性，其中特別指出了低煙和耐火的電纜。電纜的“冷變形”可描述為： 在密封施加壓縮力的地方，電纜引入裝置中的密封件位移產生的壓縮力大于阻止電纜護套變形的力。現在通常用格蘭作為防止冷變形的措施，但是冷變形與電纜護套材料選擇也是有關系的。

4.2 熱變形

GB/T 8815—2008《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》H護套級各種型式的熱變形通常不大于50%，斷裂拉伸應變多不小于180%。

1)GB/T 32129—2015《電線電纜用無鹵低煙阻燃電纜料》中規定：

a)無鹵低煙阻燃熱塑性聚烯烴絕緣料和護套料性能的熱變形的試驗結果不大于50%。

b)無鹵低煙阻燃熱塑性彈性體絕緣料和護套性能的熱變形及100%定伸變形(僅對彈性體)的試驗結果不大于50%。

c)無鹵低煙阻燃交聯型聚烯烴絕緣料性能及無鹵低煙阻燃交聯型聚烯烴護套料性能的熱變形的試驗結果沒有數據要求。

2)耐溫性能除了熱老化的指標，熱變形和高溫壓力也是耐溫等級的指標。對于熱塑性低煙無鹵阻燃料，熱變形和高溫壓力性能差代表：

a)護套熔點降低且容易變形，相當于在低于電纜最高使用溫度時，能使電纜護套變軟，同時在外力及自重的作用下，可使電纜變形甚至破壞絕緣層，從而喪失對電纜的保護。

b)護套易開裂，當電纜局部受熱、受力時，容易在較軟的區域開裂。

c)制造出來的護套阻燃性差，所用材料氧指數并不低，但電纜在進行燃燒試驗時很難通過并達到合格。

由于阻燃電纜材料中有較多的填充物，導致在熔融狀態下熔體強度、拉伸比、熔體黏度與非阻燃電纜材料的性能存在較大的差異，從而使模具的選取也有所不同。阻燃絕緣材料采用擠壓式，護套采用擠管式或半擠管式生產；使用擠管式或半擠管式生產時必須考慮拉伸比，有鹵阻燃料拉伸比為6～7，低煙無鹵阻燃電纜料拉伸比為2.5～3.2。理論上，拉伸比越小，表面越光潔。

4.3 存在的問題

在煤化工及石化裝置中采用大量的阻燃電纜，關于如何減少或避免電纜的“冷變形”，筆者咨詢過國內電纜和防爆標準的相關單位及生產廠家，暫時未有明確結論。防爆標準中的“冷變形”與電纜標準中的“熱變形”及拉伸比存在著關聯，理論及性能也有相近之處，但是在現行的標準中沒有界定，而且也沒有數據支持。

5 結束語

在煤化工及石化儀表設計中，電纜是比較成熟的產品，但是在選型問題上需要關注相關的細節。另外，希望國內針對儀表電纜的相關標準能夠健全、完善，更新及時，讓設計人員依據標準有據可查。