SPE涂層在電纜通道復合蓋板上的應用

胡小剛，何 躍，曾 敏，王 超

(國網重慶市電力公司北碚供電分公司，重慶 400000)

0 引言

隨著我國國民經濟的高速發展及城市配電網的逐步完善，城市用電需求逐年提升。傳統的架空電力線路占用地面大量空間且存在極大安全隱患，為了節約地表資源，在地下溝道鋪設電纜成為了替代架空線路的一種輸電方案[1]。與利用架空電力線路供電相比，采用電力線纜供電有著較多優點，如供電比較可靠，能量也很高。然而，地下管線比較復雜，且具有較強隱蔽性，目前采用由復合蓋板組成的電纜通道，其剛度和抗壓能力無法滿足在惡劣環境下長時間保持通道完整性的需求，嚴重威脅電力線纜的運行安全[2]。

在復合蓋板表面制備一層裝甲防爆涂層可有效提升復合蓋板的剛度及抗壓性能，然而裝甲涂層通常存在固化緩慢、與蓋板表面貼合不緊密即附著性差等問題，無法達到蓋板預期的抗壓、防爆結果。針對上述問題，本文研究固體聚合物電解質(SPE)技術與傳統復合蓋板有機結合方法，并對具有SPE防爆涂層的復合蓋板進行結構及性能測試。

1 電纜通道現存的主要問題

復合蓋板作為電纜通道的一種重要組成材料，其完整性關系到電纜通道安全運行和行人車輛安全。目前使用的復合蓋板，經常被停放的車輛和重物壓壞，如果沒有及時發現調換就會給過路的行人造成較大的安全威脅，同時電纜本體也缺少保護，存在安全風險。

對某城市重點區域傳統蓋板進行考察，并對車輛停放與重物堆積對傳統蓋板壓力和損壞情況進行分析，當前電纜通道蓋板中存在的問題主要表現為以下三大風險隱患。

1)腐蝕、銹斷風險。在陰雨天氣之后，電纜線路通道中通常有較多的積水存在，積水較多使得電纜通道內濕度極大，容易造成電纜沿線支架銹蝕，考察結果顯示大部分電纜通道內支架已銹斷，大多接地扁鐵嚴重斷裂，銹蝕情況嚴重。

2)坍塌、斷裂風險。電纜溝蓋板在受到不確定外力或存在質量原因的情況下，會出現斷裂且會暴露出斷面，進一步使電纜通道出現局部塌陷。如圖1所示，城市內的電纜通道有部分建設在城市居民的活動區域，在沒有警示的情況下，極易造成城市居民失足跌落，對城市居民的人身安全造成威脅。

圖1 人行道電纜蓋板現場圖

3)火災、爆炸風險。由于電纜鋪設過程中監管不嚴等原因，電纜并未嚴格按照設計方案敷設，支架上的電纜通常縱橫交錯、相互纏繞。如圖2所示，位于郊區的電纜通道，由于蓋板表面無法得到及時清理，最終形成枯葉、干草等易燃雜物堆積平臺，若在天氣干燥或有煙頭、火柴等火源掉進通道內，極易引起火災事故。如果電纜通道與天然氣管道距離較近，甚至引發爆炸事故[3]。

圖2 郊區電纜蓋板現場圖

2 復合蓋板SPE裝甲防爆涂層

固體聚合物電解質(SPE)是近年來發展迅速的一種新型固體電解質材料，所謂SPE就是水合陽離子交換膜，它是一種固體聚合物電解質，主要分四大部分：雙極板(BP)、氣液擴散層(GLDL)、膜電極組件(MEA)及密封墊圈[4]。

目前SPE一般采用美國杜邦公司的Nafion膜，Nafion 的全稱是全氟磺酸離子交換膜(perfluoro sulfonate ion-exchanged membrane，PFSIEM)，主體材料為聚四氟烯為骨架，側鏈為帶有磺酸根結構的全氟高分子聚合物[5]。圖3為Nafion膜的分子結構。Nafion 微觀骨架中的碳-氟鍵(-CF)具有很強的結合能，在酸性和堿性環境中的穩定時間均很長 ，因此Nafion 膜的化學穩定性十分優異，且Nafion 膜可在高溫下長時間保持穩定性，這說明 Nafion 膜在熱穩定性方面也有優秀表現[6]。

圖3 Nafion膜的分子結構

SPE技術的特點是在Nafion膜的一側使用鍍膜方法將催化劑或具有催化作用的金屬離子引進，而后與固體聚合物電解質通過熱壓處理制得具有高選擇性及較高機械強度的SPE電極。

將引進金屬離子的Nafion膜與固體聚合物電解質通過熱壓處理制得成本低廉，并且可以在低溫或高溫環境下使用(21 MPa，150℃)，無副反應，安全性和可靠性較高的涂料。進一步將其噴涂在復合蓋板即可制成裝甲復合蓋板。

10月20日上午，中國供銷集團總經理陳振平一行到南通中農督導調研，重點對南通中農現代物流園項目及南通通海港集裝箱碼頭進行了實地考察。

3 SPE技術應用于復合蓋板對抗壓能力的提升

將SPE技術應用到復合蓋板上所制成的裝甲復合蓋板相較于傳統復合蓋板有以下幾點提升。

1)裝甲涂層固化速度較快，且可直接在蓋板表面噴涂，10 s左右可凝膠，只需要在施工完成后放置720 min，再投入使用，可大幅降低施工對城市運轉的影響。

2)裝甲涂層表面極致密，各接口之間不存在接縫，耐介質性能突出，可耐受各種可能破壞涂層表面的介質，如酸、堿的腐蝕。

3)裝甲涂層具有優秀的機械性能，抗沖擊性、拉伸強度、伸長率均在較高水平，耐磨性較好也是涂層的優點。電纜蓋板要經常經受撞擊和摩擦，優秀的機械強度可保證涂層的長時間有效應，無需反復噴涂。

4)具有良好的熱穩定性，可在120℃下可以長期使用，經受冷熱交替不變形、不開裂。

5)裝甲涂層具有較強附著力，長期使用時不會出現氣泡、空鼓等降低涂層保護力的情況。電纜蓋板使用年限一般較長，因此對涂層的防腐性能有較高的要求。

6)性價比高，變電站、配電站等電力中樞的輸電電纜通道，共井電纜數量多、電纜通道長，日常維護難度較大。裝甲復合蓋板施工后基本不需要維護，降低了維護費用。

表1 涂層性能參數

4 裝甲負荷蓋板性能

為檢測裝甲復合蓋板在無法得到有效支撐且在較大隨機載荷影響下的綜合抗壓、抗拉伸等綜合能力，本文設計了一種可反映蓋板綜合能力且滿足電力行業測試要求的測試方法。通過對一塊蓋板進行逐步加載，測試其自開裂到結構破壞的相關表現，根據試驗結果分析蓋板承載能力的極限值及在受到隨機外力情況下表現出的相關特性[7-8]。

4.1 試驗設備及儀器

最大壓力及加載速度可控的千斤頂1臺；DJCK-2裂縫測寬儀；高精度壓力傳感器配套顯示儀1套；矩形墊塊1片。

4.2 實驗步驟

4.2.1 裂縫荷載檢驗

裂縫荷載試驗是測試水泥蓋板試件的基礎性試驗，其中裂縫荷載是當蓋板表面出現寬度為1cm的2%裂縫時的所加荷載值，通過將載荷(分為一級加荷量和二級加荷量)分批次對蓋板試件進行加載，其中一級加荷量為總載荷的20%，二級加荷量為總載荷的5%。根據現場實際配重情況，首先用初始加荷量對蓋板試件進行加載，在逐級加荷至裂縫出現后，用載荷值繼續對蓋板試件進行加載，采用DJCK-2裂縫測寬觀測儀檢測裂縫寬度，當裂縫寬度達到0.02 cm時停止加載，此時荷載即為裂縫荷載。

4.2.2 破壞荷載檢驗

為了進一步測試蓋板的破壞荷載，對蓋板試件進行破壞載荷試驗，即不斷加載使蓋板試件結構破壞時測量此時荷載數值。本次破壞荷載檢驗對蓋板加載到開裂、持續加載至結構破壞，試驗蓋板的抗彎載能力是否滿足要求。具體為在完成裂縫載荷試驗后，采用兩倍二級載荷對蓋板試件繼續加荷，直至出現符合規定的結構性破壞后，獲取蓋板試件的破壞荷載值[9]。

表2 有SPE蓋板與傳統復合蓋板不同荷載對比

有SPE蓋板與傳統復合蓋板不同荷載對比(見表2)可以看出，有SPE涂層的裝甲負荷蓋板相較于沒有SPE涂層的普通負荷蓋板在裂縫載荷與破壞載荷方面均有較大程度的提升，其中裂縫載荷提升了141.37%，大幅提升了復合蓋板在面臨隨機負荷時的抗壓能力，可滿足電纜通道在偶然載荷作用下的支撐需求。并且破壞載荷也有大幅提升，保證負荷蓋板在遭受極重負荷時也能長時間保持完整性，為市政檢修提供了充足的時間裕度。由此可見，有SPE涂層的裝甲負荷無論是從瞬時抗壓能力還是長時維持能力都足以滿足城市電纜通道的要求。

5 結語

由復合蓋板作為重要組成部分的電纜通道存在安全風險、火災風險等多種風險。利用SPE可制得SPE涂料，再通過工業噴涂的方式，將裝甲防暴涂層和現有復合蓋板結合，可以有效提升復合蓋板的剛度和抗壓能力，降低蓋板損壞率，保障地下電力線纜安全穩定地運行。