海底電力電纜防腐涂覆用瀝青材料的選用

　　摘要：海上風(fēng)電市場的迅猛發(fā)展，給海底電力電纜(海纜)提供了廣闊市場。相對于陸地電力電纜(陸纜)，海纜的應(yīng)用環(huán)境更為嚴(yán)苛，對海纜防腐涂覆用瀝青材料提出了更高要求。通過比較不同標(biāo)準(zhǔn)的瀝青技術(shù)指標(biāo)的差異，指出了海纜防腐涂覆用瀝青材料的技術(shù)指標(biāo)要求及其對海纜性能的影響。對比了業(yè)內(nèi)現(xiàn)用的海纜防腐涂覆用瀝青材料的技術(shù)指標(biāo)和使用性能。由此建議盡快更新海纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，使其符合NB/SH/T0001—2019標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)條款的瀝青技術(shù)要求，以提升國產(chǎn)海纜的質(zhì)量要求和產(chǎn)品品質(zhì)。

　　[關(guān)鍵詞]海底電力電纜;瀝青;防蝕層;涂覆

　　0引言

　　隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對環(huán)境保護(hù)的意識(shí)越來越強(qiáng)，對清潔、無污染能源的需求與日俱增，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔能源得到了長足發(fā)展。海洋面積占地球總面積約71%，海上風(fēng)能資源非常豐富，這給海上風(fēng)電場的建設(shè)提供了契機(jī)，也給海底電力電纜(海纜)提供了廣闊的市場。與陸地電力電纜(陸纜)不同，海纜的應(yīng)用環(huán)境更為嚴(yán)苛，這對電纜護(hù)層防腐性能提出了挑戰(zhàn)。海纜生產(chǎn)廠家普遍采用瀝青作為防腐涂層，為此本文對海纜防腐涂覆用瀝青的性能特點(diǎn)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求以及瀝青材料的選擇進(jìn)行了探討。

　　1電纜防腐涂覆用瀝青的特點(diǎn)

　　瀝青作為一種有機(jī)膠凝材料，具有黏滯性、塑性、感溫性等特性。為了滿足電纜的機(jī)械性能、熱性能和使用環(huán)境性能要求，電纜防腐涂覆用瀝青與普通瀝青相比具有較高的軟化點(diǎn)、較大的針入度、良好的熱穩(wěn)定性、黏附性及低溫性[1]。

　　2相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的瀝青要求

　　2.1電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的瀝青要求

　　電力電纜(海纜和陸纜)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對瀝青的要求，可見目前海纜和陸纜對防蝕層涂覆的瀝青材料選用尚存在很大不確定性，除110kV、220kV陸纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中要求可采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T494—2010《建筑石油瀝青》[2]10號(hào)瀝青外，其余500kV陸纜、10～110kV海纜、220kV海纜的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)均未提及瀝青的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及牌號(hào)。在海纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，防蝕層一般要求采用瀝青或者合適的同等效能的防腐涂料。

　　2.2瀝青材料標(biāo)準(zhǔn)中的瀝青要求

　　2.2.1GB/T494—2010標(biāo)準(zhǔn)陸纜標(biāo)準(zhǔn)中建議瀝青執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T494—2010《建筑石油瀝青》，但該標(biāo)準(zhǔn)適用范圍是建筑屋面和地下防水的膠結(jié)料、制造涂料、油氈以及防腐材料等產(chǎn)品，并未說明適合電纜護(hù)層。

　　2.2.2NB/SH/T0001—2019標(biāo)準(zhǔn)近期發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T0001—2019《電纜瀝青》[8]是電纜防腐涂層的專用標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)共3個(gè)牌號(hào)瀝青。其中1號(hào)瀝青適用于南方地區(qū)陸纜，2號(hào)瀝青適用于北方地區(qū)陸纜，3號(hào)瀝青適用于海纜。相對于標(biāo)準(zhǔn)GB/T494—2010，這3種牌號(hào)瀝青更適合于電纜行業(yè)。

　　對比舊版電纜瀝青標(biāo)準(zhǔn)SH/T0001—1990《電纜瀝青》，此次標(biāo)準(zhǔn)更新后增加了適用于海纜的3號(hào)瀝青。近些年國內(nèi)外海上風(fēng)電場發(fā)展迅猛，給海纜提供了廣闊的市場，帶動(dòng)了我國電纜廠家對海纜生產(chǎn)的投入，但相關(guān)海纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中均未提及所用瀝青的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及牌號(hào)，這與電纜瀝青標(biāo)準(zhǔn)中沒有涉及海纜瀝青也有一定關(guān)系。此次新版電纜瀝青標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T0001—2019的發(fā)布彌補(bǔ)了1990年舊版標(biāo)準(zhǔn)的不足，滿足了當(dāng)前海纜瀝青市場的需求。

　　更新后，標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T0001—2019新增了溶解度≥ 99.0%的指標(biāo)要求，以檢測瀝青中有效黏結(jié)成分含量，驗(yàn)證瀝青材料的真實(shí)性(是否為其他化合物調(diào)和而成的制品)。軟化點(diǎn)、針入度、冷彎是電纜瀝青較為重要的3個(gè)性能指標(biāo)。軟化點(diǎn)是衡量瀝青溫度穩(wěn)定性的指標(biāo)。針入度是衡量瀝青黏稠度的指標(biāo)，據(jù)此可對瀝青標(biāo)號(hào)進(jìn)行劃分。冷彎是衡量瀝青低溫性能的指 標(biāo)，即在低溫彎曲時(shí)抵抗脆裂的能力。

　　對比了NB/SH/T0001—2019標(biāo)準(zhǔn)中3個(gè)牌號(hào)瀝青的主要性能指標(biāo)。基于海纜在夏季敷設(shè)時(shí)電纜敷設(shè)船表面溫度極高，瀝青易受熱發(fā)生軟化，從而滲出電纜表面，以及在處理安裝海纜終端時(shí)，瀝青可能會(huì)脆裂脫落，造成防腐性能的降低，故相對于用于陸纜的1號(hào)、2號(hào)瀝青，用于海纜的3號(hào)瀝青在軟化點(diǎn)、針入度與冷彎指標(biāo)上的要求更高，即要求3號(hào)瀝青的黏稠度、溫度穩(wěn)定性及彎曲性能更優(yōu)異。

　　3海纜防腐涂覆用瀝青的選用

　　3.1海纜防蝕層涂覆瀝青工藝要求

　　在海纜生產(chǎn)過程中瀝青主要用于防蝕層涂覆，包括分相鉛套海纜每相鉛套涂覆、PP纖維繞包內(nèi)襯層涂覆、鋼絲鎧裝層涂覆、PP纖維繞包外被層涂覆。根據(jù)各涂覆工序的生產(chǎn)特點(diǎn)，采用了不同的瀝青涂覆設(shè)備，進(jìn)而對涂覆瀝青工藝提出了不同的要求。

　　3.1.1分相鉛套涂覆瀝青工藝要求

　　海纜的分相鉛套涂覆瀝青工序是在鉛套表面均勻涂覆一層瀝青，工藝要求與高壓陸纜金屬套涂覆瀝青一致，其配置的瀝青缸也類似。瀝青缸體積較小，采用一個(gè)可調(diào)節(jié)的傾斜出料口在缸內(nèi)對穿過的線芯進(jìn)行涂覆。若只采用出料口進(jìn)行瀝青涂覆，由于出料口位于線芯上方，線芯下方無法覆蓋完整的瀝青涂層，所以在線芯的底部，設(shè)置一個(gè)半圓形凹槽，線芯上方澆注的瀝青流淌至凹槽中，當(dāng)瀝青堆積至一定高度時(shí)，便可將線芯底部也涂上瀝青。同時(shí)，在瀝青缸出口架設(shè)多個(gè)刮板模具，將涂覆在線芯上面不均勻且較厚的瀝青涂層刮擦至整體均勻且厚薄合適。刮板模具內(nèi)徑比線芯外徑略小，這樣不僅可以使瀝青涂覆厚度均勻、無漏涂堆積、減少瀝青材料的浪費(fèi)，而且可以刮掉瀝青中的雜質(zhì)、未熔化好的瀝青顆粒等，避免造成擠塑后電纜護(hù)套出現(xiàn)鼓包甚至破裂等不良缺陷。刮板材質(zhì)應(yīng)柔軟耐磨(例如硅膠或橡膠)，以免對鉛套造成刮傷影響半成品質(zhì)量。

　　3.1.2PP纖維繞包內(nèi)襯層、鋼絲鎧裝層、PP纖維

　　繞包外被層涂覆瀝青工藝要求海纜一般采用立式成纜聯(lián)合鎧裝設(shè)備，因此海纜的PP纖維繞包內(nèi)襯層、鋼絲鎧裝層、PP纖維繞包外被層涂覆瀝青工序處于同一生產(chǎn)線上，按線芯穿過的前后順序依次進(jìn)行涂覆。由于三芯海纜外徑普遍很大，瀝青需要涂滿在PP纖維繞包繩與鋼絲之間的空隙，所以需要比分相鉛套使用更多的瀝青材料進(jìn)行涂覆，這也導(dǎo)致海纜瀝青缸體積偏大。通常由一個(gè)主缸對瀝青原材料進(jìn)行加熱，加熱后的瀝青通過輸送管路供給每處的分瀝青缸，此輸送管路需具備加熱功能，否則瀝青會(huì)因?yàn)樵O(shè)備布置較長而在輸送中途冷卻或是暫停生產(chǎn)時(shí)在管路中凝固，影響產(chǎn)品的生產(chǎn)。每個(gè)分瀝青缸將從主缸中接收的瀝青再次加熱后，通過流出管將瀝青涂覆至線芯表面。

　　對于線芯下面不易涂覆的區(qū)域，可以采取與分相鉛套涂覆瀝青時(shí)類似的半圓形凹槽，使外徑較大的線芯下面涂覆到瀝青。每次涂覆后，采用刮板對線芯表面進(jìn)行刮擦，使黏附在PP纖維繞包繩、鋼絲上的瀝青將繩、鋼絲間的空隙填滿，將PP纖維繞包繩、鋼絲結(jié)合成為一個(gè)整體。刮板材質(zhì)同樣應(yīng)柔軟耐磨，以免將PP纖維繞包繩刮斷、鋼絲刮出刮痕，影響產(chǎn)品性能。

　　3.1.3其他工藝要求

　　在實(shí)際使用中，海纜防蝕層涂覆前需將涂覆瀝青加熱至熔化狀態(tài)使其具備流動(dòng)性以便進(jìn)行涂覆(應(yīng)根據(jù)不同牌號(hào)的瀝青設(shè)定加熱溫度，以保證瀝青可以順利澆注)。在瀝青缸暫停使用時(shí)，鑒于電纜瀝青軟化點(diǎn)較高，需將瀝青缸各區(qū)溫度設(shè)定至100℃以上，以免缸內(nèi)剩余瀝青冷卻凝固，影響下一段線芯的繼續(xù)生產(chǎn)。

　　3.2海纜防蝕層涂覆瀝青材料的要求

　　當(dāng)海纜黏結(jié)PP纖維繞包繩和鎧裝鋼絲的防蝕層破損后，暴露在海水中的鋼絲會(huì)逐漸被腐蝕，當(dāng)腐蝕至大量鋼絲斷裂時(shí)，整根海纜壽命便基本宣告終止[9]。為了保證海纜瀝青防蝕層的完整性，標(biāo)準(zhǔn)GB/T2952.1—2008《電纜外護(hù)層》[10]中對纖維外被層的電纜瀝青提出了以下要求：a.在溫度(70±2)℃時(shí)應(yīng)不自然滴落(涂料熱滴流試驗(yàn))。

　　b.在溫度(0±2)℃時(shí)彎曲應(yīng)不碎落(涂料耐寒試驗(yàn))。表3對比了電纜瀝青標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T0001—2019中的冷彎試驗(yàn)和電纜外護(hù)層標(biāo)準(zhǔn)GB/T2952.1—2008中的涂料耐寒試驗(yàn)，可見兩者在試驗(yàn)裝置、方法和要求上均有所差別。為滿足成品電纜外護(hù)層對涂料熱滴流和涂料耐寒試驗(yàn)要求，海纜防蝕層用涂覆瀝青材料應(yīng)具有更高軟化點(diǎn)、耐更低冷彎試驗(yàn)溫度等性能。

　　3.3海纜防蝕層涂覆瀝青材料的選用

　　為了滿足海纜防蝕層涂覆瀝青工藝的要求，必須選用合適的瀝青材料。由于現(xiàn)行的海纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中并未對瀝青的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及牌號(hào)進(jìn)行要求，因此在標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T0001—2019尚未發(fā)布前，海纜廠家通常憑借自身的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)內(nèi)部制定相應(yīng)的瀝青材料技術(shù)指標(biāo)或指定瀝青牌號(hào)。對比了電纜瀝青標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T0001—2019中的3號(hào)電纜瀝青、海纜常用的牌號(hào)70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青(2-3)和陸纜常用的10號(hào)建筑石油瀝青的相關(guān)性能。

　　可見：a.相較于3號(hào)電纜瀝青，70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青(2-3)除軟化點(diǎn)指標(biāo)相差較大外，針入度和閃點(diǎn)指標(biāo)均符合其要求。70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青(2-3)一般適用于夏熱冬冷的地區(qū)道路鋪設(shè)，其環(huán)境溫度范圍大概為夏季20～30℃，冬季-20～-10℃。相對于3號(hào)電纜瀝青要求的0℃黏附率和200℃、24h熱穩(wěn)定性試驗(yàn)，70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青(2-3)要求了60℃動(dòng)力黏度和163℃、5h薄膜烘箱試驗(yàn)。

　　60℃動(dòng)力黏度指標(biāo)對于瀝青道路適合于反映夏季瀝青道路的耐熱性，因夏季道路表面溫度普遍較高，該指標(biāo)比較貼近實(shí)際使用環(huán)境。事實(shí)上，該指標(biāo)對于海纜防蝕層涂覆也較為貼合，60℃是海纜實(shí)際使用時(shí)外被層的溫度，因此筆者認(rèn)為電纜瀝青標(biāo)準(zhǔn)僅用0℃黏附率指標(biāo)存在一定的局限性，建議在選用海纜防蝕層涂覆瀝青時(shí)考慮60℃動(dòng)力黏度指標(biāo)。b.相較于3號(hào)電纜瀝青，10號(hào)建筑石油瀝青雖然軟化點(diǎn)和閃點(diǎn)指標(biāo)符合其要求，但針入度指標(biāo)相差較大，即低溫彎曲性能不佳。

　　在實(shí)際使用中，70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青(2-3)用于分相鉛套涂覆時(shí)加熱溫度約為140～180℃，用于外被層涂覆時(shí)加熱溫度約為100～150℃。70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青(2-3)涂覆的分相鉛套防蝕層半成品外觀良好，厚度均勻，沒有因原材料本身原因造成防蝕層漏涂、破損;涂覆的PP纖維繞包內(nèi)襯層、鋼絲鎧裝層、PP纖維繞包外被層的防蝕層，經(jīng)過刮板處理后涂覆厚度均勻，黏結(jié)效果優(yōu)異。

　　綜合看來，70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青(2-3)作為防蝕層涂覆瀝青，可滿足海纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的防蝕層技術(shù)要求。在實(shí)際使用中，10號(hào)建筑石油瀝青因針入度指標(biāo)較差而需在瀝青缸中加入少量機(jī)油、硬脂酸等添加劑，以改善其低溫性能和加工性能。雖然10號(hào)建筑石油瀝青的海纜防蝕層涂覆工藝也可滿足產(chǎn)品要求，但生產(chǎn)操作相較70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青(2-3)更為復(fù)雜。

　　4結(jié)語

　　通過比較不同標(biāo)準(zhǔn)的瀝青技術(shù)指標(biāo)的差異，指出了海纜防腐涂覆用瀝青材料的技術(shù)指標(biāo)要求及其對海纜性能的影響。由此，建議相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織盡快更新海纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，使其符合NB/SH/T0001—2019標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)條款的瀝青技術(shù)要求，在瀝青材料生產(chǎn)企業(yè)和海纜制造企業(yè)的共同推動(dòng)下，提升國產(chǎn)海纜的質(zhì)量要求和產(chǎn)品品質(zhì)。

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　　作者：宋光輝，喬宇常，陳凱

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