КАБЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ, СИГНАЛИЗАЦИИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ И СВЯЗИ ДЛЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН НА ПЛАВУЧИХ БУРОВЫХ УСТАНОВКАХ И МОРСКИХ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАТФОРМАХ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к кабельной технике и может быть использована в конструкциях кабелей управления, сигнализации, информатизации и связи для прокладки во взрывоопасных зонах на плавучих буровых установках и морских стационарных платформах.
Известны кабели марок КГВВ; КУГВВ; КУГВЭВ; КУГВВЭ (Н.И.Белоруссов, А.Е.Саакян; А.И.Яковлева «Электрические кабели, провода и шнуры. Справочник», М., «Энергоиздат», 1987 г.). Кабели имеют гибкие токопроводящие жилы, изоляцию и оболочку из поливинилхлоридного (ПВХ) пластиката. В кабеле марки КУГВЭВ изолированные токопроводящие жилы имеют индивидуальный экран в виде оплетки из медной проволоки, однако отсутствуют требования к экрану и к изоляции экранов друг от друга, также отсутствует общий экран.
В кабеле марки КУГВВЭ имеется общий экран, выполненный в виде обмотки алюминиевой лентой толщиной 0,15-0,20 мм с проложенной под ней медной проволокой или медной многопроволочной жилой. Такой экран ухудшает гибкость кабеля, что немаловажно при условии прокладки в компактных помещениях плавучих буровых установок и морских стационарных платформ, а также, алюминий в виде ленты недолговечен при эксплуатации в условиях воздействия агрессивных сред.
Всем вышеперечисленным кабелям присущ еще один серьезный недостаток: в сердечнике кабеля имеются воздушные полости, по которым взрывоопасные газообразные смеси могут передаваться из взрывоопасных зон в невзрывоопасные зоны, создавая там аварийную ситуацию.
Также недостатком такого кабеля (с изоляцией из поливинилхлоридного пластиката) является то, что при передаче высокочастотных (высокоскоростных) сигналов в диапазоне частот до нескольких мегагерц один из основных электрических параметров, коэффициент затухания, значительно превосходит коэффициент затухания кабелей с изоляцией из других материалов, например, из полиэтилена.
Однако, полиэтилен основной модификации не допускается для применения во взрывоопасных зонах.
Тем не менее, техническим циркуляром Ассоциации «Росэлектромонтаж» №14/2006 от 16.10.2006 «О применении кабелей из сшитого полиэтилена в кабельных сооружениях, в том числе во взрывоопасных зонах», одобренным Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), разрешается применение во взрывоопасных зонах сшитого (химически или радиационно модифицированного) полиэтилена. При этом в части параметров передачи электромагнитных сигналов сшитый полиэтилен не уступает обычной композиции полиэтилена.
В качестве прототипа выберем кабель типа КУГВЭВ.
Сущность предлагаемой полезной модели выражается в создании кабеля управления, сигнализации, информатизации и связи для взрывоопасных зон на плавучих буровых установках и морских стационарных платформах, препятствующего распространению взрывоопасных газообразных смесей по сердечнику кабеля из взрывоопасных зон в невзрывоопасные зоны, обеспечивающего требование к экранам кабелей для искробезопасных цепей по гибкости («Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ», 2006 г., п.16.5.1) и плотности («Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ», 2006 г., п.16.5.1), требования к
наружным защитным покровам по нефтемаслобензостойкости, стойкости к морской воде и морскому туману. («Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ», 2006 г., п.п.2.3.2.1. и 16.8.1.5) и возможности использования в системах передачи высокочастотных (высокоскоростных) сигналов.
Технический результат достигается тем, что предлагается кабель управления сигнализации, информатизации и связи для взрывоопасных зон на плавучих буровых установках и морских стационарных платформах, состоящий из сердечника, включающего несколько изолированных токопроводящих жил скрученных из нескольких медных проволок каждая, скрученных между собой в сердечник, не менее, чем одного экрана, и влагозащитной оболочки. С целью предотвращения распространения взрывоопасных газообразных смесей по сердечнику кабеля воздушные полости в сердечнике кабеля заполнены полимерным заполнителем.
Для обеспечения возможности передачи высокочастотных (высокоскоростных) сигналов изоляция токопроводящих жил выполнена из сшитого полиэтилена.
По правилам построения искробезопасных цепей во взрывоопасных зонах применяемые кабели имеют один или несколько экранов для построения цепей заземления. Предъявляемые требования к экранам обеспечиваются: по гибкости - экран выполняется в виде оплетки из медных проволок, по плотности - плотность оплетки выбирается такой, чтобы ее масса была не меньше 90% массы медной трубки с тем же внутренним диаметром и толщиной равной диаметру проволоки оплетки.
Влагозащитная оболочка выполнена из материала обеспечивающего возможность работы в условиях воздействия агрессивных сред на плавучих буровых установках, то есть нефтемаслобензостойкого, стойкого к морской воде и морскому туману и в то же время, с целью снижения пожарной опасности на поддерживающего самостоятельного горения. Материалы оболочки накладываются экструзионным способом под давлением, что обеспечивает проникновение полимеров в зазоры оплетки и снижает влагопроницаемость в продольном направлении.
Преимущественно, экран выполняют в виде оплетки из мягких медных проволок. При использовании кабеля в условиях воздействия агрессивных газов, в частности сероводорода, с целью защиты медных проволок от коррозии применяют экран, выполненный в виде оплетки из медных луженых проволок.
Экран в виде оплетки удовлетворительно работает в области низких частот и значительных амплитуд напряженностей электрического и магнитного полей (Н.И.Белорусов, И.И.Гроднев «Радиочастотные кабели», Госэнергоиздат, М-Л, 1959 г.). Если возникает необходимость защиты электрооборудования от высокочастотных внешних воздействий, то экран выполняют комбинированным: из последовательных слоев металлополимерной ленты металлом кверху с перекрытием и оплетки из медных или медных луженых проволок. Как правило, первый слой выполняют либо из алюмополимерной ленты, либо из меднополимерной ленты.
С целью защиты от коррозии в сочетании с алюмополимерным слоем используют только оплетку из медных луженых проволок. Меднополимерный экран имеет более эффективные экранирующие свойства, но он значительно дороже алюмополимерного, поэтому он применяется в экономически обусловленных случаях. В сочетании с меднополимерным экраном может равноценно применяться оплетка как из мягких медных, так и из медных луженых проволок.
В связи с особенностью управляемого объекта или принципа организации линии связи целесообразно скрутить жилы в группы, состоящие из двух, трех, или четырех жил, которые, в свою очередь, скручиваются в сердечник повивной скруткой.
По типу элементов, на которые накладывается экран, экраны подразделяются на: индивидуальные, накладываемые на отдельные изолированные жилы, групповые, накладываемые на группы, или общие, накладываемые на сердечник кабеля.
Индивидуальные или групповые экраны применяют с целью снижения электромагнитных влияний между жилами или группами в сердечнике и для организации цепей заземления при использовании взрывозащиты вида «искробезопасная электрическая цепь i», общий экран преимущественно используется для защиты окружающей среды от электромагнитного излучения сердечника кабеля и сердечника кабеля от электромагнитных влияний извне, а также для организации цепей заземления.
Поверх индивидуального или группового экрана накладывают полимерную оболочку, толщина которой выбирается исходя из условия испытания напряжением 500 В переменного тока частотой 50 Гц, приложенным между любыми индивидуальными экранами или групповыми экранами, или общим экраном (ГОСТ Р 51330.13-99 п.12.2.2.1).
Оболочка поверх индивидуального или группового экрана может быть выполнена из этиленпропиленовой или кремнийорганической, или полихлоропреновой резины, или поливинилхлоридного пластиката, или хлорсульфированного полиэтилена. Главным требованием к материалу оболочки служит обеспечение выдерживания электрического напряжения 500 В переменного тока частотой 50 Гц и технологичность изготовления, определяемая конкретными производственными условиями.
С целью защиты от механических воздействий целесообразно на влагозащитную оболочку наложить броню в виде оплетки из стальных оцинкованных или стальных нержавеющих или из фосфористой бронзы проволок, а поверх брони - влагозащитный шланг из нефтемаслобензостойких, стойких к морской воде и морскому туману полихлоропреновой резины или хлорсульфированного полиэтилена, или поливинилхлоридного пластиката, или специального поливинилхлоридного пластиката с пониженным дымогазовыделением и кислородным индексом не менее 28, или безгалогенной полимерной композиции с кислородным индексом не менее 30. Материалы оболочки накладываются экструзионным способом под давлением, что обеспечивает проникновение полимеров в зазоры оплетки и снижает влагопроницаемость в продольном направлении.
Для кабелей бронированных, прокладываемых в помещениях, которые могут подвергнуться затоплению, целесообразно под броню проложить водоблокирующий слой.
Конкретный из перечисленных материалов влагозащитного шланга выбирают в соответствии с требованиями пожарной безопасности: по кислородному индексу и норме на дымогазовыделение или токсичность выделяемых газов.
Заполнитель может быть выполнен из любого разрешенного к применению в конструкциях кабелей для взрывоопасных зон на плавучих буровых установках и морских стационарных платформах полимерного материала: поливинилхлоридного пластиката или этиленпропиленовой, или кремнийорганической, или полихлоропреновой резины, или хлорсульфированного полиэтилена. К нему не предъявляется требование продольной целостности. В процессе деформации кабеля он может растрескиваться. Главная задача, которую он выполняет заключается в вытеснении воздуха из свободных полостей в сердечнике, дополнительная - легкая счищаемость с изоляции при разделке кабеля.
Выбор материала для оболочки кабелей монтажных, силовых, контрольных для взрывоопасных зон на плавучих буровых установках и морских стационарных платформах обусловлен требованиями к воздействующим факторам окружающей среды, имеющей множество вариантов даже в пределах одной установки или платформы. Многообразие требований к материалу оболочки не позволяет обеспечить их выполнение применением однородных материалов, приходится применять разнородные материалы, что и послужило причиной для изложения заявки на полезную модель в виде вариантов. В каждом варианте конструкция кабеля под влагозащитной оболочкой одна и та же, что позволяет обеспечить достижение технического результата.
Преимущественно применяются кабели с оболочкой из обычного поливинилхлоридного пластиката, что обусловлено малым количеством рядом
прокладываемых кабелей и обеспечением выполнения требования пожарной безопасности - нераспространения горения кабелей при одиночной прокладке. Гарантией обеспечения выполнения этого требования является параметр «кислородный индекс», который у обычного поливинилхлоридного пластиката лежит в пределах (19-24)%.
При условии прокладки кабелей на открытых площадках при прямом воздействии солнечного излучения, а также во внутренних помещениях, которые при некоторых условиях эксплуатации могут затапливаться, предъявляются дополнительные требования по озоностойкости, стойкости к солнечному излучению и диффузионному просачиванию влаги. По всем этим требованиям хлорсульфированный полиэтилен превосходит обычный поливинилхлоридный пластикат. А так как хлорсульфированный полиэтилен обеспечивает требование по нераспространению горения при одиночной прокладке (хотя его кислородный индекс несколько ниже максимального значения для обычного поливинилхлоридного пластиката), то кабели с оболочкой из хлорсульфированного полиэтилена применяются для вышеуказанных условий прокладки.
Полихлоропреновая резина по вышеперечисленным требованиям уступает хлорсульфированному полиэтилену и поливинилхлоридному пластикату, однако она обладает значительно более высокой эластичностью, что обеспечивает сохранность оболочки кабелей при условии прокладки по трассе с большим числом изгибов и повышенным трением при дальнейшей эксплуатации во внутренних помещениях. Так как она тоже обеспечивает нераспространение горения при одиночной прокладке, то кабели с оболочкой из полихлоропреновой резины применяются во внутренних помещениях при повышенных требованиях к эластичности оболочки.
При необходимости выполнения более жестких требований по пожарной безопасности - групповой прокладки кабелей во внутренних помещениях - применяют кабели с влагозащитной оболочкой из специального поливинилхлоридного пластиката с пониженным дымогазовыделением и кислородным индексом не менее 28. При прокладке в помещениях с электронной аппаратурой с целью исключения коррозионной активности выделяющихся газов используют кабели с влагозащитной оболочкой из безгалогенного полимерного материала на основе полиолефинов с кислородным индексом не менее 30.
Общие показатели пожарной безопасности представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Наименование материала
КИ, %, не менее
Снижение светопроницаемости при дымообразовании, %, не более
Массовая доля НСl, выделяющегося при горении, %, не более
Обычный поливинилхлоридный пластикат
19-24
80
40
Специальный поливинилхлоридный пластикат
28
60
15
Безгалогенная полимерная композиция на основе полиолефинов
30
40
0,5
В дальнейшем предлагаемая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения и прилагаемым чертежом, на котором изображено поперечное сечение бронированного кабеля управления, сигнализации, информатизации и связи с индивидуально экранированными жилами для взрывоопасных зон на плавучих буровых установках и морских стационарных платформах, состоящего из сердечника, включающего несколько медных многопроволочных токопроводящих жил 1, изолированных сшитым полиэтиленом 2, с индивидуальными экранами 3 в виде оплетки из медных проволок с плотностью такой, что масса оплетки составляет не меньше 90% массы медной трубки с тем же внутренним диаметром и толщиной равной диаметру проволоки оплетки, с оболочками 4 из поливинилхлоридного пластиката или из этиленпропиленовой резины, или из кремнийорганической резины, или из полихлоропреновой резины, или из хлорсульфированного полиэтилена, наложенными поверх индивидуальных экранов 3, скрученных между собой повивной скруткой, с заполнением воздушных полостей 5 в сердечнике полимерным заполнителем на основе поливинилхлоридного пластиката, общего экрана 6 в виде оплетки из медных проволок с плотностью такой, что масса оплетки составляет не меньше 90% массы медной трубки с тем же внутренним диаметром и толщиной равной диаметру проволоки оплетки, наложенного поверх сердечника, влагозащитной оболочкой 7 из нефтемаслобензостойких, стойких к морской воде и морскому туману полихлоропреновой резины или хлорсульфированного полиэтилена, брони 8 в виде оплетки из стальных оцинкованных проволок и влагозащитного шланга 9 из нефтемаслобензостойких, стойких к морской воде и морскому туману поливинилхлоридного пластиката или полихлоропреновой резины, или хлорсульфированного полиэтилена.
Технология изготовления кабелей согласно заявляемой полезной модели включает следующие операции.
Медные проволоки для токопроводящих жил 1 изготавливают из медной проволоки «катанки» преимущественно диаметром 8 мм методом волочения. В зависимости от диаметра готовой проволоки применяют либо только грубое, либо грубое и среднее волочение. После чего проволоку отжигают либо в специальных печах отжига, либо в устройствах отжига на проход, встроенных в машины среднего волочения.
Токопроводящая жила 1 скручивается из отдельных проволок на машинах сигарного типа.
Изоляция из сшитого полиэтилена может изготавливаться одним из трех способов.
В случае радиационной сшивки изоляция 2 из полиэтилена специальной марки накладывется на токопроводящую жилу 1 на стандартной экструзионной линии. После этого производится многократная перемотка изолированной жилы с катушки (барабана) на катушку (барабан) под воздействием электронного пучка, получаемого на специальном ускорителе.
В случае силанольной (химической) сшивки на токопроводящую жилу 1 на стандартной экструзионной линии накладывается изоляция 2 из специальной композиции полиэтилена, содержащей силанольные группы. После прохождения через воду в ванне охлаждения экструзионной линии, происходит сшивание отдельных цепочек молекул полиэтилена между собой с участием силанольных групп.
В случае пероксидной (химической) сшивки, изоляция 2 на токопроводящую жилу 1 накладывается из композиции полиэтилена с включениями пероксида на линии непрерывной вулканизации. В процессе вулканизации происходит химическая сшивка молекул полиэтилена.
Оболочки 4, влагозащитная оболочка 7 и влагозащитный шланг 9 накладываются на экструзионных линиях или агрегатах непрерывной вулканизации компрессионным способом (под давлением).
Экраны 4 и 6 в виде оплеток из мягких медных проволок накладывают на оплеточных машинах. Плотность оплетки выбирают такой, чтобы ее масса была не меньше 90% массы медной трубки с тем же внутренним диаметром и толщиной равной диаметру проволоки оплетки.
Проволоку для оплетки изготавливают так же, как и проволоку для токопроводящей жилы, введя еще одну технологическую операцию - тонкого волочения.
Для обеспечения требуемой плотности на тростильных машинах готовят пучки из нескольких проволок. Броню 8 из стальных оцинкованных или стальных нержавеющих или из фосфористой бронзы проволок также накладывают на оплеточных машинах. Проволоку приобретают готовую. При необходимости также тростят пучки из нескольких проволок на тростильных машинах.
2
Для подтверждения технического результата были изготовлены три образца кабеля по данной полезной модели длиной по 100 м каждый с тремя группами (парами) токопроводящих жил сечением 0,5 мм изолированных сшитым полиэтиленом, скрученными в сердечник, с заполнителем на основе поливинилхлоридного пластиката и влагозащитной оболочкой из поливинилхлоридного пластиката.
2
Для сравнения были изготовлены три образца кабеля-прототипа длиной 100 м каждый с тремя группами (парами) токопроводящих жил сечением 0,5 мм изолированных поливинилхлоридным пластикатом, скрученными в сердечник, с заполнителем на основе поливинилхлоридного пластиката, общим экраном и влагозащитной оболочкой из поливинилхлоридного пластиката.
Для подтверждения технического результата измеряли коэффициент затухания на частоте 1 МГц в парах. Результаты измерений сведены в таблицу 2.
Таблица 2
Наименование кабеля
Номер образца
Коэффициент затухания на частоте 1 МГц, дБ/км, в парах номер
1
2
3
среднее
Кабель по данной полезной модели
1
20,4
21,1
20,7
20,6
2
21,3
20,1
21,0
20,8
3
20,5
20,9
20,2
20,53
Кабель прототип
1
28,8
29,1
29,1
29,0
2
28,6
29,5
29,3
29,13
3
29,0
29,1
29,0
29,03
Для подтверждения требований по нераспространению горения было изготовлено пять образцов кабеля с одинаковой конструкцией, отличающихся только материалом влагозащитной оболочки. По одному образцу каждого с оболочкой из следующих материалов: хлорсульфированный полиэтилен, полихлоропреновая резина, поливинилхлоридный пластикат, специальный поливинилхлоридный пластикат, безгалогенная полимерная композиция на основе полиолефинов. Длины подбирались из условия, чтобы было по одному образцу длиной 0,6 м для испытания на нераспространение горения при одиночной прокладке и пучка кабелей длинами по 3,5 м, количество которых обеспечивало наличие горючей массы в объеме 7 л на длине 1 м при прокладке пучком.
Результаты испытаний на нераспространение горения сведены в таблицу 3.
Таблица 3.
Тип прокладки
Результаты испытаний
Кабели с оболочкой из
Хлорсульфированного полиэтилена
Полихлоропреновой резины
Обычного поливинилхлоридного пластиката
Специального поливинилхлоридного пластиката
Безгалогенной полимерной композиции
одиночная
Длина обгоревшей части, мм
84-121
95-129
61-98
35-67
30-54
Заключение
Выд.
Выд.
Выд.
Выд.
Выд.
пучком
Длина обгоревшей части, мм
3500
3500
3500
911-1337
585-980
Заключение
Не выд.
Не выд.
Не выд.
Выд.
Выд.
Примечание: «Выд.» - означает, что образец испытание выдержал, «Не выд.» - не выдержал.
Испытание на нераспространение горение при одиночной прокладке выдержали все образцы кабелей, на нераспространение горения при прокладке в пучке - выдержали только кабели с оболочкой из специального поливинихлоридного пластиката и безгалогенной композиции, что определяется их кислородным индексом.
Как видно из результатов, представленных в таблице 2, коэффициент затухания кабелей по данной полезной модели в среднем меньше коэффициента затухания кабеля-прототипа, что позволяет использовать его на больших расстояниях и, тем самым, подтверждается достижение технического результата.