CN107799222A - 一种核电站用绝缘阻燃防火电力电缆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电缆技术领域。本发明的目的是提供一种核电站用绝缘阻燃防火电力电缆及其制备方法，能够增强电缆耐辐射和耐高温的性能，提高了电缆的安全性。采用的技术方案是：一种核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，包括由内至外依次设置的缆芯、屏蔽层、聚酯带加强层、耐火云母带层、内护套层、耐高温保护层和耐辐射层；所述缆芯由多根均匀分布的绝缘线芯构成，所述绝缘线芯和屏蔽层之间填充岩棉纤维；所述耐高温保护层由填充在耐辐射层和内护套层之间的易烧结陶土构成。本发明能够增强电缆耐辐射和耐高温的性能，提高了电缆的安全性。

Description

一种核电站用绝缘阻燃防火电力电缆及其制备方法
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，具体涉及一种核电站用绝缘阻燃防火电力电缆及其制备方法。
背景技术
目前核电站核岛电缆由于其工作的特殊环境，要求其具备耐辐照、绝缘性能较好以及高强度等优异性能，但是现有核电站核岛电缆在高辐射的环境下，容易老化易损，使用寿命比较短，抗干扰的能力也比较弱，给正常作业带来了安全隐患。尤其在核环境下，正常运行的电缆须要经受γ、β射线的辐照，并且具备在事故情况下的保持电缆正常运行的要求。由于一般聚合物在辐照作用下产生电离或激发等反应后，进一步发生以下化学反应：大分子间由辐照引发的交联反应、辐照引发的降解反应、氧化反应、产生气体产物、其它如异构化等，这些反应在不同的反应速率下发生的程度不同，最终的结果是聚合物材料的分子量愈来愈小，甚至失去聚合物的性质。目前常用的绝缘材料为交联聚烯烃和乙丙橡胶材料，但是，其耐γ射线能力以及机械性能有待提高，远远达不到工作要求。同时，现有的电缆，尽管其护套层和绝缘层在对抗火焰、高温时燃烧缓慢，但耐高温和耐火极限仍然较低，尽管可以在一定程度上延缓火灾影响的速度，但是仍然无法有效的保证在高温和火烤下电缆的正常运行，尤其对于核电站这样的使用场所，针对火灾、地震等灾情的应急设备一旦无法运行，将埋下巨大的安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种核电站用绝缘阻燃防火电力电缆及其制备方法，能够增强电缆耐辐射和耐高温的性能，提高了电缆的安全性。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，包括由内至外依次设置的缆芯、屏蔽层、聚酯带加强层、耐火云母带层、内护套层、耐高温保护层和耐辐射层；所述缆芯由多根均匀分布的绝缘线芯构成，所述绝缘线芯和屏蔽层之间填充岩棉纤维；所述耐高温保护层由填充在耐辐射层和内护套层之间的易烧结陶土构成；
所述耐辐射层由如下重量份的原料制成：聚氯乙烯85-95份、聚丙烯90-95份、聚碳酸酯20-25份、酚醛树脂40-45份、环氧树脂40-45份、聚二甲基硅氧烷20-23份、聚乙烯吡咯烷酮10-15份、十溴二苯乙烷5-8份、十溴二苯醚5-8份、硬脂酸18-20份、羟乙基纤维素8-9份、长玻纤8-10份、三聚磷酸铝5-6份、氮化硅4-5份、硼砂4-5份、琥珀酸钠5份、硅胶3份；
所述内护套层由如下重量份的原料制成：酚醛树脂40-50份，氢氧化镁20-30份，聚丙乙烯30-45份，三聚氰胺氰尿酸盐2-4份，气相二氧化硅5-7份，Ca/Zn复合稳定剂5-7份，硬脂酸锌2-3份，次磷酸铈5-10份，无卤膨胀型阻燃剂10-15份，三氧化二锑5-8份，硼酸锌2-3份，聚四氟乙烯10-15份，耐磨剂3-5份，增塑剂5-7份。
优选的，所述内护套层的周面上均匀设置有若干截面呈等腰梯形的凸棱。
优选的，所述耐辐射层由如下重量份的原料制成：聚氯乙烯90份、聚丙烯93份、聚碳酸酯23份、酚醛树脂42份、环氧树脂43份、聚二甲基硅氧烷22份、聚乙烯吡咯烷酮13份、十溴二苯乙烷6份、十溴二苯醚7份、硬脂酸19份、羟乙基纤维素8份、长玻纤9份、三聚磷酸铝5份、氮化硅5份、硼砂5份、琥珀酸钠5份、硅胶3份。
优选的，所述内护套层由如下重量份的原料制成：酚醛树脂40-50份，氢氧化镁25份，聚丙乙烯38份，三聚氰胺氰尿酸盐3份，气相二氧化硅6份，Ca/Zn复合稳定剂6份，硬脂酸锌3份，次磷酸铈8份，无卤膨胀型阻燃剂13份，三氧化二锑6份，硼酸锌2份，聚四氟乙烯13份，耐磨剂4份，增塑剂7份。
优选的，所述核电站用绝缘阻燃防火电力电缆的制备方法，包括以下步骤：
a、将圆形金属丝拉丝退火绞制成导体，将导体在绝缘漆中浸涂后，再在导体外挤包绝缘层构成绝缘线芯，多根绝缘线芯相互绞合后，在外侧包覆一层岩棉纤维构成缆芯；
b、在缆芯外绕包屏蔽层，然后将聚酯带绕包在屏蔽层外构成聚酯带加强层，接着将云母带绕包在聚酯带加强层外构成耐火云母带层；
c、制备内护套层：先按重量配备好各原料，将酚醛树脂通过破碎机制成直径小于5mm的酚醛树脂颗粒；将酚醛树脂颗粒与配备好的氢氧化镁、聚丙乙烯、三聚氰胺氰尿酸盐、气相二氧化硅、硬脂酸锌、次磷酸铈、三氧化二锑、硼酸锌、聚四氟乙烯加入搅拌机搅拌30-40分钟，充分混合后送入高压聚合釜中，同时将去离子水加入高压聚合釜中，投入Ca/Zn复合稳定剂、耐磨剂和增塑剂，升温至90-100℃，保持釜内恒温；1-2小时后加入无卤膨胀型阻燃剂，同时加入发泡剂，密封反应釜，升温至100-110℃并保温，得到护套层材料珠粒，将得到的护套层材料珠粒置入100-120℃的干燥箱内保温干燥2小时；将干燥后的护套层材料珠粒加热至熔融后，挤包在耐火云母带层外构成内护套层；
d、在内护套层外包覆一层易烧结陶土，构成耐高温保护层；
e、制备耐辐射层：先按重量配备好各原料，将氮化硅以及硼砂送至球磨机，磨至粒径为500目以上的粉末，然后将粉末与硅胶混合，搅拌均匀，静置24小时，得到混合物1；将聚氯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯吡咯烷酮、十溴二苯乙烷、十溴二苯醚、硬脂酸、羟乙基纤维素、长玻纤以及三聚磷酸铝投入到搅拌机中，搅拌均匀，然后至于温度为60℃，相对湿度为80％的湿热环境中30分钟，得到混合物2；将混合物1、混合物2和琥珀酸钠投入到高速搅拌机中，以3000转/分钟的速度搅拌10分钟得混合物3；将混合物3加热至熔融，挤包在耐高温保护层外构成耐辐射层。
本发明的有益效果集中体现在：
1、本发明设置的耐辐射层通过合理的配伍，有效的提高了电缆的耐辐照性，使电缆在长期的使用过程中保持良好的综合性能，非常适合在核电站中进行使用。
2、火灾时，由于本发明耐高温保护层由易烧结陶土构成，在遭受高温的时候，陶土迅速烧结，形成对电缆构成保护的陶管，隔绝明火，提供第一层防火、耐高温保护，避免火势向电缆内部蔓延，保证在特殊情况下电缆的正常运行，为后续应急处理提供了可靠的支持。而在正常状态下，陶土具备一定的柔性，便于电缆的安装。
3、当火势较大时，即使有部分热量透过陶管进入电缆内部。但由于内护套层具有高阻燃性，能够极大的延缓高温入侵的速度，防止电缆内部起火，内护套层在与耐高温保护层协同下构成电缆的外部绝缘，提供第二层防火、耐高温保护。
4、当持续遭受火烤时，耐火云母带层能够将高温隔绝在外，保护电缆的缆芯不受损，提供第三层防火、耐高温保护。
5、填充在绝缘线芯和屏蔽层之间的岩棉纤维由于具有众多的孔隙，一方面能够降低电缆的电流噪声，减少噪声污染。另一方面也能起到隔热的作用，提高第四层防火、耐高温保护。
附图说明
图1为本发明的横截面的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示的一种核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，包括由内至外依次设置的缆芯、屏蔽层1、聚酯带加强层2、耐火云母带层3、内护套层4、耐高温保护层5和耐辐射层6。所述缆芯由多根均匀分布的绝缘线芯7构成，所述绝缘线芯7和屏蔽层1之间填充岩棉纤维8。所述耐高温保护层5由填充在耐辐射层6和内护套层4之间的易烧结陶土构成。本发明以缆芯作为电缆的导电结构，金属带或非金属带绕包而成的屏蔽层1作为电缆的屏蔽结构，聚酯带加强层2作为提高电缆拉伸强度的增强结构，耐辐射层6作为电缆的外绝缘和防辐照结构，耐火云母带层3、内护套层4和耐高温保护层5共同作为电缆的防火结构。
本发明设置的耐辐射层6通过合理的配伍，有效的提高了电缆的耐辐照性，使电缆在长期的使用过程中保持良好的综合性能，非常适合在核电站中进行使用。火灾时，由于本发明耐高温保护层5由易烧结陶土构成，在遭受高温的时候，陶土迅速烧结，形成对电缆构成保护的陶管，隔绝明火，提供第一层防火、耐高温保护，避免火势向电缆内部蔓延，保证在特殊情况下电缆的正常运行，为后续应急处理提供了可靠的支持。而在正常状态下，陶土具备一定的柔性，便于电缆的安装。为了进一步提高陶管的结构强度，提高其对电缆的保护性，更好的做法还可以是所述内护套层4的周面上均匀设置有若干截面呈等腰梯形的凸棱，所述凸棱于内护套层4在挤包时一体成型。这样一来，陶土在烧结后就可以在其内壁上形成凸起，从而改善成型的陶管的应力性能。
当火势较大时，即使有部分热量透过陶管进入电缆内部。但由于内护套层4具有高阻燃性，能够极大的延缓高温入侵的速度，防止电缆内部起火，提供第二层防火、耐高温保护。同时内护套层4在与耐高温保护层6在耐辐射层6受损时协同构成电缆的外部绝缘。当持续遭受火烤时，耐火云母带3层能够将高温隔绝在外，保护电缆的缆芯不受损，提供第三层防火、耐高温保护。填充在绝缘线芯7和屏蔽层1之间的岩棉纤维8由于具有众多的孔隙，一方面能够降低电缆的电流噪声，减少噪声污染。另一方面也能起到隔热的作用，提高第四层防火、耐高温保护。
本发明所述的核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，其制备方法包括以下步骤：
a、将圆形金属丝拉丝退火绞制成导体，将导体在绝缘漆中浸涂后，再在导体外挤包绝缘层构成绝缘线芯7，多根绝缘线芯7相互绞合后，在外侧包覆一层岩棉纤维8构成缆芯。
b、在缆芯外绕包屏蔽层1，然后将聚酯带绕包在屏蔽层1外构成聚酯带加强层2，接着将云母带绕包在聚酯带加强层2外构成耐火云母带层3。
c、制备内护套层4：先按重量配备好各原料，将酚醛树脂通过破碎机制成直径小于5mm的酚醛树脂颗粒。将酚醛树脂颗粒与配备好的氢氧化镁、聚丙乙烯、三聚氰胺氰尿酸盐、气相二氧化硅、硬脂酸锌、次磷酸铈、三氧化二锑、硼酸锌、聚四氟乙烯加入搅拌机搅拌30-40分钟，充分混合后送入高压聚合釜中，同时将去离子水加入高压聚合釜中，投入Ca/Zn复合稳定剂、耐磨剂和增塑剂，升温至90-100℃，保持釜内恒温。1-2小时后加入无卤膨胀型阻燃剂，同时加入发泡剂，密封反应釜，升温至100-110℃并保温，得到护套层材料珠粒，将得到的护套层材料珠粒置入100-120℃的干燥箱内保温干燥2小时。将干燥后的护套层材料珠粒加热至熔融后，挤包在耐火云母带层3外构成内护套层4。
d、在内护套层4外包覆一层易烧结陶土，构成耐高温保护层5。
e、制备耐辐射层6：先按重量配备好各原料，将氮化硅以及硼砂送至球磨机，磨至粒径为500目以上的粉末，然后将粉末与硅胶混合，搅拌均匀，静置24小时，得到混合物1。将聚氯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯吡咯烷酮、十溴二苯乙烷、十溴二苯醚、硬脂酸、羟乙基纤维素、长玻纤以及三聚磷酸铝投入到搅拌机中，搅拌均匀，然后至于温度为60℃，相对湿度为80％的湿热环境中30分钟，得到混合物2。将混合物1、混合物2和琥珀酸钠投入到高速搅拌机中，以3000转/分钟的速度搅拌10分钟得混合物3。将混合物3加热至熔融，挤包在耐高温保护层5外构成耐辐射层6。
实施例一
按上述方法制备的核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，所述耐辐射层6由如下重量份的原料制成：聚氯乙烯80份、聚丙烯90份、聚碳酸酯20份、酚醛树脂40份、环氧树脂40份、聚二甲基硅氧烷20份、聚乙烯吡咯烷酮10份、十溴二苯乙烷5份、十溴二苯醚5份、硬脂酸18份、羟乙基纤维素8份、长玻纤8份、三聚磷酸铝5份、氮化硅4份、硼砂4份、琥珀酸钠5份、硅胶3份。
所述内护套层4由如下重量份的原料制成：酚醛树脂40份，氢氧化镁20份，聚丙乙烯30份，三聚氰胺氰尿酸盐2份，气相二氧化硅5份，Ca/Zn复合稳定剂5份，硬脂酸锌2份，次磷酸铈5份，无卤膨胀型阻燃剂10份，三氧化二锑5份，硼酸锌2份，聚四氟乙烯10份，耐磨剂3份，增塑剂5份。
实施例二
按上述方法制备的核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，所述耐辐射层6由如下重量份的原料制成：聚氯乙烯95份、聚丙烯95份、聚碳酸酯25份、酚醛树脂45份、环氧树脂45份、聚二甲基硅氧烷23份、聚乙烯吡咯烷酮15份、十溴二苯乙烷8份、十溴二苯醚8份、硬脂酸20份、羟乙基纤维素9份、长玻纤10份、三聚磷酸铝6份、氮化硅5份、硼砂5份、琥珀酸钠5份、硅胶3份。
所述内护套层4由如下重量份的原料制成：酚醛树脂50份，氢氧化镁30份，聚丙乙烯45份，三聚氰胺氰尿酸盐4份，气相二氧化硅7份，Ca/Zn复合稳定剂7份，硬脂酸锌3份，次磷酸铈10份，无卤膨胀型阻燃剂15份，三氧化二锑8份，硼酸锌3份，聚四氟乙烯15份，耐磨剂5份，增塑剂7份。
实施例三
按上述方法制备的核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，所述耐辐射层6由如下重量份的原料制成：聚氯乙烯90份、聚丙烯93份、聚碳酸酯23份、酚醛树脂42份、环氧树脂43份、聚二甲基硅氧烷22份、聚乙烯吡咯烷酮13份、十溴二苯乙烷6份、十溴二苯醚7份、硬脂酸19份、羟乙基纤维素8份、长玻纤9份、三聚磷酸铝5份、氮化硅5份、硼砂5份、琥珀酸钠5份、硅胶3份。
所述内护套层4由如下重量份的原料制成：酚醛树脂40-50份，氢氧化镁25份，聚丙乙烯38份，三聚氰胺氰尿酸盐3份，气相二氧化硅6份，Ca/Zn复合稳定剂6份，硬脂酸锌3份，次磷酸铈8份，无卤膨胀型阻燃剂13份，三氧化二锑6份，硼酸锌2份，聚四氟乙烯13份，耐磨剂4份，增塑剂7份。
针对实施例一、实施例二和实施例三制备的耐辐射层材料进行性能测试，具体结果见表1
表1
组别 厚度(mm) 抗张强度(N/mm2) 断裂伸长率(％) 硬度(A)
实施例一 2.0 23.4 506 84
实施例二 2.0 23.6 503 83
实施例三 2.0 32.3 560 84
将实施例一、实施例二和实施例三制备的耐辐射层材料经γ射线辐照后(1000kGy)，机械性能的变化情况见表2
表2
组别 抗张强度保持率(％) 断裂伸长率保持率(％) 硬度保持率(％)
实施例一 95.2 97.3 94.3
实施例二 95.6 97.6 94.6
实施例三 98.3 99.6 97.6
结合表1和2可以看出，本发明所述的耐辐射层材料，不仅抗张强度、断裂伸长率和硬度指标优异，且其在高γ射线的辐照条件下仍然具有极好的保持率，尤其是实施例三制备的耐辐射层材料，尤其适合在核电站中进行使用。
按英国BS6387标准对实施例一、实施例二和实施例三制备的核电站用绝缘阻燃防火电力电缆进行整体检测，结果如下表所示：
实施例一
实施例二
实施例三
等级 标准要求 结果
A 650℃受火3h后，线路保持完整 合格
X 650℃受火、机械冲击15min后，线路保持完整 合格
B 750℃受火3h后，线路保持完整 合格
Y 750℃受火、机械冲击15min后，线路保持完整 合格
C 950℃受火3h后，线路保持完整 合格
Z 950℃受火、机械冲击15min后，线路保持完整 合格
W 950℃受火15min、水淋15min后，线路保持完整 合格
1150℃受火3h后，线路保持完整 合格
1150℃受火、机械冲击15min后，线路保持完整 合格
1150℃受火15min、水淋15min后，线路保持完整 合格
1550℃受火3h后，线路保持完整 合格
1550℃受火、机械冲击15min后，线路保持完整 合格
1550℃受火15min、水淋15min后，线路保持完整 合格
根据上表可以看出，本发明所述的核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，不仅满足A、B、C、X、Y、Z、W级标准，且在更恶劣的工况下均具有优异的表现，具有极佳的阻燃、防火、绝缘性能。

Claims (5)

1.一种核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，其特征在于：包括由内至外依次设置的缆芯、屏蔽层(1)、聚酯带加强层(2)、耐火云母带层(3)、内护套层(4)、耐高温保护层(5)和耐辐射层(6)；所述缆芯由多根均匀分布的绝缘线芯(7)构成，所述绝缘线芯(7)和屏蔽层(1)之间填充岩棉纤维(8)；所述耐高温保护层(5)由填充在耐辐射层(6)和内护套层(4)之间的易烧结陶土构成；
所述耐辐射层(6)由如下重量份的原料制成：聚氯乙烯85-95份、聚丙烯90-95份、聚碳酸酯20-25份、酚醛树脂40-45份、环氧树脂40-45份、聚二甲基硅氧烷20-23份、聚乙烯吡咯烷酮10-15份、十溴二苯乙烷5-8份、十溴二苯醚5-8份、硬脂酸18-20份、羟乙基纤维素8-9份、长玻纤8-10份、三聚磷酸铝5-6份、氮化硅4-5份、硼砂4-5份、琥珀酸钠5份、硅胶3份；
所述内护套层(4)由如下重量份的原料制成：酚醛树脂40-50份，氢氧化镁20-30份，聚丙乙烯30-45份，三聚氰胺氰尿酸盐2-4份，气相二氧化硅5-7份，Ca/Zn复合稳定剂5-7份，硬脂酸锌2-3份，次磷酸铈5-10份，无卤膨胀型阻燃剂10-15份，三氧化二锑5-8份，硼酸锌2-3份，聚四氟乙烯10-15份，耐磨剂3-5份，增塑剂5-7份。
2.根据权利要求1所述的核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，其特征在于：所述内护套层(4)的周面上均匀设置有若干截面呈等腰梯形的凸棱。
3.根据权利要求2所述的核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，其特征在于：所述耐辐射层(6)由如下重量份的原料制成：聚氯乙烯90份、聚丙烯93份、聚碳酸酯23份、酚醛树脂42份、环氧树脂43份、聚二甲基硅氧烷22份、聚乙烯吡咯烷酮13份、十溴二苯乙烷6份、十溴二苯醚7份、硬脂酸19份、羟乙基纤维素8份、长玻纤9份、三聚磷酸铝5份、氮化硅5份、硼砂5份、琥珀酸钠5份、硅胶3份。
4.根据权利要求2所述的核电站用绝缘阻燃防火电力电缆，其特征在于：所述内护套层(4)由如下重量份的原料制成：酚醛树脂40-50份，氢氧化镁25份，聚丙乙烯38份，三聚氰胺氰尿酸盐3份，气相二氧化硅6份，Ca/Zn复合稳定剂6份，硬脂酸锌3份，次磷酸铈8份，无卤膨胀型阻燃剂13份，三氧化二锑6份，硼酸锌2份，聚四氟乙烯13份，耐磨剂4份，增塑剂7份。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的核电站用绝缘阻燃防火电力电缆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、将圆形金属丝拉丝退火绞制成导体，将导体在绝缘漆中浸涂后，再在导体外挤包绝缘层构成绝缘线芯(7)，多根绝缘线芯(7)相互绞合后，在外侧包覆一层岩棉纤维(8)构成缆芯；
b、在缆芯外绕包屏蔽层(1)，然后将聚酯带绕包在屏蔽层(1)外构成聚酯带加强层(2)，接着将云母带绕包在聚酯带加强层(2)外构成耐火云母带层(3)；
c、制备内护套层(4)：先按重量配备好各原料，将酚醛树脂通过破碎机制成直径小于5mm的酚醛树脂颗粒；将酚醛树脂颗粒与配备好的氢氧化镁、聚丙乙烯、三聚氰胺氰尿酸盐、气相二氧化硅、硬脂酸锌、次磷酸铈、三氧化二锑、硼酸锌、聚四氟乙烯加入搅拌机搅拌30-40分钟，充分混合后送入高压聚合釜中，同时将去离子水加入高压聚合釜中，投入Ca/Zn复合稳定剂、耐磨剂和增塑剂，升温至90-100℃，保持釜内恒温；1-2小时后加入无卤膨胀型阻燃剂，同时加入发泡剂，密封反应釜，升温至100-110℃并保温，得到护套层材料珠粒，将得到的护套层材料珠粒置入100-120℃的干燥箱内保温干燥2小时；将干燥后的护套层材料珠粒加热至熔融后，挤包在耐火云母带层(3)外构成内护套层(4)；
d、在内护套层(4)外包覆一层易烧结陶土，构成耐高温保护层(5)；
e、制备耐辐射层(6)：先按重量配备好各原料，将氮化硅以及硼砂送至球磨机，磨至粒径为500目以上的粉末，然后将粉末与硅胶混合，搅拌均匀，静置24小时，得到混合物1；将聚氯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯吡咯烷酮、十溴二苯乙烷、十溴二苯醚、硬脂酸、羟乙基纤维素、长玻纤以及三聚磷酸铝投入到搅拌机中，搅拌均匀，然后至于温度为60℃，相对湿度为80％的湿热环境中30分钟，得到混合物2；将混合物1、混合物2和琥珀酸钠投入到高速搅拌机中，以3000转/分钟的速度搅拌10分钟得混合物3；将混合物3加热至熔融，挤包在耐高温保护层(5)外构成耐辐射层(6)。
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