王云帆,樊 群,杨佳昱,于 帅,李永江*
(1.武汉第二船舶设计研究所,武汉 430064;2.南京全信传输科技股份有限公司,南京 211113)
随着北极航道常态化通行的可能性日益增加,以俄罗斯为代表的主要造船国家开始建造核动力船,由此开启了对船用核安全级电缆的需求。
船载核反应堆舱作为核动力船舶的最后一道实体屏障,直接关系到船舶的整体安全。
在船舶航行的正常工况和事故工况下,船载核反应堆舱应能与相邻舱室实现隔离,防止高压、高温、蒸汽的侵入,保障人员安全。
基于船舶航行工况、电缆敷设路径和核环境等多种因素,船载核反应堆舱内电缆或保堆设备用电缆(以下称“船用核级电缆”)除应满足船用电缆的相关性能外,还应同时具备海洋环境适应性,如“三防”、环保和核安全性能,如经老化、辐照、设计基准事件(DBE)事故仍能正常工作。
截至目前,尚无具体的标准对船用核安全级电缆予以规定和指导。
本工作结合实际工作和产品开发情况对此进行了归纳,以期对行业有所裨益。
根据GB/T 22577—2008《核电站用1E 级电缆通用要求》[1]标准,核电站用1E 级电缆,即核安全级电缆分为K1、K2、K3 等3 个安全等级。
不同于核电站用核级电缆的细致分类,因尚无相关的国家标准、军用标准或行业标准,故船用核级电缆的分类并不明确,值得商榷。
从核动力船舶特点和电缆应用情况来看,目前船用核级电缆主要是指堆舱用电缆,其类似于陆上核电站的K1 类电缆,主要用于船舶核反应堆舱内及贯穿舱内外设备所需电能、信号的传输与控制,关键性能兼顾船用电缆常规性能、海洋环境适应性能和核安全功能性能。
具体项目及试验方法见表1。
表1 船用核级电缆关键试验项目和参考标准
2.1 结构设计
船用核级电缆的结构设计须充分考虑海洋、核环境下的电气性能和安全性能,除低烟、无卤、低毒、阻燃等燃烧性能和耐盐雾、湿热、霉菌、油雾等气候性能外,还须考虑高温、高压、蒸汽,以及γ 射线辐照等因素的影响。
船用核级电缆基本的主体结构与船用电缆相同,区别在于特殊的绝缘型式、隔离层设置及材料选择。
其中,绝缘型式和材料选择主要基于寿命和燃烧性能考虑;隔离层设置主要基于DBE 事故后的功能实现考虑;所有电缆在铠装内设置挤包内衬层或内护套。
2.1.1 控制电缆
船用核级控制电缆的典型结构包括单护套电缆、铠装型无内护套(有内衬层)电缆和铠装型双护套电缆等,铠装型无内护套(有内衬层)电缆的典型结构示意图见图1。
图1 铠装型无内护套(有内衬层)电缆结构示意图
2.1.2 仪表通信电缆
船用核级仪表通信电缆的典型结构包括铠装型单护套电缆和铠装型双护套电缆;根据屏蔽情况又分为无分屏蔽和有分屏蔽两种结构,有分屏蔽的电缆在分屏蔽外绕包聚酯带作为屏蔽绝缘。
铠装型双护套电缆的典型结构示意图见图2。
图2 铠装型双护套电缆结构示意图
2.2 材料选择
为了达到船用核级电缆的关键性能要求,结合船用电缆和核电站用1E 级电缆的设计应用经验,设计方案中控制电缆绝缘、仪表通信电缆绝缘分别采用乙丙橡胶和交联聚乙烯,护套采用交联聚乙烯,所有材料均为低烟、无卤、低毒的阻燃材料。
选择交联聚乙烯和乙丙橡胶作为绝缘材料,以乙酸乙烯共聚物(EVA)为基材的阻燃交联聚烯烃为护套材料,主要是考虑电缆经DBE 事故后,在高温、高压、蒸汽环境下,不会发生永久塑性形变,可以保证电缆的正常结构。
在材料实现上考虑到热寿命、辐照老化性能,防老体系应耐受γ 射线照射。
相关原理为高聚物经辐照后,产生聚合物自由基,自由基与所选防老剂结合,终止聚合物自由基反应,实现预防老化、延长寿命的目的。
2.3 关键工艺
船用核级电缆生产工艺的控制要点主要集中在导体绞合、绝缘层、屏蔽隔离层、挤包内衬层(或护套)和挤包外护套。
2.3.1 导体绞合
基于船用核级电缆在事故环境下须具备结构稳定性、耐挤压性能和电气安全性能,产品从内而外应尽可能圆整、密实。
因此,控制和仪表通信电缆的导体选择19 根单丝替代常规的7 根单丝,经正规绞合,使导体结构更紧密,外围缝隙更小,更有利于挤包绝缘的厚度与同心度的控制。
2.3.2 挤包绝缘、衬层和外护套
通过免调偏机头采用挤压式工艺进行挤包,可以在偏心后自行调控,不需要人为调节,保证大压力挤包橡塑材料时的同心度;避免在贯穿件密封和事故工况下,导致最薄点发生故障。
绝缘采用双层共挤结构,内层采用分离型(BM)螺杆挤出,外层采用低烟无卤材料专用螺杆挤出,模套采用挤压式模套。
内衬层和护套挤出采用低烟无卤材料挤出设备,模套应比成品外径略小,使得材料在挤出后有所膨胀,且表面光滑。
绝缘和护套挤出后,首先测试材料的断裂伸长率及其各层结构尺寸,测试有余量后,再批量挤出。绝缘和护套辐照时,热延伸控制在30% ～50%范围。
2.3.3 屏蔽隔离层
屏蔽层内外设置重叠绕包隔离层,搭盖率不小于50%。
隔离层采用黏性高温聚酰亚胺带或电气绝缘级耐高温聚酯带。
3.1 试验样品
分别选取典型型号规格为JKEPJ/SC-H 2×0.75 mm2和JHYJP85/SC-H 24×2×0.6 mm2的控制电缆和仪表电缆作为试验样品,并根据试验需要分别取同一电缆的不同长度,记为1#、2#样件。
3.2 试验方法及流程
常规性能按照GJB 1916—1994《舰船用低烟电缆和软线通用规范》和GJB 774A—2020《舰船用电线电缆通用规范》规定的方法执行,海洋环境适应性能测试按照GJB 774A—2020 和GJB 150A—2009《军用装备实验室环境试验方法》规定的方法执行,核相关功能验证试验按照GB/T 22577—2008 规定的方法执行。
1#、2#试样具体的试验流程见图3。
图3 产品试验流程图
3.3 测试结果
3.3.1 常规性能
本工作对2#试样进行船用核级电缆常规性能试验,试验结果见表2。
表2 船用核级电缆常规性能测试结果
3.3.2 海洋和船舶环境适应性能
为了响应船舶“三防”预案,更好地应对船舶油污、海洋强日光、拉敷摩擦的影响,对2#试样进行海洋和船舶环境适应性能试验,试验结果见表3。
表3 船用核级电缆海洋和船舶环境适应性能测试结果
3.3.3 核安全功能性能
为响应核环境下船舶寿命周期中热、辐射、发生事故时的应用功能,对1#试样进行了核安全功能性能验证试验,测试结果见表4。
表4 船用核级电缆核安全功能性能测试结果
由表2、表3 和表4 的测试结果可知,试制生产的产品试验均符合技术要求,达到设计预期,实现了产品同时兼具海洋特殊环境和核工况的适应性,且满足相应的关键技术性能和功能要求。
实测数据虽然符合设计要求,但相关产品仍具有可优化的空间,比如如何在保证电缆单位长度的外径质量基础上实现分屏蔽隔离层更加密实,屏蔽间绝缘电阻更加优异。
船用核级电缆直接关系核动力船舶的运行安全,本工作基于对关键性能和试验项目的分析,完成了船用核级控制与仪表通信电缆的结构设计、材料选择、试制开发和产品各项性能测试。
结果表明,该产品达到了设计预期,实现了相应的特殊性能和功能需要。
猜你喜欢 核级铠装护套 自主核级无纸记录仪产品发布会在上海召开仪器仪表用户(2022年3期)2022-03-04核级DCS工程设计优化研究机械工业标准化与质量(2021年11期)2021-08-15联锁铠装电缆的中外标准解析电线电缆(2021年1期)2021-03-29浅谈铠装电缆引入防爆电气设备防爆电机(2020年6期)2020-12-14分析10kV金属封闭铠装式开关柜内部发热的原因电子制作(2018年14期)2018-08-21核级E316L焊条在高温水环境下的均匀腐蚀行为焊接(2016年8期)2016-02-27国产核级CHE608HR2焊条插销冷裂纹试验研究焊接(2016年5期)2016-02-27一种自制铠装电缆装置及制作方法介绍水利信息化(2015年5期)2015-12-21耐低温阻燃橡胶电缆护套材料橡胶工业(2015年5期)2015-08-29一种大型橡胶护套模具的设计与制作橡塑技术与装备(2015年7期)2015-07-03