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電線電纜絕緣及護套材料選用中幾個誤區的技術分析

【摘要】:
作者:行業資深專家、武漢產品質量監督檢驗所/國家電線電纜產品質量監督檢驗中心(武漢)??金群我國電線電纜企業數量眾多,產品同質化嚴重,要想提升質量的同時有效的控制成本、合法的獲得競爭優勢,有效的依據標準要求控制材料成本、降低廢品率是有效的手段。本文擬從對電線電纜產品質量形成有直接影響的絕緣、護套材料控制方面,選取GB/T5023-2008《額定電壓450/750V及以下聚氯乙烯絕緣電纜》(下文簡稱

作者:行業資深專家、武漢產品質量監督檢驗所/國家電線電纜產品質量監督檢驗中心(武漢)   金群

我國電線電纜企業數量眾多,產品同質化嚴重,要想提升質量的同時有效的控制成本、合法的獲得競爭優勢,有效的依據標準要求控制材料成本、降低廢品率是有效的手段。本文擬從對電線電纜產品質量形成有直接影響的絕緣、護套材料控制方面,選取GB/T5023-2008《額定電壓450/750V及以下聚氯乙烯絕緣電纜》(下文簡稱GB/T5023)、GB/T9330-2008《塑料絕緣控制電纜》(下文簡稱GB/T9330)、GB/T12706-2008《額定電壓1kV(Um=1.2kV)35kV(Um=40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件》(下文簡稱GB/T12706)、GB/T14049-2008《額定電壓10 kV 架空絕緣電纜基本信息》(下文簡稱GB/T14049)等電纜產品國家標準(標準族)的要求,對比GB/T8815-2008《電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》(下文簡稱GB/T8815)、GB/T32129-2015《電線電纜用無鹵低煙阻燃電纜料》(下文簡稱GB/T32129)等電纜材料國家標準及GB/T18380-2008《電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗》(下文簡稱GB/T18380)、GB/T2951-2008《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法》(下文簡稱GB/T2951)等標準族的要求,結合常見質量問題,對行業在絕緣及護套材料幾個認識誤區進行了分析探討。

 

誤區一、絕緣及護套材料無足輕重

 

 

傳統上,由于電線電纜產品中絕緣和護套材料占其材料總成本的比例通常不超過20%,因此很多電纜企業將其視為非重要材料,質量極易被忽視,導致在供應商選擇、材料型號選擇及進貨檢驗方面存在較大的隨意性。同時,“西安奧凱問題電纜”事件的爆發引起了社會對電線電纜產品“導體打折”問題的充分重視,在產品質量方面,各界越來越多的將目光聚焦到電纜導體質量上。加之目前在對電纜企業有剛性約束的《強制性產品認證實施細則  電線電纜產品》CQC-C0101-2014、2018年12月1日生效的《電線電纜產品生產許可證實施細則》中,對工廠材料檢驗的要求僅限于制定檢驗/驗證規定、保存檢驗/驗證記錄,使企業無需對材料檢驗做出實質技術性規定即可通過審查,很多企業因此在一定程度上覺得絕緣、護套材料質量不太重要。

實際上,絕緣和護套材料的質量決定了電纜的電氣絕緣性能、機械物理性能、耐環境條件性能,直接影響電纜耐燃燒性能,在電纜產品標準中,70%左右的考核項目是由絕緣和護套材料質量決定或與其有關。筆者對部分典型產品的與絕緣護套材料質量直接相關的項目數相對試驗總項目數占比進行了統計,數據見表1:

表1

標準

典型產品

與絕緣護套材料質量直接相關的項目數

型式試驗試驗項目總數

占比(%)

GB/T5023.3

60227IEC01(BV)

15

23

65.2

GB/T5023.4

60227IEC10(BVV)

34

44

77.3

GB/T12706.1

YJV 0.6/1

29

39

74.4

GB/T12706.3

YJV 26/35

40

60

66.7

GB/T9330.3

WDZA—KYJY

28

39

71.8

GB/T14049

JKLYJ

19

28

67.9

此外,從我中心對近三年承擔的電線電纜國家監督抽查及省級監督抽查數據統計分析上來看,由于絕緣及護套材料原因導致的不合格數占比也為約70%,數據見表2:

表2

不合格項目性質

出現頻次  

不合格總數

占比(%)

與絕緣護套材料質量無關的項目(導體直流電阻、結構尺寸、曲撓、標志等)

25

83

30.1

與絕緣護套材料質量直接相關的項目

58

69.9

出于幫助電纜企業進行質量提升的需要,我中心2017至2018年以風險風險監測的方式對某市電纜企業在生產線上所用的絕緣及護套材料抽樣進行了,共抽查104批次,結果顯示合格率僅為81%

從上面分析我們不難發現,雖然絕緣及護套材料占電纜材料總成本不到20% ,但它們直接影響了約70%的電纜成品質量特性,導致了約70%的質量不合格,并且目前我們電纜企業所用的原材料質量堪憂,屬于貨真價實的“關鍵少數”,在電線電纜質量提升中,高度重視絕緣及護套材料的質量,充分做好這方面的質量控制能夠用較少的投入獲得較大的收益進而增強企業競爭力,同時《強制性產品認證實施細則  電線電纜產品》、《電線電纜產品生產許可證實施細則》本質上是通過產品一致性、產品標準的符合性等要求對材料質量進行了規定,必須引起充分重視。

 

 

誤區二、采用符合絕緣及護套標準要求的材料就能滿足生產合格電纜產品的需要

 

 

對于電線電纜絕緣及護套生產中常用的聚氯乙烯(以下簡稱PVC)、交聯聚乙烯(以下簡稱XLPE)及無鹵低煙聚烯烴材料,均有各自的國家及行業標準,當前電線電纜企業普遍認為這些材料標準均為權威組織發布,采購符合材料標準要求的絕緣及護套料就能滿足電纜產品標準的要求,因此在采購合同中基本以這些材料標準作為質量驗收依據。

電線電纜絕緣和護套的生產中PVC應用得最廣泛。就PVC絕緣而言,GB/T5023規定的所使用的材料型號分別為PVC/C(導體最高工作溫度70℃)、PVC/D(導體最高工作溫度70℃柔軟型)、PVC/E型(導體最高工作溫度90℃),GB/T9330分別為PVC/A(導體長期允許的工作溫度70℃)、PVC/D(導體長期允許的工作溫度70℃柔軟型),GB/T12706規定的型號分別為PVC/A(導體長期允許的工作溫度70℃,≤1.8/3kV級)、PVC/B(導體長期允許的工作溫度70℃,3.6/6kV級),而電纜企業采購PVC電纜料的習慣引用的驗收標準為GB/T8815,其中將PVC絕緣材料分類為J-70(導體最高工作溫度70℃)、JR-70(導體最高工作溫度70℃柔軟型)、J-90(導體最高工作溫度90℃)、JGD-70(導體最高工作溫度70℃,3.6/6kV及以下)。需要注意的是,雖然GB/T8815標準也給出了對應工作溫度等,對于電纜產品材料選用上有一定的參考性,但是GB/T8815標準和電纜產品標準在實際材料型號、試驗項目、指標要求、試驗方法上都有著一定的差異,并且目前未見有公認的技術文件確定這些差異間的數據關聯或替換關系。下面在表3中舉例說明PVC材料需注意的部分差異:

3

指標(項目)

電纜產品標準要求

材料標準對應要求

主要差異

是否有公認技術文件確定差異間的數據關聯或替換關系

PVC的低溫性能

GB/T5023中規定為低溫卷繞或低溫拉伸(根據外徑尺寸二選一)、低溫沖擊

GB/T8815中規定為沖擊脆化

GB/T5023是考核低溫下抗形變及抗剛性沖擊的能力,GB/T8815考核低溫下抗剪切沖擊能力,試驗原理不同

PVC的熱沖擊性能

GB/T5023中規定為高溫壓力,測試刀口產生的壓痕深度

GB/T8815中規定為熱變形,考核圓形壓棒產生的厚度變化率

試驗原理相同,試驗設備、所采集的數據形式不同

護套熱穩定(選取GB/T12706中對ST2型護套料與GB/T8815中對應的HI-90料進行對比)

GB/T12706規定按照GB/T2951.32的規定,將條狀試樣放入長110mm,外徑5mm,內徑(4.0±0.5mm的試管,用PH1-10的普通試紙插入試管口,加熱至200℃,開口測試試紙變紅的時間

GB/T8815中規定將顆粒狀試樣放入長95mm,內徑12mm-13mm的試管,剛果紅試紙環放試管口,加熱至200℃,封口測試試紙變藍的時間

試驗原理相同,但試樣形狀、試管尺寸、試紙類型、試紙放置方式、試驗終止條件均不同

絕緣吸水試驗(選取GB/T12706中對PVC/A型料與GB/T8815中對應的J-70JJD-70料進行對比)

按照GB/T2951.13的規定,通過絕緣線芯在工作溫度下的水中耐受相應直流電壓的能力(導體對水),考核材料的吸水率

未作要求

材料標準未作要求

燃燒

按照GB/T18380標準族進行單根垂直燃燒或成束燃燒試驗測量火焰蔓延距離,結果應符合標準要求

按照GB/T2406-19931試驗,測量材料燃燒所需的最低氧濃度,結果應符合需方要求

GB/T18380標準族評定電纜成品在火焰條件下垂直蔓延的情況,GB/T2406-1993標準評定材料在規定試驗條件下的性能,明確說明“不能用于評定材料在實際使用條件下著火的危險性”,試驗目的、原理及結果判定均不同

a

a其中差異在筆者主持完成的原國家質檢總局科研課題“低煙無鹵阻燃環保電纜結構、工藝與材料之間的關系”中有較詳細的分析研究。

相似的問題還在XLPE絕緣及無鹵低煙聚烯烴護套產品上,需注意的部分差異見表4

4

指標(項目)

電纜產品標準要求

材料標準對應要求

主要差異

是否有公認技術文件確定差異間的數據關聯或替換關系

煙密度(選取無鹵低煙阻燃電纜及其所用的無鹵低煙聚烯烴護套材料進行對比)

按照GB/T17651.2-19982的要求,測試透光率

GB/T32129規定依據GB/T8323.2-20083,測試比光密度

GB/T17651.2-1998評定電纜成品經過一定量的酒精明火點燃后電纜成品(含絕緣、填充及護套等材料)的累積煙發散量(以透光率計),

GB/T8323.2-2008僅分別考核材料在熱輻射源下有引燃火焰和無引燃火焰狀態下的光衰加權值(以比光密度計),

試驗目的、原理及結果判定均不同。

熱延伸

GB/T12706要求按照GB/T2951.21-2008的規定,從成品內層制取0.8mm-2.0mm厚的試樣

JB/T10437-2004要求按照GB/T2951.5-1997的規定,整片制取(1.0±0.1mm厚的試樣

成品是外層單面加熱交聯并從內層制取樣樣品,厚度0.8mm-2.0mm

材料是整體加熱交聯,無取樣部位規定,厚度(1.0±0.1mm

絕緣熱收縮

按照GB/T2951.13試驗,考核試樣加熱再冷卻后的收縮率

未作要求

材料標準未作要求

通過上面對比分析可見,如果簡單不加區分的采用符合各自標準的絕緣及護套料來制造各類電線電纜產品,帶來的后果將是產品質量不合格或者是成本的上升(基于同樣的原因,內護套等材料也是如此)。由此可見,我們電纜企業在材料選用及驗收過程中,需要在將材料標準作為采購合同的質量驗收標準的基礎上,將符合電纜產品標準并有良好的工藝性能作為兜底條款。

 

 

誤區三、相似產品采用同樣的絕緣護套材料及同樣的加工工藝,質量不會有顯著的差異

 

 

在我們檢驗工作中,經常有企業在收到不合格報告存在疑惑——先前用同樣的材料及工藝生產的類似產品都能通過檢驗,現在怎么通不過?實際上,電線電纜產品針對預期使用條件的不同形成型號規格繁多,即使同一個標準內的產品亦有數十至上百個型號規格,不同型號間存在材料、結構及尺寸上的差異,同型號不同規格間存在結構、尺寸上存在差異,這些差異會使同樣材料即便經過同樣工藝也會呈現出不同的整體質量特性。以下是幾個普遍存在且值得注意的問題:

——低壓擠包絕緣的交聯。目前,在低壓擠包交聯絕緣生產上,基本都采用硅烷交聯絕緣材料,其實現交聯過程的化學反應原理為:交聯聚乙烯聚合物通過加溫,在硅烷醇縮合催化劑的作用下,遇水發生水解,從而形成網狀的氧烷鏈交聯結構。因而在交聯方式上是通過溫水或蒸汽的蒸煮實現擠包絕緣的交聯,此過程的主要工藝參數為蒸煮的溫度和時間,各廠的交聯工藝文件基本都統一采用將溫度控制在90℃至95℃、交聯時間6小時左右。實際上,不同規格的電纜有著不同的絕緣厚度,隨著厚度的增加,絕緣內外層達到工藝溫度及接觸水分子完成水解進而形成網狀結構的時間存在一定差異;即便同一絕緣厚度的線芯,隨著裝盤層數的增加,卷繞在電纜盤上的表層線芯和中間層線芯達到工藝溫度及接觸水分子完成水解進而形成網狀結構的時間也存在一定差異。此外,考慮到不同供應商生產交聯料在配方、基料、催化劑、抗氧劑等方面的差異,其產品也有著不同的工藝特性、需要不同的工藝參數。因此,一刀切的采用一個工藝參數,容易出現:由于上述原因中間層蒸煮不足造成交聯不充分,導致熱延伸試驗不合格,或者過度蒸煮確保交聯充分,但增加了能耗、降低了生產效率,使得生產成本上升。解決辦法為將該過程作為特殊過程,做好過程參數確認,列出不同供應商的材料在不同絕緣厚度和裝盤層數的工藝參數,實現精細化生產、保證產品質量。

——電纜的阻燃與抑煙。當前電線電纜燃燒性能均按照GB/T18380標準族的要求進行,在GB/T18380中將燃燒分為單根垂直燃燒和成束,大多數電纜用戶及企業都認為成束燃燒的級別高于單根垂直燃燒,成束燃燒中按照A類(含AFR類)、B類、C類、D類來分,級別依次降低,且行業慣例認為燃燒性能是由電纜中非金屬材料的氧指數來決定的,燃燒要求越高對材料的氧指數越高,慣例要求的材料氧指數見表5(D類基本無企業生產,未納入)。

表5

材料類型

A類成束燃燒的材料氧指數要求

B類成束燃燒的材料氧指數要求

C類成束燃燒的材料氧指數要求

單根垂直燃燒的材料氧指數要求

聚氯乙烯

大于36

32-34

大于30

不做要求

聚烯烴

大于38

34-36

大于32

大于32

很多企業認為只要材料符合上表要求,所生產的任何產品都能合格,遺憾的是這實際上是對標準的誤讀,且我們測試的實際情況不能支持上述慣例說法。從從材料標準而言,氧指數反應了材料燃燒所需的最低氧濃度,它有高低之分,但產品標準的角度來看,無任何一個標準說明了燃燒等級分類上誰高誰低,從試驗方法標準族GB/T18380的試驗原理上來看,區分各類燃燒級別的依據是每米試樣內非金屬材料的體積及供火時間,其模擬的是電纜在不同敷設方式、固定的氧氣供給條件下抗火焰蔓延的能力而非耐燃燒的級別高低。我們的實驗數據也說明了上述問題:近期我中心分別接收到來自福建及湖北電纜企業的WDZB-BYJ產品各一個,均是通過了B類成束燃燒,但是未能通過單根垂直燃燒試驗。

低煙電纜要求材料具有較好的抑煙特性,但材料的比光密度不等同于成品的煙密度,我們應該關注材料比光密度試驗標準GB/T8323.2-2008在說明應用范圍的1.3中的表述——“本測試主要用于研發和建筑物、火車、船只等的消防安全工程,而不能作為建筑物等級評定的基礎或其他目的。沒有提供預測在其他(實際)燃燒條件下由暴露在熱源或火焰中的材料產生煙密度的基礎,也沒有建立與其他測試方法得到的數據的任何聯系……”,因此,我們不能簡單的認為材料比煙密度合格與否決定了成品煙密度是否合格。

實際上,我們在2014年完成的原國家質檢總局科研課題“低煙無鹵阻燃環保電纜結構、工藝與材料之間的關系”的研究結果顯示,材料的比光密度、表5所列氧指數分別為電纜通過煙密度和成束燃燒試驗的必要條件但非充分條件,是否能通過試驗還需要對電纜結構進行優化設計,需注意以下幾點:1、外護套下設計阻燃隔氧層以盡量延遲火焰深入至內層的時間;2、電纜內部結構盡可能的緊密,以避免因在燃燒過程中氣流速度在縫隙中加快而助長火勢;3、就聚烯烴材料而言,除考慮氧指數外,還應有還必須在燃燒過程中能分解吸熱、產生水蒸氣稀釋氧氣濃度并帶走熱量,同時還應有良好的結殼性,以將熱量及氧氣隔絕在隔氧層及絕緣外;4、填充材料應同樣采用抑煙產品,避免其在受熱過程中的產煙導致成品煙密度過高以上因素的協同作用,在提高阻燃性能的同時還能達到抑制煙產生的效果;5、注意由于煙密度試驗方法標準GB/T17651.2-1998規定試樣產品外徑在40mm、20mm、10mm、5mm這幾處各需依次增加一根樣品,由此會帶來煙密度測試值的跳躍,在產品設計上,當外徑接近這幾個數值時宜考慮適當加大以跨過跳躍點獲取有利試驗條件、增大通過試驗的可能性b

b需要注意的是,此處只是合理的規避了標準中不利試驗的條件,增加了通過試驗的可能性,并非在本質上提高了產品在使用條件下的煙密度性能,實際上情況正好相反——由于電纜外徑加大增加了表面過火面積而增加了產煙量。

 

 

誤區四、絕緣及護套材料的質量不易控制

 

 

電線電纜用絕緣及護套材料的檢驗需要專用的樣品制備設備和部分專用檢驗設備,樣品制備過程也較為復雜,且部分性能的測試周期可長達10天左右,因此部分希望對原材料質量進行自我把控的企業會有這樣的質疑:難道我們額外配備了這么多資源后,每次進貨抽檢還需要十來天才能知道結果,數十上百噸的材料堆放在倉庫等待結果才能確定是否能夠投入生產,這沒有可操作性,絕緣和護套材料質量不易控制!

實際上在做好成品檢驗和供應商管理工作后,這些材料的質量是完全能夠在幾乎不額外增加成本的條件下得到有效控制的。首先,許可證和3C的管理規定均要求工廠做好成品出廠檢驗,我們可以在擠出工藝記錄中做好原材料追溯記錄,再結合出廠檢驗要求增加熱收縮試驗等少數老化前項目,即可通過出廠檢驗結果追溯驗證材料是否合格,此外,電纜企業出于投標等需要經常會進行型式試驗,可在此時注明原材料來源,通過型式試驗來驗證材料的全性能是否合格。在此基礎上,和供應商簽訂年度合同,約定這樣的質量控制方式:正常供貨模式下出現一次不合格后,首先賠償先期帶來的損失,后續縮減采購量并采取加嚴控制模式,需對供貨產品逐批進行全性能測試后方可投入使用,若連續3批次合格則回到正常供貨模式,若再有不合格則取消合格供應商資格。如此一來,可將電線電纜企業的進貨檢驗壓力轉變為材料供應商質量控制及誠信的壓力,有效的提高材料質量。

通過上面的分析不難看出,切實提高絕緣及護套材料質量是提高電線電纜產品質量的重要基礎。

從宏觀上,我們需要推動材料標準的修訂,促進材料與產品標準間協調一致,提高材料標準對產品標準的支持度;以實際使用條件為導向修訂試驗方法標準,使得試驗條件更接近實際、所得數據更客觀的反應產品在實際條件下的質量水平。

從微觀上,電線電纜生產企業宜針對表3、表4梳理出來的產品標準及材料標準間的差異以及“誤區三”中的問題及思路,做好產品結構設計、材料選型及工藝驗證工作,以確保電線電纜成品質量符合要求為前提,通過合理的產品結構設計,做好各型號規格的產品設計驗證,正確的選用材料,采用合理的加工工藝,降低能耗、提高生產效率從而降低成本。在采購控制上,需建立有效的材料進貨檢驗/驗證規則和互利的供應商管理制度。

 
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