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[材料介绍 ] 电线电缆绝缘及护套材料选用中几个误区的技术分析

P: 2019-03-12 08:08:45

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作者:行业资深专家、武汉产品质量监督检验所/国家电线电缆产品质量监督检验中心(武汉)   金群

我国电线电缆企业数量众多,产品同质化严重,要想提升质量的同时有效的控制成本、合法的获得竞争优势,有效的依据标准要求控制材料成本、降低废品率是有效的手段。本文拟从对电线电缆产品质量形成有直接影响的绝缘、护套材料控制方面,选取GB/T5023-2008《额定电压450/750V及以下聚氯乙烯绝缘电缆》(下文简称GB/T5023)、GB/T9330-2008《塑料绝缘控制电缆》(下文简称GB/T9330)、GB/T12706-2008《额定电压1kV(Um=1.2kV)35kV(Um=40.5kV)挤包绝缘电力电缆及附件》(下文简称GB/T12706)、GB/T14049-2008《额定电压10 kV 架空绝缘电缆基本信息》(下文简称GB/T14049)等电缆产品国家标准(标准族)的要求,对比GB/T8815-2008《电线电缆用软聚氯乙烯塑料》(下文简称GB/T8815)、GB/T32129-2015《电线电缆用无卤低烟阻燃电缆料》(下文简称GB/T32129)等电缆材料国家标准及GB/T18380-2008《电缆和光缆在火焰条件下的燃烧试验》(下文简称GB/T18380)、GB/T2951-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法》(下文简称GB/T2951)等标准族的要求,结合常见质量问题,对行业在绝缘及护套材料几个认识误区进行了分析探讨。


误区一、绝缘及护套材料无足轻重


传统上,由于电线电缆产品中绝缘和护套材料占其材料总成本的比例通常不超过20%,因此很多电缆企业将其视为非重要材料,质量极易被忽视,导致在供应商选择、材料型号选择及进货检验方面存在较大的随意性。同时,“西安奥凯问题电缆”事件的爆发引起了社会对电线电缆产品“导体打折”问题的充分重视,在产品质量方面,各界越来越多的将目光聚焦到电缆导体质量上。加之目前在对电缆企业有刚性约束的《强制性产品认证实施细则  电线电缆产品》CQC-C0101-2014、2018年12月1日生效的《电线电缆产品生产许可证实施细则》中,对工厂材料检验的要求仅限于制定检验/验证规定、保存检验/验证记录,使企业无需对材料检验做出实质技术性规定即可通过审查,很多企业因此在一定程度上觉得绝缘、护套材料质量不太重要。

实际上,绝缘和护套材料的质量决定了电缆的电气绝缘性能、机械物理性能、耐环境条件性能,直接影响电缆耐燃烧性能,在电缆产品标准中,70%左右的考核项目是由绝缘和护套材料质量决定或与其有关。笔者对部分典型产品的与绝缘护套材料质量直接相关的项目数相对试验总项目数占比进行了统计,数据见表1:

表1

标准

典型产品

与绝缘护套材料质量直接相关的项目数

型式试验试验项目总数

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,从我中心对近三年承担的电线电缆国家监督抽查及省级监督抽查数据统计分析上来看,由于绝缘及护套材料原因导致的不合格数占比也为约70%,数据见表2:

表2

不合格项目性质

出现频次  

不合格总数

占比(%)

与绝缘护套材料质量无关的项目(导体直流电阻、结构尺寸、曲挠、标志等)

25

83

30.1

与绝缘护套材料质量直接相关的项目

58

69.9

出于帮助电缆企业进行质量提升的需要,我中心2017至2018年以风险风险监测的方式对某市电缆企业在生产线上所用的绝缘及护套材料抽样进行了,共抽查104批次,结果显示合格率仅为81%

从上面分析我们不难发现,虽然绝缘及护套材料占电缆材料总成本不到20% ,但它们直接影响了约70%的电缆成品质量特性,导致了约70%的质量不合格,并且目前我们电缆企业所用的原材料质量堪忧,属于货真价实的“关键少数”,在电线电缆质量提升中,高度重视绝缘及护套材料的质量,充分做好这方面的质量控制能够用较少的投入获得较大的收益进而增强企业竞争力,同时《强制性产品认证实施细则  电线电缆产品》、《电线电缆产品生产许可证实施细则》本质上是通过产品一致性、产品标准的符合性等要求对材料质量进行了规定,必须引起充分重视。


误区二、采用符合绝缘及护套标准要求的材料就能满足生产合格电缆产品的需要


对于电线电缆绝缘及护套生产中常用的聚氯乙烯(以下简称PVC)、交联聚乙烯(以下简称XLPE)及无卤低烟聚烯烃材料,均有各自的国家及行业标准,当前电线电缆企业普遍认为这些材料标准均为权威组织发布,采购符合材料标准要求的绝缘及护套料就能满足电缆产品标准的要求,因此在采购合同中基本以这些材料标准作为质量验收依据。

电线电缆绝缘和护套的生产中PVC应用得最广泛。就PVC绝缘而言,GB/T5023规定的所使用的材料型号分别为PVC/C(导体最高工作温度70℃)、PVC/D(导体最高工作温度70℃柔软型)、PVC/E型(导体最高工作温度90℃),GB/T9330分别为PVC/A(导体长期允许的工作温度70℃)、PVC/D(导体长期允许的工作温度70℃柔软型),GB/T12706规定的型号分别为PVC/A(导体长期允许的工作温度70℃,≤1.8/3kV级)、PVC/B(导体长期允许的工作温度70℃,3.6/6kV级),而电缆企业采购PVC电缆料的习惯引用的验收标准为GB/T8815,其中将PVC绝缘材料分类为J-70(导体最高工作温度70℃)、JR-70(导体最高工作温度70℃柔软型)、J-90(导体最高工作温度90℃)、JGD-70(导体最高工作温度70℃,3.6/6kV及以下)。需要注意的是,虽然GB/T8815标准也给出了对应工作温度等,对于电缆产品材料选用上有一定的参考性,但是GB/T8815标准和电缆产品标准在实际材料型号、试验项目、指标要求、试验方法上都有着一定的差异,并且目前未见有公认的技术文件确定这些差异间的数据关联或替换关系。下面在表3中举例说明PVC材料需注意的部分差异:

3

指标(项目)

电缆产品标准要求

材料标准对应要求

主要差异

是否有公认技术文件确定差异间的数据关联或替换关系

PVC的低温性能

GB/T5023中规定为低温卷绕或低温拉伸(根据外径尺寸二选一)、低温冲击

GB/T8815中规定为冲击脆化

GB/T5023是考核低温下抗形变及抗刚性冲击的能力,GB/T8815考核低温下抗剪切冲击能力,试验原理不同

PVC的热冲击性能

GB/T5023中规定为高温压力,测试刀口产生的压痕深度

GB/T8815中规定为热变形,考核圆形压棒产生的厚度变化率

试验原理相同,试验设备、所采集的数据形式不同

护套热稳定(选取GB/T12706中对ST2型护套料与GB/T8815中对应的HI-90料进行对比)

GB/T12706规定按照GB/T2951.32的规定,将条状试样放入长110mm,外径5mm,内径(4.0±0.5mm的试管,用PH1-10的普通试纸插入试管口,加热至200℃,开口测试试纸变红的时间

GB/T8815中规定将颗粒状试样放入长95mm,内径12mm-13mm的试管,刚果红试纸环放试管口,加热至200℃,封口测试试纸变蓝的时间

试验原理相同,但试样形状、试管尺寸、试纸类型、试纸放置方式、试验终止条件均不同

绝缘吸水试验(选取GB/T12706中对PVC/A型料与GB/T8815中对应的J-70JJD-70料进行对比)

按照GB/T2951.13的规定,通过绝缘线芯在工作温度下的水中耐受相应直流电压的能力(导体对水),考核材料的吸水率

未作要求

材料标准未作要求

燃烧

按照GB/T18380标准族进行单根垂直燃烧或成束燃烧试验测量火焰蔓延距离,结果应符合标准要求

按照GB/T2406-19931试验,测量材料燃烧所需的最低氧浓度,结果应符合需方要求

GB/T18380标准族评定电缆成品在火焰条件下垂直蔓延的情况,GB/T2406-1993标准评定材料在规定试验条件下的性能,明确说明“不能用于评定材料在实际使用条件下着火的危险性”,试验目的、原理及结果判定均不同

a

a其中差异在笔者主持完成的原国家质检总局科研课题“低烟无卤阻燃环保电缆结构、工艺与材料之间的关系”中有较详细的分析研究。

相似的问题还在XLPE绝缘及无卤低烟聚烯烃护套产品上,需注意的部分差异见表4

4

指标(项目)

电缆产品标准要求

材料标准对应要求

主要差异

是否有公认技术文件确定差异间的数据关联或替换关系

烟密度(选取无卤低烟阻燃电缆及其所用的无卤低烟聚烯烃护套材料进行对比)

按照GB/T17651.2-19982的要求,测试透光率

GB/T32129规定依据GB/T8323.2-20083,测试比光密度

GB/T17651.2-1998评定电缆成品经过一定量的酒精明火点燃后电缆成品(含绝缘、填充及护套等材料)的累积烟发散量(以透光率计),

GB/T8323.2-2008仅分别考核材料在热辐射源下有引燃火焰和无引燃火焰状态下的光衰加权值(以比光密度计),

试验目的、原理及结果判定均不同。

热延伸

GB/T12706要求按照GB/T2951.21-2008的规定,从成品内层制取0.8mm-2.0mm厚的试样

JB/T10437-2004要求按照GB/T2951.5-1997的规定,整片制取(1.0±0.1mm厚的试样

成品是外层单面加热交联并从内层制取样样品,厚度0.8mm-2.0mm

材料是整体加热交联,无取样部位规定,厚度(1.0±0.1mm

绝缘热收缩

按照GB/T2951.13试验,考核试样加热再冷却后的收缩率

未作要求

材料标准未作要求

通过上面对比分析可见,如果简单不加区分的采用符合各自标准的绝缘及护套料来制造各类电线电缆产品,带来的后果将是产品质量不合格或者是成本的上升(基于同样的原因,内护套等材料也是如此)。由此可见,我们电缆企业在材料选用及验收过程中,需要在将材料标准作为采购合同的质量验收标准的基础上,将符合电缆产品标准并有良好的工艺性能作为兜底条款。


误区三、相似产品采用同样的绝缘护套材料及同样的加工工艺,质量不会有显著的差异


在我们检验工作中,经常有企业在收到不合格报告存在疑惑——先前用同样的材料及工艺生产的类似产品都能通过检验,现在怎么通不过?实际上,电线电缆产品针对预期使用条件的不同形成型号规格繁多,即使同一个标准内的产品亦有数十至上百个型号规格,不同型号间存在材料、结构及尺寸上的差异,同型号不同规格间存在结构、尺寸上存在差异,这些差异会使同样材料即便经过同样工艺也会呈现出不同的整体质量特性。以下是几个普遍存在且值得注意的问题:

——低压挤包绝缘的交联。目前,在低压挤包交联绝缘生产上,基本都采用硅烷交联绝缘材料,其实现交联过程的化学反应原理为:交联聚乙烯聚合物通过加温,在硅烷醇缩合催化剂的作用下,遇水发生水解,从而形成网状的氧烷链交联结构。因而在交联方式上是通过温水或蒸汽的蒸煮实现挤包绝缘的交联,此过程的主要工艺参数为蒸煮的温度和时间,各厂的交联工艺文件基本都统一采用将温度控制在90℃至95℃、交联时间6小时左右。实际上,不同规格的电缆有着不同的绝缘厚度,随着厚度的增加,绝缘内外层达到工艺温度及接触水分子完成水解进而形成网状结构的时间存在一定差异;即便同一绝缘厚度的线芯,随着装盘层数的增加,卷绕在电缆盘上的表层线芯和中间层线芯达到工艺温度及接触水分子完成水解进而形成网状结构的时间也存在一定差异。此外,考虑到不同供应商生产交联料在配方、基料、催化剂、抗氧剂等方面的差异,其产品也有着不同的工艺特性、需要不同的工艺参数。因此,一刀切的采用一个工艺参数,容易出现:由于上述原因中间层蒸煮不足造成交联不充分,导致热延伸试验不合格,或者过度蒸煮确保交联充分,但增加了能耗、降低了生产效率,使得生产成本上升。解决办法为将该过程作为特殊过程,做好过程参数确认,列出不同供应商的材料在不同绝缘厚度和装盘层数的工艺参数,实现精细化生产、保证产品质量。

——电缆的阻燃与抑烟。当前电线电缆燃烧性能均按照GB/T18380标准族的要求进行,在GB/T18380中将燃烧分为单根垂直燃烧和成束,大多数电缆用户及企业都认为成束燃烧的级别高于单根垂直燃烧,成束燃烧中按照A类(含AFR类)、B类、C类、D类来分,级别依次降低,且行业惯例认为燃烧性能是由电缆中非金属材料的氧指数来决定的,燃烧要求越高对材料的氧指数越高,惯例要求的材料氧指数见表5(D类基本无企业生产,未纳入)。

表5

材料类型

A类成束燃烧的材料氧指数要求

B类成束燃烧的材料氧指数要求

C类成束燃烧的材料氧指数要求

单根垂直燃烧的材料氧指数要求

聚氯乙烯

大于36

32-34

大于30

不做要求

聚烯烃

大于38

34-36

大于32

大于32

很多企业认为只要材料符合上表要求,所生产的任何产品都能合格,遗憾的是这实际上是对标准的误读,且我们测试的实际情况不能支持上述惯例说法。从从材料标准而言,氧指数反应了材料燃烧所需的最低氧浓度,它有高低之分,但产品标准的角度来看,无任何一个标准说明了燃烧等级分类上谁高谁低,从试验方法标准族GB/T18380的试验原理上来看,区分各类燃烧级别的依据是每米试样内非金属材料的体积及供火时间,其模拟的是电缆在不同敷设方式、固定的氧气供给条件下抗火焰蔓延的能力而非耐燃烧的级别高低。我们的实验数据也说明了上述问题:近期我中心分别接收到来自福建及湖北电缆企业的WDZB-BYJ产品各一个,均是通过了B类成束燃烧,但是未能通过单根垂直燃烧试验。

低烟电缆要求材料具有较好的抑烟特性,但材料的比光密度不等同于成品的烟密度,我们应该关注材料比光密度试验标准GB/T8323.2-2008在说明应用范围的1.3中的表述——“本测试主要用于研发和建筑物、火车、船只等的消防安全工程,而不能作为建筑物等级评定的基础或其他目的。没有提供预测在其他(实际)燃烧条件下由暴露在热源或火焰中的材料产生烟密度的基础,也没有建立与其他测试方法得到的数据的任何联系……”,因此,我们不能简单的认为材料比烟密度合格与否决定了成品烟密度是否合格。

实际上,我们在2014年完成的原国家质检总局科研课题“低烟无卤阻燃环保电缆结构、工艺与材料之间的关系”的研究结果显示,材料的比光密度、表5所列氧指数分别为电缆通过烟密度和成束燃烧试验的必要条件但非充分条件,是否能通过试验还需要对电缆结构进行优化设计,需注意以下几点:1、外护套下设计阻燃隔氧层以尽量延迟火焰深入至内层的时间;2、电缆内部结构尽可能的紧密,以避免因在燃烧过程中气流速度在缝隙中加快而助长火势;3、就聚烯烃材料而言,除考虑氧指数外,还应有还必须在燃烧过程中能分解吸热、产生水蒸气稀释氧气浓度并带走热量,同时还应有良好的结壳性,以将热量及氧气隔绝在隔氧层及绝缘外;4、填充材料应同样采用抑烟产品,避免其在受热过程中的产烟导致成品烟密度过高以上因素的协同作用,在提高阻燃性能的同时还能达到抑制烟产生的效果;5、注意由于烟密度试验方法标准GB/T17651.2-1998规定试样产品外径在40mm、20mm、10mm、5mm这几处各需依次增加一根样品,由此会带来烟密度测试值的跳跃,在产品设计上,当外径接近这几个数值时宜考虑适当加大以跨过跳跃点获取有利试验条件、增大通过试验的可能性b

b需要注意的是,此处只是合理的规避了标准中不利试验的条件,增加了通过试验的可能性,并非在本质上提高了产品在使用条件下的烟密度性能,实际上情况正好相反——由于电缆外径加大增加了表面过火面积而增加了产烟量。


误区四、绝缘及护套材料的质量不易控制


电线电缆用绝缘及护套材料的检验需要专用的样品制备设备和部分专用检验设备,样品制备过程也较为复杂,且部分性能的测试周期可长达10天左右,因此部分希望对原材料质量进行自我把控的企业会有这样的质疑:难道我们额外配备了这么多资源后,每次进货抽检还需要十来天才能知道结果,数十上百吨的材料堆放在仓库等待结果才能确定是否能够投入生产,这没有可操作性,绝缘和护套材料质量不易控制!

实际上在做好成品检验和供应商管理工作后,这些材料的质量是完全能够在几乎不额外增加成本的条件下得到有效控制的。首先,许可证和3C的管理规定均要求工厂做好成品出厂检验,我们可以在挤出工艺记录中做好原材料追溯记录,再结合出厂检验要求增加热收缩试验等少数老化前项目,即可通过出厂检验结果追溯验证材料是否合格,此外,电缆企业出于投标等需要经常会进行型式试验,可在此时注明原材料来源,通过型式试验来验证材料的全性能是否合格。在此基础上,和供应商签订年度合同,约定这样的质量控制方式:正常供货模式下出现一次不合格后,首先赔偿先期带来的损失,后续缩减采购量并采取加严控制模式,需对供货产品逐批进行全性能测试后方可投入使用,若连续3批次合格则回到正常供货模式,若再有不合格则取消合格供应商资格。如此一来,可将电线电缆企业的进货检验压力转变为材料供应商质量控制及诚信的压力,有效的提高材料质量。

通过上面的分析不难看出,切实提高绝缘及护套材料质量是提高电线电缆产品质量的重要基础。

从宏观上,我们需要推动材料标准的修订,促进材料与产品标准间协调一致,提高材料标准对产品标准的支持度;以实际使用条件为导向修订试验方法标准,使得试验条件更接近实际、所得数据更客观的反应产品在实际条件下的质量水平。

从微观上,电线电缆生产企业宜针对表3、表4梳理出来的产品标准及材料标准间的差异以及“误区三”中的问题及思路,做好产品结构设计、材料选型及工艺验证工作,以确保电线电缆成品质量符合要求为前提,通过合理的产品结构设计,做好各型号规格的产品设计验证,正确的选用材料,采用合理的加工工艺,降低能耗、提高生产效率从而降低成本。在采购控制上,需建立有效的材料进货检验/验证规则和互利的供应商管理制度。


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