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[阻燃耐火] 建筑防火电缆的设计
P:2019-09-20 11:32:31
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矿物绝缘电缆( Mineral insulated Cable)简称MI电缆,目前按结构特性可分为刚性和柔性两种。
刚性矿物绝缘电缆(BIIZ)发明较早,19世纪末瑞士工程师Arnold Francois Borel就提出了矿物绝缘电缆的设想,并于1896年获得专利权,1934-1936年法、英投入生产以后发展很快。我国也于上世纪60年代研制开始用于军事领域,80年代中期开始工业化生产,并逐步被建筑领域全面接受。
由于刚性矿物绝缘电缆在结构设计上的天然不足,造成其性能、生产及敷设等方面存在一定的缺陷。在发达国家特别是欧盟国家中,柔性矿物绝缘电缆的崛起,刚性矿物绝缘电缆的使用正在被替代。
柔性矿物绝缘电缆( TBTRZ)的发晚,大约是上个世纪六七十年代诞生于瑞士斯图特电缆公司,国内最早最新的柔性防火电缆于2003年推出。
1、建筑电线电缆防火设计要求
1.1 电线电缆分类
电线电缆根据其本身具有的燃烧特性,分为普通电线电缆、阻燃电线电缆、耐火电线电缆、无卤低烟阻燃电线电缆、无卤低烟阻燃耐火电线电缆、隔离型防火电缆及矿物绝缘电缆。
图1 C、Z、W试验图
1.2 电线电缆的选用
表1 电线电缆分类
DBJ50-164-2013《民用建筑电线电缆防火设计规范》标准明确规定特级场所中消防设备供电干线及分支干线应采用矿物绝缘电缆,一级、二级公共建筑消防水泵的供电干线应采用矿物绝缘电缆、隔离型防火电缆或防火性能符合BS6387标准定的电缆。
笔者在此说明一下,虽然DBJ50-164及相关行业规范规定产品应符合BS6387-3013规定的C、Z、W试验,但是BS6387-2013标准规定密定电压不超过600100V、外径不超过2m的电缆;外径超过20mm电缆试验应执行BS8491-2008。
表2 BS6387 标准规定的线路完整性要求
2、防火电缆种类
表3 防火电缆种类
2.1 防火电缆种类及执行标准(见下表3)
2.2 柔性防火电缆与传统防火电缆比较
a、各类防火电缆结构介绍
BTTZ矿物绝缘电缆是由导体、无机绝缘材料(通常是氧化镁粉)和铜护套组合加工而成。
YTTW、RTTZ隔离型防火电缆是由导体、无机矿物合成云母绝缘、铜护套扎纹纵包焊接组合加工而成。
RTTW隔离型防火电缆是由物云母绝缘、低烟无卤阻燃辐照交联聚烯烃绝缘、防火泥填充、低烟无卤阻燃聚烯烃护套、铜护套扎纹纵包焊接组合加工而成。
TBTRZLY隔离型柔性防火电缆导体、无机矿物云母绝缘、低烟无充、低烟无卤阻燃聚烯烃内护套、铝合金带(铜带、不锈钢带)连锁铠装、低烟无卤阻燃聚烯烃外护套组合加工而成。
NG-A(BTIY)隔离型柔性防火电缆是由导体、无机矿物云母绝无卤阻燃辐照交联聚烯烃绝缘、铝合管、防火泥填充、低烟无卤阻燃聚烯烃护套组合加工而成。
b、各类防火电缆性能对比见下表4
表4 防火电缆优缺点
3.1 BTTZ矿物绝缘电缆制造工艺
BTTZ矿物绝缘电缆生产工艺有预制氧化镁瓷柱法、氧化镁粉自动灌装法和氩弧焊连续焊接法三种。
预制氧化镁瓷柱法,该工艺是将磁选好的氧化镁粉烘干后加入特殊的粘结剂,使其制成糊状。该添加剂一方面另一方面要使压制氧化镁瓷柱管坯易于脱模。常用的粘结剂有纤维素、石蜡等材料。经过处理后的粉料送到压机上进行压制成型。压好后的氧化镁瓷柱放进储料箱或传送带输送到电炉内煅烧(煅烷温度为1200℃右)。煅烧后的瓷柱,可先将它装人管坯长约9m),由专用芯杆定位,而后穿入所需的芯坯(长约10m),为了避免在装配时瓷柱吸潮,氧化镁瓷柱应采用热装配,温度不低于100℃,装配完毕后进行反复拉拔和退火工序直至成品。(工艺流程见下图2)
图2 预制氧化镁瓷柱法工艺流程图
氧化镁自动灌装法,该工艺首先将处理的管坯(长约9754mm)和线芯(长约9804mm)材料送到装配台,进行坯窄装配(也是将所需坯料放入管坯中),并用装置将管坯一端固定。将氧化镁粉灌入管内,并压紧。为了避免在填充时氧化镁受潮氧化镁粉在灌装前先进行高温排潮处理,将氧化镁粉先送人电加热滚筒炉内煅烧(煅烧温度一般在850~950℃之间),氧化镁粉从电炉出来后装箱进入保温炉(保温温度一般控制在250~350℃C之间)。灌粉时将保温箱内的氧化镁加到加料漏斗内,从漏斗出来的氧化镁粉通过磁力分选器,以清除磁性金属夹杂物。粉料通过捣装工具的导向杆和管坯之间的间隙进入护套管坯装杆上的冲头压紧。冲头上面有导向阀门,它不仅起到捣固作用,而且可以起到线芯坯定位作用。捣装过程一直进行到气动杆摩擦压力和作用在氧化镁粉上的压力达到平衡时为止。夹具沿着捣杆向下移动一个填充节距,并如此反复进行循环。每循环一次后,捣装杆向上移动填充一个填充节距。通过调节氧化镁粉的供料量、捣装杆的压力及其冲击频率可得到最佳填充速度和填充密度为了检测氧化镁粉的密实度,灌粉前对装配好的铜管和铜棒进行称重,灌粉后再进行称重,从而得到每根管坯内所装的氧化镁粉的重量是否在工艺控制范围内。(工艺流程见下图3)
图3 氧化镁自动灌装法工艺流程图
氩焊连续焊接法,铜带氩弧焊连续焊接生产线由垂直和水平两个部分组成,垂直部分包括成型压辊、氧化镁粉料斗、焊接机头玉压轮、扎机和感应退火箱。
水平部分包括冷却槽轧机、感应退火箱和收线装置。(工艺流程见下图4)
图4 氩弧焊连续焊接法工艺流程图
3.2 NG-A(BTLY)铝连续挤压包覆、氩弧焊连续焊接工艺
NG-A(BTLY)金属铝管护套生产工艺有铝连续挤压包覆、氩弧焊连续焊接法。
铝连续挤压包覆,将一定数量的进料送进钢制淬硬挤压轮,挤压轮圆周上加工成环状的槽里,用钢制靴接近并覆盖挤压轮四分之一的圆周。钢靴一端被安装在一根回转轴上,另一端被液压活塞紧压在轮子上,当轮子旋转时进料被挤压进轮槽和靴之间的间隙。进料之间会产生高压,一些能量被转化为热能,升高的温度足以使物料变成半熔融状态。靴内安装着适合安装模具的“模腔”,模腔的安装应保证模具是从模腔出来的物料的唯一出口。半熔融材料在压力的推动下进入该模腔,并通过模具,这样就能生产出按要求挤压的各种截面的产品。该产品被临近的冷却水系统冷却,然后被卷绕或进行其它操作。
(铝连续挤压包覆原理见下图5)
图5 铝连续挤压包覆原理见下图
交联聚氯乙烯的熔融温度大约在230℃左右，而铝半熔温度大约在530℃左右，挤在绝缘上的温度仍然较高，容易烫伤绝缘。为了保证绝缘不被烫伤，冷却非常重要，冷却水的流速、流量要大,冷却水装置距离模口要尽量近些，使铝管一出模口就能快速、充分冷却。同时模具设计也非常重要,为了避免绝缘烫伤,铝管内/外径需要偏大,所以采用挤管式模具挤制铝护套,但为了降低后道工序成本,铝管还需进行拉拔减径。
氩弧焊连续焊接法,氬弧焊铝护套工艺是采用经过压延的厚度均匀的铝板,经清洗、精切、纵包、焊接、拉拔、在线检测来实现的,该氩弧焊的工艺是在氩气和氦气的保护下,以铝板为负极,钨极为正极,通过低电压、大电流成焊接。钨极焊头只有2mm的直径,并且由保护气体连续吹向焊点处,迅速带走热量,使焊接部位快速冷却,绝缘层不受任何影响。
连续挤压包覆产品具有无缝不漏、材料利用率高、生产速度快、成本低等优点,主要特点在于可生产15mm以下的小直径电缆,缺点是挤包铝管容易烫伤绝缘。氩弧焊连续焊接法优点是可以避免绝缘线芯烫伤,缺点是焊接用带材规格较多,不易于统一生产。
3.3 TBTRZLY柔性防火电缆联锁铠装工艺
联锁铠装形式的选择,根据带材的压型模划分,目前联锁铠装的形式主要分为S型、Z型、矩形三种,S型联锁铠装的柔软型较好,Z型联锁铠装的抗拉型较好,矩形联锁铠装的伸缩性较好，根据使用需求,选择S型联锁铠装。
联锁铠装用带材可以是镀锌钢带不锈钢带、铜带、铝合金带等,铝合金带要求采用5052系列的铝合金材料,其机械性能要求达到抗拉强度(280±10)pa,伸长率控制在5%~8%。如果抗张强度太小,那么扎制的螺旋状联锁铠装到;若抗拉强度太大,则铝合金不易弯曲,弹性大,加工困难。
3.4 阻燃防火矿物填充配方研制
防火阻燃填充物包括含硅粘合物无机阻燃化合物、矿物化合物,还可包含硅酸盐改性剂、硅酸盐固化剂、颜料该防火填充物中不含任何可燃性物质,具有优异的防火效果、会失去水分吸收大量的热量,以达到阻燃效果、具有很好的柔韧性。
无机阻燃化合物选自氧化铝、氢氧化镁,氧化铝、氧化镁、氧化铜、氧化锌三氧化锑中的一种或数种;矿物化合物选自滑石粉、二氧化硅、碳酸钙、高岭土、大理石粉末中的一种或数种;黏合剂选用硅酸盐或硅溶胶与含水硅酸盐的混合物。
防火泥配方至关重要。配方中氢氧匕镁比例过多,容易导致混合后的防火泥在3~5h内就会发硬,不利于防火泥存放、连续挤出,以及挤包后容易从缆芯上脱落;若滑石粉比例过多导致防火尼不易干燥,生产中容易漏胶;含硅黏合剂一般以含结晶水和游离水两种状态存在,游离水是以水的状态存在,容易造成电缆击穿、降低电缆绝缘电阻,火泥要求具有一定的粘度,让防火填充物质可以通过双螺杆挤出机挤出包覆在缆芯上,同时包覆在线芯上的防火泥还应保持长期柔软性能。
4、柔性防火电缆发展方向
柔性防火电缆虽然在性能上增加了BS6387标准规定的C、W、Z技术要求,YTTW新版JG/T313-2014标准已经增加了BS6387试验要求,BTTZ后续标准修订也会增加相应技术要求。
BTTZ矿物绝缘电缆在性能上与柔性防火电缆相比,其优越性不在于耐火性能,而在不可燃性能。柔性防火电缆的发展方向需要结合GB31247-2014《电缆及光缆燃烧分级》,达到A级或B1级。(性能指标见下表5)
表5 燃烧等级行能指标
5、结束语
防火的电缆的种类繁多,尤其是衍生的隔离型防火电缆,目前没有具体的执行标准,行业内都是根据自己公司的企业标准进行制造。笔者根据多年的建筑防火电缆制造经验,为了便于客户选型和规范行业制造,本文对防火电缆产品类型,性能优缺点、关键制造工艺、使用场合、以及未来隔离型防火电缆发展方向做出了详细解说。
刚性矿物绝缘电缆(BIIZ)发明较早,19世纪末瑞士工程师Arnold Francois Borel就提出了矿物绝缘电缆的设想,并于1896年获得专利权,1934-1936年法、英投入生产以后发展很快。我国也于上世纪60年代研制开始用于军事领域,80年代中期开始工业化生产,并逐步被建筑领域全面接受。
由于刚性矿物绝缘电缆在结构设计上的天然不足,造成其性能、生产及敷设等方面存在一定的缺陷。在发达国家特别是欧盟国家中,柔性矿物绝缘电缆的崛起,刚性矿物绝缘电缆的使用正在被替代。
柔性矿物绝缘电缆( TBTRZ)的发晚,大约是上个世纪六七十年代诞生于瑞士斯图特电缆公司,国内最早最新的柔性防火电缆于2003年推出。
1、建筑电线电缆防火设计要求
1.1 电线电缆分类
电线电缆根据其本身具有的燃烧特性,分为普通电线电缆、阻燃电线电缆、耐火电线电缆、无卤低烟阻燃电线电缆、无卤低烟阻燃耐火电线电缆、隔离型防火电缆及矿物绝缘电缆。
图1 C、Z、W试验图
1.2 电线电缆的选用
表1 电线电缆分类
DBJ50-164-2013《民用建筑电线电缆防火设计规范》标准明确规定特级场所中消防设备供电干线及分支干线应采用矿物绝缘电缆,一级、二级公共建筑消防水泵的供电干线应采用矿物绝缘电缆、隔离型防火电缆或防火性能符合BS6387标准定的电缆。
笔者在此说明一下,虽然DBJ50-164及相关行业规范规定产品应符合BS6387-3013规定的C、Z、W试验,但是BS6387-2013标准规定密定电压不超过600100V、外径不超过2m的电缆;外径超过20mm电缆试验应执行BS8491-2008。
表2 BS6387 标准规定的线路完整性要求
2、防火电缆种类
表3 防火电缆种类
2.1 防火电缆种类及执行标准(见下表3)
2.2 柔性防火电缆与传统防火电缆比较
a、各类防火电缆结构介绍
BTTZ矿物绝缘电缆是由导体、无机绝缘材料(通常是氧化镁粉)和铜护套组合加工而成。
YTTW、RTTZ隔离型防火电缆是由导体、无机矿物合成云母绝缘、铜护套扎纹纵包焊接组合加工而成。
RTTW隔离型防火电缆是由物云母绝缘、低烟无卤阻燃辐照交联聚烯烃绝缘、防火泥填充、低烟无卤阻燃聚烯烃护套、铜护套扎纹纵包焊接组合加工而成。
TBTRZLY隔离型柔性防火电缆导体、无机矿物云母绝缘、低烟无充、低烟无卤阻燃聚烯烃内护套、铝合金带(铜带、不锈钢带)连锁铠装、低烟无卤阻燃聚烯烃外护套组合加工而成。
NG-A(BTIY)隔离型柔性防火电缆是由导体、无机矿物云母绝无卤阻燃辐照交联聚烯烃绝缘、铝合管、防火泥填充、低烟无卤阻燃聚烯烃护套组合加工而成。
b、各类防火电缆性能对比见下表4
表4 防火电缆优缺点
3.1 BTTZ矿物绝缘电缆制造工艺
BTTZ矿物绝缘电缆生产工艺有预制氧化镁瓷柱法、氧化镁粉自动灌装法和氩弧焊连续焊接法三种。
预制氧化镁瓷柱法,该工艺是将磁选好的氧化镁粉烘干后加入特殊的粘结剂,使其制成糊状。该添加剂一方面另一方面要使压制氧化镁瓷柱管坯易于脱模。常用的粘结剂有纤维素、石蜡等材料。经过处理后的粉料送到压机上进行压制成型。压好后的氧化镁瓷柱放进储料箱或传送带输送到电炉内煅烧(煅烷温度为1200℃右)。煅烧后的瓷柱,可先将它装人管坯长约9m),由专用芯杆定位,而后穿入所需的芯坯(长约10m),为了避免在装配时瓷柱吸潮,氧化镁瓷柱应采用热装配,温度不低于100℃,装配完毕后进行反复拉拔和退火工序直至成品。(工艺流程见下图2)
图2 预制氧化镁瓷柱法工艺流程图
氧化镁自动灌装法,该工艺首先将处理的管坯(长约9754mm)和线芯(长约9804mm)材料送到装配台,进行坯窄装配(也是将所需坯料放入管坯中),并用装置将管坯一端固定。将氧化镁粉灌入管内,并压紧。为了避免在填充时氧化镁受潮氧化镁粉在灌装前先进行高温排潮处理,将氧化镁粉先送人电加热滚筒炉内煅烧(煅烧温度一般在850~950℃之间),氧化镁粉从电炉出来后装箱进入保温炉(保温温度一般控制在250~350℃C之间)。灌粉时将保温箱内的氧化镁加到加料漏斗内,从漏斗出来的氧化镁粉通过磁力分选器,以清除磁性金属夹杂物。粉料通过捣装工具的导向杆和管坯之间的间隙进入护套管坯装杆上的冲头压紧。冲头上面有导向阀门,它不仅起到捣固作用,而且可以起到线芯坯定位作用。捣装过程一直进行到气动杆摩擦压力和作用在氧化镁粉上的压力达到平衡时为止。夹具沿着捣杆向下移动一个填充节距,并如此反复进行循环。每循环一次后,捣装杆向上移动填充一个填充节距。通过调节氧化镁粉的供料量、捣装杆的压力及其冲击频率可得到最佳填充速度和填充密度为了检测氧化镁粉的密实度,灌粉前对装配好的铜管和铜棒进行称重,灌粉后再进行称重,从而得到每根管坯内所装的氧化镁粉的重量是否在工艺控制范围内。(工艺流程见下图3)
图3 氧化镁自动灌装法工艺流程图
氩焊连续焊接法,铜带氩弧焊连续焊接生产线由垂直和水平两个部分组成,垂直部分包括成型压辊、氧化镁粉料斗、焊接机头玉压轮、扎机和感应退火箱。
水平部分包括冷却槽轧机、感应退火箱和收线装置。(工艺流程见下图4)
图4 氩弧焊连续焊接法工艺流程图
3.2 NG-A(BTLY)铝连续挤压包覆、氩弧焊连续焊接工艺
NG-A(BTLY)金属铝管护套生产工艺有铝连续挤压包覆、氩弧焊连续焊接法。
铝连续挤压包覆,将一定数量的进料送进钢制淬硬挤压轮,挤压轮圆周上加工成环状的槽里,用钢制靴接近并覆盖挤压轮四分之一的圆周。钢靴一端被安装在一根回转轴上,另一端被液压活塞紧压在轮子上,当轮子旋转时进料被挤压进轮槽和靴之间的间隙。进料之间会产生高压,一些能量被转化为热能,升高的温度足以使物料变成半熔融状态。靴内安装着适合安装模具的“模腔”,模腔的安装应保证模具是从模腔出来的物料的唯一出口。半熔融材料在压力的推动下进入该模腔,并通过模具,这样就能生产出按要求挤压的各种截面的产品。该产品被临近的冷却水系统冷却,然后被卷绕或进行其它操作。
(铝连续挤压包覆原理见下图5)
图5 铝连续挤压包覆原理见下图
交联聚氯乙烯的熔融温度大约在230℃左右，而铝半熔温度大约在530℃左右，挤在绝缘上的温度仍然较高，容易烫伤绝缘。为了保证绝缘不被烫伤，冷却非常重要，冷却水的流速、流量要大,冷却水装置距离模口要尽量近些，使铝管一出模口就能快速、充分冷却。同时模具设计也非常重要,为了避免绝缘烫伤,铝管内/外径需要偏大,所以采用挤管式模具挤制铝护套,但为了降低后道工序成本,铝管还需进行拉拔减径。
氩弧焊连续焊接法,氬弧焊铝护套工艺是采用经过压延的厚度均匀的铝板,经清洗、精切、纵包、焊接、拉拔、在线检测来实现的,该氩弧焊的工艺是在氩气和氦气的保护下,以铝板为负极,钨极为正极,通过低电压、大电流成焊接。钨极焊头只有2mm的直径,并且由保护气体连续吹向焊点处,迅速带走热量,使焊接部位快速冷却,绝缘层不受任何影响。
连续挤压包覆产品具有无缝不漏、材料利用率高、生产速度快、成本低等优点,主要特点在于可生产15mm以下的小直径电缆,缺点是挤包铝管容易烫伤绝缘。氩弧焊连续焊接法优点是可以避免绝缘线芯烫伤,缺点是焊接用带材规格较多,不易于统一生产。
3.3 TBTRZLY柔性防火电缆联锁铠装工艺
联锁铠装形式的选择,根据带材的压型模划分,目前联锁铠装的形式主要分为S型、Z型、矩形三种,S型联锁铠装的柔软型较好,Z型联锁铠装的抗拉型较好,矩形联锁铠装的伸缩性较好，根据使用需求,选择S型联锁铠装。
联锁铠装用带材可以是镀锌钢带不锈钢带、铜带、铝合金带等,铝合金带要求采用5052系列的铝合金材料,其机械性能要求达到抗拉强度(280±10)pa,伸长率控制在5%~8%。如果抗张强度太小,那么扎制的螺旋状联锁铠装到;若抗拉强度太大,则铝合金不易弯曲,弹性大,加工困难。
3.4 阻燃防火矿物填充配方研制
防火阻燃填充物包括含硅粘合物无机阻燃化合物、矿物化合物,还可包含硅酸盐改性剂、硅酸盐固化剂、颜料该防火填充物中不含任何可燃性物质,具有优异的防火效果、会失去水分吸收大量的热量,以达到阻燃效果、具有很好的柔韧性。
无机阻燃化合物选自氧化铝、氢氧化镁,氧化铝、氧化镁、氧化铜、氧化锌三氧化锑中的一种或数种;矿物化合物选自滑石粉、二氧化硅、碳酸钙、高岭土、大理石粉末中的一种或数种;黏合剂选用硅酸盐或硅溶胶与含水硅酸盐的混合物。
防火泥配方至关重要。配方中氢氧匕镁比例过多,容易导致混合后的防火泥在3~5h内就会发硬,不利于防火泥存放、连续挤出,以及挤包后容易从缆芯上脱落;若滑石粉比例过多导致防火尼不易干燥,生产中容易漏胶;含硅黏合剂一般以含结晶水和游离水两种状态存在,游离水是以水的状态存在,容易造成电缆击穿、降低电缆绝缘电阻,火泥要求具有一定的粘度,让防火填充物质可以通过双螺杆挤出机挤出包覆在缆芯上,同时包覆在线芯上的防火泥还应保持长期柔软性能。
4、柔性防火电缆发展方向
柔性防火电缆虽然在性能上增加了BS6387标准规定的C、W、Z技术要求,YTTW新版JG/T313-2014标准已经增加了BS6387试验要求,BTTZ后续标准修订也会增加相应技术要求。
BTTZ矿物绝缘电缆在性能上与柔性防火电缆相比,其优越性不在于耐火性能,而在不可燃性能。柔性防火电缆的发展方向需要结合GB31247-2014《电缆及光缆燃烧分级》,达到A级或B1级。(性能指标见下表5)
表5 燃烧等级行能指标
5、结束语
防火的电缆的种类繁多,尤其是衍生的隔离型防火电缆,目前没有具体的执行标准,行业内都是根据自己公司的企业标准进行制造。笔者根据多年的建筑防火电缆制造经验,为了便于客户选型和规范行业制造,本文对防火电缆产品类型,性能优缺点、关键制造工艺、使用场合、以及未来隔离型防火电缆发展方向做出了详细解说。
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