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電纜引入裝置的相關(guān)問題探討

在煤化工及石化行業(yè)生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)中存在大量易燃易爆物質(zhì)，這些物質(zhì)以液體、氣體以及微小顆粒形式存在于生產(chǎn)裝置設(shè)備、容器、管道等場(chǎng)所，并可能擴(kuò)散到大氣環(huán)境中，一旦遇到點(diǎn)燃源就有可能引起爆炸導(dǎo)致火災(zāi)，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，電纜線路事故的60%左右多發(fā)生在電纜本體和附件的連接處。隨著國(guó)家和企業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)越來越重視，自動(dòng)化水平要求越來越高，電纜引入裝置的重要性容易被人忽視反而成為制約整個(gè)控制系統(tǒng)安全性的重要因素。

1 電纜引入裝置的定義和現(xiàn)狀

1.1 定 義

煤化工及石化裝置中大部分區(qū)域?yàn)榉辣瑓^(qū)，本文以防爆區(qū)域?yàn)橹饕懻搶?duì)象。電纜引入裝置是一種電纜進(jìn)線的機(jī)械裝置，為電纜外護(hù)層上的密封提供防塵防水保護(hù)，對(duì)電纜提供夾緊力以防止被拉出，在SH/T 3019—2016《石油化工儀表管道線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中有所表述，防爆電氣設(shè)備的電纜引入裝置是安全隱患中最薄弱的環(huán)節(jié)，電纜引入裝置密封的失效將導(dǎo)致整個(gè)電氣設(shè)備防爆性能的喪失。

在GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》中，電纜引入裝置(cable gland)的定義：允許將一根或多根電纜或光纜引入電氣設(shè)備內(nèi)部并能保證其防爆型式的裝置。Ex電纜引入裝置的定義：與設(shè)備外殼分開試驗(yàn)，可作為一種設(shè)備單獨(dú)取證，并可安裝于設(shè)備外殼上的電纜引入裝置。格蘭、電纜密封接頭等都是電纜引入裝置的名稱,電纜引入裝置音譯成格蘭較好。

1.2 現(xiàn) 狀

在工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)在已建的裝置中經(jīng)常見到“連續(xù)式”的撓性管安裝方案：儀表到接線箱的分支電纜為普通阻燃電纜加保護(hù)穿線管，端部為防爆密封接頭加撓性管配置。當(dāng)防爆撓性軟管以及相連的隔爆型儀表內(nèi)部發(fā)生爆炸時(shí)，能量(熱能及壓力)一部分可被防爆撓性軟管吸收，另一部分壓力通過接頭及穿線管向外泄放，泄放過程中能量進(jìn)一步被密封接頭金屬吸收以達(dá)到不會(huì)引燃、引爆外部可燃?xì)怏w的目的。這種“連續(xù)式”的安裝方案也是國(guó)內(nèi)石化領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)安裝方式之一，根據(jù)美洲體系(NEC)標(biāo)準(zhǔn)，則要求全密閉的安裝方式。

然而，在裝置中由于撓性管進(jìn)水導(dǎo)致儀表失靈的現(xiàn)象比較多見，基本有兩種情況：撓性管長(zhǎng)時(shí)間使用銹蝕老化，雨水進(jìn)入；雨水沿儀表匯線槽內(nèi)進(jìn)入，通過穿線管流入撓性管進(jìn)入儀表。雨水通過撓性管進(jìn)入裝置儀表，造成停車，損失是嚴(yán)重的。相關(guān)業(yè)主制訂了一定的處理方案，如：加膠泥、澆封、涂漆等，能夠起到相應(yīng)效果，但是在安裝施工和維護(hù)時(shí)相當(dāng)麻煩。

2 電纜引入裝置的選型

石油化工儀表管路線路設(shè)計(jì)規(guī)范中7.1.13條規(guī)定：防爆現(xiàn)場(chǎng)儀表及接線箱的電纜入口處應(yīng)采用相應(yīng)防爆級(jí)別的電纜引入裝置，宜采用防爆電纜密封接頭或用密封填料接頭進(jìn)行密封，應(yīng)符合GB 3836.15—2017《爆炸性環(huán)境 第15部分：電氣裝置的設(shè)計(jì)、選型和安裝》的要求?，F(xiàn)階段較多的安裝方案是：儀表分支電纜使用鎧裝電纜，端頭使用防爆電纜引入裝置密封達(dá)到防爆要求。

在HG/T 21581—2012《自控安裝圖冊(cè)》“儀表電纜保護(hù)穿管連接圖冊(cè)”中有詳細(xì)描述，相當(dāng)于“非連續(xù)式”及“連續(xù)式的鋼管式”，在有可能產(chǎn)生危險(xiǎn)部件殼體的電纜進(jìn)線口處采取了有效的隔離和密封，滿足防爆及保護(hù)的要求?！胺沁B續(xù)式”可用鎧裝電纜增強(qiáng)電纜的抗拉、抗壓強(qiáng)度等機(jī)械性能，還提高了電纜的抗干擾性能。在很多工況中表明，撓性管沒有防爆電纜引入裝置可靠，即便是質(zhì)量再好的撓性管，3～5 a也會(huì)銹蝕、老化。

根據(jù)GB 3836.2—2010《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》規(guī)定，電纜引入裝置的防爆類型可分為隔爆型、增安型等類別，而隔爆型又可分為密封圈式和填料式兩類。電纜引入裝置根據(jù)安裝方式和品牌不同主要區(qū)別在密封方式上，密封圈是電纜引入裝置中最關(guān)鍵的部件,其性能直接決定隔爆功能的實(shí)現(xiàn);而由密封圈引起的失效占隔爆電纜引入裝置總失效的90%以上。密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大致可分為壓緊式、位移式、隔膜式、位移補(bǔ)償式、膠泥式(填料式)，前四種為彈性密封圈，第五種比較符合NEC的要求。

GB3836.2-2010規(guī)定了電纜引入裝置的選型前提，電纜引入裝置的選型流程如圖1所示。

圖1 電纜引入裝置的選型示意

由圖1可知，對(duì)于正常工作時(shí)產(chǎn)生火花或高溫表面部件的ⅡC隔爆外殼及安裝在防爆1區(qū)且外殼容積大于2 L和ⅡB隔爆外殼，不允許采用彈性密封圈式電纜引入裝置，應(yīng)采用填料式電纜引入裝置或采用接線盒的間接引入方式。

由于煤化工及石化裝置中大部分區(qū)域?yàn)榉辣?區(qū)，大多遵循IEC標(biāo)準(zhǔn)，很少采用“連續(xù)式”的撓性管式安裝方案，本文主要討論彈性密封圈式電纜引入裝置的使用。

國(guó)內(nèi)通常生產(chǎn)及使用的防爆鎧裝電纜引入裝置多為壓緊式，但是在現(xiàn)場(chǎng)安裝及用戶最終使用時(shí)存在一些問題：

1) 安全隱患較大。不僅大幅度增加現(xiàn)場(chǎng)的安裝工作量，而且過程很難控制，安裝工人是否標(biāo)準(zhǔn)施工、密封摳出時(shí)發(fā)生遺失如何處理。

2) 內(nèi)密封不易摳出。壓緊式密封接頭的內(nèi)密封很難摳出，有時(shí)就用曲別針等尖銳工具摳取。人員操作危險(xiǎn)，尖銳處會(huì)劃傷密封圈，從而導(dǎo)致密封圈失效，會(huì)造成更大的問題。

3 電纜冷變形

IEC60079標(biāo)準(zhǔn)中提出“冷變形”的概念，強(qiáng)調(diào)了電纜連接應(yīng)保持相關(guān)防爆型式及防爆性能的完整性。

首先“冷變形”的概念在IEC60079標(biāo)準(zhǔn)中有原文的描述，與其相對(duì)應(yīng)的是GB/T 3836.15—2017。文獻(xiàn)[3]中9.3.11條規(guī)定選擇的電纜應(yīng)能減少電纜“冷變形”的影響，注釋為電纜使用的材料可能有“冷變形”特性。其中特別指出了低煙和耐火的電纜。電纜的“冷變形”可描述為：在密封施加壓縮力的地方，電纜引入裝置中的密封件位移產(chǎn)生的壓縮力大于阻止電纜護(hù)套變形的力，電纜護(hù)套發(fā)生移動(dòng)。從此可以看出“冷變形”主要是與電纜護(hù)套材料選擇有關(guān)系。在該標(biāo)準(zhǔn)中“Low smoke and/or resistant cables usually exhibit significant cold flow characteristics.”中文翻譯為：“耐煙和/或耐火性能低的電纜通常會(huì)表現(xiàn)出明顯的冷變形特性”。筆者認(rèn)為“低煙和/或耐火電纜通常會(huì)表現(xiàn)出明顯的冷變形特性”，更能準(zhǔn)確表達(dá)出原文的意思。

在GB/T 19666—2019《阻燃和耐火電線電纜通則》中包括了有鹵、無鹵、低煙的阻燃和耐火電線電纜，護(hù)套基本材料是聚氯乙烯(PVC)和聚烯烴(PO)。當(dāng)然作為護(hù)套材料還有硅橡膠、氟塑料，其電氣性能更優(yōu)，不含鹵素，但是造價(jià)昂貴，在石化工程中應(yīng)用很少，在此不多做考慮。低煙、低鹵的護(hù)套材料是以聚氯乙烯為基本材料的，低煙無鹵的護(hù)套材料是以聚烯烴為基本材料的。耐火電纜在現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)中分為阻燃和非阻燃，因不同的場(chǎng)所和用途的差別，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也不同。在文獻(xiàn)[6]中沒有明確規(guī)定,在即將修訂的標(biāo)準(zhǔn)中提出耐火電纜必須具備阻燃性能。

TICW/06—2009 《計(jì)算機(jī)與儀表電纜》中5.8.1條規(guī)定護(hù)套材料應(yīng)為表1所列的擠包固體介質(zhì)的一種。

表1 擠包固體介質(zhì)

GB/T 12706.1—2020《額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件 第1部分：額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)和3 kV(Um=3.6 kV)電纜》(IEC60502-1)13.2節(jié)中，外護(hù)套為熱塑性材料(聚氯乙烯，聚乙烯或無鹵材料)或彈性材料(聚氯丁烯、氯磺化聚乙烯或類似聚合物)。如果要求在火災(zāi)時(shí)電纜能阻止火焰的燃燒、發(fā)煙少以及沒有鹵素氣體釋放，應(yīng)采用無鹵型護(hù)套材料，護(hù)套材料選擇見表2所列。

由上述可以看出耐火電纜與阻燃電纜的護(hù)套材料是一樣的，那么在文獻(xiàn)[3]中應(yīng)該為低煙、耐火及阻燃電纜有“冷變形”的特性。在煤化工及石化裝置中阻燃電纜是大量使用的，至于如何使電纜減少或避免“冷變形”，筆者咨詢過國(guó)內(nèi)電纜標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)單位，暫時(shí)沒有結(jié)論性的意見。

表2 無鹵型護(hù)套材料

在塑料領(lǐng)域中早有“冷變形”的定論，如：聚四氟乙烯具有“冷變形”，即材料制品在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)載荷作用下發(fā)生的塑性變形就是蠕變。例如：使用聚四氟乙烯作密封墊時(shí)，為了嚴(yán)緊密封把螺栓擰很緊以致超過特定的壓縮應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生蠕變而壓扁，該缺點(diǎn)可通過加入適當(dāng)?shù)奶盍霞案倪M(jìn)結(jié)構(gòu)來克服。所以工程中也是用改變電纜引入裝置 的結(jié)構(gòu)來預(yù)防“冷變形”。

IEC60079:2003 Elctrical apparatus for explosive gas atmospheres 首次提出“cold flow”的要求，明確要求不能使用“壓緊式密封”。該規(guī)范中9.1.4條規(guī)定：“Where such cable is to be used, a suitable cable entry device should be employed, for example cable entry devices not employing compression seals which act upon the part(s) of the cable have cold flow characteristics”。

由于壓緊式電纜引入裝置在現(xiàn)場(chǎng)采用安裝兩次的方式，即摳出內(nèi)密封，先壓鎧裝層，抽出電纜，放回內(nèi)密封，再重新安裝一次來控制內(nèi)密封對(duì)電纜護(hù)層的壓力。所以在IEC60079：2007中提出了不能使用壓緊式密封。

4 防“冷變形”措施

電纜引入裝置需要防“冷變形”，主要原因如下。

1) 在施工安裝過程中不能壓壞電纜的內(nèi)護(hù)層。文獻(xiàn)[3]中12.2.2.4款及SH/T 3081—2019《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中3.1.5條規(guī)定：電纜終端均應(yīng)通過電纜引入裝置將鎧裝連接在等電位系統(tǒng)上。儀表信號(hào)用的鎧裝電纜的金屬鎧裝保護(hù)層需要兩端接至保護(hù)接地，屬于屏蔽接地，要求鎧裝層的壓緊靠鎧裝錐體和鎧裝環(huán)壓緊，由于“壓緊式密封”由于讓鎧裝部件及內(nèi)密封圈互相擠壓，來達(dá)到鎧裝層壓緊及電纜內(nèi)護(hù)套的密封，無法完全保證鎧裝層的良好接觸，所以采用“壓緊式密封”的電纜引入裝置使用不理想。“位移式密封”及“隔膜式密封”在結(jié)構(gòu)上將壓鎧層及內(nèi)護(hù)套層物理分開，互不干擾。該方案相當(dāng)于壓鎧裝和壓內(nèi)密封必須分為兩個(gè)步驟，否則施加在電纜內(nèi)護(hù)層的壓力無法控制，會(huì)在第一次安裝時(shí)擠壓損壞電纜乃至留下隱患。

2) 長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行后，由于環(huán)境溫度變化，會(huì)產(chǎn)生二次變形的現(xiàn)象，也不能損傷電纜。電纜引入裝置現(xiàn)場(chǎng)使用一段時(shí)間后，效果對(duì)比如圖2所示，可以看出，位移式密封對(duì)電纜的損傷要小。

圖2 電纜引入裝置使用實(shí)際效果對(duì)比示意

“冷變形”只是定性要求，沒有定量數(shù)據(jù)。旨在提示正常條件下電纜引入裝置壓緊電纜組合結(jié)構(gòu)中，相互作用的材質(zhì)，在環(huán)境溫度變化較大時(shí)，其作用力的改變對(duì)電線絕緣的影響。

使用位移式密封、隔膜式密封、位移補(bǔ)償式密封的電纜引入裝置在保護(hù)層上采用了防冷流設(shè)計(jì)，電纜保護(hù)層上形成的擠壓可控制，避免電纜的絕緣電阻性能下降。

5 注意事項(xiàng)

5.1 電纜接地

SH/T 3081—2019《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》附表A中規(guī)定，鎧裝電纜進(jìn)接線箱采用接地連線的電纜接頭，便于接地連接，如圖3所示，其中SC表示屏蔽層，AM表示鎧裝層。

建議接線箱外鎧裝格蘭可用接地片連接，用接地線接至接線箱的外殼接地螺釘，實(shí)際應(yīng)用中，鎧裝層一般安裝在接線箱外與圖3的規(guī)定不相符，容易造成誤解。如果接線箱是金屬的，鎧裝層通過壓鎧的錐體和壓環(huán)與格蘭的金屬殼體始終接觸，保持良好的接地；如果接線箱是采用非金屬的可用接地片連接，用接地線接至接線箱的外殼接地螺釘。如果在箱內(nèi)需要做一個(gè)特殊的鋸齒墊片則比較麻煩。

圖3 屏蔽電纜接地參考示意

5.2 電纜引入裝置標(biāo)志

GB3836.2-2010中關(guān)于電纜引入裝置的標(biāo)志：電纜引入裝置有螺紋入口時(shí)應(yīng)標(biāo)出螺紋型式和尺寸；如果標(biāo)示位置有限，可按相關(guān)規(guī)定減少標(biāo)志。電纜密封圈標(biāo)志：當(dāng)電纜引入裝置用密封圈可適用于多種電纜時(shí)，應(yīng)表示出允許使用電纜的最小、最大直徑。當(dāng)環(huán)境溫度超出-20～+80 ℃時(shí)，標(biāo)示出溫度范圍。在工程設(shè)計(jì)中需要考慮環(huán)境溫度與電纜本體發(fā)熱的疊加效應(yīng)，所以往往此處的溫度可以定義超過100 ℃以上。

5.3 夾緊力實(shí)驗(yàn)

在型式試驗(yàn)中對(duì)非鎧裝電纜和帶編織覆蓋層的電纜需要做夾緊試驗(yàn)，當(dāng)對(duì)電纜或芯軸施加以下拉力(以N為單位)時(shí)，密封圈應(yīng)能防止電纜或芯棒滑動(dòng)：當(dāng)電纜引入裝置設(shè)計(jì)為圓形電纜時(shí)，夾緊力為20倍芯軸或電纜直徑(以mm為單位)。

鎧裝電纜的夾緊試驗(yàn)。對(duì)于Ⅰ類電氣設(shè)備用鎧裝電纜，80倍電纜直徑；對(duì)于Ⅱ類或Ⅲ類電氣設(shè)備用鎧裝電纜，20倍電纜直徑。

5.4 壓鎧選擇

不同類型的單向壓鎧裝置分別匹配不同類型的電纜，安裝簡(jiǎn)便的同時(shí)最大程度的避免壓鎧失效。做好以上工作對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員很容易，但經(jīng)常容易被忽視，這樣對(duì)于電纜及電纜引入裝置的供貨廠家給出合理約束，不至于在采購環(huán)節(jié)中出現(xiàn)缺漏。當(dāng)然重要的是在現(xiàn)場(chǎng)安裝電纜及電纜引入裝置時(shí)能良好匹配，驗(yàn)收和使用都可以做到有據(jù)可查。

5.5 檢 查

在國(guó)外項(xiàng)目中，電纜引入裝置是業(yè)主驗(yàn)收時(shí)高度重視的環(huán)節(jié)，經(jīng)常會(huì)拆開檢查安裝的情況，特別是鎧裝層是否壓緊，這樣才能保證接地的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)靜電平衡及電場(chǎng)屏蔽。國(guó)內(nèi)經(jīng)常人為拉拽或者用光照，比較麻煩也不宜實(shí)施。英國(guó)CMP公司推出“位移補(bǔ)償式密封”的電纜引入裝置，不需拆裝即可檢驗(yàn)，筆者認(rèn)為該產(chǎn)品將是電纜引入裝置未來技術(shù)發(fā)展的方向。

6 結(jié)束語

在煤化工及石化工程設(shè)計(jì)中筆者認(rèn)為應(yīng)注意電纜及電纜引入裝置的選擇，還需要總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)安裝及采納不同最終用戶的使用經(jīng)驗(yàn)，推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。任何一個(gè)工程項(xiàng)目通過各個(gè)環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化，增強(qiáng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安全性，提高全生命周期，達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益是設(shè)計(jì)乃至煤化工及石化行業(yè)的首要任務(wù)。