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電纜引入裝置的相關問題探討

在煤化工及石化行業(yè)生產(chǎn)、儲存、運輸?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)裝置設備、容器、管道等場所，并可能擴散到大氣環(huán)境中，一旦遇到點燃源就有可能引起爆炸導致火災，造成人員傷亡和財產(chǎn)經(jīng)濟損失。據(jù)相關統(tǒng)計，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。隨著國家和企業(yè)對安全生產(chǎn)越來越重視，自動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)域為防爆區(qū)，本文以防爆區(qū)域為主要討論對象。電纜引入裝置是一種電纜進線的機械裝置，為電纜外護層上的密封提供防塵防水保護，對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計規(guī)范》中有所表述，防爆電氣設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致整個電氣設備防爆性能的喪失。

在GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設備 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：與設備外殼分開試驗，可作為一種設備單獨取證，并可安裝于設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

在工程設計和現(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穿線管，端部為防爆密封接頭加撓性管配置。當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，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，泄放過程中能量進一步被密封接頭金屬吸收以達到不會引燃、引爆外部可燃氣體的目的。這種“連續(xù)式”的安裝方案也是國內(nèi)石化領域的標準安裝方式之一，根據(jù)美洲體系(NEC)標準，則要求全密閉的安裝方式。

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

2 電纜引入裝置的選型

石油化工儀表管路線路設計規(guī)范中7.1.13條規(guī)定：防爆現(xiàn)場儀表及接線箱的電纜入口處應采用相應防爆級別的電纜引入裝置，宜采用防爆電纜密封接頭或用密封填料接頭進行密封，應符合GB 3836.15—2017《爆炸性環(huán)境 第15部分：電氣裝置的設計、選型和安裝》的要求。現(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到防爆要求。

在HG/T 21581—2012《自控安裝圖冊》“儀表電纜保護穿管連接圖冊”中有詳細描述，相當于“非連續(xù)式”及“連續(xù)式的鋼管式”，在有可能產(chǎn)生危險部件殼體的電纜進線口處采取了有效的隔離和密封，滿足防爆及保護的要求?！胺沁B續(xù)式”可用鎧裝電纜增強電纜的抗拉、抗壓強度等機械性能，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”保護的設備》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鍵的部件,其性能直接決定隔爆功能的實現(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。密封圈結構設計大致可分為壓緊式、位移式、隔膜式、位移補償式、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，對于正常工作時產(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)域為防爆2區(qū)，大多遵循IEC標準，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)場安裝及用戶最終使用時存在一些問題：

1) 安全隱患較大。不僅大幅度增加現(xiàn)場的安裝工作量，而且過程很難控制，安裝工人是否標準施工、密封摳出時發(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，有時就用曲別針等尖銳工具摳取。人員操作危險，尖銳處會劃傷密封圈，從而導致密封圈失效，會造成更大的問題。

3 電纜冷變形

IEC60079標準中提出“冷變形”的概念，強調(diào)了電纜連接應保持相關防爆型式及防爆性能的完整性。

首先“冷變形”的概念在IEC60079標準中有原文的描述，與其相對應的是GB/T 3836.15—2017。文獻[3]中9.3.11條規(guī)定選擇的電纜應能減少電纜“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套變形的力，電纜護套發(fā)生移動。從此可以看出“冷變形”主要是與電纜護套材料選擇有關系。在該標準中“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表現(xiàn)出明顯的冷變形特性”。筆者認為“低煙和/或耐火電纜通常會表現(xiàn)出明顯的冷變形特性”，更能準確表達出原文的意思。

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，護套基本材料是聚氯乙烯(PVC)和聚烯烴(PO)。當然作為護套材料還有硅橡膠、氟塑料，其電氣性能更優(yōu)，不含鹵素，但是造價昂貴，在石化工程中應用很少，在此不多做考慮。低煙、低鹵的護套材料是以聚氯乙烯為基本材料的，低煙無鹵的護套材料是以聚烯烴為基本材料的。耐火電纜在現(xiàn)行的標準中分為阻燃和非阻燃，因不同的場所和用途的差別，驗收標準也不同。在文獻[6]中沒有明確規(guī)定,在即將修訂的標準中提出耐火電纜必須具備阻燃性能。

TICW/06—2009 《計算機與儀表電纜》中5.8.1條規(guī)定護套材料應為表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)。如果要求在火災時電纜能阻止火焰的燃燒、發(fā)煙少以及沒有鹵素氣體釋放，應采用無鹵型護套材料，護套材料選擇見表2所列。

由上述可以看出耐火電纜與阻燃電纜的護套材料是一樣的，那么在文獻[3]中應該為低煙、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”，筆者咨詢過國內(nèi)電纜標準的相關單位，暫時沒有結論性的意見。

表2 無鹵型護套材料

在塑料領域中早有“冷變形”的定論，如：聚四氟乙烯具有“冷變形”，即材料制品在長時間連續(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，為了嚴緊密封把螺栓擰很緊以致超過特定的壓縮應力時，會產(chǎn)生蠕變而壓扁，該缺點可通過加入適當?shù)奶盍霞案倪M結構來克服。所以工程中也是用改變電纜引入裝置 的結構來預防“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)密封對電纜護層的壓力。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)護層。文獻[3]中12.2.2.4款及SH/T 3081—2019《石油化工儀表接地設計規(guī)范》中3.1.5條規(guī)定：電纜終端均應通過電纜引入裝置將鎧裝連接在等電位系統(tǒng)上。儀表信號用的鎧裝電纜的金屬鎧裝保護層需要兩端接至保護接地，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，來達到鎧裝層壓緊及電纜內(nèi)護套的密封，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?！拔灰剖矫芊狻奔啊案裟な矫芊狻痹诮Y構上將壓鎧層及內(nèi)護套層物理分開，互不干擾。該方案相當于壓鎧裝和壓內(nèi)密封必須分為兩個步驟，否則施加在電纜內(nèi)護層的壓力無法控制，會在第一次安裝時擠壓損壞電纜乃至留下隱患。

2) 長時間現(xiàn)場運行后，由于環(huán)境溫度變化，會產(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)場使用一段時間后，效果對比如圖2所示，可以看出，位移式密封對電纜的損傷要小。

圖2 電纜引入裝置使用實際效果對比示意

“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構中，相互作用的材質(zhì)，在環(huán)境溫度變化較大時，其作用力的改變對電線絕緣的影響。

使用位移式密封、隔膜式密封、位移補償式密封的電纜引入裝置在保護層上采用了防冷流設計，電纜保護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

5.1 電纜接地

SH/T 3081—2019《石油化工儀表接地設計規(guī)范》附表A中規(guī)定，鎧裝電纜進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，實際應用中，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 電纜引入裝置標志

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

5.3 夾緊力實驗

在型式試驗中對非鎧裝電纜和帶編織覆蓋層的電纜需要做夾緊試驗，當對電纜或芯軸施加以下拉力(以N為單位)時，密封圈應能防止電纜或芯棒滑動：當電纜引入裝置設計為圓形電纜時，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。對于Ⅰ類電氣設備用鎧裝電纜，80倍電纜直徑；對于Ⅱ類或Ⅲ類電氣設備用鎧裝電纜，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，安裝簡便的同時最大程度的避免壓鎧失效。做好以上工作對于工程設計人員很容易，但經(jīng)常容易被忽視，這樣對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。當然重要的是在現(xiàn)場安裝電纜及電纜引入裝置時能良好匹配，驗收和使用都可以做到有據(jù)可查。

5.5 檢 查

在國外項目中，電纜引入裝置是業(yè)主驗收時高度重視的環(huán)節(jié)，經(jīng)常會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，實現(xiàn)靜電平衡及電場屏蔽。國內(nèi)經(jīng)常人為拉拽或者用光照，比較麻煩也不宜實施。英國CMP公司推出“位移補償式密封”的電纜引入裝置，不需拆裝即可檢驗，筆者認為該產(chǎn)品將是電纜引入裝置未來技術發(fā)展的方向。

6 結束語

在煤化工及石化工程設計中筆者認為應注意電纜及電纜引入裝置的選擇，還需要總結現(xiàn)場安裝及采納不同最終用戶的使用經(jīng)驗，推進相關技術的發(fā)展和應用。任何一個工程項目通過各個環(huán)節(jié)的標準化，增強自動化控制系統(tǒng)的安全性，提高全生命周期，達到最好的經(jīng)濟效益是設計乃至煤化工及石化行業(yè)的首要任務。