shadow png

Исследование продольной герметизации судовых кабелей с помощью водоблокирующих материалов

В данной работе рассмотрены современные способы герметизации внутреннего объема судовых герметизированных кабелей связи, эксплуатируемых на подводных судах. Отмечены недостатки и преимущества каждого способа герметизации судовых кабелей, как с точки зрения технологии производства таких кабелей, так и с точки зрения эксплуатации герметизированных кабелей в составе бортовых кабельных сетей. Представлен дизайн новых аналогичных конструкций судовых кабелей, но с двумя различными способами герметизации: с использованием герметика и с помощью сухих водоблокирующих материалов. Рассмотрены различия механизмов распространения воды вдоль конструкций кабелей, выполненных с помощью различных способов герметизации. Описана стандартная методика испытаний судовых герметизированных кабелей на продольное гидростатическое давление, а также дано краткий обзор оборудования, на котором проводят такие испытания. Рассмотрены теоретические модели проникновения воды по внутреннему объему кабеля и приведен расчёт длины канала распространения воды вдоль кабеля. Получены результаты испытаний на стойкость к воздействию продольного гидростатического давления воды 6-9 МПа (60-90 кгс/см2)судовых герметизированных кабелей двух аналогичных конструкций, отличающихся способами герметизации. Проведено сравнение данных расчета теоретической длины канала распространения воды с результатами экспериментальных исследований. При этом отмечено значительное влияние радиального гидростатического давления на образец кабеля при испытании на стойкость кабеля к воздействию продольного гидростатического давления.

Для эксплуатации на судах требуются кабели, сохраняющие работоспособность при воздействии в продольном и радиальном направлениях гидростатического давления до 10 МПа (100 кгс/см2). Для обеспечения герметизации при таком высоком давлении в конструкцию кабеля включают специальные элементы, в качестве которых, как правило, используют:

  • различные вязкие жидкости (герметики), которыми заполняют пустоты во внутреннем пространстве под оболочкой кабеля;
  • специальные сухие элементы (порошки, нити и ленты), которые при контакте с водой разбухают и действуют так же как герметики.

В производстве судовых кабелей герметики применяют весьма широко благодаря отработанной технологии наложения. Большим преимуществом герметика является способность заполнять все пустое пространство кабеля, что обеспечивает надёжную герметизацию кабеля,  неприхотливы в хранении. Однако, герметизированный кабель становится менее гибким, а гибкость – весьма важное свойство для судовых кабелей. Кроме того, многие герметики ухудшают показатели пожарной безопасности кабеля, приобретают требуемые герметизирующие свойства только при нагреве или при воздействии многократного механического изгиба. Кабель имеет большую погонную массу. Технология производства таких кабелей - сложна, с увеличением объема внутреннего свободного пространства усложняется процесс герметизации. Герметики значительно ухудшают параметры передачи информационных кабелей, а также не исследовано влияние герметика на величину электрического сопротивления изоляции кабеля.

Водоблокирующие нити и ленты (ВБ – материалы), разбухающие при контакте с водой и блокирующие дальнейшее проникновение воды [1], до настоящего времени не применяли на отечественном производстве в конструкциях судовых герметизированных кабелей, эксплуатируемых при высоких давлениях (свыше 6 МПа). Однако за рубежом данные элементы широко используют. ВБ – материалы требуют хранения в закрытой упаковке и сухом помещении. Такой способ герметизации не снижает гибкости кабеля, а технологический процесс наложения нитей и лент может быть совмещен с другими технологическими операциями при производстве кабелей. Кроме того, многие герметики состоят из нескольких компонентов, которые необходимо смешивать перед наложением на кабель, а ВБ – материалы покупают сразу готовыми к применению. Такой способ герметизации позволяет разрабатывать и производить кабели практически любых размеров с нулевой протечкой, практически не влияет на гибкость исходной конструкции, в отличие от конструкции кабеля на основе герметика. Кабель с ВБ – материалами имеет меньшие массогабаритные показатели. Наличие в сердечнике ВБ – нитей и лент незначительно влияет на параметры передачи в информационных кабелях. Более того, технология производства не предусматривает дополнительных операций и отдельного оборудования. Также, герметики часто состоят из нескольких компонентов, которые приходиться смешивать перед наложением, а водоблокирующие материалы можно применять сразу, без опасений о вероятном отверждении герметизирующего состава до его попадания в сердечник кабеля.

В данной работе рассмотрена математическая модель расчета количества ВБ – материалов, необходимого для обеспечения стойкости судового кабеля к заданному уровню продольного гидростатического давления с допустимой величиной протечки. Проведено исследование продольной герметичности при давлении 6,08 МПа (60 кгс/см2) двух типов кабелей, конструкция которых выполнена с учетом результатов проведенных расчетов: марки КВПЭфМЛ – 5е 4х2х0,52 (рис. 1а) и марки КВПЭфМ-5 4х2х0,52. (рис. 1б), изготовленных по ТУ16.К99-020-2009. Конструктивные элементы этих кабелей указаны в таблице 1.

Конструкции судовых кабелей герметизированных ВБ – материалом

а)

Конструкции судовых кабелей герметизированных герметиком

б)

Рис 1. Конструкции судовых кабелей герметизированных различными способами, с помощью:

а) ВБ – материалов: нити и ленты

б) герметика

Таблица 1

Конструктивные элементы кабелей, изображенных на рис. 1

№ позиции
на рис. 1
Элементы конструкции для кабелей марок
КВПЭфМЛ – 5е 4×2×0,52 (крест) КВПЭфМ – 5 4×2×0,52
1 Токопроводящая жила из медной мягкой проволоки
диаметром > 0,52 мм
Токопроводящая жила из медной мягкой проволоки
диаметром > 0,52 мм
2 Изоляция жилы из полиэтилена
(диаметр по изоляции 1,20 мм)
Изоляция из полиэтилена
(диаметр по изоляции 1,20 мм)
3 Водоблокирующие нити
(диаметр в сухом состоянии – 1,3 мм)
Герметизирующий заполнитель
на основе низкомолекулярного каучука
4 Водоблокирующая лента толщиной 0,22 мм;
Если идти от сердечника:
  • лента сердечника;
  • внутренняя лента;
  • внешняя лента;
Поясная изоляция из полимерной композиции,
не содержащей галогенов.
Диаметр по поясной изоляции – 6,28 мм
5 Внутренняя оболочка
(диаметр по внутренней оболочке – 7,4 мм)
Экран в виде обмотки лентой
из ламинированной алюминием полимерной пленки,
наложенной поверх контактного проводника
6 Экран в виде обмотки из
ламинированной алюминиевой фольги
Оболочка из полимерного материала,
не содержащего галогенов
7 Контактный проводник -
8 Оболочка из полимерного материала,
не содержащего галогенов
-
9 Крестообразный разделитель из полиэтилена -

Для процесса продольного распространения воды в кабеле, герметизация которого выполнена на основе ВБ-материалов, предлагается следующая математическая модель. Процесс распространения воды вдоль кабеля условно можно разбить на две стадии. Первая – быстрая стадия, когда происходит только разбухание ВБ – материала, а вода распространяется практически свободно по воздушным каналам, при этом процесс распространения воды подчиняются закону Бернулли. Начальную длину распространения воды можно рассчитать с помощью формулы Пуазейля. Вторая стадия наступает, когда ВБ – материалы впитали в себя достаточное количество воды чтобы перекрыть канал и процесс распространения влаги вдоль конструкции нужно рассматривать как диффузию воды сквозь образовавшуюся гелеобразную массу. Аналогичное описание процессов, происходящих при распространении воды вдоль кабельной конструкции, содержится в [2] и [3]. Данная физическая модель рассмотрена при условии, что давление воды составляет не более 9807 Па.

При давлении воды 6-9 МПа (60-90 кгс/см2) также можно предположить наличие первой стадии, при которой только происходит насыщение ВБ-материалов водой, а канал ещё не перекрыт и вода распространяется по кабелю в соответствии с законом Бернулли. На второй стадии, когда нить полностью набухла, а гелеобразная масса заполнила все пустоты внутри конструкции кабеля, помимо диффузии происходит движение геля по каналам за счёт большого давления, т.е. происходит движение неньютоновской жидкости [4], вязкость которой зависит от напряжения сдвига. Величину вязкости образующего геля не приводят в своих  каталогах производители ВБ-материалов, кроме того эта вязкость может изменяться в зависимости от степени насыщения водой в процессе испытания, что усложняет математическую модель и делает её неудобной для инженерных расчётов. Кроме того, при испытаниях наблюдали выход воды и/или геля из кабеля на торце образца [5, 6].

Испытания данных кабелей на продольную герметичность проводили по общей методике в соответствии с ГОСТ 20.57.406-81 (метод 216 – 1) [7]. Образец кабеля длинной 2 метра погружали в бак гидростатического давления, так чтобы один конец длиной 1 метр находился внутри бака, а другой конец длиной 1 метр снаружи (рис. 2). Узел ввода кабеля в бак содержит уплотнение, выполненное из эпоксидной смолы, которая обладает хорошей адгезией к оболочке кабеля и отсутствие деформации при воздействии радиального гидростатического давления. Таким образом, исключено дополнительное пережатие кабеля в узле ввода кабеля во время испытания. Само испытание проходило в два этапа.

В соответствие с требованиями ГОСТ 20.57.406-81 на первом этапе испытаний оценивали конструктивно-технологический запас испытуемого кабеля, для чего создают давление на 50 % больше рабочего. В нашем случае для испытуемых образцов рабочее давление составляет 6,08 МПа (60 кгс/см2). При испытании скорость повышения гидростатического давления составляла 1 МПа/мин. Повышенное давление первого этапа испытаний составило 9 МПа (90 кгс/см2) и образец при данном давлении выдерживали 15 минут. Далее давление снижали до 0,2 МПа.

На втором этапе испытаний давление повторно повышали до рабочего. Выдержка при этом давлении, в соответствие с требованиями ТУ16.К99-020-2009, составляла 120 мин.

Схема расположения образца в баке при испытании на воздействие гидростатического давления

Рис. 2. Схема расположения образца в баке при испытании на воздействие гидростатического давления

1 – бак, 2 – вода, 3 – уплотнение из эпоксидной смолы, 4 – крышка бака, 5 – вспомогательные втулки уплотнения,
6 – испытуемый образец, 7 – клапан, 8 – насос, 9 – сливной клапан

После испытания по стандарту оценивали объем протечки (объем просочившейся воды) через торец наружного конца образца кабеля и сравнивали полученное значение с допустимым значением 100 см3. Результаты испытаний исследуемых конструкций кабелей представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты испытаний кабелей на продольную герметичность

Параметр Марка кабеля
КВПЭфМЛ – 5е 4×2×0,52 (крест) КВПЭфМ – 5 4×2×0,52
Объем протечки, см3 0 19
Длина канала распространения воды
по элементам конструкции кабеля
(см. рис. 1 и табл. 1)
1550 мм по сердечнику (3)
290 мм по внутренней ленте (4)
320 мм по внешней ленте (4)
2000 мм между поясной изоляцией (4) и экраном (5)

Механизмы распространения воды вдоль кабеля у двух исследуемых конструкций различны. Герметизация кабеля марки КВПЭфМ – 5 4×2×0,52 обеспечивается с помощью герметика. В этом кабеле вода распространяется исключительно по воздушным полостям внутри кабеля, куда не попал герметик. Очевидно, что чем меньше этих полостей, тем более герметичной будет конструкция. Этого добиться можно путём усовершенствования технологии при изготовлении кабеля, что может быть весьма затруднительно, так как используемый герметик достаточно вязкий. В местах перекрытия ленты экрана часто есть маленький канал, куда не попадает герметик, и по которому может распространяться вода при высоком давлении.

Произведён расчёт длины канала распространения воды для кабеля марки КВПЭфМЛ – 5е 4×2×0,52. Длину канала по внешней и внутренней ленте, находящейся под внешней оболочкой и под экраном кабеля соответственно, определили по следующей формуле:

Формула 1

(1)

где l - длина канала распостранения;

Δp = 6МПа - величина давления, при котором проводились испытания;
R1 и R2 - внутренний и внешний радиусу канала, где расположен ВБ - материал;
η – кинематическая вязкость воды равна при температуре 20°С равная 1,0·10-3 Па·с;
ν - скорость водопоглощения ВБ – материала;
kc – коэффициент, учитывающий сжатие кабеля в радиальном направлении;
k - коэффициент укрутки.

 В процессе испытания (рис. 2) на образец воздействует гидростатическое давление в продольном и в радиальном направлении, из-за чего воздушный промежуток, где находиться ВБ – материал уменьшается. Экспериментальные исследования показали, что при давлении воды 6 МПа

уменьшение воздушного промежутка достигает 90 %, при этом коэффициент kc , который учитывает это явление составляет 0,1.

Расчет длины распространения воды по сердечнику производили по формуле (2). По формуле (3) найден внешний радиус воздушной полости, приходящийся на одну нить из ВБ – материала.

Формула 2 (2)

R1 - внешний и внутренний радиус воздушной полости приходящейся на один кордель из ВБ – нити;
u – скорость поглощения воды корделем из ВБ – материала;
m - линейная плотность ВБ – материала;

Величина параметра

Формула 3 (3)

где,
Dc - сердечника;
n = 8 - количество токопроводящих жил;
dиз =  1,2 мм – диаметр токопроводящих жил по изоляции;

Полученные по формулам (1-3) результаты расчета приведены в таблицах 4 и 5.

Таблица 4

Результаты теоретического расчёта длины канала распространения воды по ВБ – лентам,
входящим в конструкцию кабеля марки КВПЭфМЛ – 5е 4×2×0,52, при давлении 6 МПа

Элемент  конструкции Параметр
R1, мм R2, мм η, Па·c ν , м/с k l, мм
внешняя лента (поз. 4 на рис. 1а) 4,5 3,935 1,0·10-3 1,0·10-4 1,30 680
внутренняя лента (поз. 4 на рис. 1а) 3,87 3,68 1,0·10-3 1,0·10-4 1,30 133

Таблица 5

Результаты теоретического расчёта длины распространения воды по сердечнику
при давлении 6 МПа, кабеля марки КВПЭфМЛ – 5е 4×2×0,52

Элемент конструкции Параметр
R1, мм R, мм m, кг/м u, м3/кг·с k l, мм
сердечник кабеля (поз. 3 на рис. 1а) 0,65 0,74 5,0·10-4 7,16·10-4 1,30 931

Расчёт длины распространения воды по ВБ – материалам в виде ленты показал сходимость теоретических значений с результатами испытаний. При этом следует отметить что, для результатов испытаний на воздействие продольного гидростатического давления характерна большая дисперсия полученных результатов. Кроме того, стоит отметить, что степень воздействия гидростатического давления в радиальном направлении зависит от применяемых материалов и конструкции кабеля.

Результат расчёта длины распространения воды по сердечнику из ВБ – материала в виде нитей совпал с экспериментальными данными с определенной точностью даже без учёта воздействия радиального давления. Так как в данной конструкции предусмотрен разделитель в виде полиэтиленового креста, препятствующий значительной деформации сердечника образца кабеля при воздействии радиального гидростатического давления.

Вывод:

Результаты испытаний судовых герметизированных кабелей на стойкость к продольному гидростатическому давлению показали наличие зависимости от воздействия давления на кабель в радиальном направлении. С одной стороны, если конструкция кабеля сильно деформируется, что способствует уменьшению зазоров между элементами, то кабель становится более стоек к продольному давлению, а следовательно меньше воды просочиться через образец. Однако, сама по себе деформация кабеля отрицательно влияет на электрические параметры[8]. С другой стороны, если конструкция кабеля такова, что деформация под воздействием радиального давления незначительна, то вода может просочиться в большем количестве.

Приведенные в данной работе расчёты позволяют ориентировочно оценить длину распространения воды по сечению кабеля в продольном направлении. При этом следует учитывать радиальное гидростатическое давление.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Обзор современных технологий получения суперабсорбирующих полимеров (САП) для комплекса акриловой кислоты ОАО «Газпром Нефтехим Салават » / М.Д. Кильмухаметов,  И.Ф. Садретдинов // Башкирский химический журнал. – 2014. С. 5 – 14.
  2. Шолуденко М.В., Геча Э.Я. Продольная влагопроницаемость кабелей парной скрутки с элементами из водобокирующих материалов. 2009 г., Кабели и Провода, стр. 8-13.
  3. Ларин, Ю.Т. Оптические кабели. Москва "ПРЕСТИЖ", 2006 г.
  4. Joel D. Gruhn. Characterizing and Selecting Superabsorbing Cable Components
    V.P. Product Engineering NEPTCO Incorporated Publication Date: May 2012
  5. Барашков. О.К. Сшитые полимеры в кабелях связи. Особенности поглощения воды. 2015 г., Первая миля, стр. 36 – 37.
  6. Suda Kiatkamjornwong. Superabsorbent Polymers and Superabsorbent Polymer Composites. 2007., ScienceAsia, p. 39 – 40.
  7. ГОСТ 20.57.406-81. «Измерения электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний». Москва : "Стандартинформ", 2015 г.
  8. Лобанов А.В. Молчанов Н.Е Исследование зависимости параметров передачи судовых симметричных кабелей от гидростатического радиального давления. 2017 г., Кабели и Провода, стр. 8-12.
  9. Основы кабельной техники. В.М. Леонов, И.Б. Пешков, И.Б. Рязанов, С.Д. Холодный; под ред. И.Б. Пешкова. – М. Издательский центр «Академия», 2006. – 432 с.