Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор предъявляемых требований и применяемых материалов в области конструирования и исследования судовых кабелей, в том числе герметизированных 8
1.1 Описание нормативной базы для судовых кабелей 8
1.2 Известные конструкции и материалы применяемы при изготовлении судовых кабелей 11
1.3 Описание общей технологии производства кабелей 20
Глава 2. Разработка конструкции герметизированного кабеля с применением новых материалов 32
2.1 Технические требования, предъявляемые к судовым герметизированным кабелям 32
2.2 Выбор материалов для судовых герметизированных кабелей 34
2.3 Расчёт движения гидрогеля в сердечнике кабеля 35
2.3 Расчет электрических параметров симметричных пар судовых кабелей различного исполнения 41
Глава 3. Конструирование и технология изготовления судовых герметизированных кабелей 46
3.1 Новые конструкции судовых герметизированных кабелей 46
3.2 Особенности изготовления судовых герметизированных кабелей 52
3.3 Технология изготовления судовых герметизированных кабелей связи 58
3.4 Технология изготовления силовых герметизированных кабелей 70
Глава 4. Исследования эффективных способов герметизации судовых кабелей различного конструктивного исполнения 78
4.1 Результаты расчётов коэффициента затухания в герметизированных кабелях связи 78
4.2 Испытания на стойкость к воздействию гидростатического давления 81
4.2.1 Продольное гидростатическое давление 81
4.2.2 Статистическая обработка данных по результатам испытаний на продольное давление 85
4.2.3 Исследование продольной герметизации судовых кабелей с применением водоблокирующих материалов 87
4.2.4 Радиальное гидростатическое давление 93
4.2.5 Рекомендации по корректировке методики испытаний герметизированных кабелей на стойкость к гидростатическому давлению 96
4.2.6 Исследование зависимости параметров передачи судовых симметричных кабелей от величины гидростатического радиального давления 98
4.3 Влияние типа скрутки на электрические параметры судовых герметизированных кабелей связи 109
4.4 Влияние температуры на водопоглощающие свойства ВБ-материалов 111
Заключение 115
Приложение 1. 117
Список литературы 124
- Известные конструкции и материалы применяемы при изготовлении судовых кабелей
- Особенности изготовления судовых герметизированных кабелей
- Исследование продольной герметизации судовых кабелей с применением водоблокирующих материалов
- Исследование зависимости параметров передачи судовых симметричных кабелей от величины гидростатического радиального давления
Введение к работе
Актуальность темы. Отечественная кабельная промышленность развивается и претерпевает значительные изменения в связи с развитием смежных областей промышленности, появлением новых материалов и ростом передаваемых мощностей и объемов информации. В том числе большая часть производимых кабельных изделий потребляет судостроительная отрасль. Масса кабелей, входящих в бортовую сеть, может достигать 1/3 от общей массы всего судового электрооборудования. Безопасность экипажа на подводных судах напрямую связана с надежностью судовых кабельных сетей, а также с работоспособностью этих сетей в аварийных ситуациях, таких как затопление или пожар в отсеках.
Следовательно, задача обеспечения герметичности судовых кабелей при давлении, соответствующем глубине погружения подводных лодок (400-600 метров), при сохранении показателей пожарной безопасности этих кабелей является особенно актуальной в последнее время, еще и в связи с бурным развитием военно-морской техники в частности и всего военно-промышленного комплекса в целом в нашей стране.
В случае обрыва негерметизированного кабеля, либо повреждения оболочки по конструкции будет распространяться вода, что может стать причиной затопления отсеков судна. Кроме того, в случае пожара, кабельная сеть должна некоторое время оставаться в работоспособном состоянии, чтобы экипаж успел принять соответствующие меры для устранения аварийной ситуации. Это значит, что кабели, входящие в бортовые сети, должны обладать комплексным набором характеристик, позволяющих сохранить требуемые эксплуатационные параметры сети в случае аварий и предотвратить их катастрофичное развитие и последствия.
В настоящее время существуют герметичные кабели связи, выполненные на сухих водоблокирующих материалах. Эти кабели предотвращают распространение воды при избыточном гидростатическом давлении в 1 кгс/см2,
однако они совершенно не пригодны при более высоком гидростатическом давлении. На отечественном рынке ещ не существует кабелей связи, выполненных на основе водоблокирующих элементов, которые успешно работают при гидростатическом давлении, соответствующем глубине погружения подводных лодок.
Расширение возможностей судовых систем связи, рост передаваемых скоростей и объемов передаваемой информации требует создания судовых герметизированных кабелей связи с расширенным диапазоном частот и передаточными параметрами, соответствующими современным международным и отечественным стандартам для кабелей связи (серии стандартов IEC 61156 и ГОСТ 54429-2011).
В связи с ростом передаваемых мощностей и модернизацией энергетического оборудования на судах, появляется необходимость в судовых герметизированных силовых кабелях, в том числе и огнестойких, чтобы обеспечить передачу требуемых мощностей, а также, работоспособность и функционирование электротехнических систем при аварийных ситуациях.
Цель работы. Целью работы является исследование и разработка судовых кабелей, стойких к воздействию продольного и радиального гидростатического давления до 10 МПа.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
теоретически исследовать продольное распространение воды в герметизированных кабелях, конструкция которых выполнены как с помощью герметика, так и с помощью водоблокирующих материалов;
разработать математическую модель, позволяющую оценить качество продольной герметичности кабелей, выполненных на основе водоблокирующих материалов;
провести экспериментальные исследования стойкости кабелей к воздействию продольного гидростатического давления величиной от 6 до 10 МПа;
провести экспериментальные исследование стойкости конструкции и электрических параметров судовых кабелей к радиальному гидростатическому давлению величиной от 6 до 10 МПа.
разработать конструкции силовых кабелей и кабелей связи, стойких к продольному гидростатическому давлению и сохраняющих работоспособность под действием радиального гидростатического давления величиной до 10 МПа в рабочем режиме и до 15 МПа при кратковременном воздействии.
Методы исследований. Для решения поставленной цели использованы методы классической теории электромагнитного поля, законы гидростатики и гидродинамики, теория деформации материалов, применен математический аппарат интегрального и дифференциального исчисления.
Научная новизна.
-
На основании теоретических исследований предложен метод расчета длины участков проникновения воды в воздушные полости кабелей, учитывающий различное расположение элементов из водоблокирующих (ВБ) материалов, что позволяет определить необходимое количество ВБ материалов для конструирования герметизированных симметричных кабелей, обеспечивающих их продольную влагонепроницаемость при давлении воды до 10 МПа, учитывающий радиальную составляющую этого давления.
-
Предложен метод оценки геометрических параметров ВБ - материалов при конструировании герметизированных кабелей связи с рабочим давлением до 10 МПа и с частотными характеристиками соответствующими требованиям ГОСТ Р 54429-2011.
-
Впервые проведены экспериментальные исследования электрических параметров кабелей с элементами из водоблокирующих материалов, при воздействии радиального гидростатического давления. Получены барические зависимости электрических параметров судовых герметизированных симметричных кабелей связи.
-
Впервые проведены экспериментальные исследования продольного распространения воды под давлением 10 МПа в кабелях с элементами из ВБ материалов в случае обрыва кабеля и при местном повреждении его оболочки.
Практическая ценность.
-
Разработаны новые типы судовых герметизированных кабелей связи для цифровых систем передачи, в том числе огнестойкие, с рабочим диапазоном частот до 250 МГц, герметизация которых выполнена как с помощью водобло-кирующих материалов, так и с помощью герметика. Новые конструкции кабелей включены в ТУ и в настоящее время изготавливаются на предприятии ООО НПП «Спецкабель».
-
Разработаны новые типы судовых герметизированных силовых огнестойких кабелей на гидростатическое давление до 10 МПа, в том числе огнестойкие, гибкие, для герметизации которых используются ВБ – материалы.
-
Проведены исследования, направленные на улучшение технологии изготовления судовых герметизированных кабелей, позволившие установить вид и режимы технологических операций (тип скрутки, температуру при наложении изоляции и оболочки), а также выбрать необходимые материалы и способ герметизации судовых кабелей.
Основные положения, вносимые на защиту.
1 Результаты исследования воздействия радиального гидростатического
давления на конструкцию и электрические параметры передачи в диапазоне
частот до 250 МГц герметизированных кабелей связи огнестойкого и не огне
стойкого исполнений.
2 Результаты исследований герметизирующих материалов, улучшающие
технологию изготовления герметизированных кабелей.
-
Результаты исследований и сравнительный анализ кабелей связи, выполненных на герметизирующем компаунде и на водоблокирующих материалах, стойкости к воздействию продольного гидростатического давления.
-
Новые конструкции силовых судовых герметизированных кабелей и судовых герметизированных кабелей связи.
-
Особенности технологии изготовления судовых герметизированных кабелей связи и силовых судовых герметизированных кабелей с различными способами герметизации: с помощью герметизирующего компаунда и водоблоки-рующих нитей.
6 Рассмотрение методики по испытаниям судовых герметизированных кабелей на стойкость к радиальному и продольному гидростатическому давлению и предложение по корректировке этой методики.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, докладывались и обсуждались:
- на 20 и 21 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2014 и 2015 гг. Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. (из которых 2 – в издании по перечню ВАК). Результаты исследований также отражены в протоколах испытаний ООО НПП «Спецкабель».
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих результаты работы, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации изложен на 136 страницах, в том числе 28 иллюстраций, 22 таблиц и 1 приложения, акт внедрения результатов и список литературы содержит 100 наименование на 10 странцах.
Известные конструкции и материалы применяемы при изготовлении судовых кабелей
Во время эксплуатации на судовые кабели воздействуют различные внешние воздействующие факторы, которые могут в значительной степени повлиять на работоспособность кабеля. В связи с этим в судовых кабелях применяются материалы, которые в наименьшей степени подвержены этим воздействиям. Кроме того, судовые кабели должны быть гибкие, так как в силу ограниченного пространства на судах, большого количества оборудования на судах множество труднодоступных мест, поэтому кабельные изделия должны обладать минимальным радиусом изгиба [1, 19].
Различные резиновые смеси можно выделить, как наиболее часто и эффективно используемый материал для кабелей, входящих в состав судовых электрических сетей [20, 21]. Как известно, резины (ТУ 16.К71-098-90), применяемые в кабельном производстве можно разделить на группы: изоляционные и изоляционно-защитные и защитные [22, 23].
В тяжёлых условиях эксплуатации в судовых электротехнических системах целесообразно применять кабели с токопроводящими жилами, изолированными резиновыми смесями на основе этиленпропиленового и кремнийорганического каучуков. Данные резины обладают набором свойств, ценных для изоляции судовых кабелей, с конструктивно технологической точки зрения [23, 24]. В таблице 1 приведены упомянутые свойства.
Для оболочек судовых кабелей используют изоляционно-защитные и защитные резины. Помимо пожаробезопасности и широких интервалов рабочих температур, резины для оболочек должны обладать стойкостью к горюче-смазочным материалам, кислотам, щелочам, морской воде, солнечному свету. К таким резинам относятся резины на основе полихлоропрена и хлорсульфированного полиэтилена. Однако такая оболочка при горении будет выделять пары HCl, которые наносят вред здоровью человека и электронной аппаратуре, поэтому при разработке современных судовых кабелей предпочтение отдается безгалогенным полимерным композициям [25, 26, 27].
Кабели с резиновой изоляцией и резиновой оболочкой (или свинцовой) изготавливают по ГОСТ 7866.1-76 «Кабели судовые с резиновой изоляцией в резиновой или свинцовой оболочке. Технические условия» и обладают лучшей гибкостью в сравнении с кабелями на основе пластмасс. Наложение резин осуществляется на кабельных линиях непрерывной вулканизации экструзией предварительно приготовленной слегка разогретой (30 – 40 С) резиновой смеси на заготовку с последующей вулканизацией в вулканизационных печах [23].
Помимо резиновых смесей, в качестве материала для оболочек судовых кабелей находят широкое применение различные пластмассы, такие как ПВХ-пластикаты, в том числе ПВХ-пластикаты пониженной пожарной опасности и сшитый полиэтилен [28].
Кабели с резиновой изоляцией и оболочкой из ПВХ-пластиката изготовляют по ГОСТ 7866.76 «Кабели судовые с резиновой изоляцией в оболочке из поливинилхлоридного пластиката. Технические условия». Основная причина применения ПВХ-пластиката в качестве материала для оболочек судовых кабелей – нераспространение горения при прекращении воздействия пламени на образец (для кабельных ПВХ-пластикатов общего назначения) [29, 30, 31].
Кабели с оболочкой из поливинилхлоридного ПВХ – пластиката предназначены только для нестационарной прокладки. В отличие от резин ПВХ-пластикаты не являются маслостойкими (хотя есть и маслостойкие рецептуры) и ограничивают гибкость кабеля. Кроме того, при повышенных температурах отмечено ухудшение электрических и физико-механических свойств ПВХ-пластикатов при эксплуатации по причине снижения в их составе пластификатора [32, 33]. Однако ПВХ-пластикаты дешевле и легче перерабатываются, поэтому их использование в легких и средних условиях эксплуатации может целесообразным [23, 24, 34, 35, 36, 37].
Также одним из наиболее часто используемых материалов для изоляции судовых кабелей является радиационно-сшитый полиэтилен.
Изоляция ТПЖ, выполненная на основе радиоционно-сшитого полиэтилена и кремнийорганической резины позволяют работать кабелю при более высоких температурах окружающей среды. В частности такая изоляция позволяет выдерживать кратковременное повышение температуры до 200 С, вызванное токами короткого замыкания [38].
В настоящее время, в качестве материала для изоляции и оболочек кабеля, обеспечивающих соблюдения требований пожарной безопасности: низкое дымо-газовыделение, отсутствие коррозионноактивных веществ в продуктах горения материала, способность к самозатуханию, являются полимерные композиции, не содержащие галогенов (исполнение «нг(А)-HF») [25].
Материалами для изоляции или оболочки кабелей исполнения нг(А)-HF обычно являются полимерные композиции на основе полиолифинов. Увеличение кислородного индекса и эффекта самозатухания достигается путем введения в полимер антипиренов-гидроокисей. В качестве антипиренов-гидроокисей используют Al(OH)3 или Mg(OH)2. Принцип действия таких веществ заключается в том, что под действием повышенной температуры выделяется вода, которая способствует затуханию материала и погашению пламени. Поэтому так важно не превысить при переработке ту температуру при которой будет выделяться вода, иначе изоляция будет некачественной.
В результате реакции сополимеризации этилена и мономера винилацетата получается сополимер этиленвинилацетат. Эти вещества обладают свойствами близкими к полиэтилену низкой плотности, а также устойчивостью к маслам и озону. Этиленвинилацетат смешивают с гидроокисью алюминия (Al(OH)3).
Безгалогенные полимерные композиции, становятся все более востребованы в разработке и производстве не только судовых, но и многих классов других кабелей. В настоящее время разработаны сшиваемые рецептуры безгалогенных полимерных композиций, стойких к высоким температурам и воздействию горючесмазочных материалов, что делает их еще более ценными в применении в судовых кабелях.
Как указывалось выше, в связи с техническим прогрессом в области судостроения, а также в области полимерных материалов, стали востребованы новые конструкции судовых кабелей. Также ужесточились требования пожарной безопасности. В настоящее время появились материалы позволяющие изготовлять кабели, отвечающие предъявляемым требованиям: ПВХ-пластикаты пониженной пожарной опасности (LS – Low Smoke), безгалогенные материалы (HF – Halogen Free), кремнийорганическая керамообразующая резина, с помощью которой можно добиться огнестойкости кабеля.
На данный момент судовые кабели, в том числе герметизированные изготовляют несколько отечественных предприятий.
Чтобы лучше понять, какое место занимают исследуемые в данной работе кабели, на рисунке 1.1 приведена поясняющая схема.
ГОСТ 15845-80 «Изделия кабельные. Термины и определения» определяет герметизированный кабель как, кабель, свободное пространство, между конструктивными элементами которого заполнено герметизирующим составом с целью препятствия проникновению влаги в кабель и ее продольному перемещению. В соответствие с этим определением, для обеспечения защиты кабеля от продольного распространения воды, в настоящее время, используются различные герметики, а также элементы из водоблокирующих материалов, которые сами по себе не являются герметизирующим составом, но содержат гидрофильный материал или суперабсорбентный полимер (САП), который при контакте с водой увеличивается в размерах и заполняет все внутреннее пространство кабеля, тем самым обеспечивая защиту от продольного распространения воды внутри кабельного изделия.
Особенности изготовления судовых герметизированных кабелей
Технология изготовления кабеля состоит из ряда технологических операций, описанных в главе 1, этапы, состав которых зависит от конструкции, от назначения кабеля и предъявляемых к нему требований. Ниже приведена схема, поясняющая общую технологию изготовления кабелей и последовательность технологических операций от волочения проволоки до получения готового изделия. Общая схема, описывающая этапы и технологические операции, входящие в эти этапы, приведена на рис. 3.4
Технологию изготовления кабеля в виде схемы можно представить по-разному, и будут свои нюансы в зависимости от того, как классифицировать этапы производства: по группам технологического оборудования, по пути следования заготовки и т.д. В данном случае технология рассматривается поэлементно в три этапа с сопутствующими им операциями, поскольку операция герметизации происходит на каждом из этих трех этапов, то эту схему можно легко преобразовать в схему, поясняющую изготовление герметизированного кабеля. Также следует иметь ввиду, что для изготовления конкретного изделия не требуется выполнение всех технологических операций, указанных в схеме, а все этапы по очередности проходит каждое кабельное изделие. Например, чтобы изготовить кабель марки КВПЭфМ – 5 420,52, конструкция которого изображена на рис 3.1 необходимо пройти операции обозначенные оранжевым цветом (см схема 3.5) сверху вниз от 1 этапа до 3. При этом наложение герметика совмещено с наложением поясной изоляции и, впоследствии, с наложением оболочки.
Для того чтобы подробнее описать технологию изготовления судовых герметизированных кабелей остановимся подробнее на материалах, являющихся основным фрагментом в решении задачи герметизации кабеля. Необходимо отметить, что для того чтобы обеспечить герметичность конструкции кабеля не всегда необходимо и достаточно ввести в конструкцию герметизирующие материалы (герметики и ВБ – материалы). Стоит учитывать, что большую роль играет правильное расположение этих материалов и других конструкционных элементов, их геометрические размеры и степень обжатия экструдированного покрытия, соблюдение температурных режимов, так как установлено, что при перегреве ВБ – материалы теряют способность впитывать воду, а также выделяют газ, что отрицательно влияет на качество резиновой изоляции.
Герметизирующий состав
Герметик, используемый для изготовления кабелей, рассматриваемых в данной работе, является кремнийорганическим компаундом на основе низкомолекулярного силоксанового каучука типа «Виксинт». Компаунд имеет двухкомпонентный состав, включающий в себя низкомолекулярный каучук и катализатор. Низкомолекулярный каучук представляет собой вязкотекучий материал, который при смешении с катализатором переходит в резиноподобное состояние при комнатной температуре. Готовый компаунд применим к эксплуатации в температурном диапазоне от минус 60 С до плюс 200 С. Смешивать компоненты необходимо непосредственно перед использованием в определённой пропорции, так как при смешении реакция вулканизации начинается незамедлительно, что является одним из минусов с точки зрения технологичности и удобства использования.
Каучук силоксановый термостойкий типа СКТН, является основным компонентом описываемого компаунда и может быть нескольких марок в зависимости от вязкости, что отражено в марке каучука введением букв А, Б, В и Г в обозначение. При изготовлении герметизированного кабеля необходимо, чтобы герметик заполнил все внутреннее свободное пространство в кабеле, поэтому целесообразно использовать каучук наименьшей вязкости. Каучук марки СКТН-А обладает самой низкой вязкостью из всех перечисленных марок, поэтому такой каучук использован в качестве компонента для компаунда, герметизирующего рассматриваемые кабели. Особых условий хранения данный каучук не требует, поскольку допускается хранить при комнатной температуре в закрытом помещении. Также, согласно техническим условиям (ТУ 2294-022-00152000-96 «Каучук силоксановый термоморозостойкий низкомолекулярный СКТН»), данный материал не является опасным грузом, не горюч, не взрывоопасен и токсических соединений во внешнюю среду не выделяет.
Катализатор холодного отверждения представляет собой бесцветную или светло-коричневую жидкость и служит для инициации реакции вулканизации каучука СКТН-А при изготовлении кремнийорганического герметика. Катализатор является токсичным веществом опасным для человека, поэтому при работе с ним необходимо выполнять мероприятия по технике безопасности, указанные в технических условиях на катализатор (ТУ 38.303-04-05-90 «Катализаторы холодного отверждения для кремнийорганических герметизирующих матералов»). Хранить катализатор необходимо в герметичных бутылях.
Герметик типа «Виксинт» предназначен для защиты электро- и радиотехнического оборудования, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности окружающей среды. Рассмотрим основные преимущества и недостатки данного герметика с точки зрения использования его в кабельной технике:
Преимущества:
широкий диапазон рабочих температур (-60250) С;
кабель на основе указанного герметика стоек к вертикальной прокладке при максимально допустимой рабочей температуре, так как герметик не переходит в вязкотекучее состояние даже при 250 С;
при соблюдении технологии наложения заполняет все внутреннее пространство кабеля;
упругие свойства, позволяющие в значительной степени кабелю восстанавливать свою форму (а при этом восстанавливаются и электрические параметры) после воздействия радиального давления до 15 МПа;
выполняет функцию внутреннего заполнения, помогающего делать кабель круглой формы (с минимальны коэффициентом овальности);
герметик типа «Виксинт» удобнее некоторых других герметиков при монтаже, так как при зачистке кабеля он просто крошиться и легко счищается с элементов кабеля, в то время как другие герметики в силу вязкотекучего состояния труднее очищаются и пачкают инструмент;
диэлектрические свойства (тангенс угла диэлектрических потерь не более 2,510-3 , диэлектрическая проницаемость 3,03,2 )
Недостатки:
сложная технология наложения (тяжело добиться монолитного заполнения без пузырей и пустот);
необходимо смешивать непосредственно перед использованием;
поддерживает горение (однако есть возможность устранить данный недостаток путем введения в компаунд антипиренов);
значительно увеличивает массу кабельного изделия;
снижает гибкость кабельного изделия;
плохая совместимость с кремнийорганической керамообразующей резиной (отмечено снижение электрического сопротивления изоляции)
Водоблокирующие материалы (ВБ материалы)
Водоблокирующие нити и ленты (ВБ - материалы), разбухающие при контакте с водой и блокирующие дальнейшее проникновение воды до настоящего времени не применяли на отечественном производстве в конструкциях судовых герметизированных кабелей, эксплуатируемых при высоких давлениях (свыше 6 МПа). Однако за рубежом описываемые материалы широко используют. ВБ - материалы требуют хранения в закрытой упаковке и сухом помещении, так как хорошо впитывают влагу из окружающей среды, от чего их свойства ухудшаются. Технологический процесс наложения нитей и лент может быть совмещен с другими технологическими операциями при производстве кабелей. Кроме того, в отличие от герметизирующих составов, которые состоят из нескольких компонентов и их 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.
Исследование продольной герметизации судовых кабелей с применением водоблокирующих материалов
В рамках данной работы, с целью оптимизировать технологию и увеличить скорость производства была предпринята попытка модернизировать конструкцию кабеля марки КВПЭфМ – 420,52 и изготовить её, используя в качестве герметизирующего элемента – водоблокирующие материалы. Схема расположения водоблокирующих материалов и общий вид конструкции приведен на рис. 4.5.
Для определения стойкости к воздействию продольного гидростатического давления конструкции кабеля марки КВПЭфМЛ - 5е 4х2хо,52 были проведены испытания по типовой методике (метод 216, ГОСТ 20.57.406-81), по результатам которых констатировалась нулевая протечка данной конструкции при воздействии давления величиной 90 кгс/см2 в течение 15 минут и 60 кгс/см2 в течение 2-ух часов.
На примере данной конструкции были проведены расчёты по определению длины канала распространения воды по кабелю. Длину канала по внешней и внутренней ленте, находящейся под внешней оболочкой и под экраном кабеля соответственно, определили по следующей формуле [78, 79]:
В процессе испытания 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 (4.2). По формуле (4.3) найден внешний радиус воздушной полости, приходящийся на одну нить из ВБ – материала.
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.
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 [80, 81], а следовательно меньше воды просочиться через образец. Однако, сама по себе деформация кабеля отрицательно влияет на электрические параметры [82, 83, 84, 85]. С другой стороны, если конструкция кабеля такова, что деформация под воздействием радиального давления незначительна, то вода может просочиться в большем количестве.
Как уже упоминалось, основная проблема в судовых герметизированных кабелях связи, выполненных на водоблокирующих материалов, состоит в том, что они менее стойкие к радиальному гидростатическому давлению, в отличие от кабелей с герметиком. Конструкция на нитках сильно подвержена деформации, а также почти не восстанавливает свою форму после деформации.
Исследование зависимости параметров передачи судовых симметричных кабелей от величины гидростатического радиального давления
В отношении стойкости к воздействию радиального гидростатического давления в данной работе исследованы два вида герметизированного кабеля с рабочим частотным диапазоном до 250 МГц и рабочим давлением до 100 кгс/см2 различного исполнения: огнестойкого и неогнестойкого.
Конструкции кабелей схематично представлены на рис. 3.2 с пояснением позиций, обозначенных на чертеже, в таблице 3.2 Нормируемые в ТУ значения параметров, исследуемых в данной работе кабелей, представлены в таблице 4.7.
В конструкциях кабелей КсСГОнг(D)100 и КсСГнг(D)100 реализованы технические решения, которые позволяют не превысить требуемый уровень потерь при передаче высокочастотных сигналов по герметизированному симметричному кабелю.
Так, в качестве изоляции токопроводящих жил пары кабелей марки КсСГнг(D)100 использован полиэтилен, а герметизирующее заполнение выполнено из компаунда на основе низкомолекулярного каучука СКТН, имеющего хорошие адгезионные и диэлектрические свойства. Такое техническое решение для герметизированных экранированных пар используется НПП «Спецкабель» уже более десяти лет и хорошо себя зарекомендовало. В качестве изоляции для герметизированных огнестойких кабелей марок КсСГОнг(D)100 используется керамонаполненная кремнийорганическая резина, обеспечивающая работоспособность кабелей, как в случае пожара, так и в течение определённого времени после его ликвидации. Оптимальным решением для герметизации экранированных пар таких кабелей, с точки зрения обеспечения минимального уровня потерь на высоких частотах, оказалось применение водоблокирующих нитей, заполняющих междужильное пространство. Также автором исследовалась стойкость данных конструкций к воздействию радиального гидростатического давления.
Максимальное нормируемое значение гидростатического радиального давления, устанавливаемое в ТУ для рассматриваемых нами кабелей – 10,13 МПа (100 кгс/см2), при этом испытания кабелей, в соответствии с требованиями ГОСТ 20.57.406-81, должно проводиться с превышением нормируемой величины на 50 %, в данном случае при давлении 15,2 МПа (150 кгс/см2), что и делается по установленной в нормативной документации методике, на стадии типовых испытаний (таблица 4.9). Допустимое увеличение коэффициента затухания и максимального отклонения номинального волнового сопротивления в кабелях на период эксплуатации и хранения, гарантируемое поставщиком, не должно превышать 10 %. Эта величина установлена с учётом максимальной нагрузки при испытаниях, при этом гидростатическое радиальное давление, которое предположительно действует на забортную кабельную сеть в процессе эксплуатации не превышает 6 – 7 МПа.
Испытания на герметичность, поставляемых потребителю судовых кабелей, предполагают тот же уровень превышения испытательных значений гидростатического продольного давления. Принимая во внимание, что герметичность кабелей важна для обеспечения надёжности судна при нештатной ситуации, когда возможно повреждение кабельной сети, то она контролируется при приемо-сдаточных испытаниях и предельное гидростатическое продольное давление доводиться до 15,2 МПа (150 кгс/см2). Объем воды, просочившейся через торец двухметрового образца кабеля в течение 24 часов для кабелей марок КсСГОнг(D)100 и КсСГнг(D)100, не должен превышать 1500 см3 (1,5 литр).
Схема испытательного стенда с системой AESA, с помощью которой проводились измерения волнового сопротивления и коэффициента затухания, представлены на рис. 4.7.
Испытания проводились на 60-метровых образцах кабелей марок КсСГОнг(D)100 4х2х0,8 и КсСГнг(D)100 4х2х0,8, при этом в гидробак помещалось 50 метров кабеля, а концы образцов, по 5 метров каждый, подключались к измерительной системе AESA.
Измерения волнового сопротивления и коэффициента затухания проводились на каждой паре образцов кабелей. При этом измерения указанных параметров исследуемых образцов кабелей, до и после монтажа в гидравлический бак до подъёма давления, показали практически одинаковый результат. Это говорит о том, что используемая нами технология заделки кабелей не оказывает значительного влияния на проводимые измерения.
В процессе подъёма гидростатического давления воды в баке от нормального атмосферного до 150 кгс/см2. (15,2 МПа), фиксировались значения измеряемых параметров в точках: 20, 50, 80, 100 и 150 кгс/см2.
Результаты измерений представлены на рис. 4.8 и 4.9 в виде графиков характеризующих изменения волнового сопротивления (Zв/Zв) и коэффициента затухания (/) при росте гидростатического радиального давления. Точки, отмеченные на графиках, соответствуют изменениям указанных параметров для каждой из четырёх пар исследуемых образцов кабелей.
Также была проведена оценка величин изменений коэффициента затухания и волнового сопротивления в зависимости от количества циклов воздействия гидростатического радиального давления воды на размещенные в гидробаке образцы кабелей. При этом один цикл воздействия на образец кабеля включает повышение давления в гидробаке со скоростью (1,01±0,01) МПа в минуту до 15,2 МПа (150 кгс/см2) и выдержкой при этом давлении в течении 15 минут с последующим снижением давления до нормального атмосферного с фиксацией величин измеряемых параметров в конце цикла. Каждый последующий цикл гидростатического воздействия производился с интервалом величиной около суток. На рис. 4.10 представлен график зависимостей изменения величины коэффициента затухания при частоте 100 МГц образцов кабелей марок КсСГО нг(D)100 4х2х0,8 и КсСГнг(D)100 4х2х0,8 в зависимости от количества циклов воздействия.