海底电力电缆防腐涂覆用沥青材料的选用

　　摘要：海上风电市场的迅猛发展，给海底电力电缆(海缆)提供了广阔市场。相对于陆地电力电缆(陆缆)，海缆的应用环境更为严苛，对海缆防腐涂覆用沥青材料提出了更高要求。通过比较不同标准的沥青技术指标的差异，指出了海缆防腐涂覆用沥青材料的技术指标要求及其对海缆性能的影响。对比了业内现用的海缆防腐涂覆用沥青材料的技术指标和使用性能。由此建议尽快更新海缆产品标准，使其符合NB/SH/T0001—2019标准中相关条款的沥青技术要求，以提升国产海缆的质量要求和产品品质。

　　[关键词]海底电力电缆;沥青;防蚀层;涂覆

　　0引言

　　随着全球经济的飞速发展，人们对环境保护的意识越来越强，对清洁、无污染能源的需求与日俱增，风力发电作为一种清洁能源得到了长足发展。海洋面积占地球总面积约71%，海上风能资源非常丰富，这给海上风电场的建设提供了契机，也给海底电力电缆(海缆)提供了广阔的市场。与陆地电力电缆(陆缆)不同，海缆的应用环境更为严苛，这对电缆护层防腐性能提出了挑战。海缆生产厂家普遍采用沥青作为防腐涂层，为此本文对海缆防腐涂覆用沥青的性能特点、相关标准中的技术要求以及沥青材料的选择进行了探讨。

　　1电缆防腐涂覆用沥青的特点

　　沥青作为一种有机胶凝材料，具有黏滞性、塑性、感温性等特性。为了满足电缆的机械性能、热性能和使用环境性能要求，电缆防腐涂覆用沥青与普通沥青相比具有较高的软化点、较大的针入度、良好的热稳定性、黏附性及低温性[1]。

　　2相关标准中的沥青要求

　　2.1电缆产品标准中的沥青要求

　　电力电缆(海缆和陆缆)产品标准对沥青的要求，可见目前海缆和陆缆对防蚀层涂覆的沥青材料选用尚存在很大不确定性，除110kV、220kV陆缆产品标准中要求可采用标准GB/T494—2010《建筑石油沥青》[2]10号沥青外，其余500kV陆缆、10～110kV海缆、220kV海缆的产品标准均未提及沥青的执行标准及牌号。在海缆产品标准中，防蚀层一般要求采用沥青或者合适的同等效能的防腐涂料。

　　2.2沥青材料标准中的沥青要求

　　2.2.1GB/T494—2010标准陆缆标准中建议沥青执行标准GB/T494—2010《建筑石油沥青》，但该标准适用范围是建筑屋面和地下防水的胶结料、制造涂料、油毡以及防腐材料等产品，并未说明适合电缆护层。

　　2.2.2NB/SH/T0001—2019标准近期发布的标准NB/SH/T0001—2019《电缆沥青》[8]是电缆防腐涂层的专用标准，标准中规定了1号、2号和3号共3个牌号沥青。其中1号沥青适用于南方地区陆缆，2号沥青适用于北方地区陆缆，3号沥青适用于海缆。相对于标准GB/T494—2010，这3种牌号沥青更适合于电缆行业。

　　对比旧版电缆沥青标准SH/T0001—1990《电缆沥青》，此次标准更新后增加了适用于海缆的3号沥青。近些年国内外海上风电场发展迅猛，给海缆提供了广阔的市场，带动了我国电缆厂家对海缆生产的投入，但相关海缆产品标准中均未提及所用沥青的执行标准及牌号，这与电缆沥青标准中没有涉及海缆沥青也有一定关系。此次新版电缆沥青标准NB/SH/T0001—2019的发布弥补了1990年旧版标准的不足，满足了当前海缆沥青市场的需求。

　　更新后，标准NB/SH/T0001—2019新增了溶解度≥ 99.0%的指标要求，以检测沥青中有效黏结成分含量，验证沥青材料的真实性(是否为其他化合物调和而成的制品)。软化点、针入度、冷弯是电缆沥青较为重要的3个性能指标。软化点是衡量沥青温度稳定性的指标。针入度是衡量沥青黏稠度的指标，据此可对沥青标号进行划分。冷弯是衡量沥青低温性能的指 标，即在低温弯曲时抵抗脆裂的能力。

　　对比了NB/SH/T0001—2019标准中3个牌号沥青的主要性能指标。基于海缆在夏季敷设时电缆敷设船表面温度极高，沥青易受热发生软化，从而渗出电缆表面，以及在处理安装海缆终端时，沥青可能会脆裂脱落，造成防腐性能的降低，故相对于用于陆缆的1号、2号沥青，用于海缆的3号沥青在软化点、针入度与冷弯指标上的要求更高，即要求3号沥青的黏稠度、温度稳定性及弯曲性能更优异。

　　3海缆防腐涂覆用沥青的选用

　　3.1海缆防蚀层涂覆沥青工艺要求

　　在海缆生产过程中沥青主要用于防蚀层涂覆，包括分相铅套海缆每相铅套涂覆、PP纤维绕包内衬层涂覆、钢丝铠装层涂覆、PP纤维绕包外被层涂覆。根据各涂覆工序的生产特点，采用了不同的沥青涂覆设备，进而对涂覆沥青工艺提出了不同的要求。

　　3.1.1分相铅套涂覆沥青工艺要求

　　海缆的分相铅套涂覆沥青工序是在铅套表面均匀涂覆一层沥青，工艺要求与高压陆缆金属套涂覆沥青一致，其配置的沥青缸也类似。沥青缸体积较小，采用一个可调节的倾斜出料口在缸内对穿过的线芯进行涂覆。若只采用出料口进行沥青涂覆，由于出料口位于线芯上方，线芯下方无法覆盖完整的沥青涂层，所以在线芯的底部，设置一个半圆形凹槽，线芯上方浇注的沥青流淌至凹槽中，当沥青堆积至一定高度时，便可将线芯底部也涂上沥青。同时，在沥青缸出口架设多个刮板模具，将涂覆在线芯上面不均匀且较厚的沥青涂层刮擦至整体均匀且厚薄合适。刮板模具内径比线芯外径略小，这样不仅可以使沥青涂覆厚度均匀、无漏涂堆积、减少沥青材料的浪费，而且可以刮掉沥青中的杂质、未熔化好的沥青颗粒等，避免造成挤塑后电缆护套出现鼓包甚至破裂等不良缺陷。刮板材质应柔软耐磨(例如硅胶或橡胶)，以免对铅套造成刮伤影响半成品质量。

　　3.1.2PP纤维绕包内衬层、钢丝铠装层、PP纤维

　　绕包外被层涂覆沥青工艺要求海缆一般采用立式成缆联合铠装设备，因此海缆的PP纤维绕包内衬层、钢丝铠装层、PP纤维绕包外被层涂覆沥青工序处于同一生产线上，按线芯穿过的前后顺序依次进行涂覆。由于三芯海缆外径普遍很大，沥青需要涂满在PP纤维绕包绳与钢丝之间的空隙，所以需要比分相铅套使用更多的沥青材料进行涂覆，这也导致海缆沥青缸体积偏大。通常由一个主缸对沥青原材料进行加热，加热后的沥青通过输送管路供给每处的分沥青缸，此输送管路需具备加热功能，否则沥青会因为设备布置较长而在输送中途冷却或是暂停生产时在管路中凝固，影响产品的生产。每个分沥青缸将从主缸中接收的沥青再次加热后，通过流出管将沥青涂覆至线芯表面。

　　对于线芯下面不易涂覆的区域，可以采取与分相铅套涂覆沥青时类似的半圆形凹槽，使外径较大的线芯下面涂覆到沥青。每次涂覆后，采用刮板对线芯表面进行刮擦，使黏附在PP纤维绕包绳、钢丝上的沥青将绳、钢丝间的空隙填满，将PP纤维绕包绳、钢丝结合成为一个整体。刮板材质同样应柔软耐磨，以免将PP纤维绕包绳刮断、钢丝刮出刮痕，影响产品性能。

　　3.1.3其他工艺要求

　　在实际使用中，海缆防蚀层涂覆前需将涂覆沥青加热至熔化状态使其具备流动性以便进行涂覆(应根据不同牌号的沥青设定加热温度，以保证沥青可以顺利浇注)。在沥青缸暂停使用时，鉴于电缆沥青软化点较高，需将沥青缸各区温度设定至100℃以上，以免缸内剩余沥青冷却凝固，影响下一段线芯的继续生产。

　　3.2海缆防蚀层涂覆沥青材料的要求

　　当海缆黏结PP纤维绕包绳和铠装钢丝的防蚀层破损后，暴露在海水中的钢丝会逐渐被腐蚀，当腐蚀至大量钢丝断裂时，整根海缆寿命便基本宣告终止[9]。为了保证海缆沥青防蚀层的完整性，标准GB/T2952.1—2008《电缆外护层》[10]中对纤维外被层的电缆沥青提出了以下要求：a.在温度(70±2)℃时应不自然滴落(涂料热滴流试验)。

　　b.在温度(0±2)℃时弯曲应不碎落(涂料耐寒试验)。表3对比了电缆沥青标准NB/SH/T0001—2019中的冷弯试验和电缆外护层标准GB/T2952.1—2008中的涂料耐寒试验，可见两者在试验装置、方法和要求上均有所差别。为满足成品电缆外护层对涂料热滴流和涂料耐寒试验要求，海缆防蚀层用涂覆沥青材料应具有更高软化点、耐更低冷弯试验温度等性能。

　　3.3海缆防蚀层涂覆沥青材料的选用

　　为了满足海缆防蚀层涂覆沥青工艺的要求，必须选用合适的沥青材料。由于现行的海缆产品标准中并未对沥青的执行标准及牌号进行要求，因此在标准NB/SH/T0001—2019尚未发布前，海缆厂家通常凭借自身的生产经验内部制定相应的沥青材料技术指标或指定沥青牌号。对比了电缆沥青标准NB/SH/T0001—2019中的3号电缆沥青、海缆常用的牌号70号A级道路石油沥青(2-3)和陆缆常用的10号建筑石油沥青的相关性能。

　　可见：a.相较于3号电缆沥青，70号A级道路石油沥青(2-3)除软化点指标相差较大外，针入度和闪点指标均符合其要求。70号A级道路石油沥青(2-3)一般适用于夏热冬冷的地区道路铺设，其环境温度范围大概为夏季20～30℃，冬季-20～-10℃。相对于3号电缆沥青要求的0℃黏附率和200℃、24h热稳定性试验，70号A级道路石油沥青(2-3)要求了60℃动力黏度和163℃、5h薄膜烘箱试验。

　　60℃动力黏度指标对于沥青道路适合于反映夏季沥青道路的耐热性，因夏季道路表面温度普遍较高，该指标比较贴近实际使用环境。事实上，该指标对于海缆防蚀层涂覆也较为贴合，60℃是海缆实际使用时外被层的温度，因此笔者认为电缆沥青标准仅用0℃黏附率指标存在一定的局限性，建议在选用海缆防蚀层涂覆沥青时考虑60℃动力黏度指标。b.相较于3号电缆沥青，10号建筑石油沥青虽然软化点和闪点指标符合其要求，但针入度指标相差较大，即低温弯曲性能不佳。

　　在实际使用中，70号A级道路石油沥青(2-3)用于分相铅套涂覆时加热温度约为140～180℃，用于外被层涂覆时加热温度约为100～150℃。70号A级道路石油沥青(2-3)涂覆的分相铅套防蚀层半成品外观良好，厚度均匀，没有因原材料本身原因造成防蚀层漏涂、破损;涂覆的PP纤维绕包内衬层、钢丝铠装层、PP纤维绕包外被层的防蚀层，经过刮板处理后涂覆厚度均匀，黏结效果优异。

　　综合看来，70号A级道路石油沥青(2-3)作为防蚀层涂覆沥青，可满足海缆产品标准中的防蚀层技术要求。在实际使用中，10号建筑石油沥青因针入度指标较差而需在沥青缸中加入少量机油、硬脂酸等添加剂，以改善其低温性能和加工性能。虽然10号建筑石油沥青的海缆防蚀层涂覆工艺也可满足产品要求，但生产操作相较70号A级道路石油沥青(2-3)更为复杂。

　　4结语

　　通过比较不同标准的沥青技术指标的差异，指出了海缆防腐涂覆用沥青材料的技术指标要求及其对海缆性能的影响。由此，建议相关标准组织尽快更新海缆产品标准，使其符合NB/SH/T0001—2019标准中相关条款的沥青技术要求，在沥青材料生产企业和海缆制造企业的共同推动下，提升国产海缆的质量要求和产品品质。

　　参考文献：

　　[1]汪景璞，邹元传.电缆材料[M].北京：机械工业出版社，1983：368-370.

　　[2]全国石油产品和润滑剂标准化技术委员会.建筑石油沥青：GB/T494—2010[S].北京：中国标准出版社，2011：1.

　　[3]工业和信息化部.额定电压10kV(Um=12kV)至110kV(Um=126kV)交联聚乙烯绝缘大长度交流海底电缆及附件第2部分：额定电压10kV(Um=12kV)至110kV(Um=126kV)交联聚乙烯绝缘大长度交流海底电缆：JB/T11167.2—2011[S].北京：机械工业出版社，2011：8.

　　[4]中国电器工业协会.额定电压220kV(Um=252kV)交联聚乙烯绝缘大长度交流海底电缆及附件第2部分：大长度交流海底电缆：GB/T32346.2—2015[S].北京：中国标准出版社，2016：9.

　　[5]中国电器工业协会.额定电压110kV(Um=126kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件第2部分：电缆：GB/T11017.2—2014[S].北京：中国标准出版社，2014：8.

　　作者：宋光辉，乔宇常，陈凯

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