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(lái)越重視,自動(dòng)化水平要求越來(lái)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。
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*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(kāi)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(chēng),電纜引入裝置音譯成格蘭較好。在工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)在已建的裝置中經(jīng)常見(jiàn)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(guò)接頭及穿線管向外泄放,泄放過(guò)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(jiàn),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(guò)穿線管流入撓性管進(jìn)入儀表。雨水通過(guò)撓性管進(jìn)入裝置儀表,造成停車(chē),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。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(hù)*終使用時(shí)存在一些問(wèn)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(guò)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**的問(wèn)題。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(wú)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**,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(wú)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(méi)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。
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(guò)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(guò)加入適當(dāng)?shù)奶盍霞案倪M(jìn)結(jié)構(gòu)來(lái)克服。所以工程中也是用改變電纜引入裝置 的結(jié)構(gòu)來(lái)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(lái)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。1) 在施工安裝過(guò)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(guò)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(lái)達(dá)到鎧裝層壓緊及電纜內(nèi)護(hù)套的密封,無(wú)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(kāi),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(wú)法控制,會(huì)在**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(méi)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。 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(guò)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。
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*小、*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(guò)100 ℃以上。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(lèi)電氣設(shè)備用鎧裝電纜,80倍電纜直徑;對(duì)于Ⅱ類(lèi)或Ⅲ類(lèi)電氣設(shè)備用鎧裝電纜,20倍電纜直徑。不同類(lèi)型的單向壓鎧裝置分別匹配不同類(lèi)型的電纜,安裝簡(jiǎn)便的同時(shí)****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(gòu)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。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(kāi)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(lái)技術(shù)發(fā)展的方向。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*終用戶(hù)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(guò)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**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)。