Васильев Роман Евгеньевич. Исследование и усовершенствование технологии производства пожаробезопасных термоусаживаемых изделий

Краткое описание

Васильев Роман Евгеньевич. Исследование и усовершенствование технологии производства пожаробезопасных термоусаживаемых изделий: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.09.02 / Васильев Роман Евгеньевич;[Место защиты: ОАО Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности], 2017

Содержание к диссертации

Введение
Глава 1.Анализ существующей технологии производства термоусаживаемых изделий и их характеристик10
1.1. Анализ существующих разработок и пути совершенствования технологии производства термоусаживаемых кабельных изделий 10
1.1.1. Современные термоусаживаемые изделия: свойства и технология 12
1.1.2. Анализ применяемых материалов при изготовлении термоусаживаемых кабельных изделий 16
1.1.3. Влияние технологии изготовления и сравнительные характеристики термоусаживаемых кабельных изделий 22
1.2. Требования к термоусаживаемым кабельным изделиям, в том числе к кабельной арматуре 30
1.2.1. Физико-механические и термодинамические требования к термоусаживаемым кабельным изделиям и пути их реализации 30
1.2.2. Вопросы пожаробезопасности термоусаживаемых кабельных изделий, используемых в составе кабельной арматуры 35
Глава 2.Исследование материала для термоусаживаемых кабельных изделий с повышенными характеристиками и моделирование степенипожаробезопасности43
2.1. Исследования и методы оценки пожаробезопасности термоусаживаемых кабельных изделий 43
2.2. Особенности старения термоусаживаемых изделий с повышенной степенью пожаробезопасности 48
2.3. Физико-техническое моделирование с целью разработки материалов с повышенной степенью пожаробезопасности для термоусаживаемых кабельных изделий
2.4. Разработка рецептур новых материалов и исследование их свойств 60
Глава 3.Технология изготовления термоусаживаемых изделий и ее особенности63
3.1. Экструзия термоусаживаемых кабельных изделий и усовершенствование переработки наполненных материалов 63
3.2. Исследование и определение дозы облучения и радиационной стойкости разработанных высоконаполненных материалов 74
3.3. Системы прогрева заготовки в линиях ориентирования 90
3.4. Разработка технологии ориентирования при производстве пожаробезопасных термоусаживаемых кабельных изделий и конструирование оснастки и технологического оборудования
3.4.1. Разработка конструкции установки ориентирования (раздува) 97
3.4.2. Вакуумные калибры (зона ориентирования) 100
3.4.3. Дополнительные устройства обеспечивающие реализацию технологии производства термоусаживаемых кабельных изделий 103
Глава 4.Внедрение новых пожаробезопасных изделий в состав кабельной арматуры106
4.1. Применение пожаробезопасных термоусаживаемых изделий из высоконаполненных материалов в составе кабельных муфт 106
4.2. Реализация результатов работы. Оценка повышения надежности кабельных линий с использованием пожаробезопасной арматуры 114
Заключение 117
Список литературы

Влияние технологии изготовления и сравнительные характеристики термоусаживаемых кабельных изделий
Особенности старения термоусаживаемых изделий с повышенной степенью пожаробезопасности
Исследование и определение дозы облучения и радиационной стойкости разработанных высоконаполненных материалов
Реализация результатов работы. Оценка повышения надежности кабельных линий с использованием пожаробезопасной арматуры

Введение к работе

Актуальность темы.В связи с плотностью прокладки кабельных трасс и повышенными требованиями к пожаробезопасности объектов электроснабжения все используемые кабели изготавливаются с учетом современных норм нераспространения горения и пониженного газодымовыделения. Сложилась парадоксальная ситуация, когда в кабельных линиях пожаробезопасные кабели сочетались с арматурой, выполненной на базе стандартных горючих термоуса-живаемых изделий.
Повышенные требования к пожаробезопасности кабельных линий обуславливают необходимость создания кабельной арматуры, соответствующей требованиям пожарной безопасности, предъявляемым к самим кабелям.
До настоящего времени в РФ работа по созданию пожаробезопасной кабельной арматуры не производилась. При этом важнейшее место занимает технология производства пожаробезопасных термоусаживаемых изделий, являющихся основными элементами кабельной арматуры.
В этой связи производство концевых и соединительных кабельных муфт с использованием пожаробезопасных термоусаживаемых изделий, не распространяющих горение с пониженным газодымовыделением является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является:
создание пожаробезопасных термоусаживаемых кабельных изделий и кабельной арматуры повышенной пожаробезопасности, не содержащей галогенов с низким газодымовыделением, на их основе.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиезадачи:
проанализировать существующие технологии изготовления термоусажи-ваемых кабельных изделий, оценить трудности при работе с высокона-полненными полимерами и выбрать направления модернизации оборудования для достижения возможности выпуска термоусаживаемых изделий из высоконаполненных пожаробезопасных композиций;
провести анализ методов оценки пожаробезопасности материалов и разработать перечень критериев и методов для определения степени пожа-робезопасности электроизоляционной композиции для термоусаживае-мых кабельных изделий;
исследовать свойства используемых для композиций повышенной пожа-робезопасности антипиренов; выбрать оптимальные рецептуры электроизоляционной композиции для термоусаживаемых кабельных изделий, используя физико-техническое моделирование;
изучить влияние ионизирующего облучения при производстве пожаробезопасных высоконаполненных термоусаживаемых кабельных изделий и определить оптимальную дозу облучения;
провести анализ оборудования, используемого при производстве высоко-наполненных термоусаживаемых изделий, с целью модернизации ответственных узлов и агрегатов для выпуска термоусаживаемых кабельных изделий из высоконаполненных пожаробезопасных композиций; - сконструировать кабельную арматуру с использованием пожаробезопасных термоусаживаемых кабельных изделий;
Научная новизнасостоит в следующем:
1. Проведена оптимизация технологии радиационного облучения высоко-наполненных термоусаживаемых изделий на основе анализа, учитывающего влияние степени наполнения материала на технологические режимы радиационного облучения.
2. Выполнен тепловой расчет нагрева массы заготовки термоусаживае-мых изделий и проанализировано распределение температуры при использовании технологии раздува. Проведена оптимизация технологических параметров процесса.
3. Определены основные факторы, влияющие на технологию производства термоусаживаемых изделий из высоконаполненных материалов на всех технологических переделах и позволившие усовершенствовать эту технологию.
4. Разработаны критерии определения степени пожаробезопасности специальных композиций для термоусаживаемых кабельных изделий.
5. Сконструирована кабельная арматура повышенной пожаробезопасно-сти, не содержащая галогенов с низким газодымовыделением на базе разработанных термоусаживаемых изделий.
Практическая значимость работы. Разработаны новые узлы и механизмы технологического оборудования для переработки высоконаполненных материалов для термоусаживаемых изделий.
Разработаны и внедрены новые конструкции пожаробезопасных концевых и соединительных муфт для силовых и контрольных кабелей напряжением до 1 кВ и 6 кВ, используемых на АЭС.
Модернизация оборудования для ионизационной модификации полимеров и для раздува термоусаживаемых трубок позволила перерабатывать заготовки термоусаживаемых изделий всех типов, увеличить скорость на 40% без дополнительных энергозатрат, повысить качество изготавливаемых кабельных изделий.
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов.
Методы исследования.Для решения поставленных в работе задач использовались: основы радиационной технологии, методы теории термодинамики, методы компьютерного моделирования течения расплава (SolidWors/MoldFlow), методы линейной аппроксимации полученных экспериментально нелинейных характеристик.
Реализация и внедрение результатов работы.Результаты диссертационной работы реализованы в виде конструкций концевых муфт ПКВК и ПКВ для атомных станций по ТУ 16.К71-418-2010, согласованным с АО «Атомэнер-гопроект» и ОАО Нижегородская инжиниринговая компания «Атомэнергопро-ект» (АО «НИАЭП»). Получен патент на полезную модель.
Освоено промышленное производство комплектов концевых муфт для контрольных и силовых кабелей, и в настоящее время более 50000 таких муфт эксплуатируется на атомных станция России и за рубежом. В дальнейшем такую арматуру планируется использовать на объектах метрополитена, нефтегазового комплекса и объектах с массовым пребыванием людей.
Основные положения, представляемые к защите:
6. Результаты анализа и физико-технического моделирования зависимости концентрации наполнителя-антипирена на кислородный индекс (КИ) и физико-механические свойства материала для производства пожаробезопасных термоусаживаемых кабельных изделий;
7. Аналитическое обоснование и практическое подтверждение расчета дозы ионизационного облучения для высоконаполненных термоусаживаемых кабельных изделий;
8. Расчет распределения тепла при прогреве заготовки термоусаживаемых кабельных изделий для оптимального подбора технологического режима ориентирования (раздува);
9. Компьютерное моделирование течения массы в каналах угловой экс-трузионной головки для расчета и конструирования оптимального профиля рассекателя и инструмента.
5. Конструкция концевой арматуры для силовых и контрольных кабелей используемых на АЭС с применением пожаробезопасных безгалогенных тер-моусаживаемых кабельных изделий.
Достоверность.Проведена проверка физико-технической модели выбора рецептуры пожаробезопасного материала для термоусаживаемых изделий путем сравнения результатов моделирования с данными измерений, полученными при проведении испытаний композиции (определение Кислородного индекса (КИ), относительного удлинения до разрыва). Модель удовлeтворительно согласуется с экспeримeнтальными данными.
Достоверность расчета оптимальной скорости движения заготовки тер-моусаживаемой трубки в установках прогрева при ориентировании подтверждена экспериментально при производстве. Полученные данные легли в основу технологических режимов.
Результаты испытаний разработанных конструкций арматуры для силовых и контрольных кабелей с применением пожаробезопасных термоусаживае-мых изделий подтверждают достоверность комплекса исследований проведенных в работе.
Личный вклад автора.Научные результаты и практические данные, представленные в диссертационной работе, получены соискателем самостоятельно и в коллективе под руководством автора при его непосредственном участии. Также автор участвовал в проектировании, расчете и изготовлении всех модернизированных узлов, упомянутых в данной работе.
Апробация работы.Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:
на конференции в рамках международной выставки на ВДНХ «CityBild 2009» «Пожаробезопасная арматура для кабелей на АЭС».
на научно-техническом семинаре международной ассоциации «Электрокабель», 2009 г.
на научном семинаре кафедр «Электроэнергетика транспорта» и «Электропоезда и локомотивы», РУТ (МИИТ), 2016 г.
Публикации.По теме диссертации опубликовано и представлено: в изданиях по перечню ВАК РФ 2 работы; получено 3 патента на полезную модель.
Структура и объём диссертации.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, содержащих исследование и результаты работы, за-
ключения и списка литературы из 80 наименований. Материал изложен на 116 страницах текста, иллюстрирован 44 рисунками и включает 20 таблиц.

Влияние технологии изготовления и сравнительные характеристики термоусаживаемых кабельных изделий

В производстве кабелей с пластмассовой изоляцией используются различные полимерные материалы, свойства которых постоянно улучшаются в зависимости от новых требований со стороны потребителей кабельных изделий. Многие из серийных базовых композиций успешно использовались для производства термоусаживаемых кабельных изделий. Для повышения физико-механических свойств создавались композиции с использованием сополимеров этилена с винилацетатом (в отечественной практике Сэвилена [24]). С развитием научно-технического прогресса и роста требований к термоусаживаемым кабельным изделиям в различных областях применения производители стали создавать специальные композиции на базе полиолефинов с большим количеством наполнителей в зависимости от требуемых характеристик. Одновременно были разработаны технологии производства термоусаживаемых изделий на основе фторполимеров с повышенными температурными эксплуатационными характеристиками.
К концу 20-го века стала актуальной проблема обеспечения пожаробезопасности объектов. В связи с этим появилась целая линейка кабелей, не распространяющих горение, и вслед за ней - термоусаживаемая кабельная арматура с аналогичными характеристиками. Разработаны самозатухающие композиции для производства термоусаживаемых кабельных изделий на основе полиэтилена низкого давления [25] или поливинилхлорида, удовлетворяющие требованиям стандарта [26] к проверке нераспространения горения кабельных изделий (стандарт допускает горение кабельной изоляции в течении 30 с после воздействия на нее пламени извне). Однако на начальном этапе не были регламентированы требования по газодымовыделению, выделению галогенов в процессе горения и тления и особенно по выделению токсичных веществ. Развитие атомной энергетики стимулировало создание новых материалов для термоусаживаемой кабельной арматуры, отвечающей требованиям эксплуатации в гермозоне атомных электростанций. Были разработаны радиационносшиваемые композиции полиэтилена с достаточными физико-механическими и электрическими свойствами, пониженной горючести, работоспособные при повышенных температурах и давлении [27]. Новые свойства композиций приобретаются за счет наполнения матрицы полимера различными добавками, что в свою очередь влияет на последующие процессы производства термоусаживаемых изделий (облучения и ориентации).
Радиационно-химические процессы в наполненных полиолефинах отличаются от таких же процессов в базовых полимерах. При этом роль наполнителей в процессе радиационного модифицирования структуры и свойств композиционных материалов на основе полиолефинов весьма многогранна [28; 29; 30; 31; 32].
Следует отметить двойственную функцию наполнителей при радиационном модифицировании кристаллизующихся полимеров. Во-первых, в зависимости от природы и концентрации наполнителей можно изменить молекулярную и надмолекулярную структуру полиолефинов до облучения таким образом, что последующий процесс радиационного модифицирования протекает с различной эффективностью и направленностью. Во-вторых, наполнитель непосредственно участвует в процессе радиационного модифицирования полимеров.
Таким образом, наполнители могут оказывать как ингибирующее, так и сенсибилизирующее действие на изменение кристаллической структуры полимера под облучением. Это происходит потому, что в таких системах в широком диапазоне изменяется соотношение между межмолекулярными и внутримолекулярными сшивками, степень дефектности кристаллической структуры и физико-механические характеристики. Поэтому принципиально возможно получать полимерные материалы с определенными свойствами, используя оптимальное сочетание поглощенных доз с концентрацией наполнителя.
Увеличение применения пожаробезопасных материалов и кабельных изделий во всех отраслях промышленности стало возможным с использованием антипиренов различных типов. Различные антипирены в виде добавок в композициях обусловливают различные характеристики готового изделия помимо пожаробезопасных свойств. Существует несколько типов антипиренов, из которых наиболее распространены галогенсодержащие, фосфоросодержащие и гидроксиды металлов.