王鶴荀，紀玉龍，李 根，孫玉清

（大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連116026）

船用電纜剩余壽命快速檢測方法研究

王鶴荀，紀玉龍，李 根，孫玉清

（大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連116026）

為快速檢測船用電纜的剩余使用壽命，嘗試應用硬度這一可以快速檢測的特征量來建立一種船舶電纜絕緣老化壽命快速檢測方法。對船用丁苯橡膠電纜開展了加速老化實驗，并對老化后的試樣進行了硬度測試，并對所得數(shù)據(jù)進行處理，提出基于硬度的船用電纜剩余壽命快速檢測方法，最后通過標準的基于斷裂伸長保留率的壽命檢測方法對所提出的快速檢測方法進行檢驗。結果表明，2種方法具有高度的一致性，從而為船用電纜剩余壽命快速評估提供一種新的思路。

船用電纜；硬度；剩余壽命；快速檢測

隨著現(xiàn)代船舶自動化水平的提高以及電力推進船舶的推廣應用，電纜作為船舶電氣系統(tǒng)的動脈，其絕緣性能的好壞與可靠性將直接關系到船上人員和設備的安全［1］。在橡膠加速老化試驗方法研究方面，先后出現(xiàn)了烘箱加速老化、氧彈加速老化、人工氣候加速老化、濕熱老化、臭氧加速老化、煙霧腐蝕等試驗。烘箱加速老化與實際自然老化最接近，因此橡膠加速老化研究多以提高溫度的烘箱加速老化方法為主［2-5］。

陳向榮等通過測定電纜電樹枝生長和電纜局部放電特性來判斷交聯(lián)聚乙烯電纜的使用壽命［6］；趙疆皞等利用熱分析技術，對電纜絕緣材料的熱老化壽命進行了研究，得到了電纜絕緣材料的熱老化壽命的計算公式［7］；Y.T.Hsu等建立了乙烯丙烯橡膠斷裂伸長率與擊穿電壓之間的關系，結果顯示在加濕環(huán)境下利用擊穿電壓可以很好地評定老化壽命，在高溫條件下斷裂伸長率可以較好地評定老化壽命［8］；Mott P等對天然橡膠進行加速老化，結果顯示老化溫度對老化速率的影響遵循Arrhenius定理，斷裂伸長率可以很好地評定橡膠老化程度［9］；關于預測電纜壽命的數(shù)學模型，國內(nèi)外學者也做了廣泛的研究［10-12］。

前期工作［13-14］已經(jīng)通過理論分析證明，船用丁苯橡膠電纜絕緣層在經(jīng)過老化后其硬度逐漸增大的變化規(guī)律，本文將嘗試應用硬度這一可以快速檢測的特征參量對船用電纜的剩余壽命進行快速評估，提出具體的基于硬度的船用電纜絕緣壽命快速檢測方法以及相關失效檢驗標準。

1 加速老化實驗及硬度檢測

本實驗采用早期以及現(xiàn)代船舶上廣泛使用的丁苯橡膠電纜為研究對象，眾多老舊船舶急需對其剩余使用壽命進行評估。依據(jù)美國火力電站電纜試驗規(guī)范，135℃為電纜老化試驗必選試驗溫度點，另外，參考IEEE 383和IEC 60216，將電纜老化壽命評定試驗溫度級差取15℃。依據(jù)上述分析，本文選取180、165、150、135℃ 4個溫度下進行快速老化實驗，各溫度下取樣周期如表1所示。

在進行老化實驗前，先將足夠的老化試樣放置于老化實驗箱中，老化溫度以及取樣時間嚴格按照表1進行。在進行加濕實驗時，通過噴嘴將水霧化后直接噴入老化箱中，加濕速度以海平面年蒸發(fā)量2 m計算。加速老化后的試樣要在室溫下放置至少16 h才能進行測試。測試所采用的是邵氏硬度，邵氏硬度是根據(jù)規(guī)定形狀的壓針在標準彈簧壓力作用下于規(guī)定時間內(nèi)壓入試樣的深度轉換成的硬度值，范圍為0～100°。測試所得硬度原始數(shù)據(jù)見表2所示，為提高準確性，在對數(shù)據(jù)進行處理時，要對每組數(shù)據(jù)取均值處理。

表1 老化試驗溫度及取樣周期Table 1 Temperatures and sampling periods

表2 硬度實驗數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of hardness test

2 數(shù)據(jù)處理

為了應用“GB／T 11026.3-2006第3部分：計算耐熱特征參數(shù)的規(guī)程中對破壞性試驗數(shù)據(jù)的計算程序［15］”對測試結果進行處理，定義了剩余硬度以及剩余硬度保留率概念，所謂剩余硬度是指硬度的剩余量，即100度減去當前樣品的硬度；剩余硬度保留率是指老化后樣品的剩余硬度與未老化試樣的初始剩余硬度的比值，以百分數(shù)表示：

式中：F為剩余硬度保留率，F(xiàn)0為試樣初始剩余硬度，H0為試樣的初始硬度，F(xiàn)′為老化試樣的剩余硬度，H′為老化試樣的硬度。

其中H0和H′由邵氏硬度計直接測得，根據(jù)所測得的H0和H′可直接得到F0和F′，代入式（1）得出對應樣品的剩余硬度保留率。根據(jù)表2、3所得到的實驗結果分別計算出在加濕和不加濕2種情況下試樣的剩余硬度保留率，如表3、4所示。表中，t為老化時間，F(xiàn)為剩余硬度保留率。

表3 剩余硬度保留率實驗數(shù)據(jù)（不加濕）Table 3 The experimental data of residual hardness retention ratio test（without humidity）

表4 剩余硬度保留率實驗數(shù)據(jù)（加濕）Table 4 The experimental data of residual hardness retention ratio test（with humidity）

參照GB／T 11026.3－2006第3部分的計算程序對所得試驗數(shù)據(jù)進行計算。并選擇剩余硬度保留率為35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%作為電纜絕緣終點水平（或，失效終點）pe（F），計算出這8個終點水平下電纜絕緣的耐熱圖，如圖1所示。

表5 不同溫度和不同終點水平下船用丁苯橡膠電纜老化壽命（不加濕）Table 5 The aging lifetime of SBR ship cable insulation under differenttemperaturesand end levels（without humidity）

根據(jù)Arrhenius提出的電纜絕緣的老化壽命的對數(shù)與熱力學溫度的倒數(shù)成線性關系這一基本原理，對圖1中各直線方程進行外推可求出電纜絕緣在65～95℃范圍內(nèi)每間隔5℃的老化壽命，見表5、表6所示。

表6 不同溫度和不同終點水平下船用丁苯橡膠電纜老化壽命（加濕）Table 6 The aging lifetime of SBR ship cable insulation under differenttemperaturesand end levels（with humidity）

根據(jù)表5、6，以不同的終點水平為橫坐標，以電纜在不同終點水平下的老化壽命為縱坐標，按照3次多項式進行擬合，得出電纜在各使用溫度下老化時間隨剩余硬度保留率變化曲線，如圖2所示，通過這些曲線可以看出，數(shù)據(jù)點與擬合的曲線之間有良好的一致性。具體電纜絕緣老化時間與其剩余硬度保留率之間的映射關系如表7所示。

表7 不同條件下電纜絕緣的t-F映射關系Table 7 The t-F curve of cable insulation under different conditions

圖2 不同老化溫度下t-F曲線Fig.2 Curves of t-F at difference temperatures

3 剩余壽命快速檢測方法

在對船用丁苯橡膠電纜進行快速評估時，只需用硬度計測量電纜的絕緣層硬度（至少測5處），取其平均值后計算出剩余硬度保留率F。根據(jù)電纜的具體使用條件從表7中選取合適模型，計算出已老化時間，再選取適當?shù)慕K點水平pe（F）從表5或6中查出相應條件下新電纜的使用壽命，這樣便可快速計算出該電纜的剩余使用壽命。具體終點水平即失效標準pe（F）的選取見后文的檢驗與分析。下面通過一個例子來說明如何進行快速檢測。

若某船上丁苯橡膠電纜經(jīng)過硬度測試并計算得出其絕緣層的剩余硬度保留率F＝68%，船用丁苯橡膠電纜實際工作溫度約為75℃，且受濕度影響較大，因此，選擇表7中75℃（加濕）條件下的壽命預測模型：

將F＝68%代入式（4）可得電纜從裝船到現(xiàn)在所使用的年限t＝166 480.3 h＝19 a。查表6可知，按照pe（F）＝45%為壽命終點時，75℃（加濕）條件下船用丁苯橡膠電纜的使用壽命為26.72年，則該電纜的剩余使用壽命為26.72－19＝7.72年?？梢?，針對不同型號電纜一旦老化模型（如表5～7所示）建立完畢，就可非常方便地對其開展快速檢測，而無需再開展采樣、快速老化以及拉伸測試等復雜而耗時的測試工作。

4 檢驗與分析

如前文所述，基于斷裂伸長保留率（用K來表示）的電纜絕緣壽命分析已被廣泛接受，并形成國際以及國內(nèi)標準（IEC 60216、GB／T 11026），本文應用該方法對文中所測試樣進行壽命分析，進而對文中所提出的基于硬度的快速方法進行檢驗。

關于應用斷裂伸長保留率進行壽命預測的工作已經(jīng)在課題組發(fā)表的文獻［8］中完成，本文根據(jù)研究需要對處理過程進行了重新計算，增加終點水平pe（K）的取值數(shù)量，在此不再贅述其具體過程，這里僅將2種預測方法得出的結果進行對比，如圖3表示。不難看出在采用剩余硬度保留率與斷裂伸長保留率進行壽命檢驗時，變化趨勢是一致的。在壽命終點的取值上，當pe（F）＝pe（K）－5%時，通過斷裂伸長保留率K和剩余硬度保留率F預測的值具有高度的一致性。

圖3 利用K和F預測電纜壽命比較Fig.3 Life prediction comparison

圖4 利用K和F預測電纜壽命差值Fig.4 Life prediction difference between K and F

為進一步進行對比，將壽命終點取 pe（F）＝pe（K）－5%時的結果與取對應Pe（K）時的結果做差，結果如圖4所示，最大差值不超過5年，差值主要集中在3年左右?？梢?，當采用剩余硬度保留率作為檢驗電纜壽命的性能指標時，分別取pe（F）＝35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%和采用斷裂伸長率保留率作為壽命終點的指標pe（K）＝40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%的壽命檢測結果相差無幾，這證明了利用剩余硬度保留率預測船用丁苯橡膠電纜剩余壽命的可行性，同時也說明在采用剩余硬度保留率進行檢測時壽命終點pe（F）的選取應與在采用斷裂伸長保留率進行檢測時壽命終點pe（K）＝pe（F）＋5%的選取相對應。

5 結論

本文以丁苯橡膠電纜為研究對象，嘗試應用硬度這一可以快速檢測的特征量來建立一種船舶電纜絕緣老化壽命快速檢測方法。通過上述工作可以得出如下幾點結論：

1）基于剩余硬度保留率的丁苯橡膠電纜絕緣壽命檢測結果與已認可并形成標準的基于斷裂伸長保留率的測試結果變化趨勢完全一致，預測結果基本在±3年內(nèi)變化，說明基于剩余硬度保留率的船舶電纜絕緣壽命快速檢測方法是可行、有效的；

2）實驗結果表明當以斷裂伸長保留K＝50%為壽命終點（標準中建議使用該值作為失效標準）時的測試結果與以剩余硬度保留率F＝45%時的檢測結果一致，因此建議在應用剩余硬度保留率對船用丁苯橡膠電纜絕緣熱老化壽命進行檢測時，以F＝45%作為其失效標準；

3）文中所提出的電纜剩余壽命快速檢測方法為電纜剩余壽命快速評估和真正實現(xiàn)快速檢測提供一種新的思路。

［1］陳勝.船舶電氣火災分析及預防［J］.武漢船舶職業(yè)技術學院學報，2010，2：28-29.

CHEN Sheng.Analysis and prevention of marine electrical fire［J］.Journal of Wuhan Institute of Shipbuilding Technology，2010，2：28-29.

［2］張錄平，李暉，劉亞平.橡膠材料老化試驗的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.彈性體，2009，19（4）：60-63.

ZHANG Luping，LI Hui，LIU Yaping.Research status and development trend on aging test of rubber materials［J］.China Elastomerics，2009，19（4）：60-63.

［3］肖鑫，趙云峰，許文，等.橡膠材料加速老化實驗及壽命評估模型的研究進展［J］.宇航材料工藝，2007，1：6-10.

XIAO Xin，ZHAO Yunfeng，XU Wen，et al.Research progress on accelerated aging and life prediction model for rubber material［J］.Aerospace Materials＆Technology，2007，1：6-10.

［4］姚志.船用電纜絕緣老化的研究［D］.大連：大連理工大學，2007：36-40.

YAO Zhi.Research on aging life of shipboard cable［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2007：36-40.

［5］劉蓋世.船用CXF型號電纜的絕緣老化實驗以及壽命分析［D］.大連：大連海事大學，2011：23-43.

LIU Gaishi.Accelerated aging experiment and lifetime analysis of insulation for CXF type cable on vessels［D］.Dalian：Dalian Maritime University，2011：23-43.

［6］陳向榮，徐陽，王猛，等.高溫下110 kV交聯(lián)聚乙烯電纜電樹枝生長及局部放電特性［J］.高電壓技術，2012，38（3）：645-654.

CHEN Xiangrong，XU Yang，WANG Meng，et al.Propagation and partial discharge characteristics of electrical trees in 110 kV XLPE cable insulation at high temperature［J］.High Voltage Engineering，2012，38（3）：645-654.

［7］趙疆皞，孫慧琴，冉海潮，等.電纜熱老化壽命的預測［J］.河北電力技術，2007，26（3）：3-4，7.

ZHAO Jianghao，SUN Huiqin，RAN Haichao，et al.Hot and aging life predication of cable［J］.Hebei Electric Power，2007，26（3）：3-4，7.

［8］HSU Y T，CHANG-LIAO K S，WANG T K，et al.Correlation between mechanical and electrical properties for assessing the degradation of ethylene propylene rubber cables used in nuclear power plants［J］.Polymer Degradation and Stability，2007，92（7）：1297-1303.

［9］MOTT P，ROLAND C.Aging of natural rubber in air and seawater［J］.Rubber Chem Technol，2001，74（1）：79-88.

［10］ABHISHEK P，NICOLAS H Y.Use of Fourier transformation for detection of faults in underground power cables［J］.High Voltage Engineering，2011，37（11）：2686-2692.

［11］EKELUND M，F(xiàn)ANTONI P F，GEDDE U W S.Thermal ageing assessment of EPDM-chlorosulfonated polyethylene insulated cables using line resonance analysis（LIRA）［J］.Polymer Testing，2011，30（1）：86-93.

［12］DALAL S B，GORUR R S.Aging of distribution cables in service and its simulation in the laboratory［J］.IEEE Transactions on Dielectricsand ElectricalInsulation，2005，12（1）：139-146.

［13］王鶴荀，紀玉龍，李根，等.船用丁苯橡膠電纜絕緣層老化硬度分析［J］.上海海事大學學報，2013，34（4）：103-108.

WANG Hexun，JI Yulong，LI Gen，et al.Hardness analysis of insulating layer of styrene butadiene rubber cable for ships in insulation ageing process［J］.Journal of Shanghai Maritime University，2013，34（4）：103-108.

［14］王鶴荀，紀玉龍，李根，等.基于硬度對船用電纜絕緣性能的快速評估［J］.大連海事大學學報，2013，39（4）：47-49.

WANG Hexun，JI Yulong，LI Gen，et al.Rapid evaluation for insulating performance of marine cable based on its hardness［J］.Journal of Shanghai Maritime University，2013，39（4）：47-49.

［15］GB／T 11026.3.電氣絕緣材料耐熱性.第3部分：計算耐熱特征參數(shù)的規(guī)程［S］.（s.l.），2006.

Study on rapid detection method of marine cable residue lifetime

WANG Hexun，JI Yulong，LI Gen，SUN Yuqing
（Marine Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China）

In order to detect the residue lifetime of marine cable rapidly，a characteristic parameter of hardness which can be tested quickly is used to develop the rapid detection method.Accelerated aging experiment was conducted for styrene butadiene rubber（SBR）marine cable.After that hardness of the aged cable insulation layer samples was measured.Then，based on the related calculation methods stipulated in GB／T 11026.3-2006，the experimental data was analyzed.Further，a rapid detection method for detecting marine cable residue lifetime based on its hardness was proposed.The method was verified by the standard method which uses elongation at break as characteristic parameter.The results show that these two methods have high consistency.Thus，the proposed rapid detection method provides a new way for the rapid evaluation of marine cable residue lifetime.

marine cable；hardness；residue lifetime；rapid detection

10.3969／j.issn.1006-7043.201401057

TH132.32

A

1006-7043（2014）09-1076-07

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201401057.html

2014-01-20. 網(wǎng)絡出版時間：2014-08-26.

國家自然科學基金資助項目（50909010）.

王鶴荀（1967-），男，博士研究生；紀玉龍（1981-），男，副教授，博士；孫玉清（1963-），男，教授，博士生導師.

紀玉龍，E-mail：jiyulongcn＠163.com.