Автор: Бельский А.О., начальник отдела АО «51-й ЦКТИС»
В статье, опубликованной в Морской вестник №3, в сентябре 2014 года, мы познакомили читателей журнала с диагностикой кабельных изделий с резиновой изоляцией для определения возможности их дальнейшей эксплуатации. На кораблях иностранной постройки, находящихся в составе ВМФ РФ основной объем кабельных изделий - это кабели с ПВХ изоляцией. Их доля в общем объеме кабелей может достигать 90%. Освидетельствование кабелей с ПВХ и пластиковой изоляцией проводилось с помощью методов дифференциальной сканирующей микрокалометрии и инфракрасной спектроскопии в лабораторных условиях. Образцы для исследования отбирались на корабле параллельно с выполнением работ по диагностике кабельных изделий с помощью кабельного индентора.
1. Определение состояния кабельных изоляционных материалов методом инфракрасной спектроскопии.
Измерения спектральных характеристик оболочек кабелей производились И К Фурье спектрометром "Avatar-360 FT-IR" на микрообразцах, срезанных с оболочки/изоляции представительных кабелей из эксплуатации (на корабле).
Для съёмки спектра использовались микросрезы с линейными размерами 0,5 - 2 мм и толщиной более 20 мкм. Данный метод позволяет осуществлять контроль состояния, практически не разрушая кабель. Принцип получения ИК спектра на отражение состоит в том, что И К луч, отражаясь от поверхности образца, частично поглощается в нём.
Одним из показателей старения ПВХ пластиката является концентрация пластификатора в нем. Количественный анализ ИК спектров микрообразцов с оболочки и изоляции кабелей, изготовленных на основе ПВХ, позволяет определить концентрацию пластификатора в них.
Рисунок 1. Инфракрасный спектр оболочечного ПВХ пластиката марки НГП40-32
Тепловое старение ПВХ пластиката в условиях эксплуатации на корабле определяется десорбцией пластификатора (уменьшение концентрации пластификатора в поверхностном слое изолятора по сравнению с первоначальным значением). Распространенные в России пластификаторы представляют собой сложные эфиры карбоновых кислот, что дает возможность по оптической плотности пика на длине волны 1720 см"1, т.е. по интенсивности полосы валентных колебаний карбонила (рисунок 2).
Либо по интенсивности полосы первого его обертона 3450 см'1 определять концентрацию пластиф икатора в образце. Корреляционная зависимость (теория и экспериментальные точки) между оптической плотностью пика 1720 см'1 и концентрацией пластификатора представлена на рисунке 3 (пунктирные линии обозначают коридоры для ошибок).
Существует граничное значение интегрального поглощения, превышение которого означает недопустимую степень деструкции полимерных цепей. Наличие подобной границы позволяет также контролировать степень старения ПВХ материалов по деструкции полимерных цепей. Кроме этого показателя степень деструкции полимерных цепей можно контролировать, как видно из рисунка 3, по полосе поглощения 1650 см'1, соответствующей двойной (сопряженной) углеродной связи С=С.
Рисунок 3. Корреляционная зависимость между оптической плотностью пика 1720 см' и концентрацией пластификатора
Таким образом, использование ИК спектроскопии позволяет эффективно контролировать два основных процесса старения ПВХ пластиката: десорбцию пластификатора и деструкцию полимерных цепей.
Критическое значение концентрации пластификатора в ПВХ образцах составляет 13%, а интенсивности сопряженных связей - 0,08. Начальное значение концентрации пластификатора в оболочках промышленных кабелей составляет 2442% в зависимости от марки и рецептуры пластиката, а интенсивности сопряженных связей -0,005.
2. Определение состояния полиэтиленовых изоляционных материалов методом дифференциальной сканирующей микрокалометрии.
Для определения показателей старения использовали метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Определяли температуру начала окисления (ТНО) при нагреве микрообразца изоляции в ячейке прибора ДСК.
Для измерения ТНО использовали дифференциальный сканирующий калориметр LABSYS, фирмы Сетарам, Франция. При измерении ТНО микро образец полимера весом несколько миллиграмм помещают в ячейку прибора и нагревают при постоянной температуре в атмосфере кислорода до техпор, пока антиоксидант полностью не используется. Этот момент хорошо регистрируется по пику, который соответствует экзотермической реакции (рисунок 4). Погрешность измерения ТНО не превышает +- 1°С.
Рисунок 4. Термограмма ДСК при определении температуры начала окисления
Для оценки остаточного срока службы при многофакторном старении по ТНО, используют формул:
ЛеТ'
где: тд - срок службы кабеля на момент диагностирования;
ТНО(д), ТНО(кр) и ТНО(ис) - диагностируемая, критическая (предельная) и исходная (для несостаренного образца) температуры начала окисления для данного изоляционного полимера.
ТНО(кр) и ТНО(ис) измеряются заранее в лаборатории для каждой марки изоляционного полимера. Как правило, скорость подъема температуры в ячейке ДСК составляет 10 град/мин при определении ТНО.
Эти методы исследования явились основными для принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации кабельных изделий на корабле. Они не являются новыми, они давно известны, но в судоремонте были применены впервые.
С 2009 года по настоящее время под наблюдением ОАО «51 ЦКТИС» было проведено еще несколько освидетельствований кабельных изделий на кораблях и судах ВМФ, обобщив результаты которых можно сделать выводы:
1. Использование методов неразрушающего контроля с прогнозом технического состояния кабелей, условий, при которых возможна их дальнейшая эксплуатация, позволяет значительно снизить трудоемкость и стоимость работ. Так для боевых кораблей 1 ранга экономический эффект, выраженный в стоимости работ, составил 200-250%, то есть стоимость работ по дефектации и ремонту кабельных изделий на корабле была снижена в 2-2,5 раза. На этот же порядок уменьшилась трудоемкость, следовательно, и время выполнения работ.
2. Кабели всех типов, изготавливаемые в соответствии с требованиями ГОСТ 7866.1-76 - ГОСТ 7866.1-76. Кабели судовые, способны находиться в эксплуатации до 30 лет, что соответствует современным требованиям, предъявляемым для кораблей ВМФ России. Исключение составляют кабели с резиновой, ПВХ и пластиковой изоляцией сечением менее 15 мм. Опыт эксплуатации показал, что изоляция кабелей небольшого сечения наиболее подвержена старению. В больше степени это характерно для кабелей использующихся в сетях освещения, электрических сетях бытового назначения и кабельных сетей, проходящих по верхней палубе.
3. Увеличение сроков службы боевых кораблей до 50 лет - это тенденция военного кораблестроения. Такие же требования выдвигаются и для составных частей и комплектующих корабль изделий. И если корабельное вооружение, будет проходить одну или две модернизации, то магистральные кабели основной силовой сети должны обеспечить весь срок службы корабля. Это предъявляет новые требования к изоляционным материалам и к методам их диагностики в процессе эксплуатации.