Знание отрасли

Химический состав безгалогенной огнестойкости и почему загрузка наполнителя является критическим параметром конструкции

Обычные огнестойкие кабели из ПВХ достигают огнестойкости за счет выделения газообразного хлористого водорода во время горения, который прерывает цепные химические реакции, поддерживающие пламя. Безгалогенные соединения не могут использовать этот механизм и вместо этого полагаются на эндотермическое разложение наполнителей из гидроксидов металлов — чаще всего тригидрата алюминия (ATH, Al(OH)₃) или гидроксида магния (MDH, Mg(OH)₂) — для подавления горения. При нагревании этих наполнителей до температуры разложения (180–200°С для АТН, 300–320°С для МДГ) они выделяют химически связанный водяной пар, поглощая тепло из зоны горения и разбавляя концентрацию паров кислорода и топлива в пламени. Твердый остаток — оксид алюминия или оксид магния — образует защитный слой угля, который изолирует основной материал от лучистого тепла и замедляет дальнейшее термическое разложение.

Основная проблема этого механизма огнестойкости заключается в том, что для достижения адекватных огнезащитных характеристик требуется чрезвычайно высокая загрузка наполнителя — обычно 50–65% по массе от общей рецептуры соединения. При таких уровнях нагрузки частицы гидроксида металла доминируют в механических свойствах соединения, значительно повышая жесткость и хрупкость по сравнению с ненаполненными базовыми полимерами на основе полиолефина. Компаунд HFFR с содержанием 60% ATH имеет удлинение при разрыве 150–200% по сравнению с 400–600% для ненаполненной полиолефиновой базовой смолы. Такое уменьшение удлинения напрямую влияет на характеристики кабеля при низких температурах и срок его службы при изгибе, поскольку изоляция может треснуть во время установки в холодных условиях или после длительного изгибания в эксплуатации. Обеспечение компромисса между механическими и противопожарными характеристиками является основной задачей при разработке кабельных смесей HFFR, и это объясняет, почему кабели HFFR от разных производителей значительно различаются по гибкости при низких температурах, даже если они соответствуют одному и тому же стандарту испытаний на огнестойкость.

MDH предпочтительнее ATH, когда кабель должен работать при температуре около 200°C или выше, поскольку ATH начинает выделять связанную воду при температурах, которые совпадают с нормальными рабочими температурами кабеля в условиях высокой нагрузки или высокой температуры окружающей среды, что вызывает преждевременное разложение наполнителя, которое со временем ухудшает состав соединения. Более высокая температура разложения MDH (300°C) обеспечивает более широкий запас по сравнению с рабочими температурами, но требует более высоких температур пламени для активации, а это означает, что соединения на основе MDH могут демонстрировать несколько более низкие характеристики при испытаниях пламенем низкой интенсивности, в то же время действуя эквивалентно или лучше при воздействии огня высокой интенсивности, что соответствует реальным сценариям пожара. Производители высококачественных кабелей управления HFFR выбирают тип наполнителя в зависимости от температурного класса кабеля, а не применяют один и тот же состав для всех номиналов.

Что на самом деле измеряют стандарты низкого задымления и как результаты испытательной камеры переводятся в реальные условия эвакуации

Низкая дымность кабелей HFFR количественно определяется стандартом IEC 61034, который измеряет минимальное пропускание света через дым, образующийся при горении образца кабеля в стандартизированной закрытой камере размерами 3 × 3 × 3 м. В ходе теста сжигается кабель указанной длины на решетке в полу камеры, при этом измеряется, сколько света от луча фотометра блокируется накопившимся дымом. Минимальный коэффициент пропускания 60 % является порогом соответствия — это означает, что не менее 60 % интенсивности луча фотометра достигает детектора через задымленную камеру. Кабели, которые выделяют густой непрозрачный дым, типичный для горящего ПВХ, обычно достигают коэффициента пропускания 5–20% по сравнению с 60–95% для хорошо спроектированных конструкций из HFFR.

Практическая значимость результатов этого испытания заключается в их связи с видимостью эвакуации. Исследования задымления и способности человека ориентироваться в задымленных помещениях установили, что дальность видимости в дыму пропорциональна коэффициенту гашения слоя дыма. Пропускание 60% в камере IEC 61034 (длина оптического пути 3 метра) соответствует коэффициенту ослабления примерно 0,17 м⁻¹. При таком коэффициенте ослабления жильцы здания могут видеть сквозь дым примерно на 10–15 метров, а светящиеся указатели выхода видны на уровне выходных дверей — этого достаточно, чтобы ориентироваться в большинстве коридоров здания к выходам. Дым от ПВХ-кабеля при коэффициенте пропускания 10% в той же камере дает коэффициент гашения выше 0,75 м⁻¹, снижая видимость до 2–4 метров и серьезно ухудшая навигацию при выходе даже для жителей здания, которые не выведены из строя из-за токсичности.

Важным ограничением испытания IEC 61034, которое должны понимать составители спецификаций, является то, что оно измеряет количество дыма в относительно небольшом образце кабеля под контролируемым источником воспламенения с низкой энергией. Реальные пожары в кабельных лотках в плотно заполненных установках создают гораздо больше дыма в единицу времени, чем в сценарии испытаний, и абсолютный объем дыма зависит от количества одновременно горящего кабеля. Вот почему результат IEC 61034 следует рассматривать наряду с характеристиками распространения пламени в соответствии с IEC 60332-3 (групповое испытание кабеля) — кабель, который производит мало дыма на единицу длины, но не способен самозатухнуть при групповом испытании кабеля, в конечном итоге будет генерировать больше общего дыма, чем кабель с немного более высоким дымлением, который быстро самозатухает и ограничивает количество кабеля, потребляемого огнем.

Сравнение характеристик управляющего кабеля HFFR со стандартным огнестойким ПВХ по ключевым параметрам

Выбор HFFR кабели управления Использование по сравнению со стандартным огнестойким ПВХ требует компромиссов по нескольким параметрам производительности. Решение должно основываться на том, какие параметры имеют решающее значение для конкретной среды установки, а не на общем предпочтении одной системы материалов перед другой.

Одним из параметров, не отраженным в таблице выше, является долгосрочное старение. Изоляция из ПВХ содержит пластификаторы — обычно эфиры фталевой кислоты или эфиры адипата — которые мигрируют из состава в течение десятилетий эксплуатации, в результате чего оболочка кабеля и изоляция становятся все более жесткими и хрупкими. Эта миграция пластификатора ускоряется при повышенных температурах и является необратимой; кабель из ПВХ, который является гибким при установке, может сильно охрупчиться после 20 лет пребывания в теплой панели управления. Компаунды HFFR на основе полиолефиновых смол не содержат пластификаторов и не подвергаются этому механизму старения, сохраняя свои механические свойства на протяжении всего срока службы. Для кабели управления в критической инфраструктуре с расчетным сроком службы 25–40 лет эта разница в старении является важным фактором в пользу конструкций HFFR даже в средах, где одни лишь требования к противопожарным характеристикам могут не требовать этого.

Целостность цепей под огнем: чем кабели HFFR с огнестойкостью отличаются от стандартных LSZH

Кабели с низким дымовыделением, без галогенов, и огнестойкие кабели решают разные задачи пожарной безопасности, и их технические характеристики часто путают. Стандартные кабели HFFR/LSZH ограничивают токсичность и непрозрачность продуктов сгорания, но они не гарантируют, что кабель будет продолжать передавать сигнал или мощность во время самого пожара — кабель в конечном итоге выйдет из строя из-за ухудшения изоляции. Огнестойкие кабели (испытаны в соответствии со стандартом IEC 60331) предназначены для поддержания целостности электрической цепи при определенных температурах в течение определенного времени, что позволяет системам, которые они обслуживают — аварийному освещению, пожарной сигнализации, вентиляторам дымоудаления, аварийному питанию — продолжать работать во время эвакуации из здания.

В соответствии со стандартом IEC 60331 готовые образцы кабеля подвергаются воздействию прямого пламени при температуре 750°C (IEC 60331-21 для проводов и небольших кабелей) или 830°C (IEC 60331-23 для кабелей большего поперечного сечения), в то время как кабель остается под номинальной электрической нагрузкой. Кабель должен сохранять непрерывность в течение всего испытания (обычно 90 или 180 минут) без перекрытия, короткого замыкания или разрыва цепи. Достижение таких характеристик требует принципиально иной системы изоляции по сравнению со стандартным HFFR: слой слюдяной ленты, обернутый вокруг каждого проводника или вокруг жилы кабеля, обеспечивает огнеупорный минеральный изоляционный барьер, который остается электрически неповрежденным при температурах пламени, при которых все органические полимерные материалы уже давно сгорели.

Сочетание огнестойкости и отсутствия галогенов, обозначенное в некоторых стандартах как HFFR CWZ (целостность цепи под огнем) или обозначенное EN 50200/EN 50362 в европейских железных дорогах и общественных зданиях, достигается путем наслоения целостности цепи из слюдяной ленты с внешней оболочкой из HFFR, которая ограничивает продукты сгорания. Такая конструкция является обязательной для кабелей аварийного управления в больницах, туннелях, высотных зданиях и морских платформах в соответствии с рядом национальных и международных норм пожарной безопасности. Слой слюдяной ленты увеличивает стоимость и увеличивает диаметр кабеля (обычно на 15–25 % больше внешнего диаметра, чем у эквивалентного стандартного кабеля HFFR), но это единственная конструкция, которая одновременно удовлетворяет как требованиям по токсичности пожароопасных продуктов, так и требованиям по выживаемости цепи.

Практическое соображение при установке огнестойких кабелей управления HFFR заключается в том, что слой слюдяной ленты под изоляцией механически хрупкий: слюда представляет собой хрупкий минерал, который может расслаиваться, если кабель согнут ниже минимального радиуса изгиба или подвергнут удару во время установки. Поврежденная слюдяная лента может быть не видна снаружи, если внешняя изоляция остается неповрежденной, но целостность цепи в месте повреждения будет нарушена. При установке с огнестойкими кабелями следует обращаться с большей осторожностью, чем со стандартными контрольными кабелями, со строгим соблюдением требований к минимальному радиусу изгиба и с защитой от ударов в кабельных лотках и кабелепроводах.

Выбор кабелей управления HFFR для конкретных промышленных условий: основные различия в требованиях

Кабели управления HFFR необходимы в нескольких отраслях промышленности, но конкретные пороговые значения производительности, стандарты испытаний и требования к конструкции значительно различаются в разных отраслях. Кабель, сертифицированный для одного сектора, может не удовлетворять требованиям другого, даже если его система материалов идентична. Следующая разбивка охватывает наиболее распространенные отрасли с высоким спросом, где используются безгалогенные кабели с низким уровнем дымности:

Железнодорожный и общественный транспорт

Применение на железнодорожном транспорте в Европе регулируется стандартом EN 45545-2, который классифицирует кабели по уровням опасности (HL1, HL2, HL3) в зависимости от пожароопасности места установки. HL3 применяется к кабелям в зонах, где присутствуют пассажиры и эвакуация которых затруднена, например, в метро. EN 45545-2 определяет предельные значения для скорости тепловыделения (измеренной конусным калориметром в соответствии с ISO 5660), распространения пламени, образования дыма и индекса токсичности одновременно, а пороговые значения значительно более строгие, чем в пакете IEC 60332/60754/61034, используемом в строительстве. В частности, индекс токсичности (измеренный методами NF X70-100 или FTIR) должен быть ниже определенных пределов для нескольких видов дымовых газов — CO, HCN, HF, SO₂, NOₓ и других, а не только для измерения объемного кислого газа по стандарту IEC 60754. Кабель, соответствующий стандартным требованиям LSZH для установки в зданиях, может не соответствовать стандарту EN 45545-2 HL2 по индексу токсичности.

Морской и оффшорный

Морские платформы и коммерческие суда применяют стандарт IEC 60092-359 (морские кабели, безгалогенные) в сочетании с требованиями огнестойкости IEC 60331. Морские установки добавляют требование по устойчивости к морской воде, которого нет в спецификациях зданий или рельсов: оболочка кабеля должна сохранять свою механическую целостность после погружения и не должна разбухать или расслаиваться под воздействием соленой воды, что актуально для кабелей, проложенных во влажных зонах или на открытых палубах. Кроме того, резолюция ИМО MSC.61(67) (Кодекс FTP) определяет испытания на распространение пламени по поверхности и плотность дыма, проводимые в условиях конкретного воздушного потока и теплового воздействия, характерных для пожаров в отсеках корабля, которые отличаются от условий испытания на дым в неподвижном воздухе согласно IEC 61034. Кабель, соответствующий стандарту IEC 61034, не соответствует автоматически испытаниям на задымление в приложениях 1 и 2 Кодекса FTP IMO без отдельной проверки.

Промышленная автоматизация и интеллектуальное производство

В средах промышленной автоматизации контрольные кабели HFFR все чаще используются не потому, что они требуются местными нормами пожарной безопасности, а из-за экономии затрат на восстановление после пожара. Пожар с участием стандартных кабелей из ПВХ в современном объекте автоматизации, где инвестиции в панели управления, сервоприводы, ПЛК и HMI составляют миллионы евро, выделяет достаточно HCl, чтобы разъедать электронные узлы по всей оболочке здания, а не только в зоне, непосредственно затронутой пламенем. Коррозия может не проявляться в виде немедленных отказов, но проявляется в виде прогрессирующей деградации соединений, следов коррозии печатных плат и увеличения контактного сопротивления в течение 6–18 месяцев после пожара. Замена или очистка электронного оборудования, загрязненного HCl, на крупном автоматизированном объекте может стоить в 10–50 раз больше стоимости сгоревших кабелей. Этот экономический аргумент способствует добровольному внедрению контрольных кабелей HFFR на интеллектуальных производственных предприятиях, где не существует обязательных требований к кодексу, и является основой для включения спецификаций кабелей HFFR в оценки страховых рисков для предприятий по производству дорогостоящей электронной продукции.

Низкотемпературная прокладка кабелей управления HFFR: риски и требования к кондиционированию

Одним из наиболее распространенных видов отказов в полевых условиях для контрольных кабелей HFFR является растрескивание изоляции во время установки в холодных условиях, вызванное уменьшенным удлинением при разрыве соединений HFFR с высоким содержанием наполнителя при низких температурах. В то время как стандартные кабели из ПВХ сохраняют полезную гибкость при температуре до –20°C или ниже благодаря содержанию в них пластификатора, многие конструкции из HFFR становятся заметно более жесткими при температуре ниже 0°C и могут треснуть, если их сгибать или разматывать при температуре ниже –5°C до –10°C без принятия мер предосторожности. Это особенно проблематично при наружной установке в зимние месяцы и в холодильных установках, где кабели должны прокладываться при температуре окружающей среды 0°C или ниже.

Низкотемпературные характеристики кабеля HFFR характеризуются испытанием на холодный изгиб (IEC 60811-504) и испытанием на холодный удар (IEC 60811-506). При испытании на холодный изгиб кабель оборачивается вокруг оправки заданного диаметра при определенной низкой температуре и проверяется на наличие трещин; испытание на холодный удар роняет утяжеленный молоток на участок кабеля при низкой температуре и проверяет изоляцию на наличие трещин. Эти испытания проводятся при температуре, указанной в спецификации кабеля — обычно –15°C, –20°C или –25°C в зависимости от состава соединения. Однако прохождение испытания на холодный изгиб при температуре –20°C не означает, что с кабелем можно свободно обращаться и прокладывать его при температуре –20°C на объекте: в ходе испытания применяется контролируемый изгиб с определенным радиусом и скоростью, в то время как установка на месте предполагает многократное сгибание, натягивание за углы и разматывание катушки, что создает концентрации напряжений, которые тест не воспроизводит.

Наиболее эффективным средством смягчения последствий установки контрольных кабелей HFFR в холодную погоду является термическая обработка: хранение кабельных катушек в отапливаемом помещении при температуре минимум 15°C в течение как минимум 24 часов перед установкой в ​​холодных условиях. Тепловая масса полной кабельной катушки означает, что сердцевина катушки может оставаться холодной в течение нескольких часов после того, как внешние слои нагрелись, поэтому время кондиционирования должно зависеть от размера катушки: небольшие катушки (менее 50 кг) могут быть надлежащим образом кондиционированы за 12 часов, тогда как для больших барабанов (более 300 кг) может потребоваться 48–72 часа кондиционирования. Во время установки в холодных условиях развернутый кабель следует устанавливать сразу, а не оставлять на земле, где он будет повторно охлаждаться, а следует избегать сгибания при температуре ниже номинальной температуры холодного изгиба компаунда, прокладывая кабель как можно более прямыми участками, пока он не достигнет своего конечного положения. Производители высококачественных кабелей HFFR все чаще публикуют специальные инструкции по холодной установке вместе со своими стандартными техническими данными, признавая, что правильная процедура установки является частью технических характеристик продукта.

Как следует проверять сертификацию кабеля управления HFFR и какую документацию запрашивать

Заявления о том, что кабели управления HFFR не содержат галогенов и имеют низкую дымность, являются самозаявлением, если не подтверждены сторонними протоколами испытаний из аккредитованных лабораторий. В отличие от некоторых сертификатов электробезопасности, которые требуют постоянного заводского контроля и повторных испытаний продукции, сертификат пожарной безопасности HFFR часто получается один раз для эталонной конструкции, а затем применяется ко всему спектру кабельных конструкций, номинально изготовленных из одного и того же материала. Такая практика создает существенный пробел в проверке: состав соединения может быть одинаковым для всех конструкций, но общие противопожарные характеристики кабеля зависят также от толщины стенки оболочки, общей массы полимера на метр (которая определяет общую загрузку топлива и, следовательно, образование дыма) и геометрии скрутки (которая влияет на то, насколько легко воздух достигает жилы кабеля во время горения). Отчет об испытаниях 4-жильного кабеля сечением 1,5 мм² не подтверждает автоматически огнестойкость 12-жильного кабеля сечением 2,5 мм² в том же семействе кабелей.

При закупке контрольных кабелей HFFR для проектов с формальными требованиями пожарной безопасности перед приемкой материала на объекте необходимо запросить и проверить следующую документацию:

• Протоколы испытаний IEC 60754-1 и -2: Подтверждение содержания галогенов ниже пороговых значений (pH >4,3 и проводимость <10 мкСм/мм по IEC 60754-2) для конкретных используемых материалов изоляции и оболочки. В отчете должна быть указана лаборатория, дата испытания и обозначение конкретного соединения материала, а не только обозначение типа кабеля.
• Отчет об испытаниях на плотность дыма согласно IEC 61034-2: Подтверждение коэффициента пропускания ≥60% для конструкции кабеля с общей массой полимера на метр, сопоставимой с приобретаемой конструкцией. Если заказанный кабель имеет значительно большую массу полимера на метр (больше жил, более толстая оболочка), чем испытуемая конструкция, фактическая дымовая эффективность может быть хуже, чем показывают результаты испытаний.
• Отчет о групповом распространении пламени IEC 60332-3: Укажите, какой категории (A, B, C или D) соответствует испытуемая конструкция, а также объем установленного кабеля на метр, использованный в тесте. Категория А (7 литров/м) является самой требовательной и наиболее актуальной для плотно заполненных кабельных лотков в системах промышленного управления.
• Заявление о отслеживании материалов: Заявление производителя о том, что конкретная поставленная производственная партия была изготовлена с использованием тех же составов соединений, которые использовались для сертификационных испытаний, включая номера партий соединений, если требования документации по качеству проекта требуют такого уровня прослеживаемости.
• Декларация о соответствии RoHS: Подтверждение того, что материалы кабеля, включая все пластификаторы, стабилизаторы, пигменты и технологические добавки в составе HFFR, соответствуют требованиям Директивы ЕС 2011/65/ЕС об ограничениях на вещества. В некоторых соединениях HFFR используются технологические добавки или стабилизаторы, содержащие ограниченные фталаты; Соответствие RoHS для кабелей HFFR не является автоматическим и должно проверяться независимо от декларации об отсутствии галогенов.

Для проектов, регулируемых конкретными региональными или отраслевыми стандартами — EN 45545-2 для железнодорожного транспорта, IEC 60092-359 для морского транспорта или национальными строительными нормами, которые ссылаются на классификацию производительности CPR (Регламент строительной продукции) в Европе — специальные протоколы испытаний применимого стандарта должны быть получены отдельно от общего пакета IEC 60332/60754/61034, поскольку методы испытаний и предельные значения различаются между стандартами таким образом, что делаются предположения о соответствии межстандартным требованиям. ненадежный.