船用电缆剩余寿命快速检测方法研究

王鹤荀，纪玉龙，李 根，孙玉清

（大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连116026）

船用电缆剩余寿命快速检测方法研究

王鹤荀，纪玉龙，李 根，孙玉清

（大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连116026）

为快速检测船用电缆的剩余使用寿命，尝试应用硬度这一可以快速检测的特征量来建立一种船舶电缆绝缘老化寿命快速检测方法。对船用丁苯橡胶电缆开展了加速老化实验，并对老化后的试样进行了硬度测试，并对所得数据进行处理，提出基于硬度的船用电缆剩余寿命快速检测方法，最后通过标准的基于断裂伸长保留率的寿命检测方法对所提出的快速检测方法进行检验。结果表明，2种方法具有高度的一致性，从而为船用电缆剩余寿命快速评估提供一种新的思路。

船用电缆；硬度；剩余寿命；快速检测

随着现代船舶自动化水平的提高以及电力推进船舶的推广应用，电缆作为船舶电气系统的动脉，其绝缘性能的好坏与可靠性将直接关系到船上人员和设备的安全［1］。在橡胶加速老化试验方法研究方面，先后出现了烘箱加速老化、氧弹加速老化、人工气候加速老化、湿热老化、臭氧加速老化、烟雾腐蚀等试验。烘箱加速老化与实际自然老化最接近，因此橡胶加速老化研究多以提高温度的烘箱加速老化方法为主［2-5］。

陈向荣等通过测定电缆电树枝生长和电缆局部放电特性来判断交联聚乙烯电缆的使用寿命［6］；赵疆皞等利用热分析技术，对电缆绝缘材料的热老化寿命进行了研究，得到了电缆绝缘材料的热老化寿命的计算公式［7］；Y.T.Hsu等建立了乙烯丙烯橡胶断裂伸长率与击穿电压之间的关系，结果显示在加湿环境下利用击穿电压可以很好地评定老化寿命，在高温条件下断裂伸长率可以较好地评定老化寿命［8］；Mott P等对天然橡胶进行加速老化，结果显示老化温度对老化速率的影响遵循Arrhenius定理，断裂伸长率可以很好地评定橡胶老化程度［9］；关于预测电缆寿命的数学模型，国内外学者也做了广泛的研究［10-12］。

前期工作［13-14］已经通过理论分析证明，船用丁苯橡胶电缆绝缘层在经过老化后其硬度逐渐增大的变化规律，本文将尝试应用硬度这一可以快速检测的特征参量对船用电缆的剩余寿命进行快速评估，提出具体的基于硬度的船用电缆绝缘寿命快速检测方法以及相关失效检验标准。

1 加速老化实验及硬度检测

本实验采用早期以及现代船舶上广泛使用的丁苯橡胶电缆为研究对象，众多老旧船舶急需对其剩余使用寿命进行评估。依据美国火力电站电缆试验规范，135℃为电缆老化试验必选试验温度点，另外，参考IEEE 383和IEC 60216，将电缆老化寿命评定试验温度级差取15℃。依据上述分析，本文选取180、165、150、135℃ 4个温度下进行快速老化实验，各温度下取样周期如表1所示。

在进行老化实验前，先将足够的老化试样放置于老化实验箱中，老化温度以及取样时间严格按照表1进行。在进行加湿实验时，通过喷嘴将水雾化后直接喷入老化箱中，加湿速度以海平面年蒸发量2 m计算。加速老化后的试样要在室温下放置至少16 h才能进行测试。测试所采用的是邵氏硬度，邵氏硬度是根据规定形状的压针在标准弹簧压力作用下于规定时间内压入试样的深度转换成的硬度值，范围为0～100°。测试所得硬度原始数据见表2所示，为提高准确性，在对数据进行处理时，要对每组数据取均值处理。

表1 老化试验温度及取样周期Table 1 Temperatures and sampling periods

表2 硬度实验数据Table 2 The experimental data of hardness test

2 数据处理

为了应用“GB／T 11026.3-2006第3部分：计算耐热特征参数的规程中对破坏性试验数据的计算程序［15］”对测试结果进行处理，定义了剩余硬度以及剩余硬度保留率概念，所谓剩余硬度是指硬度的剩余量，即100度减去当前样品的硬度；剩余硬度保留率是指老化后样品的剩余硬度与未老化试样的初始剩余硬度的比值，以百分数表示：

式中：F为剩余硬度保留率，F0为试样初始剩余硬度，H0为试样的初始硬度，F′为老化试样的剩余硬度，H′为老化试样的硬度。

其中H0和H′由邵氏硬度计直接测得，根据所测得的H0和H′可直接得到F0和F′，代入式（1）得出对应样品的剩余硬度保留率。根据表2、3所得到的实验结果分别计算出在加湿和不加湿2种情况下试样的剩余硬度保留率，如表3、4所示。表中，t为老化时间，F为剩余硬度保留率。

表3 剩余硬度保留率实验数据（不加湿）Table 3 The experimental data of residual hardness retention ratio test（without humidity）

表4 剩余硬度保留率实验数据（加湿）Table 4 The experimental data of residual hardness retention ratio test（with humidity）

参照GB／T 11026.3－2006第3部分的计算程序对所得试验数据进行计算。并选择剩余硬度保留率为35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%作为电缆绝缘终点水平（或，失效终点）pe（F），计算出这8个终点水平下电缆绝缘的耐热图，如图1所示。

表5 不同温度和不同终点水平下船用丁苯橡胶电缆老化寿命（不加湿）Table 5 The aging lifetime of SBR ship cable insulation under differenttemperaturesand end levels（without humidity）

根据Arrhenius提出的电缆绝缘的老化寿命的对数与热力学温度的倒数成线性关系这一基本原理，对图1中各直线方程进行外推可求出电缆绝缘在65～95℃范围内每间隔5℃的老化寿命，见表5、表6所示。

表6 不同温度和不同终点水平下船用丁苯橡胶电缆老化寿命（加湿）Table 6 The aging lifetime of SBR ship cable insulation under differenttemperaturesand end levels（with humidity）

根据表5、6，以不同的终点水平为横坐标，以电缆在不同终点水平下的老化寿命为纵坐标，按照3次多项式进行拟合，得出电缆在各使用温度下老化时间随剩余硬度保留率变化曲线，如图2所示，通过这些曲线可以看出，数据点与拟合的曲线之间有良好的一致性。具体电缆绝缘老化时间与其剩余硬度保留率之间的映射关系如表7所示。

表7 不同条件下电缆绝缘的t-F映射关系Table 7 The t-F curve of cable insulation under different conditions

图2 不同老化温度下t-F曲线Fig.2 Curves of t-F at difference temperatures

3 剩余寿命快速检测方法

在对船用丁苯橡胶电缆进行快速评估时，只需用硬度计测量电缆的绝缘层硬度（至少测5处），取其平均值后计算出剩余硬度保留率F。根据电缆的具体使用条件从表7中选取合适模型，计算出已老化时间，再选取适当的终点水平pe（F）从表5或6中查出相应条件下新电缆的使用寿命，这样便可快速计算出该电缆的剩余使用寿命。具体终点水平即失效标准pe（F）的选取见后文的检验与分析。下面通过一个例子来说明如何进行快速检测。

若某船上丁苯橡胶电缆经过硬度测试并计算得出其绝缘层的剩余硬度保留率F＝68%，船用丁苯橡胶电缆实际工作温度约为75℃，且受湿度影响较大，因此，选择表7中75℃（加湿）条件下的寿命预测模型：

将F＝68%代入式（4）可得电缆从装船到现在所使用的年限t＝166 480.3 h＝19 a。查表6可知，按照pe（F）＝45%为寿命终点时，75℃（加湿）条件下船用丁苯橡胶电缆的使用寿命为26.72年，则该电缆的剩余使用寿命为26.72－19＝7.72年。可见，针对不同型号电缆一旦老化模型（如表5～7所示）建立完毕，就可非常方便地对其开展快速检测，而无需再开展采样、快速老化以及拉伸测试等复杂而耗时的测试工作。

4 检验与分析

如前文所述，基于断裂伸长保留率（用K来表示）的电缆绝缘寿命分析已被广泛接受，并形成国际以及国内标准（IEC 60216、GB／T 11026），本文应用该方法对文中所测试样进行寿命分析，进而对文中所提出的基于硬度的快速方法进行检验。

关于应用断裂伸长保留率进行寿命预测的工作已经在课题组发表的文献［8］中完成，本文根据研究需要对处理过程进行了重新计算，增加终点水平pe（K）的取值数量，在此不再赘述其具体过程，这里仅将2种预测方法得出的结果进行对比，如图3表示。不难看出在采用剩余硬度保留率与断裂伸长保留率进行寿命检验时，变化趋势是一致的。在寿命终点的取值上，当pe（F）＝pe（K）－5%时，通过断裂伸长保留率K和剩余硬度保留率F预测的值具有高度的一致性。

图3 利用K和F预测电缆寿命比较Fig.3 Life prediction comparison

图4 利用K和F预测电缆寿命差值Fig.4 Life prediction difference between K and F

为进一步进行对比，将寿命终点取 pe（F）＝pe（K）－5%时的结果与取对应Pe（K）时的结果做差，结果如图4所示，最大差值不超过5年，差值主要集中在3年左右。可见，当采用剩余硬度保留率作为检验电缆寿命的性能指标时，分别取pe（F）＝35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%和采用断裂伸长率保留率作为寿命终点的指标pe（K）＝40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%的寿命检测结果相差无几，这证明了利用剩余硬度保留率预测船用丁苯橡胶电缆剩余寿命的可行性，同时也说明在采用剩余硬度保留率进行检测时寿命终点pe（F）的选取应与在采用断裂伸长保留率进行检测时寿命终点pe（K）＝pe（F）＋5%的选取相对应。

5 结论

本文以丁苯橡胶电缆为研究对象，尝试应用硬度这一可以快速检测的特征量来建立一种船舶电缆绝缘老化寿命快速检测方法。通过上述工作可以得出如下几点结论：

1）基于剩余硬度保留率的丁苯橡胶电缆绝缘寿命检测结果与已认可并形成标准的基于断裂伸长保留率的测试结果变化趋势完全一致，预测结果基本在±3年内变化，说明基于剩余硬度保留率的船舶电缆绝缘寿命快速检测方法是可行、有效的；

2）实验结果表明当以断裂伸长保留K＝50%为寿命终点（标准中建议使用该值作为失效标准）时的测试结果与以剩余硬度保留率F＝45%时的检测结果一致，因此建议在应用剩余硬度保留率对船用丁苯橡胶电缆绝缘热老化寿命进行检测时，以F＝45%作为其失效标准；

3）文中所提出的电缆剩余寿命快速检测方法为电缆剩余寿命快速评估和真正实现快速检测提供一种新的思路。

［1］陈胜.船舶电气火灾分析及预防［J］.武汉船舶职业技术学院学报，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］张录平，李晖，刘亚平.橡胶材料老化试验的研究现状及发展趋势［J］.弹性体，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，赵云峰，许文，等.橡胶材料加速老化实验及寿命评估模型的研究进展［J］.宇航材料工艺，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.船用电缆绝缘老化的研究［D］.大连：大连理工大学，2007：36-40.

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

［5］刘盖世.船用CXF型号电缆的绝缘老化实验以及寿命分析［D］.大连：大连海事大学，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］陈向荣，徐阳，王猛，等.高温下110 kV交联聚乙烯电缆电树枝生长及局部放电特性［J］.高电压技术，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］赵疆皞，孙慧琴，冉海潮，等.电缆热老化寿命的预测［J］.河北电力技术，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，FANTONI 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］王鹤荀，纪玉龙，李根，等.船用丁苯橡胶电缆绝缘层老化硬度分析［J］.上海海事大学学报，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］王鹤荀，纪玉龙，李根，等.基于硬度对船用电缆绝缘性能的快速评估［J］.大连海事大学学报，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.电气绝缘材料耐热性.第3部分：计算耐热特征参数的规程［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. 网络出版时间：2014-08-26.

国家自然科学基金资助项目（50909010）.

王鹤荀（1967-），男，博士研究生；纪玉龙（1981-），男，副教授，博士；孙玉清（1963-），男，教授，博士生导师.

纪玉龙，E-mail：jiyulongcn＠163.com.