Соединения LSZH для транспортных кабелей: стандарты и руководства

Почему соединения LSZH обязательны при транспортировке

Аргументы в пользу LSZH на транспорте основаны на задокументированных пожарах, а не на теоретических рисках. Пожар в метро Кингс-Кросс в Лондоне в 1987 году, в результате которого погиб 31 человек, и пожар в метро Тэгу в Южной Корее в 2003 году, в результате которого погибло 192 человека, продемонстрировали, как быстро галогенированный кабельный дым выводит из строя пассажиров в закрытых железнодорожных помещениях. Токсикологический анализ обоих происшествий выявил, что хлористый водород (HCl) и окись углерода в результате горения оболочки кабеля являются основными причинами смертности, превышающей показатели, связанные с прямым контактом с пламенем.

Физические ограничения транспортной среды усиливают опасность пожара, связанную с газом, в отличие от пожаров в зданиях:

• Закрытые помещения под давлением: Вагон метро или кабина самолета имеют фиксированный объем воздуха с ограниченной вентиляцией. Дым и токсичные газы быстро накапливаются — концентрации HCl выше 1000 частей на миллион в таких помещениях становятся опасными для жизни в течение нескольких секунд, по сравнению с минутами в открытом коридоре здания.
• Высокая плотность кабеля: Современный подвижной состав содержит 2–5 км кабелей на одно транспортное средство. Один состав поезда может перевозить 15–25 км кабеля по всей своей длине — значительная загрузка топлива, если повсюду используются обычные галогенсодержащие соединения.
• Ограничения по эвакуации: Пассажиры не могут свободно эвакуироваться из туннеля, над водой или на высоте. Время эвакуации измеряется как минимум минутами, в течение которых концентрация токсичного газа от горящих кабелей постоянно возрастает.
• Воздействие аварийно-спасательных служб: Пожарные, входящие в горящий железнодорожный транспорт или грузовой отсек самолета, сталкиваются с постоянным воздействием дымовых газов. Соединения LSZH снижают острую токсическую нагрузку на лиц, принимающих ответные меры, повышая эффективность вмешательства.

Эти факторы объясняют, почему стандарты транспортных кабелей значительно более строгие, чем стандарты строительных кабелей, и почему Компаунды LSZH для транспортных кабелей разработаны с учетом уровней производительности, которые превосходят материалы кабелей общего назначения LSZH.

Из чего сделаны соединения LSZH

Компаунд LSZH представляет собой многокомпонентную полимерную смесь, а не отдельный материал. Формула должна одновременно обеспечивать механическую гибкость при обработке кабелей, химическую стойкость к топливу и чистящим средствам, используемым при обслуживании транспорта, а также огнестойкость, соответствующую множеству независимых параметров испытаний. Основными составляющими группами являются:

Базовые полимерные системы

Безгалогеновые огнестойкие наполнители (HFFR)

Обычные антипирены, такие как триоксид сурьмы и бромированные соединения, исключены из составов LSZH. Вместо этого составы LSZH транспортного класса основаны на системах минеральных гидроксидов, которые работают путем эндотермического разложения — поглощая тепло от огня и выделяя водяной пар, который разбавляет горючие газы и охлаждает фронт пламени:

• Тригидрат алюминия (ATH): Разлагается при 180–200 градусах Цельсия, выделяя три моля воды на моль АТН. Наиболее широко используемый наполнитель HFFR, обычно содержащий 50–65% массы соединения. При этих уровнях загрузки ATH также обеспечивает подавление дыма за счет снижения содержания органических полимеров, доступных для пиролиза.
• Гидроксид магния (MDH): Разлагается при температуре 300–320 градусов по Цельсию — что значительно выше, чем у АТН, — что делает его пригодным для соединений, обрабатываемых при температурах выше 200 градусов, когда АТН начнет преждевременно дегидратироваться во время экструзии. Используется в высокопроизводительных транспортных соединениях, где необходимо обеспечить как температуру обработки, так и огнестойкость.
• Смесь хунтита и гидромагнезита: Обеспечивает более широкий диапазон температур разложения, чем ATH или MDH по отдельности, улучшая производительность в приложениях, где длительное воздействие пламени создает широкий диапазон температурных условий. Используется в специальных составах для железнодорожной и аэрокосмической промышленности, где требуется сертификация уровня опасности HL3 EN 45545.
• Синергисты бората цинка: Добавляется в концентрации 2–5% для усиления образования угля и улучшения снижения плотности дыма, обеспечиваемого первичной гидроксидной системой. Борат цинка образует на поверхности кабеля стабильный вспучивающийся слой угля, который изолирует несгоревший компаунд под ним от дальнейшего воздействия тепла.

Технологические добавки и стабилизаторы

Высокое содержание минеральных наполнителей в компаундах LSZH (часто 55–70% по весу) создает проблемы при обработке — компаунд более жесткий, более абразивный для экструзионных инструментов и более чувствителен к влаге, чем ненаполненные термопласты. Соединения LSZH транспортного класса включают в себя:

• Силановые связующие: Улучшите адгезию между частицами неорганического гидроксидного наполнителя и матрицей органического полимера. Без связующих агентов граница раздела наполнитель-полимер становится слабым местом при механическом напряжении, и соединения могут подвергаться преждевременному хрупкому разрушению. Совместная обработка винилтриметоксисиланом или метакрилоксипропилтриметоксисиланом улучшает удлинение при разрыве на 40–80% по сравнению с необработанными эквивалентами.
• Антиоксиданты: Затрудненные фенольные и фосфитные антиоксиданты защищают базовый полимер от термоокислительной деструкции в процессе экструзии при температуре 160–200 градусов Цельсия. Недостаточная загрузка антиоксидантов приводит к снижению молекулярной массы во время обработки, что снижает механические характеристики готовой изоляции.
• Вспомогательные средства обработки: Технологические добавки на основе фторполимеров снижают крутящий момент экструзии и давление матрицы, улучшая качество отделки поверхности кабелей, экструдированных при высоких нагрузках наполнителя, необходимых для обеспечения огнестойкости. Критично для сигнальных кабелей, неровности поверхности которых влияют на постоянство импеданса.

Ключевые стандарты, регулирующие транспортные кабели LSZH

Спецификации транспортных кабелей определяются региональными и отраслевыми стандартами, которые устанавливают минимальные пороговые значения характеристик для нескольких параметров испытаний на огнестойкость одновременно. Соответствие одному параметру испытаний недостаточно — соответствующие кабели должны пройти все применимые испытания в соответствующем стандарте:

EN 45545 — Европейский железнодорожный стандарт в деталях

EN 45545-2 является наиболее полным единым стандартом, применяемым в настоящее время к материалам железнодорожных кабелей на европейском рынке, заменяя собой набор национальных стандартов (NFF 16-101, DIN 5510, BS 6853), которые ранее регулировали отдельные национальные железнодорожные сети. Он определяет три уровня опасности в зависимости от серьезности сценария пожара:

• HL1: Применяется к железнодорожным станциям с низкой посещаемостью, хорошей естественной вентиляцией и коротким временем эвакуации. Минимально приемлемый уровень производительности, эквивалентный по показателям пожарной безопасности наименее требовательным устаревшим национальным стандартам.
• HL2: Применяется к стандартным пассажирским рельсам на крытых станциях и в коротких туннелях. Требует более низкой дымовой непрозрачности (максимальное значение Ds за 4 минуты 300 в ISO 5659-2) и более жестких пределов токсичности, чем HL1. В большинстве закупок нового европейского подвижного состава в качестве минимума для внутренних кабелей указывается HL2.
• HL3: Самый строгий уровень, обязательный для железных дорог с длинными туннелями (тоннели длиной более 1 км), метро и спальных поездов. Требуется Ds в течение 4 минут максимум 150 по ISO 5659-2 и индекс токсичности (CITG) ниже 0,9 по NF X70-100. Достижение уровня HL3 с помощью перерабатываемого гибкого соединения требует высокооптимизированной рецептуры и, как правило, использования МДГ, а не АТН, в качестве основного антипирена.

Эксплуатационные свойства компаундов LSZH транспортного класса

Состав LSZH транспортного класса должен одновременно удовлетворять механическим, электрическим, термическим и химическим требованиям — одних только огнестойкости недостаточно. В следующей таблице приведены основные измеряемые свойства и их типичные целевые диапазоны для применения кабелей подвижного состава:

Обработка соединений LSZH для производства кабелей

Высокое содержание минеральных наполнителей в компаундах LSZH создает проблемы при экструзии, которые требуют корректировки процесса по сравнению со стандартными термопластичными кабельными компаундами. Производители кабелей, обрабатывающие материалы LSZH транспортного класса, обычно сталкиваются и должны решать следующие проблемы:

Профили температуры экструзии

Компаунды LSZH на основе ATH необходимо обрабатывать при температуре ниже 200 градусов Цельсия, чтобы предотвратить преждевременное обезвоживание наполнителя, которое приводит к образованию пузырьков водяного пара в экструдате и ухудшению механических свойств. Соединения на основе МДГ позволяют обрабатывать до 240 градусов Цельсия. Профиль температуры от зоны подачи до матрицы обычно следует за возрастающим градиентом с небольшим падением в матрице для улучшения качества поверхности — плоский или понижающийся профиль увеличивает противодавление и износ шнека без улучшения производительности.

Конструкция винта и цилиндра

Абразивные минеральные наполнители в составах LSZH, особенно ATH и MDH с твердостью по шкале Мооса 2,5–3,0, ускоряют износ стандартных стальных винтов и цилиндров. Переработчики транспортных материалов обычно используют биметаллические цилиндры (Xaloy или эквивалент) и шнеки с лопастями с наконечниками из стеллита, которые продлевают срок службы в 3–5 раз по сравнению со стандартными инструментами из азотированной стали. Экономическое обоснование использования инструментов премиум-класса очевидно: замена одного шнека на большом гусеничном экструдере стоит 15 000–40 000 долларов США и требует 3–5 дней простоя.

Управление влажностью

ATH содержит примерно 34,5% химически связанной воды по весу. Хотя связанная вода является механизмом огнестойкости, свободная поверхностная влага, поглощаемая из окружающей среды, снижает технологичность соединения и может вызвать образование полос на поверхности, пористость и снижение электрических характеристик готового кабеля. Переработчики транспортных компаундов обычно предварительно сушат компаунды LSZH до содержания влаги ниже 0,05% по весу с использованием осушающих бункерных сушилок при температуре 60–80 градусов Цельсия в течение 2–4 часов перед экструзией.

Выбор подходящего соединения LSZH для применения в транспортных кабелях

Процесс выбора состава LSZH для транспортировки должен основываться на структурированной оценке требований конкретного применения, а не на выборе по умолчанию наиболее широко используемого состава общего назначения. Решающее значение имеют следующие факторы принятия решения:

• Нормативный стандарт и уровень опасности: Укажите конкретный стандарт (EN 45545, IEC 60092, FAR 25.853), а также уровень опасности или класс производительности, необходимые для места установки кабеля внутри транспортного средства. Внутренние кабели в пассажирских салонах требуют более высоких характеристик, чем кабели во внешних кабелепроводах или моторном отсеке.
• Диапазон рабочих температур: Стандартные соединения LSZH рассчитаны на непрерывную работу при температуре 70–90 градусов Цельсия. Для кабелей, находящихся вблизи тягового оборудования, тормозных систем или моторного отсека, могут потребоваться соединения, рассчитанные на температуру 125 или 150 градусов Цельсия, а также составы на основе сшитых материалов или силикона.
• Требования к гибкости и гибкому сроку службы: Тросы на шарнирно-сочлененных тележках, механизмах пантографа или раздвижных дверях подвергаются постоянному изгибу. Для этих применений требуются компаунды LSZH с высоким удлинением при разрыве (более 200%) и подтвержденным сроком службы при изгибе в соответствии со стандартом IEC 60228 или его эквивалентом — стандартные компаунды для оболочки LSZH могут треснуть в точках изгиба в течение нескольких месяцев эксплуатации.
• Химическая среда: Для обслуживания подвижного состава используются агрессивные чистящие средства, гидравлические жидкости, дизельное топливо (на гибридных и локомотивных двигателях) и тормозная пыль, содержащая металлические частицы. Укажите испытания на химическую стойкость к реальным жидкостям, присутствующим в среде технического обслуживания — общие данные по стойкости к маслу могут не охватывать конкретный химический состав чистящего средства, используемый железнодорожным оператором.
• Диаметр кабеля и толщина стенки: Для более тонких изоляционных стен (менее 0,5 мм) требуются составы LSZH с более низкой вязкостью и более мелким гранулометрическим составом для достижения покрытия без пустот. Не все компаунды LSZH транспортного класса стабильно обрабатываются при тонкой толщине стенок — уточните у поставщика компаунда, используя данные пробной экструзии при заданной скорости линии и толщине стенок.