Тяжелонагруженный жаростойкий кабель с оконцовочной арматурой

Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение относится к кабельной промышленности и предназначено для подключения жаростойких кабелей с рабочей температурой токопроводящей жилы от 400°C до 500°C к источнику питания без использования внешних переходных устройств. При этом в месте подключения к источнику питания превышение температуры на токопроводящей жиле менее, чем 45°C. Возможность такого подключения создана за счет того, что оконцовочная арматура малогабаритна и термостойка. При этом токопроводящая жила, проходящая через оконцовочную арматуру, имеет «холодную», «переходную» и «горячую» зоны с различными сечениями токопроводящей жилы в этих зонах, и заканчивается «холодным» выводом токопроводящей жилы, превышающим сечение токопроводящей жилы «горячей» зоны кабеля не менее чем в 2 раза; внутри корпуса оконцовочной арматуры находится минеральная изоляция плотностью до 2,8 г/см³ , объем которой в 4-5 раз превышает объем минеральной изоляции внутри кабеля той же длины, что и длина корпуса оконцовочной арматуры. Тяжелонагруженный жаростойкий кабель с оконцовочной арматурой позволяет обеспечить надежную и безопасную эксплуатацию объектов в широком диапазоне температур, в том числе в экстремальных условиях радиационной и прочей опасности. ОАО «Кирскабель» располагает полным комплектом современного технологического оборудования для производства кабелей с оконцовочной арматурой.

Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение относится к кабельной промышленности и предназначено для обеспечения надежной работы жаростойких кабелей при рабочей температуре от 400°C до 500°C.

В настоящее время имеется безотлагательная необходимость в комплектации ответственных изделий кабелями с минеральной изоляцией в металлических оболочках с оконцовочной арматурой с заданным ресурсом наработки на отказ с рабочей температурой от 400 до 500°C.

Известны варианты оконцовочной арматуры для герметизации жаростойких кабелей с минеральной изоляцией в медных оболочках исполнения ЗК КМЖ 01, 02, 03, рассчитанных для работы на предельной температуре до 250°C.

Известны технические решения по герметизации трубчатых электрических нагревателей (Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением» Ю.А. Белавин, М.А. Евстигнеев, А.Н. Черновский//Текст, Белавин Ю.А., Евстигнеев М.А., Черновский А.Н., М., Энергоатомиздат, 1989, с. 20-22). При этом температура в узле герметизации ТЭНа составляет от 200°C до 400°C, что совершенно недопустимо для подключения жаростойкого кабеля к источникам питания и использования их на объектах специального назначения.

Известен электронагреватель трубчатый, который можно отнести к кабельным изделиям с оконцовочной арматурой (см. (19) RU, (13) U1 (11) 41511 (51) МПК⁷ F24H 3/04 (54) ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ ТРУБЧАТЫЙ).

Электронагреватель трубчатый состоит из нагревательного элемента в виде проволоки из прецизионных сплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением и обжатой поверх него трубки из материалов с низким электрическим сопротивлением, представляющим собой холодные выводы длиной от 0,5 до 3,3 м. Изоляционный кремнийорганический герметик защищает торцы электронагревателя и выводы. Металлическая оболочка запрессована на концах нагревательного элемента.

Недостатком электронагревателей данной конструкции, имеющих оконцовочную арматуру, являются увеличенные габаритные размеры «холодных» выводов, низкая токовая нагрузка. Указанная конструкция не предназначена для работы в составе ответственного объекта в экстремальных условиях и больших токовых нагрузках, значительно превышающих нагрузки в аналогах.

Наиболее близким по функциональному назначению к заявляемому тяжелонагруженному жаростойкому кабелю с оконцовочной арматурой является заделка конца кабеля с металлической оболочкой (см. (19) RU (11) 2206164 (51) МПК 7 H02G 15/23, (54) Герметичная и термоустойчивая заделка конца кабеля с металлической оболочкой). В данном кабеле металлические жилы кабеля отделены одна от другой и от оболочки минеральной изоляцией. Эта заделка содержит уплотнительный элемент с отверстиями для пропускания жил, образованный расплавлением при нагревании и последующим затвердеванием при охлаждении ситалла, а также прокладку, размещенную вплотную к внутреннему торцу уплотнительного элемента. На концевую часть оболочки посажена и герметично закреплена на оболочке металлическая втулка, в полости которой размещены уплотнительный элемент и прокладка. Втулка может быть посажена на оболочку до упора в торец оболочки, при этом внутренний диаметр втулки вблизи торца оболочки меньше внутреннего диаметра оболочки.

Указанные в патенте (19) RU (11) 2206164 (51) технические решения по герметизации ситаллами концов кабелей с минеральной изоляцией в металлических оболочках обладают рядом определенных недостатков:

- для различных материалов жил и оболочек кабелей, а также для различных толщин оболочек и диаметров жил могут потребоваться различные марки ситалла, или должны быть использованы новые конструктивные решения;

- разновидности конструктивных исполнений по герметизации концов жаростойких кабелей в стальных оболочках из сплава 08X18Н9Т с медными жилами и магнезиальной изоляции предназначены для проходок этих кабелей короткими длинами через прочные стенки (перегородки). При этом рабочие режимы кабелей по токовым нагрузкам и температуре эксплуатации не превышают допустимых параметров для среды обитания обслуживающего персонала и не предназначены для работы при температуре от 400°C до 500°C;

- трубки из сплава 321 (08Х18НН9Т), одетые на токоведущие жилы, не имеют с ними надежного контакта по всей длине и создают условия для повышения температуры токопроводящей жилы и возможного выхода из строя при достаточно длительной эксплуатации вследствие окислительных процессов, проходящих на этой жиле по длине трубки;

- концевые заделки не обеспечивают жестких требований по надежности ввиду их весьма высокой теплопроводности, а также из-за ограничений по температуре использования, поскольку они могут эксплуатироваться в аварийных ситуациях при температуре не более 600°C.

Для того, чтобы подключить указанный в патенте кабель с герметичной и термоустойчивой заделкой конца кабеля к источнику питания, используется промежуточная соединительная муфта и питающий кабель другой конструкции с увеличенными габаритными размерами и низкой температурой применения.

Задача, поставленная перед разработчиками заявляемой конструкции - создание изделия с надежной малогабаритной оконцовочной арматурой, в котором бы обеспечивалось без внешних дополнительных переходных устройств снижение температуры на токопроводящей жиле с 500°C до параметра, не превышающего температуру окружающей среды более чем на 50°C.

Технические результаты заявляемого технического решения:

- снижение рабочей температуры с 400÷500°C до величины, не превышающей температуру окружающей среды более чем на 45°C на токопроводящей жиле кабеля, подключаемого к источнику питания без применения соединительных муфт и кабеля большего сечения с уменьшением длины оконцовочной арматуры до величины не более 250 мм.

Указанный технический результат обусловлен применением в заявляемой конструкции следующих существенных признаков:

- выполнением внутри оконцовочной арматуры участка токопроводящей жилы кабеля, состоящего из «горячей» и «холодной» зон с плавным переходом между ними длиной от 8 до 10 мм, при этом сечение «холодной» зоны токопроводящей жилы кабеля превышает сечение «горячей» зоны этой жилы не менее, чем в 2 раза, и вывод токопроводящей жилы из оконцовочной арматуры является «холодной» зоной;

- прохождением «холодного» вывода в уплотненной до 2,8 г/см³ минеральной изоляции, которая в 4-5 раз превышает объем такой же минеральной изоляции внутри кабеля, равного по длине корпусу оконцовочной арматуры, что создает эффективный тепло-отвод и максимально снижает температуру на поверхности токопроводящей жилы до минимума, близкого к температуре окружающей среды, при этом повышается надежность оконцовочной арматуры.

Дополнительное увеличение надежности достигается:

- использованием материалов одинаковых химсоставов для корпусов оконцовочной арматуры и оболочки кабеля;

- выполнением стенок корпуса оконцовочной арматуры из коррозионностойкого и жаростойкого сплава толщиной 2-3 мм;

- выполнением герметичного соединения между оболочкой тяжелонагруженного жаростойкого кабеля и корпусом оконцовочной арматуры с помощью либо сварки (лазерной, или аргонно-дуговой), либо высокотемпературной пайки, обеспечивающих работоспособность изделия при температуре не ниже 700°C и надежность при воздействии на этот кабель повышенной радиации, ударов и вибрации;

- минимизацией габаритных размеров оконцовочной арматуры за счет уменьшения длины перехода между «горячей» и «холодной» зонами.

Защита торцевой поверхности минеральной изоляции оконцовочной арматуры, имеющая в аналоге определение «герметизация», может осуществляться двумя способами:

- либо внутри корпуса оконцовочной арматуры над торцом из минеральной изоляции наносится слой изолирующего герметика, далее на токопроводящую жилу надевается изолирующая трубка, которая сверху прижата изолирующим диском. На этот диск сверху накладывается промежуточная шайба, которая фиксируется гайкой посредством соединения с корпусом оконцовочной арматуры;

- либо к корпусу оконцовочной арматуры дополнительно монтируется металлокерамика с нулевой пористостью и чистотой материала керамики 99,97%, рассчитанная на напряжение до 3 кВ и рабочую температуру до 900°C.

Для справки: под понятием «Арматура» понимаем специальные типовые детали - протекторы защитные. (Википедия)

Описание заявляемого технического решения

Тяжелонагруженный жаростойкий кабель с оконцовочной арматурой, предназначенный для работы при повышенных температурах (от 400°C до 500°C), подключаемый к источнику питания, выполнен из металлической оболочки, заполненной минеральной изоляцией, в которую помещена токоведущая жила. Оконцовочная арматура имеет металлический корпус, заполненный минеральной изоляцией, а также герметизацию торцевой поверхности.

Через оконцовочную арматуру проходит токопроводящая жила - продолжение токопроводящей жилы кабеля, которая внутри кабеля имеет рабочую температуру в диапазоне от 400°C до 500°C. На входе в оконцовочную арматуру токопроводящая жила может рассматриваться как «горячая зона». Внутри корпуса оконцовочной арматуры выполнен переход с «горячей» зоны токопроводящей жилы на «холодную», имеющую сечение, увеличенное по отношению к сечению токопроводящей жилы кабеля не менее чем в 2 раза. На выходе оконцовочной арматуры токопроводящая жила имеет «холодную» зону. Длина перехода токопроводящей жилы с «горячей» зоны на «холодную» составляет от 8 до 10 мм.

Металлическая оболочка кабеля и корпус оконцовочной арматуры изготовлены из одного и того же материала - коррозионностойкого и жаростойкого сплава, например, из сплава 08Х18Н10Т и заполнены минеральной изоляцией - например, MgO или Al₂O₃.

Толщина стенок корпуса оконцовочной арматуры может составлять 2-3 мм.

Внутри корпуса оконцовочной арматуры использована изоляция повышенной плотности до 2,8 г/см³, объем которой в 4-5 раз превышает объем минеральной изоляции внутри кабеля такой же длины, как и длина оболочки оконцовочной арматуры.

Металлический корпус оконцовочной арматуры монтируется поверх металлической оболочки кабеля и присоединяется к ней посредством либо сварки (лазерной или аргонно-дуговой), либо высокотемпературной пайки.

Герметизация - защита торцевой поверхности минеральной изоляции оконцовочной арматуры может осуществляться следующим образом:

а) внутри корпуса оконцовочной арматуры над торцом из минеральной изоляции накладывается слой изолирующего герметика; на токопроводящую жилу надевается изолирующая трубка; поверх слоя изолирующего герметика и изолирующей трубки накладывается изолирующий диск, на него - промежуточная шайба, которая фиксируется гайкой посредством соединения с корпусом оконцовочной арматуры;

б) к корпусу оконцовочной арматуры дополнительно монтируется металлокерамика с нулевой пористостью и чистотой материала керамики 99,97%, рассчитанная на напряжение до 3 кВ и рабочую температуру до 900°C.

Сущность полезной модели поясняется изображением арматуры на фиг. 1 и 2, где:

1 - токоведущая жила «холодной» зоны;

2 - изолирующая трубка;

3 - промежуточная шайба;

4 - фиксирующая гайка;

5 - изолирующий диск;

6 - изолирующий герметик;

7 - корпус оконцовочной арматуры;

8 - уплотненная минеральная изоляция;

9 - токоведущая жила тяжелонагруженного кабеля;

10 - минеральная изоляция кабеля;

11 - оболочка тяжелонагруженного кабеля;

12 - металлокерамика.

Пример выполнения арматуры:

1 Оконцовочная арматура смонтирована на концы квадратного кабеля с токопроводящей жилой из сплава меди с ниобием и хромом, минеральной изоляцией из окиси магния (MgO) и оболочкой из сплава 08Х18Н10Т. Рабочая температура кабеля под цикличной нагрузкой находится в диапазоне от 400°C до 500°C. Корпус арматуры изготовлен из сплава 08Х18Н10Т. Крепление корпуса оконцовочной арматуры к оболочке кабеля с помощью высокотемпературной пайки с рабочей температурой до 700°C. Сечение «холодного» вывода, круглого по форме, превышает сечение токопроводящей жилы внутри кабеля в 3 раза.

1. Тяжелонагруженный жаростойкий кабель с оконцовочной арматурой, состоящий из жаростойкого кабеля, выполненного из металлической оболочки, заполненной минеральной изоляцией, в которую помещена токопроводящая жила, представляющая собой "горячую" зону; при этом оконцовочная арматура имеет металлический корпус, через который проходит токопроводящая жила - продолжение токоведущей жилы кабеля; корпус оконцовочной арматуры герметично присоединен к металлической оболочке кабеля и заполнен минеральной изоляцией; на торцевой поверхности минеральной изоляции оконцовочной арматуры имеется герметизация, отличающийся тем, что диапазон его рабочей температуры находится в пределах от 400°С до 500°С, оконцовочная арматура предназначена для подключения к источнику питания, при этом проходящая внутри корпуса оконцовочной арматуры токопроводящая жила включает "горячую" и "холодную" зоны, а также переходный участок между этими зонами размером от 8 до 10 мм, где сечение "холодной" зоны превышает сечение "горячей" зоны не менее чем в 2 раза; вывод подключаемой к источнику питания токопроводящей жилы заканчивается "холодной" зоной; внутри корпуса оконцовочной арматуры находится минеральная изоляция повышенной плотностью до 2,8 г/см ³, объем которой в 4-5 раз превышает объем минеральной изоляции внутри кабеля той же длины, что и длина корпуса оконцовочной арматуры.

2. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что герметизация выполнена следующим образом: внутри корпуса оконцовочной арматуры над торцом из минеральной изоляции нанесен слой изолирующего герметика, далее на токопроводящую жилу надета изолирующая трубка, которая сверху прижата изолирующим диском, на диск сверху наложена промежуточная шайба, зафиксированная гайкой посредством соединения с корпусом оконцовочной арматуры.

3. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что герметизация выполнена следующим образом: к корпусу оконцовочной арматуры смонтирована металлокерамика с нулевой пористостью и чистотой материала керамики 99,97%, рассчитанная на напряжение до 3 кВ и рабочую температуру до 900°С.

4. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что толщина стенок корпуса оконцовочной арматуры составляет 2-3 мм.

5. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что герметичное соединение оболочки кабеля с оболочкой оконцовочной арматуры выполнено с помощью лазерной сварки.

6. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что герметичное соединение оболочки кабеля с корпусом оконцовочной арматуры выполнено с помощью аргонно-дуговой сварки.

7. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что герметичное соединение оболочки кабеля с корпусом оконцовочной арматуры выполнено с помощью высокотемпературной пайки.

8. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что оболочка кабеля и корпус оконцовочной арматуры выполнены из сплава 08Х18Н10Т.

9. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что оболочка кабеля и корпус оконцовочной арматуры заполнены уплотненной минеральной изоляцией MgO.

10. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что оболочка кабеля и корпус оконцовочной арматуры заполнены уплотненной минеральной изоляцией Al₂O₃.

11. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что оболочка кабеля и корпус оконцовочной арматуры изготовлены из одних и тех же материалов - жаростойких и коррозионностой-ких сплавов одинакового химсостава.