Применение морозостойких кабелей в арктических условиях

В настоящее время существенно возрастает роль Арктики в экономической жизни России, в обеспечении ее геополитических интересов. Правительство Российской Федерации определило Арктику в качестве самостоятельного объекта государственной политики (рис. 1).

Рис. 1 Районы работ на арктическом шельфе

Речь идет об уникальных ресурсах, добираться до которых придется в сложнейших экстремальных природно-климатических условиях. Сильнейшие морозы и вьюги, движение льдов, полугодичная полярная ночь и такой же день – все это предельно осложняет строительство и эксплуатацию технических устройств в полярных областях.

Природные условия в районах арктических месторождений характеризуются:

• штормовым периодом (сентябрь-ноябрь) с высотой волн до 6 м;
• обледенением надводных и подводных конструкций; порывистым ветром до 36 м/с;
• коротким холодным летом и продолжительным зимним периодом с экстремально низкой температурой воздуха (до минус 53 °С);
• тяжелыми ледовыми условиями в зимне-весенний период времени (торошение и сжатие льдов до 3 баллов, образование стационарных ледовых образований (стамух) с глубиной киля до 20 м, мощные навалы льда на морские стационарные сооружения и берег и т. п.);
• значительными (до 5 м) колебаниями уровня моря.

Для выполнения прогнозируемых объёмов работ по добыче и транспортировке углеводородов континентального шельфа России потребуется 55 единиц морских буровых платформ и терминалов, 85 единиц специализированных транспортных судов и около 140 единиц обслуживающего флота. Для их постройки потребуется огромное количество кабелей. Всего рынок потенциальных покупателей судовых кабелей по РФ составляет более 300 предприятий, занимающихся ремонтом, оснащением и строительством судов различного класса (морских, транспортных, промысловых и речных судов, научно-исследовательских кораблей, ледоколов, судов смешанного типа, вспомогательных судов и т.п.). Исходя из этого, потребность в судовых и морских кабелях на период до 2015 г. при условии выполнения задач, поставленных правительством, составит примерно 45 000 км кабеля в год.

Помимо различных судов объектами кабельной промышленности при освоении и использовании арктических пространств и ресурсов являются современные технические средства для поиска, разведки и освоения морских месторождений углеводородов в арктических условиях, оборудование транспортной, промышленной и энергетической инфраструктуры, ее морской и континентальной составляющих, средства обеспечения военной безопасности, защиты и охраны государственной границы Российской Федерации в Арктике и другие.

В настоящее время освоение арктических шельфовых месторождений осуществляется с помощью морских ледостойких стационарных нефтедобывающих платформ (МЛСП), которые обеспечивают бурение скважин, добычу нефти, а также ее хранение и отгрузку. Основными особенностями данных платформ является устойчивость к повышенным ледовым нагрузкам, продолжительная автономная работа и возможность круглогодичной эксплуатации в полярных условиях.

Примером такой платформы служит построенная ОАО «ПО «Севмаш» платформа «Приразломная». Для электромонтажа технологического оборудования на ней использованы кабели и провода различного сечения, из них наибольшее распространение (86 %) имеют кабели и провода сечением до 16 мм2, работающие под напряжением до 1 000 В (рис. 2).

Анализ представленных на рис. 2 данных показывает, что около 98% потребностей в кабельной продукции составляют силовые кабели на напряжение 0,6/1кВ и инструментальные (систем КИПиА) на напряжение 150/250В, что потенциально обеспечивает возможность участия в программе освоения Крайнего Севера большого числа российских изготовителей кабельной продукции.

Рис. 2 Распределение кабелей и проводов  по номинальному
напряжению и сечениям токопроводящих жил

На МЛСП «Приразломная» поставлялись кабели и провода силовые (контрольные) огнестойкие на напряжение 0,6/1 кВ типа EFH, EFK, EFHS, EFKS, EFH-FLEX, EFHS-FLEX, изготавливаемые по стандарту МЭК 60092-353 для электромонтажа технологического оборудования, предназначенного для использования на верхнем строении морской платформы в условиях морской, соленой, высококоррозионной окружающей среды с температурой от -40°С до +40°С. Описание конструкции кабеля 0.6/1kV EFH / EFN / EFK представлено в таблице 1.

Таблица 1

Анализ технических и эксплуатационных характеристик применяемых кабелей показывает, что в случае падения температуры до минус 50°С и ниже оболочка и изоляция из поливинилхлоридного пластиката или хлорсульфированного полиэтилена становятся жесткими и хрупкими, так как в условиях низких температур происходит разрушение оболочки в результате растрескивания, что, в конечном итоге, влечет за собой выход кабеля из строя и последующий, зачастую, дорогостоящий, ремонт кабельной линии. Это объясняется тем, что вода, находящаяся в порах материала оболочки, при замерзании увеличивается в объеме примерно на 9...10%, что вызывает давление льда (до 200 МПа) на стенки пор.

Для решения этой проблемы специалистами кабельного завода НПП «Спецкабель» разработаны и начато серийное производство большой группы специальных морозостойких универсальных кабелей категории «ХЛ» общепромышленного применения, изготовленных из материалов, позволяющих им оставаться гибкими даже при низких температурах.

Новая группа морозостойких кабелей, получивших товарный знак Скаб® (рис. 3), призвана решить проблему эксплуатации кабельно-проводниковой продукции при крайне низких температурах (до -70°С), например, в арктических условиях.

Кабели морозостойкие групповой прокладки для контрольно-измерительных приборов и аппаратуры исполнение «ХЛ» производятся в оболочке и с защитным шлангом из безгалогенного термопластичного полиуретана (исполнение «Унг(А)-FRHF-ХЛ»), обеспечивающим высокую механическую прочность кабеля, стойкость к агрессивным средам, истиранию, эксплуатацию кабелей при температурах до минус 70°С в неподвижном состоянии.

Кабели могут содержать от 4 до 37 токопроводящих жил или от 1 до 24 пар (троек). Сечение токопроводящих семипроволочных медных или медных луженых жил кабелей может быть 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 мм2. Сердечник кабеля может состоять из скрученных между собой в пучок изолированных жил, скрученных в пары или тройки изолированных жил без индивидуального экрана или с индивидуальным экраном. Индивидуальные экраны пар или троек выполнены из алюминиевой фольги, ламинированной лавсановой пленкой. Все конструкции кабелей имеют общий экран из алюминиевой фольги, ламинированной лавсановой пленкой, поверх которой наложена оплетка из медных луженных проволок. Такой экран обеспечивает высокую (не менее 60 %) степень экранирования кабельного изделия.

Поверх общего экрана кабелей накладывается заполнение, которое обеспечивает кабелю практически круглую в поперечном сечении форму с коэффициентом овальности не более 10 %.

Кабели могут изготавливаться с защитным элементом в виде оплетки из стальных оцинкованных проволок (исполнение «КГ»), поверх которой может быть наложен защитный шланг (исполнение «К»).

Кабели данной серии выпускаются в соответствии с ТУ 16.К99-061-2013 и соответствуют требованиям нормативных документов «Технического регламента о пожарной безопасности», в том числе установленным в ГОСТ 31565-2012 (п.5.3, ПРГП 1б) по нераспространению горения при групповой прокладке и имеют сертификат Таможенного Союза и соответствуют требованиям по огнестойкости в течение 180 минут.

Кабели серии под товарным знаком Скаб® имеют большое количество конструктивных исполнений, которые дают возможность сделать должный выбор для разрабатываемой промышленной сети.

Проведенные испытания показали, что кабели серии «Скаб» производства НПП «Спецкабель», превосходят по эксплуатационным характеристикам большинство монтажных и инструментальных кабелей зарубежного и российского производства, и могли бы использоваться в сложных арктических условиях для присоединения к стационарным электрическим приборам, аппаратам, сборкам электрических распределительных устройств во взрывопожароопасных зонах в условиях низких температур. Кабели парной скрутки могут быть применены в системах автоматики для передачи данных с использованием токовой петли от 4 до 20 мА, организованных по HART-протоколу, в системах цифрового обмена данными «Foundation Fieldbus», в системах передачи данных со скоростью 31,25 кбит/с тип 1 и 3 по МЭК 61158-2 и в системах передачи данных RS-485 тип 4 по МЭК 61158-2.

Параллельно разработкам морозостойких кабелей по заказу Министерства промышленности и торговли Российской Федерации научно-производственным предприятием «Спецкабель» на базе технологий мирового уровня в рамках программы по импортозамещению продукции иностранного производства проводятся опытно-конструкторские работы, и разрабатывается большая группа универсальных кабелей мирового уровня для наукоемких, стратегически важных отраслей промышленности России, в том числе:

1. Кабели судовые высокочастотные парной скрутки для структурированных систем связи серии КВПЭ, выпускаемые по ТУ 16.К99-020-2009,
2. Кабели судовые силовые огнестойкие для электрических установок на номинальное переменное напряжение до 450/750 В и постоянное напряжение до 1000 В включительно серии КуРсП, выпускаемые по ФЖТК.355100.052ТУ,
3. Кабели симметричные для интерфейса распределённого сбора и передачи данных по стандартам RS-485 серий КСБГ и КИП, выпускаемые по ТУ 16.К99-040-2009 и ТУ 16.К99-042-2010,
4. Судовые огнестойкие и неогнестойкие герметизированные силовые кабели, стойкие к радиальному и продольному гидростатическому давлению до 6 МПа, судовые негерметизированные силовые кабели на номинальное переменное напряжение до 0,6/1,0 В частотой до 400 Гц или постоянное напряжение до 1,5 кВ включительно серий КсРГ и КсПГ, выпускаемые по ФЖТК.358600.066ТУ и ФЖТК.358600.068ТУ.
5. Многопарные не распространяющие горение кабели, в том числе герметизированные, для широкополосных скоростных систем связи категория 5, 5е и 6 с нормируемыми параметрами передачи цифровых сигналов и улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками серий КсС и КВП, выпускаемые по ФЖТК.357400.056ТУ – ФЖТК.357400.065ТУ.

Кабельные изделия НПП «Спецкабель» предназначены для стационарной прокладки в сооружениях и объектах нефтяной, газовой, нефтехимической, химической промышленности и электроэнергетики, а также для применения на судах и плавучих сооружениях, сертифицируемых в рамках Российского морского регистра судоходства, в том числе стационарной забортной прокладки.

Кабели, разрабатываемые НПП «Спецкабель» предполагают:

• эксплуатацию кабелей во взрывоопасных зонах 0, 1, 2 классов;
• нераспространение горения при групповой прокладке кабеля;
• сохранение работоспособности в условиях воздействия открытого огня;
• низкое дымо- и газовыделение;
• отсутствие в продуктах горения кабеля опасных для жизни концентраций галогенов.

Как показывает практика, кабельный завод НПП «Спецкабель» обладает необходимым управленческим, кадровым и финансовым потенциалом, позволяющим успешно реализовывать крупные и ответственные проекты в интересах Росатома, Роскосмоса, нефтегазового комплекса страны, Минпромторга России, Минобороны России, Минобрнауки России и многих других потребителей.

Продукция НПП «Спецкабель» имеет высокие конкурентные преимущества: наличие самых современных технологий, необходимых производственных мощностей, более низкая цена и сроки поставки, меньшие затраты на логистику, наличие сертификатов Российского морского регистра судоходства и др.

Благодаря использованию современных материалов, а также продуманным конструкциям самих кабелей, особенно в морозостойком безгалогенном герметизированном и огнестойком исполнении, продукция ООО НПП «Спецкабель» может быть с успехом использована при освоении и использовании арктических пространств и ресурсов.

Помимо кабелей, важнейшую роль в поддержании надежностных характеристик различных узлов электрооборудования играют электрические соединители, ведь по оценкам специалистов, около 50 % всех отказов вызваны низким качеством разъемов. Поэтому в России, как и во всем мире, в условиях усложнения радиоэлектронной аппаратуры идет борьба за качество электрических соединителей. Как и кабели, соединители подвержены самым жестким и агрессивным внешним воздействиям, характерным для эксплуатации на земле, на воде и в воздухе в суровых арктических условиях, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по следующим параметрам:

• степень защиты от воздействия влаги — уровень IP 67/68;
• рабочая температура — от минус 65°С до плюс 125°С;
• количество циклов соединения/размыкания — не менее 500;
• возможность работы в разных агрессивных средах;
• выдерживаемая разность давлений;

Кроме того, для обеспечения требований по массо-габаритным характеристикам аппаратуры, соединители должны обеспечивать наличие максимального количества одновременно соединяемых (разъединяемых) цепей. Это требование предполагает наличие в одном соединителе большого количества электрических контактов, через которые могут проходить различные токи (от 10-6 до 50А и более) при рабочих напряжениях от 1 мВ до 1 кВ. При этом рабочие частоты электрического тока, проходящего через контакты, могут достигать до 100 ГГц. Перечисленные требования лишь в общей степени характеризуют условия работы соединителей и их технические и эксплуатационные характеристики.

До середины 90-х годов прошлого века отечественные соединители находились на уровне лучших мировых образцов. Однако во второй половине 90-х годов стало проявляться отставание России в этой области. Из-за технологических особенностей предприятий ухудшились массо-габаритные характеристики разъемов. Не хватает отечественных долговечных электроизоляционных материалов. Все это привело к тому, что основную роль на внутреннем рынке стали играть соединители ведущих мировых фирм, таких как Glenair, Fischer, ODU MAC, Amphenol, Tyco, Souriau, Harting и др.

Среди известных поставщиков соединителей НПП «Спецкабель» отмечает компанию Glenair, которая известна как производитель разъемов для жестких условий эксплуатации, в том числе сертифицированных по военным стандартам MIL. Сегодня она является лидером в производстве герметичных вакуумоплотных соединителей для глубоководных работ, соединителей для нефтегазовой отрасли и миниатюрных герметичных соединителей для высокоскоростных интерфейсов.

По сравнению с другими производителями фирма Glenair предоставляет больший выбор контактных схем высокой плотности (до 130 контактов) и кожухов различных размеров для океанографических, геофизических и других работ в суровых климатических условиях. Так, например, состыкованные разъемы серии 22 Geo-Marine ® сохраняют герметичность при гидростатическом давлении до 34,5 МПа (352 кГс/см2) и доступны в комплектации с герметизацией из стекла или твердого диэлектрика и изоляцией от воздействия окружающей среды. По отдельному заказу компанией предлагаются специальные подводные соединители серии 10KPSI для глубоководных работ под давлением до 68 МПа (690 кГс/см2). Эксплуатационные характеристики разъемов Glenair представлены в табл. 2.

Таблица 2

К другим ключевым особенностям разъемов серии 22 Geo-Marine® относятся:

• Быстроразъемное соединение. Применение однозаходной укороченной трапециевидной резьбы для быстрой стыковки разъема снижает износ и деформацию резьбы под воздействием грязи, песка и других инородных тел.
• Граненая и рифленая поверхность соединительного кольца облегчает стыковку и расстыковку разъема даже в рукавицах.
• Конструкция передней части корпуса разъема обеспечивает точное выравнивание штырьков и гнезд и их контакт перед стыковкой резьбового соединения.
• Конфигурация штепселя позволяет фиксировать головку разъема при подсоединении с совмещением шпоночного паза и срабатыванием пружинного кольца, которое обеспечивает простоту стыковки и неразъемность соединения даже в Арктических условиях.

Серия миниатюрных разъемов высокой плотности 802 Aqua Mouse, устойчивых к высоким вибрационным нагрузкам, разработанная специально для контрольного оборудования, обеспечивает работу соединителей при давлении до 24 МПа (246 кГс/см2) и воздействии агрессивных сред. Корпуса этих разъемов выполняются из нержавеющей стали или морской бронзы. Данная серия имеет на 50% меньшие габариты и на 70% меньшую массу, по сравнению с разъемами Geo-Marine®. Соединители Mighty Mouse могут быть оснащены оптоволоконными, силовыми и высокочастотными контактами, оборудованы встроенными фильтрами. Они могут применяться для коммутации интерфейсов Ethernet 100BASE-T, Gigabit Ethernet 1000BASE-T, IEEE1394, USB2.0, CANbus.

В то же время исследования показывают, что отечественные разъемы серий ШР, 2РМ, 2РМД, СНЦ и др. обладают ненормированными электрическими характеристиками, что приводит к ухудшению качества сигнала, начиная с частоты 10 МГц. На частоте около 100 МГц происходит фактическое «запирание» сигнала в разъеме, что не соответствует современным требованиям к высокочастотным кабельным сборкам и значительно ограничивает эффективность применения уже разработанных, а также планируемых к разработке высокочастотных кабелей на различных объектах.

В связи с этим НПП «Спецкабель» в рамках программы импортозамещения продукции планирует проведение прикладных научных исследований и опытно-конструкторских работ по разработке и организация производства унифицированных серий высокочастотных герметизированных и негерметизированных соединителей для кабелей категории 5, 5е, 6 и кабельных сборок, отвечающих современным требованиям и сохраняющих работоспособность при воздействии влаги, а также обеспечивающие стойкость к гидростатическому воздействию воды в радиальном и продольном направлении.

Результаты разработки и освоения серийного производства унифицированных серий высокочастотных герметизированных и негерметизированных соединителей для кабелей категории 5, 5е, 6 могут быть востребованы при конструировании и эксплуатации систем управления, связи и передачи данных комплекса спасательных операций; морских ледостойких стационарных нефтедобывающих платформ; мобильных и автоматизированных комплексов для подводных исследований; глубоководных стационарных установок; систем и средств автоматизированного контроля подводных технологических процессов и др.

Литература

1. Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года, http://government.ru/news/432.
2. Моргунова М.О., Цуневский А.Я. Энергия Арктики — М.: ИЦ «Энергия», 2012. — 84 с.
3. Горбошко Е.А., Тимохова А.И. Выбор конкурентной стратегии обеспечения кабельно-проводниковой продукцией развития судостроения в России до 2015 года // Международная научно-практическая конференция «Повышение качества в условиях формирования инновационной экономики». 26-27 сентября 2008 г.: Материалы конференции. Ч. II. — СПб: Изд-во ИМЦ «НВШ — СПб», 2008. С. 134-146.
4. Glenair: Interconnect Solutions http://www.glenair.com/index.htm

А.В. Лобанов, к.т.н
В.А. Макаров, д.п.н.
В.О. Левчук, к.т.н.
В.В. Андреев, к.т.н.
Ю.А. Фурса
Р.Г. Кузнецов

Кабельный завод «Спецкабель»