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魏德米勒隔爆型电缆引入装置密封圈的设计及探讨
来源: ceasia-china.com作者: Kenny Fu时间:2020-02-19 16:04:39点击:9206

作者:魏德米勒亚太区行业自动化和解决方案事业部总监,闫方波

1.概述

防爆电气设备的电缆引入装置指的是允许将一根或多根电缆或光缆引入电气设备内部并能保证其防爆型式的装置。防爆电缆引入装置是防爆电气设备一个重要的组成部分;而隔爆型电缆引入装置是所有防爆电缆引入装置中要求最严苛、应用最广泛。密封圈是隔爆型电缆引入装置中最关键的部件,其性能直接决定隔爆功能的实现;而由密封圈引起的失效占隔爆电缆引入装置总失效90%以上。本文主要对隔爆型电缆引入装置的密封圈结构设计,橡胶材料选择,橡胶硬度等方面进行探讨。

2.隔爆型电缆引入装置介绍

根据GB3836.2-2010标准规定,电缆引入装置的防爆类型可分为隔爆型、增安型等类别,而隔爆型又可分为密封圈式和填料式两类;根据螺纹型式可分为公制、NPT制。典型的密封圈式隔爆电缆引入装置结构如图1所示。

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3.隔爆型电缆引入装置密封圈的技术和试验要求

隔爆型电缆引入装置是采用压紧件压紧密封圈,使橡胶密封圈变形抱紧电缆;防止电缆受到拉力或扭力被随意拉动,并能阻止电气设备内部爆炸从电缆引入口传播到外面危险环境中。根据国家标准GB3836.1-2010和GB3836.2-2010规定,隔爆型电缆引入装置的密封圈应满足以下要求:

3.1密封圈耐热耐寒老化试验

该试验应在加紧电缆状态下进行,耐热性能应采用与防爆型式完整性有关的电缆引入装置非金属部件来确定(即密封圈)。耐热试验按照其最高工作温度是否超过75C分为两种情况:如果最高工作温度不超过75C时,应存放在相对湿度为90+/-5%、温度高于最高工作温度20+/-2C,至少为80C的环境中28天。如最高工作温度高于75C,以上规定的四周时间应由在温度95+/-2C、相对湿度为90+/-5%的环境中保持14天和接着在环境温度高于最高工作温度20+/-2K的空气箱中再保持14天代替。经过耐热试验的样品,在室温下静置24h后再进行耐寒测试,耐寒性能应能在最低工作温度降低5~10C的环境条件下保持24h。

3.2密封圈密封性能试验

隔爆型电缆引入装置应能通过密封性能试验,密封性能试验方法:首先采用清洁、抛光、干燥的低碳钢圆形芯棒,芯棒直径等于制造厂规定的密封圈允许的最小电缆直径。然后把密封圈安装在电缆引入装置内,并在压紧螺母上施加制造厂规定扭力,以保证I类2MPa液压II类3MPa液压下保证密封。装配后,安装在液压装置内,从上液体后液压逐渐上升,对于I类在2MPa压力下保持10s,II类在3MPa压力下保持10s。试验时,可使用颜色水作为液体,如果吸水纸上没有任何泄漏痕迹则认为满足密封要求。最后进行机械强度试验,试验方法是:在压紧元件上施加密封试验中所需扭力的2倍力矩,但施加的力矩值至少为圆形电缆所允许的最大电缆直径的3倍或非圆形电缆最大允许的电缆周长,试验后拆掉引入装置并检查其零件情况;若未发现任何元件损坏则认为试验合格。需要注意:密封圈的任何损坏可以忽略不计,因该试验的目的是为了说明电缆引入装置的机械强度满足其使用条件。

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3.3密封圈电缆夹紧试验

隔爆型电缆引入装置密封圈应能通过电缆夹紧试验。试验方法:首先将密封圈安装在制造厂规定的最小直径电缆上,或者将密封圈装在一个清洁、抛光、干燥的低碳钢圆形芯棒,芯棒直径等于制造厂规定的密封圈允许的最小电缆直径,芯棒最高表面粗糙度Ra为1.6m;然后对压紧元件施加制造厂规定的力矩来压紧密封圈,以防止电缆或芯棒滑动,最好把准备好的试验样品安装在拉力试验机上,对电缆或芯棒施加20倍电缆或芯棒直径的拉力,在环境温度20+/-5C条件下保持6h,如果电缆或芯棒的位移量不超过6mm,则认为密封圈电缆夹紧试验合格。

4.隔爆型电缆引入装置密封圈的设计分析

4.1隔爆型电缆引入装置密封圈设计要点分析

电缆装置的夹紧力来自压紧元件对密封圈的挤压,使密封圈变形从而对电缆抱紧;所以为了确保隔爆电缆引入装置的密封性能,必须使密封圈对电缆产生足够的抱紧力,同时还需满足严苛的耐热耐寒测试。我们知道,通常情况下弹性密封圈是硫化橡胶制作而成;而硫化橡胶会受温度、湿度的影响加速老化,从而逐渐失去弹性,进而影响电缆的密封性能。所以橡胶的工作温度范围、抗老化、抗撕裂等特性都是我们设计时需要着重考虑的。

另,密封圈的变形是通过施加在压紧元件的力矩来实现的;所以扭力也是我们关注的一个重点。通常情况下,我们需要通过试验确定一个合理的最小拧紧力矩,以保证电缆引入装置被正确可靠的安装和使用。

4.2隔爆型电缆引入装置密封圈夹紧力分析

当我们按照给定的力矩拧紧压紧元件时,压紧元件推动垫片给密封圈一个压力F;按照力学作用力与反作用力定律,密封圈也给垫圈一个大小相等、方向相反地反作用力F。因密封圈具有弹性,根据压力与压强公式:F=PS(因接触面积S跟电缆直径成正比,电缆越粗接触面积越大;而压强P一定);所以电缆越粗,密封圈对电缆的抱紧力越大。

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所以,我们只需考虑最小允许的电缆是否满足密封测试;如最小密封电缆满足密封性能试验,那最大的电缆由于电缆直径大,所以密封圈对电缆的抱紧力更大。

4.3隔爆型电缆引入装置密封圈结构分析

目前,在隔爆型电缆引入装置常见有两种密封圈结构:1)正压式密封圈;2)位移式密封圈。

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1)正压式密封圈

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2)位移式密封圈

正压式密封圈:一般外圈有一个类似的V型槽;当密封圈受到挤压时,由于V型槽处强度弱,V型槽变形夹紧电缆。这类密封圈通常:1.电缆密封圈范围较小,2当密封最大电缆时,密封圈对电缆的抱紧力往往过大;从而影响电缆的使用寿命。

位移式密封圈:一般前端有一段锥度,内孔也可以同样带锥度;这样当不同直径的电缆密封时,密封圈与电缆之间的接触点不同;这样可以避免电缆受到过大的抱紧力,从而影响电缆的绝缘性能,提供电缆的使用寿命。由于内孔一般也带有锥度,这样密封圈的电缆密封范围通常大于正压式密封圈。

5.结束语

密封圈的结构设计及橡胶材料的选择是隔爆型电缆引入装置的设计重点。现在为了满足客户在高温及极寒条件下的使用及宽范围的电缆密封范围;一般都采用耐高温、抗撕裂的硅橡胶,位移式的密封结构。

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