《海缆铠装用镀锌或锌合金钢丝》国家标准制订研究概况

摘要：《海缆铠装用镀锌或锌合金钢丝》国家标准研究概况，对钢丝自由圈径和翘高提出要求，机械性能指标项目有：抗拉强度、断后伸长率、扭转、缠绕，规定了钢丝镀锌或锌合金镀层技术内容。
关键词：海缆钢丝；标准；研究；镀层
 
一、前言
        海洋工程用光缆、电缆、光电复合缆、脐带缆铠装等类似用途的缆通称海缆。与海缆相配套的钢丝通常有两种：加强件用钢丝和铠装用钢丝。其中使用最多的是铠装用镀锌或锌合金钢丝，也是海缆制造中不可或缺的原材料。需要合适的强度、塑性、防锈性能等，以保证海缆在制造过程、铺设时及铺设后的张拉要求、防护要求和使用寿命。
        近年来，海缆生产技术发展较快，海缆铠装用钢丝的抗拉强度级别增多，所使用的钢材涵盖低碳、中碳和高碳钢，而现行的GB/T 3082-2008《铠装电缆用热镀锌或热镀锌-5％铝-混合稀土合金镀层低碳钢丝》标准仅涉及低碳钢丝，不能满足海缆的设计和制造要求。目前，钢丝厂家一般参照国外标准、客户标准、或自定企业标准组织生产，比较粗糙和不规范，从市场发展来看，需要尽快制定本标准，填补国内空白。
        《海缆铠装用镀锌或锌合金钢丝国家标准》（以下简称本标准）已于2011年9月经国家标准化管理委员会批准立项。根据全国钢标准化技术委员会“钢标委[2011]23号”关于下达2011年第一批国家标准制修订项目计划的通知，本标准由江苏法尔胜泓昇集团有限公司负责制订，项目编号：20110244-T-605，该标准为推荐性国家标准。
 
二、标准的主要内容
        1、适用范围
        本标准适用于海洋工程用光缆、电缆、光电复合缆、脐带缆铠装等类似用途的镀锌或锌合金圆形碳素钢丝（以下简称钢丝）。
        扁形、Z形、C形等异型钢丝在海缆中也开始应用，但是由于异型钢丝技术指标与圆形钢丝差异较大，本标准没有包括异型钢丝，以后等异型钢丝的使用量增加，再单独起草一个海缆用异型钢丝标准，或者在本标准下次修订时增加进来。
        2、尺寸、外形、重量及允许偏差
      （1）尺寸及允许偏差
        钢丝的公称直径和允许偏差应符合表1的规定。

表 1  钢丝直径及允许偏差（单位为毫米）

钢丝公称直径，d	允许偏差
2.12≤d＜3.15	±0.05
3.15≤d＜4.25	±0.06
4.25≤d＜5.30	±0.07
5.30≤d＜6.70	±0.08
6.70≤d＜8.50	±0.09
d≥8.50	±0.10

      （2）自由圈径和翘高

        钢丝的自由圈径应符合表2的规定。钢丝的翘高应不大于120mm。

         表 2  钢丝的自由圈径（单位为毫米 ）

钢丝公称直径，d	自由圈径
d＜3.0	≥600
d≥3.0	≥800

      （3）外形

        钢丝应成盘卷交货，钢丝不得有紊乱丝圈或成“∞”字形。盘卷的内径应为400～700 mm。
      （4）盘重
        每盘应由一根钢丝组成，每盘盘重不小于400 kg。经供需双方协商，也可按协议重量供货。
        3、技术要求
      （1）材料
        ①钢丝应选用符合GB/T 4354、GB/T 24242.2或质量相当的其他标准的碳素钢盘条制造，需方对牌号有要求时应在合同中注明，否则由供方确定。
        ②钢丝镀锌用锌锭应符合GB/T 470的规定，锌锭的牌号为Zn99.995或Zn99.99。
        ③钢丝镀锌合金用锌合金锭应符合YS/T 310-2008的规定，选用牌号为RZnAl5RE或RZnAl10，由需方在合同中注明。
      （2）接头
        对强度等级为340和650的钢丝，在拉拔之后和热镀之前允许每卷有一个接头，但接头位置至少应离端头100m以上。对强度等级为850、1050、1250、1450和1650的钢丝，拉拔之后不允许有接头。
      （3）机械性能
        ①抗拉强度
        钢丝的公称抗拉强度分为340、650、850、1050、1250、1450、1650七个等级，强度等级是钢丝抗拉强度的下限值。与强度等级相对应，钢丝以公称直径计算的抗拉强度应符合表3的要求。

表3  抗拉强度范围

强度等级	抗拉强度范围，Rm/MPa
340	340＜Rm≤540
650	650＜Rm≤850
850	850＜Rm≤1050
1050	1050＜Rm≤1250
1250	1250＜Rm≤1450
1450	1450＜Rm≤1650
1650	1650＜Rm≤1900
注1：1 MPa = 1 N/mm2。 注2：供需双方可商定其他强度等级。 注3：需方订购其他等级时，同样给定200 MPa的强度范围。 注4：需方订购的其他等级，如果与表中相邻较低等级的强度差异小于或等于100 MPa，则钢丝的性能指标按相邻较低等级；反之，按相邻较高等级。

        ②断后伸长率

        钢丝的断后伸长率应不低于表4、表5和表6的要求。拉伸试验的标距为250mm。
        ③扭转
        钢丝应能承受表4、表5和表6规定的扭转次数而不断裂。扭转试验的标距为150mm。
        ④缠绕
        钢丝应能承受缠绕试验，强度等级为850、1050、1250和1450的钢丝在直径等于自身直径的芯棒上紧密缠绕8圈，强度等级为1650的钢丝在直径等于自身直径的芯棒上紧密缠绕2圈，钢丝应不出现断裂或裂纹。

表4  340强度级钢丝的公称直径和机械性能

公称直径，d/mm	最小断后伸长率，A250/%	最小扭转次数，Nt150/次
3.35	10	18
4.00	10	15
4.25	10	14
4.50	10	13
4.75	10	13
5.00	10	12
5.30	10	11
5.60	10	11
6.00	10	10
6.30	10	10
6.70	10	9
7.10	10	8
7.50	10	8
8.00	10	8
8.50	10	7
注1：供需双方可协商其他公称直径。 注2：订购其他直径时，其断后伸长率和扭转次数执行相邻较大直径的规定。 注3：扭转试验标距采用100d时，扭转次数应不低于40次。

表5  650强度级钢丝的公称直径和机械性能

公称直径，d/mm	最小断后伸长率，A250/%	最小扭转次数，Nt150/次
2.65	5	13
3.35	6	10
4.25	6	8
5.00	6	7
注1：供需双方可协商其他公称直径。 注2：订购其他直径时，其断后伸长率和扭转次数执行相邻较大直径的规定。 注3：扭转试验标距采用100d时，扭转次数应不低于23次。

表6  850、1050、1250、1450、1650强度级钢丝的公称直径和机械性能

公称直径，d/mm	最小断后伸长率，A250/%					最小扭转次数，Nt150/次
	强度级					强度级
	850	1050	1250	1450	1650	850和1050	1250	1450	1650
2.12	5	4.5	4	3	2.5	16	14	12	10
2.24	5	4.5	4	3	2.5	15	13	11	9
2.36	5	4.5	4.5	3	2.5	15	13	11	9
2.50	5	5	5	3	2.5	14	12	10	8
2.65	5	5	5	3.5	3	13	11	9	8
2.80	5	5	5	3.5	3	12	11	9	7
3.15	5	5	5	3.5	3	11	9	8	7
3.35	5	5	5	4	3.5	10	9	7	6
3.55	5	5	5	4	3.5	10	8	7	6
4.00	5	5	5	4	4	9	7	6	5
5.00	5	5	5	4	4	7	6	5	4
5.30	5	5	5 a	4 a	4 a	7	6 a	5 a	4 a
6.00	5	5	5 a	4 a	4 a	6	5 a	4 a	3 a
a 该值仅供参考，由供需双方协商确定。
注1：供需双方可协商其他公称直径。 注2：订购其他直径时，其断后伸长率执行相邻较小直径的规定，扭转次数执行相邻较大直径的规定。 注3：扭转试验标距采用100d时，850级和1050级的扭转次数应不低于23次；1250级的扭转次数应不低于20次；1450级的扭转次数应不低于17次；1650级的扭转次数应不低于14次。

      （4）镀层

        ①镀层重量
        钢丝镀层重量应符合表7的规定。经供需双方协商，也可按协议的镀层重量供货。

表7  钢丝镀层重量

公称直径，d / mm	最小镀层重量/（g/m2）
d＜2.15	215
2.15≤d＜2.50	230
2.50≤d＜2.80	245
2.80≤d＜3.20	255
3.20≤d＜3.80	265
3.80≤d＜4.40	275
4.40≤d＜5.20	280
5.20≤d＜8.20	290
d≥8.20	300

        ②镀层厚度

        镀锌或锌合金层的大致厚度可用公式（1）计算：

 
        式中：
        δ——镀层厚度，单位为μm；
        W——镀层重量，单位为g/m²；
        ρ——锌或锌合金的密度，单位为g/cm³，见表8。

表8  锌和锌合金的密度

材料	密度，ρ/（g/cm3）
Zn	7.14
ZnAl5RE	6.58
ZnAl10	6.13

        ③镀层附着力

        钢丝镀层应附着牢固，钢丝以不超过15r/min的速度在直径为钢丝公称直径3倍的芯棒上紧密缠绕8圈，镀层不得开裂，用手指摩擦镀层不应产生脱落或起皮。
        ④锌合金镀层中的铝含量
        锌-5%铝混合稀土合金镀层中的铝含量不小于4.2%，锌-10%铝合金镀层中的铝含量不小于9.0%。
        ⑤镀层均匀性
        经供需双方协议，钢丝镀锌层可进行硫酸铜试验，浸渍次数可按表9的规定。

表9  硫酸铜试验浸渍次数

公称直径，d / mm	最小镀锌层重量/（g/m2）	硫酸铜试验（浸渍次数） 不小于
		60S	30S
d＜2.15	215	2	--
2.15≤d＜2.50	230	2	1
2.50≤d＜2.80	245	2	1
2.80≤d＜3.20	255	3	--
3.20≤d＜3.80	265	3	--
3.80≤d＜4.40	275	3	--
4.40≤d＜5.20	280	3	1
5.20≤d＜8.20	290	3	1
d≥8.20	300	4	--

        目前，大多数厂家生产的锌合金镀层钢丝一般不进行硫酸铜试验。如供需双方协议要求进行钢丝镀合金锌层的硫酸铜试验，浸渍次数比表9规定的次数减少一次。

      （5）表面质量
        ①钢丝镀层应连续、均匀，不应有裂纹、漏镀等影响使用的表面缺陷。
        ②钢丝镀层允许存在不影响使用的局部斑点、闪点、个别锌瘤和竹节等不规则，但锌瘤和竹节处的局部加大值不应超过允许正偏差的2倍。
        4、检验方法与组批规则
      （1）钢丝的检验项目、要求和方法应符合表10的规定。

表10  检验项目和要求

检验项目	检验性质	检验方法	取样数量	检验要求
直径	强制性	千分尺测量	逐盘	a
自由圈径和翘高	非强制性	钢卷尺或钢直尺测量	协议	b
抗拉强度	强制性	GB/T 228.1	盘数的10%	c
断后伸长率	强制性	GB/T 228.1	盘数的10%	标距250mm
扭转性能	强制性	GB/T 239.1	盘数的10%	标距150mm
缠绕性能	非强制性	GB/T 2976	协议	7.3.1
镀层重量	强制性	GB/T 1839	盘数的10%	——
镀层附着力	强制性	GB/T 2976	盘数的10%	7.4.2
锌合金镀层中的铝含量	非强制性	YB/T 5357-2009附录A	协议	——
镀层均匀性	非强制性	GB/T 2972	协议	——
表面质量	强制性	目测	逐盘	7.5
a 用精度为0.01mm的千分尺，在同一横截面两个相互垂直的方向上，两次测量所得直径的算术平均值。考虑到热镀锌表面不是很光洁、平整，测量应在表面较均匀的区域进行。 b 用精度为1mm的钢卷尺或钢直尺测量。 c 钢丝截面积按公称直径计算。

      （2）除供需双方另有协议外，钢丝应按批验收，每批应由同一公称直径、同一强度等级、同一镀层类别的钢丝组成。

 
三、总结
        江苏法尔胜泓昇集团有限公司（原江阴钢绳厂）有着50年的钢丝、钢丝绳金属制品生产经验，他们的钢丝制品事业部技术研发团队为我国通信光线光缆用钢丝和钢绞线的国产化，做出了卓越的贡献。1985年，他们开发光缆用各种规格的镀锌钢绞线，通过鉴定并评为的国家级重点新产品；1990年，开发光缆用各种规格的镀锌钢丝，通过鉴定并评为江苏省优秀新产品金牛奖；1995年，开发通信光缆用的各种规格磷化钢丝，通过鉴定还获得江苏省科技进步奖，并列入国家级重点新产品试产计划项目；2007年，开发出光缆用各种粗规格的海缆用热镀锌钢丝。承担全国钢标准化技术委员会钢丝绳分技术委员会（SAC/TC183/SC12）秘书处和国际标准化组织钢丝绳技术委员会（ISO/TC 105）秘书处的工作。负责制、修订GB/T 24202--2009 《光缆增强用碳素钢丝》等国家标准五项、GJB 8132--2013《军用光缆金属加强材料规范》国家军用标准一项、YB/T 098-2012《光缆增强用碳素钢绞线》行业标准三项和大量的地方标准，积累了光纤光缆用加强芯和铠装材料开发、生产的大量资料。
        1、标准制订概况
        我公司的本标准制订项目于2010年提出立项申请，2011年经上级标准化主管部门批准并下达任务，接到任务后立即成立了标准起草小组，并讨论和制定了工作计划。
        标准起草小组收集分析了国内外相关标准、技术资料、文献信息、用户技术要求等，对有关技术数据和方法进行了验证。
        标准起草小组对国内外钢丝生产单位、海缆生产、研究等相关单位进行了调研和交流，了解了该类产品的生产、使用、研发现状和发展趋势，调查了该产品的实物质量状况等，采集了大量测试数据并分析对比和处理。
        2014年5月完成了本标准的征求意见稿，并发往全国有关单位征求意见。
        2014年9月前收到南通质检所、江苏亨通光电股份有限公司、中天科技海缆有限公司三家单位的14条反馈意见。
        2014年9月，标准起草小组分别与江苏亨通光电股份有限公司、中天科技海缆有限公司进行面对面交流，在进一步听取用户意见和建议的基础上，对标准内容进行充实、完善和修订，最终完成本标准的送审讨论稿。
        2014年10月25日前，收到咸阳宝石钢管钢绳有限公司和浙江森旺金属制品有限公司2家单位的反馈意见。
        2014年11月3日，本标准起草小组对反馈的意见进行讨论，对标准内容进行修改，完成本标准的送审稿上报进行审定。
        2、采标对象确定
        标准起草小组查阅了国内外有关标准资料，查到的只有欧盟标准EN 10257-2:2011《电力电缆或通信电缆铠装用镀锌或锌合金非合金钢丝 第2部分：海底电缆》（英文版），美国、日本等发达国家目前均未发布海缆铠装用钢丝标准。因此，确定EN 10257-2:2011为本标准采标对象，本标准修改采用EN 10257-2:2011。
标准水平已达到国际先进水平。
        本标准与EN 10257-2:2011的技术性差异及其原因（见表11）：

表11

本标准章节号	技术性差异	原    因
2	引用与国际标准对应的国家标准。	适应我国国情。
3	增加术语“自由圈径”和“翘高”。	增加术语是便于使用标准。
4	增加了分类。	区分镀层类别。
	增加了标记示例。	便于供需双方交货使用。
6	加严直径公差。	满足用户的要求。
	增加自由圈径和翘高的规定。
	增加盘卷尺寸规定。
	增加盘重规定。
7.1	采用国标钢材，增加锌和锌合金材料要求。	适应我国国情。
7.3.1	将抗拉强度要求由根据实测直径计算修改为根据公称直径计算。	符合我国行业传统习惯。
7.3.2	中高强度钢丝订购其他直径时，其断后伸长率改为执行相邻较小直径的规定，扭转次数改为执行相邻较大直径的规定，与EN 10257-2:2011相反。	EN 10257-2:2011要求过高，难以达到，可能存在表述错误。
7.4	增加镀层厚度的计算规则。	方便用户使用。
7.5	对允许存在的、不影响使用的锌疙瘩和竹节的局部加大值作出了规定。	满足用户的要求，减少供需双方的质量异议。
8	划分强制性和非强制性检验项目	区分检验项目的重要性。
	钢丝实际直径的测量方法由三个截面的6次测量改为一个截面的2次测量，在表面较均匀的区域进行。	符合我国行业传统习惯。
	钢丝的抗拉强度由以实际直径计算改为以公称直径计算。
9	增加数值修约规则。	统一检验数值的修约与判定规则。
	强制性检验项目的试验频次由2%改为10%以上。	加严试验频次，满足用户的要求。
10	规定执行GB/T 2103。	符合我国产品标准要求。
	规定质量证明书提供钢材化学成分。	满足用户的要求。

        3、对镀层的规定

        对用户提出的耐腐蚀等效寿命（盐雾试验）要求，标准起草小组经查阅大量资料，认为盐雾试验时间与镀层成分、厚度、均匀性、致密性、附着性、锌铁合金厚度、有无钝化层等都有关系。目前，尚无镀层重量与盐雾试验时间之间的统一的对照表，不能在标准中明确规定。但是，镀层越厚，盐雾时间越长，抗腐蚀能力越强，这是确定的。另外，研究表明，ZnAl5镀层的抗腐蚀性是锌镀层的1.5～2倍；ZnAl10镀层的抗腐蚀性是锌镀层的2.5～3倍，见下图1。

图1

 
四、结束语
        海洋资源开发和利用是一个不断成长的新兴市场，未来五到十年是我国海洋工程装备制造业发展的关键时期。海缆在越洋通信、近海油气田、科学观察、海洋安全监察等领域发挥积极的作用，需求量将逐年增加，与之配套的海缆用镀锌及锌合金钢丝将同步增长，市场前景十分广阔。
        本标准将作为海缆钢丝生产、监督、检验的依据，起到保证产品质量、规范市场、满足海缆产品的专业化、个性化需求的功能，指导海缆用材料的协调化、规范化，发展和提高海缆的质量水平，促进海缆产业的发展。
        本标准将引导国内钢丝生产企业加大技术创新和设备投入，形成生产规模，提升产品质量，替代进口产品，打破国外垄断。
 
 
参考文献
[1]中华人民共和国国家质量监督检验总局.铠装电缆用热镀锌或热镀锌-5％铝-混合稀土合金镀层低碳钢丝.中华人民共和国国家标准，GB/T 3082-2008.
[2] 中华人民共和国国家质量监督检验总局.海底光缆规范.中华人民共和国国家标准，GB/T 18480-2001.
[3] 中华人民共和国国家质量监督检验总局.光缆增强用碳素钢丝.中华人民共和国国家标准，GB/T 24202-2009.
[4] 中华人民共和国工业和信息化部.钢丝镀层  锌或锌-5%铝合金.中华人民共和国黑色冶金行业标准，YB/T 5357-2009.
[5]国家发展和改革委员会.热镀用锌合金锭. 中华人民共和国有色冶金行业标准，YS/T 310-2008.
[6] 蒋冶鑫.锌5％铝-稀土合金镀层取代纯锌镀层是镀层钢丝生产的一种趋势. 2003年三峡送电工程用导、地线技术研讨会论文集，武汉，2003.