ASTM B987/B987M-20
Стандартные спецификации для композитного сердечника с термореактивной полимерной матрицей из углеродного волокна (CFC) для использования в воздушных проводниках

Стандартный №

ASTM B987/B987M-20

Дата публикации

2020

Разместил

American Society for Testing and Materials (ASTM)

состояние

быть заменен 2025-09

быть заменен

ASTM B987/B987M-25

Последняя версия

ASTM B987/B987M-25

сфера применения

Обзор стандарта и техническая база

ASTM B987/B987M-20 — это техническая спецификация для армированного углеродным волокном термореактивного полимерного композитного сердечника (CFC) для воздушных силовых проводов. Впервые опубликованный в 2014 году и пересмотренный в 2020 году, этот стандарт отражает зрелое применение технологии углеродного композитного сердечника в секторе передачи электроэнергии. В качестве альтернативы традиционному стальному сердечнику углеродный композитный сердечник обладает такими преимуществами, как малый вес, высокая прочность и низкий коэффициент теплового расширения, что делает его особенно подходящим для линий электропередачи, работающих в особых условиях, таких как длинные пролеты и сильное обледенение.

Стандарт использует двойные единицы (имперскую и СИ) и охватывает изделия из композитного сердечника диаметром от 0,180 до 0,500 дюйма (от 4,57 до 12,7 мм). Он четко определяет свойства материалов, методы испытаний и требования к контролю качества. Стандарт, разработанный Комитетом ASTM B01 по электрическим проводникам, воплощает принципы стандартизации Международной организации по стандартизации (Комитет ВТО по ТБТ).

---

Классификация продукции и система классов

Стандарт разделяет сердечники из композитных материалов из углеродного волокна на три класса прочности для соответствия требованиям различных инженерных сценариев:

Параметры производительности	Стандартная прочность (CFC1)	Высокая прочность (CFC2)	Сверхвысокая прочность (CFC3)
Предел прочности на разрыв	≥250 ksi (1724 МПа)	≥310 ksi (2137 МПа)	≥375 ksi (2586 МПа)
Температура стеклования	180-250°C	180-250°C	180-250°C
Толщина гальванического защитного слоя	≥0,38 мм	≥0,38 мм
Требование к диаметру изгиба	100 диаметров сердечника	50 диаметров сердечника	60 диаметров сердечника
Модуль упругости при растяжении	111,7 ГПа	111,7 ГПа	146 ГПа

Различия в классах прочности в первую очередь обусловлены различиями в типе и дозировке углеродного волокна. В классе стандартной прочности используется обычное углеродное волокно, в классе высокой прочности — среднемодульное высокопрочное волокно, а в классе сверхвысокой прочности — высокомодульное высокопрочное волокно. Градиенты производительности достигаются за счет регулирования объемной доли волокна.

---

Подробное объяснение основных технических требований

Состав и структура материала

CFC состоят из непрерывных пучков углеродных волокон и термореактивной полимерной матрицы. Внешний слой должен включать гальванический барьерный слой. Размер пучков углеродных волокон варьируется от 1К (1000 волокон в пучке) до 50К (50000 волокон в пучке). Матрица представляет собой высокомолекулярный органический полимер и формируется с помощью процесса пултрузии. Гальванический барьерный слой изготовлен из непроводящего материала для предотвращения электрохимической коррозии, вызванной прямым контактом между углеродными волокнами и алюминиевыми прядями.

Требования к механическим свойствам

Испытание прочности на растяжение проводится в соответствии с ASTM D3916, а расчеты основаны на общей площади поперечного сечения, включая барьерный слой. Стандарт особо подчеркивает критическую роль динамического механического анализатора (ДМА) в определении температуры стеклования. Он требует пика модуля потерь в качестве основы для определения Tg, а не метода температуры начала, как указано в стандарте D7028. Это обеспечивает единообразие результатов испытаний в разных лабораториях.

Испытание на изгиб

Испытание на изгиб играет ключевую роль в проверке пригодности образца к установке: образец изгибается на 180 градусов вокруг оправки заданного диаметра с одновременным приложением нагрузки, составляющей 7,5% от номинального предела прочности на разрыв, в течение 60 секунд. После этого испытания необходимо провести капиллярный контроль (ASTM D5117) и испытание на растяжение после изгиба, чтобы убедиться в отсутствии внутренних повреждений.

---

Система испытаний и сертификации

Тип испытания	Испытание проверки конструкции	Плановое испытание	Частота проведения
Испытание на растяжение	✓	✓	Отбор образцов в начале и конце каждой партии
Температура стеклования	✓	✓	Отбор образцов в начале и конце каждой партии
Испытание на термическое воздействие	✓	-	При изменении материала
Испытание на термическую прочность	✓	-	Изменение материала
Испытание на изгиб	✓	-	Проверка конструкции

Испытание проверки конструкции гарантирует, что конструкция, материалы и производственные процессы CFC соответствуют стандартам, и проводится во время начального производства или при изменении материала. Плановое тестирование включает в себя отбор проб в начале и в конце каждой производственной партии для обеспечения постоянного качества продукции.

---

Требования к тепловым характеристикам и долговечности

Стандарт предъявляет строгие требования к термической стойкости к CFC: после 52 недель воздействия температуры ниже номинальной Tg минус 10°F (5°C) материал должен сохранять не менее 95% своей номинальной прочности на растяжение. Испытание на термическое напряжение требует, чтобы образцы сохраняли 95% прочности в течение 1000 часов при 25% от номинальной нагрузки и повышенной температуре.

Непрерывная рабочая температура ограничена температурой термического воздействия минус 20°C, что обеспечивает запас прочности для инженерного проектирования. Испытание проводится в печи с принудительной циркуляцией воздуха ASTM D5423 Тип I, при этом концы образцов могут выступать на 150 мм за пределы стенки печи для предотвращения торцевых эффектов.

---

Требования к контролю качества и проверке

Допуск на диаметр контролируется в пределах ±0,002 дюйма (0,05 мм). Измерения должны проводиться как минимум в трех точках равномерно по окружности, и берется среднее арифметическое максимального и минимального значений. Толщина гальванического экрана определяется металлографическим исследованием, минимальная толщина составляет 0,015 дюйма (0,38 мм).

Стандарт прямо запрещает использование соединений в готовом CFC, а углеродное волокно должно быть непрерывным на всем протяжении. Сращивание допускается только в процессе производства экрана, но спецификации диаметра должны быть соблюдены. Производители должны указывать максимальную производственную длину несоединенного углеродного волокна.

---

Характеристики упаковки и транспортировки

Требования к упаковке отражают особую защиту для хрупких материалов: диаметр рулона должен быть не менее 36 дюймов (914 мм), сначала он должен быть обернут бумагой, затем закреплен стрейч-пленкой 80-го калибра, и, наконец, обернут оргалитом толщиной 1/8 дюйма (3 мм) и укреплен пластиковой лентой. Каждая упаковка должна сопровождаться прочной водонепроницаемой этикеткой с указанием параметров сердечника и информации о прослеживаемости.

Допуск по длине обычно составляет 2%, если иное не указано покупателем. Необходимо предотвращать повреждения во время транспортировки, особенно при операциях, которые превышают минимальный радиус изгиба.

---

Рекомендации по инженерному применению

Факторы выбора

При выборе CFC, помимо класса прочности, ключевыми соображениями являются: условия температуры окружающей среды (которые определяют требования Tg), радиус изгиба при установке, сопротивление ледовой нагрузке и характеристики провисания. Сверхпрочный CFC3 подходит для проектов с большими пролетами, в то время как стандартно прочный CFC1 подходит для общей реконструкции линии.

Меры предосторожности при монтаже

Во время монтажа необходимо использовать специальное оборудование для снятия натяжения, а радиус изгиба должен строго контролироваться, чтобы избежать острого контакта. Рекомендуется пройти обучение перед монтажом, чтобы гарантировать, что строительный персонал знаком с особыми требованиями к обращению с сердечниками из композитных материалов из углеродного волокна.

Осмотр и техническое обслуживание

Во время эксплуатации можно использовать инфракрасный тепловизор для обнаружения аномального нагрева, а также следует регулярно проверять герметичность концевых фитингов. Использование инспекционного оборудования, такого как ползающие роботы, на рабочих проводниках из CFC не рекомендуется во избежание повреждения поверхностного защитного слоя.

---

Проблемы и меры противодействия при внедрении стандарта

Основные проблемы при внедрении включают: высокие требования к испытательному оборудованию (особенно к оборудованию для ДМА и термического старения), межлабораторное сравнение данных и контроль качества на месте. Рекомендуется создать систему сертификации поставщиков, усилить инспекции на месте и поддерживать техническую связь с производителями.

Благодаря снижению стоимости углеродного волокна и развитию технологии, технология CFC предлагает значительные преимущества в таких сценариях, как передача сверхвысокого напряжения, прибрежные коррозионные среды и густые лесные массивы. Этот стандарт предоставляет технические гарантии качества продукции и инженерной безопасности, а также способствует стандартизированному применению композитных сердечников из углеродного волокна в энергетической отрасли.