Срок службы кабеля под сомнением. Критический анализ методов оценки надежности и долговечности кабельных изделий и полимеров

Авторы и источники / Правообладателям

Данная статья является адаптацией оригинальной статьи О.К. Барашкова, "Проблемы рационального подхода к рассмотрению процесса старения кабельных изделий. Срок службы. Практические значения"., присланной в редакцию RusCable.Ru 11 августа 2025 года. Материал был адаптирован и переработан для широкого круга читателей и специалистов кабельного рынка. Оригинальный текст статьи доступен для ознакомления по ссылке.

Словосочетание “срок службы” является на протяжении многих лет настолько общеупотребляемым, что наличие количественных его значений в документации на кабели будь это ГОСТ или ТУ как бы ставит точку в рассмотрении проблемы и она по умолчанию признается как бы решенной.

Это словосочетание настолько прочно вошло в наш обиход, что его количественные значения, представленные в документации на кабели, будь то ГОСТ или технические условия, воспринимаются как нечто неоспоримое, ставящее точку в вопросе надежности. Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что за этой, казалось бы, завершенной формулировкой скрывается целый ряд нерешенных проблем и методологических неточностей, которые значительно снижают практическую ценность данного понятия.

Если мы обратимся к стандартам, регулирующим кабельную продукцию, таким как ГОСТ 31996-2012 и ГОСТ 55025-2012, то увидим, что количественные значения срока службы кабельных изделий там представлены в виде ряда чисел: 25, 30, 35 и 40 лет. Однако, что удивительно, само определение понятий "надежность" и "срок службы" в этих документах отсутствует. За ним нам приходится обращаться к ГОСТ 27.002-2015 "Надежность в технике. Термины и определения", где "надежность" определяется как свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции, а "срок службы" – как календарная продолжительность эксплуатации объекта до достижения предельного состояния. Важно заметить, что речь здесь идет именно об "объекте" в целом, а не конкретно о кабеле.

Выписка из ГОСТ 31996-2012. Пункт 5.6.2

Далее, ГОСТ 31996-2012 в пункте 8.7 предписывает проводить проверку срока службы методом термического старения по методикам, разработанным в соответствии с ГОСТ 27.41-87, и требовать их включения в технические условия для конкретных марок кабелей.

Выписка из ГОСТ 31996-2012. Пункт 8.6

Выписка из ГОСТ 31996-2012. Пункт 8.7

При анализе ГОСТ 27.410-87 становится очевидно, что этот стандарт распространяется на "изделия" в широком смысле, а не исключительно на кабели. Он описывает общие требования к испытаниям на надежность, но не дает конкретных методик, применимых к кабелям. ГОСТ 27.301-95 также трактует общие вопросы, вводя важное понятие «время достижения предельного состояния» (ВДПС). Таким образом, информация в этих стандартах не позволяет напрямую разработать конкретные методики определения срока службы кабелей, в том числе из-за отсутствия надлежащего определения самого понятия применительно к ним.

Более конкретные подходы к определению срока службы можно найти в ГОСТ 70.128-2022. В пункте 5.2.5 этого стандарта указывается, что зависимость между наработкой и температурой должна быть прописана в технических условиях на кабели конкретных марок, что явно указывает на температуру как на ключевой параметр, влияющий на срок службы. Далее, пункт 8.6 ГОСТ 70128-2022 отсылает к ГОСТ 27.403 и ГОСТ 27.301, а также к ГОСТ 27.710-88 «Материалы изоляционные. Общие требования к методу испытаний на нагревостойкость». Именно этот стандарт, ГОСТ 27.710-88, проясняет суть: срок службы – это время достижения предельного состояния материала при выбранной температуре эксплуатации.

Выписка из ГОСТ 27.710-88. Пункт 4.2

И вот здесь мы сталкиваемся с важнейшей проблемой: в стандартах на кабельную продукцию, где указаны конкретные значения срока службы, ничего не говорится о "выбранной температуре эксплуатации". Без этого ключевого параметра приведенные значения "срока службы" буквально "висят в воздухе", не имея практической привязки. Количественная обработка экспериментальных данных по термостарению, как в российской, так и в европейской документации, основывается на допущении справедливости подхода Аррениуса к температурной зависимости срока службы, используя понятие "энергия активации процесса старения". Например, для наиболее распространенного ПВХ пластиката И40-13а энергия активации термостарения составляет 85 кДж/моль. Используя эту величину и взяв за основу срок службы 30 лет при 50 градусах Цельсия (как это часто принимается в литературных источниках, относящихся к кабельным материалам), мы можем рассчитать температурную зависимость срока службы.

Результаты таких расчетов следующие: при температуре эксплуатации 20°C срок службы составляет 220 лет, при 50°C – 30 лет, при 70°C – всего 4,7 года, а при 150°C – лишь 0,017 года, или примерно 6 дней! Это демонстрирует экспоненциальную зависимость срока службы от температуры. Более того, анализ различий между сроками службы 25, 30, 35 и 40 лет показывает, что эти различия достигаются изменением температуры всего на несколько градусов.

Таблица 1. Температурная зависимость срока службы.

Например, если при 50°C срок службы составляет 25 лет, то для достижения 25 лет при исходном сроке службы 30 лет температура должна быть 51,9°C. Для 60 летнего срока службы при тех же условиях требуется всего 59,6°C. Очевидно, что на практике мы не можем с такой точностью контролировать или даже описать температурную историю кабеля. В связи с этим, ряды значений срока службы в стандартах теряют свой практический смысл, а разница в 25 и 60 лет срока службы не является "непроходимой пропастью", а всего лишь следствием разницы в температурах около 10 градусов.

Таблица 2. Зависимость срока службы от температуры

Таким образом, из проведенного анализа можно сделать несколько принципиальных выводов. Во-первых, отсутствует четкое определение понятия срока службы кабелей в стандартах. Во-вторых, нет описания конкретных методик определения срока службы кабеля. В-третьих, последовательное рассмотрение стандартов и источников приводит к пониманию, что на самом деле речь идет о сроках службы материалов, полученных с использованием определенных процедур, а не о сроке службы готового кабельного изделия. Строго следуя ГОСТ 27.710-88, результатом эксперимента является определение времени достижения предельного состояния материала.

Это становится особенно явным при рассмотрении чертежа 2 из ГОСТ 27.710-88, который показывает экспериментальные кривые определения ВДПС. Измеряемой величиной является относительное удлинение при разрыве, и критерием достижения предельного состояния выбирается определенное значение этого параметра (например, 50% от исходного). Чтобы получить достоверное значение ВДПС при заданной рабочей температуре, измерения проводятся при нескольких повышенных температурах, а затем данные экстраполируются. Процедура экстраполяции неизбежна, так как для проведения эксперимента в разумные сроки необходимо поднимать температуру, но превышение диапазона экстраполяции (в ГОСТ 27.710-88 это 25 градусов Цельсия, а в некоторых случаях до 150 градусов) может привести к значительным ошибкам.

Чертеж 2 из ГОСТ 27.710-88

Еще одна важная деталь: определение энергии активации проводится на образцах определенной формы и размеров в изотермическом режиме. При переносе этих результатов на кабельное изделие возникает дополнительная неопределенность. Кабели с разной толщиной оболочки и разной температурной историей, даже из одного и того же материала, будут иметь различное реальное время службы. Более того, температура на поверхности оболочки кабеля не равна температуре на жиле, особенно когда кабель находится под током, что создает градиент температуры по толщине оболочки, и это вносит еще большую неопределенность, учитывая экспоненциальную зависимость ВДПС. Дополнительно осложняет ситуацию отсутствие учета температуры и теплопроводности среды, контактирующей с внешней поверхностью оболочки.

Скриншот из документа «Кабельная витрина» — обезличенное сравнительное исследование образцов кабеля ВВГнг(А)-LS 3x1,5 мм² разных производителей. Образцы зажаты между линейками с миллиметровой шкалой; даже визуально заметны значительные различия по толщине оболочки, изоляции и жилы. При этом большинство образцов заявляют полное соответствие требованиям ГОСТ 31996‑2012.

В свете всего вышеизложенного, фраза из ГОСТ 31996-2012 «Срок службы кабеля должен быть выбран из ряда 25, 30, 35 и 40 лет» практически теряет всякий смысл. И если мы заглянем в реальные технические условия, например, ТУ 16.К.71-310 или 16.К.71-337, то увидим там указание срока службы в 30 лет, но не найдем методик, разработанных в соответствии с ГОСТ 27.410-87. Возникает вопрос: создает ли отсутствие этих методик реальные проблемы при эксплуатации? Парадоксально, но нет.

Устойчивость ПВХ пластикатов в отношении термостарения зависит от характеристик используемых пластификаторов. Кабели, произведенные с использованием пластикатов по ГОСТ 5960-72, эксплуатируются более 50 лет, и срок их службы в реальности не является актуальной проблемой для отрасли. Это наводит на мысль, что численное значение срока службы – это скорее периферийная проблема.

Таблица 3. Рекомендации фирмы BASF по применению пластификаторов в ПВХ- пластикате

Некорректность формулировок и их практических реализаций, связанных с понятием "срок службы", не отменяет необходимости в количественных характеристиках устойчивости кабельных полимеров и изделий к тепловому старению. До сих пор мы рассматривали кабельные изделия в рамках стандарта 31996-2012, где допустимая температура эксплуатации составляет 70 градусов Цельсия. Но что делать в тех областях применения, где температура эксплуатации меняется в широких пределах?

Здесь на помощь приходят температурные классы, как показано на рисунке 3.

Температурные классы для различных типов полимерных композиций. Пирамида классификации пластиков.

Практическая реализация такого подхода видна в стандарте ISO 6722 для автопроводов. Он определяет температурные классы (от А до Н) с соответствующими диапазонами рабочих температур (например, от -40 до 85°C для класса А до -40 до 250°C для класса Н). Для отнесения кабельного изделия к тому или иному классу предусмотрены длительные (3000 часов) и короткие (240 часов) испытания при определенных температурах старения. Фактически, это применение концепции температурного индекса, изложенной в ГОСТ 27.710-88, где температурный индекс – это температура, при которой ВДПС составляет 20 000 часов. Эта концепция учитывает экспоненциальный характер зависимости скорости процессов термостарения от температуры и может быть использована при выборе материалов для кабельных изделий с определенными температурными интервалами эксплуатации. Экспериментально полученные значения температурного индекса имеют гораздо меньшую погрешность, чем ВДПС, и гораздо более конкретный смысл.

Таблица 4. Температурные классы, используемые для автопроводов

Таблица 5. Температурные классы, используемые для автопроводов

Как видно из содержания таблицы 5 для отнесения изделия к тому или иному температурному классу, оно должно выдерживать испытания при соответствующей температуре в течение заданного периода времени. То есть фактически мы имеем применение концепции температурного индекса, изложенного в стандарте 27.710-88. Согласно этому стандарту, температурный индекс – это температура, при которой ВДПС составляет 20 000 часов.

Важно отметить, что в американском стандарте UL 1581 также отсутствует термин "срок службы", и вопросы применения материалов решаются с помощью подвижной температурной шкалы ускоренных испытаний. Аналогично, европейские стандарты на кабель (например, IEC 60502-1 и IEC 60840) не содержат понятия "срок службы" в привычном нам виде, вместо этого они устанавливают температуру ускоренного теплового старения на 7-10 суток для каждого типа материала, фактически решая вопрос применимости материалов через испытательную температуру.

Подводя итоги, можно с уверенностью сказать, что понятие «срок службы» в его текущей реализации имеет ряд существенных изъянов при попытках практического применения. Методики определения ВДПС, хотя и трудоемкие и длительные, оказываются некорректными для реального производственного процесса, а ускоренные методики часто не имеют ничего общего с реальными. Основные недостатки заключаются в подмене объекта испытания (материалы вместо кабелей), отсутствии учета реальной температурной истории кабеля в условиях эксплуатации, а также в том, что численные значения срока службы могут быть достоверны лишь для кабелей, работающих в строго изотермических условиях, что практически невозможно. Таким образом, понятие "срок службы" становится чисто номинальным.

Мы имеем все основания заключить, что вследствие экспоненциальной зависимости скорости деградации процессов в кабельных компаундах от температуры, более эффективным для оценки долговременной работоспособности кабеля является подход с применением подвижной температурной шкалы и температурных индексов, а не подход, основанный на фиксированном численном значении срока службы. Это позволит нам перейти к более точной и практически значимой оценке долговечности кабельных изделий.