大長(zhǎng)度超高壓海底電纜交聯(lián)控制要點(diǎn)

孫達(dá)威， 狄 健， 宋程成， 胡宇平， 管晨曉

（江蘇亨通高壓海纜有限公司，江蘇常熟215537）

0 引 言

隨著海洋和島嶼資源的開發(fā)，超高壓海底電纜的需求與日俱增。大長(zhǎng)度海底電纜的制造相當(dāng)復(fù)雜，其中絕緣線芯的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)擠出交聯(lián)工序［1］尤為重要。對(duì)于交聯(lián)的質(zhì)量管控來(lái)說(shuō)，設(shè)備選型、原材料選擇和工藝過(guò)程控制每個(gè)環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，也是目前海纜監(jiān)造過(guò)程中的核心關(guān)注點(diǎn)［2］。

1 設(shè)備選型

超高壓海底電纜交聯(lián)生產(chǎn)線目前主要有立式交聯(lián)生產(chǎn)線（VCV）和懸鏈?zhǔn)浇宦?lián)生產(chǎn)線（CCV）兩種。

VCV生產(chǎn)線根據(jù)其管路布局方式又分為U型、L型、V型3種。其中U型VCV在生產(chǎn)過(guò)程中，交聯(lián)線芯需通過(guò)3個(gè)轉(zhuǎn)向輪完成收線，其優(yōu)勢(shì)為布局緊湊，幾乎可完全安裝于立塔內(nèi)，占用較少的車間地面空間；L型VCV在生產(chǎn)過(guò)程中，交聯(lián)線芯僅需通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)向輪即可完成收線，但需要占用較大的地面空間，空間利用率低；V型VCV結(jié)合了L型僅需通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)向輪的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)將所占用的地面空間轉(zhuǎn)移至地下，無(wú)需占用較大的地面空間，但其安裝成本較高，且在生產(chǎn)過(guò)程中不易進(jìn)行檢修。目前U型VCV為各廠商的主流選擇。不論何種形式的VCV，其都憑借垂直布局的特點(diǎn)，可以從根本上解決因熱態(tài)熔融狀的絕緣層受重力作用下垂造成的偏心度偏大的問(wèn)題，在生產(chǎn)過(guò)程中可以更加便捷和穩(wěn)定地控制絕緣層的偏心度，在絕緣層厚度較大的超高壓電纜上尤為明顯，但VCV需垂直安裝于一座立塔內(nèi)，塔高一般需140 m以上，初始投資較大［3］。

CCV有著初始投資小、布局相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于中壓電纜的生產(chǎn)，但由于其懸鏈?zhǔn)讲季值奶攸c(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中熱態(tài)熔融狀的絕緣層受到重力的作用，容易下垂造成偏心度偏大，對(duì)于絕緣層厚度較大的超高壓電纜的控制尤為困難。然而隨著生產(chǎn)工藝和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，CCV也有了顯著進(jìn)步，德國(guó)特樂(lè)斯特（Troester）和瑞士麥拉菲爾（Maillefer）公司分別在其CCV上配備了圓度穩(wěn)定系統(tǒng)（TROSS）并采用進(jìn)端熱處理技術(shù)（EHT），均采用在上端密封和第一段硫化管中充入氮?dú)鈱?duì)交聯(lián)線芯表面進(jìn)行冷卻的方式，使絕緣層產(chǎn)生向內(nèi)的收縮而減小下垂，同時(shí)配合前后雙旋轉(zhuǎn)牽引，使交聯(lián)線芯在硫化管中穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，避免絕緣層沿同一方向下垂，以減小絕緣層的偏心度［4］。目前在高壓電纜的生產(chǎn)中已得到了廣泛的應(yīng)用，但在大長(zhǎng)度超高壓海底電纜的生產(chǎn)中仍然缺乏驗(yàn)證和應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)海纜廠商仍然優(yōu)先選用VCV進(jìn)行生產(chǎn)。

2 原材料選擇

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）憑借其優(yōu)良的電氣性能、耐熱性能、機(jī)械性能以及制造工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、便于敷設(shè)和維護(hù)等特點(diǎn)，已成為目前超高壓電纜主流的絕緣材料。交聯(lián)的原理是交聯(lián)聚乙烯受熱后，交聯(lián)劑分解為化學(xué)活性很高的游離基，這些游離基奪去聚乙烯分子中的氫原子，使聚乙烯主鏈上產(chǎn)生活性游離基，被活化的聚乙烯分子鏈相互結(jié)合，產(chǎn)生C—C交聯(lián)鍵，使聚乙烯分子由線性結(jié)構(gòu)形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在保留了聚乙烯優(yōu)良的電氣性能的前提下，提高了耐熱性能和機(jī)械性能。

在交聯(lián)生產(chǎn)的過(guò)程中，不可避免地將產(chǎn)生預(yù)交聯(lián)現(xiàn)象，所產(chǎn)生的琥珀色焦燒物質(zhì)堆積于絕緣擠塑機(jī)過(guò)濾網(wǎng)處，造成絕緣擠出壓力增大、出膠量減小，久而久之造成設(shè)備停機(jī)，因此一般超高壓電纜交聯(lián)單次生產(chǎn)時(shí)間最多為7～10 d。但由于超高壓海底電纜長(zhǎng)度不同于陸地電纜的單根數(shù)百米，目前普遍在20 km以上，需連續(xù)生產(chǎn)15 d以上，因此在選用超高壓海底電纜的絕緣材料時(shí)，除了需滿足基本的性能外，還應(yīng)具有抗焦燒能力以滿足連續(xù)生產(chǎn)，優(yōu)先選用分子鏈較短、交聯(lián)劑添加較少的絕緣材料，如北歐化工BorlinkTM低焦燒系列絕緣材料。

3 交聯(lián)過(guò)程控制要點(diǎn)

在交聯(lián)生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)備組部件和功能劃分，主要分為輸料系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、硫化系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)等。

3.1 輸料系統(tǒng)

輸料系統(tǒng)主要包括凈化室、吸料系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、輸料管道、料斗等，將絕緣材料輸送至擠出機(jī)，需保證材料無(wú)雜質(zhì)、水分。

材料在使用前需經(jīng)過(guò)風(fēng)淋系統(tǒng)后進(jìn)入凈化室，凈化室內(nèi)保持恒溫、恒濕，凈化等級(jí)為1 000級(jí)。為避免材料溫度造成的擠出波動(dòng)，應(yīng)在凈化室內(nèi)經(jīng)過(guò)不小于4 h恒溫靜置后方可使用。絕緣材料采用重力落料方式，在密閉的手套箱內(nèi)將材料落料口與輸料管道連接，手套箱內(nèi)凈化等級(jí)為100級(jí)。在開始加料前，應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行清潔并檢查輸料管道和料斗是否順暢無(wú)死角，避免材料局部積聚，若需切換為更高電壓等級(jí)線芯生產(chǎn)，宜更換全新輸料軟管，避免混用。對(duì)于屏蔽材料，在使用前需經(jīng)過(guò)干燥處理，因?yàn)槠帘尾牧现泻写罅繕O易吸潮的超細(xì)炭黑，若不進(jìn)行干燥處理將產(chǎn)生焦料，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。在生產(chǎn)過(guò)程中，需定時(shí)檢查料斗內(nèi)料位高度，防止料位感應(yīng)故障出現(xiàn)脫料情況。

3.2 擠出系統(tǒng)

擠出系統(tǒng)主要包括擠出機(jī)、螺桿、過(guò)濾板、連接管、機(jī)頭、模具及溫度控制系統(tǒng)等，將材料粒子熔化并擠制成型并包覆于導(dǎo)體上。

（1）部件清理

在生產(chǎn)前應(yīng)將所有部件拆下單獨(dú)進(jìn)行清潔，且清潔過(guò)程中應(yīng)使用質(zhì)地較軟、不易殘留雜質(zhì)的工具如銅刀、銅刷、無(wú)塵布等。

（2）濾網(wǎng)檢查

生產(chǎn)前應(yīng)檢查濾網(wǎng)規(guī)格和質(zhì)量，針對(duì)不同的電纜規(guī)格和擠出設(shè)備要匹配不同規(guī)格和層數(shù)的濾網(wǎng)，不同規(guī)格的濾網(wǎng)如圖1所示。

圖1 不同規(guī)格的濾網(wǎng)

若過(guò)濾網(wǎng)密度過(guò)高或者層數(shù)過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致擠出過(guò)程中反向壓力過(guò)大，絕緣材料溫度過(guò)高產(chǎn)生預(yù)交聯(lián)現(xiàn)象，導(dǎo)致熔融壓力增大，甚至導(dǎo)致濾網(wǎng)破裂。

（3）模具檢查

模具需選用強(qiáng)度、韌性較高的42CrMo作為材料，經(jīng)過(guò)整體氮化處理，氮化深度不小于0.02 mm，維氏硬度應(yīng)達(dá)到600～800 HV。在每次裝配時(shí)，應(yīng)檢查模具端口和表面質(zhì)量，若存在磕碰、劃傷等情況，應(yīng)立即更換。同時(shí)用深度尺檢查模具安裝縫隙，不應(yīng)大于0.05 mm，避免出現(xiàn)積料和模具無(wú)法拆卸的情況［5］。

（4）溫度控制

擠出系統(tǒng)的溫度控制水平?jīng)Q定了海纜交聯(lián)連續(xù)生產(chǎn)的時(shí)間和穩(wěn)定性。

生產(chǎn)前應(yīng)定期對(duì)擠出系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵溫控點(diǎn)進(jìn)行檢查并制定應(yīng)急方案，例如法蘭兩側(cè)是否斷路、熱電偶安裝是否松動(dòng)、加熱器工作是否正常。特別是水溫控制系統(tǒng)，包括螺桿、機(jī)頭等部件，必須采用去離子水作為媒介，以避免結(jié)垢，并定期檢查是否有閥門和水路堵塞的情況，溫度控制范圍在±0.5℃以內(nèi)，必要時(shí)需進(jìn)行程序優(yōu)化。在生產(chǎn)之前，擠出系統(tǒng)應(yīng)預(yù)熱4 h以上以保證擠出穩(wěn)定。在交聯(lián)生產(chǎn)的過(guò)程中，需要對(duì)各項(xiàng)參數(shù)曲線進(jìn)行密切的監(jiān)控，例如熔融壓力、電機(jī)負(fù)載、熔融溫度等，出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)進(jìn)行分析和調(diào)整，如圖2所示。

圖2 擠出機(jī)參數(shù)跟蹤曲線

3.3 硫化系統(tǒng)

硫化系統(tǒng)主要包括硫化管道、密封系統(tǒng)、氮?dú)饪刂葡到y(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、副產(chǎn)物分離系統(tǒng)等。硫化管道通過(guò)上下密封系統(tǒng)形成密閉，并通過(guò)氮?dú)饪刂葡到y(tǒng)對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行增壓保護(hù)，使絕緣線芯在內(nèi)部高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)并進(jìn)行冷卻。

在設(shè)計(jì)硫化的工藝參數(shù)時(shí)，需考慮絕緣線芯實(shí)時(shí)的溫度，絕緣內(nèi)外層溫差不宜過(guò)大，優(yōu)先使用前置導(dǎo)體預(yù)熱器和后置導(dǎo)體預(yù)熱器共同將導(dǎo)體預(yù)熱至160℃，并配合較低的硫化溫度，一般不超過(guò)300℃，以起到降低絕緣層內(nèi)部溫差，減小內(nèi)應(yīng)力的作用，對(duì)大長(zhǎng)度海纜的長(zhǎng)期壽命有利。

在硫化系統(tǒng)中，有眾多的氮?dú)庋h(huán)管路，如氮?dú)馇鍧?、氮?dú)饫鋮s、應(yīng)力減小等功能管路。在交聯(lián)生產(chǎn)的過(guò)程中，交聯(lián)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物不可避免地會(huì)附著堆積在管路和硫化管內(nèi)壁，影響硫化系統(tǒng)的加熱效率和各項(xiàng)功能，因此應(yīng)在使用時(shí)定期對(duì)所有管路進(jìn)行清洗。同時(shí)下密封系統(tǒng)的密封圈需定期檢查更換，確保密封良好，無(wú)毛刺劃傷線芯。

3.4 牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)主要包括上下?tīng)恳洼o助牽引、懸垂控制系統(tǒng)（僅CCV）等，將交聯(lián)線芯穩(wěn)定地通過(guò)擠出系統(tǒng)、硫化系統(tǒng)至收線托盤。

在交聯(lián)生產(chǎn)前，需對(duì)牽引設(shè)備進(jìn)行檢修保養(yǎng)，防止在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)失效、波動(dòng)的情況，若牽引速率不穩(wěn)定，易造成交聯(lián)線芯竹節(jié)的不良現(xiàn)象。牽引系統(tǒng)中所有位置的導(dǎo)輪、轉(zhuǎn)向輪都應(yīng)定時(shí)清潔并檢查是否滾動(dòng)順暢，避免造成交聯(lián)線芯表面劃傷、擦痕。若收線托盤距離交聯(lián)生產(chǎn)線較遠(yuǎn)，可配置備用輔助牽引設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著由近海向中、遠(yuǎn)海區(qū)域開發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)，用于海洋電力傳輸?shù)暮５纂娎|單根長(zhǎng)度要求越來(lái)越長(zhǎng)，其質(zhì)量可靠性一直是客戶關(guān)心的核心問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)絕緣線芯的無(wú)缺陷大長(zhǎng)度連續(xù)生產(chǎn)，從設(shè)備選型、原材料選擇和交聯(lián)工藝過(guò)程控制等方面闡述了確保絕緣線芯擠制品質(zhì)的方法。