大外徑電力電纜聚乙烯外護套開裂問題的探討

周禮文

(江蘇宏圖高科技股份有限公司，江蘇 無錫214092)

0 引言

聚乙烯護套料因其具有良好的機械強度、韌性、耐熱性、絕緣性能、化學穩定性、耐低溫性能和優異的防潮性能，早已被大量應用于市話電纜和光纜護套上。近年來，隨著阻水、環保型和耐低溫電纜的發展，聚乙烯因具有良好的防潮性能、不含鹵素和比聚氯乙烯更好的耐低溫性能等特點，被越來越多地應用于中低壓電力電纜外護套中，以滿足電力電纜在特殊場合的使用需要。

市話電纜和光纜外徑一般都比較小，電纜結構緊密，纜芯圓整，護套內金屬層一般都是采用縱包型式，金屬帶厚度薄，縱包后金屬表面平整，對護套的影響小，另外施工隊伍專業，施工尤其是放纜相對規范，大部分采用張力放線，所以在施工和使用過程中很少出現聚乙烯護套開裂情況。而聚乙烯護套的中低壓電力電纜外徑相對要大很多，較大規格的35 kV三芯電纜的外徑將達到100 mm以上，因電纜護套外徑大，鎧裝層鋼帶厚，如鎧裝層表面不平整，將對護套產生不利影響，另外因電纜重量重，給常規施工方法造成一定的困難，使電纜護套的開裂情況時有發生。主要現象是機械性護套開裂，材料、產品結構設計以及擠塑工藝等問題都會導致護套產生損傷和內應力等缺陷，加上電纜施工放纜時張力不均、彎曲半徑過小等原因，加劇了護套的開裂。

1 開裂的機理

聚乙烯護套開裂主要有兩種情況:一種是耐環境應力開裂，指的是電纜安裝運行后，護套在低于其短時機械強度的耐張應力的作用下，產生裂紋和破損的現象。這種開裂產生需要兩個附加條件，一是護套存在內應力，二是電纜護套長時間接觸了極性液體。這種開裂主要取決于材料本身耐環境應力開裂性能，通過多年材料改性的研究，這種情況已得到根本解決。另一種為機械性應力開裂，因電纜在結構上存在缺陷或護套擠出工藝存在一些問題，電纜護套中存在較大應力，且容易產生應力集中，使電纜在施工放纜時產生變形而開裂。這種開裂一般發生在有鋼帶鎧裝層的電纜外護套中，當電纜承受較大拉力且局部彎曲較小時，護層局部被拉伸變薄而開裂，大外徑鎧裝電力電纜聚乙烯外護套開裂屬于此類情況。另外也存在電纜在展放過程中，護套受力受彎情況嚴重，超過其最大抗拉強度而開裂。本文主要就護套機械性應力開裂的情況展開探討。

2 開裂的原因分析

2.1 護套材料的影響

在GB/T 15065—2009標準中有NDH、LDH、MH和GH四種代號的聚乙烯護套料，見表1。綜合考慮護套材料的耐溫等級、柔韌性和抗拉強度指標，一般選用MH黑色中密度聚乙烯護套料用于電力電纜外護套中，但MH因結晶度高，分子量大且分布窄，雖然具有較高的硬度，且機械強度、耐環境應力開裂和加工性能好，但是彈性模量較大，抗收縮和抗沖擊能力差，加工擠塑后收縮性大，由熱態向冷態定型過程中收縮率一般可達到8%。若擠塑工藝控制不當會更大，容易使護套中產生較大的內應力，對于鎧裝電纜，護套在向鎧裝層收縮的過程中，鋼帶易對護套造成機械損傷。這也是聚乙烯比聚氯乙烯護套容易開裂的一個主要原因。

表1 聚乙烯護套料產品分類

2.2 鋼帶鎧裝的影響

大外徑電力電纜因外徑大，當鎧裝前假定直徑大于70 mm時，鎧裝鋼帶的厚度要求為0.8 mm，鋼帶厚了，強度大了，剛性也強了，塑性將變差，繞包過程中將產生較大的反彈趨勢，加劇護套層所承受的外界張力，這樣鎧裝層的表面上下層鋼帶之間的高差會很大，相對于小外徑電纜，鎧裝層表面更不平整。在擠塑聚乙烯外護套時，一般只在鎧裝鋼帶與外護套間增加一層0.2 mm厚的無紡布作為緩沖層，以減小鎧裝層對護套層的影響。對于大外徑電纜，0.2 mm厚的緩沖層根本不能解決鎧裝表面不平整，在護套擠出時，護套經拉伸后包覆在鎧裝表面的厚度不一致，在外層鋼帶的邊緣部分的護套厚度最薄，護套在冷卻收縮過程中鎧裝鋼帶毛邊容易刺破緩沖層切入護套內，增加了護套開裂的幾率。

2.3 擠塑工藝的影響

大外徑鎧裝電纜護套擠塑工藝存在的主要問題是護套擠出時冷卻不夠，模具配制不合理，拉伸比過大，造成護套中內應力過大。

聚乙烯護套擠出時的溫度要比聚氯乙烯高很多。大規格電纜因護套厚、外徑大，一般擠出生產線水槽的長度和體積有限，護套擠出時從二百多度的高溫冷卻至常溫比較困難。擠出后若護套冷卻不充分，靠近鎧裝層的護套部分會比較軟，電纜在成品盤上彎曲時很容易造成鋼帶在護套表面造成切痕，致使在施工放纜時，外護套承受較大外力而開裂。另一方面護套冷卻不夠，會造成電纜成盤后進一步冷卻產生較大內收縮力，使護套在較大外力作用下開裂的幾率上升。

2.4 電纜成盤彎曲半徑的影響

因受運輸限高的影響，一般的電纜成品交貨盤具最大規格為 3.15 m。當用戶要求的交貨長度較長時，大外徑大段長的成品電纜，選用適宜的盤具十分困難。有些生產廠家為保證交貨長度，不得不減小盤具的筒體直徑，造成電纜彎曲半徑不夠，鎧裝層因電纜彎曲過大而產生位移，對護套產生較大的剪切力，嚴重時鎧裝鋼帶毛邊會扎破緩沖層直接嵌入護套內，使護套沿鋼帶邊沿產生裂紋或裂縫。在施工放纜時，電纜受到橫向彎切力和拉力很大，造成成品電纜從盤上展開后護套沿裂紋方向開裂，電纜盤靠近筒體層的電纜更易開裂。

2.5 施工的影響

相比通信電纜、通信光纜和高壓電纜的施工，部分施工單位對中低壓電纜的施工重視程度不夠，施工隊伍水平參差不齊，施工流程、施工方法也不夠規范。很多施工隊伍缺少卷揚機、履帶牽引機、張力計、電纜盤制動裝置等必須的施工器材。施工完全靠人工或者拖拉機、卡車牽引放線，放線張力無法控制，無制動，放線速度也時快時慢，容易造成電纜在施工過程中彎曲過小，受力過大，同時放線過程中電纜在地面摩擦，也加劇了電纜護套的開裂。

3 避免開裂的應對措施

根據對護套開裂的原因分析，可采取下列措施:

(1)為了減少外護套收縮率和提高其耐磨損性，護套材料可以選用雙峰聚乙烯護套料。雙峰聚乙烯其實質是對聚乙烯的分子量和分子量分布進行調控和裁制，其示意圖如圖1。普通聚乙烯的分子量分布只有一個峰，而雙峰聚乙烯的分子量分布曲線卻呈現兩個峰值，分子量分布比單峰寬，高低分子量的含量比例比較合理，使雙峰聚乙烯塑料具有良好機械物理性能，同時抗收縮性能大大提高了。雙峰聚乙烯護套料與MH黑色中密度聚乙烯護套料主要性能對比見表2。

圖1 雙峰聚乙烯分子量分布示意圖

表2 雙峰聚乙烯護套料與MH黑色中密度聚乙烯護套料主要性能對比

(2)為了保證電纜冷卻充分，可適當增加水槽的長度或體積，在保證護套塑化良好的基礎上適當降低擠出速度，保證上盤時電纜已充分冷卻。另外，考慮到聚乙烯為結晶型聚合物，宜采用分段降溫的溫水冷卻方式，以減小冷卻過程中產生的內應力。

(3)為避免鎧裝鋼帶對外護套的影響，鋼帶和外護套間的緩沖層應保證一定的厚度，鋼帶鎧裝繞包應緊密均勻，保證鋼帶表面平整。

(4)在護套擠出時，擠塑模具配比采用較小的拉伸比，一般選1.5～2.0比較合適，以減小護套在擠塑過程中的拉伸，減小護套的收縮率和內應力。

(5)規范電纜施工，嚴格按照GB 50168—2006要求進行施工。標準中對電纜施工有明確規定，如敷設電纜的速度不宜超過15 m/min，在較復雜路徑上敷設時，其速度應適當放慢，電纜最大牽引強度為70 N/mm(銅芯)和40 N/mm(鋁芯)，而實際施工放纜時存在速度和牽引強度大于上述要求的情況。對于大外徑大段長電纜施工，建議盡量降低放纜速度，避免對纜產生過大的側壓力、彎切力和拉力，電纜牽引一定要采用牽引頭，這樣放纜牽引時電纜護套承受的拉力小。

(6)電纜生產完后不要馬上施工，最好能在50～60℃度環境中放置于一段時間，使護套中的內應力自然釋放，同時也應避免電纜長時間在太陽下暴曬。因暴曬時，電纜不同側面溫度不一樣，容易產生應力集中，在電纜施工放纜時，增加了護套開裂的風險。

4 結束語

大外徑聚乙烯護套電力電纜的護套開裂問題是電纜生產廠家須面對的一個難題，尤其是大段長的電纜，因電纜重量重，最重時可達到十幾噸，施工難度很大，施工時護套承受的拉力、側壓力、彎曲剪切力很大，更容易加劇電纜護套的開裂。護套開裂的原因很多，當問題發生時，這更需要生產廠家、施工單位、設計單位和用戶一起針對具體原因，采取相應的措施，才能避免護套的開裂。

［1］GB/T 15065—2009電線電纜用黑色聚乙烯塑料［S］.

［2］GB 50168—2006電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范［S］.

［3］田義龍，嚴永昌.雙峰聚乙烯護套料在電纜中的應用研究［J］.電線電纜，2002(5):37-40.