大長度超高壓海底電纜交聯(lián)控制要點

孫達威， 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。大長度海底電纜的制造相當復雜，其中絕緣線芯的長時間連續(xù)擠出交聯(lián)工序［1］尤為重要。對于交聯(lián)的質(zhì)量管控來說，設(shè)備選型、原材料選擇和工藝過程控制每個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，也是目前海纜監(jiān)造過程中的核心關(guān)注點［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）和懸鏈式交聯(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)過程中，交聯(lián)線芯需通過3個轉(zhuǎn)向輪完成收線，其優(yōu)勢為布局緊湊，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)過程中，交聯(lián)線芯僅需通過一個轉(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型僅需通過一個轉(zhuǎn)向輪的優(yōu)勢，同時將所占用的地面空間轉(zhuǎn)移至地下，無需占用較大的地面空間，但其安裝成本較高，且在生產(chǎn)過程中不易進行檢修。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，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題，在生產(chǎn)過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、布局相對簡單的特點，廣泛地應用于中壓電纜的生產(chǎn)，但由于其懸鏈式布局的特點，生產(chǎn)過程中熱態(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)工藝和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，CCV也有了顯著進步，德國特樂斯特（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氣對交聯(lián)線芯表面進行冷卻的方式，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用，但在大長度超高壓海底電纜的生產(chǎn)中仍然缺乏驗證和應用，目前國內(nèi)海纜廠商仍然優(yōu)先選用VCV進行生產(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、機械性能以及制造工藝簡單、質(zhì)量輕、便于敷設(shè)和維護等特點，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械性能。

在交聯(lián)生產(chǎn)的過程中，不可避免地將產(chǎn)生預交聯(lián)現(xiàn)象，所產(chǎn)生的琥珀色焦燒物質(zhì)堆積于絕緣擠塑機過濾網(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，因此一般超高壓電纜交聯(lián)單次生產(chǎn)時間最多為7～10 d。但由于超高壓海底電纜長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，除了需滿足基本的性能外，還應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)過程控制要點

在交聯(lián)生產(chǎn)過程中，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，需保證材料無雜質(zhì)、水分。

材料在使用前需經(jīng)過風淋系統(tǒng)后進入凈化室，凈化室內(nèi)保持恒溫、恒濕，凈化等級為1 000級。為避免材料溫度造成的擠出波動，應在凈化室內(nèi)經(jīng)過不小于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)凈化等級為100級。在開始加料前，應對整個系統(tǒng)進行清潔并檢查輸料管道和料斗是否順暢無死角，避免材料局部積聚，若需切換為更高電壓等級線芯生產(chǎn)，宜更換全新輸料軟管，避免混用。對于屏蔽材料，在使用前需經(jīng)過干燥處理，因為屏蔽材料中含有大量極易吸潮的超細炭黑，若不進行干燥處理將產(chǎn)生焦料，嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。在生產(chǎn)過程中，需定時檢查料斗內(nèi)料位高度，防止料位感應故障出現(xiàn)脫料情況。

3.2 擠出系統(tǒng)

擠出系統(tǒng)主要包括擠出機、螺桿、過濾板、連接管、機頭、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體上。

（1）部件清理

在生產(chǎn)前應將所有部件拆下單獨進行清潔，且清潔過程中應使用質(zhì)地較軟、不易殘留雜質(zhì)的工具如銅刀、銅刷、無塵布等。

（2）濾網(wǎng)檢查

生產(chǎn)前應檢查濾網(wǎng)規(guī)格和質(zhì)量，針對不同的電纜規(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)

若過濾網(wǎng)密度過高或者層數(shù)過多，會導致擠出過程中反向壓力過大，絕緣材料溫度過高產(chǎn)生預交聯(lián)現(xiàn)象，導致熔融壓力增大，甚至導致濾網(wǎng)破裂。

（3）模具檢查

模具需選用強度、韌性較高的42CrMo作為材料，經(jīng)過整體氮化處理，氮化深度不小于0.02 mm，維氏硬度應達到600～800 HV。在每次裝配時，應檢查模具端口和表面質(zhì)量，若存在磕碰、劃傷等情況，應立即更換。同時用深度尺檢查模具安裝縫隙，不應大于0.05 mm，避免出現(xiàn)積料和模具無法拆卸的情況［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)的時間和穩(wěn)定性。

生產(chǎn)前應定期對擠出系統(tǒng)的各個關(guān)鍵溫控點進行檢查并制定應急方案，例如法蘭兩側(cè)是否斷路、熱電偶安裝是否松動、加熱器工作是否正常。特別是水溫控制系統(tǒng)，包括螺桿、機頭等部件，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)，必要時需進行程序優(yōu)化。在生產(chǎn)之前，擠出系統(tǒng)應預熱4 h以上以保證擠出穩(wěn)定。在交聯(lián)生產(chǎn)的過程中，需要對各項參數(shù)曲線進行密切的監(jiān)控，例如熔融壓力、電機負載、熔融溫度等，出現(xiàn)異常情況時及時進行分析和調(diào)整，如圖2所示。

圖2 擠出機參數(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)、氮氣控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、副產(chǎn)物分離系統(tǒng)等。硫化管道通過上下密封系統(tǒng)形成密閉，并通過氮氣控制系統(tǒng)對其內(nèi)部進行增壓保護，使絕緣線芯在內(nèi)部高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生交聯(lián)反應并進行冷卻。

在設(shè)計硫化的工藝參數(shù)時，需考慮絕緣線芯實時的溫度，絕緣內(nèi)外層溫差不宜過大，優(yōu)先使用前置導體預熱器和后置導體預熱器共同將導體預熱至160℃，并配合較低的硫化溫度，一般不超過300℃，以起到降低絕緣層內(nèi)部溫差，減小內(nèi)應力的作用，對大長度海纜的長期壽命有利。

在硫化系統(tǒng)中，有眾多的氮氣循環(huán)管路，如氮氣清潔、氮氣冷卻、應力減小等功能管路。在交聯(lián)生產(chǎn)的過程中，交聯(lián)反應會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物不可避免地會附著堆積在管路和硫化管內(nèi)壁，影響硫化系統(tǒng)的加熱效率和各項功能，因此應在使用時定期對所有管路進行清洗。同時下密封系統(tǒng)的密封圈需定期檢查更換，確保密封良好，無毛刺劃傷線芯。

3.4 牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)主要包括上下牽引和輔助牽引、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，需對牽引設(shè)備進行檢修保養(yǎng)，防止在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)失效、波動的情況，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)中所有位置的導輪、轉(zhuǎn)向輪都應定時清潔并檢查是否滾動順暢，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，可配置備用輔助牽引設(shè)備。

4 結(jié)束語

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