大長度海底電纜鋁塑復合帶縱包關鍵技術研究

中天科技海纜股份有限公司 王佳佳 金星宇 占華剛 趙囿林 劉利剛

半干式輕型海底電纜由于其輕型、環保的特性，目前在全球領域受到歡迎且應用廣泛。此種結構中的綜合阻水層（絕緣線芯金屬屏蔽或成纜線芯包帶外縱包一層鋁塑復合帶）具有良好的阻水性能，而鋁塑復合帶的生產質量直接決定著綜合阻水層的阻水性能、甚至是整根海底電纜的質量。遠距離、大長度海底電纜的生產更依賴于大長度鋁塑復合帶縱包生產。本文針對實際生產中可能出現的風險，對生產中采用的材料設備選型、生產工藝、風險預防進行詳細介紹分析，并以圖1產品結構為例。

圖1 常見半干式輕型海底電纜結構

產品主要性能指標：電壓等級19/33(36)kV，導體截面400mm2，銅絲屏蔽截面積35mm2，外徑≈131.5mm，重量≈28.5kg/m，最大導體運行溫度90℃，最大導體短路溫度250℃，20℃時導體直流電阻≤0.0470Ω/km，90℃導體交流電阻0.0623Ω/km，非隔熱導體短路電流57.8kA/1s，非隔熱金屬屏蔽短路電流3.2kA/1s，空氣中載流量(溫度35℃)685A，空氣中暴露陽光載流量(溫度35℃，照射強度1000 W/m2)540A，海床上載流量(溫度30℃，土壤熱阻0.9K.m/W)614A，J管中載流量(溫度35℃，照射強度1000W/m2,J管外徑254mm)484A。

1 選型及過程控制

1.1 設備布局

短段長的鋁塑復合帶縱包生產主要設備為放帶架與縱包成型機臺，但鋁塑復合帶只可實現單盤最大4km段長，為滿足海纜更大段長需求，單次生產中勢必要進行多次鋁塑復合帶接帶操作，接帶操作需增加儲帶設備與焊接設備，整體設備布局依次為：放帶設備、焊接設備、儲帶設備、縱包機臺、喇叭模、涂膠設備，定徑模。

1.2 材料、設備選型

材料與設備選型需考慮到大長度穩定生產與接帶操作所需條件。

1.2.1 鋁塑復合帶

鋁塑復合帶的選型會直接影響到接帶質量與生產可持續性；單面去膜鋁塑復合帶可減少接帶焊接時去膜時間，減少因接帶失敗導致停機的風險。為滿足生產與運行條件，鋁塑復合帶性能參數需參考以下數據：抗張強度≥張強度帶性，斷裂伸長率≥裂伸%，鋁帶與塑料層間剝離強度≥帶與塑料層間剝離，剪切強度（鋁帶拉斷或塑料層與鋁帶間的粘結產生破壞時，塑料層間的熱合區應未產生剪切破壞），熱合強度≥合強度切破壞剪切，動摩擦系數≤摩擦系數，耐水性（68℃±8℃，168h）要求鋁帶與塑料層間剝離強度≥帶與塑料層間剝離，耐填充復合物（68℃±8℃，168h）要求鋁帶與塑料膜間不分層，抗腐蝕性（0.1mlo/L,NaOH,480h）≥a級，介電強度1kV dc,1min不擊穿。此外鋁塑復合帶寬度選擇非常重要，合適的搭界寬度不僅可確保良好的成型效果，且可使涂膠更加均勻。

1.2.2 涂膠設備及熱熔膠選擇

大長度生產時熱熔膠需連續、均勻地涂覆在鋁塑復合帶搭界處，以滿足鋁塑復合帶的阻水性能。熱熔膠選擇主要指標為熔點，較高的熔點可防止鋁塑復合帶后護套溫度較高引起膠口開裂，出膠量需＞20kg/km，以滿足護套的高速生產，選擇雙涂膠槍頭可更換式涂膠設備，出現意外時可隨時更換調整。

1.2.3 放帶及儲帶設備

放帶設備需保證連續生產時的張力，磁粉張力可很好地控制，磁粉制動器需滿足12Nmd的額定轉矩與800W的滑差功率。放帶設備采用180度可旋轉張力放帶架并可左右移動調節，生產過程中鋁塑復合帶一用一備，實現快速換帶，左右調節確保鋁塑復合帶一直保持在成型模具中間位置。儲帶設備需為接帶操作提供充足時間，可儲存至少100m長的鋁塑復合帶。為保證放帶時鋁塑復合帶表面質量，儲帶時需提供30～40kg/N的放帶張力，防止帶材跑偏、卡帶、斷帶、起皺等異常情況的發生。

1.2.4 焊接技術研究

焊接設備決定了焊接質量，在進行調研和綜合考慮后，選擇了對縫焊接方法對鋁塑復合帶進行接續操作。為驗證焊接的可靠性，分別選取10個本體、對縫焊接、重疊點焊的樣品進行制樣，制樣規格18×4cm，進行拉斷力測試（圖2）。

圖2 正在進行的焊接接頭拉斷力試驗及鋁塑復合帶拉斷力試驗對比表

從圖2數據曲線可看出，通過工藝摸索后對縫焊接抗拉強度可達本體90%以上，性能與本體接近，甚至超過本體；實驗表明對縫焊接后拉斷位置均在本體，無斷裂在焊縫處，而重疊點焊的拉斷位置基本都在焊接接頭位置，可看出對縫焊接接頭的強度與本體強度相近甚至超過本體強度，而重疊點焊焊接強度較低，且在實際操作過程中重疊焊接所需時間為對縫焊接的3～5倍，生產中斷帶的風險較大。

1.3 模具

模具是影響大長度連續生產的重要因素，縱包生產過程主要為鋁塑復合帶通過喇叭模在纜芯上逐漸成型，經過涂膠后通過三道定徑模定徑，最終冷卻后進入擠塑機擠出護套。因此模具選擇時需考慮多個因素：模具材料、大小、成型區與定徑區長度、模具式樣等，充分考慮生產時可能出現斷帶、卡模、成型較差等情況。考慮大長度生產的磨損較為嚴重及纜芯經過模具的摩擦力較大，喇叭模選擇不銹鋼材料，定徑模選擇耐磨硅膠材料，定徑模采用三道模具，確保鋁塑復合帶成型后定型，保證進機頭后穩定性，實際使用情況良好，模口未有明顯變化，實現了單根長度超過30km連續生產。

2 工藝驗證

徑向滲水試驗：為驗證徑向阻水層的焊接處阻水性能，截取一段含鋁帶接頭的纜芯進行徑向滲水試驗，首先進行熱循環試驗，10個加熱周期、每個加熱周期由8小時加熱、冷卻16小時。在每個熱循環結尾溫度應保持在規定值至少2個小時。熱循環試驗后樣品終端用密封帽密封后置于壓力容器內，水壓1MPa，測試持續48小時，水溫5～35℃。測試時間結束后將樣品從水中取出，分別打開護套層、鋁塑復合帶層，鋁帶焊接接頭處觀察，均未發現滲水現象。

彎曲試驗：為驗證鋁塑復合帶及接頭機械性能，按照IEC60502-2 18.2.4節要求進行彎曲試驗。選取內筒徑1.1m、高2m規格的鐵盤，試樣在環境溫度下繞在一個鐵盤上繞3圈，然后松開纜芯再在相反方向上繞在另一個鐵盤上，重復此過程，這種方向字形收放線操作循環3次；試驗結束后剝開鋁塑復合帶，觀察鋁塑復合帶內壁情況。鋁塑復合帶接頭位置經過彎曲試驗，內壁表面光滑、平整，未出現變形、起皺、開裂等異常，驗證焊接性能良好。

3 結語

本文結合實際生產中已遇到和可能存在的質量隱患，對材料及設備選型、關鍵過程控制、風險預防等進行介紹分析，為實現大長度鋁塑復合帶縱包生產提供理論技術支持，且本司已在實際生產中完成驗證，并成功生產單根連續段長30km的鋁塑復合帶結構海底電纜，生產情況較好。同時此結構可用于替代國內35kV及以下電壓等級海底電纜的傳統鉛套結構，增加了產品多樣性，具備大長度生產能力后可大大降低線纜行業對鉛錠的需求，對整個產業鏈形成積極生態意識影響，在海上風電實行平價上網時代提供具有價格競爭力產品，符合國家環境友好、綠色、低碳健康穩定的發展戰略。