大截面超高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜絕緣擠出模具的選擇

楊 娟， 王福志

(浙江萬馬集團(tuán)有限公司，浙江臨安311305)

0 引言

近年來，高壓、超高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜(以下簡(jiǎn)稱交聯(lián)電纜)的需求量與日俱增，隨著電網(wǎng)容量的加大，交聯(lián)電纜的導(dǎo)體截面也不斷增大。國內(nèi)目前運(yùn)行的交聯(lián)電纜線路中最大導(dǎo)體截面為2500 mm2。500 kV線路進(jìn)入城網(wǎng)已經(jīng)納入“十一·五”規(guī)劃里面，交聯(lián)電纜是首選品種。如何生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的、讓用戶放心的交聯(lián)電纜是我們超高壓電纜行業(yè)需要解決的一大課題。超高壓交聯(lián)電纜的絕緣厚度比較厚，在絕緣擠出過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)屏蔽滲入絕緣或絕緣滲入屏蔽(稱為界面突起)、竹節(jié)、厚度不均勻、屏蔽疙瘩等缺陷。其中屏蔽滲入絕緣、絕緣滲入屏蔽、屏蔽疙瘩是超高壓交聯(lián)電纜的致命缺陷，尤其是大截面(導(dǎo)體截面為1000 mm2及以上)的超高壓交聯(lián)電纜，上述現(xiàn)象更加明顯，這樣會(huì)給企業(yè)造成很大浪費(fèi)。

上述缺陷與機(jī)頭的結(jié)構(gòu)、模具選擇的正確與否有很大關(guān)系，因此，要從根本上解決問題，必須吸收歐洲發(fā)達(dá)國家各自的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)三層共擠機(jī)頭進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選擇更加適合的模具。

1 模具設(shè)計(jì)和選擇

擠出模具的型式主要有擠壓式模具、半擠壓式模具和擠管式模具，三層共擠模具采用的均是擠壓式模具。擠壓式模具結(jié)構(gòu)如圖1所示，三層共擠模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。擠壓式模具的特點(diǎn):熔融的塑料是靠壓力通過模套實(shí)現(xiàn)最后定型，擠出的塑膠層(絕緣層或護(hù)層)結(jié)構(gòu)緊密，表面平整。因此，擠壓 模具是超高壓交聯(lián)電纜絕緣擠出模具的最佳選擇。

圖1 擠壓式模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 三層共擠擠出模具結(jié)構(gòu)示意圖

擠出時(shí)，模芯和模套間的夾角大小決定料流壓力的大小，影響塑膠層的質(zhì)量;模芯、模套尺寸及表面光潔度直接決定著塑膠層的幾何尺寸和表面質(zhì)量。模套孔徑大小選擇必須考慮解除壓力后塑料的“膨脹”，以及冷卻后的收縮等綜合因素。擠壓式模具的一大缺點(diǎn)就是偏心調(diào)節(jié)困難，當(dāng)模芯與線芯配合尺寸不當(dāng)或線芯微彎均會(huì)影響絕緣的偏心度，因此，模芯尺寸(內(nèi)徑)不能過分大于線芯外徑。

1.1 擠出模具的設(shè)計(jì)原則

在生產(chǎn)大截面超高壓交聯(lián)電纜的絕緣時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)外徑不均勻的現(xiàn)象，俗稱“竹節(jié)”現(xiàn)象。如果擠出機(jī)組的牽引和張力系統(tǒng)工作正常的情況下出現(xiàn)這類現(xiàn)象，就應(yīng)該考慮一下模具的設(shè)計(jì)和選擇是否合理了。三層共擠機(jī)頭的模具設(shè)計(jì)遵循如下原則:

(1)模具間應(yīng)該保持一定的正夾角，即如圖2所示，夾角 α≤β1，β2≤γ1，γ2≤δ。設(shè)計(jì)正夾角的目的是在擠出過程中能夠保持非常均勻恒定的擠出壓力。如果壓力不均勻，必然會(huì)導(dǎo)致出膠量不均勻，外觀表現(xiàn)出“竹節(jié)”現(xiàn)象。這類現(xiàn)象在生產(chǎn)大截面超高壓交聯(lián)電纜的絕緣時(shí)表現(xiàn)更為明顯。

(2)避免產(chǎn)生“死角”，這是擠出模具設(shè)計(jì)的最基本原則。在模具的轉(zhuǎn)彎處應(yīng)有適當(dāng)?shù)膱A弧過渡，如圖2所示，設(shè)計(jì)模具時(shí)必須保證圓弧與兩條夾角直線嚴(yán)格相切。如果模具存在“死角”，將會(huì)不可避免地在“死角”處殘留物料，時(shí)間久了，殘留物料將會(huì)發(fā)生焦燒炭化，外觀表現(xiàn)為屏蔽疙瘩、絕緣疙瘩，這是超高壓交聯(lián)電纜的致命缺陷。另外，在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)彎，最理想的模具設(shè)計(jì)是只有一個(gè)錐度。

(3)模具表面應(yīng)有很高的光潔度。凡是有膠料經(jīng)過的模具表面，粗糙度Ra應(yīng)為0.05。高的光潔度會(huì)使絕緣與屏蔽之間的界面更加光滑、圓整，可以有效地避免界面突起，尤其是模具端口處，光潔度水平要求更高，這是模具設(shè)計(jì)人員和模具制造人員最容易忽略的地方。如果模具端口的光潔度很差，或者有破損現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間的擠出后，屏蔽料或絕緣料會(huì)在該處出現(xiàn)堆積，俗稱“流涎”。“流涎”一旦隨正常膠料帶出，將會(huì)出現(xiàn)屏蔽滲入絕緣或者絕緣滲入屏蔽，造成致命缺陷。

(4)模具的材料應(yīng)選擇耐高溫的合金鋼，如38CrMoAl、42CrMo4V等，模具表面要氮化處理，表面硬度一般要達(dá)到洛氏硬度(HRc)48～52。通常，普通模具表面一般都鍍硬質(zhì)鉻，這種表面處理方法用于超高壓交聯(lián)電纜絕緣擠出模具上是不可取的，因?yàn)橛操|(zhì)鉻一旦脫落，將會(huì)變成雜質(zhì)混入絕緣中，嚴(yán)重影響絕緣品質(zhì)。因此，超高壓交聯(lián)電纜絕緣擠出模具氮化后拋光是最理想的表面處理方法。

1.2 擠出模具規(guī)格的正確選擇

模具規(guī)格的正確選取是影響擠出質(zhì)量的又一個(gè)主要因素，下面針對(duì)大截面超高壓交聯(lián)電纜絕緣三層共擠擠出模具，論述一下模具規(guī)格的選取。

(1)模芯1的選擇。模芯1通常按下式(1)選擇:

式中，d1為模芯1內(nèi)徑(mm);f1為導(dǎo)體直徑的正公差(mm);dc為導(dǎo)體直徑(mm);e1為放大值，通常取0.2 mm。

大截面分割導(dǎo)體的直徑很難控制，直徑公差通常控制在±0.6 mm左右，而模芯1的內(nèi)徑越接近導(dǎo)體直徑，擠出質(zhì)量越好;如果模芯1內(nèi)徑過大，在擠出過程中，導(dǎo)體在模芯1內(nèi)孔中來回?cái)[動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致絕緣線芯外徑不均勻或者是絕緣的偏心度超標(biāo)。所以選擇模芯1的規(guī)格不能僅僅按照上述的公式(1)套用，應(yīng)根據(jù)具體的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，通常模芯1的內(nèi)徑為導(dǎo)體實(shí)際直徑(包括導(dǎo)體外面的半導(dǎo)電包帶)加上0.5～0.8 mm較為合適。

(2)模芯2的選擇。

式中，d2為模芯2內(nèi)徑(mm);dc為導(dǎo)體直徑(mm);t1為導(dǎo)體屏蔽層厚度(mm);k為修正系數(shù)，其值是根據(jù)不同擠出材料，考慮到因出模口后，解除壓力引起的膨脹，以及經(jīng)過冷卻后的收縮而引入的經(jīng)驗(yàn)的修正系數(shù)，通常交聯(lián)型屏蔽料取為k=1.04～1.06。

(3)模芯3的選擇。大截面的超高壓交聯(lián)電纜的絕緣比較厚，絕緣的出膠量大，模芯3可以保證絕緣擠出壓力恒定，并使絕緣膠料按一定的方向流動(dòng)，可以有效地避免絕緣和絕緣屏蔽之間界面存在突起。通常，一個(gè)三層共擠機(jī)頭配備2～3個(gè)規(guī)格的模芯3，也就是說，生產(chǎn)多種規(guī)格的電纜可以套用一種規(guī)格的模芯3。比如絕緣線芯外徑小于45 mm時(shí)，模芯3內(nèi)徑為50 mm;絕緣線芯外徑大于45 mm，小于80 mm時(shí)，模芯3內(nèi)徑為85 mm。在生產(chǎn)大截面的超高壓交聯(lián)電纜的絕緣時(shí)，選擇模芯3應(yīng)慎重考慮，即模芯3的內(nèi)徑不要過分大于絕緣外徑，否則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體屏蔽層、絕緣、絕緣屏蔽層三者的壓力不均衡，模芯3也就失去了應(yīng)有的作用。當(dāng)絕緣外徑在100～130 mm之間時(shí)，模芯3內(nèi)徑通常為135～140 mm之間。比較合適的選擇是:絕緣外徑大于100 mm、小于115 mm時(shí)，采用內(nèi)徑為120 mm的模芯3;絕緣外徑大于115 mm、小于130 mm時(shí)，采用內(nèi)徑為140 mm的模芯3。

(4)模套的選擇。模套內(nèi)徑的計(jì)算應(yīng)遵循以下公式:

式中，D為模套內(nèi)徑(mm);dc為導(dǎo)體直徑(mm);t1為導(dǎo)體屏蔽層厚度(mm);t2為絕緣層厚度(mm);t3為絕緣屏蔽層厚度(mm);k為修正系數(shù)，其值是根據(jù)不同擠出材料，考慮到因出?？诤螅獬龎毫σ鸬呐蛎?，以及經(jīng)過冷卻后的收縮而引入的經(jīng)驗(yàn)的修正系數(shù)，通常交聯(lián)型屏蔽料和交聯(lián)聚乙烯絕緣取為k=1.04～1.06。

有的廠家習(xí)慣將導(dǎo)體屏蔽層和絕緣屏蔽層的k值省略，在屏蔽層厚度較薄的情況下是允許的，但是超高壓電纜，導(dǎo)體屏蔽和絕緣屏蔽相對(duì)都比較厚，k值是不可以省略的。

2 機(jī)頭類型選擇

三層共擠機(jī)頭按流道的外形分為兩種:一種是圓柱形機(jī)頭，一種是錐形機(jī)頭。多數(shù)擠出機(jī)機(jī)頭流道都是圓柱形的。但是，當(dāng)出膠量特別大，圓柱形機(jī)頭的出膠壓力很難控制，很容易出現(xiàn)竹節(jié)、界面突起等缺陷。因此，筆者建議生產(chǎn)大截面超高壓交聯(lián)電纜的絕緣宜采用錐形機(jī)頭。錐形機(jī)頭有如下特點(diǎn):

(1)錐形機(jī)頭的流道呈錐形，膠料在流道中行進(jìn)時(shí)可以被進(jìn)一步壓實(shí)、定型，能夠保持恒定的壓力，可以有效地避免竹節(jié)、界面突起等現(xiàn)象發(fā)生。

(2)與圓柱形機(jī)頭比較，錐形機(jī)頭的流道不存在“死角”，不易積存膠料，從而避免了焦燒現(xiàn)象，界面突起、絕緣雜質(zhì)超標(biāo)的幾率大大降低。

(3)錐形機(jī)頭內(nèi)三層料流均采用雙面溫控設(shè)計(jì)，保證了膠料溫度的穩(wěn)定，溫度波動(dòng)小。

(4)錐形機(jī)頭與擠出機(jī)機(jī)身的夾角為鈍角(圓柱形機(jī)頭與機(jī)身夾角為直角)，這種結(jié)構(gòu)使機(jī)身與機(jī)頭連接部位的流道更加暢通，不易出現(xiàn)積料現(xiàn)象。

針對(duì)大截面超高壓絕緣擠出的特點(diǎn)，對(duì)三層共擠機(jī)頭的設(shè)計(jì)提出如下建議及方案:

(1)整個(gè)機(jī)頭采用錐形設(shè)計(jì)，保證膠料在流道內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)。

(2)機(jī)頭要采用水加熱或油加熱的方式，確保穩(wěn)定恒定，溫度精度控制在±1℃范圍內(nèi)。

(3)進(jìn)膠口和機(jī)頭的夾角為鈍角，保證料流通暢。

(4)各個(gè)流道要滲氮、拋光處理，粗糙度Ra為0.05，表面硬度要達(dá)到HRc50～65。

(5)模芯支撐器的錐度要和模芯外形錐度保持一致，模芯與模芯支撐器的銜接處要有良好的配合，配合精度為0.05 mm。

(6)流道采用雙面合膠的形式，目的是保證流道圓周方向的料流壓力均勻一致。

3 結(jié)束語

大截面超高壓交聯(lián)電纜絕緣擠出不同于其它規(guī)格交聯(lián)電纜，同樣的擠出機(jī)，小規(guī)格電纜絕緣擠出沒能表現(xiàn)出來的缺陷在大規(guī)格電纜上卻表現(xiàn)得十分明顯。因此，大截面超高壓交聯(lián)電纜三層共擠機(jī)頭的選型、模具的設(shè)計(jì)和選配都是至關(guān)重要的，各個(gè)生產(chǎn)廠家的具體情況都不盡相同，模具規(guī)格的選擇還要根據(jù)各廠家的實(shí)際具體情況進(jìn)行合理選擇。

［1］洪永華.塑料電線擠出模具設(shè)計(jì)［M］.光電線纜行業(yè)協(xié)會(huì)，1989.