大外徑電力電纜聚乙烯外護(hù)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(hù)套料因其具有良好的機械強度、韌性、耐熱性、絕緣性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐低溫性能和優(yōu)異的防潮性能，早已被大量應(yīng)用于市話電纜和光纜護(hù)套上。近年來，隨著阻水、環(huán)保型和耐低溫電纜的發(fā)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(yīng)用于中低壓電力電纜外護(hù)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(jié)構(gòu)緊密，纜芯圓整，護(hù)套內(nèi)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(hù)套的影響小，另外施工隊伍專業(yè)，施工尤其是放纜相對規(guī)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(xiàn)聚乙烯護(hù)套開裂情況。而聚乙烯護(hù)套的中低壓電力電纜外徑相對要大很多，較大規(guī)格的35 kV三芯電纜的外徑將達(dá)到100 mm以上，因電纜護(hù)套外徑大，鎧裝層鋼帶厚，如鎧裝層表面不平整，將對護(hù)套產(chǎn)生不利影響，另外因電纜重量重，給常規(guī)施工方法造成一定的困難，使電纜護(hù)套的開裂情況時有發(fā)生。主要現(xiàn)象是機械性護(hù)套開裂，材料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計以及擠塑工藝等問題都會導(dǎo)致護(hù)套產(chǎn)生損傷和內(nèi)應(yīng)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(hù)套的開裂。

1 開裂的機理

聚乙烯護(hù)套開裂主要有兩種情況:一種是耐環(huán)境應(yīng)力開裂，指的是電纜安裝運行后，護(hù)套在低于其短時機械強度的耐張應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生裂紋和破損的現(xiàn)象。這種開裂產(chǎn)生需要兩個附加條件，一是護(hù)套存在內(nèi)應(yīng)力，二是電纜護(hù)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(huán)境應(yīng)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(yīng)力開裂，因電纜在結(jié)構(gòu)上存在缺陷或護(hù)套擠出工藝存在一些問題，電纜護(hù)套中存在較大應(yīng)力，且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使電纜在施工放纜時產(chǎn)生變形而開裂。這種開裂一般發(fā)生在有鋼帶鎧裝層的電纜外護(hù)套中，當(dāng)電纜承受較大拉力且局部彎曲較小時，護(hù)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(hù)套開裂屬于此類情況。另外也存在電纜在展放過程中，護(hù)套受力受彎情況嚴(yán)重，超過其最大抗拉強度而開裂。本文主要就護(hù)套機械性應(yīng)力開裂的情況展開探討。

2 開裂的原因分析

2.1 護(hù)套材料的影響

在GB/T 15065—2009標(biāo)準(zhǔn)中有NDH、LDH、MH和GH四種代號的聚乙烯護(hù)套料，見表1。綜合考慮護(hù)套材料的耐溫等級、柔韌性和抗拉強度指標(biāo)，一般選用MH黑色中密度聚乙烯護(hù)套料用于電力電纜外護(hù)套中，但MH因結(jié)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(huán)境應(yīng)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(tài)向冷態(tài)定型過程中收縮率一般可達(dá)到8%。若擠塑工藝控制不當(dāng)會更大，容易使護(hù)套中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，對于鎧裝電纜，護(hù)套在向鎧裝層收縮的過程中，鋼帶易對護(hù)套造成機械損傷。這也是聚乙烯比聚氯乙烯護(hù)套容易開裂的一個主要原因。

表1 聚乙烯護(hù)套料產(chǎn)品分類

2.2 鋼帶鎧裝的影響

大外徑電力電纜因外徑大，當(dāng)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(chǎn)生較大的反彈趨勢，加劇護(hù)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(hù)套時，一般只在鎧裝鋼帶與外護(hù)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(hù)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(hù)套擠出時，護(hù)套經(jīng)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(hù)套厚度最薄，護(hù)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(hù)套內(nèi)，增加了護(hù)套開裂的幾率。

2.3 擠塑工藝的影響

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

聚乙烯護(hù)套擠出時的溫度要比聚氯乙烯高很多。大規(guī)格電纜因護(hù)套厚、外徑大，一般擠出生產(chǎn)線水槽的長度和體積有限，護(hù)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(hù)套冷卻不充分，靠近鎧裝層的護(hù)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(hù)套表面造成切痕，致使在施工放纜時，外護(hù)套承受較大外力而開裂。另一方面護(hù)套冷卻不夠，會造成電纜成盤后進(jìn)一步冷卻產(chǎn)生較大內(nèi)收縮力，使護(hù)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(guī)格為 3.15 m。當(dāng)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(chǎn)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(chǎn)生位移，對護(hù)套產(chǎn)生較大的剪切力，嚴(yán)重時鎧裝鋼帶毛邊會扎破緩沖層直接嵌入護(hù)套內(nèi)，使護(hù)套沿鋼帶邊沿產(chǎn)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(hù)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(guī)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(hù)套的開裂。

3 避免開裂的應(yīng)對措施

根據(jù)對護(hù)套開裂的原因分析，可采取下列措施:

(1)為了減少外護(hù)套收縮率和提高其耐磨損性，護(hù)套材料可以選用雙峰聚乙烯護(hù)套料。雙峰聚乙烯其實質(zhì)是對聚乙烯的分子量和分子量分布進(jìn)行調(diào)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(xiàn)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(hù)套料與MH黑色中密度聚乙烯護(hù)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(hù)套料與MH黑色中密度聚乙烯護(hù)套料主要性能對比

(2)為了保證電纜冷卻充分，可適當(dāng)增加水槽的長度或體積，在保證護(hù)套塑化良好的基礎(chǔ)上適當(dāng)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(jié)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(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

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

(4)在護(hù)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(hù)套在擠塑過程中的拉伸，減小護(hù)套的收縮率和內(nèi)應(yīng)力。

(5)規(guī)范電纜施工，嚴(yán)格按照GB 50168—2006要求進(jìn)行施工。標(biāo)準(zhǔn)中對電纜施工有明確規(guī)定，如敷設(shè)電纜的速度不宜超過15 m/min，在較復(fù)雜路徑上敷設(shè)時，其速度應(yīng)適當(dāng)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(chǎn)生過大的側(cè)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(hù)套承受的拉力小。

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

4 結(jié)束語

大外徑聚乙烯護(hù)套電力電纜的護(hù)套開裂問題是電纜生產(chǎn)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(dá)到十幾噸，施工難度很大，施工時護(hù)套承受的拉力、側(cè)壓力、彎曲剪切力很大，更容易加劇電纜護(hù)套的開裂。護(hù)套開裂的原因很多，當(dāng)問題發(fā)生時，這更需要生產(chǎn)廠家、施工單位、設(shè)計單位和用戶一起針對具體原因，采取相應(yīng)的措施，才能避免護(hù)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(guī)范［S］.

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