柔性陽極電纜生產(chǎn)工藝的研究

張有良， 李存良， 秦 濤， 張國安， 施俊文， 李靜宇

(輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計研究院，陜西西安710086)

0 引言

柔性陽極電纜是為解決輸油管道、天然氣管道、大型儲存罐防腐問題而研制的新型特種電纜。柔性陽極又名聚合物型電纜陽極，聚合物電纜陽極是用導(dǎo)電的、性能穩(wěn)定的改性聚合物制成，石墨粉作為導(dǎo)電材料，銅質(zhì)電纜芯用作電流導(dǎo)線，做成電纜狀的陽極，柔韌性好，抗機(jī)械損傷能力強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性好。應(yīng)用陽極柔性電纜，克服了一些傳統(tǒng)陰極保護(hù)技術(shù)的難點(diǎn)，如對外部結(jié)構(gòu)物的干擾、高電阻率環(huán)境介質(zhì)中實(shí)施陰極保護(hù)、儲罐底部的陰極保護(hù)電流分布等，解決了埋地舊管道防腐層嚴(yán)重老化。本文將論述特種柔性陽極電纜的特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝。

1 柔性陽極電纜的產(chǎn)品組成

1.1 柔性陽極電纜的結(jié)構(gòu)

成型的柔性陽極電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。一般柔性陽極由銅芯、導(dǎo)電聚合物陽極材料、焦炭渣、編織物等組成。電纜的芯線由一根帶有絕緣層的銅芯電纜和導(dǎo)電聚合物陽極材料平行組成，相隔一定距離導(dǎo)電聚合物與銅導(dǎo)線相連接，不同的產(chǎn)品規(guī)格不同。

圖1 特種柔性陽極電纜結(jié)構(gòu)簡圖

電纜芯線的周圍由焦炭粉包裹，包裹碳粉的是纖維布套，形成碳粉和芯線同軸，最外面的一層是編股纖維絲，保護(hù)纖維布不被劃傷。

1.2 常用陽極電纜的主要參數(shù)

常用的柔性陽極電纜基本尺寸(成品直徑)39.5 mm，柔性陽極內(nèi)部電纜線芯結(jié)構(gòu)1×10 mm2，碳粉的固定碳含量≥99.27%，體積電阻率≤0.05 Ω·cm，填包布套，頂破強(qiáng)度1 575 N，單位面積質(zhì)量242 g/m2。

1.3 柔性陽極電纜應(yīng)用原理

早期主要是為解決覆蓋層老化的老齡管道的陰極保護(hù)問題而研制開發(fā)的，目前已廣泛應(yīng)用于新建和已建管道及儲罐的保護(hù)。柔性陽極安裝在管道或其它被保護(hù)結(jié)構(gòu)的附近，并連接到外接電源的正極上，而管道等被保護(hù)體則連接到外接電源的負(fù)極上，這樣形成了回路。通電后，適量的陰極防護(hù)電流就可以通過導(dǎo)線均勻地分散到每一個部位，使被保護(hù)體得到完整的保護(hù)。簡而言之，柔性陽極陰極保護(hù)物理模式可比作平行板電容器，柔性陽極帶正電，被保護(hù)管道帶負(fù)電;在地床中產(chǎn)生平行柱狀電場，使管道處于等電位保護(hù)作用。

2 柔性陽極電纜的使用材料

柔性陽極電纜一般由芯線、焦碳粉和纖維布組成，焦炭粉與線芯同軸，由纖維布包裹。

2.1 包裹纖維布

纖維布套應(yīng)耐酸、氯，并有一定的耐磨性，產(chǎn)品不同，性能不同。一般要求的物理特性包括厚度、重量、破裂拉力、磨阻次數(shù)、包裹碳粉后的外徑等參數(shù)，纖維布套采用熱熔膠粘合劑粘合，熱熔膠要求快干，粘合力強(qiáng)，以便提高成型速度。纖維布復(fù)卷在內(nèi)孔直徑為70 mm的紙筒上，常用幅寬(127±1)mm，布卷直徑≤500 mm，有足夠的頂破強(qiáng)度和耐磨次數(shù)。

2.2 線芯

線芯結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由絕緣銅芯線和導(dǎo)電聚合物陽極材料組成，其中常用的絕緣銅芯線1×10、1×16、1×25或根據(jù)客戶要求定制，常用的導(dǎo)電聚合物陽極材料直徑1.0 mm、2.0 mm，1股或2股，可根據(jù)客戶要求定制。

圖2 線芯結(jié)構(gòu)與結(jié)合部結(jié)構(gòu)示意圖

一般此線芯的生產(chǎn)工藝通過3個工位來完成，具體步驟如下:

首先將銅芯絕緣電纜從放線架引出，導(dǎo)電聚合物陽極材料從放線架引出，兩種導(dǎo)線同步傳送，一般輸送3～5 m后停止，通過第二步完成如圖2的連接結(jié)構(gòu)。

第二步，分別在3個工位同步完成以下工作。在工位1處對導(dǎo)電聚合物陽極材料折彎定型，在工位2處對銅芯絕緣電纜沖掉絕緣層，在工位3處打扣，將兩種導(dǎo)線緊密連接(在打扣的過程中檢測兩種導(dǎo)線的同步性)。

第三步收卷，將打好扣的電纜纏繞在標(biāo)準(zhǔn)線架上，供給柔性陽極電纜生產(chǎn)設(shè)備使用，一般總長度在1 km以上。

2.3 焦炭粉特性

焦炭粉應(yīng)采用石油基焦碳，其分布在導(dǎo)電聚合物周圍，物理特性包括固定碳含量、體積電阻率、粒徑和密度，不同的電纜要求的碳粉性能不同。

3 柔性陽極電纜的生產(chǎn)工藝

圖3是柔性陽極電纜的生產(chǎn)工藝流程簡圖，主要包含布料供給與成型、碳粉供給、電纜供給三個部分工藝過程。布料成形、碳粉填充和芯線輸送要求自動同步運(yùn)行。

圖3 主要工藝過程方框圖

3.1 布料供給與成型

布料供給與成型主要由布卷安裝架、布料的應(yīng)力釋放和恒張力、布料的成型組成。

3.1.1 布料供給

布料的供給主要由布料安裝架和布料的應(yīng)力釋放和恒張力系統(tǒng)完成。布卷安裝在安裝架上，布卷的安裝架從工藝上要求安裝方便，導(dǎo)出平展。布料的安裝架由主副安裝架組成，每個安裝架上由加緊機(jī)構(gòu)、調(diào)整定位機(jī)構(gòu)、剎車機(jī)構(gòu)組成［1］。

布料在復(fù)卷的過程中產(chǎn)生應(yīng)力，展開后首先釋放應(yīng)力，產(chǎn)生相對的恒張力，在成型的過程中才會穩(wěn)定，不易跑偏。一般釋放應(yīng)力產(chǎn)生恒張力的辦法，主要是布料通過多道固定滾筒和移動滾筒，控制移動滾筒的移動范圍，將布料儲存在該機(jī)構(gòu)上。儲存在該機(jī)構(gòu)上的布料張力在允許的范圍內(nèi)變化，不影響成型效果［1，2］。

3.1.2 布料的成型與封合

布料的成型，如圖4所示。采用枕形包裝機(jī)中的圓形翻領(lǐng)成型器成型，熱熔膠噴涂，壓合后同步包裹碳粉和線芯。此技術(shù)比較成熟，效果較好。成行速度取決于熱熔膠的粘合速度，熱熔膠的開放時間在10 s之內(nèi)有效。為使粘合效果良好，設(shè)計要求不超過6 s，涂膠點(diǎn)與壓合點(diǎn)的距離如圖4所示，一般距離為200 mm，設(shè)定距離192 mm左右，得出最低成型速度V=192/6=32 mm/s=1.92 m/min，因此成型速度不低于1.92 m/min，可以保證封合比較理想。

圖4 布料成型與封合的結(jié)構(gòu)圖

3.1.3 布料的成型線速度

布料成型的牽引由牽引輪完成，牽引輪的線速度即為布料成型的線速度。根據(jù)牽引輪周長與轉(zhuǎn)速乘積，得出成型線速度U3=Φ1πU1/K1，其中成型電機(jī)轉(zhuǎn)速U1，電纜牽引輪直徑 Φ1=90 mm(圖5所示)，布料牽引減速機(jī)減速比K1=120，得出:

成型速度最低為1.92 m/min時，布料驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速U1=1 920×120/90π=814.8 r/min，公稱設(shè)計3.5 m/min成型速度時，成型牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3500×120/90π=1 485.4 r/min，符合一般電機(jī)和減速機(jī)的選型要求。

3.2 線芯供給

線芯供給由線芯預(yù)牽引和線芯牽引兩部分組成。

3.2.1 線芯的預(yù)牽引

線芯在制作收卷的過程中，線芯產(chǎn)生了應(yīng)力，線芯在同步牽引之前進(jìn)行應(yīng)力的釋放。在設(shè)計預(yù)牽引機(jī)構(gòu)時要考慮應(yīng)力釋放和恒張力釋放系統(tǒng)，預(yù)牽引出口處線芯保持一個相對穩(wěn)定的恒張力。

3.2.2 線芯牽引

柔性陽極電纜在成型的過程中，線芯牽引的速度取決于布料成型的速度。通過計算結(jié)果修正輸送的誤差，建立與成型相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，同步運(yùn)行、同步牽引的過程中消除誤差，制作出的特種同軸線芯達(dá)到同心、芯線自然平直的效果。

成型速度與線芯牽引速度的關(guān)系，按式(1)同樣原理得出電纜牽引線速度U2=Φ4πU4/K4。其中，成型電機(jī)轉(zhuǎn)速U1;電纜牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速U4;設(shè)定電纜牽引輪直徑Φ4=114 mm;電纜牽引減速機(jī)減速比K1=100。根據(jù)線速度相等原理得:

公稱設(shè)計速度為3.5 m/min時，成型牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 485.4 r/min，根據(jù)式(2)計算出電纜牽引電機(jī)速度U2=1 485.4/1.52=977.24 r/min，符合設(shè)計要求，運(yùn)行速度有調(diào)高的空間。

3.3 焦碳粉供給

根據(jù)碳粉的物理特性，碳粉的定量供給采用螺旋輸送，如圖5所示。通過建立與成型相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，與布料同步運(yùn)行，保證碳粉填充的準(zhǔn)確性。

圖5 碳粉下料與布料成形關(guān)系示意圖

成型速度與碳粉下料速度的關(guān)系，通過圖5碳粉下料與布料成形體積關(guān)系計算。根據(jù)圓柱體體積計算出單位時間內(nèi)成型部分需要的碳粉體積V1:

式中，成型筒內(nèi)徑D3=38 mm;電纜直徑D4=13 mm;U3為成型線速度。根據(jù)圖5求出布料成型線速度U3=Φ1πU1/K1(式 1)。式中，對于外徑為39.5 mm的柔性陽極電纜，成型牽引輪的直徑Φ1為90 mm。

根據(jù)螺旋體積計算出單位時間內(nèi)螺旋碳粉輸送體積V2:

式中，碳粉下料電機(jī)轉(zhuǎn)速U2;減速比K2;螺旋輸料器螺桿內(nèi)徑D2=34;螺旋葉輪外徑D1=75;螺距b=47。由成型和螺旋下料體積相同得出:

假設(shè)螺旋輸料減速比K2=50時，根據(jù)式(3)，成型最小線速度為1 920 mm/min，得出螺旋輸料器的電機(jī)最小轉(zhuǎn)速為582.5 r/min;布料成型公稱設(shè)計線速度為3.5 m/min時，得出螺旋輸料器電機(jī)的公稱設(shè)計轉(zhuǎn)速為1 062.5 r/min。符合一般伺服電機(jī)的選型要求，運(yùn)行速度有調(diào)高的空間。

4 結(jié)束語

柔性陽極電纜是一種新型器材，它的生產(chǎn)工藝涉及的技術(shù)比較多，集成多項關(guān)鍵技術(shù)。我們研究生產(chǎn)工藝的目的，主要為完成此工藝的生產(chǎn)設(shè)備的研究奠定良好基礎(chǔ)。工藝的可行性還要通過在生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)過程中驗證，進(jìn)行改進(jìn)、提高和完善。為了支持國內(nèi)柔性陽極電纜的生產(chǎn)，打破國外公司在該行業(yè)的壟斷，我們已研發(fā)出全自動電纜同軸包裹碳粉生產(chǎn)柔性陽極特種電纜專用設(shè)備，它是典型的光機(jī)電一體化智能設(shè)備，屬多項現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的集成創(chuàng)新項目。

［1］張有良，王 茹，張國安，等.提高熱縮膜包裝機(jī)送膜速度的研究［J］.食品與包裝機(jī)械，2011，29(5):21-24.

［2］張有良，常曉煜，張國安，等.枕形袋立式包裝機(jī)的膜預(yù)牽引和成形制袋的研究［J］.食品與包裝機(jī)械，2010，28(5):20-23.