解析XLPE低壓力纜絕緣制程的質(zhì)量控制

彭旺全，仲 月，李 宋，王爍爍

(1.河南華泰特種電纜集團(tuán)有限公司，鄭州 450041；2.雙登電纜股份有限公司，江蘇 泰州 225500;3.廣州冠粵路橋檢測(cè)有限公司，廣州 510880)

0 引 言

XLPE絕緣低壓力纜是配電網(wǎng)和工業(yè)裝置中固定、安裝、敷設(shè)常用的電纜，是目前應(yīng)用最廣泛的電力電纜之一，其性能優(yōu)劣直接影響輸配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。近些年，由于力纜行業(yè)粗放式發(fā)展，現(xiàn)有力纜生產(chǎn)企業(yè)中，絕大部分是中小企業(yè)，而行業(yè)平均利潤率一直在下降。企業(yè)產(chǎn)能過剩，盈利點(diǎn)降低，市場(chǎng)環(huán)境惡化，導(dǎo)致這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品部分沒有質(zhì)量保證。

在《2020年市場(chǎng)監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于電線電纜等12種產(chǎn)品質(zhì)量國家監(jiān)督專項(xiàng)抽查情況的通報(bào)》中，共抽查了24個(gè)省(區(qū)、市)243家企業(yè)生產(chǎn)的409批次電線電纜產(chǎn)品，其中1批次產(chǎn)品涉嫌無證生產(chǎn)，15批次涉嫌假冒產(chǎn)品，已移送企業(yè)所在地市場(chǎng)監(jiān)管部門處理。檢驗(yàn)的393批次產(chǎn)品中，有42批次產(chǎn)品不合格，不合格發(fā)現(xiàn)率為10.7%。其中XLPE絕緣電力電纜的絕緣熱延伸和熱收縮率不合格問題十分突出。

因此，該文結(jié)合電纜行業(yè)通報(bào)的質(zhì)量問題，重點(diǎn)分析XLPE絕緣低壓力纜絕緣工序的質(zhì)量控制要點(diǎn)，分析加工模具與溫度的關(guān)系、交聯(lián)溫度與交聯(lián)時(shí)間的關(guān)系、原材料對(duì)絕緣質(zhì)量影響，從而找到提高質(zhì)量及生產(chǎn)效率的方法和途徑。

1 質(zhì)量要求

電纜絕緣層的主要作用是使導(dǎo)體與周圍環(huán)境或相鄰導(dǎo)體間相互絕緣，是影響產(chǎn)品質(zhì)量及使用安全的關(guān)鍵，XLPE絕緣的質(zhì)量要求在GB/T12706.1—2020和GB/T31840.1—2015標(biāo)準(zhǔn)中有明確規(guī)定[1-2]。XLPE絕緣低壓力纜的絕緣平均厚度不得小于標(biāo)稱厚度，最薄點(diǎn)厚度不得小于標(biāo)稱厚度的90%減0.1 mm，其關(guān)鍵質(zhì)量難點(diǎn)詳見表1。目前，關(guān)于XLPE絕緣常有市場(chǎng)反饋其熱延伸和熱收縮率試驗(yàn)不合格。

表1 XLPE絕緣的性能要求Table 1 Performance requirements of XLPE insulation

2 試驗(yàn)方法

2.1 熱延伸試驗(yàn)

在交聯(lián)的絕緣線芯上按GB/T 2951.21—2008第9章中規(guī)定制樣，試樣厚度控制在0.6～2.0 mm范圍之內(nèi)。按表1在自然換氣老化箱(以下簡稱烘箱)上設(shè)置溫度和試樣載荷機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)烘箱的溫度達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，將試樣放置其中。試樣在烘箱中有效試驗(yàn)溫度下保持10 min，記錄伸長數(shù)據(jù)，計(jì)算其載荷下伸長率。打開烘箱門，將載荷機(jī)械應(yīng)力解除，并將試樣繼續(xù)保留5 min。然后將試樣從烘箱中取出，放置冷卻至室溫，再次記錄伸長數(shù)據(jù)，計(jì)算其冷卻后永久伸長率。

試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合表1中的要求。

2.2 收縮試驗(yàn)

在交聯(lián)的絕緣線芯上按GB/T 2951.13—2008第10章和表1的規(guī)定制樣，并設(shè)置烘箱的溫度。當(dāng)烘箱的溫度達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，將試樣放置其中。試樣在烘箱中有效試驗(yàn)溫度下保持1 h，然后將試樣取出，放置冷卻至室溫，再次記錄伸長數(shù)據(jù)，計(jì)算其收縮率。

試驗(yàn)結(jié)果的要求應(yīng)符合表1中的要求。

3 絕緣擠出工藝要點(diǎn)

目前，低壓力纜的XLPE絕緣原材料均采用硅烷XLPE[5]。硅烷XLPE絕緣對(duì)擠塑機(jī)的要求較高，使用的螺桿一般取長徑比20～25倍，采用等距不等深雙螺紋螺桿為宜，并且設(shè)備要配置分段冷卻的水槽。XLPE加工溫度應(yīng)依據(jù)各供應(yīng)商原材料的要求控制，二步法料的加工溫度一般在140～210 ℃，一步法料的加工溫度一般在160～250 ℃。每次開機(jī)前后一定要清理螺桿、料桶、機(jī)頭及模具等，保證其生產(chǎn)設(shè)備清潔、干凈、無任何雜質(zhì)，以避免絕緣線芯在生產(chǎn)過程中因混入雜質(zhì)而導(dǎo)致火花試驗(yàn)擊穿及外觀不良等問題。

因?yàn)閄LPE絕緣低壓力纜的絕緣厚度相對(duì)較薄，且硬度高，易開裂，在后續(xù)的成纜工序絕緣偏心處易因受到機(jī)械應(yīng)力而開裂，因而要特別注重模具的選擇和絕緣偏心的校正[6]。配模是否合理，將直接影響XLPE擠出的質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。由于粘流體膠料在離模后具有高彈形變，使擠出線徑并不等于模套的孔徑。一方面，由于冷卻使制品擠包層截面收縮，外徑減??；另一方面，由于制品離模后壓力降至零，高彈態(tài)的XLPE因彈性回復(fù)而脹大。離模后絕緣層形狀、尺寸的變化與其自身性質(zhì)、擠出溫度、模具尺寸和擠出壓力有關(guān)。10 mm2及以上規(guī)格的XLPE絕緣一般采用半擠壓式模具，其模芯和模套選擇不宜過大或過小，模芯內(nèi)徑建議選取比導(dǎo)體外徑大0.5～5.0 mm，模套選擇時(shí)建議拉伸比取2～5。模套拉伸比過大，絕緣厚度偏大，增加制程中原材料的成本，降低生產(chǎn)速度；模套拉伸比過小，絕緣厚度偏小，易產(chǎn)生不合格品?？傊?，XLPE絕緣在制程中使用的模套拉伸比控制在2.5～3.0范圍之內(nèi)時(shí)，生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量最佳。這樣既能保證絕緣線芯的絕緣結(jié)構(gòu)尺寸、偏心及厚度要求，又能保證線芯的出線速度。6 mm2及以下規(guī)格的XLPE絕緣建議采用擠壓式模具，一般選取模芯比導(dǎo)體外徑大0.1～0.2 mm，模套比絕緣線芯外徑大0.1～0.2 mm。擠出塑料配模的拉伸比K可按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：K為塑料配模的拉伸比；D1為模套孔徑，mm；D2為模芯出口內(nèi)徑，mm；b為模芯出口壁厚，mm；d1為XLPE線芯的外徑，mm；d2為導(dǎo)體的外徑，mm。

XLPE絕緣線芯在擠出后應(yīng)先經(jīng)過火花檢驗(yàn)，因?yàn)槠湓诖藭r(shí)尚未交聯(lián)，屬于熱塑性材料，可以進(jìn)行修補(bǔ)，一般采用簡易的熱塑槍加高溫帶進(jìn)行修補(bǔ)，效果較好。如果不經(jīng)過火花檢驗(yàn)，一是不符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)過程的質(zhì)量要求；二是交聯(lián)后XLPE屬于熱固性材料，線芯質(zhì)量缺陷點(diǎn)無法完好的修復(fù)；三是容易使導(dǎo)體進(jìn)水，導(dǎo)致導(dǎo)體氧化。

4 絕緣交聯(lián)制程工藝要點(diǎn)

XLPE的基料是聚乙烯材料。聚乙烯的耐熱性不高，導(dǎo)體長期允許工作溫度只有70 ℃，經(jīng)過交聯(lián)后，其長期耐熱溫度從70 ℃提高到90 ℃。目前，力纜制造行業(yè)一般都采用溫水或蒸汽交聯(lián)。聚乙烯親水性差，水分子在其內(nèi)擴(kuò)散速度很慢，從而導(dǎo)致交聯(lián)速度很慢。絕緣厚度越大，同等交聯(lián)溫度下交聯(lián)時(shí)間越長。絕緣線芯交聯(lián)過程主要通過控制交聯(lián)溫度和交聯(lián)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。XLPE的交聯(lián)速度取決于水分子擴(kuò)散到聚乙烯內(nèi)的速度，在受熱的情況下水分子獲得能量，水分子獲取的能量與溫度成正比。提高水的溫度，水分子擴(kuò)散加快，從而提高交聯(lián)速度。由于水的沸點(diǎn)為100 ℃，為了提高效率、節(jié)約能源，一般在85～95 ℃的水中進(jìn)行溫水交聯(lián)。XLPE在交聯(lián)過程中，分子結(jié)構(gòu)也在進(jìn)行調(diào)整，消除內(nèi)應(yīng)力，降低應(yīng)力開裂[7]。通過長期生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得出，交聯(lián)時(shí)間、交聯(lián)溫度、絕緣厚度等均與交聯(lián)度有著密切的關(guān)系，水溫高、絕緣薄，交聯(lián)度大。

圖1為各溫度下的熱延伸檢測(cè)結(jié)果。選取絕緣厚度為1.0 mm，得出交聯(lián)時(shí)間與交聯(lián)溫度關(guān)系，即相同時(shí)間、相同絕緣厚度時(shí)，交聯(lián)溫度越高，載荷下伸長率越小，交聯(lián)度性能越好。

圖1 不同溫度下熱延伸檢測(cè)結(jié)果Fig.1 Thermal elongation test results at different temperatures

圖2為各絕緣厚度的熱延伸檢測(cè)結(jié)果。選擇交聯(lián)溫度在(90±5)℃時(shí)，得出絕緣厚度與交聯(lián)時(shí)間關(guān)系，即相同時(shí)間、相同溫度時(shí)，絕緣厚度越大，載荷下伸長率越大，交聯(lián)度性能越差。

圖3為絕緣厚度與交聯(lián)時(shí)間的關(guān)系曲線。當(dāng)交聯(lián)溫度在(90±5)℃時(shí)，載荷下伸長率控制在60%～100%，得出絕緣厚度與交聯(lián)時(shí)間關(guān)系，即交聯(lián)溫度相同時(shí)，絕緣厚度越大，交聯(lián)時(shí)間越長。

圖2 不同絕緣厚度下熱延伸檢測(cè)結(jié)果Fig.2 Thermal extension test results under different insulation thickness

圖3 絕緣厚度與交聯(lián)時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between insulation thickness and crosslinking time

結(jié)合圖1～3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和長期生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通常每1 mm XLPE絕緣需要交聯(lián)4～6 h，絕緣材料的性能能夠達(dá)到最佳值，載荷下伸長率控制在60%～100 %[8]，預(yù)定交聯(lián)時(shí)間可按式(2)計(jì)算。

t=k×δ

(2)

式中：t為(90±5)℃的交聯(lián)時(shí)間，h；δ為XLPE絕緣厚度，mm；k為85～95 ℃時(shí)交聯(lián)時(shí)間系數(shù)，一般取4～6 h/mm。

5 XLPE絕緣料選用

目前，低壓力纜制造廠家常用的有一步法和二步法硅烷XLPE。二步法XLPE相對(duì)一步法性能更加穩(wěn)定。一步法XLPE在擠包絕緣層時(shí)，易預(yù)交聯(lián)，在生產(chǎn)中應(yīng)控制好擠塑溫度和停機(jī)時(shí)間，才能使XLPE絕緣料處于合理分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)，保證絕緣性能穩(wěn)定。

在電纜絕緣擠出過程中，XLPE在擠塑機(jī)中完成塑化、成型、定型。XLPE在塑化和成型時(shí)均需要加熱，同時(shí)受到剪切和牽引拉伸作用，使得XLPE中分子的晶粒沿著縱向增大、徑向減小，發(fā)生分子取向，產(chǎn)生收縮應(yīng)力，這就導(dǎo)致XLPE絕緣的熱收縮現(xiàn)象。為了研究絕緣特性，對(duì)其熱收縮試驗(yàn)和熱延伸試驗(yàn)對(duì)比，在相同加工溫度、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)速度和人員的情況下，通過調(diào)整模具、交聯(lián)方式和材料進(jìn)行分析對(duì)比，其試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

表2 XLPE絕緣的性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Performance test results of XLPE insulation

對(duì)比表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：

1)蒸汽交聯(lián)與溫水交聯(lián)方式的熱延伸性能相對(duì)差異較小。

2)二步法比一步法XLPE的熱收縮率好，熱延伸無明顯變化。

3)XLPE絕緣的熱延伸在合理的交聯(lián)溫度和交聯(lián)時(shí)間條件下，其絕緣料對(duì)模具和交聯(lián)方式依賴性較小。

4)擠壓式模具比半擠壓式模具的熱收縮率好，熱延伸無明顯變化。XLPE絕緣料采用擠壓式模具生產(chǎn)絕緣層，增加了模芯與模套間距，靠壓力實(shí)現(xiàn)膠料定型，使絕緣層緊密包覆在導(dǎo)體上, 降低絕緣和導(dǎo)體之間的可剝離力，以抵消絕緣擠出時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，絕緣相對(duì)不易產(chǎn)生熱收縮。

6 結(jié) 語

綜上所述，合理選擇原材料、交聯(lián)溫度和模具是保證XLPE絕緣低壓力纜絕緣質(zhì)量的關(guān)鍵。

1)建議選用性能穩(wěn)定的二步法硅烷XLPE料。

2)熱延伸可以通過交聯(lián)溫度和計(jì)算的交聯(lián)時(shí)間來控制，同時(shí)通過檢驗(yàn)數(shù)據(jù)微調(diào)交聯(lián)時(shí)間。

3)合理選用模具是保證產(chǎn)品生產(chǎn)效率、結(jié)構(gòu)尺寸、熱收縮的關(guān)鍵。模具可按該文的方案來配模。

無論選用哪種模具、原材料及交聯(lián)方式，產(chǎn)品質(zhì)量均是各制造廠家控制的核心，有效的質(zhì)量控制措施和嚴(yán)格的質(zhì)量管理程序，才是提高電纜質(zhì)量的有效辦法，也是企業(yè)生存發(fā)展的根本。