大長度海底電纜鋁塑復(fù)合帶縱包關(guān)鍵技術(shù)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(huán)保的特性，目前在全球領(lǐng)域受到歡迎且應(yīng)用廣泛。此種結(jié)構(gòu)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(fù)合帶）具有良好的阻水性能，而鋁塑復(fù)合帶的生產(chǎn)質(zhì)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(zhì)量。遠距離、大長度海底電纜的生產(chǎn)更依賴于大長度鋁塑復(fù)合帶縱包生產(chǎn)。本文針對實際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的風(fēng)險，對生產(chǎn)中采用的材料設(shè)備選型、生產(chǎn)工藝、風(fēng)險預(yù)防進行詳細介紹分析，并以圖1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為例。

圖1 常見半干式輕型海底電纜結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品主要性能指標(biāo)：電壓等級19/33(36)kV，導(dǎo)體截面400mm2，銅絲屏蔽截面積35mm2，外徑≈131.5mm，重量≈28.5kg/m，最大導(dǎo)體運行溫度90℃，最大導(dǎo)體短路溫度250℃，20℃時導(dǎo)體直流電阻≤0.0470Ω/km，90℃導(dǎo)體交流電阻0.0623Ω/km，非隔熱導(dǎo)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(shè)備布局

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

1.2 材料、設(shè)備選型

材料與設(shè)備選型需考慮到大長度穩(wěn)定生產(chǎn)與接帶操作所需條件。

1.2.1 鋁塑復(fù)合帶

鋁塑復(fù)合帶的選型會直接影響到接帶質(zhì)量與生產(chǎn)可持續(xù)性；單面去膜鋁塑復(fù)合帶可減少接帶焊接時去膜時間，減少因接帶失敗導(dǎo)致停機的風(fēng)險。為滿足生產(chǎn)與運行條件，鋁塑復(fù)合帶性能參數(shù)需參考以下數(shù)據(jù)：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(jié)產(chǎn)生破壞時，塑料層間的熱合區(qū)應(yīng)未產(chǎn)生剪切破壞），熱合強度≥合強度切破壞剪切，動摩擦系數(shù)≤摩擦系數(shù)，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(fù)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(fù)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(shè)備及熱熔膠選擇

大長度生產(chǎn)時熱熔膠需連續(xù)、均勻地涂覆在鋁塑復(fù)合帶搭界處，以滿足鋁塑復(fù)合帶的阻水性能。熱熔膠選擇主要指標(biāo)為熔點，較高的熔點可防止鋁塑復(fù)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(chǎn)，選擇雙涂膠槍頭可更換式涂膠設(shè)備，出現(xiàn)意外時可隨時更換調(diào)整。

1.2.3 放帶及儲帶設(shè)備

放帶設(shè)備需保證連續(xù)生產(chǎn)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(zhuǎn)矩與800W的滑差功率。放帶設(shè)備采用180度可旋轉(zhuǎn)張力放帶架并可左右移動調(diào)節(jié)，生產(chǎn)過程中鋁塑復(fù)合帶一用一備，實現(xiàn)快速換帶，左右調(diào)節(jié)確保鋁塑復(fù)合帶一直保持在成型模具中間位置。儲帶設(shè)備需為接帶操作提供充足時間，可儲存至少100m長的鋁塑復(fù)合帶。為保證放帶時鋁塑復(fù)合帶表面質(zhì)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(fā)生。

1.2.4 焊接技術(shù)研究

焊接設(shè)備決定了焊接質(zhì)量，在進行調(diào)研和綜合考慮后，選擇了對縫焊接方法對鋁塑復(fù)合帶進行接續(xù)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(guī)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(fù)合帶拉斷力試驗對比表

從圖2數(shù)據(jù)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(chǎn)中斷帶的風(fēng)險較大。

1.3 模具

模具是影響大長度連續(xù)生產(chǎn)的重要因素，縱包生產(chǎn)過程主要為鋁塑復(fù)合帶通過喇叭模在纜芯上逐漸成型，經(jīng)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(qū)與定徑區(qū)長度、模具式樣等，充分考慮生產(chǎn)時可能出現(xiàn)斷帶、卡模、成型較差等情況。考慮大長度生產(chǎn)的磨損較為嚴重及纜芯經(jīng)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(fù)合帶成型后定型，保證進機頭后穩(wěn)定性，實際使用情況良好，?？谖从忻黠@變化，實現(xiàn)了單根長度超過30km連續(xù)生產(chǎn)。

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(huán)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(huán)結(jié)尾溫度應(yīng)保持在規(guī)定值至少2個小時。熱循環(huán)試驗后樣品終端用密封帽密封后置于壓力容器內(nèi)，水壓1MPa，測試持續(xù)48小時，水溫5～35℃。測試時間結(jié)束后將樣品從水中取出，分別打開護套層、鋁塑復(fù)合帶層，鋁帶焊接接頭處觀察，均未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

彎曲試驗：為驗證鋁塑復(fù)合帶及接頭機械性能，按照IEC60502-2 18.2.4節(jié)要求進行彎曲試驗。選取內(nèi)筒徑1.1m、高2m規(guī)格的鐵盤，試樣在環(huán)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(fù)此過程，這種方向字形收放線操作循環(huán)3次；試驗結(jié)束后剝開鋁塑復(fù)合帶，觀察鋁塑復(fù)合帶內(nèi)壁情況。鋁塑復(fù)合帶接頭位置經(jīng)過彎曲試驗，內(nèi)壁表面光滑、平整，未出現(xiàn)變形、起皺、開裂等異常，驗證焊接性能良好。

3 結(jié)語

本文結(jié)合實際生產(chǎn)中已遇到和可能存在的質(zhì)量隱患，對材料及設(shè)備選型、關(guān)鍵過程控制、風(fēng)險預(yù)防等進行介紹分析，為實現(xiàn)大長度鋁塑復(fù)合帶縱包生產(chǎn)提供理論技術(shù)支持，且本司已在實際生產(chǎn)中完成驗證，并成功生產(chǎn)單根連續(xù)段長30km的鋁塑復(fù)合帶結(jié)構(gòu)海底電纜，生產(chǎn)情況較好。同時此結(jié)構(gòu)可用于替代國內(nèi)35kV及以下電壓等級海底電纜的傳統(tǒng)鉛套結(jié)構(gòu)，增加了產(chǎn)品多樣性，具備大長度生產(chǎn)能力后可大大降低線纜行業(yè)對鉛錠的需求，對整個產(chǎn)業(yè)鏈形成積極生態(tài)意識影響，在海上風(fēng)電實行平價上網(wǎng)時代提供具有價格競爭力產(chǎn)品，符合國家環(huán)境友好、綠色、低碳健康穩(wěn)定的發(fā)展戰(zhàn)略。