大長(zhǎng)度海底電纜綜合護(hù)套生產(chǎn)線的串列

劉鑫偉, 劉 婭

(山東萬(wàn)達(dá)海纜有限公司, 東營(yíng) 257100)

0 引 言

隨著發(fā)展高質(zhì)量海洋經(jīng)濟(jì)、“3060”碳戰(zhàn)略目標(biāo)的提出,高電壓大長(zhǎng)度海纜生產(chǎn)制造技術(shù)已成為國(guó)家“十四五”發(fā)展的重點(diǎn)。因海底電纜自身的大長(zhǎng)度、高阻水等特性要求,海纜的護(hù)層設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝顯得尤為重要。以往海底電纜的鉛護(hù)套和聚乙烯護(hù)層是先后在擠鉛、擠塑等兩條獨(dú)立的生產(chǎn)線上進(jìn)行的,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在著多道周轉(zhuǎn)且效率低、鉛護(hù)套層間因相互粘連而破損、鉛層和聚乙烯護(hù)層分離導(dǎo)致安裝時(shí)受懸垂重力影響易層間脫離等情況。海纜生產(chǎn)企業(yè)普遍采用擠鉛-擠出串列的生產(chǎn)工藝[1]。為解決實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的上述問(wèn)題,有必要將兩套獨(dú)立的生產(chǎn)線進(jìn)行串列改造。本工作從生產(chǎn)周轉(zhuǎn)路徑布置、設(shè)備選用、工藝過(guò)程控制以及生產(chǎn)效果驗(yàn)證等方面對(duì)大長(zhǎng)度海底電纜綜合護(hù)套生產(chǎn)線串列展開(kāi)闡述。

1 生產(chǎn)周轉(zhuǎn)路徑布置

目前,擠鉛、瀝青涂覆、擠塑等綜合護(hù)套同步生產(chǎn)的方式打破了原有“間歇式”的生產(chǎn)工藝,改進(jìn)為同步串列生產(chǎn),工序合二為一,可以滿足周轉(zhuǎn)次數(shù)少和時(shí)間短、塑料護(hù)層分段冷卻、鉛護(hù)套不粘連、米數(shù)標(biāo)識(shí)激光打碼等要求。由于單個(gè)地轉(zhuǎn)托盤(pán)收線路徑往往限制連續(xù)作業(yè)的周期,因此為了提高儲(chǔ)纜盤(pán)繞收線的效率和裝載量,該生產(chǎn)線采用了兩套收線裝置,視排產(chǎn)的實(shí)際狀況選擇性地布置流轉(zhuǎn)路徑,實(shí)現(xiàn)半成品的倒纜周轉(zhuǎn)或不倒纜周轉(zhuǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中采用傳送架中導(dǎo)輪、支架的弧垂高度來(lái)調(diào)整各自設(shè)備的速度。根據(jù)生產(chǎn)線流程,進(jìn)行了相關(guān)周轉(zhuǎn)裝置的路徑布置,大長(zhǎng)度海底電纜綜合護(hù)套生產(chǎn)線示意圖見(jiàn)圖1。

2 設(shè)備選用及工藝過(guò)程控制

根據(jù)圖1中生產(chǎn)線的串列路徑布置,對(duì)大長(zhǎng)度海底電纜綜合護(hù)套生產(chǎn)的設(shè)備選用進(jìn)行介紹。

圖1 大長(zhǎng)度海底電纜綜合護(hù)套生產(chǎn)線示意圖

2.1 13 m大直徑地轉(zhuǎn)盤(pán)

目前,35 kV中壓海纜在擠鉛工序的半成品線芯進(jìn)線直徑范圍為33.0~52.6 mm,單位長(zhǎng)度質(zhì)量為3.8~18.3 kg,考慮安全、耗電、成本和工序周轉(zhuǎn)效率,在地轉(zhuǎn)盤(pán)側(cè)方設(shè)置傳統(tǒng)式的排線裝置即可滿足收放線過(guò)程中的扭矩和牽引拉力的要求。因此,在該串列系統(tǒng)中設(shè)置了兩套排線裝置,分別位于轉(zhuǎn)盤(pán)的上方放線端和出線端。排線裝置采用設(shè)置在鋼架結(jié)構(gòu)上的圓弧導(dǎo)軌、鋼絲繩等部件來(lái)調(diào)節(jié)與電動(dòng)葫蘆相連接的可伸縮式排線導(dǎo)輥架的上下升降、左右行走,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)的纜芯從低層到高層、從內(nèi)圈到外圈的排線。在進(jìn)線端和出線端兩側(cè)分別設(shè)置有履帶的牽引機(jī),最大牽引力為24.5 kN,最大牽引速率為0.72 km·h-1。

直徑為13 m的轉(zhuǎn)盤(pán)上設(shè)置有中心回轉(zhuǎn)支承,為了實(shí)現(xiàn)同步盤(pán)繞和退扭功能,在轉(zhuǎn)盤(pán)上設(shè)置了回轉(zhuǎn)支承軸承、大齒圈連接回轉(zhuǎn)機(jī)體和底座等部件。采用回轉(zhuǎn)支承軸承作為轉(zhuǎn)盤(pán)的定位中心,外圈托輪輔助支承,共計(jì)有24個(gè)支撐點(diǎn),可承載海纜的質(zhì)量為1 000 t,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)的支撐穩(wěn)定,轉(zhuǎn)速均勻[2]。

2.2 擠鉛機(jī)組

E合金鉛(即鉛錫銻合金)因其在高熔點(diǎn)360~380 ℃時(shí)不易發(fā)生合金離析的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于大長(zhǎng)度海纜的連續(xù)擠鉛加工工藝中。在設(shè)備選型時(shí),考慮220 kV及以下電壓等級(jí)范圍內(nèi)的系列規(guī)格和單根半成品線芯段長(zhǎng)20 km時(shí)的出鉛量需求,配置兩臺(tái)螺桿擠出式連續(xù)擠鉛機(jī),兩個(gè)容量分別為10,18 t的熔鉛爐,可以滿足進(jìn)線直徑φ10~φ160 mm范圍的生產(chǎn)需求和連續(xù)10 d以上不停機(jī)生產(chǎn)作業(yè)的要求。

鉛護(hù)套生產(chǎn)工藝中,溫度控制是極其重要的,熔鉛爐、機(jī)身、模座等各部位溫度對(duì)鉛護(hù)套質(zhì)量的影響很大。結(jié)合多年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),擠鉛機(jī)各部位溫度參數(shù)設(shè)置范圍見(jiàn)表1;溫度設(shè)置不當(dāng)時(shí),溫度對(duì)鉛護(hù)套質(zhì)量的影響情況見(jiàn)表2。

表1 擠鉛機(jī)各部位溫度參數(shù) ℃

表2 擠鉛機(jī)各部位溫度不當(dāng)時(shí)對(duì)鉛套質(zhì)量的影響情況

2.3 擠塑機(jī)組

為了覆蓋生產(chǎn)加工過(guò)程中不同規(guī)格海纜半成品的線徑范圍,在本生產(chǎn)線中平行配置了φ150和φ200兩組擠塑機(jī)。擠塑機(jī)加工溫度最高可達(dá)280 ℃,連續(xù)擠出生產(chǎn)線的速率可達(dá)0.6 km·h-1。將鉛護(hù)套和聚乙烯(PE)護(hù)套兩個(gè)獨(dú)立的工序改進(jìn)為同步生產(chǎn),上下工序聯(lián)動(dòng)合二為一,不再進(jìn)行鉛護(hù)套之后的托盤(pán)收線儲(chǔ)纜。為了減少工序周轉(zhuǎn)次數(shù)和節(jié)約時(shí)間,降低鉛護(hù)套易發(fā)生粘連破損的風(fēng)險(xiǎn)。從生產(chǎn)勞動(dòng)效率和機(jī)組人員配置方面初步核算,生產(chǎn)效率提高近1倍,降低能耗約50%。

在擠塑機(jī)組水槽的結(jié)構(gòu)布置上,重點(diǎn)考慮了加溫段和冷卻段的溫度控制系統(tǒng)。在擠塑機(jī)組中,處于熱融狀態(tài)的塑料擠包到室溫的鉛護(hù)層上時(shí),塑料的溫度會(huì)急速降低,容易導(dǎo)致塑料護(hù)層和鉛護(hù)層的界面分離。采用分段式的水槽結(jié)構(gòu),加溫段水槽的最高溫度是60 ℃,這樣可以減緩塑料護(hù)層的冷卻速率,消除塑料護(hù)層內(nèi)應(yīng)力集中的現(xiàn)象,提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 擠鉛、擠塑聯(lián)動(dòng)

在擠鉛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生鉛灰,如不及時(shí)處理將會(huì)黏結(jié)在螺桿上導(dǎo)致出鉛異常或停機(jī)等問(wèn)題[3]。在排料過(guò)程中根據(jù)電流的參數(shù)顯示,需要每隔3 h加1 g的硬脂酸進(jìn)行螺桿清洗。打開(kāi)閥門(mén)的時(shí)間控制在0.1~0.2 s,確保氮?dú)鈮毫υ?.4~0.5 MPa。這種間歇式的步驟會(huì)引起擠鉛速率的降低,為確保擠鉛-擠塑聯(lián)動(dòng)生產(chǎn),整機(jī)配套的導(dǎo)輪組將起到關(guān)鍵作用。導(dǎo)輪組的高度差可以存儲(chǔ)5~10 m線芯,能給予擠塑機(jī)足夠的時(shí)間調(diào)整速率,擠塑機(jī)起車(chē)需要以低轉(zhuǎn)速4.5~5 r·min-1啟動(dòng),正常開(kāi)機(jī)時(shí)擠鉛螺桿轉(zhuǎn)速控制在為8~10 r·min-1范圍。在聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)中,為了強(qiáng)化質(zhì)量控制,應(yīng)維持整個(gè)擠鉛過(guò)程中速率基本不變,保證鉛套厚度均勻。通過(guò)定時(shí)記錄負(fù)載電流、護(hù)套厚度等關(guān)鍵參數(shù),對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行追溯。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明,這種聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)方案可以穩(wěn)定運(yùn)行,并有效消除了鉛護(hù)層之間互相黏結(jié)變形、破損的問(wèn)題。在線鉛護(hù)套厚度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確保了大長(zhǎng)度連續(xù)生產(chǎn)鉛套的均勻性和可靠性。

2.5 瀝青涂覆裝置

在該生產(chǎn)線串列的過(guò)程中改進(jìn)了原有的瀝青涂覆裝置,該裝置主要有瀝青熔爐、電機(jī)泵及瀝青管道、光學(xué)感測(cè)系統(tǒng)、預(yù)制的聚氨酯瀝青刮板等結(jié)構(gòu)部件組成。其中,光學(xué)感測(cè)系統(tǒng)能自動(dòng)感應(yīng)線芯穿行移動(dòng),反饋行進(jìn)速率至PLC電氣系統(tǒng)中,依此來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控纜芯上方位置的瀝青噴嘴的噴涂量。瀝青涂覆裝置位于擠塑機(jī)組的前端進(jìn)線處,在原有“自上而下”澆注瀝青的涂覆方式基礎(chǔ)上,增設(shè)接料槽和瀝青刮板等裝置,增加了鉛護(hù)套線芯在充盈瀝青的接料槽中的接觸面積,有效地改善了鉛護(hù)套表面局部涂覆不均勻、漏點(diǎn)或者過(guò)厚的現(xiàn)象。這套改造的涂覆裝置,控制瀝青涂覆厚度在0.5 mm以下,纜芯進(jìn)線直徑公差控制在±2 mm范圍內(nèi),每100 km線芯可節(jié)約原材料400 kg,每年節(jié)約成本10萬(wàn)元。另外,根據(jù)不同訂單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是否有瀝青涂層,選擇啟動(dòng)或者不啟動(dòng)瀝青涂覆裝置[4]。

2.6 導(dǎo)輪組

在擠鉛-擠塑機(jī)組的中間區(qū)域預(yù)留充分的間隔場(chǎng)地,配套設(shè)置了一系列導(dǎo)輪組(包括弧度導(dǎo)輪、水平導(dǎo)輪、斜向定位導(dǎo)輪等部件)。水平導(dǎo)輪可以在0.2~0.6 m范圍內(nèi)調(diào)整高度;弧度導(dǎo)輪的直徑在4~6 m范圍內(nèi),流轉(zhuǎn)布置間隔在0.8~1.5 m范圍內(nèi),高度可以調(diào)節(jié),在弧度導(dǎo)輪的上方兩側(cè)設(shè)置了豎直的導(dǎo)輪進(jìn)行機(jī)械防護(hù),以防止纜芯滑落磕傷。斜向定位導(dǎo)輪的直徑在5~8 m范圍內(nèi),在斜向定位導(dǎo)輪組的下方增加了螺旋結(jié)構(gòu)的部件來(lái)調(diào)節(jié)整體高度,使斜向定位導(dǎo)輪組的切線和水平導(dǎo)輪組相互銜接。在生產(chǎn)過(guò)程中,主機(jī)操作人員根據(jù)線芯的直徑手動(dòng)調(diào)整導(dǎo)輪組的長(zhǎng)度和高度,通過(guò)高度差來(lái)實(shí)現(xiàn)擠鉛機(jī)、擠塑機(jī)和瀝青涂覆裝置的生產(chǎn)速率和中間牽引機(jī)的速率等保持同步。中間牽引機(jī)采用履帶式,其最大牽引力為24.5 kN。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,速率同步的調(diào)節(jié)布置是:①牽引機(jī)速率與擠鉛機(jī)組的生產(chǎn)速率不匹配時(shí),中間牽引機(jī)的速率和擠鉛機(jī)組的生產(chǎn)速率差異大小根據(jù)擠鉛機(jī)組后布置的弧度導(dǎo)輪支架的弧垂高度顯示。如果弧垂過(guò)高,說(shuō)明中間牽引機(jī)的速率大于擠鉛機(jī)組的速率;如果弧垂過(guò)低,說(shuō)明中間牽引機(jī)的速率小于擠鉛機(jī)組的速率。②牽引機(jī)的速率與擠塑機(jī)組的生產(chǎn)速率不匹配時(shí),中間牽引機(jī)的速率和擠塑機(jī)組的生產(chǎn)速率差異大小根據(jù)中間牽引機(jī)后布置的弧度導(dǎo)輪支架的弧垂高度顯示。如果弧垂過(guò)高,說(shuō)明中間牽引機(jī)的速率小于擠塑機(jī)組的速率;如果弧垂過(guò)低,說(shuō)明中間牽引機(jī)的速率大于擠塑機(jī)組的速率[5]。

2.7 收線轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)

采用φ15 m和φ10 m的兩套收線系統(tǒng),分別用于實(shí)現(xiàn)半成品擠塑纜芯的倒纜周轉(zhuǎn)或者不倒纜周轉(zhuǎn)。具體生產(chǎn)過(guò)程中的布置是:①半成品擠塑纜芯不倒纜收線時(shí),纜芯直接盤(pán)繞收線于φ10 m收線托盤(pán)中;布置安裝好流轉(zhuǎn)支架和若干導(dǎo)輪組,中心線檢查、配套設(shè)備調(diào)試;半成品擠塑纜芯的出線端依次通過(guò)計(jì)米器、噴碼機(jī)、若干導(dǎo)輪組、流轉(zhuǎn)支架、φ10 m收放線托盤(pán)系統(tǒng)等完成收線,生產(chǎn)線速率最高可以達(dá)到10 m·min-1;②半成品擠塑纜芯倒纜周轉(zhuǎn)收線時(shí),纜芯盤(pán)繞收線于φ15 m主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)托盤(pán)中,在下一道三芯半成品成纜工序生產(chǎn)時(shí),從φ15 m主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)托盤(pán)中倒纜到φ10 m收放線托盤(pán)中。布置安裝好流轉(zhuǎn)支架和若干導(dǎo)輪組,中心線檢查、配套設(shè)備調(diào)試;半成品纜芯的出線端依次通過(guò)計(jì)米器、噴碼機(jī)、若干導(dǎo)輪組、φ15 m主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)托盤(pán)系統(tǒng)等完成收線,收線速率最高達(dá)到10 m·min-1。半成品纜芯經(jīng)耐壓試驗(yàn)測(cè)試合格后,穿過(guò)流轉(zhuǎn)支架倒纜至φ10 m收放線托盤(pán)系統(tǒng)中完成收線;上述過(guò)程中倒纜收線至φ10 m收放線托盤(pán)系統(tǒng)中的生產(chǎn)線速率最高達(dá)到13 m·min-1。

在φ10 m收放線托盤(pán)系統(tǒng)中設(shè)置了排線裝置,主要部件構(gòu)成有轉(zhuǎn)向支架、過(guò)線軋輥、位置傳感器、夾緊裝置和機(jī)械排線手臂。其中,機(jī)械排線手臂可在動(dòng)力控制下,在21°角度范圍內(nèi)移動(dòng),準(zhǔn)確控制出線口在轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)的垂直對(duì)應(yīng)關(guān)系,根據(jù)大轉(zhuǎn)盤(pán)上的收線位置不同來(lái)調(diào)節(jié)大轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)速率,保持纜芯恒定速率收線。

上述半成品的倒纜周轉(zhuǎn)或者不倒纜收線的生產(chǎn)方式,在生產(chǎn)加工過(guò)程中將視排產(chǎn)的實(shí)際狀況,可選擇性的布置流轉(zhuǎn)路徑,視排產(chǎn)的實(shí)際狀況進(jìn)行選擇性的布置流轉(zhuǎn)路徑,提高半成品周轉(zhuǎn)的可選擇性,同時(shí)減少工序周轉(zhuǎn)次數(shù)、節(jié)約時(shí)間,整機(jī)生產(chǎn)工序之間連續(xù)作業(yè)程度高,節(jié)約了人工成本。

2.8 在線監(jiān)控系統(tǒng)

在生產(chǎn)線串列時(shí),考慮到整條生產(chǎn)線的跨度是300 m,為了確保各個(gè)工作節(jié)點(diǎn)的信號(hào)集中反饋,解決多工序連續(xù)作業(yè)的可視化及主機(jī)操作人員溝通同步的問(wèn)題,配備了實(shí)時(shí)在線監(jiān)控及通信系統(tǒng),主要的部件構(gòu)成有:計(jì)算機(jī)主機(jī)、監(jiān)控器系統(tǒng)、通話系統(tǒng)、多臺(tái)液晶顯示屏等。通過(guò)該系統(tǒng)將每個(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn)的工作狀況實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示器上,整機(jī)可視化、數(shù)字化、自動(dòng)化程度高,確保產(chǎn)品生產(chǎn)高效、穩(wěn)定。

3 生產(chǎn)效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證大長(zhǎng)度海纜綜合護(hù)套生產(chǎn)線串列的效果,以型號(hào)為HYJQF41-F 26/35 kV 3×300+1×12B1、長(zhǎng)度為15 km的成品海纜為例[6],對(duì)過(guò)程中半成品儲(chǔ)纜長(zhǎng)度及效果進(jìn)行對(duì)比。半成品儲(chǔ)纜長(zhǎng)度見(jiàn)表3,生產(chǎn)線串列前后效果對(duì)比見(jiàn)表4。

表3 半成品儲(chǔ)纜長(zhǎng)度

表4 生產(chǎn)線串列前后效果對(duì)比

由表3、表4可知,相比間歇式生產(chǎn)線,串列式生產(chǎn)線具有以下優(yōu)點(diǎn):①在倒纜周轉(zhuǎn)情況下采用串列式的生產(chǎn)線時(shí),半成品生產(chǎn)天數(shù)可節(jié)省3 d,人工成本減少6%;②在不倒纜周轉(zhuǎn)情況下采用串列式的生產(chǎn)線時(shí),人工成本基本保持不變,半成品生產(chǎn)天數(shù)可節(jié)省6 d。

為進(jìn)一步驗(yàn)證生產(chǎn)線串列之后產(chǎn)品的性能指標(biāo)是否滿足技術(shù)協(xié)議結(jié)構(gòu)尺寸要求及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電氣性能的要求值,根據(jù)JB/T 11167—2011《額定電壓10 kV至110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣大長(zhǎng)度交流海底電纜及附件》標(biāo)準(zhǔn),取樣進(jìn)行單相線芯的局部放電試驗(yàn)和電壓試驗(yàn),試驗(yàn)合格通過(guò)檢測(cè)。半成品測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 半成品測(cè)試結(jié)果

由表5試驗(yàn)結(jié)果可知:①35 kV海纜三相線芯,即紅色相、黃色相、綠色相的鉛護(hù)套和PE護(hù)套的結(jié)構(gòu)尺寸滿足JB/T 11167—2011標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)標(biāo)稱厚度和最薄點(diǎn)的要求[7];②海纜成品的局部放電、直流電阻、電容、交流電壓等電氣試驗(yàn)符合海纜例行試驗(yàn)性能要求[8]。試驗(yàn)檢測(cè)合格,采用本工作中的串列生產(chǎn)線加工大長(zhǎng)度海底電纜綜合護(hù)套的策量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本工作從生產(chǎn)周轉(zhuǎn)路徑布置、設(shè)備選用及工藝過(guò)程控制、生產(chǎn)效果驗(yàn)證等方面論述了大長(zhǎng)度海底電纜綜合護(hù)套生產(chǎn)線串列的可行性。得到如下結(jié)論:

(1)采用串列的擠鉛-擠塑生產(chǎn)線更具時(shí)效性,生產(chǎn)周轉(zhuǎn)時(shí)間短。交付相同截面、長(zhǎng)度的訂單時(shí),采用擠鉛-擠出-成纜串列的“不倒纜”生產(chǎn)用時(shí)最少,在海上風(fēng)電“搶裝潮”背景下可以順利按照合同工期交付。

(2)采用串列的生產(chǎn)線更具經(jīng)濟(jì)性,在人工費(fèi)用1%~2%范圍可調(diào)的情況下,可以減少50%人工定額,根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)配至其他工序產(chǎn)出附加效益,符合當(dāng)前行業(yè)“降本增效”的發(fā)展趨勢(shì)。

應(yīng)對(duì)未來(lái)離岸距離大于15 km的海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的趨勢(shì),無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性、時(shí)效性和技術(shù)性的角度,擠鉛-擠塑綜合護(hù)套串列的生產(chǎn)方式都是優(yōu)選方案,為大長(zhǎng)度海底電纜的連續(xù)生產(chǎn)交付提供了可靠的支撐,增加了半成品周轉(zhuǎn)路徑的可選擇性,節(jié)省生產(chǎn)用時(shí),解決儲(chǔ)存、人工成本高等難點(diǎn)問(wèn)題,具有良好的應(yīng)用前景。