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[ 技術論壇 ] 硅烷交聯聚乙烯絕緣電纜熱收縮不合格的原因探討

通達股份2020-04-04 13:58:28

通達電纜|品質天下

?硅烷交聯聚乙烯絕緣電纜

熱收縮不合格的原因探討


摘要:針對硅烷交聯聚乙烯絕緣電力電纜生產過程中出現的XLPE絕緣熱收縮不合格的危害、原因的機理進行了分析,并結合生產工藝提出了應對措施。


關鍵詞:硅烷交聯? 電力電纜?? 熱收縮?? 結晶


一、背景

自西安“奧凱電纜”事件曝光后,電纜產品質量引起了社會的廣泛關注,由國務院辦公廳組織聯合調查組對相關部門進行追責調查,根據通報,已對有關政府部門及下屬單位追責122人,涉及廳級官員16人、處級58人,同時國家質檢總局和工商總局相繼在全國范圍內組織了史上規模最大的電線電纜質量監督專項檢查和抽查。奧凱電纜事件在電纜行業引起的震動,使廣大的電纜人重新認識產品質量對企業生命的重要性。

電纜的熱收縮不合格也是近年來國家質檢部門曝光率很高的檢測項目,據某省質量技術監督局公布的一次季度電力電纜產品專項抽查情況,共抽查了全省49家企業生產的49個電力電纜樣品,抽查結果顯示有10個樣品不合格,其中絕緣熱收縮試驗項目不合格的樣品有5個,占50%。

因此,作為電纜生產企業,分析生產制造過程中導致絕緣熱收縮過大的機理和形成的原因,對于采取合適的防范措施,確保硅烷交聯聚乙烯絕緣電力電纜熱收縮指標符合相關產品要求是很有必要的。

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二、熱收縮實驗

熱收縮試驗在產品標準中是針對交聯聚乙烯絕緣電纜的一個非電型試驗項目,是表征交聯聚乙烯絕緣材料在受熱狀態下絕緣層回縮比率的量值,主要體現了交聯聚乙烯絕緣電纜的熱應力特性。其試驗方法及要求如下:

1. 取樣:

在每個被試絕緣線芯上距離電纜端頭至少0.5米處切取約300mm長的試樣一根。

? ?2. 試樣制備:

除粘附的擠包半導電屏蔽層(若有)之外,應及時從絕緣線芯試樣上除去所有護層。截取試樣后5min內,在每一絕緣線芯試樣的中部標上200±5mm的試驗長度,測量標記之間的距離L0,精確到0.5mm,然后在每個試樣兩端標記(2~5)mm處去除絕緣層,如圖1所示:



? ? ?3. 試樣步驟:

?應將試樣導體的裸露端頭水平支架在空氣烘箱中,或平放在滑石粉槽的表面,使得絕緣層能自由伸縮。在130±2℃的烘箱中加熱試樣1h。然后在空氣中冷卻試樣至室溫,重新測量每個試樣的標記之間的距離L1,精確到0.5mm。

? ? ?4. 計算收縮率 :???

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? ? ?5. 指標要求:收縮率不大于4%

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三、

交聯聚乙烯(XLPE)絕緣熱收縮危害及機理分析


1. 危害:

絕緣熱收縮不合格的電纜在工作正常受熱過程中,隨著時間的延長,絕緣產生的收縮量過大,會造成導體裸露,容易產生漏電和觸電危險,為保證電纜的使用安全,故標準中對絕緣的收縮率進行了規定。

2.? 絕緣熱收縮機理 :

???? ??我們知道,交聯絕緣主要分為物理交聯和化學交聯兩大類,物理交聯也稱為輻照交聯,化學交聯還分為過氧化物交聯和硅烷接枝交聯。過氧化物交聯通常用于中高壓電纜,與輻照交聯工藝相比,硅烷交聯工藝簡單、操作安全,已廣泛應用于對于額定電壓10kV及以下的架空絕緣電纜和額定電壓3kV及以下的低壓電力電纜絕緣層。

采用硅烷交聯法生產XLPE電纜有兩個過程:接枝和交聯。目前電纜行業生產硅烷XLPE電纜常用的工藝方法有一步法和兩步法兩種。a. 一步法是采用直接加入交聯劑的PE絕緣料,在擠出電纜絕緣時進行接枝,然后在溫水或蒸汽中使絕緣層交聯;b. 兩步法是采用已預先硅烷接枝的PE絕緣料,擠出電纜絕緣,而后在溫水或蒸汽中使絕緣層交聯 。由于硅烷交聯一步法在擠制XLPE絕緣時,其結晶過程和接枝過程互相作用,因此在擠制過程中應盡可能控制熱過程,使XLPE絕緣料的聚集態結構處于合理狀態,這樣才能使XLPE 絕緣具備優異的性能 。? ?

??PE是一種結晶型聚合物,其結晶過程就是大分子或鏈段通過分子間的相互作用力進行重新排列,從無序變為有序的過程。在電纜絕緣擠出時,粘流態的大分子受到剪切和牽引拉伸作用,使得PE分子的晶粒沿拉伸方向(縱向)尺寸增大、橫向尺寸減小,有序性提高,即PE分子發生取向,這樣輕易誘導出許多晶胚,使晶核數量增加,結晶時間縮短,結晶度增大。但當成品PE絕緣電纜放置在室溫下時,因PE絕緣擠出時產生的內應力(收縮應力),使得結晶的PE分子容易解取向(回縮的趨勢),這就造成了PE絕緣的熱收縮現象。

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四、

導致XLPE絕緣熱收縮過大的原因分析


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??根據熱收縮的機理分析,XLPE絕緣電纜的絕緣熱收縮過大主要是因為XLPE絕緣擠出時產生的內應力,使得有序排列的結晶PE分子解取向。為解決絕緣熱收縮的問題,我們必須在電纜絕緣生產過程中,找出導致XLPE絕緣結晶度增加、取向加強和內應力增大的因素。

經過多年的工作實踐,我們從擠出方式、工藝溫度、冷卻方式、材料、操作水平等幾個環節反復進行工藝摸索和對比,總結出了導致XLPE絕緣熱收縮過大的因素主要有以下幾個方面:

?? 1. ?擠出方式:

我們知道擠塑模具有擠壓式、半擠管式和擠管式三種型式,如圖2所示

?圖2?? 擠塑模具的三種型式


三種模具的結構類似,區別在于模芯前端有無管狀承徑部分與模套的相對位置的不同。

擠壓式模具的模芯沒有管狀承徑部分,模芯縮在模套承徑后面。熔融的塑料是靠壓力通過模套實現定型的。擠出塑料層緊密結實,外表平滑,但出膠量較小,擠出速度慢。由于模芯縮在里面,不容易調偏心,選配模芯孔徑要求高,過小、過大都會出問題。

擠管式模具有管狀承徑部分,模芯口端面伸出模套口端面或與模套口端面持平。擠管式擠出時由于模芯管狀承徑部分的存在,使塑料不是直接擠在線芯上,而是沿著管狀承徑部分向前移動,先形成管狀,然后經拉伸再包覆在線芯上。與擠壓式式相比,擠管式有以下優點:

(1)充分利用了塑料可拉伸性的特性,提高了出膠量和線速度;

(2)容易調整偏心,厚度均勻;

(3)拉伸取向,提高了材料的機械強度和耐龜裂性;

(4)配模簡便,模具通用性強,能 擠扇形、瓦形等多種規格。

半擠管式模具,是擠管式與擠壓式的過渡型式。用于大規格的絞線絕緣擠包時,與擠管式相比,絕緣層可以更密實。

在電纜絕緣生產過程中,粘流態的PE分子在外力(牽引拉伸)作用下,沿作用力方向發生取向,并隨著冷卻降溫,形成結晶。實踐證明,與擠壓式模具相比,擠管式模具生產的XLPE絕緣電纜在生產中的牽引拉伸變形更大,PE分子的取向結晶更明顯,同時擠管式擠出的絕緣層致密性較差,這種方式生產的XLPE絕緣電纜的熱收縮也比擠壓式模具生產的大很多。


2.? 工藝溫度

??????? 在粘流狀態下,結晶型聚合物為含有晶核的熔體,且熔融時間越長晶核的數量越少。因此在電纜絕緣擠出過程中,XLPE絕緣料的加熱熔融溫度越高、保溫時間越長,晶核的數量將越少,PE的結晶性能越低,有利于降低絕緣的結晶度。同時,熔體的溫度越高,相同條件下其冷卻到玻璃態所需要的時間越長,大分子的松弛時間較長,也更容易解取向,最終XLPE絕緣的取向結晶程度降低,所以生產硅烷交聯絕緣電纜,應充分考慮選用長徑比較大的擠出機,以確保熔體在螺筒中有充分的保溫時間,以降低XLPE絕緣的熱收縮性能。

但在實際生產中,需要注意的是,由于XLPE絕緣料中含有硅烷交聯劑,熔體溫度過高和保溫時間過長,也會形成絕緣料的預交聯和焦燒,影響絕緣層外觀質量和電氣絕緣性能,所以根據不同批次的絕緣料,要優化確定合適的加工工藝溫度,可以有效降低XLPE絕緣的熱收縮性能。


3.? ??冷卻方式

電纜絕緣的擠出成型后的冷卻方式有風冷和水冷,目前大量采用的冷卻方式是水冷。聚合物熔體從熔體溫度以上冷卻到玻璃化溫度以下的溫度降低速度稱為冷卻速度,冷卻速度是影響聚合物結晶的關鍵。PE本身的結晶速度很大,在極快的冷卻條件下PE絕緣也能得到較高的結晶度。如果PE熔體的冷卻速度較慢,獲得充分冷卻,則PE分子的松弛過程延長,可輕易解取向,取向程度下降,并可控制PE晶核的產生和延緩晶粒的長大。因此,在生產中要注意控制XLPE電纜擠出過程中冷卻速度,可有效改善XLPE的熱收縮性能。實踐中采用具有逐步降溫的的溫水冷卻方法來進行,冷卻水槽分段分節,水溫由擠包層進入第一段水槽的75℃~85℃溫度開始,逐段降低水溫,直至室溫,對降低硅烷交聯聚乙烯絕緣的熱收縮具有良好效果。

此外,導體對XLPE絕緣的冷卻速度也有一定的影響。導體溫度過低時,在擠出機的模口處高溫的PE熔體包覆在導體表面時,XLPE絕緣會因與低溫導體的接觸而冷卻產生收縮應力,并減少XLPE絕緣與導體間的附著力,影響XLPE絕緣電纜的熱收縮性能。


? 4.? 材料本身因素對熱收縮的影響:

對于高分子屬性,分子結構的規整性使得在加工過程中易結晶和易取向,這類分子解取向時易造成收縮偏大。分子鏈的長度與規整性是材料本身熱收縮大的主要原因。因此不同廠家的混合膠基料聚乙烯的特性對于加工后的熱收縮性能影響較大。實踐證明,對于中等以上截面的線芯,采用兩步法的交聯料,比一步法的交聯料更容易實現熱收縮達標。對于小規格的電纜,材料廠家也推出專用的電纜料產品。另外,一些電纜材料供應商,根據市場的需求也推出了專用的低熱收縮硅烷交聯聚乙烯電纜料。以上情況,電纜廠家在組織生產時應充分考慮。


5.? 人為因素:

由于擠管式擠塑比擠壓式的出膠量大和線速度高,同時擠管式更容易調節偏芯,使產品容易滿足擠塑工序的過程檢驗項目如絕緣厚度、外徑等,因此擠管式擠塑深受操作工人的歡迎。作為一線操作員工,從思想上總有一種求快心理,多掙工時,在生產操作中能用擠管式配模不愿采用擠壓式。上述提到的配模、擠出過程的溫度控制、擠出速度及冷卻方式都需要制定嚴格的操作工藝,規范操作,保證擠出后的絕緣熱收縮不超標。

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五、

解決XLPE電纜熱收縮過大的對策



?由于硅烷交聯電纜對熔融溫度和時間、環境和導體的溫度、外力(牽引拉伸)作用較為敏感,因此為了確保 XLPE絕緣熱收縮指標合格,針對以上分析的影響因素,我們在生產工藝上采取如下措施:

????? 1. 要選用具備(熱水 、溫水和冷水)分段式冷卻的擠塑機機組,在絕緣擠出時采用溫水緩冷分段冷卻,尤其是在冬天環境溫度比較低的場合,對導體進行合適的預熱。

???? 2. 為提高XLPE絕緣料熔融溫度和保溫時間,推薦選用兩步法硅烷交聯的PE絕緣料。

???? 3. 盡量選用大長徑比的擠塑機(推薦30:1),這樣可以有效延長XLPE絕緣料在機筒里的時間,更有利于抑制PE晶粒的長大和結晶的產生。

4. 對于小規格硅烷交聯絕緣電纜(6mm2及以下),推薦采用擠壓式模具生產,以確保在絕緣擠出過程中XLPE絕緣料不受到拉伸作用,避免由此造成的取向結晶,從而導致電纜的絕緣熱收縮超標。

5. 對于大規格截面的導體(50mm2及以上),推薦采用緊壓圓型導體,并采用半擠管式模具擠出,以減少擠出時的拉伸比,更有利于控制XLPE的熱收縮指標。

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六、效果驗證


? 我們上述提到的配模、擠出過程的溫度控制、擠出速度及冷卻方式都制定了合適的生產工藝,并對操作工人進行專項工藝培訓,規范操作,通過工序質量檢測,可有效地控制架空絕緣電纜絕緣熱收縮不合格的質量問題。

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參考文獻

1.? 楊春堯? 電力電纜絕緣熱收縮試驗不合格的原因淺析[J].機械,201104:72-74

2.? 陸正榮? 小規格硅烷交聯聚乙烯絕緣電纜的絕緣熱收縮[J].光纖與電纜及其應用技術,2011(1)

3.? 韓中洗,電纜工藝原理[R].上海:上海電纜研究所信息中心,1990

4.? 錄紹燦,塑料實用手冊[M].杭州:浙江科學技術出版社,1999

5.? 劉敬忠,擠塑工藝學[M].北京:機械工業職業技能鑒定指導中心出版社,2001.


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