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一步法硅烷交联料

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硅烷交联聚乙烯绝缘电缆热收缩不合格的原因探讨

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硅烷交联聚乙烯绝缘电缆热收缩不合格的原因探讨

发布日期:2018-09-17 作者: 点击:

自西安“奥凯电缆”事件曝光后,电缆产品质量引起了社会的广泛关注,由国务院办公厅组织联合调查组对相关部门进行追责调查,根据通报,已对有关政府部门及下属单位追责122人,涉及厅级官员16人、处级58人,同时质检总局和工商总局相继在国内范围内组织了史上规模大的电线电缆质量监督专项检查和抽查。奥凯电缆事件在电缆行业引起的震动,使广大的电缆人重新认识产品质量对企业生命的重要性。


电缆的热收缩不合格也是近年来质检部门曝光率很高的检测项目,据某省质量技术监督局公布的一次季度电力电缆产品专项抽查情况,共抽查了全省49家企业生产的49个电力电缆样品,抽查结果显示有10个样品不合格,其中绝缘热收缩试验项目不合格的样品有5个,占50%。


因此,作为电缆生产企业,分析生产制造过程中导致绝缘热收缩过大的机理和形成的原因,对于采取合适的防范措施,确保硅烷交联聚乙烯绝缘电力电缆热收缩指标符合相关产品要求是很有必要的。


                                                  



二、热收缩实验


热收缩试验在产品标准中是针对交联聚乙烯绝缘电缆的一个非电型试验项目,是表征交联聚乙烯绝缘材料在受热状态下绝缘层回缩比率的量值,主要体现了交联聚乙烯绝缘电缆的热应力特性。其试验方法及要求如下:


1. 取样:


在每个被试绝缘线芯上距离电缆端头至少0.5米处切取约300mm长的试样一根。


   2. 试样制备:


除粘附的挤包半导电屏蔽层(若有)之外,应及时从绝缘线芯试样上除去所有护层。截取试样后5min内,在每一绝缘线芯试样的中部标上200±5mm的试验长度,测量标记之间的距离L0,准确到0.5mm,然后在每个试样两端标记(2~5)mm处去除绝缘层。




     3. 试样步骤:


 应将试样导体的裸露端头水平支架在空气烘箱中,或平放在滑石粉槽的表面,使得绝缘层能自由伸缩。在130±2℃的烘箱中加热试样1h。然后在空气中冷却试样至室温,重新测量每个试样的标记之间的距离L1,准确到0.5mm。


     4. 计算收缩率 :   


                            


     5. 指标要求:收缩率不大于4%


                                                 


三、


交联聚乙烯(XLPE)绝缘热收缩危害及机理分析




1. 危害:


绝缘热收缩不合格的电缆在工作正常受热过程中,随着时间的延长,绝缘产生的收缩量过大,会造成导体裸露,容易产生漏电和触电危险,为保障电缆的使用安全,故标准中对绝缘的收缩率进行了规定。


2.  绝缘热收缩机理 :


       我们知道,交联绝缘主要分为物理交联和化学交联两大类,物理交联也称为辐照交联,化学交联还分为过氧化物交联和硅烷接枝交联。过氧化物交联通常用于中高压电缆,与辐照交联工艺相比,硅烷交联工艺简单、操作安全,已广泛应用于对于额定电压10kV及以下的架空绝缘电缆和额定电压3kV及以下的低压电力电缆绝缘层。


采用硅烷交联法生产XLPE电缆有两个过程:接枝和交联。目前电缆行业生产硅烷XLPE电缆常用的工艺方法有一步法和两步法两种。a. 一步法是采用直接加入交联剂的PE绝缘料,在挤出电缆绝缘时进行接枝,然后在温水或蒸汽中使绝缘层交联;b. 两步法是采用已预先硅烷接枝的PE绝缘料,挤出电缆绝缘,而后在温水或蒸汽中使绝缘层交联 。由于硅烷交联一步法在挤制XLPE绝缘时,其结晶过程和接枝过程互相作用,因此在挤制过程中应尽可能控制热过程,使XLPE绝缘料的聚集态结构处于合理状态,这样才能使XLPE 绝缘具备优异的性能 。   


  PE是一种结晶型聚合物,其结晶过程就是大分子或链段通过分子间的相互作用力进行重新排列,从无序变为有序的过程。在电缆绝缘挤出时,粘流态的大分子受到剪切和牵引拉伸作用,使得PE分子的晶粒沿拉伸方向(纵向)尺寸增大、横向尺寸减小,有序性提高,即PE分子发生取向,这样轻易诱导出许多晶胚,使晶核数量增加,结晶时间缩短,结晶度增大。但当成品PE绝缘电缆放置在室温下时,因PE绝缘挤出时产生的内应力(收缩应力),使得结晶的PE分子容易解取向(回缩的趋势),这就造成了PE绝缘的热收缩现象。


                                                       

四、


导致XLPE绝缘热收缩过大的原因分析



  根据热收缩的机理分析,XLPE绝缘电缆的绝缘热收缩过大主要是因为XLPE绝缘挤出时产生的内应力,使得有序排列的结晶PE分子解取向。为解决绝缘热收缩的问题,我们必须在电缆绝缘生产过程中,找出导致XLPE绝缘结晶度增加、取向加强和内应力增大的因素。


经过多年的工作实践,我们从挤出方式、工艺温度、冷却方式、材料、操作水平等几个环节反复进行工艺摸索和对比,总结出了导致XLPE绝缘热收缩过大的因素主要有以下几个方面:


   1.  挤出方式:


三种模具的结构类似,区别在于模芯前端有无管状承径部分与模套的相对位置的不同。


挤压式模具的模芯没有管状承径部分,模芯缩在模套承径后面。熔融的塑料是靠压力通过模套实现定型的。挤出塑料层紧密结实,外表平滑,但出胶量较小,挤出速度慢。由于模芯缩在里面,不容易调偏心,选配模芯孔径要求高,过小、过大都会出问题。


挤管式模具有管状承径部分,模芯口端面伸出模套口端面或与模套口端面持平。挤管式挤出时由于模芯管状承径部分的存在,使塑料不是直接挤在线芯上,而是沿着管状承径部分向前移动,先形成管状,然后经拉伸再包覆在线芯上。与挤压式式相比,挤管式有以下优点:


(1)充分利用了塑料可拉伸性的特性,提高了出胶量和线速度;


(2)容易调整偏心,厚度均匀;


(3)拉伸取向,提高了材料的机械强度和耐龟裂性;


(4)配模简便,模具通用性强,能 挤扇形、瓦形等多种规格。


半挤管式模具,是挤管式与挤压式的过渡型式。用于大规格的绞线绝缘挤包时,与挤管式相比,绝缘层可以更密实。


在电缆绝缘生产过程中,粘流态的PE分子在外力(牵引拉伸)作用下,沿作用力方向发生取向,并随着冷却降温,形成结晶。实践证明,与挤压式模具相比,挤管式模具生产的XLPE绝缘电缆在生产中的牵引拉伸变形更大,PE分子的取向结晶更明显,同时挤管式挤出的绝缘层致密性较差,这种方式生产的XLPE绝缘电缆的热收缩也比挤压式模具生产的大很多。




2.  工艺温度


        在粘流状态下,结晶型聚合物为含有晶核的熔体,且熔融时间越长晶核的数量越少。因此在电缆绝缘挤出过程中,XLPE绝缘料的加热熔融温度越高、保温时间越长,晶核的数量将越少,PE的结晶性能越低,有利于降低绝缘的结晶度。同时,熔体的温度越高,相同条件下其冷却到玻璃态所需要的时间越长,大分子的松弛时间较长,也更容易解取向,终XLPE绝缘的取向结晶程度降低,所以生产硅烷交联绝缘电缆,应充分考虑选用长径比较大的挤出机,以确保熔体在螺筒中有充分的保温时间,以降低XLPE绝缘的热收缩性能。


但在实际生产中,需要注意的是,由于XLPE绝缘料中含有硅烷交联剂,熔体温度过高和保温时间过长,也会形成绝缘料的预交联和焦烧,影响绝缘层外观质量和电气绝缘性能,所以根据不同批次的绝缘料,要优化确定合适的加工工艺温度,可以有效降低XLPE绝缘的热收缩性能。




3.    冷却方式


电缆绝缘的挤出成型后的冷却方式有风冷和水冷,目前大量采用的冷却方式是水冷。聚合物熔体从熔体温度以上冷却到玻璃化温度以下的温度降低速度称为冷却速度,冷却速度是影响聚合物结晶的关键。PE本身的结晶速度很大,在极快的冷却条件下PE绝缘也能得到较高的结晶度。如果PE熔体的冷却速度较慢,获得充分冷却,则PE分子的松弛过程延长,可轻易解取向,取向程度下降,并可控制PE晶核的产生和延缓晶粒的长大。因此,在生产中要注意控制XLPE电缆挤出过程中冷却速度,可有效改善XLPE的热收缩性能。实践中采用具有逐步降温的的温水冷却方法来进行,冷却水槽分段分节,水温由挤包层进入第一段水槽的75℃~85℃温度开始,逐段降低水温,直至室温,对降低硅烷交联聚乙烯绝缘的热收缩具有良好效果。


此外,导体对XLPE绝缘的冷却速度也有一定的影响。导体温度过低时,在挤出机的模口处高温的PE熔体包覆在导体表面时,XLPE绝缘会因与低温导体的接触而冷却产生收缩应力,并减少XLPE绝缘与导体间的附着力,影响XLPE绝缘电缆的热收缩性能。




  4.  材料本身因素对热收缩的影响:


对于高分子属性,分子结构的规整性使得在加工过程中易结晶和易取向,这类分子解取向时易造成收缩偏大。分子链的长度与规整性是材料本身热收缩大的主要原因。因此不同厂家的混合胶基料聚乙烯的特性对于加工后的热收缩性能影响较大。实践证明,对于中等以上截面的线芯,采用两步法的交联料,比一步法的交联料更容易实现热收缩达标。对于小规格的电缆,材料厂家也推出专用的电缆料产品。另外,一些电缆材料供应商,根据市场的需求也推出了专用的低热收缩硅烷交联聚乙烯电缆料。以上情况,电缆厂家在组织生产时应充分考虑。




5.  人为因素:


由于挤管式挤塑比挤压式的出胶量大和线速度高,同时挤管式更容易调节偏芯,使产品容易满足挤塑工序的过程检验项目如绝缘厚度、外径等,因此挤管式挤塑深受操作工人的欢迎。作为一线操作员工,从思想上总有一种求快心理,多挣工时,在生产操作中能用挤管式配模不愿采用挤压式。上述提到的配模、挤出过程的温度控制、挤出速度及冷却方式都需要制定严格的操作工艺,规范操作,保障挤出后的绝缘热收缩不超标。


                                    

五、


解决XLPE电缆热收缩过大的对策



 由于硅烷交联电缆对熔融温度和时间、环境和导体的温度、外力(牵引拉伸)作用较为敏感,因此为了确保 XLPE绝缘热收缩指标合格,针对以上分析的影响因素,我们在生产工艺上采取如下措施:


      1. 要选用具备(热水 、温水和冷水)分段式冷却的挤塑机机组,在绝缘挤出时采用温水缓冷分段冷却,尤其是在冬天环境温度比较低的场合,对导体进行合适的预热。


     2. 为提高XLPE绝缘料熔融温度和保温时间,推荐选用两步法硅烷交联的PE绝缘料。


     3. 尽量选用大长径比的挤塑机(推荐30:1),这样可以有效延长XLPE绝缘料在机筒里的时间,更有利于抑制PE晶粒的长大和结晶的产生。


4. 对于小规格硅烷交联绝缘电缆(6mm2及以下),推荐采用挤压式模具生产,以确保在绝缘挤出过程中XLPE绝缘料不受到拉伸作用,避免由此造成的取向结晶,从而导致电缆的绝缘热收缩超标。


5. 对于大规格截面的导体(50mm2及以上),推荐采用紧压圆型导体,并采用半挤管式模具挤出,以减少挤出时的拉伸比,更有利于控制XLPE的热收缩指标。


                                               


六、效果验证




  我们上述提到的配模、挤出过程的温度控制、挤出速度及冷却方式都制定了合适的生产工艺,并对操作工人进行专项工艺培训,规范操作,通过工序质量检测,可有效地控制架空绝缘电缆绝缘热收缩不合格的质量问题。


                                                


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