辐照交联

线缆的辐照交联在我国辐照交联电线电缆自上个世纪９０年代进入工业化生产，经过十几年的发展已形成了较成熟的生产工艺和产业群体。据行业最新统计，在国内已建和新建的加速器７４台中绝大部分用于电线电缆的辐照交联，随着辐照交联电线电缆产品种类的不断增加和产品档次升级，特种用途的辐照交联电线电缆已在电线电缆产品市场中占据举足轻重位置，辐射交联线缆找到了自己独特的发展空间，并形成了良好的发展态势。这正是国内兴起加速器建设第二次高潮的原因所在。一、三种交联方式的比较表１三种交联方式的比较比较项目化学交联辐照交联硅烷交联投资大较大小交联方式在线１００米管道或立塔高压氮气保护、高温、水冷交联。收放线、电子束物理交联。成盘、温水浸泡或蒸气熏蒸８小时以上交联。交联成本高低较高优势领域大长度、超高或高压电力电缆（10—110kv）。中、低压电缆、特殊装备用线、阻燃线缆、交联PVC、PP、含氟聚合物等。中、低压电缆、建筑用线、普通控缆等。主要优点１、挤线和交联过程同步，挤出过程洁净、交联过程密闭；２、生产设备及生产工艺成熟。１、生产工艺简单,可利用原有设备，交联过程可控制；２、加工材料的种类多，尤其是耐温、阻燃等高性能的材料。１、生产工艺简单，可利用原有设备。２、单位生产成本低。主要问题１、不适合小截面、薄绝缘线缆；２、有化学残留物。１、不适合10KV以上线缆；２、部分大线辐照装置存在问题，辐照均匀性差。１、生产工艺难控制，产品质量不稳定；２、生产效率低。众所周知，交联电线电缆以其耐温等级高、抗过载能力强、物理机械性能好、使用寿命长等优点，已被广泛采用。过氧化物的化学交1联、电子束的辐照交联、硅烷的温水交联三种交联方式生产的线缆，在交联线缆市场上共存（见表１）。从表１中可以看出，由于化学交联生产工艺的特殊性，在耐高压、大截面线缆上有其它交联方式不可替代的优势；中低压普通交联线缆，辐照交联、温水交联相互竞争已成现实；但在耐高温、阻燃和除聚乙烯材料外的其它聚合物交联上辐照交联有独特的优势。所以三种交联方式生产的产品在交联线缆市场都有各自的发展方向和市场空间。二、加速器的简单原理工业应用最广的是高（电）压加速器，它是通过产生高压的方法，在电位场中实现带电粒子的加速，带电粒子的能量增加值由通过的电位差决定，Ｅ＝ｅ△Ｕ，其中Ｅ的单位电子伏（ｅＶ），Ｕ的单位（Ｖ）。高压加速器有三个基本部分（１）高压发生器，（２）电子枪和加速管，（３）束流引出系统。１、高压发生器高压发生器的任务是提高网路电压，脉冲加速器的作用也是贮存能量，以大大提高工作脉冲时间的功率。产生高压的方式很多，产生方式的不同带来了加速器工作原理的不同。高压发生器通常采用ＦＳ６气体绝缘。２、电子枪和加速管电子枪是发射电子的装置,通过改变温度来调整电子枪是发射电子的多少,从而控制束流大小;加速管由电极和绝缘子构成，绝缘子一2般采用陶瓷或有机材料，电极材料有钛、不锈钢、铝合金。不同的加速装置中的电极、绝缘子及其它组件的结构是各不相同的，决定了不同的电子束参数（能量、束流强度、面积和脉冲宽度）。３、束流引出系统束流引出系统由扩束磁铁和箔窗组成，引出窗的箔一般选用钛制作，对于初始截面很小的电子束，在加速管下加扩束磁铁，使电子束在一个或两个方向上扫描，束流沿长度方向的展宽是根据被照物体所需剂量的均匀性及使箔窗受热均匀性决定的，而束流沿宽度方向的展宽仅是为减少箔窗的热负载。加速管和束流引出系统均要通过真空系统实现高真空（１０－５Ｐａ），箔窗采用水和高速风机进行冷却。三、加速器的主要工作参数工业用电子加速器能量范围150kev-12mev，分三类，低能（150kev-500kev）;中能（0.5-5.0Mev）;高能(5.0-12Mev)。低能加速器主要用于涂层固化、薄膜改性、柔性薄型复合材料改性等；高能加速器主要用于医疗用品消毒、食品保鲜、电子器件改性等；中能加速器主要用于电线电缆、热收缩材料、聚乙烯发泡塑料交联、橡胶硫化、废气废水处理等。用于电线电缆辐照用加速器能量范围1.5-3.0Mev,束流强度10-40mA，束功率20-120KW。１、电子束的穿透能力是选取加速器能量的主要依据，实用上电子束的穿透能力g/cm2以材料的厚度d(cm)X材料的密度p(g/cm3)来表示，不同能量的束流在物质中有确定的分布（图１），为了保证辐照3均匀性，通常选取束流进入被照物和穿出被照物剂量相等(约为相对剂量的６０％)深度作为电子束的穿透深度，如果材料较厚可采用双面辐照，双面辐照的电子束的穿透深度是单面辐照电子束穿透深度的2.4倍(图２)，按“等剂量”原则，确定“有效作用范围”是被照物厚度与加速器能量的最佳匹配。电子束能量1.0-10Mev范围内,单面辐照要求的能量计算公式:dp=0.4E-0.1E=2.5dp+0.254式中：E－电子能量（Mev）；ｄ－材料的厚度(cm)；ｐ－材料的密度(g/cm3)。注：对电线电缆辐照的材料的厚度是指包覆材料的半弦长的厚度，ｄ＝（Ｒ２－ｒ２）－２（Ｒ－线缆外圆半径，ｒ－线芯半径２、在加速器能量选取完成后，加速器的束功率是生产能力的关标，束流强度的大小和束流利用率的大小，直接影响着加速器的辐照能力。如何选择合适加速器的束功率，先要了解几个基本概念：（１）被照物的吸收剂量吸收剂量的国际计量单位为Ｊ／ｋｇ（焦耳／公斤），单位的专用名为戈瑞（Ｇｙ），１Ｇｙ等于１ｋｇ被照物吸收１Ｊ的能量。过去使用的吸收剂量单位是拉德（ｒａｄ）。１Ｇｙ＝１００ｒａｄ；１０ｋＧｙ＝１Ｍｒａｄ。电线电缆的照射剂量一般均大于１００ｋＧｙ。（２）束流利用率上面提到合适能量条件下不考虑其它因素前提下，束流利用率６０％左右，线缆在束下排列面积占束流扫描面积的４０％左右，加上电子束在空气中损失、散射等原因，总的束流利用率只有１０％－２０％左右。（３）束功率束功率（ＫＷ）＝能量（Ｍｅｖ）Ｘ束流（ｍＡ）。因此，从剂量定义可导出：１ｋＧｙ＝１ｋＪ／ｋｇ＝１ｋｗｓ／ｋｇ＝１ｋｗ／ｋｇ／ｓ。若Ｄ为剂量（ｋＧｙ），ｐ为束功率（ｋ5ｗ），Ｍ为生产量（Ｋｇ／ｈ），Ｆ为束流利用率（％），则Ｍ＝３６００Ｐ／ＤＦ或Ｐ＝（Ｄ／３６００）ＭＦ这就是说，如果根据产品的厚度选定了加速器的能量，只要对辐照产品要求剂量和生产能力的确定，那幺所需要的加速器束功率就选定了，如果加速器年运行时间为ｔ，则年生产能力Ｍｔ（ｋｇ）＝３６００ＰｔＦ／Ｄ。当然以上是理论上的结果，实际上影响电线电缆材料吸收剂量的因素很多，故在实际照射中要加以修正。四、辐照装置简介要实现加速器的辐照加工，除加速器外必须配置相应的辐照装置，如束下传动装置、张力控制和收放线装置、计算机控制系统和必要的检测设备。１、传动装置对辐照小截面电线电缆通常采用８字或变型哑铃的排线方式，如图３、图4。图3.8字型排线方式6图4.变型哑铃型排线方式装置不锈钢制作的滚筒，可根据电线电缆弯曲半径等要求确定滚筒直径大小，根据加速器的束流宽度确定滚筒的长短，根据线缆规格的大小，配备不同尺寸间隔导线梳齿架，根据最小和最大截面线缆在束下传动装置缠绕圈数及剂量要求，确定装置的最大和最小稳定跑线速度（四轮同步）。２、张力控制和收放线装置张力控制是辐照小截面电线电缆必不可少的装置，它是确保整个线缆传输系统建立合适的张力和控制收放线装置速度的装置，张力过大会导致线缆拉长或拉断，过小会导致乱线、脱轮，所以张力控制器要可靠。收放线装置要求与束下传动装置速度相匹配，速度由张力控制器控制，另外在束下传动装置和收放线装置间加上必要的托线辊（轮），实现确保整个线缆传输系统的可靠运转。３、计算机控制系统除加速器本身应配备计算机控制系统外，要实现束下传动装置与加速器束流的同步跟踪，即剂量跟踪，才能保证线缆升降速过程和整个辐照过程的剂量一致性，建立计算机控制系统才能实现这一目的。４、双面辐照装置在辐照线径较大的线缆时，由于线缆线芯的扭力较大，线缆通过7束下传动装置滚筒多次绕曲翻转过程中会出现无规律的转动，对于单向束流辐照过程中会造成线缆圆周范围内的辐照剂量不均匀，严重地影响着辐照线缆质量，为解决这一问题，必须实现在线缆通过束下时，上、下面同时受到束流辐照，通常采用增加反射磁铁的方法，将预留的部分电子束通过反射磁铁改变其运行方向（１８０度左右），实现上、下面同时受到束流辐照。对于辐照小截面电线电缆也可采用此方法。五、辐照工艺参数的确定１、辐照能量的确定对于新建或大修后的加速器能量要进行标定，根据标定值来选择能量。根据线缆包覆材料的半弦长的厚度，按Ｅ＝2.5dp+0.25(Ｅ:能量（Ｍｅｖ）;d:半弦长的厚度(cm);p:材料的密度(g/cm3)。在实际辐照中可采取“宜高不宜低”的方法，但不宜过高，过高能量带来束功率的浪费。２、辐照剂量的确定对于新建或大修后的加速器辐照剂量也要进行标定，标定应在实际辐照装置上进行，确定特定条件下的剂量参数（ｋ），通过调整线缆在加速器束下缠绕圈数（ｎ）、束流强度（Ｉ）、线缆运行速度（Ｖ）来实现在一定剂量（Ｄ）条件下的线缆辐照。关系公式：Ｄ＝ＫＩｎ／ｖ或：K=ＤＶ／Ｉｎ例：线缆在加速器束下缠绕２０圈，束流强度２０mA，线缆运8行速度１００ｍ／min条件下标定的剂量为100KGy。即：Ｋ＝ＤＶ／Ｉｎ＝（100x100）/（20x20）=25在实际辐照线缆过程中调整参数实现在一定剂量辐照举例：如果一种线缆的辐照剂量130KＧy(1)通过调整速度(其它参数不变)Ｖ＝ＫＩｎ／Ｄ＝（25x20x20）/130=76.92(m)(2)通过调整圈数(其它参数不变)ｎ＝ＤＶ／ＫＩ＝（130x100）/(25x20)=26(圈)(3)通过调整束流强度(其它参数不变)Ｉ＝ＤＵ／Ｋｎ＝(130x100)/(25x20)=26(mA)(4)束流强度不变的条件下通过同时调整圈数提高速度，如ｎ＝４０则：Ｖ＝ＫＩｎ／Ｄ＝（25x20x40）/130=153.85(m)实际辐照中，在一定剂量条件下，通常是在加速器额定束流强度上限运行，通过调整线缆在加速器束下缠绕的圈数不同，确定线缆运行速度的高低。３、扫描宽度的影响扫描宽度的变化直接影响束流密度和束流强度，所以要根据扫描宽度的变化来确定束流强度大小，例如，上述标定的剂量条件下的扫描宽度为７０ｃｍ，将扫描宽度调整为６０ｃｍ，要实现相同的辐照剂量Ｉ＝20x60/70=17.14(mA),当然也可以通过改变其它参数的方法来实现相同的辐照剂量。9六、辐照线缆产品的质量控制辐照线缆产品的质量控制涉及整个线缆的生产的全过程，包括从原材料采购、线芯加工、线缆挤出、辐照过程、辐照剂量、辐照质量检测控制等方面，在此主要介绍涉及辐照方面的质量控制。１、辐照过程质量控制（１）加速器和所有辅助设备应有操作规程，按操作规程进行运行操作；（２）所有辅助设备都要通过计算机控制系统与加速器实现连锁，即当任何一个辅助设备没准备好时，加速器不能出束流；任何一个辅助设备在运行中发生故障时，加速器自动停机；（３）设备必须完好，任何部分的设备故障都可能带来线缆的损伤；（４）辐照过程中线缆线芯必须可靠接地，如不接地电子束会在线芯上积累形成很高的电压，产生放电，击穿绝缘层；（５）两线头相接一定要可靠平滑，并以“小拉大”的原则接线，反之会造成断线的不良后果；（６）整个线缆传输过程中的导辊、梳齿不能有任何毛刺，避免线缆表面的划伤。２、照剂量的控制(a)加速器的辐照剂量标定工作，由中国计量院负责。常规的剂量测量工作是加速器运行中不可缺少的，通过剂量控制可以控制产品10的质量，剂量测量可采用块状或连续带状薄膜剂量片，经一定方式条件下的辐照，用分光光度计进行剂量测量。图5.某种Pe材料抗拉强度随剂量变化曲线02468101214161802468101214161820剂量(Mrad)抗拉强度(Mpa)(b)辐照的过程形成材料的交联，改变了材料的原始物理机械性能，在抗拉强度随剂量的升高而升高，达到一定极限的同时断裂伸长率随剂量的升高而明显下降（如图5、６、所示），老化指标也会因材料交联度的变化而变化。欠剂量或过剂量都将影响线缆的产品质量，因此要根据不同材料