交联工艺学-第三章-过氧化物交联设备与工艺

交联工艺学第三章过氧化物交联设备与工艺过氧化物交联机理•化学反映把低密度聚乙烯、过氧化物交联剂和抗氧剂等混合并加热，过氧化物分解为活性很高的游离基，游离基夺取聚乙烯分子中的氢原子，使聚乙烯主链的某些碳原子变为活性游离基并相互结合，产生C-C交联键，形成网状的大分子结构。整个交联过程必须在高温高压下进行，以增加反应速度，压缩绝缘中的气隙尺寸。•交联工艺要素：材料的活性、交联温度、压力和时间。过氧化物交联机理•绝缘工艺基本要求：（1）绝缘无微孔，水含量低采用全干式交联和冷却系统。高压超高压电缆采用气冷，中压电缆可采用闭路循环系统进行水冷。（2）层间界面光滑避免绝缘加速老化和水树现象的产生。（3）较好的同心度导体与护层横截面应同轴对称。当然只是相对而言，没有绝对的对称。过氧化物交联机理•绝缘工艺基本要求：（3）较好的同心度电缆不圆的原因：①挤出后绝缘料由于重力作用下垂；②材料在机头内流动分布不均匀；③加热和冷却段从管子到电缆表面有热传导；④立塔中温度未冷却时就经过转向导轮。保持同心度的措施：①在挤出过程中要充分混合，分料器路要对称，机头温度分布要均匀。②高加热区温度分布均匀，电缆尽量置于管子的中心位置，电缆在交联管中进行适当的旋转，保证热传导均匀。③通过电缆冷却状态的计算，保证经过导轮的电缆温度足够低，避免在转向导轮上造成变形。过氧化物交联机理•绝缘工艺基本要求：（4）杂质控制高压电缆杂质控制相当严格：超净绝缘料全封闭式材料处理系统净化室超净料自动下料装置高效过滤网机头杂质扫描检测装置记录杂质的大小、个数、位置、距离过氧化物交联机理•绝缘工艺基本要求：（5）减少绝缘内的机械应力①采用在线松弛装置，把冷却后的电缆再加热，消除热应力。②适当降低交联温度，加长预冷管长度，减慢冷却速度，使绝缘向导体中心收缩，消除绝缘与导体间的应力。（6）除去绝缘中的气体35kV及以下的绝缘电缆，线芯交联完成后，只需在常温下放置一段时间即可。110kV、220kV及以上电缆，应把线芯送进烘房进行除气。交联设备与辅助设备概述•交联生产线的布置方式目前主要有悬链式和立塔式。悬链式（CCV）：挤塑机在较高平台上，交联管呈悬链线状，装有悬垂控制器，避免电缆擦管，最高能生产220kV电缆。交联设备与辅助设备概述立塔式（VCV）：挤塑机在立塔顶部，牵引和收线装置在地面，交联管垂直于地面，电缆不会因重力发生擦管、绝缘下垂变形、偏心等，是生产高压超高压电缆的理想方式，但基建投资相当高。见右图。交联设备与辅助设备概述•交联机组基本组成（1）挤塑机和机头（挤塑成型、三层共挤）（2）交联管（加热、冷却）（3）储线器（便于换盘和导体连接）（4）上下牵引装置及悬链传感器（5）导体预热装置（预热可缩短交联时间）（6）上封闭器、下封闭器（7）扭绞器（使导体绞合更紧、旋转消除偏芯）（8）氮气系统（9）工艺控制软件（监控、报警）（10）材料处理和传送系统（11）电气系统及控制系统（12）电缆外径和偏芯测量仪（13）绝缘料杂质扫描监测系统（14）在线应力消除装置挤塑机和机头•挤塑机工作原理：利用特定形状的螺杆在加热的机筒中旋转，将由料斗送来的塑料向前挤压，使塑料均匀地塑化，通过机头和不同形状的模具，把塑料挤制成各种形状的制品。•挤塑机基本结构：挤压系统、传动系统和加热冷却系统。（1）挤压系统：①螺杆：由高强度、耐热、耐腐蚀的合金钢制成，作用是把塑料向前推进，产生压力并搅拌，旋转时使塑料产生摩擦热，使塑料熔化，并将融体送入机头挤出。②机头：是成型部件，主要由过滤装置（多孔板和筛网）、连接管、分流器、模芯座、模具等组成。挤塑机和机头（2）传动系统：三个必要环节：原动力、变速器、减速器。类型：交流整流电动机、直流电动机。作用：控制螺杆匀速、变速，从而控制绝缘厚度。（3）加热冷却系统①加热：螺杆转速恒定时，机身温度是影响出胶量的主要因素。挤塑机大多采用电阻器加热，具有外形尺寸小、质量轻，装置方便、传热效果好等优点，但温度波动较大。②冷却：缓解温度过高。分为机筒冷却、机头冷却、螺杆冷却和料斗冷却。冷却方法有水冷和风冷两种。挤塑机和机头•挤塑机螺杆参数挤塑机的重要参数有直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽宽度、螺旋角等。（1）直径D：挤塑机的大小规格通常用螺杆直径来表示，如φ65、φ90、φ150等。直径越大，出胶量越大。挤出量近似和螺杆直径平方成正比。三层共挤的螺杆大小一般为：内屏φ65，绝缘φ150，外屏φ90。（2）长径比L/D，长径比大，有利于塑化充分，挤出料密实，但也不能太大，否则将产生过分塑化，引起先期交联。长径比一般在20~25之间较适宜。挤塑机和机头•机头由过滤网、分流器、模具等组成。（1）过滤网作用：将塑料的螺旋运动变为直线运动；增加料流阻力，使制品更加密实；滤出料流中的杂质，防止未塑化的塑料进入机头。分流板：采用不锈钢，上面的孔眼分布为中间疏，边缘密，以使塑料经过分流板后流速相等。分流板到螺杆头部距离应适当。过滤网的细度为20~120目，层数为1~5层，根据原料性能和机头类型选择。（2）分流器：将料流分成若干股，又重新汇合，然后进入模芯模套挤出成型。分流器应尽量避免死角。挤塑机和机头•机头（3）模具及其选择为使物料从分流器流向模芯和模套，要尽量保持模芯模套之间形成的空间逐渐缩小，并使流速加快且无障碍，形成流线型流动状态。挤塑机和机头（3）模具及其选择①模具角度的选择：α角是模套内壁与中心轴的夹角，β角是模芯外壁与中心轴的夹角，α≥β。β角一般为20~30°，α角一般为30~45°。②承线长度（定径长度）的选择定径比=定径长度/模套孔径。定径比大，则阻力大，挤出料表面光滑且紧密，基础直径稳定；但太长又会影响挤出量，严重时会引起脱节，故一般取0.5~1.0。挤塑机和机头（3）模具及其选择③模芯模套孔径的选择为避免对导体表面划伤或拉断，一般模芯孔径应比导体外径大0.3~0.7mm，对于超大截面的导体，也可适当放大一些。模套孔径要大于标称挤出外径，实际的模套直径可以按挤包层的厚度进行选择。悬链式交联管•悬链形式分为全悬链式和半悬链式。全悬链式：电缆始终不与管壁接触。全干式交联工艺在气体中交联和冷却，线芯进入冷却段时，绝缘尚未固化到一定程度，不宜与管壁接触，故采用全悬链式。半悬链式：加热段和过渡段，电缆不与管壁接触；冷却段采用直线形式，允许电缆与管壁接触。半干式交联工艺采用水冷却，故可采用半悬链式。•加热段加热段一般分为六个加热区，可以根据工艺要求分别进行控制。对于加热管总的要求是升温要快，一般希望在15分钟内管壁能从室温升高到400℃。加热方式靠钢管直接加热或间接加热。悬链式交联管•气体交联-气体冷却系统氮气既用于加热区做保护媒质，又用于冷却区作为冷却媒质。气体冷却效果不太好，生产效率低。•气体交联-水冷却系统包括加热段、隔离预冷段和水冷却段。经过预冷段之后，线芯冷却到100℃以下。•电缆中心控制在悬链式交联生产线中，为避免电缆擦管，须进行中点控制，目前主要采用由感应线圈及电阻组成的非接触式悬垂控制器。当绝缘线芯位于交联管中心位置时，桥路平衡，输出值为0；偏离越大，输出值越大。悬链式交联管•CCV生产线的同步控制CCV生产线开机要点：同步控制。（1）上下牵引速度相同；（2）挤塑机出胶量与线速度搭配得当；（3）挤塑机电机、上下牵引电机需保持同步。（4）注意悬垂控制器的反馈信息。挤出工艺•影响挤出的设备因素（1）螺杆转速。在一定转速范围内，出胶量与螺杆转速成正比关系。提高转速可提高生产效率。（2）螺杆尺寸①螺杆直径：出胶量与螺杆直径的平方成正比关系，增大直径可增加出胶量。②螺槽深度：固体输送段、均化段对出胶量的影响不同，所以应通过计算得出螺槽深度的最佳值。③螺杆长径比：长径比增加，均化段长度增加，使倒流和漏流减少，能提高生产能力。④螺纹升角：均化段最大流动率的螺纹升角为30°。⑤螺杆与机筒的间隙：间隙增大，出胶量会明显减少，设备长期使用磨损会使间隙增大，所以应修复或更换螺杆。⑥机头反压力：反压力会使生产能力降低，但反压力的存在有利于塑料的塑化，提高制品质量。挤出工艺•影响挤出的人为因素（1）温度控制塑料挤出过程中，物态的转变以及物料流速都取决于温度，因此温度是塑料挤出工艺中最重要的工艺参数。温度决定原则：挤出物的最终温度应大于物料的熔化温度；上限温度不高于塑料的最高稳定温度；挤出温度应低于交联剂的分解温度。（2）螺杆转速控制提高螺杆转速有利于提高生产率，但当超范围提速时，必须相应地提高温度或控制机头压力，才能保证挤出效果。挤出工艺•模具及调整（1）挤出线径并不等于模套孔径（冷却收缩、消压膨胀）。（2）模具尺寸：模芯孔径=芯线孔径+放大值模套孔径=模芯孔径+2*绝缘厚度+放大值（3）模芯模套配合形式：挤压式、挤管式、半挤管式。挤出工艺•模具及调整（3）模芯模套配合形式挤压式适用于挤包绝缘，优点是挤包层紧密结实、表面平整；缺点是挤出线芯弯曲性能不好，对配模准确性要求高。挤管式适用于挤包护套，优点是挤包层厚度均匀，线芯弯曲性能好，能节省材料，配模简便，能挤包扇形等绝缘层。缺点是挤包层不紧密，制品表面有芯线痕迹。半挤管式与挤管式大体相同，只是模套承线稍短，模角略小，适用于要求包紧力大的护套。•交联机组操作步骤见我公司的《6~35kV三层共挤干法交联机组工艺操作规程》。质量缺陷及排除•塑化不好（1）所有塑料塑化不好——适当提高机身温度。（2）局部塑化不好——检查机身、机颈和机头，确定原因部位，适当提高温度。•焦粒——清理滤网和机头、调整温度。•表面“桔皮”——降低交联管温度、调整线速度。•波浪纹（1）适当放大模芯尺寸；（2）下密封不宜太紧，密封口应有少量的水流出；（3）严格控制水位，水位波动范围不应超出工艺规定。质量缺陷及排除•偏芯（1）检查模具是否装好、模芯是否太大；（2）检查校偏螺丝是否松动；（3）检查机头温度是否均匀；（4）检查机头与悬链线中心位置是否有偏差；（5）提高第一加热段的温度，使绝缘外层尽快交联。•局部放电原因：绝缘中有气孔、杂质、焦粒等，或内外屏擦伤。措施：（1）防止绝缘和屏蔽料受潮；（2）定期清理螺杆和机头；（3）加料房应保持清洁，不让杂质混入；（4）防止内外屏蔽擦伤。