三芯光電復(fù)合海底電力電纜的設(shè)計(jì)與制造之二
——工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備

吳建寧， 鄭運(yùn)焱， 吳 弘

（宜昌聯(lián)邦電纜有限公司,湖北宜昌 443007）

三芯光電復(fù)合海底電力電纜的設(shè)計(jì)與制造之二
——工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備

吳建寧， 鄭運(yùn)焱， 吳 弘

（宜昌聯(lián)邦電纜有限公司,湖北宜昌 443007）

對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣三芯光電復(fù)合海底電力電纜的工藝技術(shù)及關(guān)鍵的制造裝備進(jìn)行了介紹。

三芯光電復(fù)合海底電力電纜；交聯(lián)聚乙烯絕緣；鋼絲鎧裝；工藝；裝備

《電線電纜》2012年第3期刊登了《三芯光電復(fù)合海底電力電纜的設(shè)計(jì)與制造之一——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》,本文介紹海底電纜的工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備,并對(duì)兩個(gè)主要電性能試驗(yàn)項(xiàng)目做了說明。

1 三芯光電復(fù)合海纜的工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備

海底電纜的生產(chǎn)工藝流程如下:阻水導(dǎo)體絞制、半導(dǎo)電阻水帶繞包→導(dǎo)體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽擠制→去氣處理→半導(dǎo)電阻水帶繞包→合金鉛套管擠制→塑料增強(qiáng)保護(hù)層→立式成纜機(jī)絞合并復(fù)合光纜單元→成纜捆扎→鋼絲裝鎧及內(nèi)襯層、外被層。

1.1 阻水導(dǎo)體的工藝設(shè)計(jì)

（1）導(dǎo)體一般采用多層正規(guī)絞合,分層嵌入阻水帶,分層緊壓成形,同時(shí)導(dǎo)體與導(dǎo)體屏蔽層之間也應(yīng)有繞包的半導(dǎo)電阻水帶。絞制阻水導(dǎo)體時(shí),小截面的導(dǎo)體加嵌阻水帶可采用平拖或隨絞籠轉(zhuǎn)動(dòng)帶入方式,大截面導(dǎo)體的半導(dǎo)電阻水帶可采用與絞線機(jī)同步的繞包頭繞包方式。

在繞包導(dǎo)體與導(dǎo)體屏蔽層之間的半導(dǎo)電阻水帶后,還要加繞一層起防護(hù)作用的無紡布帶,這層防護(hù)帶在擠制交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣進(jìn)入機(jī)頭前予以拆除。半導(dǎo)電阻水帶與無紡布帶應(yīng)在導(dǎo)線絞制時(shí),由同步繞包頭一次繞包完成。

（2）絞制好的阻水導(dǎo)體如不能及時(shí)投入下道工序,則必須置于烘房?jī)?nèi),防止阻水帶吸潮,特別是陰雨天更應(yīng)注意。否則,吸潮嚴(yán)重的線芯將嚴(yán)重妨礙后道工序,尤其是電纜絕緣的擠制。

（3）隨著國(guó)內(nèi)海底電力電纜制造工藝技術(shù)的進(jìn)步,110 kV海底電纜制造長(zhǎng)度要求大于16 km,35 kV海纜要求達(dá)到30～40 km。常規(guī)的立柱式收、放線架已經(jīng)無法滿足大長(zhǎng)度海纜的制造工藝需要,為此,設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)盤式收放線機(jī),作為海纜制造中間工序的收、放線周轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)盤式收放線機(jī)典型設(shè)計(jì)見圖1,其基本參數(shù)為:轉(zhuǎn)盤最高轉(zhuǎn)速1.8～2.5 r/min,內(nèi)圈最高收線速度20 m/min,最大載重量300～600 t,最大收線直徑200 mm。可根據(jù)不同的海纜制造工序及用途,選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸,直徑小于10 m的轉(zhuǎn)盤可以不設(shè)置外圈承重輪軌系統(tǒng)。

用于承載銅導(dǎo)體,可選擇載重量350 t左右、直徑6～8 m的移動(dòng)式轉(zhuǎn)盤。用于絕緣線芯周轉(zhuǎn),或是作為去氣房用承線轉(zhuǎn)盤,可選擇載重量500 t左右、直徑10～12 m帶外圈承重輪軌的大轉(zhuǎn)盤。

圖2是用直徑8 m的轉(zhuǎn)盤進(jìn)行銅導(dǎo)體的收、放線,圖3是在蒙古包形去氣房?jī)?nèi)用直徑10 m的轉(zhuǎn)盤進(jìn)行絕緣線芯的收、放線。

圖1 轉(zhuǎn)盤式收放線機(jī)示意圖

圖2 直徑8 m的轉(zhuǎn)盤式收放線機(jī)

圖3 直徑10 m的轉(zhuǎn)盤式收放線機(jī)及蒙古包形去氣房

1.2 三層共擠的工藝設(shè)計(jì)

（1）導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽采用從德國(guó)特勒斯特（TROESTER）公司引進(jìn)的三層共擠交聯(lián)電纜生產(chǎn)線制造。由于擠出機(jī)的螺桿及流道設(shè)計(jì)合理、無死角,各個(gè)溫區(qū)溫度控制精度較好,不易產(chǎn)生老膠。再加上采用陶氏公司超凈化高壓XLPE絕緣料,能夠連續(xù)開機(jī)7～10天不停車,保證了大長(zhǎng)度的生產(chǎn)。

對(duì)于要求單根長(zhǎng)度達(dá)15～20 km的無接頭220 kV絕緣線芯,則可以采用TROESTER公司的含2臺(tái)主絕緣擠出機(jī)的四機(jī)共擠XLPE絕緣生產(chǎn)線（見圖4）,可以保證600 kg/h的XLPE絕緣擠出量。

圖4 四機(jī)共擠XLPE絕緣生產(chǎn)線

（2）為了保證大長(zhǎng)度海底電纜的質(zhì)量,應(yīng)采用高一個(gè)電壓等級(jí)、優(yōu)質(zhì)的超凈化XLPE絕緣料,不允許采用低檔的XLPE絕緣料。否則由于交聯(lián)機(jī)組連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間開機(jī),機(jī)身濾網(wǎng)上的雜質(zhì)、老膠的積累,容易出現(xiàn)質(zhì)量不穩(wěn)定,甚至擊穿。

1.3 絕緣線芯的去氣裝置

擠塑好的絕緣線芯,要經(jīng)過去氣處理后才能投入下一道工序,這一點(diǎn)對(duì)于大長(zhǎng)度海底電纜尤其重要。否則絕緣線芯內(nèi)產(chǎn)生的大量氣體會(huì)沿著密封的鉛護(hù)套向電纜兩端擴(kuò)散,影響海底電纜終端或預(yù)制式中間接頭的安全運(yùn)行。

（1）如圖3所示,去氣在移動(dòng)或固定式蒙古包形去氣烘房?jī)?nèi)進(jìn)行,并采用轉(zhuǎn)盤式收放線機(jī)收卷絕緣線芯。

（2）大長(zhǎng)度海纜由于重量較重,收卷在轉(zhuǎn)盤上做去氣處理時(shí),處于轉(zhuǎn)盤底層的絕緣線芯承受的壓力較大。如果去氣溫度設(shè)定得過高,處于轉(zhuǎn)盤底部線芯的XLPE絕緣層有可能壓扁受傷。因此,轉(zhuǎn)盤式收放線機(jī)直徑要設(shè)計(jì)得大些,并控制收線轉(zhuǎn)盤上堆積的絕緣線芯高度。同時(shí),為避免轉(zhuǎn)盤底部的絕緣線芯受熱而壓扁變形,去氣烘房的溫度不宜過高,一般控制在65～70℃即可。如去氣房溫度設(shè)定得偏低,可適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)去氣處理的時(shí)間。

1.4 鉛護(hù)套的工藝設(shè)計(jì)

（1）電纜的鉛護(hù)套制造采用φ150或φ200螺桿式連續(xù)擠鉛機(jī)。擠鉛機(jī)生產(chǎn)線上配置有超聲波鉛套厚度測(cè)試儀,用于鉛套厚度的無損傷監(jiān)測(cè),確保鉛層的厚度和均勻性。

（2）海底電纜合金鉛料的選購(gòu)

大長(zhǎng)度海纜采用E合金鉛。為了保證鉛套連續(xù)擠出,中間不停車,采購(gòu)的合金鉛料質(zhì)量一定要好,鉛料到廠后要做化學(xué)成分分析。不得采用非正規(guī)廠家的廢品回收鉛,因?yàn)榛赜勉U成分雜,容易堵塞熔鉛管流道,造成無法連續(xù)擠鉛而停車。

（3）擠鉛工序注意事項(xiàng)

海底電纜在擠鉛工序中,向電纜盤上收卷時(shí),要注意電纜鉛套層與層之間要墊襯防粘紙。如果不做墊襯,則鉛套在重力和相互摩擦的作用下,會(huì)產(chǎn)生粘滯旋轉(zhuǎn),拉壞鉛套,或亂線、無法放線。

應(yīng)注意多留出數(shù)米的電纜,以方便制作海纜軟接頭并進(jìn)行電氣性能試驗(yàn)。

擠鉛機(jī)每次開機(jī)前,應(yīng)全面檢修保養(yǎng),以保證能長(zhǎng)時(shí)間開機(jī)不停車。一旦擠鉛機(jī)因故障停車,應(yīng)及時(shí)拖出線芯,保證整根電纜不被燙傷。拖出的電纜需要進(jìn)行剝鉛處理,修復(fù)半導(dǎo)電阻水帶后,再重新擠制鉛套。

1.5 塑料護(hù)層的擠塑

鉛護(hù)套外的塑料護(hù)層常采用改性中密度聚乙烯護(hù)套料。電纜鉛套在進(jìn)入擠出機(jī)之前,加有一臺(tái)瀝青熔化噴淋裝置,在鉛護(hù)套外澆上一層瀝青,抹勻后,再擠包聚乙烯護(hù)套。塑料護(hù)層雖然沒有厚度要求,但也不允許有破洞,發(fā)現(xiàn)有洞要及時(shí)修復(fù)。

1.6 成纜與鋼絲鎧裝絞制方向的設(shè)計(jì)

海底電纜在成纜及鋼絲鎧裝過程中,存在著一定量的剩余扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。在敷設(shè)過程中剩余扭轉(zhuǎn)應(yīng)力得到釋放,引起海底電纜的徑向旋轉(zhuǎn)。在淺海區(qū)域敷設(shè)時(shí),這種旋轉(zhuǎn)是有限的,不至于產(chǎn)生嚴(yán)重的后果,但是在深海區(qū)域敷設(shè),電纜的徑向旋轉(zhuǎn)如處理不當(dāng),會(huì)造成比較嚴(yán)重的事故。輕則金屬屏蔽層受損,重則導(dǎo)電線芯或光纜單元直接被拉斷。

海底電纜的成纜與鋼絲鎧裝絞制方向的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

（1）海底電纜如采用粗鋼絲鎧裝,應(yīng)與客戶做好技術(shù)研究和協(xié)商,設(shè)計(jì)成纜與鋼絲鎧裝絞合方向。

（2）在設(shè)計(jì)海纜時(shí),要向采購(gòu)方詢問清楚海纜的運(yùn)輸及敷設(shè)方式,海纜運(yùn)輸、敷設(shè)船上是否有動(dòng)力轉(zhuǎn)盤式收放線機(jī)。如果船上沒有大型動(dòng)力轉(zhuǎn)盤,而是采用在船艙中自然下垂的盤繞方式收卷海纜,航行到敷設(shè)海域再采用高位退扭盤繞方式敷設(shè),如圖5所示。則單層粗鋼絲鎧裝海底電纜的成纜絞向與鋼絲鎧裝絞向應(yīng)設(shè)計(jì)為同一方向,一般為左向。

如果采用動(dòng)力轉(zhuǎn)盤式收放線機(jī)收卷和敷設(shè)海底電纜（見圖6）,則海纜成纜絞向與鋼絲鎧裝絞向,不受限制,一般可采用相反的絞制方向。

（3）石油勘采用深海動(dòng)、靜態(tài)電纜和深海敷設(shè)的雙層粗鋼絲鎧裝海底電纜,兩層鋼絲鎧裝絞制方向應(yīng)相反,一般內(nèi)層取右向、外層取左向。同時(shí)應(yīng)結(jié)合海纜銅導(dǎo)體以及內(nèi)外層鋼絲的絞合回扭應(yīng)力,以“無旋轉(zhuǎn)扭矩的平衡電纜”模式,計(jì)算與選擇兩層鎧裝鋼絲的機(jī)械強(qiáng)度及鋼絲直徑,使電纜的扭應(yīng)力基本平衡。對(duì)于這類無旋轉(zhuǎn)的雙鋼絲鎧裝海底電力電纜,應(yīng)采用動(dòng)力轉(zhuǎn)盤式收放線機(jī)收卷和敷設(shè)。

圖5 盤繞模式收卷、敷設(shè)海底電纜

圖6 大型動(dòng)力轉(zhuǎn)盤收卷、敷設(shè)海底電纜

（4）海底電纜的收卷與敷設(shè),有一個(gè)重要原則是“怎么收上去的,怎么放出來”。不允許采用動(dòng)力轉(zhuǎn)盤收卷了海纜,吊運(yùn)到敷設(shè)現(xiàn)場(chǎng)后,又采用高位退扭盤繞方式敷設(shè)。

1.7 托盤式立式成纜機(jī)和鋼絲鎧裝機(jī)

為了滿足220 kV交流三芯光電復(fù)合海底電力電纜的生產(chǎn)要求,我公司與國(guó)內(nèi)電工機(jī)械制造廠合作,設(shè)計(jì)出了托盤式立式成纜機(jī)和鋼絲鎧裝機(jī)。

將以往海底電纜立式成纜機(jī)的線芯裝載線盤由標(biāo)準(zhǔn)立式線盤,改為臥式的大型托盤。能裝載更長(zhǎng)的絕緣線芯,且設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。

同時(shí),將以往鋼絲鎧裝機(jī)采用的雙輪牽引機(jī),改為履帶式牽引機(jī),使海底電纜的光、電單元不受到側(cè)壓力和走位形變應(yīng)力的破壞。

1.8 擠塑交聯(lián)型軟接頭

由于海纜制造長(zhǎng)度所限,超過一定長(zhǎng)度仍需做中間接頭,為此開發(fā)出了35～220 kV級(jí)XLPE絕緣海底電纜的擠塑交聯(lián)型軟接頭,具有優(yōu)良的電氣性能和機(jī)械性能,并已通過了型式試驗(yàn)。

2 海底電纜的電性能試驗(yàn)

JB/T 11167.1—2011是參照CIGRE-21-02-Electra-189標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合近年來國(guó)內(nèi)海底電纜的工程實(shí)踐制定的,以下就大長(zhǎng)度海纜的兩個(gè)主要電性能試驗(yàn)項(xiàng)目做一說明。

（1）局部放電試驗(yàn)

根據(jù)CIGRE-21-02-Electra-189標(biāo)準(zhǔn)的要求,應(yīng)在電纜的首端和尾端取一段試樣進(jìn)行局部放電測(cè)量,如果電纜較短,應(yīng)按IEC 885-3整根擠出電力電纜局部放電測(cè)試方法進(jìn)行。

（2）交流高電壓試驗(yàn)

每一根交貨長(zhǎng)度的海底電力電纜都應(yīng)做交流工頻高電壓試驗(yàn)。如果因電纜太長(zhǎng),無法做交流工頻高電壓試驗(yàn),可以參照IEC 60840標(biāo)準(zhǔn)采取其它的試驗(yàn)方法,但應(yīng)與客戶協(xié)商一致。

針對(duì)大長(zhǎng)度海底電纜高電壓試驗(yàn)的特殊要求,我們采用變頻串聯(lián)諧振高電壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。圖7為360 kV、40 500 kVA變頻串聯(lián)諧振高電壓試驗(yàn)裝置。

其最高試驗(yàn)電壓為2臺(tái)電抗器串聯(lián)360 kV；試驗(yàn)頻率20～300 Hz；試驗(yàn)最大容量40500 kVA；電抗器并聯(lián)最大工作電流225 A。可用于長(zhǎng)50 km的110 kV海纜的耐壓試驗(yàn),或30～40 km的220 kV海纜的耐壓試驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

我公司生產(chǎn)的35～110 kV大長(zhǎng)度XLPE絕緣海底電力電纜和擠塑交聯(lián)型軟接頭多次送檢,都通過了嚴(yán)格的型式試驗(yàn)。交付客戶使用至今未發(fā)生過斷芯和擊穿等故障。交付中海油的在渤海灣石油開采、鉆井平臺(tái)用的海底電力電纜,不但代替了價(jià)格昂貴的進(jìn)口電纜,節(jié)約了大量資金,同時(shí)也保障了國(guó)家海上石油勘采工程的安全。

圖7 變頻串聯(lián)諧振高電壓試驗(yàn)裝置

［1］CIGRE-21-02-Electra-189 擠塑絕緣型大長(zhǎng)度交流海底電纜試驗(yàn)推薦標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］IEC 60840:2004 額定電壓30 kV（Um=36 kV）以上至150 kV（Um=170 kV）擠包絕緣電力電纜及其附件——試驗(yàn)方法和要求［S］.

［3］GB/T 12706.3—2002 額定電壓1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

［4］JB/T 11167.1—2011 額定電壓10 kV（Um=12 kV）至110 kV（Um=126 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣大長(zhǎng)度交流海底電纜及附件第1部分:試驗(yàn)方法和要求［S］.

［5］ThomasWorzyk著.應(yīng)啟良,徐曉峰,孫建生譯.海底電力電纜:設(shè)計(jì)、安裝、修復(fù)和環(huán)境影響［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

［6］Yusuke Yano,Shinichi Takagawa,Shinicki kazuhike Tsukada,et al.Design method of non-rotational torque balance cable for deepsea research equipment［Z］.

Design and Production of Three Core Power Optical Cable Com posite Submarine Cable Part II:Process Technology and Production Equipments

WU Jian-ning,ZHENG Yun-yan,WU Hong
（Yichang Union cable Co.,Ltd.,Yichang 443007,China）

This paper presents systematically the process technology,production equipment of XLPE insulating three core power optical fiber cable composite submarine cable.

three core power optical fiber cable composite submarine cable；XLPE insulating；steel wire armored；process technology；production equipment

TM247.9；TN818 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-6901（2012）04-0016-04

2011-12-01

吳建寧（1952-）,男,高級(jí)工程師.

作者地址：湖北宜昌市猇亭區(qū)民主路1號(hào)［443007］.