電纜用高密度聚乙烯護套開裂問題的討論

摘 要：文章介紹了高密度聚乙烯的性能及耐環境應力開裂性能，并對作為電纜護套料在使用過程中容易產生開裂的原因，開裂機理和危害展開分析，并提出合理的解決方案。希望通過文章的分析，能夠對相關工作提供參考。

關鍵詞：高密度聚乙烯；環境應力開裂；護套開裂；開裂機理

前言

高密度聚乙烯憑借著優良的機械強度、韌性及優異的耐熱性、耐低溫性能（最低使用溫度-71℃～-100℃）、絕緣和化學穩定性，而且還具有良好的防水性能，已經被廣泛用于電纜絕緣和護套。但是聚乙烯有其自身缺陷，即耐環境應力開裂性能比較差。有時在電纜加工過程或在使用敷設過程中，控制不當，都會導致電纜護套的開裂，影響電纜的使用壽命。

一般而言，當高密度聚乙烯護套用在光纜，通信電纜等小規格外徑電纜時，由于厚度較薄，加工過程中。但生產鋼帶鎧裝電纜外徑比較大，護套厚度在2.5mm以上。如果在加工過程中，冷卻不夠或方法控制不當，就會在鋼帶間隙處產生裂紋和裂痕。公司給內蒙古呼倫貝爾地區生產的一批YJY23 26/35kV 3×50電纜，在敷設過程中發現護套開裂，給客戶和企業造成很大損失。

高密度聚乙烯護套開裂是困擾其作為電纜護套料的難題。文章基于這個問題，根據實例對高密度聚乙烯護套開裂問題產生的原因、環境條件、開裂機理及危害進行分析，并提出合理的解決方案。

1 護套開裂問題的現象及危害

文章對我廠生產的YJY23 26/35kV 3×50電纜出現的外護套開裂問題進行分析。在成品電纜外護套，采用高密度聚乙烯作為護套料，在內蒙古呼倫貝爾地區（1月份當時環境溫度-30℃）施工敷設中，電纜護套出現多處裂痕（如圖1）。后從電纜開裂護套的邊緣取樣檢測，全部技術指標合格。

如圖1在護套開裂處可以明顯的看到里面的鋼帶。對于這樣的問題堅決不能放過，要找出問題的原因。

裂痕的危害：對護套裂痕直接造成電纜質量不合格，護套開裂會造成電纜進水，鋼帶腐蝕。從而影響電纜的正常使用。對于沒有出現明顯的裂痕的電纜，施工當中，由于外力的影響也很容易造成護套開裂。在這種情況下，客戶一般也會認為是電纜的問題要求退貨，這會造成公司很大的經濟損失，甚至造成客戶對企業的不信任。即使在施工中沒有出現明顯裂痕，但是如果在使用過程中，出現裂痕會造成電纜進水，從而影響電纜的使用壽命。所以對于這樣的問題，應找出原因，并給予解決。

2 電纜護套開裂產生的機理

聚乙烯護套開裂主要有兩種情形：一種是耐環境應力開裂，指的是電纜投入使用后，護套在低于其短時機械強度的耐張應力的作用下，發生裂紋和破損的情況。這種開裂發生要兩個附加條件，一是護套存在內應力，二是電纜護套長時間接觸了極性液體。這種開裂關鍵取決于聚乙烯本身耐環境應力開裂性能，通過多年材料改性的研究，這種情況已得到根本解決。另一種為機械性應力開裂，因電纜在構造上存在缺陷或護套擠出工藝不合適，電纜護套中存在較大應力，且容易形成應力集中，使電纜在施工放纜時產生變形而開裂。這種開裂常發生在有鋼帶鎧裝層的電纜外護套中，當電纜承受較大拉力且局部彎曲半徑較小時，護層局部被拉伸變薄而開裂，電纜高密度聚乙烯外護套開裂屬于此類狀況。文章主要就護套機械性應力開裂的狀況進行討論。

3 開裂產生的原因

為討論電纜護套開裂機理，從高密度聚乙烯護套特點、加工工藝、雙鋼帶鎧裝電纜結構缺陷、電纜彎曲時護套受力，施工等方面來分析。

3.1 護套材料特點

在GB/T15065-2009標準中規定有四種電纜用聚乙烯護套料，如NDH、LDH、MH、GH。綜合考慮電纜護套的使用環境、柔韌性和抗拉指標，一般選用GH黑色高密度聚乙烯護套料。雖然GH有較高的機械性能和加工性，但是彈性模量較大，抗沖擊力不夠理想和擠塑后收縮率大。如果擠塑工藝掌握不合適，就會在護套內部產生較大應力，對外徑較大鎧裝電纜，護套在向鎧裝層收縮的過程中，鋼帶對護套造成損傷的幾率大大提高了。

3.2 擠出溫度及冷卻速度的影響

溫度對聚乙烯料的性能影響很大。溫度太低會造成塑料塑化不均，造成熔體破裂，使電纜表面不光滑、無光澤，還會在護套內部殘余內應力。溫度過高不容易定型，而且會對電纜外表造成影響，易形成表面缺陷，影響電纜表面品質，嚴重時造成廢品。一般在加工大外徑電纜護套時，由于冷卻水槽長度和體積有限，在生產過程中，熔融的聚乙烯護套料一般直接進入溫度很低的水槽中，護套表面先冷卻成型，后內層逐漸冷卻，因外層冷卻過快，產生微孔。一些聚乙烯鏈段來不及調整就被凍結而產生內應力，使得護套玻璃化溫度很高，使護套在較小外力作用下開裂的幾率上升。

3.3 鋼帶鎧裝的影響

大外徑鎧裝電纜一般采用擠管式模具擠制外護套。大外徑電纜鎧裝一般采用雙鋼帶看間隙繞包形式，因為鋼帶厚度大，硬度大，繞包時會較大的反彈趨勢，加劇了護套層所承受的外界張力，鋼帶表面會形成高度差，表面平整度較差，經過拉伸后包覆在鎧裝表面的護套厚度不一樣。如電纜鎧裝外徑76.3mm，護套平均值3.7mm，最薄出也有3.1mm；但對護套開裂處采集到數據：2.4、2.3、2.5、2.1、2.3、2.4mm。可見在斷裂處護套厚度是明顯不夠的，這些位置的機械強度比較低，在應力作用下最容易出現開裂現象。

3.4 電纜成盤彎曲半徑的影響

因受運輸限高和成本的影響，當用戶要求的交貨長度較長時，外徑較大長度較長的電纜選用合適的盤具十分不容易。有時為按照合同交貨，不得不減小盤具的筒體直徑，這樣會造成電纜的彎曲半徑變小，鎧裝層因電纜彎曲過大而產生位移，對護套產生較大的剪切力，鎧裝鋼帶毛邊會扎破緩沖層嵌入護套層，使護套層沿鋼帶邊緣產生裂痕。

3.5 施工的影響

相比小外徑的電纜的施工，有些施工單位對中高電纜的施工認識不夠，施工隊伍水平不夠，施工流程，施工方法不夠規范。很多施工單位缺少卷揚機，履帶牽引機等設備，施工方法比較落后，靠一些原始的方法、使放線張力無法控制，易造成放線過程中張力過大，彎曲半徑過小等問題，這會加劇電纜護套開裂。

4 解決方案

根據高密度聚乙烯護套開裂機理和產生的原因，采取以下措施來控制開裂現象的再次發生。

4.1 選用合適的聚乙烯護套料

為了提高護套耐磨性和縮小其收縮率，雙峰聚乙烯料是一個比較好的選擇。雙峰聚乙烯是經過特殊加工工藝而得到的一種產品。其示意圖（如圖2）普通高密度聚乙烯的分子量分布有一個峰，而雙峰聚乙烯的分子量曲線卻有兩個峰值，分子量分布比單峰寬，高低分子量的含量比例合理，使雙峰聚乙烯塑料具備優異的機械物理性能，同時其收縮率也大大的縮小了。

4.2 采取溫水分段冷卻

為避免聚乙烯驟冷而引起的殘留內應力，并導致后期應力開裂，一般要求冷卻水槽分段降溫，第一段水溫控制為90℃～60℃，第二段水溫控制在45-40℃，最后到室溫，即進行高低溫分段冷卻。但實際生產過程中，發現90℃的水溫過高，當溫度很高的熔融聚乙烯進入90℃水中會使聚乙烯界面處的水溫驟然升高，導致部分的水汽化，而這飽和蒸汽將在電纜外表形成大密度的氣泡。我廠實際采用第一段水溫控制在65℃左右，第二段水溫控制在45℃，最后到室溫。

4.3 在電纜鎧裝層上增加緩沖層的措施

通過研究分析，我們提出了在電纜護套中增加緩沖層的措施；緩沖層夾在鋼帶和護套之間，使護套不與鋼帶粘結，鋼帶邊緣存在的快口、卷邊不與護套接觸；電纜彎曲或伸縮時，環境和外部應力等引起鋼帶間隙變化所產生的局部應力，不直接通過鋼帶傳遞到護套內側。因此，該緩沖層使護套內側不容易產生小裂口，而由緩沖層承受主要應力，避免護套受到局部應力，起到保護護套的作用。

我們采用在電纜上繞包2層的無紡布或非吸濕性材料。由于無紡布和鋼帶鎧裝層有一定的間隙緩解了鋼帶的表面平坦性，使得鋼帶表面的護套厚度均勻一致。再利用聚乙烯自身的熱收縮性，使厚度一致的護套進入溫水后逐漸冷卻進行收縮，使繞包無紡布聚乙烯護套不會出現松包現象，同時也不會包覆的太緊減少了內應力。

4.4 在選配模具時采用較小的拉伸比

電纜護套擠塑需嚴格控制，防止護套材料內部殘余應力過大，通常擠塑過程需注意的工藝措施有如下幾方面：（1）采用低壓縮比螺桿，以減少護套料內摩擦生熱，防止擠塑時機筒內升溫過高而引起護套材料分解、起泡。（2）機頭和模具設計要合理料道流暢，采用擠管式模具，則拉伸比控制在2.0以下，必要時抽真空，以利護套包緊電纜。經過以上措施，很好的解決電纜護套開裂的問題，保障了產品的質量。

5 結束語

通過以上措施，很好的解決了電纜在生產和使用中產生的護套開裂問題，使護套開裂現象不再發生。但是我們還要對生產中的生產設備進行不斷改進完善，嚴格按生產工藝，確保冷卻水槽完好性。前段水槽盡量采用可移動式，還要在水槽中增加除汽泡的軟毛刷。還有生產過程一定按照工藝要求生產，在施工過程中嚴格按照有關規范進行施工，保證電纜完好鋪設，為企業和客戶創造更好的效益。

參考文獻

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作者簡介：張保亮（1983-），男，河南南陽人，助理工程師，本科，研究方向：電纜高分子材料加工技術。