电缆用高密度聚乙烯护套开裂问题的讨论

　　摘 要：文章介绍了高密度聚乙烯的性能及耐环境应力开裂性能，并对作为电缆护套料在使用过程中容易产生开裂的原因，开裂机理和危害展开分析，并提出合理的解决方案。希望通过文章的分析，能够对相关工作提供参考。

　　前言

　　高密度聚乙烯凭借着优良的机械强度、韧性及优异的耐热性、耐低温性能(最低使用温度-71℃～-100℃)、绝缘和化学稳定性，而且还具有良好的防水性能，已经被广泛用于电缆绝缘和护套。但是聚乙烯有其自身缺陷，即耐环境应力开裂性能比较差。有时在电缆加工过程或在使用敷设过程中，控制不当，都会导致电缆护套的开裂，影响电缆的使用寿命。

　　一般而言，当高密度聚乙烯护套用在光缆，通信电缆等小规格外径电缆时，由于厚度较薄，加工过程中。但生产钢带铠装电缆外径比较大，护套厚度在2.5mm以上。如果在加工过程中，冷却不够或方法控制不当，就会在钢带间隙处产生裂纹和裂痕。公司给内蒙古呼伦贝尔地区生产的一批YJY23 26/35kV 3×50电缆，在敷设过程中发现护套开裂，给客户和企业造成很大损失。

　　高密度聚乙烯护套开裂是困扰其作为电缆护套料的难题。文章基于这个问题，根据实例对高密度聚乙烯护套开裂问题产生的原因、环境条件、开裂机理及危害进行分析，并提出合理的解决方案。

　　1、护套开裂问题的现象及危害

　　文章对我厂生产的YJY23 26/35kV 3×50电缆出现的外护套开裂问题进行分析。在成品电缆外护套，采用高密度聚乙烯作为护套料，在内蒙古呼伦贝尔地区(1月份当时环境温度-30℃)施工敷设中，电缆护套出现多处裂痕(如图1)。后从电缆开裂护套的边缘取样检测，全部技术指标合格。

　　如图1在护套开裂处可以明显的看到里面的钢带。对于这样的问题坚决不能放过，要找出问题的原因。

　　裂痕的危害：对护套裂痕直接造成电缆质量不合格，护套开裂会造成电缆进水，钢带腐蚀。从而影响电缆的正常使用。对于没有出现明显的裂痕的电缆，施工当中，由于外力的影响也很容易造成护套开裂。在这种情况下，客户一般也会认为是电缆的问题要求退货，这会造成公司很大的经济损失，甚至造成客户对企业的不信任。即使在施工中没有出现明显裂痕，但是如果在使用过程中，出现裂痕会造成电缆进水，从而影响电缆的使用寿命。所以对于这样的问题，应找出原因，并给予解决。

　　2、电缆护套开裂产生的机理

　　聚乙烯护套开裂主要有两种情形：一种是耐环境应力开裂，指的是电缆投入使用后，护套在低于其短时机械强度的耐张应力的作用下，发生裂纹和破损的情况。这种开裂发生要两个附加条件，一是护套存在内应力，二是电缆护套长时间接触了极性液体。这种开裂关键取决于聚乙烯本身耐环境应力开裂性能，通过多年材料改性的研究，这种情况已得到根本解决。另一种为机械性应力开裂，因电缆在构造上存在缺陷或护套挤出工艺不合适，电缆护套中存在较大应力，且容易形成应力集中，使电缆在施工放缆时产生变形而开裂。这种开裂常发生在有钢带铠装层的电缆外护套中，当电缆承受较大拉力且局部弯曲半径较小时，护层局部被拉伸变薄而开裂，电缆高密度聚乙烯外护套开裂属于此类状况。文章主要就护套机械性应力开裂的状况进行讨论。

　　3、开裂产生的原因

　　为讨论电缆护套开裂机理，从高密度聚乙烯护套特点、加工工艺、双钢带铠装电缆结构缺陷、电缆弯曲时护套受力，施工等方面来分析。

　　3.1 护套材料特点

　　在GB/T15065-2009标准中规定有四种电缆用聚乙烯护套料，如NDH、LDH、MH、GH。综合考虑电缆护套的使用环境、柔韧性和抗拉指标，一般选用GH黑色高密度聚乙烯护套料。虽然GH有较高的机械性能和加工性，但是弹性模量较大，抗冲击力不够理想和挤塑后收缩率大。如果挤塑工艺掌握不合适，就会在护套内部产生较大应力，对外径较大铠装电缆，护套在向铠装层收缩的过程中，钢带对护套造成损伤的几率大大提高了。

　　3.2 挤出温度及冷却速度的影响

　　温度对聚乙烯料的性能影响很大。温度太低会造成塑料塑化不均，造成熔体破裂，使电缆表面不光滑、无光泽，还会在护套内部残余内应力。温度过高不容易定型，而且会对电缆外表造成影响，易形成表面缺陷，影响电缆表面品质，严重时造成废品。一般在加工大外径电缆护套时，由于冷却水槽长度和体积有限，在生产过程中，熔融的聚乙烯护套料一般直接进入温度很低的水槽中，护套表面先冷却成型，后内层逐渐冷却，因外层冷却过快，产生微孔。一些聚乙烯链段来不及调整就被冻结而产生内应力，使得护套玻璃化温度很高，使护套在较小外力作用下开裂的几率上升。

　　3.3 钢带铠装的影响

　　大外径铠装电缆一般采用挤管式模具挤制外护套。大外径电缆铠装一般采用双钢带看间隙绕包形式，因为钢带厚度大，硬度大，绕包时会较大的反弹趋势，加剧了护套层所承受的外界张力，钢带表面会形成高度差，表面平整度较差，经过拉伸后包覆在铠装表面的护套厚度不一样。如电缆铠装外径76.3mm，护套平均值3.7mm，最薄出也有3.1mm;但对护套开裂处采集到数据：2.4、2.3、2.5、2.1、2.3、2.4mm。可见在断裂处护套厚度是明显不够的，这些位置的机械强度比较低，在应力作用下最容易出现开裂现象。

　　3.4 电缆成盘弯曲半径的影响

　　因受运输限高和成本的影响，当用户要求的交货长度较长时，外径较大长度较长的电缆选用合适的盘具十分不容易。有时为按照合同交货，不得不减小盘具的筒体直径，这样会造成电缆的弯曲半径变小，铠装层因电缆弯曲过大而产生位移，对护套产生较大的剪切力，铠装钢带毛边会扎破缓冲层嵌入护套层，使护套层沿钢带边缘产生裂痕。

　　3.5 施工的影响

　　相比小外径的电缆的施工，有些施工单位对中高电缆的施工认识不够，施工队伍水平不够，施工流程，施工方法不够规范。很多施工单位缺少卷扬机，履带牵引机等设备，施工方法比较落后，靠一些原始的方法、使放线张力无法控制，易造成放线过程中张力过大，弯曲半径过小等问题，这会加剧电缆护套开裂。 　　

　　4 解决方案

　　根据高密度聚乙烯护套开裂机理和产生的原因，采取以下措施来控制开裂现象的再次发生。

　　4.1 选用合适的聚乙烯护套料

　　为了提高护套耐磨性和缩小其收缩率，双峰聚乙烯料是一个比较好的选择。双峰聚乙烯是经过特殊加工工艺而得到的一种产品。其示意图(如图2)普通高密度聚乙烯的分子量分布有一个峰，而双峰聚乙烯的分子量曲线却有两个峰值，分子量分布比单峰宽，高低分子量的含量比例合理，使双峰聚乙烯塑料具备优异的机械物理性能，同时其收缩率也大大的缩小了。

　　4.2 采取温水分段冷却

　　为避免聚乙烯骤冷而引起的残留内应力，并导致后期应力开裂，一般要求冷却水槽分段降温，第一段水温控制为90℃～60℃，第二段水温控制在45-40℃，最后到室温，即进行高低温分段冷却。但实际生产过程中，发现90℃的水温过高，当温度很高的熔融聚乙烯进入90℃水中会使聚乙烯界面处的水温骤然升高，导致部分的水汽化，而这饱和蒸汽将在电缆外表形成大密度的气泡。我厂实际采用第一段水温控制在65℃左右，第二段水温控制在45℃，最后到室温。

　　4.3 在电缆铠装层上增加缓冲层的措施

　　通过研究分析，我们提出了在电缆护套中增加缓冲层的措施;缓冲层夹在钢带和护套之间，使护套不与钢带粘结，钢带边缘存在的快口、卷边不与护套接触;电缆弯曲或伸缩时，环境和外部应力等引起钢带间隙变化所产生的局部应力，不直接通过钢带传递到护套内侧。因此，该缓冲层使护套内侧不容易产生小裂口，而由缓冲层承受主要应力，避免护套受到局部应力，起到保护护套的作用。

　　我们采用在电缆上绕包2层的无纺布或非吸湿性材料。由于无纺布和钢带铠装层有一定的间隙缓解了钢带的表面平坦性，使得钢带表面的护套厚度均匀一致。再利用聚乙烯自身的热收缩性，使厚度一致的护套进入温水后逐渐冷却进行收缩，使绕包无纺布聚乙烯护套不会出现松包现象，同时也不会包覆的太紧减少了内应力。

　　4.4 在选配模具时采用较小的拉伸比

　　电缆护套挤塑需严格控制，防止护套材料内部残余应力过大，通常挤塑过程需注意的工艺措施有如下几方面：(1)采用低压缩比螺杆，以减少护套料内摩擦生热，防止挤塑时机筒内升温过高而引起护套材料分解、起泡。(2)机头和模具设计要合理料道流畅，采用挤管式模具，则拉伸比控制在2.0以下，必要时抽真空，以利护套包紧电缆。经过以上措施，很好的解决电缆护套开裂的问题，保障了产品的质量。

　　5、结束语

　　通过以上措施，很好的解决了电缆在生产和使用中产生的护套开裂问题，使护套开裂现象不再发生。但是我们还要对生产中的生产设备进行不断改进完善，严格按生产工艺，确保冷却水槽完好性。前段水槽尽量采用可移动式，还要在水槽中增加除汽泡的软毛刷。还有生产过程一定按照工艺要求生产，在施工过程中严格按照有关规范进行施工，保证电缆完好铺设，为企业和客户创造更好的效益。

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