CN102822906B - 用于海洋和海底电缆的原电路 - Google Patents

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Abstract

用于海洋或海底电缆的原电路，所述原电路包括：导电心线束(10)，通常为多纤维丝的铜心线束；和包含绝缘内层(12)和聚偏氟乙烯外保护层(14)的绝缘鞘，所述绝缘内层厚度为0.35‑1.0mm，优选0.5‑0.75mm，所述外保护层厚度为0.15‑0.3mm，且至少将外保护层放射交联。内层和外层优选使用电子束放射一起交联。鞘的内外层结合使得海洋和海底电缆等可以制成更小的直径，而不损失容量或电学性质，同时提高了如温度范围和机械性质的全面性能。

Description

用于海洋和海底电缆的原电路
本发明涉及一种适合应用于海洋和海底的绝缘导线或电缆。
因为海洋和海底电缆暴露于非常苛刻的条件：海水具有潜在的腐蚀性和导电性，并且海水流会产生相当大的机械应力，所以迄今而言，海洋或海底电缆直径相对大，却具有相对低且小的温度范围，并且相比需要的物理性不够坚韧。
已知的海底电缆具有高度绝缘聚合物比如聚氯乙烯(PVC)的内鞘，和惰性聚合物例如氟化聚合物（如聚四氟乙烯(PTFE)）的内层。
典型的海底系缆或海洋脐带缆（umbilical cable）可含有很多原电路(primarywire)，所述原电路由绝缘套（通常为厚壁环绕的交联聚乙烯(XLPE)，但有时也使用未交联的PE和聚丙烯）围绕的导线（通常铜或钢）构成。然后可通过甲套（armoured jacket）保护这些原电路，所述甲套由金属线（通常为钢或铜线）或芳酰胺纤维构成，并围绕一层外套（通常为XLPE）。
为了提供需要的额定电阻和温度，在这些近海海洋应用中通常使用厚壁环绕的XLPE原电路。这种设计的局限性在于厚壁环绕(2.0mm以上)的原电路导致电缆在整体上直径大，因而限制了在一个线鼓（drum）中可存贮的电缆长度，这样反过来又限制了例如海底系缆的长度。这些导线在温度范围和物理属性上也具有局限性。
本发明提供了用于海洋或海底电缆的原电路，所述原电路具有导电心线束(conductive core)和绝缘鞘(insulating sheath)，该绝缘鞘具有作为主要绝缘体的放射交联聚烯烃的内层（壁厚度至少0.35mm），和经放射交联的聚偏氟乙烯(PVdF)的外套（厚度至少0.15mm）。
已经出人意料地发现，本发明的绝缘导线具有高绝缘性和常规XLPE导线的其他电学特性，同时具有海底、海洋和海岸应用（sub-sea, marine and offshore applications）所需的高温度范围、更好的机械性质（比如柔韧性及物理强度）和抗腐蚀性，同时比常规的XLPE导线薄且轻很多。包含本发明导线的海洋电缆强韧、耐磨、耐化学侵蚀抗性并且具有高度柔韧性，同时具有高的电绝缘性和从-55-+150°C的温度范围。这些可通过协同结合定制的导线（bespoke conductor）和双壁绝缘体实现。
本发明的导线可特别用于如作为用于海洋或海底电缆的原电路。在一些实施方式中，两层都经放射交联。本发明的导线可制成总壁厚约0.8mm，相比在系缆(tether)和脐带缆(umbilical cable)这些应用中常使用的常规PE导线薄得多。
使用本发明的导线，至少是优选实施方式的导线，用于海底电缆而具有的额外优点包括：海底海洋和海岸应用所需的更高的温度范围(-55°C-+150°C)、高电阻、柔韧性、抗腐蚀性和物理强度。具有44根CD导线（CD wire）的TE电缆的一个特别优点是内层的电解质常数低，提供了更低的电容，且使得可以将单根的导线更紧密地捆在一起，而不产生不良的电容效应（如电晕效应）。
绝缘聚合物的放射交联使得对冷水流（cold flow）的抗性增强，并使得它们在高温下不熔化。
本发明的电缆可用金属芯的导线（比如铜）或光纤导线制成。
接着将参照附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1显示本发明多纤维丝电缆的局部剖视图（partially cut away view）；
图2显示本发明16mm2原电路的SEM显微切片图；和
图3A和3B为截面图，比较了常规海底电缆(3a)和本发明电缆(3B)的相对尺寸。
图1所示的电缆包含绝缘鞘上形成的多纤维丝导线10，所述绝缘鞘包含放射交联的聚烯烃(如聚乙烯、聚丙烯和/或聚丁烯)的绝缘内层12，和放射交联的聚偏氟乙烯外层14。
多纤维丝导线10优选为铜，但可为任何其他合适的导体，如铝、银或钢。这种导线优选包括30-70束，更优选至少50束，通常为约61束。单个束优选具有0.5-0.7 mm的直径，对于束间紧密挨着的16mm2导线直径适宜为约0.58 mm。束的尺寸较大将产生较小的柔韧性，会有更多的应力点和束间空隙，这些会不利地影响薄壁环绕的心线束。也可使用如光纤导线的非金属心线束。对于16mm2导线，导电心线束的直径优选为4.80-5.10 mm。外层的束优选压实高达10%，优选5-9%（compacted by up to 10%, preferably 5 to 9%），以形成圆形、光滑、紧密的外表面，没有高低不平的束并降低了电晕影响。本发明导线的束也可具有心线束直径6-8倍长的平置长度(lay length)，相比之下，常规电缆导线的平置长度为直径12倍长。
绝缘内层12的聚烯烃优选为高密度聚乙烯(HDPE)，且具有最少0.35 mm的壁厚度，壁厚度优选至少0.5mm，优选至多1.0 mm，最适的范围为0.5-0.75mm。HDPE优选具有最少0.95的密度。HDPE可与乙烯-丙烯酸乙酯(EEA)共聚物共混，混合比可高达HDPE相比EEA的比率至少3: 1。EEA共聚物优选具有14-18%的丙烯酸乙酯含量。聚烯烃层具有高度的电绝缘性，同时保持轻且柔韧。
将鞘外层14的PVdF挤压到内层上，并且两层都同时通过电子束放射交联。优选的聚合物为新开发的化合物，基于PVdF均聚物和六氟丙烯及1,l'-二氟乙烯(VF2)的共聚物的独特组合。该层厚度为至少0.15 mm，优选最大为0.3 mm。这一层具有需要的强度、耐磨性、阻燃性、抗刺穿性（cut-through resistance）和对化合物(如多种酸、碱、烃类溶剂、燃料、润滑剂、水（包括海水）和多种导弹燃料（missile fuel）及氧化剂)的抗性。内层的聚乙烯绝缘体在湿和干燥条件下也对电弧径迹（arc tracking）有抗性。
另外，已经对该应用开发了新型的铜导线，其也经由新方法提供了帮助减少电晕和部分放电的增强性能。这些新导线经如下定制设计：具有半同心、柔韧和超级光滑的参数，且具有基于裸铜束的特别的紧密水平。这种优化创新的导线实例在图2中示出，并可定义为：由直径0.582mm的61根裸铜束构成的16mm2优化导线。
这种优化导线设计的组合并结合具有低介电常数（接近3）的电学干净（electrically clean）的心线束材料提供了最小化电晕放电或部分放电任何风险的稳定电学平台。该特点允许这些原电路负荷高电压(3.6 / 5.4 / 7.2 Kv; Uo / U / Um)，而没有部分放电或在长距离下的电晕电势(高达10km单程距离)，同时保持它们相对纤细、薄壁和重量低的优点。
当优化每一层以提供特别的性质时，该双层设计可产生所需的优越性质。例如，外层提供了需要的耐磨性和化学抗性，内层提供了需要的电绝缘性和低电解质常数。只有一层相似的总厚度不会提供同样水平的性能。
通过使用该双层设计可以降低原电路的直径。这意味着要么对于同一直径可构建具有更多原电路的电缆（更高的功能），要么可以降低电缆的总直径。这使得在一个线鼓中可存储更长的电缆，这潜在的益处是潜水艇可在离其母航（mothership）更远处运行。
图3A显示包含多根原电路的海底电缆的截面图，每根包含心线束30和绝缘鞘31，外面是外层35，其通常为钢线、铜线或芳酰胺纤维的甲套。图3B显示使用本发明原电路（心线束36和聚烯烃/PVdF的双层鞘32）的类似布置。因为这些鞘比本领域常规材料制成的薄得多，所以可在直径更小的电缆中容纳同样数量的导线，并且导线本身直径可更大。
已经开发了进一步改善使用现有的44导线平台用于海洋电缆用途的新材料化合物。该心线束材料的设计相比标准的44导线心线束化合物(3.8)具有更低的介电常数(3.1)。这使得心线束能更紧密地捆在一起，并且使得从同样尺寸的电缆可获得新的更高的额定电压。已开发了新的Pi外套层，该套层基于PVdF均聚物和PVdF共聚物的独特组合，这提供了良好的柔韧性、强度和长距离下(10,000 km)挤压无损坏的性能。
对于16mm2导线，该导线的总直径优选为6.5-6.9 mm，最大重量优选不超过200kg/km。本发明优选的导线可在低至-55°C或更低和高达+150°C或更高的温度下使用。平置长度通常约为心线束直径的6.5倍。
实施例
具有附图所示构造的用于绝缘海底电缆的原电路通过涂布多纤维丝的铜导线制成。所述多纤维丝的铜导线具有4.8-5.1 mm的直径和16 mm2的截面面积，并且由61根直径0.582 mm的束制成。
首先，将放射交联的高密度聚烯烃的主要绝缘层挤压到心线束上，形成厚度约0.5mm的层。这一层上再挤压了一层聚偏氟乙烯和HFP/VF2共聚物混合物的保护外套，其厚度至少0.15 mm。然后使用电子束放射交联获得的鞘。
制成的导线具有约6.7 mm的平均直径和175.45 kg/km的最大重量。在20°C下其最大电阻为1.210 Ω/km。额定电压至多3,000伏特。在下面表1中总结了该导线的电学性质，并将其与Tyco Electronics多用途SPEC 44导线比较，前者具有放射交联的聚烯烃/PVdF鞘，其壁厚为0.19mm，额定电压为0.6 / 1.0 2.5 KV, Uo / U / Um。
将该导线进行一系列作海洋和海底用途的性能测试（详见下面表2），该导线满足了右栏所列的所有要求。

Claims (14)

1.用于海洋或海底电缆的原电路，所述原电路具有导电心线束和绝缘鞘，所述鞘具有作为主要绝缘体的聚烯烃内层，其壁厚至少0.35mm，和放射交联的偏氟乙烯聚合物外层，所述偏氟乙烯聚合物外层含有偏氟乙烯均聚物和六氟丙烯与1,l'-二氟乙烯共聚物的共混物，其厚度至少0.15mm。
2.根据权利要求1的原电路，其中所述聚烯烃内层也经放射交联。
3.根据权利要求1或2的原电路，其中所述导电心线束包含多纤维丝导线。
4.根据权利要求3的原电路，其中所述多纤维丝导线包含30-70股纤维丝导线。
5.根据权利要求4的原电路，其中所述多纤维丝导线的平置长度为所述导电心线束直径的6-8倍。
6.根据权利要求1的原电路，其中所述导电心线束压实5-9% 。
7.根据权利要求1的原电路，其中所述导电心线束含有铜。
8.根据权利要求1的原电路，其中所述导电心线束具有4.8-5.1mm直径的16mm2导线。
9.根据权利要求1的原电路，其中所述聚烯烃内层的壁厚不超过0.75mm。
10.根据权利要求1的原电路，其中所述聚烯烃含有密度至少0.95g/cm3的高密度聚乙烯(HDPE)。
11.根据权利要求10的原电路，其中所述高密度聚乙烯与乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)共混，其中HDPE相比EEA的比率至少3: 1。
12.根据权利要求1的原电路，其中偏氟乙烯聚合物外层的厚度不超过0.3mm。
13.海洋或海底电缆，所述电缆包括安装在铠装护套中的多个前述权利要求任一项的原电路。
14.制备前述权利要求任一项的原电路的方法，所述包括如下步骤：
挤压聚烯烃内层到导电心线束上至厚度为至少0.35mm；
挤压偏氟乙烯聚合物外层到所述聚烯烃内层上至厚度至少0.15mm；和
使用电子束放射的方法一起交联所述聚烯烃内层和所述偏氟乙烯聚合物外层。
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