CN110536495A - 一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆及其制造方法和专用设备 - Google Patents
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Abstract
一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆及其制造方法和专用设备，该电缆包括由内至外的铜导体、第一绝缘层、碳纤维加热层、第二绝缘层、铜管导电层、第三绝缘层和外护套层；第一绝缘层上均布的每个第一环形开口处分别设有内卡箍，将铜导体与碳纤维加热层电联接；第二绝缘层上均布的第二环形开口处分别设有外卡箍，将碳纤维加热层与铜管导电层电联接。其制造方法包含如下步骤：铜导体挤压；第一绝缘层绕包；第一绝缘层开口；碳纤维加热层绞合；第二绝缘层绕包；第二绝缘层开口；铜管导电层焊接；第三绝缘层绕包；外护套层焊接。其专用设备，包括专用开口设备、专用绕包机和专用波纹压型机。该电缆散热面积大，发热效率高，加热时间短，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明属于加热电缆领域，特别涉及一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆及其制造方法和专用设备。
背景技术
近年来，由于国际石油资源开采和需求量越来越大，原高质油的储备越来越少，高蜡油勘测和开发逐渐成为石油开采的主流。以我国为例，截止目前我国境内共发现新油田40多处，大约2.6万口油井，但80％是“三高”油品，即含腊高(20-30％)、凝固点高(25℃～30℃)、粘度高(10-20厘帕)。因此即使原油开采到地面储油罐内，如何将原油(稠油在低于50℃结蜡)在管道、储油罐内流动，提升原油温度，以达到温度补偿，提高原油的流动性能，成为人们急需解决的难题。
早在上世纪70年代，辽河油田就开始用落地原油或液化气作为燃料明火燃烧加温，不仅浪费能源、环境污染，而且容易爆炸。80年代后则开始采用电加热棒加温，利用电能转换热能解决降低粘度，但电能耗量太大，增大了原油开采成本。节能、降低成本成为一大难题，也是石油开采过程中要迫切解决的问题。
随着技术的发展，人们发明了各种碳纤维加热电缆。如公开号为CN205657854U公开了一种油井抽油杆碳纤维加热电缆，包括设在中心的铜导体，在铜导体外面依次设有导体绝缘层、碳纤维发热层、碳纤维绝缘层和外护套，所述导体绝缘层和碳纤维绝缘层内分别含有陶瓷橡胶层，在导体绝缘层上均布设有内环槽并在碳纤维发热层上位于每个内环槽处分别卡设有内卡箍，碳纤维发热层通过多个内卡箍与铜导体电联接，形成相互并联的多个电阻；在碳纤维绝缘层上均布有外环槽并在外环槽内分别设有外卡箍，碳纤维发热层通过多个外卡箍与外护套电联接，通过外护套接地形成所述多个电阻的并联回路；所述外卡箍分别位于相邻二个内卡箍的中间位置，所述外护套为钢带沿纵缝焊接拉制而成。
这种加热电缆存在如下问题：1、由于碳纤维发热层通过多个外卡箍与外护套电联接，通过外护套接地形成所述多个电阻的并联回路，即将外护套作为钢管电流回路，因此该加热电缆不具备防爆性能，无法用于油罐加热；2、由于该加热电缆的导体绝缘层和碳纤维绝缘层内均含有陶瓷橡胶层，利用该陶瓷橡胶作为绝缘层制成的加热电缆使用温度可达到600℃，但作为油罐加热电缆，需要长期使用温度达到800℃，因此该加热电缆无法用于油罐加热；3、由于所述碳纤维绝缘层由内至外依次由合成云母带绕包层、所述陶瓷橡胶层和绝缘外护层构成，而其工作时是通过碳纤维发热层通电发热后传导给碳纤维发热层进行发热的，但其碳纤维绝缘层严重影响了其热传导效率，因此该加热电缆发热效率低，升温速度慢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种防爆性能好，散热面积大，发热效率高，加热时间短，使用寿命长的双金属护套碳纤维防爆加热电缆及其制造方法和专用设备。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆，包括由内至外依次布置的铜导体、第一绝缘层、碳纤维加热层、第二绝缘层、铜管导电层、第三绝缘层和外护套层；所述碳纤维加热层是由多股碳纤维丝圆周均布绞合而成；
所述第一绝缘层上沿该电缆纵向均布设有若干第一环形开口，第一环形开口的深度等于所述第一绝缘层的厚度；在每个第一环形开口处分别设有内卡箍，该内卡箍将所述铜导体与所述碳纤维加热层电联接；
所述第二绝缘层上沿该电缆纵向均布设有若干第二环形开口，第二环形开口的深度等于所述第二绝缘层的厚度；在每个第二环形开口处分别设有外卡箍，该外卡箍将所述碳纤维加热层与所述铜管导电层电联接；
所述铜导体和铜管导电层分别用于连接单相电的火线和零线，所述外护套层用于连接接地线；通过均布交错布置的内卡箍和外卡箍连接碳纤维加热层与铜导体和铜管导电层，使碳纤维加热层形成若干个相互并联且阻值相等的发热电阻。
作为进一步优选，所述铜管导电层采用无氧铜带纵缝氩弧焊接拉制而成，铜管导电层的截面积不小于铜导体的截面积，使铜管导电层电阻不大于铜导体电阻值，确保电缆运行无电势差，避免电缆使用时产生放电现象，提高工作稳定性。
作为进一步优选，所述外护套层为采用不锈钢带纵缝焊接拉制并挤压而成的不锈钢波纹管，以增大散热面积。
作为进一步优选，所述第一、第二、第三绝缘层均为多层合成云母带搭接绕包而成且搭接率不小于15％，第一、第二、第三绝缘层的厚度均为0.9～1.2mm。
一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆的制造方法，包含步骤如下：
1、铜导体挤压
选用直径略大于所需直径的无氧铜杆，通过高温挤压机挤压成型后，制成所需直径的铜导体，以降低电阻率；
2、第一绝缘层绕包
使用绕包机将多层合成云母带分别搭接绕包在铜导体外缘形成第一绝缘层，搭接率为15％-20％，第一绝缘层的厚度为0.9～1.2mm；绕包后进行在线火花试验，电压值10Kv，试验率要达到100％；
3、第一绝缘层开口
使用专用开口设备在第一绝缘层上沿纵向按照设定的间距均布开设若干第一环形开口，第一环形开口的长度为20-30mm，开口后露出铜导体；
4、碳纤维加热层绞合
根据发热功率计算得出每米碳纤维阻值并选择所需的碳纤维丝型号，将所选型号的多股碳纤维丝通过专用绕包机绞合在所述第一绝缘层上形成碳纤维加热层；在第一环形开口处分别使用内卡箍将碳纤维加热层紧箍在铜导体外缘，确保铜导体和碳纤维加热层接触牢固；
5、第二绝缘层绕包
使用绕包机将多层合成云母带分别搭接绕包在碳纤维加热层外缘形成第二绝缘层，搭接率为15％-20％，第二绝缘层的厚度为0.9～1.2mm；绕包后进行在线火花试验，电压值10Kv，试验率要达到100％；
6、第二绝缘层开口
使用专用开口设备在第二绝缘层上沿纵向按照设定的间距均布开设若干第二环形开口，第二环形开口分别设置在相邻二个第一环形开口的正中间，第二环形开口的长度为20-30mm，开口后露出碳纤维加热层；在第二环形开口处分别使用外卡箍将碳纤维加热层卡牢，确保外卡箍与碳纤维加热层接触牢固，且外卡箍外径不小于第二绝缘层外径；
7、铜管导电层焊接
根据第二绝缘层的外径选择一定宽度和厚度的无氧铜带，将无氧铜带通过制管机压型并沿纵缝焊接拉制形成铜管导电层，在无氧铜带压型同时将通过上述步骤制成的电缆引入其中，铜管导电层焊接成型后经模具压缩、拉拔，确保铜管导电层紧套在外卡箍外面；
8、第三绝缘层绕包
使用绕包机将多层合成云母带分别搭接绕包在铜管导电层外缘形成第三绝缘层，搭接率为15％-20％，第三绝缘层的厚度为0.9～1.2mm；绕包后进行在线火花试验，电压值10Kv，试验率要达到100％；
9、外护套层焊接
根据第三绝缘层的外径选择一定宽度和厚度的不锈钢带，将不锈钢带通过制管机压型并沿纵缝焊接拉制形成外护套层，在不锈钢带压型同时将通过上述步骤制成的电缆引入其中，外护套层焊接成型后通过专用波纹压型机压成波纹状，确保外护套层的波纹内径紧套在第三绝缘层外面；通过收卷机收卷、切断、检验后即可制成该加热电缆成品。
作为进一步优选，所述步骤4中根据发热功率计算每米碳纤维阻值Rk时，计算公式如下：Rk＝NV2L/PKX2；其中N为所要绞合的碳纤维丝股数；X为通过碳纤维加热层形成的每段发热电阻长度即为相邻的外卡箍与内卡箍的间距，L为所述加热电缆的总长度，V为该电缆输入的电压值即220V，PK为所述加热电缆的所需发热功率；
根据发热功率计算出每米碳纤维阻值Rk后，选择每米标准阻值R略小于Rk的碳纤维丝型号；根据选择的碳纤维丝型号的每米标准阻值R计算实际发热功率P；计算公式如下：P＝NV2L/RX2；此时，若P＝(1.0～1.2)PK；则选择的碳纤维丝型号及其形成的每段发热电阻长度符合设计要求；若P＞1.2PK，则适当增加碳纤维加热层形成的每段发热电阻长度，即上述步骤3所述的第一环形开口的间距，调整后根据上述公式重新计算实际发热功率P，直至满足P＝(1.0～1.2)PK。
作为进一步优选，所述碳纤维丝为六股，绞合时节距比为25～28倍。
上述一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆的制造方法所使用的专用设备，包括专用开口设备、专用绕包机和专用波纹压型机。
作为进一步优选，所述专用开口设备包括冲压机和设在冲压机上的开口模具，该开口模具包括上模板和下模板，在下模板上对称设有导柱，导柱由上模板穿过，在上、下模板的相对面上分别设有相互对应的矩形凹槽，并在矩形凹槽内分别设有内夹板、纵刀片和外夹板，二个纵刀片的直刃口上下相对；在上、下模板的矩形凹槽内位于纵刀片两端分别设有横刀片，在横刀片上端对应纵刀片的直刃口处设有半圆弧形刃口，半圆弧形刃口的最低点与对应的纵刀片的直刃口平齐。
作为进一步优选，所述专用绕包机包括机架，在机架上固定有空心轴，在空心轴上安装有可旋转的旋转盘，该旋转盘是由内盘和外盘通过圆周均布并靠近旋转盘外缘的多根连杆连接而成，在内盘上沿圆周方向均布有多根安装轴，所述连杆的数量为安装轴数量的二倍，在每根安装轴上依次安装有二个可旋转的安装盘、压簧和压紧螺母，用于安装多卷碳纤维；
在与安装轴对应的连杆上分别套设有导向轴套，在与每个导向轴套相邻的一个连杆上分别设有可旋转的转向轮，在外盘外侧对应每个转向轮处分别设有可旋转的导向轮，在外盘外侧同心固定有导向套，在导向套上沿圆周方向均布有与导向轮一一对应的滚轮，在导向套外端设有分线法兰，在分线法兰上圆周均布有与滚轮一一对应的穿孔，用于穿设碳纤维。
作为进一步优选，所述专用波纹压型机包括机体，其特征是：在机体上设有驱动电机、第一轴座和第二轴座，在第一轴座内通过轴承安装有第一轴套，在第二轴座内通过导向套安装有第二轴套，在第二轴套内通过轴承安装有第三轴套，第一轴套与驱动电机输出轴传动连接并与第二轴套同轴线布置；在第一轴套和第三轴套的相对端分别设有驱动盘和调整盘，驱动盘和调整盘上分别设有二个对称布置的弧形凸台并通过弧形凸台相互配合插接，在驱动盘的弧形凸台内设有偏心倾斜布置的安装套，在安装套内可拆卸安装有波纹压套；在安装套外壁对称设有二个限位销，在调整盘的弧形凸台内壁分别设有方向相反的楔形调整槽，二个限位销分别由驱动盘的弧形凸台穿出并插入到对应的调整槽内，用于实现安装套的偏心布置；
在第二轴座后侧设有减速电机，减速电机输出端与第二轴套通过齿轮副传动连接，齿轮副的大齿轮通过螺纹安装在第二轴套上，用于旋转后带动第二、第三轴套轴向移动，从而通过调整盘改变安装套的偏心距。
本发明的有益效果是：
采用本发明的制造方法生产的双金属护套碳纤维防爆加热电缆，优点如下：
1、由于该加热电缆包括由内至外依次布置的铜导体、第一绝缘层、碳纤维加热层、第二绝缘层、铜管导电层、第三绝缘层和外护套层；通过铜管导电层作为碳纤维加热层形成的发热电阻回路，通过第三绝缘层能够实现外护套层与内部的发热电阻回路之间的绝缘，因此防爆性能好，特别适合用于油罐等需要防爆的场合加热；而且由于采用了铜管导电层，提高了热传导性能，升温速度快。
2、由于碳纤维加热层是由多股碳纤维丝圆周均布绞合而成，而碳纤维丝为全黑体材料，其加热过程中没有可见光，电热转换效率高达98％，高温状态下使用不氧化，其单位面积的电流的负荷不发生改变；另外热传导速度与发热体表面积成正比，而每股碳纤维丝是由单根直径只有0.02mm的上万根碳纤维丝组成，其表面积之大是传统合金电热体无法可比的。因此，该碳纤维加热电缆与传统的合金电热体相比可实现节能达到30％以上，节能显著，散热面积大，发热效率高，加热时间短。
3、由于碳纤维加热层是由多股碳纤维丝圆周均布绞合而成，而碳纤维丝不仅自身发热效率高，而且抗拉强度高、耐高温，再加上铜管导电层和外护套层分别由铜带和不锈钢带沿纵缝焊接拉制而成，因此该碳纤维加热电缆成品长度长，耐腐蚀，使用寿命长；而且通过外护套层焊接成型后压制成波纹状，进一步增大了散热面积，提高了加热效率。
4、由于该加热电缆由内至外设有三层绝缘层，每层绝缘层均为多层合成云母带搭接绕包而成，所述铜导体和铜管导电层分别用于连接单相电的火线和零线，所述外护套层用于连接接地线；因此该加热电缆耐高温效果好，长期使用温度可达800℃，使用安全性能高，适合用于油罐等需要高温的场合加热；
5、由于通过均布交错布置的内卡箍和外卡箍连接碳纤维加热层与铜导体和铜管导电层，使碳纤维加热层形成若干个相互并联且阻值相等的发热电阻，因此该该加热电缆工作时发热均匀，能够高效地进行热量传导，升温速度快。
附图说明
图1是本发明的加热电缆的横截面结构示意图；
图2是本发明的加热电缆的纵截面结构示意图；
图3是本发明涉及的专用开口设备的开口模具的结构示意图；
图4是图3的左视图。
图5是图3的A-A剖视图。
图6是开口模具去掉横刀片的立体结构图。
图7是本发明涉及的专用绕包机的结构示意图；
图8是专用绕包机的立体结构图。
图9是本发明涉及的专用波纹压型机的结构示意图。
图10是图9的后视图。
图11是图9中护罩打开后的局部视图。
图12是图11的A-A剖视图。
图13是图11的B-B剖视图。
图中：铜导体1；第一绝缘层2；碳纤维加热层3；第二绝缘层4；铜管导电层5；第三绝缘层6，外护套层7；内卡箍8；外卡箍9。
下模板10，导柱11，外夹板12，上模板13，连接板14，U型卡槽1401，矩形凹槽15，横刀片16，半圆弧形刃口1601，矩形槽口17，内夹板18，纵刀片19，卡沿20。
机架21，气动制动器22，空心轴23，中心轴套24，刹车盘25，内盘26，连杆27，外盘28，导向轮29，滚轮套30，滚轮31，分线法兰32，导向套33，导向轴套34，压紧螺母35，压簧36，安装盘37，安装轴38，转向轮轴39，转向轮40，皮带传动机构41，旋转盘42，穿孔321。
机体43，皮带44，第一轴套45，第一轴座46，护罩47，减速电机48，第二轴座49，第二轴套50，固定夹座51，驱动电机52，齿轮副53，定位套54，第三轴套55，导向套56，调整盘57，弧形凸台571，调整槽572，驱动盘58，弧形凸台581，长孔582，安装套59，定位孔591，波纹压套60，限位销61，L型压块62。
具体实施方式
如图1～2所示，本发明涉及的一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆，包括由内至外依次布置的铜导体1、第一绝缘层2、碳纤维加热层3、第二绝缘层4、铜管导电层5、第三绝缘层6和外护套层7；所述铜导体1为一根圆形金属铜杆，所述碳纤维加热层3是由多股碳纤维丝圆周均布绞合而成；所述第一、第二、第三绝缘层均为多层合成云母带搭接绕包而成且搭接率不小于15％，第一、第二、第三绝缘层的厚度均为0.9～1.2mm。
在所述第一绝缘层2上沿该电缆纵向均布设有若干第一环形开口，第一环形开口的深度等于所述第一绝缘层2的厚度；在每个第一环形开口处分别卡入内卡箍8，该内卡箍8将所述铜导体1与所述碳纤维加热层3电联接。
在所述第二绝缘层4上沿该电缆纵向均布设有若干第二环形开口，第二环形开口的深度等于所述第二绝缘层4的厚度；在每个第二环形开口处分别卡入外卡箍9，该外卡箍9将所述碳纤维加热层3与所述铜管导电层5电联接。所述外卡箍9与内卡箍8均布交错布置。
所述铜管导电层5采用厚度为0.8±0.1mm的无氧铜带纵缝氩弧焊接拉制而成，铜管导电层5的截面积不小于铜导体1的截面积，使铜管导电层5电阻不大于铜导体1电阻值，确保电缆运行无电势差，避免电缆使用时产生放电现象，提高工作稳定性。
所述外护套层7为采用厚度为0.2～0.25mm的不锈钢带沿纵缝氩弧焊接拉制而成并挤压成不锈钢波纹管，以增大散热面积。所述铜导体1和铜管导电层5分别用于连接单相电的火线和零线，所述外护套层7用于连接接地线；通过均布交错布置的内卡箍8和外卡箍9连接碳纤维加热层3与铜导体1和铜管导电层5，使碳纤维加热层3形成若干个相互并联且阻值相等的发热电阻。
本发明涉及的一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆的制造方法，包含步骤如下：
1、铜导体挤压
选用直径略大于所需直径的无氧铜杆，通过高温挤压机挤压成型后，制成所需直径的铜导体，以降低电阻率；本实施例中选用直径为￠8mm的无氧铜杆，经过高温挤压机挤压成型后，制成直径为￠6.2的铜导体，缠绕成卷后备用。
2、第一绝缘层绕包
通过放线架将缠绕成卷后的铜导体释放，通过连续布置的多台绕包机将多层合成云母带分别搭接绕包在铜导体外缘形成第一绝缘层，本实施例中合成云母带为六层，控制搭接率为15％-20％，使第一绝缘层的厚度为0.9～1.2mm，绕包后的外径为￠8.2±0.15mm；绕包后进行在线火花试验，电压值10Kv，试验率要达到100％。
3、第一绝缘层开口
使用专用开口设备在第一绝缘层上沿电缆纵向按照设定的间距均布开设若干第一环形开口，第一环形开口的长度为20-30mm，间距为15～25m，开口后露出铜导体；本实施例中第一环形开口为30mm，间距为20m。
4、碳纤维加热层绞合
根据发热功率计算得出每米碳纤维阻值并选择所需的碳纤维丝型号，将所选型号的多股碳纤维丝通过专用绕包机绞合在所述第一绝缘层上形成碳纤维加热层；所述碳纤维丝优选为六股，绞合时节距比为25～28倍。
根据发热功率计算每米碳纤维阻值Rk时，计算公式如下：Rk＝NV2L/PKX2；其中N为所要绞合的碳纤维丝股数；X为通过碳纤维加热层形成的每段发热电阻长度即为相邻的外卡箍与内卡箍的间距，L为所述加热电缆的总长度，V为该电缆输入的电压值即220V，PK为所述加热电缆的所需发热功率。
根据发热功率计算出每米碳纤维阻值Rk后，选择每米标准阻值R略小于Rk的碳纤维丝型号；根据选择的碳纤维丝型号的每米标准阻值R计算实际发热功率P；计算公式如下：P＝NV2L/RX2；此时，若P＝(1.0～1.2)PK；则选择的碳纤维丝型号及其形成的每段发热电阻长度符合设计要求；若P＞1.2PK，则适当增加碳纤维加热层形成的每段发热电阻长度，即步骤3所述的相邻第一环形开口的间距，调整后根据上述公式重新计算实际发热功率P，直至满足P＝(1.0～1.2)PK。
在第一环形开口处分别使用预制的U型内卡箍将绞合后形成的碳纤维加热层紧箍夹持在铜导体外缘，确保铜导体和碳纤维加热层接触牢固；同时使内卡箍外径小于等于碳纤维加热层外径。
5、第二绝缘层绕包
通过连续布置的绕包机将多层合成云母带分别搭接绕包在碳纤维加热层外缘形成第二绝缘层，本实施例中合成云母带为六层，控制搭接率为15％-20％，第二绝缘层的厚度为0.9～1.2mm，绕包后的外径为￠11±0.15mm；绕包后进行在线火花试验，电压值10Kv，试验率要达到100％；
6、第二绝缘层开口
使用专用开口设备在第二绝缘层上沿纵向按照设定的间距均布开设若干第二环形开口，第二环形开口分别设置在相邻二个第一环形开口的正中间，第二环形开口的长度为20-30mm，开口后露出碳纤维加热层；在第二环形开口处分别使用预制的U型外卡箍将碳纤维加热层卡牢，确保外卡箍与碳纤维加热层接触牢固，且外卡箍外径不小于第二绝缘层外径；本实施例第二环形开口长度为30mm，外卡箍外径为￠13.2mm。
7、铜管导电层焊接
根据第二绝缘层绕包后的外径选择一定宽度和厚度的无氧铜带，本实施例中无氧铜带的宽度为51.56mm，厚度为0.8mm，将无氧铜带通过制管机压型并沿纵缝焊接拉制形成内径为的铜管导电层，在无氧铜带压型同时将通过上述步骤制成的电缆引入其中，铜管导电层焊接成型后通过模具压缩、拉拔，消除铜管导电层与外卡箍之间的间隙，确保铜管导电层紧套在外卡箍外面；
8、第三绝缘层绕包
通过连续布置的绕包机将多层合成云母带分别搭接绕包在铜管导电层外缘形成第三绝缘层，本实施例中合成云母带为六层，搭接率为15％-20％，第三绝缘层的厚度为0.9～1.2mm，绕包后的外径为￠16±0.15mm；绕包后进行在线火花试验，电压值10Kv，试验率要达到100％；
9、外护套层焊接
根据第三绝缘层的外径选择一定宽度和厚度的不锈钢带，本实施例中所述不锈钢带的宽度为65mm，厚度为0.2-0.25mm；将不锈钢带通过制管机压型并沿纵缝焊接拉制形成内径的外护套层，在不锈钢带压型同时将通过上述步骤制成的电缆引入其中，外护套层焊接成型后通过专用波纹压型机压成波纹状，确保外护套层的波纹内径紧套在第三绝缘层外面；再通过收卷机收卷、切断、检验后即可制成该加热电缆成品。
所述双金属护套碳纤维防爆加热电缆与传统加热电缆的具体性能参数对比如下：
该加热电缆工作时通过碳纤维加热层形成的发热电阻，与铜导体和铜管导电层折射式并联连接，通电后碳纤维加热层将电能转换为热能，通过铜管导电层和不锈钢外护套层将热量传导给油罐内原油，达到对原油加热的目的。
本发明涉及的一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆的制造方法所使用的专用设备，包括专用开口设备、专用绕包机和专用波纹压型机。
如图3-图6所示，所述专用开口设备包括冲压机和设在冲压机上的开口模具，该开口模具包括上模板13和下模板10，在下模板10上对称设有导柱11，导柱11由上模板13穿过，在上、下模板的相对面上分别设有相互对应的矩形凹槽15，该矩形凹槽15对应上、下模板的前端为敞口结构。在上、下模板的矩形凹槽内分别设有内夹板18、纵刀片19和外夹板12，其中内夹板18分别通过螺钉固定在对应的上模板13或下模板10的矩形凹槽15内，所述纵刀片19分别通过螺钉夹持在对应的内、外夹板之间，以便于安装。二个纵刀片19的直刃口上下相对且直刃口的夹角为30度，所述内、外夹板的相对面上端形成一个矩形槽口17，所述纵刀片19的直刃口由矩形槽口17伸出。在上、下模板的矩形凹槽15内位于纵刀片19两端分别设有横刀片16，在横刀片16上端对应纵刀片19的直刃口处设有半圆弧形刃口1601，半圆弧形刃口的最低点与对应的纵刀片19的直刃口平齐，半圆弧形刃口的内径等于待开口的碳纤维加热电缆绝缘层外径。在内、外夹板两端分别设有阶梯状卡沿20，所述横刀片16两端通过间隙配合卡在两侧的内、外夹板的卡沿20之间，并通过螺钉固定在对应的内、外夹板上，以保证装配质量和开口精度。在上模板13上面通过螺钉固定有连接板14，在连接板14上设有下宽上窄的U型卡槽1401，以便于连接气动冲压机的冲头。
所述专用开口设备在使用时，将下模板10通过螺栓固定在气动冲压机的平台上，将上模板13通过在U型卡槽1401卡在气动冲压机的冲头下端。启动气动冲压机，将制备过程中的碳纤维加热电缆缠绕内绝缘层或外绝缘层之后分别由下模板10上二个横刀片16的半圆弧形刃口内通过，当行进到开口位置时，通过脚踏开关启动气动冲压机的冲头下压，通过二个纵刀片19将碳纤维加热电缆的内绝缘层或外绝缘层切出上下对称的二个纵切口；通过位于纵刀片19两端的横刀片16在碳纤维加热电缆的内绝缘层或外绝缘层切出的二个纵切口两端分别切出上下对称的半圆形切口，半圆形切口与纵切口配合便可将碳纤维加热电缆的内、外绝缘层开设出规格统一的环形槽口，环形槽口内的绝缘层被切断后用手便可剥掉。
如图7-图8所示，所述专用绕包机包括机架21，在机架21上固定有水平布置的空心轴23，在空心轴23上安装有可旋转的旋转盘42，该旋转盘42是由内盘26和外盘28通过圆周均布并靠近旋转盘42外缘的多根连杆27使用螺母连接而成，所述旋转盘42的内盘26中心固定有中心轴套24，并通过中心轴套24和轴承套装在空心轴23上，中心轴套24一端插入机架21内并与设在机架21内的电机通过皮带传动机构41连接。在中心轴套24上位于机架21内一端固定有刹车盘25，在机架21内靠近刹车盘25处安装有气动制动器22，用于停机时实现旋转盘42的制动。
在内盘26上沿圆周方向均布有多根安装轴38，所述连杆27的数量为安装轴38数量的二倍，所述安装轴38与半数的连杆27一一对应即分别位于同一条径向线上。在每根安装轴38上依次安装有二个可旋转的安装盘37、压簧36和压紧螺母35，安装盘37通过轴承套装在对应的安装轴38上，用于安装多卷碳纤维。本实施例中所述安装轴38为六根，安装轴38一端通过螺母固定在内盘26上，在外盘28上对应每根安装轴38处分别设有通孔，安装轴38另一端由对应的通孔穿出，以便于安装成卷的碳纤维丝。
在与安装轴38对应的连杆27上分别通过间隙配合套设有导向轴套34，在与每个导向轴套34相邻的一个连杆上分别设有可旋转的转向轮40，该转向轮40为圆锥柱形并通过转向轮轴39安装在对应的连杆上，该转向轮轴39通过一个开口孔套设在连杆上并通过螺钉夹紧，以便调整转向轮40的位置和角度。
在外盘28外侧对应每个转向轮40处分别设有可旋转的导向轮29，该导向轮29分别通过一个轮架安装在外盘28上，导向轮29凸出于旋转盘42外缘。在外盘28外侧通过法兰和螺栓同心固定有导向套33，在导向套33上套设并通过顶丝固定有滚轮套30，在滚轮套30上沿圆周方向均布有与导向轮29一一对应的滚轮31，滚轮31分别通过槽型轮架固定在滚轮套30上。在导向套33外端连接有分线法兰32，在分线法兰32上圆周均布有与滚轮一一对应的穿孔321，用于穿设碳纤维。
所述专用绕包机使用时，卸下每根安装轴38上的压紧螺母35、压簧36和位于外侧的安装盘37，将六卷碳纤维丝分别套在安装轴上并夹持在二个安装盘37之间，装上压簧36并旋紧压紧螺母。将加热电缆的铜导体在内绝缘层绕包后穿过空心轴23的中心孔，将每卷碳纤维丝的外端依次由对应的导向轴套34、相邻的转向轮、对应的导向轮29、对应的滚轮绕过后穿过分线法兰32对应的穿孔，并缠绕在所述内绝缘层外缘绑扎固定。启动电机，带动旋转盘快速旋转，每卷碳纤维丝随着旋转盘的旋转依次通过导向轴套、转向轮、导向轮29、滚轮和分线法兰32的穿孔后便可缠绕在加热电缆的内绝缘层外缘，能够一次完成六股碳纤维丝的绕包。
如图9-图13所示，所述专用波纹压型机包括机体43，在机体43上通过螺栓固定有驱动电机52、第一轴座46和第二轴座49，在第一轴座46内通过轴承安装有第一轴套45，在第二轴座49内镶装有导向套56并通过导向套56滑动配合安装有第二轴套50，第二轴套50上远离第一轴座46一端由第二轴座49穿出，在第二轴套50内通过二套轴承安装有第三轴套55，第一轴套45与驱动电机52输出轴通过皮带44传动连接并与第二轴套50同轴线布置。所述驱动电机52为调速电机。
在第一轴套45和第三轴套55的相对端分别通过螺纹安装有驱动盘58和调整盘57，在驱动盘58和调整盘57上分别设有二个对称布置的弧形凸台571和161并通过弧形凸台相互间隙配合插接，在驱动盘58的弧形凸台581内设有偏心倾斜布置的安装套59，在安装套59内可拆卸安装有波纹压套60。所述波纹压套60通过螺纹安装在安装套59的中心孔内，在安装套59中心孔的大孔一端通过螺钉固定有L型压块62，L型压块62压在波纹压套60一端，用于波纹压套60的限位。在波纹压套60的中心孔内设有环形凸台，用于不锈钢管波纹的压型。
在安装套59外壁通过螺纹沿径向对称安装有二个限位销61，在调整盘57的弧形凸台571内壁分别设有方向相反的楔形调整槽572，二个限位销61分别由驱动盘58的弧形凸台穿出并插入到对应的调整槽572内，用于实现安装套59的偏心布置。当调整盘57与驱动盘58的相对位置发生变化时，在二个限位销61与调整槽572的滑动配合作用下使安装套59的偏心位置发生变化。
在第二轴座49后侧安装有减速电机48，该减速电机48为蜗轮蜗杆减速电机，减速电机48的输出端与第二轴套50通过一个齿轮副53传动连接，所述齿轮副53的大齿轮通过螺纹安装在第二轴套50上，用于旋转后带动第二、第三轴套轴向移动，从而通过调整盘57改变安装套59的偏心距。
在驱动盘58的一个弧形凸台上位于对应的限位销61两侧分别沿轴向设有长孔582，在该弧形凸台内侧分别通过贯穿长孔582的螺栓固定有限位销61，限位销61前端分别通过间隙配合插入到设在安装套外缘的二个定位孔591内，用于实现安装套的倾斜布置。
在机体43上位于驱动盘58和调整盘57的外面设有可上翻打开的护罩47，用于防止挤压成型时涂抹在不锈钢管外壁的润滑液甩出。在机体43上位于第二轴套50的前面设有固定夹座51，在固定夹座51内通过螺栓夹持固定有定位套54，定位套54与第三轴套同轴线布置，用于穿出挤压成型后的不锈钢管。
所述专用波纹压型机使用时，将沿纵缝焊接成型后的薄壁不锈钢管依次由第一轴套45、驱动盘58、安装套、波纹压套60、第三轴套和定位套54的中心孔穿出后缠绕在盘管收卷机上，通过盘管收卷机带动不锈钢管前行。启动驱动电机52，通过皮带44传动带动第一轴套45和驱动盘58旋转，驱动盘58旋转时通过二个限位销61带动安装套和波纹压套60同步旋转，由于安装套偏心倾斜布置，因此可将沿轴向前移的不锈钢管挤压成波纹状。需要调整波纹深度时，启动减速电机48带动齿轮副53的大齿轮旋转，使第二轴套沿轴向平移，并带动第三轴套和调整盘57轴向移动，调整盘移动后使二个限位销61沿调整槽572滑动，便可改变安装套的偏心距，从而调节波纹的深度。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆，其特征在于：包括由内至外依次布置的铜导体、第一绝缘层、碳纤维加热层、第二绝缘层、铜管导电层、第三绝缘层和外护套层；所述碳纤维加热层是由多股碳纤维丝圆周均布绞合而成；
所述第一绝缘层上沿该电缆纵向均布设有若干第一环形开口，第一环形开口的深度等于所述第一绝缘层的厚度；在每个第一环形开口处分别设有内卡箍，该内卡箍将所述铜导体与所述碳纤维加热层电联接；
所述第二绝缘层上沿该电缆纵向均布设有若干第二环形开口，第二环形开口的深度等于所述第二绝缘层的厚度；在每个第二环形开口处分别设有外卡箍，该外卡箍将所述碳纤维加热层与所述铜管导电层电联接；
所述铜导体和铜管导电层分别用于连接单相电的火线和零线，所述外护套层用于连接接地线；通过均布交错布置的内卡箍和外卡箍连接碳纤维加热层与铜导体和铜管导电层，使碳纤维加热层形成若干个相互并联且阻值相等的发热电阻。
2.根据权利要求1所述的一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆，其特征在于：所述铜管导电层采用无氧铜带纵缝氩弧焊接拉制而成，铜管导电层的截面积不小于铜导体的截面积，使铜管导电层电阻不大于铜导体电阻值，确保电缆运行无电势差，避免电缆使用时产生放电现象，提高工作稳定性。
3.根据权利要求1所述的一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆，其特征在于：所述外护套层为采用不锈钢带纵缝焊接拉制并挤压而成的不锈钢波纹管，以增大散热面积。
4.根据权利要求1所述的一种双金属护套碳纤维防爆加热电缆，其特征在于：所述第一、第二、第三绝缘层均为多层合成云母带搭接绕包而成且搭接率不小于15％，第一、第二、第三绝缘层的厚度均为0.9～1.2mm。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的双金属护套碳纤维防爆加热电缆的制造方法，其特征在于包含步骤如下：
(1)铜导体挤压
选用直径略大于所需直径的无氧铜杆，通过高温挤压机挤压成型后，制成所需直径的铜导体，以降低电阻率；
(2)第一绝缘层绕包
使用绕包机将多层合成云母带分别搭接绕包在铜导体外缘形成第一绝缘层，搭接率为15％-20％，第一绝缘层的厚度为0.9～1.2mm；绕包后进行在线火花试验，电压值10Kv，试验率要达到100％；
(3)第一绝缘层开口
使用专用开口设备在第一绝缘层上沿纵向按照设定的间距均布开设若干第一环形开口，第一环形开口的长度为20-30mm，开口后露出铜导体；
(4)碳纤维加热层绞合
根据发热功率计算得出每米碳纤维阻值并选择所需的碳纤维丝型号，将所选型号的多股碳纤维丝通过专用绕包机绞合在所述第一绝缘层上形成碳纤维加热层；在第一环形开口处分别使用内卡箍将碳纤维加热层紧箍在铜导体外缘，确保铜导体和碳纤维加热层接触牢固；
(5)第二绝缘层绕包
使用绕包机将多层合成云母带分别搭接绕包在碳纤维加热层外缘形成第二绝缘层，搭接率为15％-20％，第二绝缘层的厚度为0.9～1.2mm；绕包后进行在线火花试验，电压值10Kv，试验率要达到100％；
(6)第二绝缘层开口
使用专用开口设备在第二绝缘层上沿纵向按照设定的间距均布开设若干第二环形开口，第二环形开口分别设置在相邻二个第一环形开口的正中间，第二环形开口的长度为20-30mm，开口后露出碳纤维加热层；在第二环形开口处分别使用外卡箍将碳纤维加热层卡牢，确保外卡箍与碳纤维加热层接触牢固，且外卡箍外径不小于第二绝缘层外径；
(7)铜管导电层焊接
根据第二绝缘层的外径选择一定宽度和厚度的无氧铜带，将无氧铜带通过制管机压型并沿纵缝焊接拉制形成铜管导电层，在无氧铜带压型同时将通过上述步骤制成的电缆引入其中，铜管导电层焊接成型后经模具压缩、拉拔，确保铜管导电层紧套在外卡箍外面；
(8)第三绝缘层绕包
使用绕包机将多层合成云母带分别搭接绕包在铜管导电层外缘形成第三绝缘层，搭接率为15％-20％，第三绝缘层的厚度为0.9～1.2mm；绕包后进行在线火花试验，电压值10Kv，试验率要达到100％；
(9)外护套层焊接
根据第三绝缘层的外径选择一定宽度和厚度的不锈钢带，将不锈钢带通过制管机压型并沿纵缝焊接拉制形成外护套层，在不锈钢带压型同时将通过上述步骤制成的电缆引入其中，外护套层焊接成型后通过专用波纹压型机压成波纹状，确保外护套层的波纹内径紧套在第三绝缘层外面；通过收卷机收卷、切断、检验后即可制成该加热电缆成品。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中根据发热功率计算每米碳纤维阻值Rk时，计算公式如下：Rk＝NV2L/PKX2；其中N为所要绞合的碳纤维丝股数；X为通过碳纤维加热层形成的每段发热电阻长度即为相邻的外卡箍与内卡箍的间距，L为所述加热电缆的总长度，V为该电缆输入的电压值即220V，PK为所述加热电缆的所需发热功率；
根据发热功率计算出每米碳纤维阻值Rk后，选择每米标准阻值R略小于Rk的碳纤维丝型号；根据选择的碳纤维丝型号的每米标准阻值R计算实际发热功率P；计算公式如下：P＝NV2L/RX2；此时，若P＝(1.0～1.2)PK；则选择的碳纤维丝型号及其形成的每段发热电阻长度符合设计要求；若P＞1.2PK，则适当增加碳纤维加热层形成的每段发热电阻长度，即上述步骤3所述的第一环形开口的间距，调整后根据上述公式重新计算实际发热功率P，直至满足P＝(1.0～1.2)PK。
7.一种权利要求5所述的制造方法所使用的专用设备，其特征在于：包括所述专用开口设备、专用绕包机和专用波纹压型机。
8.根据权利要求7所述的专用设备，其特征在于：所述专用开口设备包括冲压机和设在冲压机上的开口模具，该开口模具包括上模板和下模板，在下模板上对称设有导柱，导柱由上模板穿过，在上、下模板的相对面上分别设有相互对应的矩形凹槽，并在矩形凹槽内分别设有内夹板、纵刀片和外夹板，二个纵刀片的直刃口上下相对；在上、下模板的矩形凹槽内位于纵刀片两端分别设有横刀片，在横刀片上端对应纵刀片的直刃口处设有半圆弧形刃口，半圆弧形刃口的最低点与对应的纵刀片的直刃口平齐。
9.根据权利要求7所述的专用设备，其特征在于：所述专用绕包机包括机架，在机架上固定有空心轴，在空心轴上安装有可旋转的旋转盘，该旋转盘是由内盘和外盘通过圆周均布并靠近旋转盘外缘的多根连杆连接而成，在内盘上沿圆周方向均布有多根安装轴，所述连杆的数量为安装轴数量的二倍，在每根安装轴上依次安装有二个可旋转的安装盘、压簧和压紧螺母，用于安装多卷碳纤维；
在与安装轴对应的连杆上分别套设有导向轴套，在与每个导向轴套相邻的一个连杆上分别设有可旋转的转向轮，在外盘外侧对应每个转向轮处分别设有可旋转的导向轮，在外盘外侧同心固定有导向套，在导向套上沿圆周方向均布有与导向轮一一对应的滚轮，在导向套外端设有分线法兰，在分线法兰上圆周均布有与滚轮一一对应的穿孔，用于穿设碳纤维。
10.根据权利要求7所述的专用设备，其特征在于：所述专用波纹压型机包括机体，其特征在于：在机体上设有驱动电机、第一轴座和第二轴座，在第一轴座内通过轴承安装有第一轴套，在第二轴座内通过导向套安装有第二轴套，在第二轴套内通过轴承安装有第三轴套，第一轴套与驱动电机输出轴传动连接并与第二轴套同轴线布置；在第一轴套和第三轴套的相对端分别设有驱动盘和调整盘，驱动盘和调整盘上分别设有二个对称布置的弧形凸台并通过弧形凸台相互配合插接，在驱动盘的弧形凸台内设有偏心倾斜布置的安装套，在安装套内可拆卸安装有波纹压套；在安装套外壁对称设有二个限位销，在调整盘的弧形凸台内壁分别设有方向相反的楔形调整槽，二个限位销分别由驱动盘的弧形凸台穿出并插入到对应的调整槽内，用于实现安装套的偏心布置；
在第二轴座后侧设有减速电机，减速电机输出端与第二轴套通过齿轮副传动连接，齿轮副的大齿轮通过螺纹安装在第二轴套上，用于旋转后带动第二、第三轴套轴向移动，从而通过调整盘改变安装套的偏心距。
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