CN112509755A - 用于制造海底电缆的方法以及这样制造的电缆 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于制造电缆(100)的方法，包括：提供电缆芯(110)；提供铜箔(300)；在电缆芯上面在与焊接模具(550a)基本匹配的位置中提供保护条带(130)，该保护条带有径向内表面和外表面，并由铜制造，具有至少在径向外表面上的涂层，该涂层由熔化温度在90℃至250℃之间的金属或金属合金来制造；绕电缆芯来折叠铜箔，使得两个纵向铜箔缘(310)相互接触；利用焊接模具(550a)来焊接两个接触的纵向铜箔缘，从而获得具有焊缝(125)的铜护壳；减小铜护壳的直径，使它与电缆芯和保护条带直接接触；在比保护条带涂层的熔化温度更高的温度下加热保护条带和铜护壳，以使得涂层在焊缝中熔化；环绕铜护壳挤出聚合物护壳(140)。本申请还公开了一种电缆。

Description

用于制造海底电缆的方法以及这样制造的电缆
技术领域
本发明涉及一种用于制造电缆的方法，特别是但并不排他，涉及一种用于制造水下或地下部署的高压电缆。
本发明涉及一种通过上述方法制造的电缆。
背景技术
在本发明中，措辞“高压”(HV)表示等于或大于30KV的电压。
通常，电缆(特别是HV电缆)包括至少一个电缆芯，该电缆芯通常由导电金属导体形成，该导电金属导体由绝缘系统覆盖。绝缘系统顺序地由内部聚合物半导体层、中间聚合物绝缘层和外部聚合物半导体层来形成。绝缘系统由一层或多层保护层来包围。
当电缆将安装在潮湿或潜在潮湿的环境中(例如水下或地下)时，应当保护电缆线芯防止水汽或水渗透，该水汽或水渗透可以导致电击穿。因此，海底或地下电缆通常包括环绕电缆的各电缆芯的金属阻挡部(在这种情况下，电缆芯还包括环绕外部聚合物半导体层的缓冲层)，以便在电缆的安装和操作过程中阻止水渗透。
金属阻挡部能够由铝、铅或铜来制造。铜比铅轻，比铝更不易腐蚀。
金属阻挡部能够通过挤出来制造，特别是在铅阻挡部的情况下，或者成纵向折叠护壳的形式，该护壳具有焊接的缘或者交叠和胶接的缘。
相对于具有交叠和胶接的缘的纵向折叠护壳，具有焊接的缘的纵向折叠护壳在高压条件下(例如在大于例如1000m的水下深度)更可靠地防止水渗透。
根据电缆的应用，金属阻挡部还能够有直的或波浪形的纵向截面(下文中也分别称为“直金属阻挡部”和“波纹形金属阻挡部”)。电缆能够部署为静止电缆，该电缆放置在固定点之间的表面(例如海床等)上，或者部署为动态电缆，该电缆悬挂在水下，因此受到海水运动(例如海流和/或波浪)的影响。在后一种情况下，相对于直金属阻挡部，波纹金属阻挡部为电缆提供了更大的灵活性。
而且，金属阻挡部能够由聚合物(可选的半导体)的保护护壳来覆盖。
具有铜阻挡部(该铜阻挡部由具有焊接的缘的纵向折叠护壳来制造)的电缆的制造方法通常包括以下步骤：环绕各电缆芯折叠铜箔；焊接缘；以及减小得到的铜阻挡部的总体直径，通常通过拉制，以使得它的内表面与电缆芯的外表面接触。
在拉制步骤之后，一个或多个聚合物护壳能够环绕铜阻挡部挤出。在拉制步骤之后，在进入挤出机之前，具有金属阻隔层的电缆进行加热，以便保证与要挤出的聚合物护壳粘接。
GB753935涉及利用铝护壳的有护壳电缆以及用于制造它的方法。施加铝护壳的方法包括为电缆提供紧密环绕的开口接缝金属管，使得管的相对接缝边缘相互接触，并使得接缝边缘通过电磁场而熔合在一起。该管的直径非常接近电缆的直径。接缝边缘熔合后，有护壳电缆通过定径辊，该定径辊使得护壳尺寸稍微减小。为了防止由于焊接飞弧和在相对接缝边缘的熔合过程中产生的过多热量而对绝缘造成的任何损坏，在电缆的上部区域上设置了保护条带。该条带能够由任何合适材料来制造，例如铝箔、玻璃、石棉等。
US3575748公开了一种制造电缆的方法，除了金属(例如铝或铜)的薄蒸气阻挡部之外，该电缆还有由塑料带制造的搭接缝。带纵向弯曲成管，且搭接缝环绕芯。第二较窄的带(桥接或加强)也前进。带和第二带能够有相同的结构。该带由金属箔层压件制造，有在它的上表面和下表面上的塑料涂层。金属箔优选是铝或铜。桥接带位于搭接缝的下面。在带上的塑料涂层充分加热，以使得它们粘接在一起。
发明内容
申请人面临的问题是提供一种电缆，特别是用于海底应用的电缆，该电缆能够承受在高水下深度(即大于1000m，特别是大于1500m)处存在的高压条件下的水渗透。
然后，申请人考虑了一种电缆，其中，各芯由铜阻挡部(在下面也称为“铜护壳”)包围，该铜阻挡部成具有焊接缘的纵向折叠铜箔的形式。铜箔缘的焊接在比铜的熔化温度(1080℃)更高的温度下进行，例如在大约1100℃的温度下。
申请人已经观察到，在焊接步骤中产生的热量和蒸气可以局部熔化和/或损坏在焊缝下面的电缆芯聚合物层。
申请人还观察到，焊缝可能有一些缺陷，例如小于0.5mm2的孔，这些缺陷不能可靠地检测，在高压下的水能够通过该缺陷而渗透穿过金属阻挡部。
申请人考虑在焊接步骤之前在电缆上提供条带，该条带位于焊缝的下面。
申请人发现，由铜制造的条带至少在径向外表面上涂覆有熔化温度在90℃至250℃之间的金属或金属合金，可以克服上述问题。在焊接步骤中，涂覆条带与铜阻挡部间隔开一定距离，以使得条带基本不会加热至足以熔化，但是在聚合物护壳挤出之前的加热过程中，条带的涂层熔化和粘接在金属阻挡部的焊缝上，因此修补了不容易检测的可能缺陷/孔(例如尺寸小于0.5mm2的缺陷/孔)。
这样，申请人体验到能够保证焊缝在高水下深度(例如大约2000m的深度)也能够抵抗水渗透。
条带还用作电缆的聚合物层的保护阻挡部，抵抗在制造铜阻挡部的焊接步骤中产生的热量和蒸气。
因此，根据第一方面，本发明涉及一种用于制造电缆的方法，它包括：
-提供电缆芯，该电缆芯包括电导体，并有外径；
-提供铜箔，该铜箔的宽度为这样，在铜箔折叠以便提供绕各电缆芯的铜护壳之后，该铜护壳的内径比电缆芯的外径大5至15mm；
-在各电缆芯上面在与焊接模具基本匹配的位置中提供保护条带，该保护条带有径向内表面和外表面，并由铜制造，具有至少在径向外表面上的涂层，该涂层由熔化温度在90℃至250℃之间的金属或金属合金来制造；
-绕电缆芯来折叠铜箔，以使得两个纵向铜箔缘相互接触；
-利用焊接模具来焊接两个接触的纵向铜箔缘，从而获得具有焊缝和有直径的、成管形式的铜护壳；
-减小铜屏蔽件的直径，使它与电缆芯和保护条带直接接触；
-在比保护条带涂层的熔化温度更高的温度下加热保护条带和铜阻挡部，以使得涂层在焊缝中熔化；
-绕铜阻挡部挤出聚合物护壳。
在实施例中，减小铜阻挡部的直径通过轧制来获得。
通过本发明的方法，相对的纵向铜箔缘的焊接在离电缆芯的外表面和离条带足够大距离处发生，以避免在焊接过程中产生的热量和蒸气可能损坏电缆芯和条带。
在实施例中，本发明的方法包括在挤出聚合物护壳之前绕铜阻挡部挤出粘接剂层。
在本发明方法的实施例中，在直径减小步骤之前，以管形式获得的铜护壳的内径比电缆芯的外径大8至10mm。
根据还一方面，本发明涉及一种电缆，它包括：
-电缆芯，该电缆芯包括电导体，并有外径；
-铜护壳，该铜护壳环绕各电缆芯，并成具有焊缝的管的形式；
其中，电缆包括保护条带，该保护条带有径向内表面和外表面，并由铜制造，具有至少在径向外表面上的涂层，该涂层由熔化温度在90℃至250℃之间的金属或金属合金来制造，该涂层在铜护壳的焊缝中熔化。
在实施例中，本发明的电缆包括两个或更多电缆芯，例如三个电缆芯。
在本发明的电缆实施例中，铜护壳的厚度在0.2mm至1.5mm的范围内。
在本发明的电缆实施例中，条带的宽度在15mm至50mm的范围内。该尺寸与电缆芯的直径成比例。焊缝的宽度安全地在条带的宽度内，因此保证防止水在焊缝处渗透。
在本发明的电缆实施例中，保护条带的厚度在0.05mm至0.3mm的范围内。这样的厚度足够为电缆芯提供防止在焊接过程中加热的合适保护，同时基本不改变成品电缆的圆度。
在实施例中，本发明的电缆包括绕铜阻挡部的聚合物护壳。可选地，聚合物护壳是半导体或包括半导体层。
在实施例中，本发明的电缆包括置于铜阻挡部和聚合物护壳之间的粘接剂层。
为了本发明和下面的权利要求的目的，除非另外说明，否则在所有情况下，表示数量、量、百分数等的所有数字将理解为由术语“大约”来修饰。还有，所有范围包括所公开的最大点和最小点的任意组合，并包括其中的任何中间范围，这可以在本文中特别列举或不列举。
而且，术语“一”和“一个”用来描述本发明的元件和部件。这样做只是为了方便和给出本发明的一般意义。该描述应当理解为包括一个或至少一个，且单数也包括复数，除非它显然是另外的意思。
“电缆芯”的意思是包括由绝缘系统覆盖的导电金属导体的电缆部分，该绝缘系统由缓冲层环绕。绝缘系统顺序地由内部聚合物半导体层、中间聚合物绝缘层和外部来形成。缓冲层围绕和直接接触聚合物绝缘系统的外部聚合物半导体层。
缓冲层由聚合材料制造，可选地为半导体。缓冲层能够是挤出聚合物层，或者成绕外部聚合物半导体层来螺旋缠绕的带的形式。缓冲层的压缩模量低于外部聚合物半导体层的压缩模量。
“绝缘层”的意思是由电导率在10-16和10-14S/m之间的的材料来制造的层。
“半导体层”的意思是由电导率在10-1和10S/m之间的材料来制造的层。
“压缩模量”的意思是弹性材料在压缩时的机械应力与应变的比率(压缩模量＝每单位面积的压缩力/每单位体积的体积变化)，例如根据ISO604_1997-02。
附图说明
通过下面参考附图给出的详细说明，将清楚其它特征，附图中：
-图1是根据本发明实施例的电缆的示意透视剖视图；
-图2是用于制造根据本发明的电缆的设备的示意图；
-图3a、3b和3c是图1的电缆在制造方法的三个连续步骤中的三个示意透视图。
具体实施方式
参考图1，图中示意表示了根据本发明的电缆100。
电缆100包括电缆芯110，该电缆芯110包括电导体115和环绕该电导体115的聚合物绝缘系统200。聚合物绝缘系统200顺序由内部聚合物半导体层210、中间聚合物绝缘层220和外部聚合物半导体层230来形成。
成具有焊缝125的管的形式的铜阻挡部120环绕电缆芯110。铜阻挡部120用作水阻挡部和电屏蔽件。
铜阻挡部能够是直金属阻挡部或者波纹金属阻挡部，也取决于电缆的应用(静止或动态，如上所述)。
用于铜阻挡部的铜能够是具有至少85％IACS(国际退火铜标准)的电导率的铜，例如至少95％IACS。用于铜阻挡部的合适铜应当是高纯度铜，具有大于90％的铜含量和较低氧含量，例如50ppm至15ppm或更小。
电缆100包括保护条带130，该保护条带130置于电缆芯110的外表面和铜阻挡部120之间，并在焊缝125处与铜阻挡部120熔合。保护条带130由涂覆有金属或金属合金的铜来制造，该金属或金属合金的熔化温度在90℃和250℃之间。
适合作为用于本发明的铜保护条带的涂层的金属示例是硒和锡以及包含银、锑、锡、锌和铅中的一个或多个的合金。
适用作为用于本发明的铜保护条带的涂层的金属合金示例包括银、锑、锡、锌和铅中的一个或多个，例如铅-锑合金、铅-锡合金、锡铅合金(锡-锑-铜合金)、铋锡铅合金(铋-铅-锡合金)、银-锂合金。
在实施例中，保护条带与电缆芯的外表面直接接触。
在图1中，为了清楚而放大了保护条带120的厚度，但是实际上，它的厚度基本不改变电缆横截面的圆度。
电缆芯110能够包括缓冲层135，该缓冲层135环绕聚合物绝缘系统200，特别是与外部半导体层230直接接触。
包括聚合物材料或由聚合物材料构成的缓冲层能够成一个或多个带的形式，该带螺旋形或纵向地绕聚合物绝缘系统来缠绕，有或没有交叠。各所述带能够有大约1.0mm至大约2.0mm的厚度。可选地，缓冲层能够吸湿和/或是半导体。
缓冲层在聚合物绝缘系统和铜阻挡部之间提供了填充作用。缓冲层能够提供水阻挡作用，用于防止纵向水渗透，且作为在铜阻挡部下面的机械减震器，能够吸收冲击力和防止下面的层(特别是聚合物绝缘系统的外部聚合物半导体层)受损。
电缆芯110能够包括环绕铜阻挡部120的聚合物护壳140。
粘接剂层145能够置于铜阻挡部120和聚合物护壳140之间，如在图1所示的实施例中，以便保证聚合物护壳140和铜阻挡部120的粘接。
电缆100能够通过将在下面介绍的方法来制造。
为了简明，该方法将参考图2中所示的设备500和参考图3a-3c来介绍。
该方法包括提供电缆芯110的步骤，该电缆芯110包括电导体115和环绕该电导体115的聚合物绝缘系统200。可选地，电缆芯110还包括包围绝缘系统200的缓冲层135。并不介绍电缆芯110的制造方法，因为它自身为已知。电缆芯110能够缠绕在鼓510上来储存，并沿向前方向X来前进。
该方法还包括提供铜箔300的步骤。铜箔300能够缠绕在第二鼓520上来存储，并在电缆芯110下面沿向前方向X来前进。
在实施例中，使得铜箔300通过一组压平辊500，以便压平铜箔和向铜箔施加合适张力。在波纹金属阻挡部的情况下，合适张力能够通过合适的履带来提供。
在实施例中，定心单元使铜箔300与焊接线的轴线对齐。
在实施例中，切割装置刮削铜箔300的两个纵向缘310，以便除去氧化铜和其它潜在的缺陷源(例如存在油脂或边缘变形)及调节铜箔300的最终宽度。切割装置能够由两个圆柱体来制造，这两个圆柱体有在它们末端的刀片。
根据本发明，该方法包括在电缆芯110上提供保护条带130的步骤。保护条带130能够缠绕在第三鼓530上来存储，并沿向前方向X来前进，以便在焊接线的轴线处与电缆芯110相遇。在该焊接线处将焊接纵向缘310。
铜箔300环绕电缆芯110折叠，以使得两个纵向铜箔缘310彼此面对。铜箔300的折叠能够在生产线的、将保护条带130布置于电缆芯110上的步骤向上的点处开始，但是它在生产线的、保护条带130已经与电缆芯110接触的点处结束。
铜箔300的折叠步骤通过使用成形单元540来进行，该成形单元540包括例如连续组的成形辊或模具。
然后，使得两个面对的纵向铜箔缘310彼此接触，可选地施加压力，并通过具有焊接模具550a的焊接单元550来焊接，从而获得成具有焊缝125的管的形式的铜阻挡部120。
例如，焊接单元是钨极惰性气体(TIG)焊接单元。焊接能够通过从铜管的内部和外部吹动屏蔽气体(例如氩气或氦气或者它们的混合物)来进行，以避免焊缝125氧化。
在焊接步骤之后获得的铜阻挡部的内径大于电缆芯110的外径，也与施加于其上的保护条带130相对应，以使得焊接在离电缆芯110的外表面和离条带130足够大距离处发生，以避免在焊接过程中产生的热量和蒸气损坏电缆芯110和条带130。
然后，该方法提供了减小铜阻挡部120的直径的步骤，以使得它的内表面与电缆芯110的外表面直接接触以及与条带130直接接触。
减小铜阻挡部120的直径通过轧制来获得。轧制由轧制单元560来执行，轧制单元560可以能够包括一个或多个轧制阶段(该轧制阶段并不介绍，因为自身为已知)。
然后，该方法包括在比条带130的涂层的熔化温度更高的温度下加热保护条带130和铜阻挡部120的步骤，以使得条带130的涂层能够与焊缝125熔合。
加热能够通过感应器590或通过热空气吹风机来进行，该感应器或热空气吹风机将铜阻挡部120加热到至少100℃。
除了使得保护条带涂层能够熔化至铜护壳焊缝中之外，加热步骤还增强了在铜护壳和聚合物护壳140之间的粘接。粘接剂层145能够挤出至铜阻挡部120上(通过第二挤出机570b)，以便改善这种附接。
在加热步骤之后，该方法包括通过第一挤出机570a来环绕铜阻挡部120挤出聚合物护壳140的步骤，该铜阻挡部120可选地由粘接剂层来覆盖。
然后，这样制造的电缆通过冷却槽580。

Claims (10)

1.一种用于制造电缆(100)的方法，所述方法包括：
-提供电缆芯(110)，所述电缆芯(110)包括电导体(115)，并具有外径；
-提供铜箔(300)，所述铜箔(300)的宽度为这样，在铜箔(300)折叠以便提供绕各电缆芯(110)的铜护壳(120)之后，所述铜护壳(120)的内径比电缆芯的外径大5mm至15mm；
-在电缆芯(110)上面在与焊接模具(550a)大致匹配的位置中提供保护条带(130)，所述保护条带(130)具有径向内表面和径向外表面，并由铜制造，具有至少在径向外表面上的涂层，所述涂层由熔化温度在90℃至250℃之间的金属或金属合金来制造；
-绕电缆芯(110)来折叠铜箔(300)，以使得两个纵向铜箔缘(310)相互接触；
-利用焊接模具(550a)来焊接接触的两个纵向铜箔缘(310)，从而获得成具有焊缝(125)的管形式的铜护壳(120)，所述铜护壳具有直径；
-减小铜护壳(120)的直径，使铜护壳与电缆芯(110)和保护条带(130)直接接触；
-在比保护条带(130)的涂层的熔化温度高的温度下加热保护条带(130)和铜护壳(120)，以使得涂层在焊缝(125)中熔化；
-绕铜护壳(120)挤出聚合物护壳(140)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：在直径减小步骤之前，以管形式获得的铜护壳(120)的内径比电缆芯(110)的外径大8mm至10mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：减小铜阻挡部(120)的直径通过轧制来获得。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在挤出聚合物护壳(140)的步骤之前，绕铜护壳(120)挤出粘接剂层(145)的步骤。
5.一种电缆(100)，所述电缆包括：
-电缆芯(110)，所述电缆芯(110)包括电导体(115)，并具有外径；
-铜护壳(120)，所述铜护壳(120)环绕电缆芯，并成具有焊缝(125)的管的形式；
其中，电缆(100)包括保护条带(130)，所述保护条带(130)具有径向内表面和径向外表面，并由铜制造，具有至少在径向外表面上的涂层，所述涂层由熔化温度在90℃至250℃之间的金属或金属合金来制造，所述涂层在铜护壳(120)的焊缝(125)中熔化。
6.根据权利要求5所述的电缆(100)，其中：铜护壳(120)的厚度在0.2mm至1.5mm的范围内。
7.根据权利要求5所述的电缆(100)，其中：保护条带(130)的宽度在15mm至50mm的范围内。
8.根据权利要求5所述的电缆(100)，其中：保护条带(130)的厚度在0.05mm至0.3mm的范围内。
9.根据权利要求5所述的电缆(100)，还包括：绕铜阻挡部(120)的聚合物护壳(140)。
10.根据权利要求9所述的电缆(100)，还包括：置于铜阻挡部(120)和聚合物护壳(140)之间的粘接剂层(145)。
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