CN113077926B - 一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆 - Google Patents

Abstract

一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，海缆缆芯外部依次缠绕包裹的内衬层、铜合金带、铠装层和外被层，所述铜合金带设置在内衬层和铠装层之间，所述铠装层与外被层之间用第二包带隔开，所述铠装层采用铜钢对焊而成；所述海缆缆芯由若干电单元、若干光缆单元和填充料相互绞合，并通过第一包带缠绕成缆构成。与现有技术相比，本发明中的填充料使得电单元和电单元、电单元与光缆单元间减少挤压，且光缆被密封包裹在光缆孔内，不易发生破坏；填充料采用空心结构，增加海缆机械性能的同时，可尽量减轻重量，节约成本，方便运输和敷设。另外，本发明新型海缆的铠装层采用铜丝与钢丝的焊接工艺，保证铠装层整体机械性能的前提下，可有效提升海缆的载流量。

Description

一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆

技术领域

本发明涉及一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，属于海缆技术领域。

背景技术

海底电缆是敷设于海底主要用于电能传输的工具，广泛应用于陆地与岛屿之间、海上石油平台与陆地之间、海上风电场等，用于电能和信号的传输。

随着海上风电场的离岸距离越来越远，容量越来越大，对高载流抗腐蚀长寿命的海缆需求越来越急迫。海缆在长距离输电的过程中，铠装层会发生涡流效应，产生损耗，导致温度上升，特别是海缆登陆段土壤热阻高、散热条件差，海缆载流量大大降低，使得海缆登陆段输送的容量不足。为了满足海缆登陆段输送容量的要求，传统上一般通过整根增大导体截面来扩大海缆载流量，这方法虽可将载流量扩容，但极大地增加了海缆原材料及生产周期，导致成本较高。为了较好的控制海缆制造成本，且保证海缆运行稳定的前提下增加海缆登陆段的载流量，有必要从其他因素上考虑扩大海缆载流量的方法。

海缆在工作服役期间，面临着长时间海水的腐蚀以及生物蛀咬的风险，因此，有必要在海缆结构上进行改进，以确保海缆在复杂环境下长时间抗生物-化学腐蚀的能力。

现有的三芯交流海缆多采用圆形填充条，该填充形式虽然结构简单，制造方便，但其与海缆内部构件都是单点接触，承力性能差，且该填充方式下的海缆缆芯之间、缆芯与光缆之间均相互单点接触，长时间敷设于复杂的海洋环境下，海缆内部易发生挤压变形和破坏，目前已出现海缆内部填充严重变形，光缆被挤压破坏，光纤挤出的情况。因此，迫切需要针对海缆内部填充条结构进行优化设计，提升海缆的机械性能，以显著增大海缆的使用寿命。

传统大长度高压海缆载流能力低、抗腐蚀能力差以及寿命短，导致海底电缆造价相对较高，严重制约着海洋工程的发展。综上所述，研究出一种经济有效的高载流、抗生物-化学腐蚀、长寿命的新型高压海缆尤其重要。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆。

本发明的技术方案如下：

一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，其特征是，包括海缆缆芯以及海缆缆芯外部依次缠绕包裹的内衬层、特种铜合金带、铠装层和外被层，所述铜合金带设置在内衬层和铠装层之间，所述铠装层与外被层之间用第二包带隔开，所述铠装层采用铜钢对焊一体过渡技术；所述海缆缆芯由若干电单元、若干光缆单元和填充料相互绞合，并通过第一包带缠绕成缆构成。

进一步的，所述电单元包括阻水铜导体以及阻水铜导体外部依次包裹的导体包带、三层共挤绝缘结构层、半导电阻水缓冲层、金属护套和半导电非金属护套。

进一步的，所述三层共挤绝缘结构层由导体屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层和绝缘屏蔽层组成，所述三层共挤绝缘结构层的外部绕包有半导电阻水带或半导电缓冲阻水带以构成半导电阻水缓冲层。

进一步的，所述阻水铜导体的截面面积不小于300mm²，所述半导电非金属护套所用的材料为可挤塑性的半导电材料。

进一步的，所述填充料包括中心填充结构和外缘填充结构，所述中心填充结构包括中心连接条、若干隔离条，所述中心连接条的横截面为圆形，并与三个电缆相内切，所述隔离条沿中心连接条外圆周均匀分布，所述隔离条的一侧与中心连接条固接，另一侧固接有光缆环；所述外缘填充结构的数量与隔离条数量一致，其具有外圆弧边、两个内圆弧边，外圆弧边与所述包带相贴合，所述内圆弧边与所述电缆单元半导电非金属护套相贴合，所述外圆弧边内侧中部设有加强件，两个内圆弧边的一侧分别与外圆弧边的两侧通过倒角交汇连接，两个内圆弧边的另一侧共同连接于加强件。所述加强件与外圆弧边、两个内圆弧边之间形成两个空心孔，对称设置于所述加强件两侧；所述加强件内侧具有内圆弧，与对应的光缆环共同配合，构成密封的光缆孔。

进一步的，所述外圆弧边与所述第一包带相贴合，所述内圆弧边与所述半导电非金属护套相贴合。

进一步的，光缆单元、电单元均为三个，所述隔离条、外缘填充结构均为三个。

进一步的，所述填充料的设计方法包括：

1)所述隔离条的厚度L₄≥5mm；所述光缆孔的半径R₆为光缆外径；所述填充料的光缆环的厚度L₃≥5mm；所述中心连接条的半径R₇为与三个电单元相切的内切圆的半径；

2)根据以下公式(1)计算求得所述外圆弧边的半径R₁：

其中R₂为所述内圆弧边的半径，与单个电单元半导电非金属护套的外径相等；

3)确定所述外圆弧边和所述内圆弧边的厚度L₁，所述外圆弧边和内圆弧边的厚度L₁≥5mm；外圆弧边的两端与内圆弧边的连接处开设有倒角，内侧倒角半径R₃，外侧倒角半径R₄，R₄＝R₃/2；

4)确定所述加强件与外圆弧边连接处的厚度L₂，所述加强件与外圆弧边连接处的厚度L₂≥10mm；所述加强件的两侧为向外凸的圆弧状，圆弧半径R₅≥R₂且R₅≤R₁mm。

进一步的，所述铜合金带为一种新型复合材料，宽度为70～80mm，绕包的间隙宽度为35～40mm，采用双层间隔单向绕包工艺，保证了铜合金带包裹住整个海缆表面，提高海缆的抗生物-化学双重腐蚀能力，延长海缆的使用寿命，确保海缆在复杂海底条件下的化学、电化学性能稳定，防腐等级达到I SO12944规定的C5-M，可抵御海洋生物的咬噬，铜合金带表面光滑也可使得生物难以附着。

进一步的，海缆正常运行时在铠装层会发生涡流效应，产生损耗，导致温度上升，而涡流效应在磁性材料(钢丝)上的损耗远大于非磁性材料(铜丝)，特别是海缆登陆段土壤热阻高、散热条件差，海缆载流量大大降低，使得海缆登陆段输送的容量不足。若要提升载流量，传统上一般通过整根增大导体截面来扩大海缆载流量，这使得海缆成本大大增加，若仅将登陆段的铠装钢丝替换为铜丝，不仅有效降低铠装层的损耗，减少发热，从而大大提高海缆登陆段的载流量，还能节约成本。因此，所述海缆采用基于铜钢对焊一体过渡技术的区域增容方式，提升海缆登陆区域的载流量。

进一步的，所述的铠装层采用铜钢对焊工艺方式为激光焊，采用了异种金属高强度防氧化特殊焊接工艺，对焊的铠装铜丝和铠装钢丝直径相等，并达到标准所要求值。焊接完需保证焊接处平整牢固，焊接强度值达到260MPa以上，焊件通过拉伸、卷绕、扭转等相关的机械性能试验测试。

进一步的，为了保证海缆整体机械性能，铠装丝铜钢对焊的焊点间的间距应保证在1.5m以上。

进一步的，所述海缆铠装铜丝钢丝一体过渡技术，铜丝与钢丝换盘时，为保证铠装丝焊接点之间的距离大于1.5米，铠装机采用间隔分批次换盘。换盘结束后，继续铠装，根据换盘数前进一段距离后，进行下一次换盘，直到换盘结束。整个过程中，需要保证铠装丝的张力恒定，避免残余应力导致的应力集中，防止海缆在转运、敷设、在位运行过程中发生“鸟笼”现象，确保铠装钢丝铜丝一体过渡区域的均匀性和机械强度的稳定性。

与现有技术相比，本发明中的填充料使得电单元和电单元、电单元与光缆单元间减少挤压，且光缆被密封包裹在光缆孔内，不易发生破坏；填充料采用空心结构，增加海缆机械性能的同时，可尽量减轻重量，方便运输和敷设。本发明新型海缆的铠装层采用铜丝与钢丝的高强度防氧化特种焊接工艺，保证铠装层整体机械性能的前提下，可有效提升海缆的载流量。本发明新型海缆的铜合金带可提高海缆的抗生物-化学双重腐蚀能力，进一步延长海缆的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的填充料示意图；

图3为本发明的整体铠装钢丝与铜丝焊接示意图；

图4为本发明的单根铠装钢丝与铜丝焊接示意图；

图中涉及的附图标记和组成部分说明：

1、阻水铜导体；2、导体包带；3、导体屏蔽层；4、交联聚乙烯绝缘层；5、绝缘屏蔽层；6、半导电阻水缓冲层；7、金属护套；8、半导电非金属护套；9、填充料；10、光缆单元；11、第一包带；12、内衬层；13、铜合金带；14、铠装层；15、第二包带；16、外被层；91、外圆弧边；92、内圆弧边；93、空心孔；94、光缆孔；95光缆环；96、隔离条；97、中心连接条；98、加强件；141、铜丝；142、焊点；143、钢丝。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，包括电单元、光缆单元10、填充料9、内衬层12、铜合金带13、铠装层14和外被层16，其中电单元、光缆单元10和填充料9相互绞合，通过第一包带11缠绕成缆构成海缆缆芯，海缆缆芯的外部依次缠绕包裹有内衬层12、铜合金带13、铠装层14和外被层16，防虫蛀的金属铜合金带13设置在内衬层12和铠装层14之间，铠装层14与外被层16之间用包带15隔开。在本实施例中，电单元和光缆单元各包含有三个，可以根据不同需求，将光缆用填充料替换。

上述电单元包括有截面面积不小于300mm²的阻水铜导体1，所述的阻水铜导体1的外部依次包裹有导体包带2、三层共挤绝缘结构层、半导电阻水缓冲层6、金属护套7和半导电非金属护套8。所述的三层共挤绝缘结构层由导体屏蔽层3、交联聚乙烯绝缘层4和绝缘屏蔽层5组成，所述三层共挤绝缘结构层的外部绕包有2层或4层的半导电阻水带或半导电缓冲阻水带以构成上述的半导电阻水缓冲层6，所述的半导电阻水缓冲层6的外部设有金属护套7，所述的金属护套7外部设有半导电非金属护套8，所述的半导电非金属护套8所用的材料为可挤塑性的半导电材料，包括但不限于聚乙烯和聚氨酯中的一种，本实施例中的挤塑厚度为3～4mm。

参见图2所示，上述填充料9的材料包括但不限于聚乙烯和聚氨酯中的一种，所述填充料包括中心填充结构和外缘填充结构，所述中心填充结构包括中心连接条97、若干隔离条96，所述中心连接条的横截面为圆形，并与三个电缆相内切，所述隔离条沿中心连接条外圆周均匀分布，两侧与电缆单元半导电非金属护套8相接触，用于分离中心三个电缆，所述隔离条的一侧与中心连接条固接，另一侧固接有光缆环95；所述外缘填充结构的数量与隔离条数量一致，其具有外圆弧边91、两个内圆弧边92，外圆弧边91与所述包带11相贴合，所述内圆弧边92与所述电缆单元半导电非金属护套8相贴合，所述外圆弧边内侧中部设有加强件98，两个内圆弧边的一侧分别与外圆弧边的两侧通过倒角交汇连接，两个内圆弧边的另一侧共同连接于加强件98。所述加强件与外圆弧边、两个内圆弧边之间形成两个空心孔93，对称设置于所述加强件98两侧；所述加强件内侧具有内圆弧，与对应的光缆环共同配合，构成密封的光缆孔94，光缆放置于密封的光缆孔内，不与电缆相接触。所述加强件98视实际情况可采用加强筋，以增加填充的径向受力性能。

一种提升机械性能和载流量的新型海缆填充料的设计方法，具体步骤包括：

1)确定所述填充料的隔离条96的厚度L₄，所述隔离条96的厚度L₄≥5mm。

2)所述填充料的光缆孔94紧贴光缆，所述光缆孔94的半径R6为光缆外径。

3)确定所述填充料的光缆环95的厚度L₃，所述光缆环95的厚度L₃≥5mm。

4)所述填充料的中心连接条97的半径R₇为与三个电缆相切的内切圆的半径。

5)根据以下公式(1)可计算求得所述外圆弧边的半径R1：

其中R₂为所述内圆弧边92的半径，与单个线芯半导电非金属护套8的外径相等。

6)确定所述外圆弧边91和所述内圆弧边92的厚度L₁，所述外圆弧边91和内圆弧边92的厚度L₁≥5mm。

7)外圆弧边91的两端与内圆弧边92的连接处开设有倒角，内侧倒角半径R₃，外侧倒角半径R₄，R₄＝R₃/2。

8)确定所述加强件98与外圆弧边91连接处的厚度L₂，所述加强件98与外圆弧边91连接处的厚度L₂≥10mm。

9)所述加强件的两侧为向外凸的圆弧状，圆弧半径R₅≥R₂且R₅≤R₁mm。

为了提高海缆的抗海水腐蚀以及防虫蛀的能力，在内衬层12和铠装层14之间设置有一种特种金属铜合金带13。本实施例中铜合金带的宽度为70～80mm，绕包的间隙宽度为35～40mm，采用双层间隔单向绕包工艺，保证了铜合金带包裹住整个海缆表面，提高海缆的抗生物-化学双重腐蚀能力，延长海缆的使用寿命，确保海缆在复杂海底条件下的化学、电化学性能稳定，防腐等级达到ISO12944规定的C5-M，可抵御海洋生物的咬噬，铜合金带表面光滑也可使得生物难以附着。

海缆正常运行时在铠装层会发生涡流效应，产生损耗，导致温度上升，而涡流效应在磁性材料(钢丝)上的损耗远大于非磁性材料(铜丝)，特别是海缆登陆段土壤热阻高、散热条件差，海缆载流量大大降低，使得海缆登陆段输送的容量不足。若要提升载流量，传统上一般通过整根增大导体截面来扩大海缆载流量，这使得海缆成本大大增加，若仅将登陆段的铠装钢丝替换为铜丝，不仅有效降低铠装层的损耗，减少发热，从而大大提高海缆登陆段的载流量，还能节约成本。因此，所述铠装层14采用基于铜钢对焊一体过渡技术的区域增容方式，提升海缆登陆区域的载流量。

参见图3所示，为了保证铠装的整体机械性能，铠装丝之间铜钢对焊的焊点间距应保证在1.5m以上。

参见图4所示，所述的铠装层14采用铜钢对焊工艺方式为激光焊，应保证焊接的铜丝与钢丝直径达到标准所要求值，本实施例中，焊接的铠装铜丝141和铠装钢丝143直径相等并达到8mm。焊接完需保证焊接处平整牢固，焊接强度值达到260MPa以上，并通过拉伸、卷绕、扭转等相关的机械性能试验测试。

以下为本发明海缆铠装层铜钢对焊的具体实施操作，具体步骤可分为：步骤1，将铜丝和钢丝表面的氧化膜和油污清理使表面呈金属光泽；

步骤2，经步骤1后，将铜丝和钢丝放入激光焊接机器的夹具中，一端为钢丝，一端为铜丝，两个被焊接件对接后形成Ⅰ型坡口，对接间隙及上下错边距离不大于0.5mm；

步骤3，经步骤2后，对两个被焊接件的焊缝施焊，其中焊接参数为：激光功率2550～2760W，焊接速度V＝400-500mm/min，纯氩气保护；焊接环境温度不低于室温20℃，保持焊接处预热温度60～90℃。

步骤4，经步骤3后，将焊接形成的丝杆表面进行精处理，不允许表面有毛刺、断裂现象，铜钢对焊完成焊接。

海缆铠装铜丝钢丝一体过渡技术，铜丝与钢丝换盘时，为保证铠装丝焊接点之间的距离大于1.5米，铠装机采用间隔分批次换盘。换盘结束后，继续铠装，根据换盘数前进一段距离后，进行下一次换盘，直到铠装钢丝铜丝完成过渡。整个过程中，需要保证铠装丝的张力恒定，避免残余应力导致的应力集中，防止海缆在转运、敷设、在位运行过程中发生“鸟笼”现象，确保铠装钢丝铜丝一体过渡区域的均匀性和机械强度的稳定性。

与现有技术相比，本实施例制作的填充料使得电单元和电单元、电单元与光缆单元间不相互接触，且光缆被密封包裹在光缆孔内，不易发生破坏；填充料采用空心结构，增加海缆机械性能的同时，可尽量减轻重量，方便运输和敷设。本发明新型海缆的铠装层采用铜丝与钢丝的异种材料高强度防氧化特种焊接工艺以及钢丝铜丝铠装一体过渡技术，保证海缆整体机械性能的前提下，可有效提升海缆的载流量。本发明新型海缆的铜合金带可提高海缆的抗生物-化学双重腐蚀能力，进一步延长海缆的使用寿命。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，其特征是，包括海缆缆芯以及海缆缆芯外部依次缠绕包裹的内衬层(12)、铜合金带(13)、铠装层(14)和外被层(16)，所述铜合金带设置在内衬层和铠装层之间，所述铠装层与外被层之间用第二包带(15)隔开，所述铠装层采用铜钢对焊而成；所述海缆缆芯由若干电单元、若干光缆单元(10)和填充料(9)相互绞合，并通过第一包带(11)缠绕成缆构成；

所述填充料包括中心填充结构和外缘填充结构，所述中心填充结构包括中心连接条(97)、若干隔离条(96)，所述中心连接条的横截面为圆形，所述隔离条沿中心连接条外圆周均匀分布，所述隔离条的一侧与中心连接条固接，另一侧固接有光缆环(95)；所述外缘填充结构的数量与隔离条数量一致，其具有外圆弧边(91)、两个内圆弧边(92)，所述外圆弧边内侧中部设有加强件(98)，两个内圆弧边的一侧分别与外圆弧边的两侧通过倒角交汇连接，两个内圆弧边的另一侧共同连接于加强件(98)，所述加强件与外圆弧边、两个内圆弧边之间形成两个空心孔(93)；所述加强件内侧具有内圆弧，与对应的光缆环共同配合，构成密封的光缆孔(94)。

2.根据权利要求1所述的一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，其特征是，所述电单元包括阻水铜导体(1)以及阻水铜导体外部依次包裹的导体包带(2)、三层共挤结构层、半导电阻水缓冲层(6)、金属护套(7)和半导电非金属护套(8)。

3.根据权利要求2所述的一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，其特征是，所述三层共挤结构层由导体屏蔽层(3)、交联聚乙烯绝缘层(4)和绝缘屏蔽层(5)组成，所述三层共挤结构层的外部绕包有半导电阻水带或半导电缓冲阻水带以构成半导电阻水缓冲层。

4.根据权利要求3所述的一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，其特征是，所述阻水铜导体的截面面积不小于300mm²，所述半导电非金属护套所用的材料为可挤塑性的半导电材料。

5.根据权利要求4所述的一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，其特征是，所述外圆弧边与所述第一包带相贴合，所述内圆弧边与所述半导电非金属护套相贴合。

6.根据权利要求5所述的一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，其特征是，光缆单元、电单元均为三个，所述隔离条、外缘填充结构均为三个。

7.根据权利要求6所述的一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，其特征是，所述填充料的设计方法包括：

1)所述隔离条的厚度L₄≥5mm；所述光缆孔的半径R₆为光缆外径；所述填充料的光缆环的厚度L₃≥5mm；所述中心连接条的半径R₇为与三个电单元相切的内切圆的半径；

2)根据以下公式(1)计算求得所述外圆弧边的半径R₁：

其中R₂为所述内圆弧边的半径，与单个电单元半导电非金属护套的外径相等；

3)确定所述外圆弧边和所述内圆弧边的厚度L₁，所述外圆弧边和内圆弧边的厚度L₁≥5mm；外圆弧边的两端与内圆弧边的连接处开设有倒角，内侧倒角半径R₃，外侧倒角半径R₄，R₄＝R₃/2；

4)确定所述加强件与外圆弧边连接处的厚度L₂，所述加强件与外圆弧边连接处的厚度L₂≥10mm；所述加强件的两侧为向外凸的圆弧状，圆弧半径R₅≥R₂且R₅≤R₁mm。

8.根据权利要求1所述的一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，其特征是，所述铜合金带的宽度为70～80mm，绕包的间隙宽度为35～40mm，采用双层间隔单向绕包工艺，保证了铜合金带包裹住整个海缆表面。

9.根据权利要求1所述的一种高载流抗腐蚀长寿命高压海缆，其特征是，所述铠装层采用铜钢对焊，铜钢对焊的焊点间的间距应保证在1.5m以上，所述铜钢对焊为激光焊接，对焊的铠装铜丝(141)和铠装钢丝(143)直径相等。

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