CN115558873A - 一种铝合金海底电缆铠装材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝合金海底电缆铠装材料及其制备方法与应用，属于电缆铠装材料技术领域。本发明所述铝合金海底电缆铠装材料包括芯部和外层；所述芯部的材料为铝合金；所述外层的材料为工业纯铝、铝合金、工业纯锌，锌铝合金或铝锌镁合金；所述芯部和所述外层之间的界面为冶金结合；所述芯部和所述外层的腐蚀电位差高于100mV。本发明所述的铝合金海底电缆铠装材料可满足海底电缆耐腐蚀性要求，GB/T10125盐雾试验400h及以上，可以达到海上风场设计寿命25年要求。
Description
技术领域
本发明属于电缆铠装材料技术领域，尤其涉及一种铝合金海底电缆铠装材料及其制备方法与应用。
背景技术
目前海底铠装电缆通常采用镀锌钢丝，镀锌铝合金钢丝、铜丝或铜合金、铝丝、不锈钢或镀锌不锈钢，镀锌铝合金不锈钢丝等进行铠装。如果是3芯海底电缆采用钢丝进行铠装，虽然成本较低，但是运行过程中能量损耗较大，电缆载流量较低。铜或铜合金丝，可以提高电缆载流量，但是海缆所能承受的张力较小，电缆成本高。普通铝丝铠装材料，可以提高电缆载流量，虽然总体成本可以接受，但是海底电缆所能承受的张力较小，而且铠装层不耐海水腐蚀达不到设计寿命要求。因海底电缆的特殊运行环境需要铠装层同时提供优良的抗腐蚀性能，目前市场上面的有采用类似无磁不锈钢丝解决方案如光面无磁钢丝；(专利EP2382639)因较低铬，镍，钼含量的不锈钢，无法避免海水中的点蚀与缝隙腐蚀，尤其会产生严重的缝隙腐蚀。而且如果选用较高稀有金属含量双相的不锈钢或镀锌无磁不锈钢，会极大的增加电缆的制造成本。
目前海底电缆铠装材料通常选用镀锌碳钢丝，因为碳钢的磁导率一般在400左右，可以引起电缆运行过程中铠装层发热，从而降低了载流量及增加了运行中的能量消耗，造成经济成本方面有较大损失。而现有铠装铝丝存在两方面缺点：一是强度比较低不能达到海底电缆张力要求，安装敷设条件及后期运行维修要求无法满足。二是如果普通铝丝表面没有进行抗腐蚀保护处理，在海水中抗腐蚀性能比较差，不能满足设计寿命要求。
作为交流电力电缆的结构组成部分，不同铠装材料不仅可以起到机械保护作用，还对电力电缆的关键参数指标载流量有较大的影响。因为工作过程中交流电缆的电流与磁场作用，会导致磁性材料的涡流损耗与磁滞损耗。市场上面的电工铝丝，一般强度比较低，而且耐腐蚀达不到海洋使用环境要求，不太适合海缆铠装应用的强度要求，相应成分与加工工艺需要进行相应开发。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中电工用铝丝铠装材料强度低、抗腐蚀性差等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种铝合金海底电缆铠装材料及其制备方法与应用，以高强度铝合金作为芯部材料，选择与芯部材料具有高腐蚀电位差的金属材料作为外层。外层与芯部存在比较大腐蚀电位，外层与芯部形成电偶，在腐蚀过程外层作为阳极，芯部作为阴极，使芯部材料得到电偶保护。
本发明的第一个目的是提供一种铝合金海底电缆铠装材料，所述铝合金海底电缆铠装材料包括芯部和外层；所述芯部的材料为铝合金；所述外层的材料为工业纯铝、铝合金、工业纯锌，锌铝合金或铝锌镁合金；所述芯部和所述外层之间的界面为冶金结合；所述芯部和所述外层的腐蚀电位差高于100mV。
在本发明的一个实施例中，所述芯部和所述外层之间为无缺陷的原子级结合界面。
在本发明的一个实施例中，所述铝合金海底电缆铠装材料的外层截面积占整体截面积的1-30％。
在本发明的一个实施例中，所述芯部铝合金的抗拉强度大于150MPa。
在本发明的一个实施例中，所述铝合金海底电缆铠装材料的抗拉强度大于150MPa。
在本发明的一个实施例中，所述铝合金为Al-Mg-Mn、Al-Mg-Si或Al-Zn-Mg系铝合金，且外层和芯部的材料不同。
本发明的第二个目的是提供一种所述的铝合金海底电缆铠装材料的制备方法，包括以下步骤，
(1)预拉：采用预拉机拉拔芯部材料和/或外层材料；
(2)预处理：去除芯部材料和外层材料表面的金属氧化皮；
(3)制坯：采用挤压或镀层设备，使外层材料包覆在芯部材料表面，得到坯锭；所述挤压的温度为300-450℃；所述镀层的温度为380-450℃；
(4)热处理：进行退火处理；
(5)拉拔：采用拉拔机拉拔坯线，外层材料的厚度为0.05-1mm；
(6)时效处理：将拉拔后的坯线进行时效处理，得到所述铝合金海底电缆铠装材料。
在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述预处理的方式有两种，一种为铝杆车削；另一种为酸洗。
在本发明的一个实施例中，所述酸洗采用的是浓度为1-30％的强酸溶液。
在本发明的一个实施例中，所述强酸为硫酸、盐酸和氢氟酸中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述挤压是采用连续挤压设备，使外层材料挤包在芯部材料外部，进而形成无缺陷的原子级结合界面。
在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述镀层是采用连续热镀或电镀设备，使外层材料包覆在芯部材料外部，进而形成无缺陷的原子级结合界面。
在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述挤压的温度为300-450℃；所述镀层的温度为380-450℃。
在本发明的一个实施例中，在步骤(4)中，所述退火的温度为280-350℃。
在本发明的一个实施例中，在步骤(6)中，所述时效温度为150-200℃，时效时间为1-12h。
本发明的第三个目的是提供一种所述的铝合金海底电缆铠装材料在海底电缆中的应用。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明所述的铝合金海底电缆铠装材料在其完成抗腐蚀层完整时，因抗腐蚀层拥有比较强的抗腐蚀能力，可以对芯部铝合金进行物理保护。
(2)本发明所述的铝合金海底电缆铠装材料的芯部的腐蚀电位比外层大100mV以上，由于外层抗腐蚀层与芯部铝合金存在比较大腐蚀电位，抗腐蚀层与芯部形成电偶，在腐蚀过程抗腐蚀层作为阳极，芯部作为阴极，芯部材料得到保护，只要抗腐蚀层仍较完整存在芯部材料就不会发生明显的腐蚀。
(3)本发明所述的铝合金海底电缆铠装材料，因其表面存在包铝层存在，可以避免铝合金常见的主要腐蚀破坏形式点蚀和缝隙腐蚀，变局部腐蚀为全面的均匀腐蚀，可以大幅提高铝合金铠装材料的使用寿命。
(4)本发明所述铝合金海底电费铠装材料制备采用比较环保的制备方法。方法之一采用铝合金挤压机进行挤出，使抗腐蚀层挤压包覆到铝合金芯部上面。再经过后面的拉拔形成接合紧密的双金属材料。
(5)本发明所述的铝合金海底电缆铠装材料拥有比较高的电导率，相对于不锈钢可以承受电缆环流影响，可以提高载流量1-30％，降低电缆能源损耗1-40％，可以降低海上电力传输系统的开发成本及运维成本。
(6)本发明所述的铝合金海底电缆铠装材料作为铠装层缠绕在海底电缆上，可降低海底电缆重量，从而提高安装盘运输段长及操作难度，减少海底电缆现场接头数量从而降低敷设及运维风险。
(7)本发明所述的铝合金海底电缆铠装材料可满足海底电缆耐腐蚀性要求，GB/T10125盐雾试验400h及以上，可以达到海上风场设计寿命25年要求。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明实施例1的铝合金海底电缆铠装材料工艺流程示意图；
图2为本发明实施例2的工艺流程示意图；
图3为本发明应用例1的海底电缆截面的结构示意图；
附图标记说明：1-铜导体、2-绝缘层、3-金属屏蔽层、4-内护套、5-光单元、6-填充物、7-铝合金海底电缆铠装材料、8-聚丙烯撕裂绳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明涉及的检测方法如下：
(1)断裂伸长率、抗拉强度和屈服强度：参考GB/T 288.1，具体测试方法如下：
取样：准备铝合金样品，要考虑拉伸机夹具长度，取300mm；
样品测量：测量铝合金样品丝的直径，中间选取250mm进行标记；
样品安装：选择规定的夹具，把样品安装到夹具上面；
设备：使用计算机控制拉伸试验机，并行径20-100kN的量程，使设备恢复初始参数；选择标距250mm，速度50mm/min；
测试：点击开始按扭，进行测试。
报告：计算机控制拉伸试验机会产生测试报告，其中测试数据包含断裂伸长率，抗拉强度，屈服强度。
(2)耐腐蚀性：参考GB/T 10125-2021《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》选取铝合金样品，在5％中性盐度下进行耐腐蚀性试验测试，每12h查看样品表面腐蚀状态，直到5％表面发生腐蚀，停止试验，并记录时间。
(3)载流量和能量损失：参考文献Accurate Measurement of Losses in ThreeCore Armored Cables，Jicable'19-Paris-Versailles 23-27 June,2019。
实施例1
一种铝合金海底电缆铠装材料及其制备方法：
原料准备：
外层材料为A6工业纯铝、芯部材料为铝镁硅合金；其中，以质量分数100％计：
工业纯铝成分为：Si 0.11％，Fe 0.25％，Cu 0.01％，其它0.02％，铝余量。
铝镁硅合金成分为：Si 0.5-0.9％，Fe 0.50％，Cu 0.10％，Mn 0.03％，Mg 0.6-0.9％，Cr 0.003％，Zn 0.10％，铝余量。
材料特性1：铝镁硅合金与纯铝的腐蚀电位要相差100mV以上，铝镁硅合金作为阴极受到保护。控制方法：每年进行材料的电位测试，选取Ag/AgCl电极为参考电极。海水参数：盐度3％，温度20℃，溶解氧浓度4-7mL/L。试样与防水导线进行焊接，分别测试1d，10d，20d直到读数稳定到110mV-120mV之间。
材料特性2：T4状态铝镁硅合金杆的强度为160MPa-220MPa。
如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)采用机加工设备除去12mm铝镁硅合金杆与9.5mm工业纯铝表面的金属氧化皮，去皮厚度为0.05-0.1mm之间；
(2)采用连续挤压设备，350±5℃使工业纯铝挤包在铝镁硅合金材料外部，在双金属线中获得无缺陷的原子级结合界面，挤包层厚度为1mm，并制成13mm的抗腐蚀铝合金坯线。
(3)把镀层铝合金坯线，在340±10℃进行退火处理，退火时间12h，出炉后自然冷却8-18h。
(4)将退火后的抗腐蚀铝合金坯线，经过拉拔机经过10道次的冷拉拔获得直径为6mm的抗腐蚀铝合金线，最终挤包厚度控制在0.2±0.1mm之间，根据厚度计算铝包的截面比例为3-10％之间。
(5)时效温度180±5℃，时效时间为6h，获得直径为3.15mm的铝合金海底电缆铠装材料。
取5组铝合金海底电缆铠装材料进行断裂伸长率、抗拉强度、屈服强度、耐腐蚀性测试，结果如表1所示。
表1
从表1可以看出，由于纯铝层的优良的抗腐蚀性能可以对铝镁硅合金提供优良的物理保护功能，耐盐雾时间达到了1000h以上，同时因为铝镁硅铝合金芯部材料的特性的提高了整体铠装丝的强度到300MPa以上。所以上述铝合金铠装材料可以满足海底电缆的耐腐蚀要求及安装敷设及后期的运行维修要求。
实施例2
一种铝合金海底电缆铠装材料及其制备方法：
原料准备：
外层材料为铝锌镁合金、芯部材料为铝镁硅合金；其中，以质量分数100％计：
铝锌镁合金成分为：Al 9-11％，Mg 2.5-3.5％，锌余量。
铝镁硅合金成分为：Si 0.50-0.9％，Fe 0.50％，Cu 0.10％，Mn 0.03％，Mg 0.6-0.9％，Cr 0.003％，Zn 0.10％，铝余量。
材料特性1：铝镁硅合金与镀层的腐蚀电位要相差100mV以上，铝镁硅合金做为阴极受到保护作用。控制方法：每年进行材料的电位测试，选取Ag/AgCl电极为参考电极。海水参数：盐度3％，温度20℃，溶解氧浓度4-7mL/L.试样与防水导线进行焊接，分别测试1d，10d，20d直到读数稳定到110mV-120mV之间。
材料特性2：T4状态铝镁硅合金杆的强度为160MPa-220Mpa。
如图2所示，具体包括以下步骤：
(1)选用12mm铝镁硅合金杆，铝锌镁合金铝锭。
(2)氧化层去除用硫酸溶液进行酸洗，硫酸溶液浓度范围8±1％，后进行清水冲洗在线烘干。
(3)采用连续热镀或电镀设备，420±5℃使铝锌镁合金包覆在铝镁硅材料外部，在镀层中获得双金属原子级结合界面。
(4)把镀铝锌镁高强度铝合金坯线，在340±10℃进行退火处理，退火时间12h，出炉后自然冷却8-18h。
(5)将退火后的镀度铝合金坯线，经过拉拔机经过10道次的冷拉拔获得直径为6mm的镀铝锌镁高强度铝合金线，最终挤包厚度控制在0.2±0.1mm之间根据厚度计算外层的截面比例为3-10％之间。
(6)时效温度180±5℃(或自然时效)，时效时间：4-8h，获得铝合金海底电缆铠装材料。
取5组铝合金海底电缆铠装材料进行断裂伸长率、抗拉强度、屈服强度、耐腐蚀性测试，结果如表2所示。
表2
| 测试编号 | 断裂伸率％ | 抗拉强度MPa | 屈服强度σ0.2MPa | 盐雾试验h |
| 1 | 7.8％ | 359 | 290 | 1084 |
| 2 | 6.1％ | 392 | 316 | 1184 |
| 3 | 11.0％ | 322 | 280 | 1102 |
| 4 | 10.5％ | 329 | 287 | 1118 |
| 5 | 11.0％ | 392 | 312 | 1168 |
| 最大值 | 11％ | 385 | 316 | 1184 |
| 最小值 | 6.1％ | 322 | 280 | 1084 |
| 平均值 | 8.8％ | 392 | 297 | 1131 |
从表2可以看出，铝锌镁合金层由于优良的抗腐蚀性能可以对铝合金芯部提供优良的物理保护功能，可以达到盐雾试验1000h以上。同时因为铝镁硅铝合金材料特性，可以同时达到海底电缆铠装丝的强度要求，满足敷设及使用过程中的保护与维修需要。
应用例1
三相电力传输电缆示意图如图3所示，采用实施例1的铝合金海底电缆铠装材料的大容量交流海底电缆，包括铜导体1、绝缘层2(材料交联聚乙烯)、金属屏蔽层3(聚乙烯)、内护套4、光单元5(监测电缆状态与其它通信)、填充物6、铝合金海底电缆铠装材料7、聚丙烯撕裂绳8。铠装工艺类似普通镀锌钢丝，采用可退扭行星式铠装机，使用铝包铝合金丝按照一定的节距及铠装方向，缠绕到成缆好的电缆芯上面。
对三相电力传输电缆与普通镀锌钢丝进行最大载流量及能量损耗测试，结果如表3所示。
表3
从表3可以看出，不同电流之下，能量损失差别在7-14％之间，而且随着施加电流的提高，能量损耗差别增加，由7-8％提高到14％。所以铝合金铠装材料的可以大幅度降低海底电缆系统运维过程中的能量损耗，提高海底电缆的投资收益率。
使用本发明的铝合金海底电缆铠装材料的电缆其额定载流量可以提高150A，与普通镀锌钢丝相比提高了9.4％；即在铜导体温度90℃情况，铝合金海底电缆铠装材料相比镀锌钢丝铠装海底电缆的载流量提高值，可以降低海底电缆系统的初始投资，甚至在特殊情况下减少一条海底电缆回路，可以相应提高投资收益率。
综上所述铝包铝合金铠装材料，可以同时降低初始投资额度及后期的运维成本，而且对比同样长度海底电缆对于的铝包铝合金与镀锌钢丝消耗，铝包铝合金密度低，重量轻，从成本方面与普通镀锌钢丝相当，所以铝包铝合金材料铠装钢丝可以产生极大的社会效益。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种铝合金海底电缆铠装材料，其特征在于，所述铝合金海底电缆铠装材料包括芯部和外层；所述芯部的材料为铝合金；所述外层的材料为工业纯铝、铝合金、工业纯锌，锌铝合金或铝锌镁合金；所述芯部和所述外层之间的界面为冶金结合；所述芯部和所述外层的腐蚀电位差高于100mV。
2.根据权利要求1所述的铝合金海底电缆铠装材料，其特征在于，所述铝合金海底电缆铠装材料的外层截面积占整体截面积的1-30％。
3.根据权利要求1所述的铝合金海底电缆铠装材料，其特征在于，所述芯部铝合金的抗拉强度大于150MPa。
4.根据权利要求1所述的铝合金海底电缆铠装材料，其特征在于，所述铝合金海底电缆铠装材料的抗拉强度大于150MPa。
5.根据权利要求1所述的铝合金海底电缆铠装材料，其特征在于，所述铝合金为Al-Mg-Mn、Al-Mg-Si或Al-Zn-Mg系铝合金，且外层和芯部的材料不同。
6.权利要求1-5任一项所述的铝合金海底电缆铠装材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)预拉：采用预拉机拉拔芯部材料和/或外层材料；
(2)预处理：去除芯部材料和外层材料表面的金属氧化皮；
(3)制坯：采用挤压或镀层设备，使外层材料包覆在芯部材料表面，得到坯锭；
(4)热处理：进行退火处理；
(5)拉拔：采用拉拔机拉拔坯线，外层材料的厚度为0.05-1mm；
(6)时效处理：将拉拔后的坯线进行时效处理，得到所述铝合金海底电缆铠装材料。
7.根据权利要求6所述的铝合金海底电缆铠装材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述挤压的温度为300-450℃；所述镀层的温度为380-450℃。
8.根据权利要求6所述的铝合金海底电缆铠装材料的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述退火的温度为280-350℃。
9.根据权利要求6所述的铝合金海底电缆铠装材料的制备方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述时效温度为150-200℃，时效时间为1-12h。
10.权利要求1-5任一项所述的铝合金海底电缆铠装材料在海底电缆中的应用。
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