CN117219339A - 大载流柔软部分水密电力电缆及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大载流柔软部分水密电力电缆，包括：由导体单线与亲水膨胀纱丝绞合成股的股线；由股线与亲水膨胀纱股复绞构成的水密导体，最外层股线的最外围的缝隙填注硅基弹性体阻水胶并绕包阻水聚酯带；挤包导体绝缘层；挤包阻水内衬层；编织芳纶纤维抗拉编织层，并在编织层的空隙内填充阻水胶，形成纵向防水屏障，然后绕包阻水聚酯带；挤包在最外层的防水外护套。本发明提出电缆基于承受预定压力、结构尺寸参数和亲水型遇水膨胀阻水材料吸水率的渗水长度计算，满足在不同环境和条件下的渗水‑电缆结构设计，可同时实现载流量大(10℃海水中的载流量不小于1000A)、超柔软(最小弯曲半径为3倍电缆直径)、满足650m水深下应用水密的特性。
Description
技术领域
本发明涉及水密电缆技术领域，具体而言涉及一种大载流柔软部分水密电力电缆及其制造方法。
背景技术
深海探测和水下舰船纵深发展趋势对配套的水下勘探设备提出了大水深、大功率要求，而水下勘探设备在深水作业后需通过水密电力电缆从舰船母船对其进行快速充电。用于充电的水密电力电缆不用时卷绕在布置于母船的小规格电缆卷盘上，应用时从母船卷盘上拖拽至勘探设备，用毕收回卷绕。
根据深水环境下的大功率快充需求及收放卷绕要求，水密充电电缆要具备载流量大(10℃海水中的载流量不小于1000A)、超柔软(最小弯曲半径为3倍电缆直径)、650m水深水密等特性。但已有技术的水密电缆因存在重大缺陷而无法满足大功率深水勘探设备快速充电需要，具体表现在：(1)已有纵向水密电缆的最小弯曲半径只能做到不小于6倍的电缆外径，导致电缆的弯曲半径大，无法在母船狭小空间布放的小规格卷盘上卷绕；(2)已有水密电缆工作温度低，额定载流量小，如要实现1000A的载流量，则导体截面会达到800mm2，导致电缆外径大、重量重、硬度大、难弯曲；(3)已有亲水型水胀聚合物阻水填充的水密电缆在既定水压下渗水长度无法预设，长度对使用影响无法判断。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷与不足，本发明目的在于提供一种基于亲水型水胀聚合物阻水填充膨胀速率的渗水长度计算的纵向水密电缆设计方法，并据此提出一种大载流柔软部分水密电力电缆，实现大载流量(不高于10℃海水中的载流量不小于1000A)、超柔软(最小弯曲半径为3倍电缆直径)、650m水深下水密(6.75MPa)的深海水下勘探设备使用性能需求。
根据本发明目的的第一方面，提出一种大载流柔软部分水密电力电缆，包括：
由多根导体单线与亲水膨胀纱丝绞合成股并绕包阻水聚酯带构成的股线，其中导体单线与亲水膨胀纱丝交叉排布；
由股线与亲水膨胀纱股填充一起复绞构成的水密导体，其中复绞采用1+6+12正规绞合，在层间绕包阻水聚酯带，其中最外层股线的最外围的缝隙同时填注硅基弹性体阻水胶，然后在水密导体外绕包阻水聚酯带；
在绕包阻水聚酯带外部挤包的导体绝缘层，与所述硅基弹性体阻水胶相容粘结；
在导体绝缘层外挤包的阻水内衬层；
在阻水内衬层外编织成型的芳纶纤维抗拉编织层，并在编织层的空隙内填充硅基弹性体阻水胶，形成纵向防水屏障，然后绕包阻水聚酯带；以及
挤包在最外层的防水外护套。
作为可选的实施例，所述芳纶纤维抗拉编织层的编织角为55±5°，编织密度为90％±5％。
作为可选的实施例，所述阻水内衬层采用氯磺化聚乙烯或氯丁橡胶材质。
作为可选的实施例，所述防水外护套采用氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、高密度聚乙烯或聚醚聚氨酯材质。
作为可选的实施例，所述亲水膨胀纱丝、亲水膨胀纱股均采用阴离型聚丙烯酰胺和聚乙二醇与交联剂的混合接枝物作为阻水基体，其渗水长度、吸水膨胀速率与电缆缆芯满足：
其中，其中，L表示承压时水的渗透长度，单位m；ΔF是纵向水密性能测试压力，单位MPa；R0是渗水通道的内半径，单位mm；R1是渗水通道的外半径，单位mm；σ是水在20℃时的运动粘度，单位MPa·S；ρ是亲水膨胀纱丝、亲水膨胀纱股的阻水基体的吸水膨胀速率，单位为mm/s；k1是成缆的电缆在径向方向上的压缩系数；k2是绞合成缆时的水密导体绞合系数。
根据本发明目的的第二方面，还提出一种大载流柔软部分水密电力电缆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，按照电缆的渗水长度与吸水膨胀速率、电缆缆芯的关系以及所需要的渗水长度，确定电缆缆芯以及填充的亲水型水胀聚合物阻水基体的设计参数，然后按照设计参数进行电缆的制备，具体包括以下步骤：
步骤1、将直径为镀锡铜单线与耐海水腐蚀亲水膨胀纱丝一起绞合并绕包一层阻水聚酯带后构成股线，纱丝与铜单丝交叉排布；
步骤2、将股线与耐海水腐蚀亲水膨胀纱股一起复绞构成水密导体，其中水密导体绞合时最外层股线的最外围的缝隙填注耐125℃高温的硅基弹性体阻水胶，整体水密导体外绕包阻水聚酯带；
步骤3、采用125℃柔软型乙丙橡胶挤包导体绝缘层；
步骤4、在导体绝缘层外挤包氯磺化聚乙烯或氯丁橡胶，构成阻水内衬层；
步骤5、在阻水内衬层外以(55±5)°的编织角度编织芳纶纤维抗拉编织层，编织密度为(90±5)％；在编织层的空隙内填充耐125℃高温的硅基弹性体阻水胶，形成纵向防水屏障，然后绕包阻水聚酯带；
步骤6、最后在最外层挤包氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、高密度聚乙烯或聚醚聚氨酯，构成防水外护套；
其中，所述电缆的渗水长度与吸水膨胀速率、电缆缆芯的关系为：
其中，其中，L表示承压时水的渗透长度，单位m；ΔF是纵向水密性能测试压力，单位MPa；R0是渗水通道的内半径，单位mm；R1是渗水通道的外半径，单位mm；σ是水在20℃时的运动粘度，单位MPa·S；ρ是亲水膨胀纱丝、亲水膨胀纱股的阻水基体的吸水膨胀速率，单位为mm/s；k1是成缆的电缆在径向方向上的压缩系数；k2是绞合成缆时的水密导体绞合系数。
作为可选的实施例，所述阻水基体为阴离型耐海水盐离子的吸水膨胀树脂。
结合以上实施例的设计，本发明提出的大载流柔软部分水密电力电缆及其制备方法，克服已有电缆均通过完成生产后依靠验证确定电缆纵向水密性能的通用做法弊端，提出一种电缆基于承受预定压力、结构尺寸参数和亲水型遇水膨胀阻水材料膨胀速率的渗水长度计算方法，实现基于亲水型水胀聚合物阻水填充膨胀速率的渗水长度计算的纵向水密电缆设计，并在此基础上提出大载流柔软部分水密电力电缆，实现载流量大(10℃海水中的载流量不小于1000A)、超柔软(最小弯曲半径为3倍电缆直径)、满足650m水深下应用水密的特性，同时电缆导体内部结构柔软，外部阻水实现纵向水密，端接装配时导体整体端接至水密连接器，实现应用阻水。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例。
图1是根据本发明实施例的大载流柔软部分水密电力电缆的结构设计图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
{大载流柔软部分水密电力电缆}
结合图1所示，根据本发明示例的大载流柔软部分水密电力电缆，包括：
由多根导体单线1与亲水膨胀纱丝绞合成股并绕包阻水聚酯带2构成的股线，其中导体单线与亲水膨胀纱丝交叉排布；
由股线与亲水膨胀纱股填充一起复绞构成的水密导体，如图1所示，复绞采用1+6+12正规绞合，在层间绕包阻水聚酯带2，其中最外层股线的最外围的缝隙同时填注硅基弹性体阻水胶3，然后在水密导体外绕包阻水聚酯带2；
在绕包阻水聚酯带外部挤包的导体绝缘层4，与所述硅基弹性体阻水胶相容粘结；
在导体绝缘层4外挤包的阻水内衬层5；
在阻水内衬层外编织成型的芳纶纤维抗拉编织层6，并在编织层的空隙内填充硅基弹性体阻水胶3，形成纵向防水屏障，然后绕包阻水聚酯带2；以及
挤包在最外层的防水外护套7。
在本发明的实施例中，股线的绞合节径比为6～8倍，水密导体的复绞节径比为7～9倍。
其中，芳纶纤维抗拉编织层的编织角为55±5°，编织密度为90％±5％。
其中，阻水内衬层采用氯磺化聚乙烯或氯丁橡胶材质。
其中，防水外护套采用氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、高密度聚乙烯或聚醚聚氨酯材质。
在本发明的实施例中，亲水膨胀纱丝、亲水膨胀纱股均采用阴离型聚丙烯酰胺和聚乙二醇与交联剂的混合接枝物作为阻水基体，经过申请人长期的研究和试验，发现电缆的渗水长度、吸水膨胀速率与电缆缆芯满足：
其中，其中，L表示承压时水的渗透长度，单位m；ΔF是纵向水密性能测试压力，单位MPa；R0是渗水通道的内半径，单位mm；R1是渗水通道的外半径，单位mm；σ是水在20℃时的运动粘度，单位MPa·S；ρ是亲水膨胀纱丝、亲水膨胀纱股的阻水基体的吸水膨胀速率，单位为mm/s；k1是成缆的电缆在径向方向上的压缩系数；k2是绞合成缆时的水密导体绞合系数。
由此，本发明可克服已有电缆均通过完成生产后依靠验证确定电缆纵向水密性能的通用做法的弊端，通过上述关系进行主动设计，提出的电缆基于承受预定压力、结构尺寸参数和亲水型遇水膨胀阻水材料吸水率的渗水长度计算，满足在不同环境和条件下的渗水-电缆结构设计，通过本发明设计制备的大载流柔软部分水密电力电缆，同时实现载流量大(10℃海水中的载流量不小于1000A)、超柔软(最小弯曲半径为3倍电缆直径)、满足650m水深下应用水密的特性，而且电缆导体内部结构柔软，外部阻水实现纵向水密，端接装配时导体整体端接至水密连接器，实现应用阻水。
{大载流柔软部分水密电力电缆的制备}
结合前述大载流柔软部分水密电力电缆的设计，在本发明的实施例中，还提出一致上述大载流柔软部分水密电力电缆的制备方法，包括以下步骤：
首先，按照电缆的渗水长度与吸水膨胀速率、电缆缆芯的关系以及所需要的渗水长度，确定电缆缆芯及填充的亲水型水胀聚合物阻水基体的设计参数，然后按照设计参数进行电缆的制备，具体包括以下步骤：
步骤1、将直径为镀锡铜单线与耐海水腐蚀亲水膨胀纱丝一起绞合并绕包一层阻水聚酯带后构成股线，纱丝与铜单丝交叉排布；
步骤2、将股线与耐海水腐蚀亲水膨胀纱股一起复绞构成水密导体，其中水密导体绞合时最外层股线的最外围的缝隙填注耐125℃高温的硅基弹性体阻水胶，整体水密导体外绕包阻水聚酯带；
步骤3、采用125℃柔软型乙丙橡胶挤包导体绝缘层；
步骤4、在导体绝缘层外挤包氯磺化聚乙烯或氯丁橡胶，构成阻水内衬层；
步骤5、在阻水内衬层外以(55±5)°的编织角度编织芳纶纤维抗拉编织层，编织密度为(90±5)％；在编织层的空隙内填充耐125℃高温的硅基弹性体阻水胶，形成纵向防水屏障，然后绕包阻水聚酯带；
步骤6、最后在最外层挤包氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、高密度聚乙烯或聚醚聚氨酯，构成防水外护套；
其中，所述电缆的渗水长度与吸水膨胀速率、电缆缆芯的关系为：
其中，其中，L表示承压时水的渗透长度，单位m；ΔF是纵向水密性能测试压力，单位MPa；R0是渗水通道的内半径，单位mm；R1是渗水通道的外半径，单位mm；σ是水在20℃时的运动粘度，单位MPa·S；ρ是亲水膨胀纱丝、亲水膨胀纱股的阻水基体的吸水膨胀速率，单位为mm/s；k1是成缆的电缆在径向方向上的压缩系数；k2是绞合成缆时的水密导体绞合系数。
其中，阻水基体为阴离型耐海水盐离子的吸水膨胀树脂，具有吸水率高、保水性好、耐热稳定、相容性好的特点，与海水接触膨胀高度和膨胀速率变化小。
{示例1}
导体由直径为(0.08±0.01)mm的镀锡铜单线和耐海水腐蚀亲水膨胀纱丝一起绞合构成股线，纱丝与铜单丝交叉排布，绞合节径比为(6～8)倍。
股线与耐海水腐蚀亲水膨胀纱股2一起复绞构成水密导体，复绞节径比为(7～9)倍。
耐海水腐蚀亲水膨胀纱丝和纱股的直径为理论计算直径的1.05～1.2倍。水密导体绞合时最外层股线的最外围的缝隙同时填注耐高温125℃硅基弹性体阻水胶，整体水密导体外绕包阻水聚酯带。
绝缘层采用125℃柔软型乙丙橡胶，其与硅基弹性体阻水胶相容粘结。
绝缘外挤包氯磺化聚乙烯或氯丁橡胶阻水内衬层5；其外以(55±5)°的编织角度编织芳纶纤维抗拉编织层，编织密度为(90±5)％.
编织外注胶柔软耐高温阻水胶，阻水胶的硬度A为(15±5)。其中，注胶过程可通过光学扫描仪为压盘卸料机和调节阀提供闭环反馈控制密封胶流量，以实现胶腔满载，使密封胶始终完全填充导体间隙，形成纵向防水屏障。
编织层外绕包阻水聚酯带。然后在其外挤包氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、高密度聚乙烯或聚醚聚氨酯材质的防水外护套。
其中，阻水纱丝纤维的基体采用耐海水盐离子的吸水膨胀树脂阴离型聚丙烯酰胺和聚乙二醇等与交联剂的混合接枝物，具有吸水率高、保水性好、耐热稳定、相容性好的特点，与海水接触膨胀高度和膨胀速率变化小。
阻水纱丝纤维在符合VG 95214-4和ASTM D 1141标准的实验室海水溶液中的阻水性能如下：膨胀速率不小于16mm/min，浸海水溶液5min后膨胀高度不小于18mm。
{示例2}
按照上述方法制备的大载流柔软部分水密电力电缆，以1*240mm2和1*185mm2的大载流超柔软部分纵向水密电缆的设计渗水长度和实测渗水长度为例，设计和测试结果如下表1所示：
表1-测试结果对比
| 测试项目/参数 | 1*240mm2 | 1*185mm2 |
| 水压测试压力、时间 | 6.5MPa，6h | 7MPa，6h |
| 样线长度 | 1.5m | 1.5m |
| 渗水通道的内半径 | 17.5mm | 15.4mm |
| 渗水通道的外半径 | 24.0mm | 21.5mm |
| 阻水填充材料的膨胀速率 | 16mm/s | 16mm/s |
| 水在20℃时的运动粘度 | 1.0×103MPa·s | 1.0×103MPa·s |
| 电缆径向压缩系数 | 0.1 | 0.1 |
| 线芯绞合系数 | 1.03 | 1.03 |
| 计算渗水长度 | 0.25m | 0.23m |
| 实测渗水长度 | 0.18m | 0.17m |
由此可见，通过本发明设计制备的大载流柔软部分水密电力电缆，在计算渗水长度的基础上，通过实际测试获得渗水长度均低于计算的渗水长度，能够达到和超过设计要求。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (9)
1.一种大载流柔软部分水密电力电缆，其特征在于，包括：
由多根导体单线与亲水膨胀纱丝绞合成股并绕包阻水聚酯带构成的股线，其中导体单线与亲水膨胀纱丝交叉排布；
由股线与亲水膨胀纱股填充一起复绞构成的水密导体，其中复绞采用1+6+12正规绞合，在层间绕包阻水聚酯带，其中最外层股线的最外围的缝隙同时填注硅基弹性体阻水胶，然后在水密导体外绕包阻水聚酯带；
在绕包阻水聚酯带外部挤包的导体绝缘层，与所述硅基弹性体阻水胶相容粘结；
在导体绝缘层外挤包的阻水内衬层；
在阻水内衬层外编织成型的芳纶纤维抗拉编织层，并在编织层的空隙内填充硅基弹性体阻水胶，形成纵向防水屏障，然后绕包阻水聚酯带；以及
挤包在最外层的防水外护套。
2.根据权利要求1所述的大载流柔软部分水密电力电缆，其特征在于，所述股线的绞合节径比为6～8倍。
3.根据权利要求1所述的大载流柔软部分水密电力电缆，其特征在于，所述水密导体的复绞节径比为7～9倍。
4.根据权利要求1所述的大载流柔软部分水密电力电缆，其特征在于，所述芳纶纤维抗拉编织层的编织角为55±5°，编织密度为90％±5％。
5.根据权利要求1所述的大载流柔软部分水密电力电缆，其特征在于，所述阻水内衬层采用氯磺化聚乙烯或氯丁橡胶材质。
6.根据权利要求1所述的大载流柔软部分水密电力电缆，其特征在于，所述防水外护套采用氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、高密度聚乙烯或聚醚聚氨酯材质。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的大载流柔软部分水密电力电缆，其特征在于，所述亲水膨胀纱丝、亲水膨胀纱股均采用阴离型聚丙烯酰胺和聚乙二醇与交联剂的混合接枝物作为阻水基体，其渗水长度、吸水膨胀速率与电缆缆芯满足：
其中，其中，L表示承压时水的渗透长度，单位m；ΔF是纵向水密性能测试压力，单位MPa；R0是渗水通道的内半径，单位mm；R1是渗水通道的外半径，单位mm；σ是水在20℃时的运动粘度，单位MPa·S；ρ是亲水膨胀纱丝、亲水膨胀纱股的阻水基体的吸水膨胀速率，单位为mm/s；k1是成缆的电缆在径向方向上的压缩系数；k2是绞合成缆时的水密导体绞合系数。
8.一种根据权利要求1-7中任意一项所述的大载流柔软部分水密电力电缆的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
首先，按照电缆的渗水长度与吸水膨胀速率、电缆缆芯的关系以及所需要的渗水长度，确定电缆缆芯以及填充的亲水型水胀聚合物阻水基体的设计参数，然后按照设计参数进行电缆的制备，具体包括以下步骤：
步骤1、将直径为镀锡铜单线与耐海水腐蚀亲水膨胀纱丝一起绞合并绕包一层阻水聚酯带后构成股线，纱丝与铜单丝交叉排布；
步骤2、将股线与耐海水腐蚀亲水膨胀纱股一起复绞构成水密导体，其中水密导体绞合时最外层股线的最外围的缝隙填注耐125℃高温的硅基弹性体阻水胶，整体水密导体外绕包阻水聚酯带；
步骤3、采用125℃柔软型乙丙橡胶挤包导体绝缘层；
步骤4、在导体绝缘层外挤包氯磺化聚乙烯或氯丁橡胶，构成阻水内衬层；
步骤5、在阻水内衬层外以(55±5)°的编织角度编织芳纶纤维抗拉编织层，编织密度为(90±5)％；在编织层的空隙内填充耐125℃高温的硅基弹性体阻水胶，形成纵向防水屏障，然后绕包阻水聚酯带；
步骤6、最后在最外层挤包氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、高密度聚乙烯或聚醚聚氨酯，构成防水外护套；
其中，所述电缆的渗水长度与吸水膨胀速率、电缆缆芯的关系为：
其中，其中，L表示承压时水的渗透长度，单位m；ΔF是纵向水密性能测试压力，单位MPa；R0是渗水通道的内半径，单位mm；R1是渗水通道的外半径，单位mm；σ是水在20℃时的运动粘度，单位MPa·S；ρ是亲水膨胀纱丝、亲水膨胀纱股的阻水基体的吸水膨胀速率，单位为mm/s；k1是成缆的电缆在径向方向上的压缩系数；k2是绞合成缆时的水密导体绞合系数。
9.根据权利要求8所述的大载流柔软部分水密电力电缆的制备方法，其特征在于，所述阻水基体为阴离型耐海水盐离子的吸水膨胀树脂。
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