金金元， 陳朝暉， 馮毓敏， 金宏磊， 張仲奇， 倪良云

(1.浙江晨光電纜股份有限公司，平湖 314204；2.國網(wǎng)廈門供電公司，廈門 361000；3.浙江大有集團(tuán)有限公司，杭州 310000)

0 引 言

近年來，電網(wǎng)系統(tǒng)中的皺紋鋁套高壓電纜多次發(fā)生電腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生電纜擊穿事故，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重隱患，有必要研發(fā)一種新型的復(fù)合平滑鋁套電纜產(chǎn)品。在復(fù)合平滑鋁套電纜的敷設(shè)施工中，防止直埋或穿管敷設(shè)中電纜端頭進(jìn)水，是此類新產(chǎn)品在施工過程中需要解決的難題。以往，在皺紋鋁套電纜安裝敷設(shè)中，雖然采取可靠連接方式，但在實(shí)際敷設(shè)時(shí)，由于管道彎曲過多或管道之間的接口錯(cuò)位，經(jīng)常會(huì)造成電纜牽引頭連接部位被拉破、甚至牽引頭被拉脫的現(xiàn)象。當(dāng)土壤或管道內(nèi)有積水時(shí)，很有可能造成電纜內(nèi)部或?qū)w內(nèi)大量進(jìn)水，對電纜造成二次傷害，對安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重隱患。

按照原有的電纜牽引頭設(shè)計(jì)方式，現(xiàn)場環(huán)境較好、管道內(nèi)部干燥的場合是可以滿足要求的。但對施工環(huán)境惡劣、管道內(nèi)經(jīng)常被水浸沒，或者是在穿越湖泊、地勢低洼積水的大長度頂管等場合，如果仍按傳統(tǒng)工藝制作平滑鋁套電纜牽引頭，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生虛焊、焊接不牢固、容易被拉脫，造成電纜進(jìn)水問題。為此，本工作針對原有電纜牽引頭焊接方式存在的問題，從平滑鋁套與皺紋鋁套結(jié)構(gòu)緊密度入手，找出了原有焊接牽引頭工藝存在的主要缺陷，設(shè)計(jì)了平滑鋁套電纜防水牽引頭擴(kuò)徑焊接工藝及獨(dú)特的制作方法，解決了電纜施工時(shí)出現(xiàn)的電纜頭進(jìn)水難題，減少了用戶的損失并提高了企業(yè)的信譽(yù)。

1 傳統(tǒng)焊接工藝的問題

原有的皺紋鋁套電纜防水牽引頭是為敷設(shè)皺紋鋁套電纜而設(shè)計(jì)的，目前已比較熟練掌握牽引頭焊接及安裝工藝，可以滿足不同的敷設(shè)環(huán)境，對電纜安全敷設(shè)、杜絕進(jìn)水起到了關(guān)鍵作用。皺紋鋁套電纜防水牽引頭的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1—內(nèi)屏蔽；2—絕緣層；3—外屏蔽；4—鋁波紋護(hù)套管；5—最終封焊點(diǎn)；6—一次封焊點(diǎn)；7—內(nèi)襯壓蓋；8—防水O型橡皮圈；9—平墊圈；10—圓螺母；11—牽引套管；12—導(dǎo)體線芯；13—鋁外護(hù)管；14—焊接點(diǎn)；15—鋁錐形牽引頭；16—吊鉤拉環(huán)

原有的皺紋鋁套電纜防水牽引頭設(shè)計(jì)主要是采用二次焊接及O型橡皮圈的膨脹防水原理，阻止水源浸入。由于設(shè)計(jì)采用二次焊接[1]，假如電纜在受到不同方向的彎曲力時(shí)，過渡鋁管與波紋管之間的焊縫可能被拉破，但由于里面仍有一層焊縫，完全封住了從波紋管裂縫處進(jìn)入電纜內(nèi)部的水源；而在電纜導(dǎo)體線芯處，采用O型橡皮圈的密封方式，當(dāng)牽引套管外浸入大量的水時(shí)，也不會(huì)從導(dǎo)體線芯處滲漏進(jìn)去，從而達(dá)到防水效果，其設(shè)計(jì)工藝已獲發(fā)明專利。

但對于平滑鋁套電纜，由于鋁套與電纜緩沖層整體緊密接觸，鋁套與外護(hù)套用熱熔膠完全復(fù)合成整體，簡稱復(fù)合平滑鋁套。如果仍按皺紋鋁套牽引頭的焊接工藝，在焊接牽引頭過渡套管時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛焊、焦燒、焊接不滲透和不牢固等現(xiàn)象，但從外觀上看也不明顯。如果對施工環(huán)境較差或管道內(nèi)全部浸水的地區(qū)，或者是在穿越湖泊、地勢低洼積水的大長度頂管時(shí)，這種焊接工藝制作的牽引頭，很容易被拉脫，并容易造成電纜進(jìn)水。如果電纜進(jìn)水，勢必造成二次傷害和較大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，需要研制更可靠的復(fù)合平滑鋁套電纜防水牽引頭。

2 平滑鋁套擴(kuò)徑焊接工藝設(shè)計(jì)

如果照搬皺紋鋁套電纜牽引頭焊接工藝，在焊接平滑鋁套電纜牽引頭時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛焊、焊接不牢固等問題，為此，針對平滑鋁套結(jié)構(gòu)緊密的特殊問題，需設(shè)計(jì)一種擴(kuò)徑后再焊接的工藝來解決上述問題。為此，本工作專門設(shè)計(jì)了一種平滑鋁套專用擴(kuò)徑工具，制定了特殊的焊接工藝流程。設(shè)計(jì)該焊接工藝的目的，就是為了牽引頭焊接牢固可靠，在惡劣的環(huán)境條件下，經(jīng)過施工后平滑鋁套電纜牽引頭也不會(huì)進(jìn)水，從而進(jìn)一步保證電纜的敷設(shè)質(zhì)量。

2.1 設(shè)計(jì)工藝原理

因?yàn)榘櫦y鋁套與電纜緩沖層之間有一定間隙，鋁套與牽引頭焊接時(shí)可以滲透，可保證焊縫牢固可靠；但平滑鋁套與電纜緩沖層之間結(jié)構(gòu)緊密，基本無縫隙，鋁套與牽引頭焊接時(shí)無法滲透，會(huì)出現(xiàn)虛焊、焦燒、焊接不牢固等缺陷，而且還有可能在焊接時(shí)燙傷緩沖層和絕緣層。針對這些問題，本工作設(shè)計(jì)了一種擴(kuò)徑工裝，將電纜端頭緊密的平滑鋁套撐開呈喇叭狀，使鋁套與緩沖層之間形成喇叭狀的擴(kuò)開。這樣，在鋁套端部需焊接的位置，鋁套與緩沖層之間形成了間隙，鋁套與牽引頭焊接時(shí)可以滲透，從而保證焊縫牢固可靠。然后采用二次焊接及O型橡皮圈的膨脹防水原理，阻止水源浸入。由于設(shè)計(jì)采用二次焊接，假如平滑鋁套電纜在受到不同方向的彎曲力時(shí)，過渡鋁管與撐開的喇叭狀管口的焊縫可能被拉破，但由于里面仍有一層焊縫，完全封住了從管口裂縫處進(jìn)入電纜內(nèi)部的水源；而在電纜導(dǎo)體線芯處又采用了O型橡皮圈的密封方式，即使過渡套管外浸入大量的水，也不會(huì)從導(dǎo)體線芯處滲漏進(jìn)去，從而達(dá)到防水效果。平滑鋁套擴(kuò)徑裝置示意圖見圖2。

1—電纜；2—導(dǎo)體線芯；3—外護(hù)套；4—平滑鋁套；5—外屏蔽；6—絕緣層；7—內(nèi)屏蔽；8—擴(kuò)徑喇叭狀部位；9—平滑鋁套擴(kuò)徑裝置；10—平滑鋁套擴(kuò)徑裝置受力點(diǎn)；11—平滑鋁套擴(kuò)徑裝置受力方向

2.2 設(shè)計(jì)制作步驟

在制作平滑鋁套電纜牽引頭時(shí)，設(shè)計(jì)采用以下步驟進(jìn)行安裝：①把需要制作牽引頭的電纜端部鋸齊，先用煤氣噴燈將外護(hù)套進(jìn)行加熱，使鋁套表面的防腐層熱熔膠處于熔融狀態(tài)，馬上剝離外護(hù)套，并迅速將鋁套外的熱熔膠用干燥棉布擦干凈；②用設(shè)計(jì)的專用工具將平滑鋁套及里面的絕緣層剝?nèi)?，剝除長度根據(jù)電纜規(guī)格不同、牽引頭套管的不同，留出合適的線芯長度，平滑鋁套的鋸口斷面盡量保持平整，再用粗砂布將鋁套的鋸口斷面打磨平整，不能有毛刺；③套入內(nèi)徑相當(dāng)?shù)钠交X套擴(kuò)徑裝置，向內(nèi)施加一定的錘擊力(見圖2)，由于鋁質(zhì)有點(diǎn)柔性，會(huì)在錘擊力作用下慢慢撐開，使撐開后的鋁套喇叭口內(nèi)徑與鋁質(zhì)內(nèi)襯壓蓋的外徑相近；④然后將內(nèi)襯壓蓋套入線芯導(dǎo)體并推到底，將開口側(cè)內(nèi)襯于撐開的鋁套內(nèi)；⑤接下來進(jìn)行第一次焊封，將內(nèi)襯壓蓋與撐開的平滑鋁套內(nèi)口焊接牢固，采用的是鋁條氬弧焊接；⑥第一次焊接好后，冷卻5～8 min；⑦將牽引套管套住電纜線芯，套入時(shí)一定要裝到剝除線芯的底部[1]；⑧套好后，再用液壓鉗在牽引套管中段壓接2～3道，壓力大小應(yīng)按壓接工藝的要求，確保壓接牢固可靠；⑨壓接完成后，依次裝入防水O型橡皮圈、平墊圈，通過圓螺母的逐漸旋入，防水O型橡皮圈被緊密地壓在內(nèi)襯墊壓蓋上；⑩將已焊接好的鋁外護(hù)管與鋁牽引頭旋入牽引套管上并擰緊；再進(jìn)行第二次焊接，采用的還是鋁條氬弧焊接，將鋁外護(hù)管與平滑鋁套焊接牢固；再冷卻5～8 min后，進(jìn)行第一層熱縮套管的封裝，第一層熱縮套管應(yīng)套封在最終焊接點(diǎn)上，用噴燈四周均勻噴封；再進(jìn)行第二層熱縮套管的封裝，第二層熱縮套管應(yīng)套封在第一層熱縮套管外面，第二層熱縮套管比第一層的封裝長度要長，也要用噴燈四周均勻噴封，第二層熱縮套管應(yīng)套封到牽引頭的錐形尾端部位。此時(shí)，平滑鋁套電纜防水牽引頭的焊接與套封工作已經(jīng)完成，然后再將吊鉤拉環(huán)按螺旋方向擰緊裝上。這樣，擴(kuò)徑焊接的平滑鋁套電纜防水牽引頭制作安裝完畢。設(shè)計(jì)的擴(kuò)徑焊接平滑鋁套電纜防水牽引頭的示意圖見圖3。

1—內(nèi)屏蔽；2—絕緣層；3—外屏蔽；4—平滑鋁護(hù)套管；5—擴(kuò)徑部位；6—最終封焊點(diǎn)；7—一次封焊點(diǎn)；8—內(nèi)襯壓蓋；9—防水O型橡皮圈；10—平墊圈；11—圓螺母；12—牽引套管；13—導(dǎo)體線芯；14—鋁外護(hù)管；15—焊接點(diǎn)；16—鋁錐形牽引頭；17—吊鉤拉環(huán)

3 平滑鋁套防水牽引頭試驗(yàn)

3.1 牽引頭取樣拉力試驗(yàn)

設(shè)計(jì)研發(fā)的國內(nèi)首批110 kV平滑鋁套電纜在國家電網(wǎng)廈門供電公司福廈高鐵遷改工程中得到應(yīng)用，該批電纜組裝了擴(kuò)徑焊接型平滑鋁套電纜防水牽引頭，在電纜穿管、彎曲、牽引過程中受到較強(qiáng)拉力，電纜安裝完畢后，對這種新焊接工藝設(shè)計(jì)的防水牽引頭進(jìn)行試驗(yàn)。該牽引頭是經(jīng)過現(xiàn)場惡劣環(huán)境施工拉伸過的，在電纜終端位置鋸掉約3.5 m，連著牽引頭一起帶回公司進(jìn)行拉力試驗(yàn)、機(jī)械性能及電性能試驗(yàn)。采用150型擠塑機(jī)牽引機(jī)組對電纜牽引頭進(jìn)行拉力試驗(yàn)。

研究人員按牽引頭組裝工藝，對取回來的復(fù)合平滑鋁套電纜樣品另一端也裝上牽引頭。因?yàn)楣緵]有大容量的拉力設(shè)備和儀表，采用150型擠塑機(jī)牽引機(jī)組對電纜牽引頭進(jìn)行牽引拉力試驗(yàn)，該牽引機(jī)與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的電腦連接，設(shè)置牽引力數(shù)據(jù)顯示：①先設(shè)置20 kN拉力，采取兩種方法試驗(yàn)，先是慢慢啟動(dòng)牽引，牽引試驗(yàn)通過；然后采取瞬時(shí)快速牽引，提高牽引拉力速率，試驗(yàn)也通過了；②為了測試牽引頭的真實(shí)拉力數(shù)據(jù)，又增加了20 kN牽引力，這樣總共為40 kN，也采取兩種方法試驗(yàn)，先是慢慢開啟牽引，試驗(yàn)通過；然后采取瞬時(shí)快速牽引，試驗(yàn)也通過了；③為了安全起見，牽引力再次增加10 kN，此時(shí)，牽引拉力為50 kN，按正常施工的牽引速率，不大于7 m·min-1，最終也通過了試驗(yàn)。這樣總的牽引拉力已超過了50 kN，但牽引頭完好無損。試驗(yàn)完畢后，又對牽引頭進(jìn)行了解剖，目測電纜導(dǎo)體、絕緣層以及緩沖層，結(jié)果均無損傷，試驗(yàn)通過。

3.2 牽引頭彎曲及側(cè)壓力試驗(yàn)

試驗(yàn)的復(fù)合平滑鋁套電纜規(guī)格為YJLP03-Z 64/110 1×800(型號表示方法：YJ-交聯(lián)聚乙烯絕緣、L-鋁套、P-平滑、03—聚乙烯護(hù)套)，成品電纜直徑約為93 mm，電纜長度約為100 m。試驗(yàn)?zāi)M施工現(xiàn)場，連接牽引頭的平滑鋁套電纜在敷設(shè)過程中進(jìn)行彎曲布放，從地面牽引上桿架、從地面牽引入電纜管孔等[2]，采用滑輪進(jìn)行導(dǎo)向，且電纜及牽引頭的彎曲半徑設(shè)計(jì)為2 500 mm，即彎曲半徑為20(D+d)(d為導(dǎo)體標(biāo)稱外徑；D為電纜標(biāo)稱外徑)，平滑鋁套電纜外徑(試驗(yàn)數(shù)據(jù)參照GB/T 11017—2014標(biāo)準(zhǔn))。電纜牽引上桿或穿管轉(zhuǎn)彎敷設(shè)，在轉(zhuǎn)彎處安裝壓力顯示器，測試牽引頭承受的側(cè)壓力。試驗(yàn)人員在轉(zhuǎn)彎處的擋線輪上涂覆潤滑劑。試驗(yàn)時(shí)特別注意在牽引頭轉(zhuǎn)彎布放過程中，牽引速率不允許過快[3]，若如彎曲半徑太小，電纜牽引頭及電纜本體將承受較大的應(yīng)力和側(cè)壓力，可能會(huì)導(dǎo)致平滑鋁套電纜被擠壓甚至變形，致使絕緣層受損。試驗(yàn)結(jié)果表明，彎曲及拖拉時(shí)的側(cè)壓力為2 800 N·m-1，符合GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄H中側(cè)壓力小于3 000 N·m-1的要求[4]。平滑鋁套電纜牽引頭穿管敷設(shè)安裝示意圖見圖4。敷設(shè)完成后，檢查平滑鋁套電纜及牽引頭表面是否損傷；如果表面不損傷，電纜外觀基本圓整，即通過試驗(yàn)。最后按現(xiàn)場驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對電纜進(jìn)行外護(hù)套直流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格。

圖4 平滑鋁套電纜牽引頭穿管敷設(shè)安裝示意圖

3.3 受力后的電纜牽引頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本工作對經(jīng)過拉力試驗(yàn)的電纜牽引頭及外護(hù)套進(jìn)行了機(jī)械性能、物理性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總結(jié)果

由表1可知：外護(hù)套抗拉強(qiáng)度為23.8 N·mm-2，伸長率為680%，試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

本工作設(shè)計(jì)的平滑鋁套電纜防水牽引頭，其彎曲半徑、側(cè)壓力、拉力等機(jī)械物理等性能指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)良水平，完全可以滿足現(xiàn)場用戶的施工要求，形成了一種全新的平滑鋁套電纜擴(kuò)徑焊接型防水牽引頭工藝，已在本公司內(nèi)部執(zhí)行。

4 結(jié)束語

(1) 從外部用戶使用及公司內(nèi)部的拉力、彎曲半徑及側(cè)壓力試驗(yàn)，研制的擴(kuò)徑焊接平滑鋁套電纜防水牽引頭的拉力至少大于50 kN，彎曲半徑最小為20(D+d)，允許側(cè)壓力最大為3 000 N·m-1；

(2) 平滑鋁套電纜防水牽引頭設(shè)計(jì)采用擴(kuò)徑后再二次焊接及安裝O型橡皮圈的方式，設(shè)計(jì)思路及制作技術(shù)在原高壓電纜防水牽引頭技術(shù)的基礎(chǔ)上又有新突破，不會(huì)因牽引頭焊接處經(jīng)過拖拉破裂后造成電纜進(jìn)水，提高了敷設(shè)質(zhì)量及效率，設(shè)計(jì)的“一種復(fù)合平滑鋁套電纜防水牽引頭”獲得了國家發(fā)明專利；

(3) 擴(kuò)徑焊接電纜防水牽引頭已用于公司復(fù)合平滑鋁套電纜牽引頭的制作，產(chǎn)品經(jīng)多家單位使用，未出現(xiàn)過因牽引頭問題而造成電纜進(jìn)水情況，復(fù)合平滑鋁套電纜防止?fàn)恳^的研制解決了電纜現(xiàn)場施工進(jìn)水問題，為平滑鋁套電纜的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。