Brevet FR2336774A1 — publié le 19770722

La I: Lscrzte invention concerne un procédé pour la réali- satin dTune enveloppe ou gaine en matière thermoplastique sur des objets de forme allongée, par exemple sur un câble électrique pour très haute tension qui est guidé suivant une courbe à profil de caténaire, sur lequel l'enveloppe est injectée par extrusion et est ensuite refroidie. Dans la fabrication de câbles électriques, notamment ceux destinés à la transmission de hautes tensions, il est nécessaire de prévoir des épaisseurs d'isolant pouvant atteindre 5 mm et davantage0 L'apport de l'enveloppe isolante sur le câble s'effectue en règle générale en ce que, au-dessus du conducteur circulant, la matiere thermoplastique, par exemple du polyéthylène, sort d'un outil d'extrusion sous la forme d'un tuyau souple à paroi épaisse, et s'applique ensuite, partie par extension, partie par dépression, autour du conducteur, notamment sur la couche conductrice vint, rieure se trouvant sur le conducteur. Une telle fabrication de câbles a cependant pour conséquence une orientation inévitable des molécules de la matière thermoplastique utilisée, en direction longitudinale du câble.Cette orientation représente une disco sition anti-naturelle des molécules de matière et provoque ce qu'on appelle des tensions d'orientation. Une conséquence de telles tensions d'orientation est par exemple un plissement par rétractation de l'isolant lors d'un traitement thermique de trempe au-dessus du point de fusion, Si l'on prévoit directement, après l'outil d'extrusion un bac de refroidissement avec une température qui est inférieure au point de fusion de Isolant, il se produit, sur la surface extérieure de ltenveloppe isolante, une croûte dure qui rend difficile. m. s' oppcce, à la diminution de volume se produisant par le refrnidissement et la cristallisation de la matière isolante appliquée.Il en résulte, dans la matière refroidie, des tensions dites de refroidissement qui, en commun avec les tensions d'orien. tation, abaissent considérablement la résistance à la traversée électrique de l'isolant. Une possibilité pour éviter les tensions intérieures qui aboutissent à une diminution de la résistance électrique, ou du moins Icur réduire ces tensions à une valeur admissible, consiste à applicuer l'isolation dans une installation dite avec tour. Dans ce cas, un conducteur guidé verticalement pour se déplacer du haut vers le bas est entouré par extrusion avec la matière isolante thermoplastique qui s'applique autour du conducteur de manière analogue au cas de coulée continue de métal en barres. L'avantage de ce procédé réside, en plus du bon centrage de l'isolant, dans la possibilité de refroidir très lentement, avec de hautes températures de fluide de refroidissement et sous pression, de sorte que se produit une désorientation et un compactage des molécules individuelles avant que commence la cristallisation. L'inconvénient réside alors cependant en ce qu'on ne peut opérer qu'avec des vitesses de fabrication relativement faibles, de l'ordre de 0,2 à 0,5 métres/minute, car la hauteur de la tour est limitée en raison de la dépense de construction d'une telle installation. L'invention a pour but de réaliser un procédé pour l'apport d'une enveloppe isolante sur un objet de forme allongée, qui permette la fabrication, par exemple, de câbles à haute tension isolés par matière synthétique, avec une dépense économiquement réduite, et qui garantisse en meme temps que l'enveloppe ainsi appliquée répond aux prescriptions électriques éventuelles. Dans ce but, le procédé de l'invention est caractérisé en ce que la matière thermoplastique, immédiatement après sa mise en forme, est refroidie un court instant en pendant librement, avec soutien simultané de l'extrudée encore fluide, à travers un bain liquide ou gazeux entourant le câble, à l'exception d'une zone extérieure de la surface supérieure, à des températures encore supérieures à la température de cristallisation, après quoi, au cours de cette traversée, la zone de la surface supérieure déjà rendue rigide par le refroidissement précédent, est réchauffée, par apport de chaleur, h des températures supérieures à la température de cristallisation, et finalement, l'enveloppe du produit, dans la suite de sa suspension libre en forme caténaire, étant maintenant d l'état de viscosité élastique est refroidie dans un milieu gazeux tel que de l'air. Avec ce procédé, il se produit d'abord une augmentation de viscosité du produit extrudé se propageant de l'extérieur vers l'intérieur, de sorte que la masse fondue liquide peut etre transmise sur le conducteur sans soutien, en pendant librement et sans dévier. Au début de l'apport sans soutien, la couche extérieure, défis refroidie, est à nouveau assez fortement réchauffée pour que, lors du refroidissement qui suit, la zone extérieure fondue soit déplacée symétriquement vers l'intérieur de la couche. La mise en oeuvre usuelle jusqu'a maintenant d'outils d'extrusion est encore possible lors de l'emploi du procédé conforme a' l'invention. Le problème de l'excentricité du conducteur revêtu ne se pose plus car l'extrudat, s'il s'égoutte, c'est-à-dire a tendance à des variations de section transversale, est maintenu à l'égard d'un changement de forme par le soutien qui est assuré en même temps pendant le refroidissement de courte durée a' des températures supérieures à la température de cristallisation. Lors du refroidissement suivant, il n'est délivré que juste la quantité de chaleur nécessaire pour le durcissement de l'extrudat, sans que se produisent de grandes tensions â l'intérieur du produit. Il est en fait déjà connu de refroidir ensuite l'enve- loppe déposée, par exemple dans de l'eau chaude a' 800 à 900C. On obtient bien ainsi un effet de refroidissement important ainsi qu'un centrage correct du conducteur. Cependant, des tensions mécaniques élevées dans l'isolant sont alors inévitables. Un refroidissement précautionneux, avec effet plus réduit, dans de l'air fixe ou mobile aboutit bien à des tensions mécaniques plus faibles dans la matière extrudée, notamment dans le cas d'isolant a grande épaisseur de paroi. Cependant, il se produit alors une grande excentricité ainsi qu'une déformation de l'enveloppe vers une section transversale en forme de poire. Dans l'application du procédé de l'invention, on a constaté comme particulièrement avantageux d'utiliser, pour le soutien et le refroidissement simultané de l'enveloppe extrudée, de l'eau avec ou sans produits d'addition. Le processus de fabrication est alors spécialement simple et la dépense d'installation mécanique pour un tel procédé de fabrication est réduite. Comme additions pour l'eau de refroidissement et de soutien, on utilise de préférence des produits qui ont une influence favorable sur les propriétés mécaniques ou électriques de l'enveloppe, par exemple un isolant de câble. Il est ainsi possible et souvent avantageux d'ajouter à l'eau de refroidissement et de soutien des additifs qui, par exemple, améliorent le caractère mouillable de la surface extérieure, s'opposent å un dépôt de calcaire et agissent également comme stabiliseurs de tension. On a constaté comme particulièrement avantageux pour le but recherché par l'invention que la matière thermoplastique soit refroidie pendant un court instant jusqu'8 ce que sa viscosité s'élève jusqulà 5 à 50 fois la valeur que présente la matière pendant sa mise en forme. Le soutien et en meme temps le refroidissement de l'extrudat projeté sur le conducteur peuvent avoir lieu par exemple â une température de 110 à 1200C. Il s'est révélé avantageux, dans ce cas, d'utiliser un moyen de refroidissement liquide, par exemple de l'eau présentant une température de 20 a 90Q selon le type de cable en question. Bien entendu, lors d'emploi d'installations appropriées pour le soutien et le zefroidissement de l'enveloppe extrudée, on peut mettre en oeuvre également des produits gazeux tels que l'air ou un gaz protecteur qui, par exemple à la manière d'un coussin d'air, guident le cabale circulant et la barre enveloppée extrudée. Pour un refroidissement exempt de tension à la température du local, le produit déja refroidi un court instant, par exemple dans un bac de soutien, est à nouveau réchauffé à partir de l'extérieur. Le réchauffage de la surface extérieure de l'enve- loppe extrudée ainsi que des zones voisines influencées par le refroidissement provenant de l'extérieur, s'effectue, suivant une autre caractéristique de l'invention, à des températures supérieures à 1150, de préférence comprises entre 150 et 2000C. A ces temp#ératures le domaine extérieur de ltenveloppe extrudée est fondu de manière suffisante pour que soit possible une contraction de volume exempte de tensions, lors du lent refroidissement par l'air qui suit. Au lieu de réaliser le réchauffage de la surface extérieure d'abord refroidie, en une seule phase du procédé, il peut souvent être avantageux de réchauffer d'abord un court instant la surface extérieure, ensuite de refroidir avec de l'air pendant une durée plus longue, et finalement de procéder à un réchauffage jusqu'à ce que le refroidissement définitif à la température du local soit effectué.Ce processus par réchauffage et lent refroidissement successifs procure une isolation extremement exempte de tensions et de haute valeur électrique, par exemple dans un câble électrique Dans l'application du procédé de llinvention, le temps pendant lequel le fluide de refroidissement assurant également le soutien agit sur l'extrudat n'est choisi que comme une fraction du temps pendant lequel l'extrudat réchauffé à nouveau au moins dans sa surface extérieure est refroidi.C'est ainsi que, > par exemple, dans une installation de fabrication de cables a haute tension, la durée du séjour dans la cuve de soutien et de refroidissement est de une minute, par exemple avec une température d'eau de 200C, tandis que la durée de séjour à l'air avec une température d'environ 200C faisant suite au réchauffage peut s'élever à 38 minutes. Une autre possibilité pour la réduction des tensions à l'intérieur de l'isolant extrudé consiste en ce qu'on réchauffe le conducteur d'un câble ou un conducteur avant son entrée dans le dispositif d'extrusion, en vue de s'opposer å une évacuation de chaleur excessive au voisinage du conducteur, hors de l'isolant dans le conducteur, lors de l'extrusion de l'isolant, ce qui serait la cause de tensions mécaniques. Pour l'application du procédé de l'invention, il s'est avéré judicieux de disposer derrière la tete d'injection de 1 t extrudeuse, en direction de la circulation du produit, un bac de soutien et de refroidissement d'une longueur par exemple de 1 à 4 mètres, à travers lequel est guidé sans contact le produit extrudé. Selon l'épaisseur de paroi de l'enveloppe, on choisira une longueur plus grande ou moins grande, le bac permettant de varier cette longueur au moyen de cloisons séparatrices appropriées. Il est également avantageux de prévoir que le bac de soutien et de refroidissement s'étend jusque directement contre la pièce d'embouchure de l'extrudeuse, de sorte que la matière extrudée puisse etre amenée directement dans la zone de refroidissement. Pour réaliser une introduction sans contact du produit dans le bac de soutien et de refroidissement, il est prévu, suivant une carac éristique de l'invention, que le fluide de refroidissement soit refoulé å travers un orifice d'introduction en sens opposé å celui du produit entrant. Le fluide de refroidissement qui sort entoure ainsi la matière entrante encore élastiquement visqueuse en forme d'anneau, ce qui assure un centrage du produit dans l'ouverture d1entrée, sans que celui-ci entre en contact avec les parois du bac de refroidissement.A l'extrémité du bac de soutien et de refroidissement, la barre extrudée possède déjà une surface extérieure durcie, de sorte que, avantageusement, peut être disposée ici une garniture d'étanchéité en matériau flexible qui entoure le produit et est réglable en position en hauteur et latéralement. Il peut être avantageux de prévoir que le produit, réchauffé au moins dans ses domaines extérieurs, soit guidé dans le premier tiers du refroidissement lent qui fait suite, dans un puits protecteur, afin d'en éloigner les particules de crasse et de poussière qui se fixeraient sur l'isolant encore visqueux et provoqueraient des difficultés dans le cours suivant de la fabrication. La description ci-après se rapporte à des exemples de réalisation avec référence aux dessins joints, dans lesquels - La figure 1 est une vue schématique d'une installation pour l'application du procédé de l'invention; - La figure 2 est un graphique du gradient de température à travers l'épaisseur de l'isolant; - La figure 3 représente à plus grande échelle la zone de refroidissement et ensuite de réchauffage de l'enveloppe thermoplastique. Comme le montre la figure 1, l'installation comprend une extrudeuse 1 suivie d'un bac 2 de soutien et de refroidissement du produit, et ensuite un dispositif de réchauffage 3. Le produit en forme de barre 4, dans l'exemple représenté le conducteur isolé d'un cable électrique à haute tension, est passé librement suspendu à travers l'installation et prend un profil.en forme de courbe caténaire. Pour le bac de soutien et de refroidissement est prévu un remplissage avec de l'eau ayant, par exemple, une température de ZOOC. Le dispositif de réchauffage 3 indiqué schématiquement peut consister en une lampe infra-rouge ou une flamme de gaz, qui intéresse la totalité du pourtour de l'isolant extrudé. Le conducteur du câble à haute tension est tiré à partir d'un tambour de réserve (non représenté). Il ests le cas échéant, soumis à un préchauffage, et pourvu de la couche intérieure conductrice. Ensuite, le conducteur ainsi traite est introduit dans l'extrudeuse 1 dans laquelle l'enveloppe isolante, par exemple d'une épaisseur de paroi de 18 mm, est applique sur lui à une température de masse de 2000C. La barre extrudée autour du conducteur est directement ensuite introduite dans le bac de soutien 2. Ce bac assure, avec une durée de Séjour du câble d'environ 1 minute, que le domaine intérieur tourné vers le conducteur est refroidi à environ 1700C, et tlue le domaine extérieur qui s'y raccorde est refroidi à des températures de 20 à 900C. Ce refroidissement de courte durée a pour effet de fixer les dimensions extérieures du câble et de fixer le conducteur à l'interieur de l'isolant, de sorte qu'est assuré It centrage du conducteur dans l'enveloppe isolante. Si maintenant, après la traversée t bac de soutien et de refroidissement, la surface extérieure et la z e air s'y raccorde sont réchauffées, au moyen du dispositif de réchauffage 3, à des températures supérieures à la température de cristallisation, par exemple à 1200C, le corset qui a d'abord été formé dans le bac de refroidissement est ramolli, et il est donné à la matière la possibilité de se refroidir exempte de tensions sur la totalité de la section transversale. Le refroidissement qui suit a lieu dans un parcours avec air de refroidissement, la température à l'intérieur de l'isolant s'établissant depuis 1300 à l'intérieur jusqu'à 140OC sur la surface extérieure.Le décalage de température peut être réglé de telle manière que, même aux endroits les plus chauds du dispositif de réchauffage 3, la matière conserve une structure résistant à la pression. La puissance de chauffage du dispositif de réchauffage 3 est réglable, par des moyens connus, par exemple en dépendance de la température de la surface extérieure du produit. En plus de la fonction d'assurer un refroidissement de courte durée du produit, le bac de refroidissement 2 a la fonction supplémentaire de s'opposer à ce que la matière extrudée ne s'égoutte du conducteur. Dans ce but, il est essentiel que le gaz ou le liquide protecteur entoure le produit sur tous les cotés. Dans le cas d'un liquide, son poids spécifique doit être choisi d'une valeur telle que, suivant le diamètre du câble, il se produise une force ascensionnelle dans le bac de refroidissement, assez grande pour qu'aucune déformation de l'enveloppe extrudée ne soit à craindre, ni vers le haut, ni vers le bas. Dans le cas d'emploi d'eau ayant un poids spécifique égal à un et un isolant en polyéthylène ayant un poids spécifique d'environ 0,9, les conditions sont idéales, car les forces qui agissent sur l'isolant, vues à partir du pourtour, sont pratiquement de grandeur identique en tous les points. La figure 2 montre un graphique de l'allure de la température dans l'épaisseur de l'isolant. La courbe I indique la température de l'isolant dans le cas d'emploi d'un conducteur en cuivre de 1,5 mm2.La courbe Il concerne la température de l'isolant dans le cas d'emploi d'un bac de soutien et de refroidissement ayant une température de 1200C. La courbe III montre le profil de température de l'isolant suivant l'épaisseur lors de l'emploi d'un fluide de refroidissement à 20 à 900C. L'exemple ci-après concerne la fabrication d'un cable à haute tension à 110 kV, dont la section transversale du conducteur en cuivre est égale à 300 mm2. Le processus de fabrication correspondant à la figure 1 est réglé de telle manière que le temps de séjour dans le bac de soutien et de refroidissement à une température de 200C est d'une minute, et le temps pendant lequel se produit l'échauffement de la surface extérieure de -l'isolant à des températures supérieures à 1150C s'élève à trois quarts de minute. A l'air, à environ ZO C, s'effectue alors le refroidissement définitif et sa durée, dans les conditions précédentes, s'élève à environ 38 minutes Dans la figure 3 est finalement représentée la zone de refroidissement et de réchauffage suivant de l'enveloppe thermoplastique, à plus grande échelle. Dans une extrudeuse 5, est déposé sur le conducteur a circulation continue 6 d'un câble électrique l'isolant 7, par exemple en polyéthylène. Le produit ainsi entoure de l'enveloppe est ensuite guidé suivant un profil libre de courbe caténaire, et introduit directement après l'apport de l'enveloppe dans le bac de refroidissement et de soutien 8 qui, dans l'exemple représenté, est rempli d'eau.Pour permettre l'introduction du câble > la paroi du côté frontal 10 est pourvue d'une ouverture en forme de U à travers laquelle l'eau est refoulée vers l'extérieur et entoure ainsi le produit introduit. Le câble peut ainsi pénétrer dans le bac de refroidissement et de soutien 8 sans autre dispositif de soutien que l'eau. La paroi 11 du bac située du côté arrière en direction de la circulation est constituée en une bague de caoutchouc 12 qui entoure étroitement le câble, un anneau d'acier 13 pour le maintien de cette bague, ainsi qu'un bourrelet plissé en caoutchouc 14, qui est fixé par soudage ou collage sur la paroi 15, cette bague étant prévue déplaçable en position. Cette # > ossibilité de réglage de position de l'ensemble de la paroi de sortie 11 du bac, par exemple à des emplacements 16, -17, ou 18, présente l'avantage que le bac peut être adapté au diamètre éventuel du câble ainsi qutà sa vitesse de défilement à cet endroit, de sorte que le câble peut traverser le bac sans contact et libre de tout support mécanique. Une unité de pompage (non représentée) prélève l'eau au moyen d'un raccord 19 et 11amène à des buses de répartition 20 qui sont disposées au-dessous du câble ou produit circulant dans le bac. A l'emplacement de sortie du produit du bac de refroidissement, l'eau de refroidissement forme également un film plus ou moins épais sur la surface extérieure, ce q.li assure un guidage dans cette zone. Comme le montre la figure l'eau de refroidissement 5 t egoutte ensuite de la surface extérieure et est collectée dans le bac 21 Les gouttes d'eau qui restent sur la surface extérieure sont avantageusement éliminées au moyen d'une buse de soufflage 22 qui entoure le produit sur tous les côtés et qui chasse cette eau. La référence 23 désigne un dispositif de chauffage (à infrarouge ou flamme de gaz) faisant suite au bac de refroidissement, au moyen duquel la surface extérieure 3 est réchauffée avant que le câble ou le produit soit amené à un refroidissement définitif par courant d'air. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10) Procédé pour la réalisation d'une enveloppe ou gaine en matière thermoplastique sur des objets de forme allongée, par exemple sur un câble électrique pour très haute tension qui est guidé suivant une courbe à profil de caténaire, sur lequel l'enve- loppe est injectée par extrusion et est ensuite refroidie, procédé caractérisé en ce que la matière thermoplastique, immédiatement après sa mise en forme, est refroidie un court instant en pendant librement, avec soutien simultané de l'extrudat encore fluide, à travers un bain liquide ou gazeux entourant le cable, à ltexception d'une zone extérieure de la surface supérieure, à des températures encore supérieures à la température de cristallisation, après quoi, au cours de cette traversée, la zone de la surface supérieure déjà rendue rigide par le refroidissement précédent est réchauffée, par apport de chaleur, à des ternpératures supérieures à la température de cristallisation,-et finalement, l'enveloppe du produit, dans la suite de sa suspension libre en forme caténaire, étant maintenant à l'état de viscosité élastique, est refroidie dans un milieu gazeux tel que de l'air. 20) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour soutenir et simultanément refroidir l'enveloppe extrudée, on utilise de l'eau avec ou sans produits d'addition. 30) Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la matière thermoplastique est refroidie pendant un court instant suffisamment pour que la viscosité croisse à 5 à 50 fois la valeur présentée par elle pendant sa mise en forme. 40) Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le soutien et le refroidissement simultané sont réalisés au moyen d'un fluide liquide ou gazeux à une température comprise entre 20 et 900C. 50) Procédé suivant l'une quelconque des revendications i à 4 > . caractérisé en ce que, pour le soutien et le refroidissement simultané, on utilise un fluide gazeux, tel que l'air ou un gaz de protection, par exemple à la manière d'un coussin d'air. t ) Procédé suivant l'une quelconque des revendications A à 5 > caractérisé en ce que le réchauffage de l'enveloppe extrudé et des portions influencées par un refroidissement par l'extérieur a lieu à des températures supérieures à 1150C, notamment comprise entre 150 et 2200C. 70) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le réchauffage faisant suite au refroidissement de courte durée et le refroidissement suivant s'effectuent en plusieurs étapes successives dans un milieu gazeux. 80) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le temps pendant lequel le fluide de refroidissenent servant également de soutien agit sur l'extrudat ne stelève qutà une fraction du temps pendant lequel l'extrudat est à nouveau réchauffé au moins sur sa surface extérieure, 9 ) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le conducteur est préchauffé avant son entrée dans le dispositif d'extrusion, 100) Installation pour l'application du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée par un bac de maintien et de refroidissement dispose derri8re la tete de l'extrudeuse, d'une longueur de 1 à 4 mètres â travers lequel le produit est amené à circuler sans soutien. 110) Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce que le bac de soutien et de refroidissement s'étend jusque directement contre la pièce d'embouchure de sortie de ltextrudeuse. 120) Installation suivant l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisée par un dispositif de chauffage influençant l'enveloppe sur la totalité de son pourtour tel que flamme de gaz, lampe à infrarouge ou analogue, dispos k la sortie du bac de soutien et de refroidissement, 130) Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que la puissance de chauffage du dispositif chauffant est réglable en dépendance de la température de la surface extérieure de l'enveloppe. 140) Installation suivant la revendication 100 carac térisée en ce que la longueur du bac de soutien et de refroidissement est modifiable au moyen de parois séparatrices appropriées. 150) Installation suivant la revendication 10, carac térisée en ce que, pour faciliter l'introduction du produit dans le bac de soutien et de refroidissement, le fluide de refroidissement est introduit sous pression à travers une ouverture, en direction opposée à celle du produit entrant dans le bac. 16 ) Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce que la sortie du bac de soutien et de refroidissement est formée par une garniture d'étanchéité en matière flexible réglable en hauteur et latéralement qui entoure le produit. 170) Installation suivant 11 une quelconque des revendi- cations 1 à 16, caractérisée par un puits de protection recevant le produit après son préchauffage. 18 ) Installation suivant la revendication 17, caractérisée en ce que le puits de protection occupe au moins le premier tiers du parcours à traverser.