Brevet FR2369664A1 — publié le 19780526

La présente invention, qui résulte des travaux de Messieurs Maurice HOQUARD, Claude SINON et Pierre GAUTIER, concerne un procédé de réticulation applicable aux isolants de câbles électriques. Dans le cas des isolants à base de polyéthylène ou autres polyoléfi- nes, la réticulation est effectuée couramment au moyen de peroxydes organiques. Dans le procédé classique de fabrication, le mélange isolant contenant l'agent de réticulation est d'abord appliqué concentriquement sur l'âme conductrice au moyen d'une extrudeuse. Il est ensuite chauffé et réticulé à haute température dans la vapeur d'eau saturée, puis refroidi dans l'eau sous une pression correspondant à celle de la vapeur. Le traitement thermique et le refroidissement sont effectués en continu dans un tube métallique dont l'entrée se ferme sur la tête de l'extrudeu- se par un joint télescopique. Dans un tel dispositif utilisant la vapeur d'eau saturée comme fluide caloporteur, la température et la pression sont reliées par une loi physique connue, et, quand il est nécessaire d'avoir une température supérieure à 2000C, la pression relative dépasse 15 bars. Avec ce procédé, la vapeur d'eau à haute température diffuse dans l'isolant au cours du traitement thermique et se condense à l'intérieur de cet isolant en donnant, après refroidissement, une zone annulaire d'aspect laiteux. Cette zone est constituée par des fines gouttelettes d'eau de I à 3 micromètres qui, après séchage, laissent des microvîdes d'autant plus néfastes pour la vie du câble que sa tension électrique de service est élevee. Plusieurs perfectionnements de ce procédé ont fait l'objet de brevets Ainsi, dans le brevet US 3.645.656, la vapeur d'eau est remplacée par de l'azote, ou un autre gaz chimiquement non réactif, chauffé jusqu'à 3000C si nécessaire, pour réduire la durée du traitement. L'installation est assez complexe et comporte un joint spécial à chicane entre le gaz et l'eau de refroidissement. Dans les brevets français 1.526.488 et 1.576.190, la vapeur d'eau est également remplacée par un gaz inerte. Le chauffage de l'isolant est obtenu par rayonnement infra-rouge, et le câble passe ensuite dans l'eau de refroidasse; ment. Dans les brevets français 2.163.713 et 2.233.172, la réticulation de l'isolant est obtenue par extrusion du conducteur isolé dans une longue filière métallique portée à haute température, puis refroidissement dans un tube d'eau. La lubrification de la longue filière est assez délicate, et, de plus, il faut appliquer une force de freinage appropriée en amont de la ligne pour stabiliser le diamètre de l'isolant. La présente invention a pour but de supprimer l'emploi de l'eau sous pression, non seulement sous forme de vapeur, mais également en tant que liquide de refroidissement. L'invention consiste à remplacer le tube dans lequel circulent la vapeur et l'eau du procédé classique, par un tube rempli avec un liquide caloporteur approprié, sous pression. Le tube comprend une zone dans laquelle ledit liquide est porté à la température de réticulation de l'isolant et une zone dans laquelle le liquide subit un refroidissement progressif avant la sortie du conducteur isolé. Le liquide caloporteur est alimenté. sous une pression constante et suffisante, au moins égale à 3 bars, de façon à maintenir la compacité de l'isolant au cours du cycle thermique, sans avoir besoin d'atteindre les hautes pressions inhérentes au procédé classique (15 à 30 bars). En utilisant un liquide caloporteur approprié, le procédé permet d'obtenir d'une manière relativement simple des isolations réticulées à base de polyéthylène ou autres polyoléfines dans lesquelles il n'est plus possible de mettre en évidence des microporosités. Ce procédé est donc particulièrement destiné à la fabrication des câbles pour moyenne et haute tension, c'est-à-dire ayant une épaisseur d'isolant au moins égale à 4 mm. En outre, on a constate que les durées de réticulation pour une même température du liquide caloporteur ou de la vapeur d'eau saturée sont peu dif ferventes, ce qui n'était pas évident à priori car, avec le liquide, on ne bénéficie pas de la chaleur latente de condensation de l'eau passant de l'état de vapeur à l'état liquide sur la surface de l'isolant. En fait, la vapeur d'eau saturée peut apporter un flux de calories supérieur à celui fourni par le liquide, mais cet apport est mal utilisé car la durée nécessaire pour réticuler la couche interne de l'isolant dépend essentiellement de la résistance thermique élevée du polyéthylène ou des autres polyoléfines. Le liquide caloporteur utilisé dans le cadre de cette invention joue donc un rôle primordial, et il doit avoir un certain nombre de propriétés - température d'ébullition à la pression atmosphérique au moins égale à 2500C, - température de solidification inférieure à + 100C, - point d'inflammabilité supérieur aux températures d'utilisation, - bonne stabilité thermique à température élevée pour pouvoir recycler le produit, - neutralité physique et chimique vis-à-vis de l'isolant au cours du traitement thermique, - teneur en eau la plus faible possible, - odeur et toxicité faibles ou nulles, - action gonflante négligeable sur le joint terminal du tube dans lequel s'opère la réticulation, - coût acceptable. Parmi les divers liquides organiques répondant à ces conditions et disponibles en quantité industrielle à un prix économiquement viable, les polyols aliphtatiques représentent une famille intéressante pour cette application. Le diéthylène glycol, produit très courant, ayant un point d'ébulli- tion de 2450C peut à la rigueur convenir. Le tryéthylène glycol dont le point d'ébullition atteint 2760C est mieux adapté à la mise en oeuvre du procédé. La glycérine industrielle convient particulièrement bien pour la mise en oeuvre de la présente invention, et le film restant à la surface de l'isolant s'élimine facilement par simple passage du conducteur isolé dans une goulotte contenant de l'eau froide à la pression atmosphérique. Avec ce procédé, le chauffage du tube ne nécessite plus obligatoirement l'emploi de vapeur d'eau à haute pression. On peut, en effet, chauffer la paroi externe du tube par des résistances électriques ou par circulation d'un fluide auxiliaire caloporteur, ce qui évite l'installation coûteuse de chaudières pour vapeur d'eau à haute pression comme c'est le cas avec le procédé classique. De plus, il est possible d'effectuer la réticulation à des températu- res supérieures à celles du procédé classique limité en pratique à 2300C avec de la vapeur d'eau saturée à 30 bars. Cet avantage permet de réduire la durée du trùitement, d'ou un intérêt économique par suite d'une augmentation de la vitesse de production à longueur de tube égale ou réduction de l'encombrement de l'installation à vitesse égale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la figure et des exemples qui suivent. La figure 1 représente, en coupe, une installation de réticulation en continu selon l'invention une âme conductrice (1) en cuivre ou aluminium est isolée par une composition réticulable à base de polyéthylène (2) au moyen d'une extrudeuse à tète d'équerre (3), puis entre dans un tube (4) de réticulation et de refroidissement sous pression. Le tube (4) se ferme sur la tête d'équerre (3) par un joint télescopique (5). Le tube (4) comporte extérieurement plusieurs zones (6, 7, 8) de chauffage et de refroidissement contrôlées par des sondes pyrométriques (9). Le chauffage de la zone (6) est obtenu par l'un des moyens équiva lents suivants - introduction de vapeur d'eau saturée dans une double enveloppe concentrique au tube, - circulation d'un fluide auxiliaire caloporteur, - résistances électriques. Le refroidissement a lieu dans une zone (8) à circulation d'eau froide dans la double enveloppe. Une zone intermédiaire (7) se forme du fait de l'établissement d'un gradient de température axial entre les zones chauffées (6) et la zone refroi- die (8). Le joint terminal (10) en élastomère moulé est alésé à un diamètre très proche de celui du conducteur isolé et serré entre des bagues métalliques non représentées, de manière que la fuite de liquide à ce joint terminal soit relativement faible. Un réservoir (11) de capacité supérieure à celle du tube contient le liquide nécessaire au traitement thermique. Une pompe d'alimentation (12) aspire le liquide du réservoir et le refoule dans le tube sous une pression prédéterminée. Le liquide est injecté à la température ambiante à l'entrée de la zone de refroidissement (13), il circule lentement vers le joint télescopique et sort à la base de ce joint (14) pour retourner dans le réservoir (11) par l'intermédiaire d'un contrôleur de débit (15). Les températures sont -régulées par le débit du liquide au moyen d'un dispositif d'asservissement. Le liquide sortant du joint terminal est reçu dans un bac de récupération (16) et renvoyé par une pompe de reprise (17) dans le réservoir (11), Le film de liquide restant sur l'isolant est éliminé par passage dans une goulotte d'eau (18). Le procédé s'applique non seulement aux tubes horizontaux de réticulation en continu selon schéma de la figure, mais également aux tubes en demichaînette, en chaînette ou verticaux d'utilisation courante dans la fabrication des câbles électriques. Les exemples ci-après sont donnés à titre indicatif et se rapportent à l'emploi d'un tube horizontal conforme à la description précédente. Exemple 1 (montrant la nécessité d'opérer sous pression) sur un conducteur composé de 7 fils de 0,5 mm de diamètre en cuivre, on extrude en tandem d'abord une couche semi-conductrice au diamètre de 2,8mm, puis une couche isolante en HFD 4201 d'Union Carbide, qui est un mélange à base de polyéthylène basse densité, de peroxyde organique et d'agents de protection. Le diamètre sur isolant réticulé et refroidi est de 5,7 mm. A partir du joint élescopique, le joint comprend - 4 zones de chauffage (soit au total 14,4 mètres) portées à 190-1 C, - une zone intermédiaire de 4,3 mètres stabilisée à 160 C, - une zone de refroidissement de 1,5 mètre maintenue en pratique à 30 C. La glycérine a été injectée à la température ambiante sous pression de 1 bar. La vitesse de tirage du conducteur isolé était de 2,90 m/mn, soit une durée totale de séjour dans le tube de 420 secondes. En-tenant compte du séjour dans la zone à 1600C, la durée équivalente de réticulation à 1900C serait donc voisine de 290 secondes. Dans ces conditions, l'isolant présentait de nombreuses porosités dans la masse, par suite de la faible pression appliquee. Exemple 2 (selon l'invention) trois essais successifs ont été effectués dans les mêmes conditions que pour l'exemple 1, mais en utilisant comme liquide caloporteur de la glycérine sous une pression de 6 bars (ler essai), 11 bars (2ème essai) et 16 bars (3eme essai). Dans les trois cas, l'aspect de l'isolant est très lisse et ne présente pas les défauts de surface observés avec l'emploi de la vapeur d'eau saturée. Lors de l'examen des isolants au microscope, on n'observe aucune zone annulaire de microporosités, ce qui est essentiel pour la durée de vie du câble électrique sous tension, Par ailleurs, des essais de laboratoire montrent que les isolants ont une teneur en gel de 82 %, ce qui correspond à un étatde réticulation satisfaisant. Dans ces essais, la teneur en gel était déterminée par ébullition 12 heures dans le xylène selon méthode du document Bureau Central 45 du Sous Comité 20A de la Commission Electrotechnique Internationale (C.E.I). REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un câble électrique, isolé, dans lequel l'isolant est un mélange réticulable à base de polyoléfines telles que le polyéthylène, consistant à extruder le mélange sur une âme conductrice défilant en continu et entraînée dans un tube de traitement thermique, caractérisé en ce que l'on effectue la réticulation de l'isolant et son refroidissement au moyen d'un liquide caloporteur organique sous une pression au moins égale à 3 bars. 2. Procédé de fabrication d'un câble électrique isolé, selon revendication 1, caractérisé en ce que le liquide organique caloporteur appartient à la famille des polyols, possède un point d'ébullition sous 1013 millibars au moins égal à 2500C, et ne réagit pas sur la polyoléfine constituant l'isolant. 3. Procéde de fabrication d'un câble électrique isolé selon revendication 1, caractérisé en ce que le tube de traitement thermique est disposé horizontalement. 4. Procédé de fabrication dlun câble électrique isolé selon revendication 1, caractérisé en ce que le tube de traitement thermique est disp#osé en chaînette ou en demi-chaînette. 5. Procédé de fabrication d'un câble électrique isolé selon revendication 1, caractérisé en ce que le tube de traitement thermique est disposé verticalement.