Способ радиационной сшивки полимерной изоляции электрических кабелей и проводов и устройство для его осуществления
METHOD OF RADIATION CROSS-LINKING OF POLYMER INSULATION OF ELECTRIC CABLES AND WIRES AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение способ и устройство (реактор с «прозрачным» электродом) для радиационной сшивки полимерной изоляции электрических кабелей и проводов рентгеновским излучением электрического газового барьерного разряда (ЭГБР) относятся к области радиационной модификации полимеров и могут быть использованы при производстве силовых кабелей, бортовых авиационных проводов (БАП), нагревостойких нефтепогружных кабелей, труб, термоусаживающихся пленок трубок, защитных оконцевательных кабельных кап и т.д.
Известен способ сшивки полимеров [1. Финкель Э.Э., Брагинский Р.П. Нагревостойкие провода и кабели с радиационно-модифицированной изоляцией. Москва: Энергия, 1975, стр.13-16, 1].
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются назначение данного технического решения и то, что сшивка осуществляется радиационным излучением, но в отличие от заявляемого способа электронным пучком.
Недостатком известного способа-аналога является то, что способ обладает высокой радиационной опасностью и требует дорогостоящих мер защиты от действия проникающего ионизирующего излучения.  Известен способ сшивки полимеров [2. Новиков, Г.К. Плазмофизические электротехнологии модификации полиолефиновой кабельной изоляции: монография / Г.К.Новиков; Иркутский гос. техн. ун-т .- Изд-во ИрГТУ, 2007.-104с.].
Признаком аналога, совпадающим с существенным признаком заявляемого способа, является то, что сшивка осуществляется тоже ЭГБР излучением, но этот способ не совпадает по назначению, так как используется не для сшивки полимерной кабельной изоляции, а для сшивки полимера в виде гранул.
Недостатком известного способа является то, что он не может быть использован для сшивки кабельной изоляции, в том числе для сшивки изоляции БАП.
Известен способ сшивки полимеров [3. Шувалов М.Ю. Исследование надежности силовых кабелей среднего и высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена/ М.Ю. Шувалов, В.Л.Овсиенко, Д.В.Колосков //Кабели и провода.-2007.-№5.-С. 24-32.].
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются назначение данного технического решения и осуществление сшивки радиационным излучением, но в отличие от заявляемого способа электронным пучком.
Недостатком известного способа-аналога является то, что способ не позволяет достичь качественной сшивки из-за ухудшения ряда физико-механических свойств полимерного материала в результате выгорания антиокислительных добавок в полимере под воздействием ионизирующего излучения электронов. Кроме этого, способ обладает высокой радиационной опасностью, и требует дорогостоящих мер защиты от действия проникающего ионизирующего излучения. Известен способ сшивки полимеров [4. Новиков Г.К. Плазменные электротехнологии модификации и контроля дефектности полиолефиновой кабельной изоляции: монография.- Иркутск.: Изд-во ИрГТУ, 2008.- 100с.].
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются назначение данного технического решения и то, что сшивание полимеров осуществляется ЭГБР излучением.
Недостатком известного способа-аналога является то, что он не позволяет контролировать размер газоразрядного промежутка, в котором генерируется ионизирующее излучение ЭГБР, так как одним из электродов реактора является токопроводящая жила кабеля (ТПЖ), а размер газоразрядного промежутка будет зависеть от толщины изоляции кабеля, что влияет на интенсивность генерации излучения ЭГБР и требует дополнительной настройки реактора по высокому напряжению. Из приведенного анализа описанных в литературе технологий радиационного сшивания полиолефинов [1-4] под воздействием электронного пучка и ионизирующего излучения (γ излучения Со60), применяемых в промышленном масштабе, видно, что они имеют целый ряд существенных недостатков:
- высокая радиационная опасность;
- высокая стоимость применяемого оборудования;
- высокая энергоемкость процессов сшивки вследствие высоких доз ионизирующего излучения;
- ухудшение ряда физико-механических свойств полимерного материала в результате выгорания антиокислительных добавок в полимере под воздействием ионизирующего излучения электронов, что в итоге приводит к ухудшению ресурса работоспособности и высокой стоимости изделий.
За прототип заявляемого способа принят способ получения сшивного кабельного полиэтилена [5. Способ получения сшивного кабельного полиэтилена/ Патент РФ №2250912, БИ№ 12, 27.04.2005 // Новиков Г.К., Смирнов А.И., Жданов А.С., Новикова Л.Н., Маркова Г.В., Мигунова Т.Р.]. Способ-прототип относится к способам получения композиций на основе полиэтилена, используемым для изоляционных покрытий проводов и 4 кабелей, в кабельной промышленности и при производстве полимерных изделий. Способ включает обработку гранулированного полиэтилена электрическим газовым барьерным разрядом в стеклянном реакторе в бескислородной среде. Технический результат достигается тем, что получают сшивающийся кабельный полиэтилен довольно простым и безопасным способом, однако способ-прототип имеет недостатки.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются назначение и то, что обработку полимерной изоляции и проводов из полиолефинов осуществляют рентгеновским излучением электрического газового барьерного разряда в реакторе в бескислородной среде.
Недостатками способа радиационного сшивания, предлагаемого в прототипе [5], являются следующие:
1. В способе-прототипе [5] низкая эффективность, так как не используется активатор на основе PbO2, который позволил бы увеличить эффективность способа на 40% за счет увеличения интенсивности рентгеновского излучения ЭГБР;
о
2. В прототипе [5] радиационное сшивание проводится при нормальных значениях температуры Т=20 С и давления Р=1 атм., не позволяющих дополнительно активировать процесс сшивки.
Известны устройства-(реакторы-вулканизаторы) для радиационной сшивки полимерной кабельной изоляции рентгеновским излучением ЭГБР, используемые для реализации способов-аналогов[1-6]. Установлено [1-4], что процесс сшивания полимерной кабельной изоляции, после облучения в реакторах-вулканизаторах, значительно улучшает ее электрофизические и термомеханические свойства, однако недостаточная производительность устройств-аналогов не обеспечивает высокого качества сшивания полимерной изоляции.
Известно устройство для сшивания кабельной изоляции для реализации запатентованного способа [5. Способ получения сшивного 5 кабельного полиэтилена/ Патент РФ №2250912, БИ№ 12, 27.04.2005 // Новиков Г.К., Смирнов А.И., Жданов А.С., Новикова Л.Н., Маркова Г.В., Мигунова Т.Р.], в котором один из электродов реактора является ТПЖ кабеля.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются назначение данного технического решения и то, что обработку полимерной изоляции и проводов из полиолефинов осуществляют рентгеновским излучением электрического газового барьерного разряда в реакторе в бескислородной среде.
Причина недостатка устройства-аналога заключается в том, что размеры газоразрядного промежутка зависят от толщины кабельной изоляции, что требует дополнительной настройки высокого напряжения для обеспечения режима максимальной генерации излучения ЭГБР.
Известно устройство для сшивания кабельной изоляции - газоразрядный реактор вулканизатор [6. Устройство для сшивания кабельной изоляции / Патент РФ № 2322716, C08J 3/28 (2000.01), C08L 23/06 (2000.01), Бюл. № 11, 20.04.2008], который представляет собой тонкостенную кварцевую трубу, хорошо пропускающую Уф-излучение ЭГБР, и который взят в качестве прототипа предлагаемого устройства. В прототипе предлагаемого устройства [6] высоковольтный барьерный разряд формируется в газовом промежутке, между высоковольтным электродом и токопроводящей жилой кабеля, ограниченном высоковольтным барьером из кварцевого стекла и изоляции кабеля. Толщина газового промежутка - диаметр кварцевой трубы - для данного реактора всегда должна оставаться величиной постоянной и поэтому такой тип реактора не может быть универсальным и служит только для радиационного сшивания полимерной изоляции кабеля строго определенного диаметра.
Основными существенными недостатками устройства прототипа являются следующие:
1. Непрозрачность электродов для ионизирующего излучения ЭГБР. При радиационном сшивании в реакторе-прототипе полимерная изоляция кабеля (ее скорость движения, толщина и диэлектрические свойства) оказывает влияние на процесс сшивки, так как изоляция представляет часть объема реактора, в котором формируется излучение ЭГБР. Это не позволяет использовать один и тот же реактор для разных типов кабельных изделий.
2. Необходимость специального устройства, обеспечивающего постоянное надежное заземление токопроводящих жил (ТПЖ) кабеля в процессе радиационной сшивки. При любом отсутствии заземления ТПЖ процесс радиационной сшивки в реакторе прекращается и возникает опасность поражения персонала высоким напряжением, попадающим от источника питания на ТПЖ.
Группа изобретений направлена на создание по сравнению промышленно освоенными способами и устройствами более безопасной эффективной технологии и устройства для сшивки полимерной изоляции электрических кабелей и проводов различного диаметра.
Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в повышении эффективности радиационного сшивания полимерной изоляции электрических кабелей и проводов различного диаметра при сравнительно малых поглощенных дозах ионизирующего излучения. Другими словами, технический результат состоит в том, что при сравнительно малых поглощенных дозах ионизирующего излучения ЭГБР – (50 кГр) при повышенной температуре и давлении на 40% эффективнее формируется результат радиационного сшивания кабельных полиолефинов – 7 (полиэтилен высокой плотности ПЭВП, полиэтилен низкой плотности ПЭНП) - (в ПЭНП, ПЭВП на толщину полимера 3 мм).
2
2
о
Технический результат достигается тем, что в способе радиационной сшивки полимерной изоляции электрических кабелей и проводов, включающем обработку полимерной изоляции и проводов из полиолефинов рентгеновским излучением электрического газового барьерного разряда в реакторе в бескислородной среде, согласно изобретению, полимерную изоляцию кабелей и проводов облучают ионизирующими излучениями электрического газового барьерного разряда в среде инертного газа с активирующей добавкой в количестве 0,1 объемных % порошка мелкодисперсного диоксида свинца PbO, летучего в плазме электрического газового барьерного разряда при повышенной температуре Т=100С и повышенном давлении Р=10 атм. В качестве инертного газа используют аргон Ar или азот N.
Устройство, охарактеризованное в пункте 4 формулы изобретения, предпочтительно для радиационного сшивания полимерной изоляции при производстве бортовых авиационных проводов.
2
2
Технический результат достигается тем, что в устройстве для радиационной сшивки полимерной изоляции электрических кабелей и проводов из полиолефинов рентгеновским излучением электрического газового барьерного разряда (по пункту 4 формулы изобретения), включающем газовый реактор в виде трубы из термостойкого неорганического диэлектрика, на внешней стороне которой размещены высоковольтные электроды, при этом газовый реактор выполнен в виде секций, включенных последовательно, согласно изобретению, отдельная секция газового реактора в этом варианте состоит: из внешнего, непроницаемого для излучения электрического газового барьерного разряда, высоковольтного электрода, выполненного в виде сплошной стальной трубы; из внутреннего, проницаемого для излучения ЭГБР, заземленного электрода в виде стальной трубы с отверстиями или в виде трубы из стальной сетки; из заполненного инертным газом с активирующей добавкой в количестве 0,1 объемных % порошка мелкодисперсного диоксида свинца PbO газового разрядного промежутка фиксированной толщины 3 мм, в котором формируется рентгеновское излучение ЭГБР; из диэлектрического барьера в виде кварцевой стеклянной трубы с толщиной стенки 3 мм.  В качестве инертного газа используют аргон Ar или азот N.
2
2
о
о
о
Предлагаемые способ и устройство (реактор с «прозрачным» электродом) для радиационной сшивки полимерной изоляции электрических кабелей и проводов рентгеновским излучением электрического газового барьерного разряда из полиолефинов заключающаяся в том, что изделия облучают ионизирующими излучениями электрического газового барьерного разряда ЭБГР в бескислородной среде инертного газа-(аргон, азот) с активирующей добавкой порошка- (0,1 объемных %) мелкодисперсного PbO, летучего в плазме электрического газового барьерного разряда ЭГБР при повышенной температуре Т=100С и повышенном давлении Р=10 атм. Недостатки способа-прототипа устраняются тем, что предлагаемом способе радиационной сшивки полимерной изоляции электрических кабелей и проводов рентгеновским излучением электрического газового барьерного разряда изделия из полиолефинов облучают рентгеновским излучением ЭГБР в бескислородной среде инертного газа под давлением 10 атм. при температуре 100С с активирующей добавкой мелкодисперсного, летучего в ЭГБР порошка двуокиси свинца-(1 объемный % PbO). Предлагаемый способ радиационной сшивки позволяет при сравнительно малых поглощенных дозах – (50 кГр) безопасного для персонала ионизирующего излучения ЭГБР увеличить эффективность сшивания кабельных полиолефинов по сравнению с прототипом на 40%. Под воздействием ионизирующего излучения ЭГБР в результате радиолиза в объеме полиолефина при повышенных температуре Т=100С и давлении Р=10 атм. образуются макрорадикалы, способные 10 взаимодействовать как между собой, так и с молекулами, растворенными в аморфной фазе полимера, низкомолекулярных ненасыщенных углеводородов, с преимущественным образованием межмолекулярных связей- (сшивок). Это позволяет осуществлять более эффективное сшивание полиолефинов при более низких поглощенных дозах, в менее жестких ионизирующих излучениях.
Группа изобретений поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема продольного сечения реактора для радиационной сшивки ПЭВП кабельной изоляции или радиационной сшивки полимерной изоляции бортового авиационного провода-БАП рентгеновским излучением электрического газового барьерного разряда-ЭГБР.
На фиг. 2 представлена схема поперечного сечения реактора для радиационной сшивки ПЭВП кабельной изоляции или радиационной сшивки полимерной изоляции бортового авиационного провода-БАП рентгеновским излучением электрического газового барьерного разряда-ЭГБР.
2
о
о
Заявляемый способ был опробован на различных изделиях из полиолефинов (кабель, муфты, пленки, трубки и т.д.), выполненных из следующих материалов: полиэтилен высокой и низкой плотности. Образцы кабельной изоляции из полиэтилена низкой плотности- (ПЭНП) и полиэтилена высокой плотности-(ПЭВП) облучали в аргоне и воздухе с добавкой и без добавки PbO при температуре Т=20С, 100С под 11 давлением Р= 1, 10 атм. Измеряли гель-фракцию при поглощенных дозах 25 кГр и 50 кГр. Экспозиционную дозу рентгеновского излучения ЭГБР измеряли с помощью дозиметра ДРГЗ-4. Степень сшивки полимерного материала определяли методом выделения гель-фракции после растворения в параксилоле. Результаты определения степени сшивания приведены в таблицах 1, 2.
Таблица 1.
Среда, при Т=20<sup>о</sup>С, Р=1 атм.
ПЭНПH, мм
ПЭВПH, мм
Доза25 кГр, U, кВ
Доза50 кГр, U, кВ
Гель-фракция ПЭНП,%
Гель-фракция ПЭВП,%
Ar+PbO<sub>2</sub><sub>(0,5%)</sub>
1
1
6
6
20
18
Ar+PbO<sub>2</sub><sub>(2%)</sub>
2
2
12
12
25
25
Ar+PbO<sub>2</sub><sub>(3%)</sub>
3
3
25
25
25
25
Воздух
1
1
6
6
8
8
Воздух
2
2
12
12
10
10
Воздух
3
3
25
25
11
11
Таблица 2.
Среда, при Т=100<sup>о</sup>С, Р=10 атм.
ПЭНПH, мм
ПЭВПH, мм
Доза25 кГр, U, кВ
Доза50 кГр, U, кВ
Гель-фракция ПЭНП,%
Гель-фракция ПЭВП,%
Ar+PbO<sub>2</sub><sub>(0,5%)</sub>
1
1
6
6
30
28
Ar+PbO<sub>2</sub><sub>(2%)</sub>
2
2
12
12
43
40
Ar+PbO<sub>2</sub><sub>(3%)</sub>
3
3
25
25
43
40
Воздух
1
1
6
6
17
17
Воздух
2
2
12
12
18
18
Воздух
3
3
25
25
19
19
Из результатов, представленных в таблицах 1 и 2 становится видно, что увеличение температуры и давления-(Т=100оС, Р=10 атм.) и использование активатора- (1 объемный % PbO2) в предлагаемом способе, 12 позволяет на 40% увеличить эффективность радиационного сшивания полиолефиновой кабельной изоляции по сравнению с прототипом. Для технической реализации предлагаемого способа радиационной сшивки полимерной изоляции электрических кабелей и проводов рентгеновским излучением ЭГБР в настоящей заявке предлагается к использованию соответствующее техническое решение – устройство (реактор с прозрачным электродом).
Предлагаемое устройство (реактор с прозрачным электродом) может быть использовано для однослойного и многослойного наложения полимерной кабельной изоляции толщиной 3 мм и для формирования радиационного эффекта памяти формы в защитных кабельных оконцевателях. Изобретение может быть использовано в кабельной промышленности и при производстве полимерных изделий. На фиг. 1 схематично представлена секция реактора для сшивки ПЭВП кабельной изоляции или сшивки полимерной изоляции бортового авиационного провода-БАП ионизирующим излучением электрического газового барьерного разряда-ЭГБР. В зависимости от толщины кабеля используют газовый реактор многосекционного типа фиг.1.
Элементам устройства присвоены следующие цифровые обозначения:
1 - внешний, непроницаемый для излучения, высоковольтный электрод реактора ЭГБР-(стальная сплошная труба);
2 - внутренний, проницаемый для излучения, заземленный электрод реактора ЭГБР-(стальная труба с отверстиями или труба из стальной сетки);
3 - диэлектрический барьер-(труба из кварцевого стекла);
2
4 - газовый разрядный промежуток, заполненный Ar+PbO, в котором формируется рентгеновское излучение ЭГБР.
Отдельная секция ЭГБР реактора фиг.1 состоит: - из внешнего, непроницаемого для излучения ЭГБР, высоковольтного или заземляемого электрода реактора ЭГБР в виде стальной сплошной трубы 1; - из внутреннего, проницаемого для излучения ЭГБР, заземленного или высоковольтного электрода реактора ЭГБР в виде стальной трубы с отверстиями или трубы из стальной сетки 2; - из газового разрядного промежутка 4 строго фиксированной толщины 3 мм, заполненного аргоном Ar или азотом и активатором в виде мелкодисперсного, летучего в ЭГБР порошка диоксида свинца (IV) PbO2, в котором формируется рентгеновское излучение ЭГБР; - из диэлектрического барьера в виде кварцевой стеклянной трубы 3 толщиной стенки 3 мм. При использовании предлагаемого реактора, как и в случае прототипа, используется высокое переменное напряжение (3÷70 кВ) промышленной или повышенной частоты (50, 150 или 300 Гц). Для целей высоковольтной изоляции и теплоотвода устройство ЭГБР реактора помещается в металлический-(стальной) корпус (на чертеже не показан), заполненный трансформаторным маслом. Основные преимущества предлагаемого устройства для сшивки полимерной кабельной изоляции по сравнению с прототипом, предлагаемого устройства состоят в следующем:
1. Более высокая универсальность (реактора с прозрачным электродом), позволяющая использовать его в производстве различных типов кабелей.
2. Более высокая стабильность процесса радиационного сшивания по сравнению с прототипом. Полимерная изоляция кабеля- (ее геометрические размеры и электрофизические свойства) не влияют на процесс генерации ионизирующего излучения ЭГБР и на процесс сшивки. Ионизирующее излучение ЭГБР в предлагаемом устройстве формируется в строго геометрически ограниченном, специально выделенном, газоразрядном промежутке и через электрод, прозрачный для излучения ЭГБР воздействует на полимерную кабельную изоляцию.
3. Более высокая безопасность процесса радиационной сшивки по сравнению с прототипом. В процессе радиационного сшивания в предлагаемом устройстве отсутствует опасность воздействия высокого напряжения на персонал за счет ненадежной работы устройства заземления ТПЖ. Во избежание механического повреждения устройства и в целях электробезопасности обслуживающего персонала реактор размещается в стальном герметичном заземляемом корпусе (на чертеже не показан) с трансформаторным маслом, способным выдерживать повышенное давление - (свыше 10 атм.) и повышенную температуру- (свыше 100оС). На поверхности стального корпуса реактора монтируется трубчатый змеевик (на чертеже не показан) для его нагревания за счет подачи горячей воды. В металлический корпус реактора с трансформаторным маслом и в трубу каждого реактора независимо подается сжатый инертный газ (азот или аргон с добавлением 0,1 объемных% PbO2) из газового баллона через редуктор под давлением 10 атм. На внешней стенке кварцевой трубы реактора крепятся соединенные с корпусом заземляющие «непрозрачные» металлические электроды. На внутренние электроды - («прозрачные» для ионизирующего излучения ЭГБР) через высоковольтный трансформаторный ввод (на чертеже не показан) подается высокое переменное напряжение - (3÷70 кВ) промышленной или повышенной частоты (50, 150 или 300 Гц). Устройство ЭГБР реактора размещается в заземленном герметичном металлическом баке (на чертеже не показан), заполненном трансформаторным маслом- (давление масла в баке-Р=10 атм., температура масла в баке Т= 100оС).
Устройство для радиационной сшивки полимерной изоляции электрических кабелей и проводов работает следующим образом.
Для целей поддержания газового давления и высокой температуры реактор помещается в герметичный металлический водонагреваемый корпус, заполненный трансформаторным маслом.
Источники информации
1. Финкель Э.Э., Брагинский Р.П. Нагревостойкие провода и кабели с радиационно-модифицированной изоляцией. Москва: Энергия, 1975, стр.13-16.
2. Новиков, Г.К. Плазмофизические электротехнологии модификации полиолефиновой кабельной изоляции: монография / Г.К.Новиков; Иркутский гос. техн. ун-т.- Изд-во ИрГТУ, 2007.-104с.
3. Шувалов М.Ю. Исследование надежности силовых кабелей среднего и высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена/ М.Ю. Шувалов, В.Л.Овсиенко, Д.В.Колосков //Кабели и провода.-2007.- №5.-С24-32.
4. Новиков Г.К. Плазменные электротехнологии модификации и контроля дефектности полиолефиновой кабельной изоляции: монография.- Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008.- 100с.
5. Способ получения сшивного кабельного полиэтилена/ Патент РФ №2250912, БИ№ 12, 27.04.2005 // Новиков Г.К., Смирнов А.И., Жданов А.С., Новикова Л.Н., Маркова Г.В., Мигунова Т.Р.
6. Устройство для сшивания кабельной изоляции / Патент РФ № 2322716,БИ № 11, 20.04.2008.