張有良， 李存良， 秦 濤， 張國安， 施俊文， 李靜宇

(輕工業(yè)西安機械設(shè)計研究院，陜西西安710086)

0 引言

柔性陽極電纜是為解決輸油管道、天然氣管道、大型儲存罐防腐問題而研制的新型特種電纜。柔性陽極又名聚合物型電纜陽極，聚合物電纜陽極是用導(dǎo)電的、性能穩(wěn)定的改性聚合物制成，石墨粉作為導(dǎo)電材料，銅質(zhì)電纜芯用作電流導(dǎo)線，做成電纜狀的陽極，柔韌性好，抗機械損傷能力強，化學(xué)穩(wěn)定性好。應(yīng)用陽極柔性電纜，克服了一些傳統(tǒng)陰極保護技術(shù)的難點，如對外部結(jié)構(gòu)物的干擾、高電阻率環(huán)境介質(zhì)中實施陰極保護、儲罐底部的陰極保護電流分布等，解決了埋地舊管道防腐層嚴重老化。本文將論述特種柔性陽極電纜的特點和生產(chǎn)工藝。

1 柔性陽極電纜的產(chǎn)品組成

1.1 柔性陽極電纜的結(jié)構(gòu)

成型的柔性陽極電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。一般柔性陽極由銅芯、導(dǎo)電聚合物陽極材料、焦炭渣、編織物等組成。電纜的芯線由一根帶有絕緣層的銅芯電纜和導(dǎo)電聚合物陽極材料平行組成，相隔一定距離導(dǎo)電聚合物與銅導(dǎo)線相連接，不同的產(chǎn)品規(guī)格不同。

圖1 特種柔性陽極電纜結(jié)構(gòu)簡圖

電纜芯線的周圍由焦炭粉包裹，包裹碳粉的是纖維布套，形成碳粉和芯線同軸，最外面的一層是編股纖維絲，保護纖維布不被劃傷。

1.2 常用陽極電纜的主要參數(shù)

常用的柔性陽極電纜基本尺寸(成品直徑)39.5 mm，柔性陽極內(nèi)部電纜線芯結(jié)構(gòu)1×10 mm2，碳粉的固定碳含量≥99.27%，體積電阻率≤0.05 Ω·cm，填包布套，頂破強度1 575 N，單位面積質(zhì)量242 g/m2。

1.3 柔性陽極電纜應(yīng)用原理

早期主要是為解決覆蓋層老化的老齡管道的陰極保護問題而研制開發(fā)的，目前已廣泛應(yīng)用于新建和已建管道及儲罐的保護。柔性陽極安裝在管道或其它被保護結(jié)構(gòu)的附近，并連接到外接電源的正極上，而管道等被保護體則連接到外接電源的負極上，這樣形成了回路。通電后，適量的陰極防護電流就可以通過導(dǎo)線均勻地分散到每一個部位，使被保護體得到完整的保護。簡而言之，柔性陽極陰極保護物理模式可比作平行板電容器，柔性陽極帶正電，被保護管道帶負電;在地床中產(chǎn)生平行柱狀電場，使管道處于等電位保護作用。

2 柔性陽極電纜的使用材料

柔性陽極電纜一般由芯線、焦碳粉和纖維布組成，焦炭粉與線芯同軸，由纖維布包裹。

2.1 包裹纖維布

纖維布套應(yīng)耐酸、氯，并有一定的耐磨性，產(chǎn)品不同，性能不同。一般要求的物理特性包括厚度、重量、破裂拉力、磨阻次數(shù)、包裹碳粉后的外徑等參數(shù)，纖維布套采用熱熔膠粘合劑粘合，熱熔膠要求快干，粘合力強，以便提高成型速度。纖維布復(fù)卷在內(nèi)孔直徑為70 mm的紙筒上，常用幅寬(127±1)mm，布卷直徑≤500 mm，有足夠的頂破強度和耐磨次數(shù)。

2.2 線芯

線芯結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由絕緣銅芯線和導(dǎo)電聚合物陽極材料組成，其中常用的絕緣銅芯線1×10、1×16、1×25或根據(jù)客戶要求定制，常用的導(dǎo)電聚合物陽極材料直徑1.0 mm、2.0 mm，1股或2股，可根據(jù)客戶要求定制。

圖2 線芯結(jié)構(gòu)與結(jié)合部結(jié)構(gòu)示意圖

一般此線芯的生產(chǎn)工藝通過3個工位來完成，具體步驟如下:

首先將銅芯絕緣電纜從放線架引出，導(dǎo)電聚合物陽極材料從放線架引出，兩種導(dǎo)線同步傳送，一般輸送3～5 m后停止，通過第二步完成如圖2的連接結(jié)構(gòu)。

第二步，分別在3個工位同步完成以下工作。在工位1處對導(dǎo)電聚合物陽極材料折彎定型，在工位2處對銅芯絕緣電纜沖掉絕緣層，在工位3處打扣，將兩種導(dǎo)線緊密連接(在打扣的過程中檢測兩種導(dǎo)線的同步性)。

第三步收卷，將打好扣的電纜纏繞在標準線架上，供給柔性陽極電纜生產(chǎn)設(shè)備使用，一般總長度在1 km以上。

2.3 焦炭粉特性

焦炭粉應(yīng)采用石油基焦碳，其分布在導(dǎo)電聚合物周圍，物理特性包括固定碳含量、體積電阻率、粒徑和密度，不同的電纜要求的碳粉性能不同。

3 柔性陽極電纜的生產(chǎn)工藝

圖3是柔性陽極電纜的生產(chǎn)工藝流程簡圖，主要包含布料供給與成型、碳粉供給、電纜供給三個部分工藝過程。布料成形、碳粉填充和芯線輸送要求自動同步運行。

圖3 主要工藝過程方框圖

3.1 布料供給與成型

布料供給與成型主要由布卷安裝架、布料的應(yīng)力釋放和恒張力、布料的成型組成。

3.1.1 布料供給

布料的供給主要由布料安裝架和布料的應(yīng)力釋放和恒張力系統(tǒng)完成。布卷安裝在安裝架上，布卷的安裝架從工藝上要求安裝方便，導(dǎo)出平展。布料的安裝架由主副安裝架組成，每個安裝架上由加緊機構(gòu)、調(diào)整定位機構(gòu)、剎車機構(gòu)組成［1］。

布料在復(fù)卷的過程中產(chǎn)生應(yīng)力，展開后首先釋放應(yīng)力，產(chǎn)生相對的恒張力，在成型的過程中才會穩(wěn)定，不易跑偏。一般釋放應(yīng)力產(chǎn)生恒張力的辦法，主要是布料通過多道固定滾筒和移動滾筒，控制移動滾筒的移動范圍，將布料儲存在該機構(gòu)上。儲存在該機構(gòu)上的布料張力在允許的范圍內(nèi)變化，不影響成型效果［1，2］。

3.1.2 布料的成型與封合

布料的成型，如圖4所示。采用枕形包裝機中的圓形翻領(lǐng)成型器成型，熱熔膠噴涂，壓合后同步包裹碳粉和線芯。此技術(shù)比較成熟，效果較好。成行速度取決于熱熔膠的粘合速度，熱熔膠的開放時間在10 s之內(nèi)有效。為使粘合效果良好，設(shè)計要求不超過6 s，涂膠點與壓合點的距離如圖4所示，一般距離為200 mm，設(shè)定距離192 mm左右，得出最低成型速度V=192/6=32 mm/s=1.92 m/min，因此成型速度不低于1.92 m/min，可以保證封合比較理想。

圖4 布料成型與封合的結(jié)構(gòu)圖

3.1.3 布料的成型線速度

布料成型的牽引由牽引輪完成，牽引輪的線速度即為布料成型的線速度。根據(jù)牽引輪周長與轉(zhuǎn)速乘積，得出成型線速度U3=Φ1πU1/K1，其中成型電機轉(zhuǎn)速U1，電纜牽引輪直徑 Φ1=90 mm(圖5所示)，布料牽引減速機減速比K1=120，得出:

成型速度最低為1.92 m/min時，布料驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速U1=1 920×120/90π=814.8 r/min，公稱設(shè)計3.5 m/min成型速度時，成型牽引電機的轉(zhuǎn)速為3500×120/90π=1 485.4 r/min，符合一般電機和減速機的選型要求。

3.2 線芯供給

線芯供給由線芯預(yù)牽引和線芯牽引兩部分組成。

3.2.1 線芯的預(yù)牽引

線芯在制作收卷的過程中，線芯產(chǎn)生了應(yīng)力，線芯在同步牽引之前進行應(yīng)力的釋放。在設(shè)計預(yù)牽引機構(gòu)時要考慮應(yīng)力釋放和恒張力釋放系統(tǒng)，預(yù)牽引出口處線芯保持一個相對穩(wěn)定的恒張力。

3.2.2 線芯牽引

柔性陽極電纜在成型的過程中，線芯牽引的速度取決于布料成型的速度。通過計算結(jié)果修正輸送的誤差，建立與成型相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，同步運行、同步牽引的過程中消除誤差，制作出的特種同軸線芯達到同心、芯線自然平直的效果。

成型速度與線芯牽引速度的關(guān)系，按式(1)同樣原理得出電纜牽引線速度U2=Φ4πU4/K4。其中，成型電機轉(zhuǎn)速U1;電纜牽引電機轉(zhuǎn)速U4;設(shè)定電纜牽引輪直徑Φ4=114 mm;電纜牽引減速機減速比K1=100。根據(jù)線速度相等原理得:

公稱設(shè)計速度為3.5 m/min時，成型牽引電機的轉(zhuǎn)速為1 485.4 r/min，根據(jù)式(2)計算出電纜牽引電機速度U2=1 485.4/1.52=977.24 r/min，符合設(shè)計要求，運行速度有調(diào)高的空間。

3.3 焦碳粉供給

根據(jù)碳粉的物理特性，碳粉的定量供給采用螺旋輸送，如圖5所示。通過建立與成型相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，與布料同步運行，保證碳粉填充的準確性。

圖5 碳粉下料與布料成形關(guān)系示意圖

成型速度與碳粉下料速度的關(guān)系，通過圖5碳粉下料與布料成形體積關(guān)系計算。根據(jù)圓柱體體積計算出單位時間內(nèi)成型部分需要的碳粉體積V1:

式中，成型筒內(nèi)徑D3=38 mm;電纜直徑D4=13 mm;U3為成型線速度。根據(jù)圖5求出布料成型線速度U3=Φ1πU1/K1(式 1)。式中，對于外徑為39.5 mm的柔性陽極電纜，成型牽引輪的直徑Φ1為90 mm。

根據(jù)螺旋體積計算出單位時間內(nèi)螺旋碳粉輸送體積V2:

式中，碳粉下料電機轉(zhuǎn)速U2;減速比K2;螺旋輸料器螺桿內(nèi)徑D2=34;螺旋葉輪外徑D1=75;螺距b=47。由成型和螺旋下料體積相同得出:

假設(shè)螺旋輸料減速比K2=50時，根據(jù)式(3)，成型最小線速度為1 920 mm/min，得出螺旋輸料器的電機最小轉(zhuǎn)速為582.5 r/min;布料成型公稱設(shè)計線速度為3.5 m/min時，得出螺旋輸料器電機的公稱設(shè)計轉(zhuǎn)速為1 062.5 r/min。符合一般伺服電機的選型要求，運行速度有調(diào)高的空間。

4 結(jié)束語

柔性陽極電纜是一種新型器材，它的生產(chǎn)工藝涉及的技術(shù)比較多，集成多項關(guān)鍵技術(shù)。我們研究生產(chǎn)工藝的目的，主要為完成此工藝的生產(chǎn)設(shè)備的研究奠定良好基礎(chǔ)。工藝的可行性還要通過在生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)過程中驗證，進行改進、提高和完善。為了支持國內(nèi)柔性陽極電纜的生產(chǎn)，打破國外公司在該行業(yè)的壟斷，我們已研發(fā)出全自動電纜同軸包裹碳粉生產(chǎn)柔性陽極特種電纜專用設(shè)備，它是典型的光機電一體化智能設(shè)備，屬多項現(xiàn)代先進技術(shù)的集成創(chuàng)新項目。

［1］張有良，王 茹，張國安，等.提高熱縮膜包裝機送膜速度的研究［J］.食品與包裝機械，2011，29(5):21-24.

［2］張有良，常曉煜，張國安，等.枕形袋立式包裝機的膜預(yù)牽引和成形制袋的研究［J］.食品與包裝機械，2010，28(5):20-23.