三种高压电缆铝护套制作工艺的性能对比与分析.docx

高压电缆铝护套三种制作工艺的性能对比与分析三种高压电缆铝护套制作工艺性能对比分析随着国民经济的发展和城市化进程的加速，采用高压电力电缆送电正成为当 今城市电网建设的趋势高压交联聚乙烯（XLPE）绝缘电力电缆制造技术的发 展与成熟，使之成为高压电缆输电线路的主流高压XLPE电缆设计要考虑的因 素很多，其中金属护套的选择涉及电缆线路的安全性、可靠性及经济性金属护套在电缆中的主要作用是防水、承受短路电流、对绝缘线芯起保护作 用，因此，金属护套必须具有良好的机械性能、耐腐蚀以及良好的密封性能和导 电性能通常使用的金属护套材料主要有铅或铝，由于铝与铅相比具有许多优点， 因此目前电缆金属护套材料较多采用铝或铝合金材料铝护套的制作有挤铝、压铝和氩弧焊三种工艺本文主要对这三种工艺制作 的XLPE电缆铝护套的力学性能和显微结构进行对比、分析研究1铝护套的三种制作工艺1.1压铝型铝护套在压铝工艺中，必须选用可塑性好、纯度较高的铝锭，铝的纯度一般应不低 于99. 6%铝的熔点较高（658°C），因此通常把圆柱形的铝锭先预热到450°C左右，然后将其一端冲击加热到530C，再装人工作筒进行铝护套的挤制压铝机是一种精密设备，，体积庞大、造价昂贵、生产工序、工艺流程比较 复杂，且能耗和功耗很高，一般的电缆厂难以承受，因而生产的铝护套电缆成本 较高。

1.2氩弧焊型铝护套纵包焊接皱纹铝护套是由冷轧铝板卷包成型后，用氩弧焊接机焊接而成氩 弧焊焊接机组通常由放带、清洗、剪边、卷包成型、焊接、牵引、检测、轧纹等 部分组成，与压铝机相比造价非常低，生产工序、工艺流程简单，功耗及能耗较 低，因而生产成本也相对较低但由于在氩弧焊型铝护套中有焊缝存在，为保证 产品的密封性，需检验铝护套是否有漏焊，还要对整根电缆进行浸水后的气密性 试验1.3挤铝型铝护套20世纪80年代发展起来的连续包覆挤铝技术是一种先进的生产工艺，最初 该工艺只适合于直径小于35 mm的铝及其合金管材或型材的生产近年来，浙 江晨光电缆公司与英国BWE公司合作共同研发了连续包覆挤铝新设备该设备 采用铝杆连续挤压摩擦挤管技术，将电缆的模具系统由原来的流道层压板式，改 成古堡式的模芯，并借助计算机的辅助设计，使铝材在流道中的压力保持一致， 既提高了挤出铝管的同心度和圆整度，又使挤出铝管的厚度更加均匀在缆芯外 面和铝护套外面，分别进行缆芯冷却和铝管冷却，同时在电缆缆芯和铝管内壁之 间，设计了一个带夹层的冷却水管，可有效防止电缆缆芯被高温铝管烫伤轧纹部分采用浮动式轧纹技术，保证了轧纹节距和深度稳定可调。

实现了高 电压、大截面电缆无缝皱纹铝护套的连续挤出，铝管的同心度和圆整度达到了同 类产品的领先水平与传统的压铝技术相比，设备成本低，节省电能70%以上， 具有效率高、操作简单、安全可靠等优点2力学性能分析浙江晨光电缆公司提供了挤铝、压铝和氩弧焊三种工艺的铝护套，西安交通 大学电力设备电气绝缘国家重点实验室依据GB 6397—86《金属材料室温拉伸 试验》和GB/T 246—2007《金属管压扁试验方法》制作了试样为了区分不同 工艺制作的试样，对三种铝护套试样进行统一编号：JL—挤铝铝护套；YH—氩 弧焊工艺的铝护套；Y L—压铝铝护套2.1抗拉强度与伸长率将两种（挤铝、氩弧焊）工艺制造的铝护套，切割成如图1a所示尺寸的非 比例试样，切样时应防止损伤试样表面和因受热或冷加工改变其性能，同时试样 表面应无毛刺实际试样及拉断后的试样如图lb和图lc所示拉力与伸长量关 系曲线如图2所示强度是指金属在静载荷作用下、抵抗塑性变形或断裂的能力，是机械零件（或 工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主 要依据塑性是指金属材料断裂前发生永久变形的能力，衡量指标为伸长率和断 面收缩率，本文采用伸长率来衡量铝护套的塑性。

铝护套（JL、YH）抗拉强度 和伸长率的计算结果见表12.2压扁试验分析压扁试验分析，是检验铝护套压扁到规定尺寸的变形性能、并显示其缺陷的 一种试验方法用垂直于铝护套纵轴线方向的力，对规定长度的螺旋型波纹铝护 套(JL、YH、YL)端部施加压力进行压扁如图3a所示，直至位移为-61.77 mm 终止试验实际试样及压扁后的试样见图3b和图3c表1抗拉强度和伸长率计算结果试样力学性能试样编号平均值123挤铝强度/MPa67.7165.0569.8167.52L)(J伸长率/ %38.1254.8743.8945.63焊氩弧强度/MPa65.658.2468.2264.02H)(Y伸长率/ %43.7941.6436.4440.62对于氩弧焊工艺的铝护套应分别在压力与焊缝平行和垂直的两种方式下做 压扁试验压力与变形关系曲线如图4所示，屈服压力大小见表2从图4中可以看出，不同制造工艺的铝护套在压力作用下表现出来的变化趋 势相同对照表2可以看出，图4c氩弧焊焊缝在上方(0°)时，由于焊缝的 存在使屈服压力偏小显微硬度分析硬度是指金属表面上不大体积内抵抗变形或抵抗破裂的能力常用的硬度实 验指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。

本文采用HXD-1000TMC维氏 显微硬度计测量硬度，得到三种铝护套的硬度如表3所示表中凸的位置是指波 纹管的波峰位置，而凹的位置是指波纹管的波谷位置表2屈服压力大小 （单位：N）试样种类试样编号屈服力平均值123挤铝（JL）1019.6951230.4911278.1176.35压铝（YL）1226.5761249.5801226.1234.31焊氩弧0°1166.00806.28481023.998.59H）（YO901131.5061200.4331203.1178.43注：氩弧焊（YH）焊缝在上方时，以0°表示；焊缝在中部时，以90°表Z示O从表3中可以看出，氩弧焊和压铝波纹管凹处的硬度明显大于凸处的，而挤 铝的凸处和凹处的硬度没有明显的差别3铝护套的密度测量采用比重瓶法测量密度，通过测得试样的质量和体积，便可求得材料的密度挤铝、压铝、氩弧焊三种铝护套的密度分别为2.86、2.82、2.81 g/ cm3可看 出三种铝护套的密度基本相同，无明显差别表3维氏硬度（HV）测量结果试样样置取位测量次数值均12345挤凹37.323232.1铝041.268.747.088.1145凸35.233231.1（J L）448.533.492.647.9160压凹40.344无40.1铝435.743.722.2353凸30.222无28.1（YL）526.489.396.5123氩凹38.434441.1弧焊348.655.512.612.2047凸30.323无29.1（YH）071.027.480.54784铝护套的显微结构分析4.1透射电镜试验分析利用JEM-200CX透射电子显微镜进行组织形貌与晶体结构同位分析，在相 同放大倍数（10000倍）下，图5为对铝护套波峰从纵向（沿铝护套轴向）进行 观察的显微结构照片，图6为对铝护套波峰从横向（铝护套外径方向）进行观察 的显微结构照片。

从图5可以看出，氩弧焊（YH）的晶粒尺寸要比挤铝（JL）和压铝（YL）大，位错胞较多；压铝（YL）的亚晶粒多，位错胞少；挤铝（JL） 的晶粒尺寸小，亚晶粒少，位错胞多，晶界较宽图5和图6基本相同，氩弧 焊（YH）的晶粒向横向生长4.2扫描电镜试验分析通过S-2700扫描电子显微镜，对哑铃型试样拉伸试验后的断口如图7进行 分析，观察与断口成一定角度的剖面组织，研究断口形貌与显微组织之间的对应 关系、裂纹走向、断裂机理图8为断口扫描电镜图通过观察断口形貌，可发 现断口呈纤维状，暗灰色，各状态下断口主要由韧窝和撕裂棱组成，氩弧焊（YH） 焊缝处的撕裂棱成不规则形状从图8a和图8b中可以看出，韧窝的大小较均 匀，纤维状组织明显，原因在于塑性变形时，晶界滑移造成晶粒之间的不协调， 使空洞产生并发展，同时在拉伸过程中大多数晶粒是沿晶拉开，导致空洞形成、 生长，最终导致材料断裂；由于存在大晶粒，氩弧焊（YH）的韧窝要比挤铝（JL） 的大，从图8c可以看出，由于焊接时的高温使焊缝处的组织发生变化，导致韧 窝变小总之拉伸断口形貌呈现典型的沿晶断裂特征5结论与展望通过对挤铝、压铝和氩弧焊等三种不同生产工艺制备的铝护套进行力学性能 和显微结构分析，可以得出以下结论：（1）挤铝的抗拉强度、伸长率、屈服压力都高于氩弧焊，表明挤铝的强度 和塑性都优于氩弧焊，氩弧焊焊缝在上方时，屈服压力偏小；压铝的屈服力要大于氩弧焊，与挤铝相比差别不大；氩弧焊和压铝波纹管凹处的硬度明显大于凸处 的，而挤铝的凸处和凹处的强度几乎相等，表明挤铝在成型过程中均匀性要好。

2) 从显微结构分析中，可以得出氩弧焊纵向和横向都存在长条形晶粒， 并比挤铝和压铝大，压铝和挤铝的晶粒小，挤铝几乎不存在大晶粒；压铝的亚晶 粒多，位错胞少；挤铝的位错胞多，晶界较宽；表明挤铝和压铝有更好的显微组 织3) 拉伸断口形貌呈现典型的沿晶断裂特征压铝机造价昂贵，生产工序、工艺流程较复杂，且能耗和功耗高于挤铝和氩 弧焊，大大提咼了电缆的制造成本氩弧焊虽造价低、生产工序简单，但铝护套 上存在焊缝，须做漏焊检查，并且由于焊接过程中使组织发生变化，影响其力学 性能连续包覆挤铝技术生产铝护套作为一种新的生产工艺，可一次成型，能耗 低、效率高，金属在凝固过程中，伴随了变形的进行，晶粒被细化，不仅可以降 低电缆的制造成本，而且能得到更好的显微结构和力学性能挤铝工艺生产的无缝铝护套电力电缆已经用于110 kV福建南安-霞美线路改 造工程，杭州电力局110 kV景春、钱院、钱福线改造工程，福建石狮城西输变 电工程等线路目前所有电缆运行良好，各项指标均满足工程实际要求未来在 电力系统供电、配电环节中，采用挤铝工艺生产的无缝铝护套电力电缆将是发展 的方向。