动态海底电缆及动态海底电缆的成型方法与流程

1.本发明涉及海缆技术领域，具体而言，涉及一种动态海底电缆及动态海底电缆的成型方法。


背景技术：

2.近年来，随着低碳的发展，我国水深超过50m的海域蕴藏的风能储量超过1268gw，占整个海上风能的60％以上，这些海域安装固定桩风机难以实现。为满足国内沿海经济发达省份对清洁能源的巨大需求，漂浮式风电成为未来中国风电开发的最佳途径。国际上多数海洋大国，大陆坡急剧延伸至深海，为了获取更佳风资源，动态海缆使用深度往往达到1000m，同时大容量传输，动态海缆单位重量和尺寸越来越庞大。
3.目前，随着浮式风电的发展，连接浮式结构物和水下设备的动态海底光电复合海缆存在位于大水深时阻水性能和疲劳性能不好的问题，导致动态海底电缆的使用寿命低。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种动态海底电缆及动态海底电缆的成型方法，以解决现有技术中的动态海底电缆位于大水深时阻水性能和疲劳性能不好导致使用寿命较低的问题。
5.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种动态海底电缆，包括：光单元和多个电缆线芯，环绕光单元和多个电缆线芯，从内至外依次设置有内护套、铠装层和外护套；多个电缆线芯构成三角形结构，相邻两个电缆线芯之间抵接接触，电缆线芯包括由内到外依次设置的铝合金导体单元、导体屏蔽层、绝缘层以及绝缘屏蔽层，铝合金导体单元包括多个导体层和设置在相邻两个导体层之间的阻水胶，每个导体层包括多根导体单丝。
6.进一步地，导体单丝为铝合金单丝，导体单丝的强度为305mpa～330mpa；导体单丝进行退火处理。
7.进一步地，每个导体层的节距和该导体层的外径之间满足以下条件：10da≤h≤16da；其中，da为导体层的外径，h为导体层的节距。
8.进一步地，多根导体单丝采用非紧压绞合的方式绞制成铝合金导体单元，每个导体层包括6n个导体单丝，每个导体层的外径da＝(2n+1)d，其中，n为导体层的层数，d为导体单丝的直径。
9.进一步地，电缆线芯还包括设置在绝缘屏蔽层的外周的金属屏蔽层，金属屏蔽层包括沿径向间隔设置的两根铜带和设置在两根铜带之间的半导电阻水带。
10.进一步地，动态海底电缆还包括填充结构，相邻两个电缆线芯之间均设有填充结构，填充结构的一侧设有与电缆线芯的外壁面相适配的接触表面，填充结构的另一侧开设有用于容纳光单元的容纳槽。
11.进一步地，电缆线芯和填充结构均为三个，每个填充结构设有多个容纳槽，每个容纳槽内均设有光单元。
12.进一步地，铠装层由扁钢丝绞合制成，铠装层为多个，相邻两个铠装层的扁钢丝的绞合方向相反。
13.进一步地，铠装层的外周涂有沥青或沥青漆；或者，铠装层的外周绕包pp绳。
14.进一步地，电缆线芯还包括第一半导电缓冲带和第二半导电缓冲带，第一半导电缓冲带位于金属屏蔽层的内侧，第二半导电缓冲带位于金属屏蔽层的外侧。
15.根据本发明的一个方面，提供了一种动态海底电缆的成型方法，成型方法包括：制备电缆线芯，使得电缆线芯包括由内到外依次设置的铝合金导体单元、导体屏蔽层、绝缘层以及绝缘屏蔽层，铝合金导体单元包括多个导体层和设置在相邻两个导体层之间的阻水胶，每个导体层包括多根导体单丝；设置多个电缆线芯，以构成三角形结构；制备光单元的过程；环绕光单元和多个电缆线芯，由内到外依次设置内护套、铠装层和外护套。
16.进一步地，制备电缆线芯的步骤还包括：采用非紧压同心绞合的方式将多根导体单丝绞制形成多个导体层的多个导体层成型步骤；以及，挤压位于最外层的导体层。
17.进一步地，成型方法还包括在铠装层的外周涂抹沥青或沥青漆，和/或，成型方法还包括在铠装层的外周绕包pp绳。
18.应用本发明的技术方案，铝合金阻水导体采用圆形非紧压的设计，能够缓解铝合金结构塑性硬化的问题，延伸铝合金导体的疲劳使用寿命；在相邻两个导体层之间填充阻水胶，铝合金导体单元能够形成紧密的实体，阻水胶可以提升多根导体单丝的间隙处的阻水性能，同时，在受到弯曲-拉伸载荷的作用时，阻水胶还可以缓解相邻导体单丝之间的摩擦应力和损伤，这样，当动态海底电缆位于大水深时，可以延长动态海底电缆的使用寿命。另外，导体屏蔽层、绝缘层以及绝缘屏蔽层形成三层共挤结构，其中，导体屏蔽层能够降低由于铝合金导体单元绞制形成凹凸不平的表面导致的局部电场集中，从而确保铝合金导体单元表面的电场分布均匀；绝缘层能够起到绝缘的作用；绝缘屏蔽层用于屏蔽电场，也就是说，通过设置绝缘屏蔽层，绝缘屏蔽层的外部无电力线分布，这样可以避免绝缘屏蔽层的内部和外部之间存在气隙，从而能够降低绝缘强度对动态海底电缆的影响。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1示出了根据本发明的动态海底电缆的实施例的结构示意图；
21.图2示出了图1的动态海底电缆的铝合金导体单元的结构示意图；
22.图3示出了图1的动态海底电缆的金属屏蔽层的侧视图；以及
23.图4示出了根据本发明的动态海底电缆的成型方法的流程图。
24.其中，上述附图包括以下附图标记：
25.1、导体单丝；2、阻水胶；3、阻水带；4、半导电绑扎带；5、导体屏蔽层；6、绝缘层；7、绝缘屏蔽层；8、第一半导电缓冲带；9、金属屏蔽层；91、铜带；92、半导电阻水带；10、第二半导电缓冲带；11、防腐层；12、光单元；13、填充结构；15、内护套；17、pp绳；20、外护套；21、电缆线芯；22、铠装层；23、导体层；25、接触表面；26、容纳槽；27、铝合金导体单元。
具体实施方式
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
27.如图1至图3所示，本发明的实施例提供了一种动态海底电缆。动态海底电缆包括光单元12和多个电缆线芯21，环绕光单元12和多个电缆线芯21，从内至外依次设置有内护套15、铠装层22和外护套20；多个电缆线芯21构成三角形结构，相邻两个电缆线芯21之间抵接接触，电缆线芯21包括由内到外依次设置的铝合金导体单元27、导体屏蔽层5、绝缘层6以及绝缘屏蔽层7，铝合金导体单元27包括多个导体层23和设置在相邻两个导体层23之间的阻水胶2，每个导体层23包括多根导体单丝1。
28.在上述技术方案中，电缆线芯21为三个，相邻两个电缆线芯21之间抵接接触，以形成三角形的结构，并且光单元12和三个电缆线芯21间隔设置。在相邻两个导体层23之间填充阻水胶2，铝合金导体单元27能够形成紧密的实体，阻水胶2可以提升多根导体单丝1的间隙处的阻水性能，同时，在受到弯曲-拉伸载荷的作用时，阻水胶2还可以缓解相邻导体单丝1之间的摩擦应力和损伤，这样，当动态海底电缆位于大水深时，可以延长动态海底电缆的使用寿命。另外，导体屏蔽层5、绝缘层6以及绝缘屏蔽层7形成三层共挤结构，其中，导体屏蔽层5能够降低由于铝合金导体单元27绞制形成凹凸不平的表面导致的局部电场集中，从而确保铝合金导体单元27表面的电场分布均匀；绝缘层6能够起到绝缘的作用；绝缘屏蔽层7用于屏蔽电场，也就是说，通过设置绝缘屏蔽层7，绝缘屏蔽层7的外部无电力线分布，这样可以避免绝缘屏蔽层7的内部和外部之间存在气隙，从而能够降低绝缘强度对动态海底电缆的影响。
29.通过上述设置，动态海底电缆具有较好的阻水性能和抗拉强度，可以满足大水深的强度使用要求，从而能够延长动态海底电缆的使用寿命，当动态海底电缆面临浮式风机大范围偏移或在台风作用下剧烈晃动时，能够保障电力和通讯传输。
30.优选地，导体单丝1为高强度铝合金单丝6201-t81，铝合金单丝的强度需达到305mpa～330mpa，相比于铜单丝，铝合金单丝在水中比强度更高，也就是说，采用铝合金单丝的动态海底电缆能够以更小的截面满足抗拉强度的要求，同时还可以降低动态海底电缆自身重量，从而使得动态海底电缆能够满足大水深的强度使用要求；同时，对导体单丝1进行退火处理，能够消除导体单丝1的机械应力。
31.优选地，根据动态缆柔韧性和水密性的使用要求，外护套20为低密度或者高密度聚乙烯材料。
32.在本发明的实施例中，铝合金导体单元27外依次绕包阻水带3和半导电绑扎带4，这样能够进一步提高铝合金导体单元27的阻水性能。在半导电绑扎带4的外周设有导体屏蔽层5、绝缘层6以及绝缘屏蔽层7形成的三层共挤结构。
33.在本发明的实施例中，每个导体层23的节距和该导体层23的外径之间满足以下条件：10da≤h≤16da；其中，da为导体层的外径，h为导体层的节距。
34.需要说明的是，“节距”指的是导体单丝1沿绞制的轴向方向旋转一周所前进的距离(即，轴向长度)。这样设置的铝合金导体单元27具有更高的抗拉强度。
35.优选地，每个导体层23的节距为该导体层的外径的13.5倍。
36.在本发明的实施例中，多根导体单丝1采用非紧压绞合的方式绞制成铝合金导体
单元27，每个导体层23包括6n个导体单丝1，每个导体层23的外径da＝(2n+1)d，其中，n为导体层的层数，d为导体单丝的直径。
37.在上述技术方案中，n为自然数；绞制铝合金导体单元27需要利用纳米模作为模具，模具的尺寸比每个导体层23的外径da小(0.3～0.5)mm。这样能够缓解铝合金结构塑性硬化，从而延伸铝合金导体单元27的疲劳使用寿命。
38.在本发明的实施例中，阻水胶2填充前应为膏状体，固化型式为热固性，固化后应为弹性体，这样能够缓解导体单丝1之间在弯曲-拉伸载荷作用下的摩擦应力和损伤。
39.优选地，阻水胶2为半导电阻水胶，具有耐高温性能，130℃不滴流，体积电阻率小于或等于1
×
105ω
·
cm。
40.如图1和图3所示，在本发明的实施例中，电缆线芯21还包括设置在绝缘屏蔽层7的外周的金属屏蔽层9，金属屏蔽层9包括沿径向间隔设置的两根铜带91和设置在两根铜带91之间的半导电阻水带92。
41.在上述技术方案中，金属屏蔽层9包括两根铜带91，两根铜带91能够提高短路电流，同时还可以承载线路的充电电流和环流。金属屏蔽层9的内侧和外侧还分别设有第一半导电缓冲带8和第二半导电缓冲带10，在铜带绕包的过程中，铜带91会挤压相邻的缓冲带，通过设置半导电阻水带92，铜带91绕包时挤压半导电阻水带92，半导电阻水带92能够在铝合金导体单元27的轴向方向上起阻水作用；同时，半导电阻水带92还能够缓解金属屏蔽层9对三层共挤结构的压力，保障电气运行安全；另一方面，在海底电缆反复拉伸和弯折过程中，半导电阻水带92还能够减少两根铜带91之间相互摩擦，增加电缆线芯21的动态疲劳性能，避免两根铜带91之间相互摩擦导致铜带91破碎甚至失效的问题，从而可以提升铜带91的疲劳寿命。
42.如图1所示，在本发明的实施例中，动态海底电缆还包括填充结构13，相邻两个电缆线芯21之间均设有填充结构13，填充结构13的一侧设有与电缆线芯21的外壁面相适配的接触表面25，填充结构13的另一侧开设有用于容纳光单元12的容纳槽26。
43.通过上述设置，填充结构13能够填充相邻两个电缆线芯21之间的缝隙，这样，当动态海底电缆位于产生大范围偏移或剧烈晃动时，可以避免多个电缆线芯21相对移动，从而确保动态海底电缆的使用稳定性；同时，通过设置填充结构13还能够提高动态海底电缆的圆整度，增加电缆线芯21的抗侧压能力；另外，在填充结构13的外侧放置光单元，可以实现光信号传输和在线监测等功能。
44.如图1所示，在本发明的实施例中，电缆线芯21和填充结构13均为三个，每个填充结构13设有多个容纳槽26，每个容纳槽26内均设有光单元12。
45.在上述技术方案中，每个填充结构13设有两个容纳槽26(图1未示出)，这样，每个填充结构13可以放置两个光单元12。
46.通过上述设置，利用改造立式成缆设备可以对两根光单元12同时放线成缆，这样，根据实际使用需求，操作者可以选择放置光单元12的数量。
47.在本发明的实施例中，填充结构13采用pp塑料和/或pe塑料。这样能够增加电缆线芯21的抗侧压能力，同时保护光单元12不会弯曲。
48.优选地，根据不同的应用场景，填充结构13在材料成型的过程中可以增加碳酸钙、二氧化硅等材料，从而提高填充结构13的强度。
49.如图1所示，在本发明的实施例中，铠装层22由扁钢丝绞合制成，铠装层22为多个，相邻两个铠装层22的扁钢丝的绞合方向相反。
50.在上述技术方案中，铠装层22为两个，两个铠装层22的扁钢丝的绞合方向相反，这样能够满足扭矩平衡设计，在拉伸过程中，两个铠装层22的扁钢丝能够受力均匀，从而可以提高动态海底电缆的强度，同时还可以提高动态海底电缆的弯曲刚度；扁钢丝需要做倒角，这样能够保证两个铠装层22异向绞合后，铠装层22致密。
51.通过上述设置，铠装层22采用扁钢丝，由于扁钢丝之间主要是面接触，这样设置的铠装层22更加耐磨；同时，扁钢丝的外径更小，可以使得动态海底电缆的整体外径减小，便于运输和施工。
52.优选地，每个铠装层22的节距均为该层铠装层22的外径的14～15倍。
53.可选地，铠装层22也可以为四个。
54.如图1所示，在本发明的实施例中，铠装层22的外周涂有沥青或沥青漆。
55.通过上述设置，在动态环境载荷下，沥青或沥青漆能够预防和降低铠装层22的磨损，这样能够进一步提高动态海底电缆在大水深、大重量和剧烈环境载荷作用下的使用寿命。
56.如图1所示，在本发明的实施例中，铠装层22的外周绕包pp绳17。
57.通过上述设置，pp绳能够扎紧铠装层22的扁钢丝，这样可以进一步增强动态海底电缆的耐疲劳性。
58.在本发明的实施例中，在第二半导电缓冲带10的外周还设有防腐层11，防腐层11具有径向阻水性能，这样能够避免动态海底电缆内部受到腐蚀，从而进一步提高动态海底电缆的使用寿命。
59.如图4所示，本发明的实施例提供了一种动态海底电缆的成型方法，成型方法包括：
60.制备电缆线芯21，使得电缆线芯21包括由内到外依次设置的铝合金导体单元27、导体屏蔽层5、绝缘层6以及绝缘屏蔽层7，铝合金导体单元27包括多个导体层23和设置在相邻两个导体层23之间的阻水胶2，每个导体层23包括多根导体单丝1；
61.设置多个电缆线芯21，以构成三角形结构；
62.制备光单元12的过程；
63.环绕光单元12和多个电缆线芯21，由内到外依次设置内护套15、铠装层22和外护套20。
64.在上述技术方案中，利用专用涂胶设备，在每个导体层23的外周涂覆阻水胶2；三个电缆线芯21形成三角形的结构，光单元12位于电缆线芯21的外侧间隙处；在电缆线芯21和光单元12的外周再包覆内护套15、铠装层22和外护套20，从而形成动态海底电缆。
65.在本发明的实施例中，制备电缆线芯21的步骤还包括：
66.采用非紧压同心绞合的方式将多根导体单丝1绞制形成多个导体层23；以及，
67.挤压位于最外层的导体层23。
68.在上述技术方案中，将多根导体单丝1采用非紧压正规同心绞合的方式绞制形成多个导体层23；在每个导体层23的外周增加一根橡皮筋，使得阻水胶2涂覆均匀；挤压位于最外层的导体层23能够使得铝合金导体单元27的最外层更加圆整，满足下一步三层挤压工
艺要求，在此步骤中，铝合金导体单元27的外径减少不应超过3％。
69.在本发明的实施例中，在绞制铝合金导体单元27的步骤中，单位长度的铝合金导体单元27的质量或电阻的增量k是绞合系数m的函数，质量或电阻的增量函数为k＝100(m-1)。
70.在上述技术方案中，m为绞合系数，导体单丝1沿绞制的轴向方向旋转一周的展开长度为l，绞合系数
71.当然，绞合系数m也可以是单位长度的铝合金导体单元27的质量(或电阻)与相同截面积的实心导体的质量(或电阻)之比。
72.通过上述设置，对于不同截面积的铝合金导体单元27的设计，可基于不同的导体层23的层数，调整绞合系数、改变增量，从而使铝合金导体单元27能够满足导体直流电阻的要求。
73.在本发明的实施例中，在制备电缆线芯21时，对于不同层数的铝合金导体单元27，额定损耗系数如下：
74.单丝根数层数损耗系数(％)719619293373916149091590
75.表1铝合金导体单元额定损耗系数
76.在上述技术方案中，单丝根数指的是铝合金导体单元27中的导体单丝1的总根数，额定损耗系数为制备和设计的过程中铝合金导体单元27的最小损耗系数，即铝合金导体单元27实测破断强度与理论计算破断强度之比。
77.在本发明的实施例中，成型方法还包括在铠装层22的外周涂抹沥青或沥青漆，以预防和降低铠装层22的磨损。
78.在本发明的实施例中，成型方法还包括在铠装层22的外周绕包pp绳，以扎紧铠装层22的扁钢丝，从而进一步增强动态海底电缆的耐疲劳性。
79.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：铝合金阻水导体采用圆形非紧压的设计，能够缓解铝合金的结构塑性硬化的问题，延伸铝合金导体的疲劳使用寿命；在相邻两个导体层之间填充阻水胶，铝合金导体单元能够形成紧密的实体，阻水胶可以提升多根导体单丝的间隙处的阻水性能，同时，在受到弯曲-拉伸载荷的作用时，阻水胶还可以缓解相邻导体单丝之间的摩擦应力和损伤，这样，当动态海底电缆位于大水深时，可以延长动态海底电缆的使用寿命。另外，导体屏蔽层、绝缘层以及绝缘屏蔽层形成三层共挤结构，其中，导体屏蔽层能够降低由于铝合金导体单元绞制形成凹凸不平的表面导致的局部电场集中，从而确保铝合金导体单元表面的电场分布均匀；绝缘层能够起到绝缘的作用；绝缘屏蔽层用于屏蔽电场，也就是说，通过设置绝缘屏蔽层，绝缘屏蔽层的外部无电力线分布，这样可以避免绝缘屏蔽层的内部和外部之间存在气隙，从而能够降低绝缘强度对动态海底电缆的影响。半导电阻水带能够减少两根铜带之间的相互摩擦，增加
电缆线芯的动态疲劳性能；填充结构能够提高动态海底电缆的圆整度，增加电缆线芯的抗侧压能力；两个铠装层的扁钢丝能够受力均匀，从而可以提高动态海底电缆的强度；沥青或沥青漆能够预防和降低铠装层的磨损。
80.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。