作为用于电缆的铠装钢丝的非磁性不锈钢丝的制作方法

作为用于电缆的铠装钢丝的非磁性不锈钢丝的制作方法
【专利摘要】公开了一种具有粘附的抗腐蚀涂层的非磁性不锈钢丝。对非磁性不锈钢的表面进行预处理，以便充分消除氧化物，并形成与上面的抗腐蚀涂层的良好粘附。所述非磁性不锈钢丝用作用于传输电力的电缆的铠装钢丝。
【专利说明】作为用于电缆的铠装钢丝的非磁性不锈钢丝

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种非磁性不锈钢丝以及它的用途，例如用作用于三相海底电缆的铠 装钢丝，该三相海底电缆用于传输电力。

【背景技术】
[0002] 电是现代生活的基本部分。电力传输是电能从发电厂至位于需求中心附近的分电 站的大量传递。传输线大部分使用高电压三相交流电（AC)。电在高电压（110kV或更高） 下传输，以便降低在长距离传输中的能量损失。电力通常通过高架电线来传输。地下电传 输具有明显更高的成本和更大的操作限制，但是有时用于市区或敏感位置。最近，海底电缆 提供了向小岛或海上生产平台（它们自身没有电力生产）供电的可能性。另一方面，海底 电缆也提供了用于将海上生产（风、波浪、洋流……）的海滨电送至大陆的可能性。
[0003] 这些电缆通常为钢丝铠装电缆。钢丝铠装电缆10的典型结构在图1中表示。导 体12通常由普通绞合铜线来制造。绝缘体14(例如由交联聚乙烯（XLPE)制造）具有良好 的防水性和优良的绝缘特性。在电缆中的绝缘体14保证导体和其它金属物质并不相互接 触。衬垫16(例如由聚氯乙烯（PVC)来制造）用于提供在电缆的内部层和外部层之间的保 护边界。铠装18(例如由钢丝制造）提供了机械保护，特别是提供了抵抗外部冲击的保护。 另外，铠装钢丝18能够在安装时减轻张力，因此防止铜导体拉长。可选的鞘19(例如由黑 PVC制造）将电缆的所有部件保持在一起，并提供附加保护以防止外部应力。
[0004] 专利申请CN101950619A公开了一种用于高电压海底电缆的铠装结构。该铠装结 构是呈环形形状的混合铠装层，由圆铜线和非磁性不锈钢丝来制造。圆铜线和非磁性不锈 钢丝交替地布置。不过，由于应用两种材料，生产工艺变得复杂。而且，铜的使用使得这种 铠装结构相当昂贵。
[0005] 替代地，可以只使用钢丝来构成电缆的铠装结构。因为这些电缆的应用环境包含 水汽，因此希望对这些电缆进行特定的防腐，且不锈钢用作铠装钢丝。不过，当应用环境有 非常大的腐蚀性时，特别是用于海底电缆时，因为电缆（芯）加热且传统的不锈钢合金在海 水中的抗腐蚀性随着温度升高而剧烈地降低，因此电缆的抗腐蚀性变得很关键。因此，考虑 使用具有镀锌层（作为抗腐蚀层）的不锈钢丝作为铠装钢丝，特别是用于海底电缆。
[0006] 不过，通过普通的镀锌工艺，涂覆的镀锌层通常并不牢固粘附在不锈钢丝上。因 此，镀锌层容易分层，并在外力作用下从铠装钢丝上剥离。因此，发生了腐蚀保护的失效，并 限制了电缆的寿命。


【发明内容】

[0007] 本发明的主要目的是克服现有技术的问题。
[0008] 本发明的另一目的是生产一种非磁性不锈钢丝，它与上面的抗腐蚀涂层有良好的 粘附。
[0009] 本发明的又一目的是将这种具有粘附的抗腐蚀涂层的非磁性不锈钢丝应用于电 缆的铠装结构中。
[0010] 本发明的又一目的是提供一种非磁性钢丝铠装结构，以便使电缆的磁损失最小。 [0011] 不锈钢与碳钢的区别在于存在的铬的量。无保护的碳钢在暴露于空气和水汽中时 很容易生锈。不锈钢包含足够量的铬（最少为10. 5wt% )，以便形成富铬氧化物的钝化膜， 该钝化膜防止进一步的表面腐蚀，并阻止腐蚀扩散至金属的内部结构。不锈钢的基本分类 具有"铁素体"结构，且为磁性的。它通过加铬而形成，并能够通过加碳而硬化（使它们形 成"马氏体"）。不过，本发明涉及非磁性不锈钢，它是"奥氏体"。非磁性不锈钢有预期的铬 含量，还另外添加镍、锰以及其它合金元素。"奥氏体成形"元素（Ni、Μη、……）的添加改 变了钢的微结构，并使它非磁性。非磁性不锈钢还包含其它组分，这些组分使得奥氏体不锈 钢有用于不同用途的优良特性。
[0012] 尽管不锈钢由于瞬间形成的氧化铬而具有腐蚀保护，但是对于在苛刻环境中的一 些用途来说这还不够，例如海底用途。因此，抗腐蚀层（特别是镀锌层）施加在不锈钢丝上， 以便进一步加强它的腐蚀保护。
[0013] 根据本发明的第一方面，提供了一种非磁性不锈钢丝，它包括在其表面上的抗腐 蚀涂层。对非磁性不锈钢的表面进行预处理，以便充分消除氧化物，并因此形成与上面的抗 腐蚀涂层的良好粘附。
[0014] 已经发现，有助于不锈钢的"不锈"特性的氧化铬对于与上面的抗腐蚀涂层的粘附 是不利的。不过，一旦表面暴露于空气中，氧化铬就瞬间形成于不锈钢的表面上，因为不锈 钢包含最少10. 5wt%的铬。因此，在传统工艺中，在涂覆抗腐蚀层之前，特定量的氧化铬存 在于不锈钢丝的表面上。在本发明中，术语"充分消除氧化物"意味着通过在形成上面的抗 腐蚀涂层之前进行酸洗、等离子体清洁和/或还原气氛而采取附加的特定的预处理，以便 防止在表面活化后不锈钢丝的活化表面受到氧污染，特别是在除去氧化物之后。因为氧化 物（特别是氧化铬）的出现局限于表面上，因此上面的抗腐蚀涂层与不锈钢丝的粘附良好。
[0015] 优选是，所述抗腐蚀涂层是热浸锌或锌合金层。
[0016] 在本发明的上下文中，在非磁性不锈钢丝上实施的预处理包括以下情况中的一种 或多种：通过镍的电镀而对非磁性不锈钢丝的表面进行预处理；通过锌或锌合金的电镀而 对非磁性不锈钢丝的表面进行预处理；通过在非磁性不锈钢丝上面形成抗腐蚀涂层之前将 其保持在惰性和/或还原气氛中而对非磁性不锈钢丝进行预处理。所有这些可行的预处理 的目的是阻止活化表面受到空气或氧的污染，并因此避免在活化表面上产生氧化物。因此， 这些预处理帮助非磁性不锈钢丝的表面形成与以后形成的抗腐蚀涂层的良好粘附。
[0017] JP4221098A和JP4221053A都公开了镀锌不锈钢材料的生产。与本申请的非磁性 不锈钢丝相反，这两篇专利涉及钢板或条，且并不指定非磁性材料。
[0018] 本发明的优选非磁性不锈钢丝具有在1. 0mm至10. 0mm之间的范围内的圆直径。 [0019] 根据本发明的第二方面，提供了一种用于不锈钢丝的热浸镀锌的方法。它包括以 下步骤：使得钢丝在脱脂池中脱脂；漂洗钢丝；活化钢丝表面；在惰性和/或还原气氛的保 护下将钢丝传送至热浸锌池和/或锌合金池；将钢丝浸入锌池和/或锌合金池中，以便在其 上形成锌和/或锌合金涂层；以及冷却该钢丝。
[0020] 钢丝表面活化包括酸洗、大气还原和等离子体清洁中的任意一种或多种。当钢丝 表面通过酸洗来活化时，它还包括在酸洗后助镀的步骤。优选是，不锈钢丝在酸洗和/或助 镀步骤中受到惰性和/或还原气氛的保护。当钢丝表面通过大气还原而活化时，钢丝优选 被加热至在400°C至900°C之间的范围内的温度。
[0021] 由此，等离子体清洁包括真空和大气等离子体清洁。在真空等离子体清洁中，钢丝 装入低压（真空）管中。在管内部或在钢丝周围，通过在钢丝和管之间的高电压而使离子 活化（例如40、凡+、此+和&+中的一种或多种）为等离子体，以便除去在钢丝表面上的氧 化铬。真空等离子体清洁的附加效果提供了对钢丝的伴随退火。在大气等离子体清洁中， 将离子枪施加于管内部，该管内部实际上不需要真空。在枪中产生活化的离子，并作为清洁 剂而施加在钢丝表面上。
[0022] 根据本发明的第三方面，提供了非磁性不锈钢丝的用途，其用作用于传输电力的 电缆的铠装钢丝。
[0023] 由此，电缆包括高电压、中等电压以及低电压的电缆。目前，用于中等电压至高电 压中的普通电压水平（例如用于海上风场的安装点电缆）是用于安装点电缆的33kV和用 于输出电缆的150kV。它们可以分别朝着66和220kV发展。当绝缘技术允许这种结构时， 高电压电缆也可以延伸至280、320或380kV。因为在低电压水平时也能够产生磁损失，因此 非磁性铠装钢丝也适用于低电压电缆。
[0024] 另一方面，根据本发明的通过非磁性不锈钢丝来铠装的电缆能够输送具有不同频 率的电力。例如，它可以输送标准AC输电频率，该标准AC输电频率在欧洲为50Hz，在南北 美洲为60Hz。而且，电缆还能够在使用17Hz (例如德国铁路）或其它频率的输送系统中应 用。
[0025] 根据本发明的优选电缆是三相海底电缆。
[0026] 根据本发明，非磁性不锈钢丝环绕至少部分电缆来缠绕。
[0027] 优选是，电缆有由非磁性不锈钢丝制造的至少一个环形铠装层。
[0028] 将本发明的非磁性不锈钢丝用作海底电缆的铠装钢丝大大延长了电缆的使用寿 命，因为抗腐蚀涂层牢固粘附在铠装钢丝上，并提供充分的腐蚀保护。同时，根据本发明的 不锈钢丝的"非磁性"特性有效降低了电缆的能量损失。
[0029] 在三相电缆中，在理想情况下流过三个导体的各电流的总和等于零。这意味着不 需要专门的回流导体。当由于某种原因（例如不对称的电产生或消耗）而使得该总和不完 全为零时，返回电流优选是流过普通的钢丝铠装和/或阻水屏障，该阻水屏障通常由铅或 铅合金来制造，有时为铜或错。
[0030] 另一方面，即使当三相电流的总和为零或接近零时，也不需要施加磁场：从较大距 离来看，例如离开电缆10米或更远，三个导体的磁场相互补偿，从而产生非常低的磁场辐 射。但是因为铠装钢丝通常施加得相当接近各导体，因此我们必须考虑到由三个单独导体 辐射的磁场在该处并不相互完全补偿。这意味着在铠装中的波动磁场强度相当高，这导致 在铠装中的重要损失：滞后损失和涡电流损失，因此，在50Hz时，滞后损失占磁损失的大 约90%，涡电流损失不超过10%。在更高频率时，涡电流损失相对于滞后越来越重要（在 400Hz时，两个分量大约相同，但是400Hz通常并不用于输电）。与碳钢相比，非磁性铠装材 料通常完全消除滞后损失，并大大降低涡电流损失。
[0031] 通常的（AC、150kV、三相）50km长的电缆消耗通过它输送的能量的大约1. 5%。大 部分的能量在芯导体中损失（由于它们的欧姆电阻（功率损失=电阻X电流2))。磁损失通 常为总电缆损失的15和30%之间，并能够通过使用非磁性铠装钢丝而被消除几乎100%， 这是因为不会产生上述滞后作用。
[0032] 在根据本发明的电缆的特定实施例中，通常，优选是组合磁性铠装钢丝和非磁性 铠装钢丝。这种组合可以串联设置和并联设置。
[0033] 对于串联设置，这意味着，沿电缆的长度，一部分包括磁性铠装钢丝，与所述一部 分不同并在该一部分之后的另一部分包括非磁性铠装钢丝。具有非磁性铠装钢丝的部分可 以用于很难冷却电缆的位置，例如在海港中，在该处，电缆可能埋得很深。具有非磁性铠装 钢丝的部分也可以用于电缆必须输送最高电力的位置，例如在各个其它电缆的连接处。
[0034] 对于平行设置，包括非磁性钢丝和磁性钢丝的铠装层已经大大降低了电缆中的磁 损失。该选择还可能有利的是比选择100%磁性铠装更有成本效益，因为磁性钢丝意味着成 本。在该方面，优选的实施例是使得涂锌的非磁性不锈钢丝与涂锌的磁性低碳钢丝组合在 一起。因为两者都涂覆锌，因此在腐蚀性的海底环境中一个钢丝不会特别受到相邻或邻近 的另一个钢丝的损害。该实施例的实例提供了非磁性不锈钢丝与磁性钢丝交替的铠装层。
[0035] 低碳钢丝具有这样的钢成分，其中，碳含量在0. 02wt%和0. 20wt%的范围内，硅 含量在0. 05wt %和0. 25wt %的范围内，铬含量低于0. 08wt %，铜含量低于0. 25wt %，锰含 量在0. 10wt%和0. 50wt%之间，钥含量低于0. 030wt%，氮含量低于0. 015wt%，镍含量低 于0· 10wt %，磷含量低于0· 05wt %，硫含量低于0· 05wt %。
[0036] 在电缆的铠装层中的磁性钢丝的存在有对于电缆的位置而言可检测的附加优点。

【专利附图】

【附图说明】
[0037] 参考下面的详细说明并结合非限定实例和附图，将更好地理解本发明，附图中：
[0038] 图1是根据现有技术的高电压电缆。
[0039] 图2是根据本发明第一方面的非磁性不锈钢丝的剖视图。
[0040] 图3是具有铠装钢丝的三相电缆的剖视图。

【具体实施方式】
[0041] 图2是有涂层的非磁性不锈钢丝20的剖视图。非磁性不锈钢丝22由预先涂覆的 粘附层24和抗腐蚀涂层26覆盖。
[0042] 实例 1
[0043] 根据方法的第一实施例处理直径为1. 9mm的钢丝（参考AISI202)。
[0044] 钢丝杆的组分（重量百分比）如下：C小于0.08 ;Si小于0.75 ;Mn的范围为从6. 6 至8 ;P小于0. 045 ;S小于0. 015 ;N小于0. 15 ;Cr范围为从15至17 ;Ni范围为从3. 5至5 ; Cu小于2 ;其余由Fe平衡。
[0045] 根据生产地点的能力而在一个或多个生产线上连续处理钢丝。
[0046] 该钢丝首先在30°C至80°C在脱脂池（包含磷酸）中脱脂几秒钟。超声波发生器 设于池中，以便帮助脱脂。
[0047] 替代地，钢丝可以首先在30°C至80°C在碱性脱脂池（包含NaOH)中脱脂几秒钟。 电辅助施加于池中，以便帮助脱脂。
[0048] 随后是酸洗步骤，其中，钢丝在20°C至30°C浸入酸洗池（包含100_500g/l的硫 酸）中，以便除去瞬间形成的氧化铬。随后通过将钢丝在20°C至30°C浸入酸洗池（包含 100-500g/l硫酸）很短时间来进行另一连续酸洗，以便进一步除去在钢丝的表面上的氧化 铬。全部酸洗步骤可以由电流辅助，以便实现充分活化。
[0049] 在该第二酸洗步骤之后，钢丝立即在20°C至40°C浸没在电解质池（包含10-100g/ 1的硫酸锌）中几十至几百秒。钢丝预电镀有锌和/或锌合金。为了电镀锌，将电荷施加 在钢丝上，该电荷吸引锌离子以便结合在表面上。在本例中，电镀锌层具有10-50g/m 2的涂 层重量。在该步骤中，钢丝在20至100m/min范围内的速度下运行，优选是以30m/min的速 度。然后，在水中漂洗钢丝，并除去多余的水。
[0050] 电镀的钢丝在助镀池中进一步处理。助镀池的温度保持在50°C和90°C之间，优选 是在70°C。然后，除去多余的溶剂。钢丝随后浸入镀锌池中，该镀锌池保持在400°C至500°C 的温度。
[0051] 在本申请中，通过镀锌处理而在不锈钢丝的表面上形成的涂层是锌和/或锌合 金。镀锌涂层的厚度在20g/m2至600g/m 2的范围内，例如从50g/m2至300g/m2。锌铝涂层 具有比锌更好的总体抗腐蚀性。与锌比较，锌铝涂层更耐温度。还与锌相比，锌铝合金在受 到高温时并不剥离。锌铝涂层可以有从2wt %至23wt %范围内的铝含量，例如从2wt %至 12wt%，或者例如从5wt%至10wt%。优选的组分处在大约共析位置：错为大约5wt%。锌 合金涂层还可以有润湿剂，例如镧或铈，其含量小于锌合金的0. lwt%。涂层的其余部分是 锌和不可避免的杂质。另一优选的组分包含大约10wt%的铝。这样增加的铝含量提供了比 具有大约5wt%的铝的共析组分更好的腐蚀保护。其它元素例如硅和镁可以加在锌铝涂层 上。更优选是，考虑到优化抗腐蚀性，特别良好的合金包含2wt%至10wt%的错和0. 2wt% 至3. Owt%的镁，其余部分为锌。
[0052] 在热浸电镀之后，带擦拭或喷射擦拭能够用于控制涂层厚度。然后，钢丝在空气中 冷却，或者优选是借助于水冷却。形成连续、均匀且无孔的涂层。在预电镀锌之后，具有不 同最终涂层厚度的多次热浸镀锌试验在表1中概括。
[0053] 表1 :在预电镀锌之后的热浸镀锌试验
[0054]

【权利要求】
1. 一种非磁性不锈钢丝，包括在非磁性不锈钢丝的表面上的抗腐蚀涂层，其中，所述表 面被预处理，以便充分消除氧化物，并形成与所述的抗腐蚀涂层的良好粘附。
2. 根据权利要求1所述的非磁性不锈钢丝，其中：所述抗腐蚀涂层是热浸锌和/或锌 合金涂层。
3. 根据权利要求1或2所述的非磁性不锈钢丝，其中：由电镀镍构成的中间层存在于 所述非磁性不锈钢丝和所述抗腐蚀涂层之间。
4. 根据权利要求1或2所述的非磁性不锈钢丝，其中：非磁性不锈钢丝的所述表面能 通过由锌和/或锌合金电镀进行的预处理而获得。
5. 根据权利要求1或2所述的非磁性不锈钢丝，其中：非磁性不锈钢丝的所述表面能 通过在抗腐蚀涂层形成于非磁性不锈钢丝上之前将非磁性不锈钢丝保持在惰性和/或还 原气氛中的预处理而获得。
6. 根据前述任意一项权利要求所述的非磁性不锈钢丝，其中：所述非磁性不锈钢丝有 在1. Omm至10. Omm之间的范围内的圆直径。
7. -种用于不锈钢丝的热浸镀锌的方法，包括以下步骤： (a) 使得不锈钢丝在脱脂池中脱脂； (b) 漂洗不锈钢丝； (c) 活化不锈钢丝表面； (d) 在惰性和/或还原气氛的保护下将不锈钢丝传送至热浸锌池和/或锌合金池； (e) 将不锈钢丝浸入锌池和/或锌合金池中，以便在其上形成锌和/或锌合金涂层；以 及 (f) 冷却该不锈钢丝。
8. 根据权利要求7所述的用于不锈钢丝的热浸镀锌的方法，其中：步骤（c)包括酸洗、 大气还原和等离子体清洁中的任意一种或多种。
9. 根据权利要求8所述的用于不锈钢丝的热浸镀锌的方法，其中：在步骤（c)中，当不 锈钢丝表面通过酸洗而被活化时，该方法还包括在酸洗后助镀的步骤。
10. 根据权利要求8所述的用于不锈钢丝的热浸镀锌的方法，其中：在步骤（c)中，当 不锈钢丝表面通过大气还原而被活化时，不锈钢丝加热至在400°C至900°C之间的范围内 的温度。
11. 根据权利要求1至6中任意一项所述的非磁性不锈钢丝的用途，该非磁性不锈钢丝 用作用于传输电力的电缆的铠装钢丝。
12. 根据权利要求11所述的非磁性不锈钢丝的用途，其中：电缆是三相海底电缆。
13. 根据权利要求11或12所述的非磁性不锈钢丝的用途，其中：所述电缆是超过 110kV的高电压电缆。
14. 根据权利要求11至13中任意一项所述的非磁性不锈钢丝的用途，其中：所述非磁 性不锈钢丝环绕所述电缆的至少一部分缠绕。
15. 根据权利要求11至14中任意一项所述的非磁性不锈钢丝的用途，其中：所述电缆 有由所述非磁性不锈钢丝制成的至少一个环形铠装层。
【文档编号】C23C2/38GK104066863SQ201280067935
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年12月12日 优先权日:2012年2月6日
【发明者】F·费尔赫芬, D·海克曼, G·拉加, P·戈戈拉 申请人:贝卡尔特公司