Polyethylen (PE) wird häufig verwendetIsolierung und Ummantelung von Stromkabeln und Telekommunikationskabelnaufgrund seiner hervorragenden mechanischen Festigkeit, Zähigkeit, Hitzebeständigkeit, Isolierung und chemischen Stabilität. Aufgrund der strukturellen Eigenschaften von PE selbst ist seine Beständigkeit gegenüber Spannungsrissen in der Umgebung jedoch relativ gering. Dieses Problem tritt besonders deutlich hervor, wenn PE als Außenmantel von armierten Kabeln mit großem Querschnitt verwendet wird.
1. Mechanismus der Rissbildung des PE-Mantels
Risse im PE-Mantel treten hauptsächlich in zwei Situationen auf:
A. Spannungsrisse in der Umgebung: Dies bezieht sich auf das Phänomen, dass der Mantel aufgrund der kombinierten Belastung oder der Einwirkung von Umgebungsmedien nach der Installation und dem Betrieb des Kabels an der Oberfläche Sprödrisse erleidet. Es wird hauptsächlich durch innere Spannungen innerhalb der Hülle und längere Einwirkung polarer Flüssigkeiten verursacht. Umfangreiche Forschungen zur Materialmodifikation haben diese Art der Rissbildung im Wesentlichen gelöst.
B. Mechanische Spannungsrisse: Diese treten aufgrund von strukturellen Mängeln im Kabel oder ungeeigneten Mantelextrusionsprozessen auf und führen zu erheblichen Spannungskonzentrationen und verformungsbedingten Rissen während der Kabelinstallation. Diese Art der Rissbildung ist in den Außenmänteln großflächiger, mit Stahlband bewehrter Kabel stärker ausgeprägt.
2. Ursachen von PE-Mantelrissen und Verbesserungsmaßnahmen
2.1 Einfluss des KabelsStahlbandStruktur
Bei Kabeln mit größeren Außendurchmessern besteht die Panzerschicht typischerweise aus doppellagigen Stahlbandwicklungen. Abhängig vom Außendurchmesser des Kabels variiert die Dicke des Stahlbandes (0,2 mm, 0,5 mm und 0,8 mm). Dickere gepanzerte Stahlbänder weisen eine höhere Steifigkeit und eine geringere Plastizität auf, was zu einem größeren Abstand zwischen der oberen und unteren Schicht führt. Dies führt bei der Extrusion zu erheblichen Unterschieden in der Manteldicke zwischen der oberen und unteren Schicht der Oberfläche der Panzerschicht. Dünnere Mantelbereiche an den Rändern des äußeren Stahlbandes erfahren die größte Spannungskonzentration und sind die Hauptbereiche, in denen künftige Risse auftreten.
Um den Einfluss des gepanzerten Stahlbandes auf den Außenmantel zu mildern, wird eine Pufferschicht einer bestimmten Dicke zwischen das Stahlband und den PE-Mantel gewickelt oder extrudiert. Diese Pufferschicht sollte gleichmäßig dicht sein, ohne Falten oder Vorsprünge. Die Hinzufügung einer Pufferschicht verbessert die Glätte zwischen den beiden Stahlbandschichten, sorgt für eine gleichmäßige Dicke des PE-Mantels und reduziert in Kombination mit der Kontraktion des PE-Mantels die innere Spannung.
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2.2 Auswirkungen des Kabelproduktionsprozesses
Die Hauptprobleme beim Extrusionsprozess von armierten Kabelmänteln mit großem Außendurchmesser sind unzureichende Kühlung, unsachgemäße Formvorbereitung und ein übermäßiges Streckverhältnis, was zu übermäßigen inneren Spannungen innerhalb des Mantels führt. Bei großen Kabeln sind aufgrund ihrer dicken und breiten Ummantelung häufig Längen- und Volumenbeschränkungen für Wasserrinnen in Extrusionsproduktionslinien gegeben. Die Abkühlung von über 200 Grad Celsius bei der Extrusion auf Raumtemperatur stellt eine Herausforderung dar. Eine unzureichende Kühlung führt dazu, dass der Mantel in der Nähe der Panzerungsschicht weicher wird, was beim Aufwickeln des Kabels zu Kratzern auf der Oberfläche des Mantels führt und schließlich aufgrund äußerer Kräfte zu Rissen und Brüchen beim Verlegen des Kabels führen kann. Darüber hinaus trägt eine unzureichende Kühlung zu erhöhten inneren Schrumpfungskräften nach dem Aufwickeln bei, was das Risiko von Mantelrissen unter erheblichen äußeren Kräften erhöht. Um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, empfiehlt es sich, die Länge bzw. das Volumen der Wassertröge zu vergrößern. Es ist wichtig, die Extrusionsgeschwindigkeit zu senken und gleichzeitig die richtige Plastifizierung des Mantels aufrechtzuerhalten und ausreichend Zeit zum Abkühlen während des Aufwickelns einzuräumen. Wenn man Polyethylen als kristallines Polymer betrachtet, trägt eine segmentierte Temperatursenkungskühlmethode von 70–75 °C auf 50–55 °C und schließlich auf Raumtemperatur dazu bei, innere Spannungen während des Kühlvorgangs zu verringern.
2.3 Einfluss des Wickelradius auf die Kabelaufwicklung
Beim Aufwickeln von Kabeln halten sich die Hersteller an Industriestandards für die Auswahl geeigneter Lieferspulen. Die Aufnahme großer Lieferlängen für Kabel mit großem Außendurchmesser stellt jedoch eine Herausforderung bei der Auswahl geeigneter Trommeln dar. Um die vorgegebenen Lieferlängen einzuhalten, reduzieren einige Hersteller den Trommeldurchmesser, was zu unzureichenden Biegeradien des Kabels führt. Übermäßiges Biegen führt zu einer Verschiebung der Panzerungsschichten, was zu erheblichen Scherkräften auf die Hülle führt. In schweren Fällen können die Grate des gepanzerten Stahlbandes die Polsterschicht durchdringen, direkt in den Mantel eindringen und Risse oder Risse entlang der Kante des Stahlbandes verursachen. Bei der Kabelverlegung kommt es aufgrund der seitlichen Biege- und Zugkräfte dazu, dass der Mantel entlang dieser Risse reißt, insbesondere bei Kabeln, die näher an den Innenschichten der Trommel liegen, und ist dadurch anfälliger für Brüche.
2.4 Auswirkungen der Bau- und Installationsumgebung vor Ort
Um die Kabelkonstruktion zu standardisieren, wird empfohlen, die Kabelverlegegeschwindigkeit zu minimieren und übermäßigen seitlichen Druck, Biegung, Zugkräfte und Oberflächenkollisionen zu vermeiden, um eine zivilisierte Bauumgebung zu gewährleisten. Lassen Sie das Kabel vor der Kabelinstallation vorzugsweise bei 50–60 °C ruhen, um innere Spannungen aus dem Mantel abzubauen. Vermeiden Sie, dass Kabel über längere Zeit direktem Sonnenlicht ausgesetzt werden, da unterschiedliche Temperaturen auf verschiedenen Seiten des Kabels zu Spannungskonzentrationen führen und das Risiko von Mantelrissen während der Kabelverlegung erhöhen können.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 18. Dezember 2023