Guaine protettive e guaine per cavi: scopo, materiali, tipologie, anticorrosione, corazzate
Nomina di gusci e coperture protettive
Le coperture protettive servono a proteggere lo strato isolante filo o cavo dall'influenza dell'ambiente, ma principalmente dall'influenza dell'umidità. Quanto meno resistente all'umidità è l'isolamento del cavo o del filo, tanto più perfetta deve essere applicata la guaina.
Le condizioni operative fisiche del cavo influenzano anche la scelta del materiale della guaina, ad esempio, se è richiesta una maggiore flessibilità del cavo, è necessario utilizzare una guaina flessibile.
I materiali utilizzati per il contenimento sono pochi, vale a dire piombo, alluminio, gomma, plastica e loro combinazioni.
Le coperture protettive di fili e cavi servono a proteggere il conduttore dalle sollecitazioni meccaniche durante la posa o durante il funzionamento, nonché a proteggere le guaine dei cavi dalla corrosione, pertanto i rivestimenti anticorrosivi si distinguono talvolta dal gruppo delle coperture protettive.
Come rivestimento anticorrosivo, viene spesso utilizzata la carta per cavi, applicata da uno strato con irrigazione simultanea con composizioni bituminose di viscosità appropriata.
Le guaine protettive sono costituite da fili di cotone o cavi applicati sotto forma di treccia o treccia sullo strato isolante o guaina protettiva del cavo o di una treccia sullo strato isolante o guaina protettiva del cavo o conduttore.
La copertura degli involucri protettivi con la plastica è diffusa per proteggerli dalla corrosione e dai danni meccanici.
Come rivestimento anticorrosivo, viene spesso utilizzata la carta per cavi, applicata da uno strato con irrigazione simultanea con composizioni bituminose di viscosità appropriata.
Una treccia di sottili fili di acciaio viene spesso utilizzata per la protezione meccanica di fili e cavi flessibili.
In numerosi modelli, le trecce di cotone e altri filati sono ricoperte da vernici speciali (vernici di rivestimento) che proteggono il filo dall'influenza dell'ambiente, dall'azione dell'ozono e aumentano la resistenza del filo all'umidità e alla benzina.
Vengono utilizzati anche rivestimenti compositi di plastica, lamina metallica e tela o carta patinata, che in alcuni casi possono sostituire la guaina di piombo (soprattutto per i cavi utilizzati per installazioni interne e temporanee).
Materiali di contenimento
Il piombo è il materiale principale da cui sono realizzati i giubbotti più affidabili. Il vantaggio principale della guaina di piombo rispetto a tutte le altre guaine e rivestimenti è la sua completa resistenza all'umidità, sufficiente flessibilità e la possibilità di applicarla rapidamente ed economicamente al cavo utilizzando una pressa per piombo.
Tuttavia, il piombo presenta molti svantaggi: elevato peso specifico, bassa resistenza meccanica, insufficiente resistenza alla corrosione meccanica ed elettrochimica.
Tutto ciò, tenuto conto delle limitate e naturali riserve di piombo, rende necessario migliorare la qualità delle guaine di piombo, introdurre sostituti e progettare nuove tipologie di cavi prodotti senza guaina di piombo.
Il piombo non inferiore al grado C-3, con un contenuto di piombo del 99,86%, viene utilizzato per l'affondamento delle guaine dei cavi.
La resistenza meccanica del guscio di piombo è in gran parte determinata dalla sua struttura.La struttura a pori fini ottenuta come risultato della produzione del guscio da gradi di piombo C-2 e C-3 con raffreddamento rapido e intenso del guscio estruso è il meccanicamente più forte e stabile.
Con una struttura a grana media e grossa si ottengono pallini di bassa qualità. Da tali gusci, anche in normali condizioni di produzione, crescono cristalli di piombo, che poi si spostano l'uno rispetto all'altro lungo i piani di scissione, e questo porta alla distruzione prematura del guscio.
Il piombo molto puro è molto soggetto alla formazione e alla crescita di cristalli anche a temperatura ambiente, il che lo rende inadatto alla produzione di guaine di piombo.
Una misura per combattere la cristallizzazione del piombo è, oltre al raffreddamento dopo il rivestimento di piombo, l'aggiunta di stagno, antimonio, calcio, tellurio, rame e altri metalli al piombo.
Cavo da incrociatore da battaglia, costruito per la Royal Navy of Great Britain, commissionato nel 1920. Tre conduttori, rivestiti di piombo, in armatura.
Il miglior additivo è lo stagno che, contenuto nel piombo in una quantità dell'1-3% in peso, fornisce una struttura stabile a grana fine. Tuttavia, lo stagno è molto scarso e viene attualmente sostituito nelle guaine dei cavi da altri metalli.
L'introduzione di antimonio nel piombo in quantità dallo 0,6 allo 0,8% influisce favorevolmente sulla struttura della conchiglia di piombo e ne aumenta la resistenza meccanica, abbassando alquanto l'elasticità, cioè la capacità della conchiglia di piombo di piegarsi. Un'aggiunta di tellurio in una quantità di circa lo 0,05% dà buoni risultati. Si diffuse anche il cosiddetto piombo di rame, che è piombo con una miscela di rame - in una quantità di circa lo 0,05%.
Oltre alle doppie leghe, esistono leghe ternarie di piombo con cadmio, stagno (0,15%), antimonio e altri metalli. Queste leghe sono meno convenienti da produrre ei loro risultati di test sono vicini a quelli di alcune leghe binarie e rame-piombo.
L'alluminio può anche essere utilizzato per realizzare guaine per cavi. A tale scopo viene utilizzato sia alluminio tecnico che di elevata purezza (con contenuto di alluminio 99,5 e 99,99%) le cui caratteristiche meccaniche sono migliori di quelle del piombo e delle leghe di piombo.
La resistenza del guscio in alluminio è almeno 2-3 volte superiore alla resistenza del piombo. La temperatura di ricristallizzazione dell'alluminio, così come la sua resistenza alle vibrazioni, sono significativamente superiori a quelle del piombo.
Il peso specifico dell'alluminio è 2,7 e quello del piombo è 11,4, pertanto la sostituzione della guaina di piombo con quella di alluminio può comportare una forte riduzione del peso del cavo e un aumento della resistenza meccanica della guaina, che renderà possibile in alcuni casi rifiutare il rinforzo del cavo con piattine di acciaio.
Il principale svantaggio dell'alluminio è il suo insufficiente resistenza alla corrosione… Il processo di applicazione della guaina al cavo è notevolmente complicato dall'alto punto di fusione dell'alluminio (657 ° C) e dall'aumento della pressione durante la pressatura, che raggiunge tre volte la pressione quando si spinge fuori la guaina di piombo.
La guaina in alluminio può essere applicata non solo mediante aggraffatura, ma anche con un metodo a freddo, in cui fili e cavi isolati vengono trafilati in tubi di alluminio precedentemente realizzati mediante estrusione, seguiti dalla guaina mediante trafilatura o laminazione. Questo metodo consente di utilizzare alluminio di qualità commerciale.
Abbastanza comune è il metodo di saldatura a freddo di una guaina di alluminio, che consiste nel fatto che i bordi di una striscia di alluminio applicata longitudinalmente al cavo passano tra i rulli, con l'ausilio del quale si crea un'elevata pressione specifica sull'alluminio, sufficiente per la sua saldatura a freddo.
Attualmente, le materie plastiche vengono utilizzate con successo per produrre guaine protettive per fili e cavi al posto del piombo.Quando è richiesta una maggiore flessibilità del cavo, le guaine in gomma vulcanizzata e plastica sono le più adatte.
I copritubi in gomma vulcanizzata sono i più utilizzati nella produzione di cavi. su gomme naturali o sintetiche e da materiali termoplastici come PVC, polietilene.
La resistenza meccanica di tali gusci è piuttosto elevata (resistenza allo strappo nell'intervallo da 1,0 a 2,0 kg / mm2, allungamento dal 100 al 300%).
Lo svantaggio principale è la notevole permeabilità all'umidità, intesa come un valore che caratterizza la capacità del materiale di far passare il vapore acqueo sotto l'influenza di una differenza di pressione su entrambi i lati dello strato di materiale.
La gomma vulcanizzata su gomma naturale può funzionare a lungo nell'intervallo di temperatura da -60 a + 65 ° C. Per la maggior parte delle materie plastiche, questi limiti sono molto più ristretti, soprattutto per temperature inferiori a zero gradi.
Ci sono gomme siliconiche, nuovi materiali in gomma che sono polimeri di silicio silicio, sostanze ad alto peso molecolare, in base alle quali la struttura degli atomi di silicio è combinata con gli atomi di carbonio.
La guaina in materiali termoplastici, rispetto alla guaina in piombo dei cavi, può ridurre sensibilmente il peso del cavo e aumentare la resistenza alla corrosione della guaina e la resistenza meccanica (vedi anche — Fili e cavi con isolamento in gomma).
Distruzione della guaina di piombo
La resistenza meccanica della guaina di piombo è necessaria per garantire una sufficiente protezione dello strato isolante dall'ambiente circostante il cavo. Questa proprietà (resistenza meccanica) deve essere mantenuta a lungo durante il funzionamento del cavo per diversi decenni e non cambiare nel tempo sotto l'influenza di cause meccaniche (vibrazioni) e chimiche (corrosione).
Le proprietà meccaniche delle guaine di piombo e la loro stabilità sotto l'influenza di varie cause dipendono principalmente dalla struttura della guaina e dai suoi cambiamenti sotto l'influenza del calore e delle vibrazioni.
I cavi con guaina di piombo con struttura a grana grossa spesso non resistono al trasporto a lungo termine, anche su rotaia (soprattutto in estate).
Sotto l'influenza dell'agitazione e dell'aumento della temperatura, i cristalli di piombo iniziano a crescere, sul guscio appare una rete di piccole crepe, che si approfondiscono sempre di più e alla fine portano alla distruzione del guscio.Le guaine di piombo dei cavi posati sui ponti sono particolarmente sensibili ai danni causati dalle vibrazioni.
Ci sono stati casi in cui i cavi di piombo, spediti in estate su rotaia per diverse migliaia di chilometri, sono arrivati a destinazione con un guscio completamente distrutto.
Tali casi si verificano più spesso su guaine di piombo fatte di piombo puro. Aggiunte di stagno, antimonio, tellurio e alcuni altri metalli danno una struttura stabile a grana fine e sono quindi utilizzate nella produzione di guaine per cavi in piombo.
Quando la corrente di dispersione lascia la guaina di piombo di un cavo posato in terreno calcareo umido contenente ione C03carbonato di piombo PbC03 nel punto di uscita dove la guaina di piombo viene successivamente distrutta.
La corrosione elettrochimica del piombo può portare alla completa distruzione della guaina di piombo in uno o due anni, poiché una corrente di 1 A all'anno può trasportare circa 25 kg di piombo o 9 kg di ferro, e quindi con una corrente di dispersione media di 0,005 A in un anno distrugge circa 170 g di piombo o circa 41,0 g di ferro.
Una misura radicale lotta contro la corrosione elettrochimica è la cosiddetta protezione catodica, basata sul fatto che al metallo protetto viene conferito un potenziale negativo rispetto alle strutture circostanti, che rende questo metallo immune a quasi tutti i tipi di corrosione del suolo.
Il potenziale elettronegativo minimo al quale cessano tutti i tipi di corrosione è di 0,85 V per i tubi di acciaio e di 0,55 V per le guaine di piombo dei cavi elettrici.
In alcuni casi, il rivestimento della guaina di piombo fornisce una buona protezione contro la corrosione elettrica con una copertura protettiva costituita da uno strato di bitume semiconduttore, due strisce di gomma semiconduttrice e un nastro bianco di fissaggio. si ottiene una sorta di filtro elettronico che fa passare la corrente elettrica uscente dalla guaina e separa il piombo dall'effetto diretto della ricezione nell'elettrolisi ionica.
Forze meccaniche nella guaina del cavo
Le forze meccaniche nella guaina del cavo derivano dal flusso della miscela impregnante in una sospensione verticale cavi di alimentazione, nonché a causa della dilatazione termica della miscela impregnante quando il cavo viene riscaldato. Nel moderno cavi ad alta tensione pieni di petrolio e gas la guaina di piombo deve sopportare una notevole pressione interna.
Man mano che la miscela impregnante viene riscaldata, la pressione nel cavo aumenta fino ad un valore corrispondente alla pressione idrostatica. Migliore è l'impregnazione dello strato isolante, maggiore è la pressione che si ottiene nel cavo durante il riscaldamento, poiché il volume delle inclusioni di gas diminuisce con il miglioramento dell'impregnazione del cavo.
Sotto l'influenza della pressione che agisce sul lato interno della guaina, quest'ultima tende ad espandersi e, se viene superato il limite di deformazione elastica del piombo, si verificherà una deformazione permanente, che indebolisce la guaina di piombo e riduce la capacità operativa proprietà del cavo.
Ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento del cavo con conseguenti deformazioni permanenti del conduttore possono provocare la rottura della guaina del conduttore.
Poiché il piombo senza additivi a temperatura ambiente non ha quasi alcun limite elastico, la comparsa di tali deformazioni permanenti nella guaina di piombo del cavo di lavoro porterà senza dubbio a una violazione della sua resistenza meccanica.
La presenza di additivi nel piombo aumenta le proprietà meccaniche ed in particolare il limite elastico della guaina, pertanto, per cavi esposti a pressione dall'interno, è obbligatorio l'utilizzo di piombo legato o leghe speciali doppie e triple.
La riduzione delle proprietà meccaniche della conchiglia di piombo nel tempo ne determina la durata di vita, da questo punto di vista nasce il concetto di «curva di vita della conchiglia», ovvero il rapporto tra la resistenza alla trazione della conchiglia e la durata della sua azione finché il guscio non si rompe.
Nei casi in cui è richiesto il rinforzo della guaina di piombo del cavo, ad esempio nei cavi riempiti di gas o destinati alla posa su un percorso in forte pendenza, l'applicazione di un'armatura a nastro di due sottili nastri di ottone o acciaio aumenta la resistenza meccanica del guaina e lo rende idoneo alle alte pressioni, sviluppandosi nel cavo.
Cavi armati
La guaina di piombo non fornisce una protezione sufficiente contro le influenze meccaniche, ad esempio urti accidentali sul cavo durante l'installazione, e in particolare contro le forze di trazione che si verificano sia durante la posa del cavo che durante il suo funzionamento.
Nei cavi per posa verticale, soprattutto fluviale e marittima, è necessario proteggere la guaina di piombo dalle forze di trazione, perché senza tale protezione la guaina di piombo si strapperà o si danneggerà nel tempo.
Esistono due tipi principali di armature: il nastro, che protegge il cavo principalmente da influenze meccaniche accidentali durante la posa, e il filo, dalle forze di trazione.
L'armatura a nastro è costituita da due strisce di acciaio stratificate su un supporto di materiali fibrosi in modo che gli spazi tra le spire di una striscia si sovrappongano alle spire dell'altra striscia. Gli spazi tra i bordi delle spire di una striscia sono pari a circa un terzo della larghezza della striscia e la sovrapposizione delle spire di una striscia con le spire dell'altra dovrebbe essere almeno un quarto della larghezza della striscia striscia corazzata.
Tale implementazione dell'armatura del cavo consente di proteggere la guaina di piombo dai colpi con una pala durante la posa del cavo e da altre influenze meccaniche non troppo forti, e allo stesso tempo preserva la flessibilità necessaria per la posa del cavo, che si ottiene spostando « pieghe dell'armatura del nastro l'una rispetto all'altra.
Lo svantaggio dell'armatura a nastro è la possibilità di spostamento delle pieghe del nastro dell'armatura quando il cavo viene trascinato sul terreno durante la posa. Tale armatura viene utilizzata principalmente per armare cavi sotterranei, nonché cavi posati all'interno di tunnel per cavi e sulle pareti degli edifici.
Il nastro d'acciaio utilizzato nell'industria dei cavi dovrebbe avere una resistenza alla trazione da 30 a 42 kg/mm2, perché il nastro con elevata resistenza alla trazione è molto elastico e non si adatta bene al cavo durante la prenotazione. È richiesto un allungamento alla rottura del 20 - 36% (con una lunghezza stimata del campione di 100 mm).
Per l'armatura dei cavi elettrici viene utilizzato un nastro di acciaio con uno spessore di 0,3, 0,5 e 0,8 mm e una larghezza di 15, 20, 25, 30, 35, 45 e 60 mm, a seconda del diametro del cavo. Il nastro deve essere consegnato in cerchi con un diametro di circa 500 - 700 mm.
Il filo di armatura viene utilizzato rotondo e segmentato (piatto). Il filo tondo viene utilizzato per armare cavi che devono resistere a forze di trazione significative durante l'installazione o il funzionamento (ad es. cavi sottomarini). Il filo segmentato viene utilizzato per i cavi posati nelle miniere e su percorsi in forte pendenza.
Per proteggersi dalla corrosione, il filo utilizzato per l'armatura deve essere rivestito con uno spesso strato continuo di zinco.
In riserva, un'armatura metallica, simile al nastro, viene applicata al cavo su un cuscino, che può essere costituito da uno strato di filo di cavo preimpregnato con un composto anti-marciume, ricoperto sopra da uno strato di miscela bituminosa.
Per l'armatura metallica, la direzione della torsione è presa nella direzione opposta alla direzione della torsione completa delle anime del cavo.
Per proteggere l'armatura dalla corrosione (corrosione), è ricoperta da un composto bituminoso e uno strato di filo di cavo preimpregnato ricoperto sopra con lo stesso composto. Lo strato esterno del filo del cavo è progettato non solo per proteggere il nastro armato o il filo armato dalla corrosione, ma serve anche per il fissaggio, cioè non consente il movimento dei nastri armati e trattiene i fili armati in uno spago.
I cavi destinati all'installazione interna non devono avere uno strato di filo di cavo impregnato sopra il rivestimento armato per motivi di sicurezza antincendio. Tali cavi, ad esempio i cavi del marchio SBG, devono essere armati con nastro di armatura verniciato.
Il processo di prenotazione consiste nell'applicazione di coperture protettive e armature.Il cavo in piombo deve essere applicato in sequenza: uno strato di composizione bituminosa attorcigliato con due strisce di carta per cavi (rivestimento anticorrosione), uno strato di compound, filo per cavi o carta al solfato impregnata (cuscino sotto l'armatura), uno strato di composizione bituminosa , un'armatura composta da due nastri di acciaio o fili di acciaio, uno strato di composizione bituminosa, filo di cavo (copertura esterna), uno strato di composizione bituminosa e soluzione di gesso.