Badania i zastosowanie materiałów kompozytowych na kable grzejne w środowiskach wysokiego i bardzo wysokiego napięcia

Materiały kompozytowe do przewodów grzejnych wysokiego i bardzo wysokiego napięcia to materiały kompozytowe na bazie polimerów, specjalnie stosowane do przygotowania kabli grzejnych, które są odporne na ekstremalne warunki. Materiał musi zachować doskonałe właściwości elektryczne, wytrzymałość mechaniczną i stabilność termiczną przy ekstremalnie wysokim napięciu i ciśnieniu. Typowe scenariusze zastosowań obejmują głębinowe poszukiwania ropy i gazu, przemysł petrochemiczny oraz środowiska o bardzo niskiej lub wysokiej temperaturze.

Kluczowe cechy i wymagania eksploatacyjne
Aby sprostać ekstremalnym warunkom pracy, materiały kompozytowe na przewody grzejne wysokiego i bardzo wysokiego napięcia muszą spełniać szereg rygorystycznych wymagań eksploatacyjnych, w tym między innymi:

Wydajność izolacji elektrycznej: Kable grzejne pracują w warunkach wysokiego napięcia, co wymaga materiałów o doskonałych właściwościach izolacji elektrycznej, aby zapobiec upływowi prądu i uszkodzeniu izolacji. Wymaga to, aby materiał kompozytowy miał wysoką rezystywność i niską stratę dielektryczną.

Odporność na wysoką temperaturę: Przewód grzejny będzie generował wysokie temperatury podczas pracy, a także musi być w stanie zachować stabilność w środowiskach o ekstremalnych temperaturach, dlatego szczególnie istotna jest odporność materiału na wysokie temperatury.

Wytrzymałość mechaniczna i odporność na ciśnienie: Pod bardzo wysokim napięciem materiał kabla musi mieć wysoką wytrzymałość mechaniczną i być w stanie wytrzymać siły zewnętrzne, takie jak rozciąganie i ściskanie, bez deformacji lub pęknięcia.

Odporność na korozję chemiczną: W środowiskach petrochemicznych lub głębinowych materiały muszą również charakteryzować się dobrą odpornością na korozję chemiczną i być w stanie pracować przez długi czas w mediach chemicznych, takich jak kwasy i zasady, bez uszkodzeń.

Przewodność cieplna: Aby uzyskać stabilny efekt ogrzewania, kabel grzejny musi skutecznie przewodzić ciepło. Dlatego przewodność cieplna materiału kompozytowego jest również ważnym wskaźnikiem, który należy uwzględnić w projekcie.

Główne składniki materiału
Materiały kompozytowe do przewodów grzejnych wysokiego i bardzo wysokiego napięcia składają się zazwyczaj z matrycy polimerowej i wypełniaczy funkcjonalnych. Różne składniki uzupełniają się wzajemnie i nadają materiałowi doskonałe wszechstronne właściwości. Typowe główne składniki materiałowe obejmują:

Materiał matrycy: Zwykle wybiera się materiały polimerowe odporne na wysoką temperaturę i starzenie, takie jak polietylen (PE), polifluorek winylidenu (PVDF), kauczuk etylenowo-propylenowy (EPR) itp. Materiały te charakteryzują się doskonałą izolacją elektryczną, wytrzymałością mechaniczną i stabilnością chemiczną.

Wypełniacze funkcjonalne: Powszechnie stosowane wypełniacze obejmują materiały przewodzące ciepło, takie jak tlenek glinu (Al₂O₃) i tlenek magnezu (MgO), które mają na celu poprawę przewodności cieplnej materiałów kompozytowych. Aby poprawić izolację elektryczną, dodaje się również środki polepszające izolację elektryczną, takie jak silanowe środki sprzęgające i tlenek tytanu (TiO₂).

Nanonapełniacze: W ostatnich latach nanomateriały (takie jak grafen, nanorurki węglowe itp.) zaczęto modyfikować materiały kompozytowe w celu dalszej poprawy ich przewodności cieplnej i wytrzymałości mechanicznej.

Proces przygotowania
Proces przygotowania materiałów kompozytowych na przewody grzejne wysokiego i bardzo wysokiego napięcia jest kluczowy. Główne etapy procesu obejmują mieszanie, wytłaczanie, obróbkę cieplną itp.:

Mieszanie: Matrycę polimerową i wypełniacz funkcjonalny miesza się równomiernie, aby zapewnić równomierne rozprowadzenie wypełniacza w matrycy polimerowej.

Formowanie przez wytłaczanie: Mieszankę przetwarza się do wymaganego kształtu w procesie wytłaczania w celu zastosowania w produkcji kabli.

Obróbka cieplna: W celu zwiększenia stabilności termicznej i właściwości mechanicznych materiału, po przygotowaniu zwykle przeprowadza się pewną obróbkę cieplną, taką jak prasowanie na gorąco lub wyżarzanie.

Przykłady zastosowań
1. Przewody grzejne w wydobyciu ropy i gazu
Operacje wydobycia ropy i gazu są zwykle prowadzone w ekstremalnych warunkach. Kable grzejne wysokiego i bardzo wysokiego napięcia mogą zapewnić niezbędne wsparcie grzewcze dla urządzeń pracujących w głębinowych środowiskach o wysokim ciśnieniu i dużym zasoleniu. Doskonała odporność na ciśnienie i przewodność cieplna sprawiają, że materiał ten jest popularny w tej dziedzinie.

2. Inżynieria głębinowa
Eksploracja i wydobycie głębin morskich stawiają niezwykle wysokie wymagania dotyczące wytrzymałości na ciśnienie, odporności na korozję i parametrów elektrycznych kabli. Kable grzejne wysokiego napięcia są szeroko stosowane w inżynierii głębinowej, aby zapobiec zamarzaniu rur z powodu niskich temperatur.

3. Systemy grzewcze w środowiskach polarnych lub o wysokiej temperaturze
W środowiskach o ekstremalnie niskiej lub wysokiej temperaturze kompozyty kabli grzejnych wysokiego i bardzo wysokiego napięcia mogą zapewnić niezawodne wsparcie grzewcze budynków i sprzętu, zapewniając w ten sposób normalną produkcję lub żywotność.

ML-ZRPE Kabel wysokiego napięcia Ognioodporna powłoka polietylenowa