Ученые Пермского Политеха разработали метод точного контроля качества кабельной изоляции
Прочность и долговечность силовых кабелей среднего и высокого напряжения — ключевой фактор надежности энергосетей и безопасности. Это напрямую зависит от степени сшивки полиэтилена — процесса, формирующего прочную и термостойкую структуру материала. Сегодня на производстве зачастую оптимальные режимы технологического процесса подбирают методом проб и ошибок. Технолог вынужден останавливать линию, менять настройки и запускать пробные партии, проверяя результат в лаборатории. Ученые Пермского Политеха разработали метод, который позволяет с точностью 95% прогнозировать качество изоляции кабелей.
Статья опубликована в научно-практическом журнале «Электричество».
Силовые кабели среднего и высокого напряжения являются основным способом передачи электроэнергии, необходимой промышленным предприятиям, жилым районам и объектам инфраструктуры. Они проложены под землей и водой, работая в экстремальных условиях и выдерживая высокие электрические (6–35 кВ), механические и температурные нагрузки. От надежности каждого метра такого кабеля зависит энергетическая безопасность. Их выход из строя по ряду причин приводит к масштабным авариям, остановке производства, обесточиванию городов и экономическим потерям для производств.
Надежность кабеля существенно зависит от качества его изоляции. Наиболее используемый изоляционный материал, полиэтилен, при нагреве размягчается и теряет форму. Для улучшения эксплуатационных свойств его подвергают химическому процессу сшивки. То есть в полиэтилен добавляют специальный химический агент — пероксид. В ходе этой реакции между длинными молекулярными цепочками полиэтилена образуются прочные связи. Это обеспечивает тот запас прочности и долговечности, который позволяет кабелю служить десятилетиями.
Основная сложность управления процессом сшивки изоляции заключается в необходимости одновременного контроля целого комплекса взаимосвязанных факторов, которые практически невозможно сбалансировать «на глаз».
Критическое влияние оказывает геометрия самого кабеля: при увеличении толщины изоляции ее сложнее равномерно нагреть. В таком случае внутренние слои кабеля могут не достичь нужной степени нагрева, а сшивка будет некачественной. Кроме того, полиэтилен от разных поставщиков может отличаться. Количество химического агента в составе варьируется, а значит, и скорость реакции для каждой партии сырья будет разной, а подобрать один режим на все случаи невозможно.
Сегодня поиск оптимального режима сшивки — это дорогостоящий и длительный процесс проб и ошибок непосредственно на производстве, сопровождающийся остановками и расходом километров материала. Существующие методы контроля, например, нагрев под давлением, применяются к уже готовому кабелю и не позволяют прогнозировать результат и не предназначены для оперативного управления процессом в реальном времени.
Ранее ученые ПНИПУ разработали математическую модель, которая позволила проанализировать влияние температуры и геометрии различных марок кабеля на равномерность сшивки.
Теперь исследователи интегрировали ее в промышленный программный комплекс, чтобы воспроизвести технологический процесс сшивки и получить точные данные о влиянии каждого параметра (геометрии кабеля, скорости изолирования, температурного режима нагрева и охлаждения) на качество изоляции.
На начальной стадии исследователи сфокусировались на изучении свойств исходного сырья и отобрали несколько наиболее популярных промышленных марок, различающихся химическим составом.
Для оценки реакции сшивки использовался ротационный реометр, специальный прибор для вращения и нагрева образцов материала. На этом оборудовании проводились эксперименты по определению степени сшивки материалов при температурах от 160°C до 200°C, что соответствует реальным производственным условиям. Этот этап показал, при какой температуре начинается реакция сшивки, как быстро она протекает и в каком диапазоне температур проходит наиболее активно для каждого типа полиэтилена.
Полученные экспериментальные данные стали основой для создания 3D-модели, которая описывает, как протекает химическая реакция сшивки внутри кабеля. Была учтена сложная многослойная структура кабеля, свойства материалов, процесс теплообмена и реальные технологические параметры процесса. Благодаря этому удалось рассчитать, как изменение температуры влияет на степень сшивки полиэтилена в каждой точке изоляции.
— С помощью разработанной цифровой модели мы провели серию виртуальных испытаний. Мы задали при тестировании все ключевые параметры, которые варьируются в реальном производстве: толщину кабеля, скорость нагрева, температуру и др. Далее модель автоматически рассчитала тысячи сценариев, комбинируя эти параметры. Чтобы убедиться в достоверности полученных результатов, их сравнивали с экспериментальными данными для стандартных, отработанных режимов производства. Совпадение составило 95%, что позволило считать разработанную модель адекватной. В результате исследования процесса сшивки с различными комбинациями исходных параметров были определены оптимальные, позволяющие без потери качества увеличить общую производительность, — отметила Наталия Труфанова, заведующая кафедрой «Конструирование и технологии в электротехнике», доктор технических наук.
На завершающем этапе ученые обработали весь массив полученных данных. Главным итогом анализа стали выявленные количественные закономерности в виде графиков, таблиц и диаграмм, определяющие качество продукции в зависимости от набора исходных данных. Последние могут стать готовыми технологическими инструкциями для инженера, который сможет для заданной геометрии кабеля установить параметры процесса, гарантирующие качество будущей продукции.
— Виртуальные эксперименты на основе созданной модели дали результат, недостижимый традиционными методами: количественные закономерности, раскрывающие «механику» процесса. Модель выявила критически важные пороговые значения и зависимости. Главный практический итог в том, что разработка позволяет с высокой точностью прогнозировать степень сшивки изоляции для любых заданных условий, полностью исключая необходимость в дорогостоящих и длительных натурных экспериментах на производственной линии, — дополнила Наталия Труфанова.
Разработанная методика представляет собой готовый к внедрению цифровой инструмент. Когда на производстве возникает задача выпустить кабель нового размера или перейти на другую марку сырья, технолог вводит в усовершенствованный программный комплекс конкретные параметры. Модель проводит виртуальный эксперимент и выдает прогноз, например, при какой температуре будет достигнута требуемая степень сшивки. Это позволит заранее утвердить оптимальный технологический режим, гарантирующий качество и исключающий выпуск брака.
Узнавайте первыми главные энергетические новости и актуальную информацию о важных событиях дня в России и мире.
Подписывайтесь на наш Telegram-канал
"ГИС-Профи. Информационное сопровождение предприятий энергетической отрасли"