Recherche et application des matériaux composites de câbles chauffants dans les environnements haute et ultra haute tension

Câbles chauffants haute et ultra haute tension en matériaux composites sont des matériaux composites à base de polymères spécialement utilisés pour préparer des câbles chauffants pouvant résister à des conditions extrêmes. Le matériau doit conserver d’excellentes propriétés électriques, une résistance mécanique et une stabilité thermique sous des tensions et des pressions extrêmement élevées. Ses scénarios d'application typiques incluent l'exploration pétrolière et gazière en haute mer, l'industrie pétrochimique et les environnements extrêmement froids ou à haute température.

Caractéristiques clés et exigences de performance
Afin de faire face aux environnements de travail extrêmes, les matériaux composites des câbles chauffants haute et ultra haute tension doivent répondre à un certain nombre d'exigences de performance strictes, y compris, mais sans s'y limiter, les aspects suivants :

Performances d'isolation électrique : les câbles chauffants fonctionnent dans des conditions de haute tension, ce qui nécessite que les matériaux aient d'excellentes propriétés d'isolation électrique pour éviter les fuites de courant et les ruptures d'isolation. Cela nécessite que le matériau composite ait une résistivité élevée et une faible perte diélectrique.

Résistance aux températures élevées : le câble chauffant générera des températures élevées pendant le fonctionnement et doit également pouvoir rester stable dans des environnements à températures extrêmes. La résistance du matériau aux températures élevées est donc particulièrement critique.

Résistance mécanique et résistance à la pression : Sous ultra-haute tension, le matériau du câble doit avoir une résistance mécanique élevée et être capable de résister aux forces externes telles que la tension et la compression sans déformation ni rupture.

Résistance à la corrosion chimique : Dans les environnements pétrochimiques ou en eaux profondes, les matériaux doivent également avoir une bonne résistance à la corrosion chimique et pouvoir fonctionner longtemps dans des milieux chimiques tels que les acides et les alcalis sans dommage.

Conductivité thermique : le câble chauffant doit conduire efficacement la chaleur pour obtenir un effet chauffant stable. Par conséquent, la conductivité thermique du matériau composite est également un indicateur important qui doit être pris en compte lors de la conception.

Principaux composants matériels
Les matériaux composites des câbles chauffants haute et ultra haute tension sont généralement composés d'une matrice polymère et de charges fonctionnelles. Les différents composants se complètent et confèrent au matériau d'excellentes propriétés globales. Les principaux composants matériels courants comprennent :

Matériau de la matrice : des matériaux polymères généralement résistants aux hautes températures et au vieillissement tels que le polyéthylène (PE), le fluorure de polyvinylidène (PVDF), le caoutchouc éthylène-propylène (EPR), etc. sont sélectionnés. Ces matériaux présentent une excellente isolation électrique, une résistance mécanique et une stabilité chimique.

Charges fonctionnelles : les charges couramment utilisées comprennent des matériaux conducteurs thermiques tels que l'alumine (Al₂O₃) et l'oxyde de magnésium (MgO), conçus pour améliorer la conductivité thermique des matériaux composites. Pour améliorer l'isolation électrique, des agents améliorant l'isolation électrique tels que des agents de couplage silane et de l'oxyde de titane (TiO₂) sont également ajoutés.

Nanocharges : Ces dernières années, des nanomatériaux (tels que le graphène, les nanotubes de carbone, etc.) ont été utilisés pour modifier les matériaux composites afin d'améliorer encore leur conductivité thermique et leur résistance mécanique.

Processus de préparation
Le processus de préparation des matériaux composites des câbles chauffants haute et ultra haute tension est crucial. Ses principales étapes de procédé comprennent le mélange, le moulage par extrusion, le traitement thermique, etc. :

Mélange : Le polymère matriciel et la charge fonctionnelle sont mélangés uniformément pour garantir que la charge est uniformément répartie dans la matrice polymère.

Moulage par extrusion : le mélange est transformé en la forme requise par le processus d'extrusion pour être utilisé dans la production de câbles.

Traitement thermique : Afin d'améliorer la stabilité thermique et les propriétés mécaniques du matériau, un certain traitement thermique est généralement effectué après la préparation, comme un pressage à chaud ou un recuit.

Exemples d'applications
1. Câbles chauffants dans l’extraction de pétrole et de gaz
Les opérations d’extraction de pétrole et de gaz sont généralement réalisées dans des environnements extrêmes. Les câbles chauffants à haute et ultra-haute tension peuvent fournir le support de chauffage nécessaire aux équipements situés dans des environnements à haute pression et à haute salinité en haute mer. Son excellente résistance à la pression et sa conductivité thermique rendent ce matériau populaire dans ce domaine.

2. Ingénierie en haute mer
L'exploration et l'exploitation minière en haute mer ont des exigences extrêmement élevées en matière de résistance à la pression, de résistance à la corrosion et de performances électriques des câbles. Les câbles chauffants haute tension sont largement utilisés dans l'ingénierie en haute mer pour empêcher les tuyaux de geler en raison des basses températures.

3. Systèmes de chauffage en environnement polaire ou à haute température
Dans des environnements à températures extrêmement basses ou élevées, les composites de câbles chauffants haute tension et ultra haute tension peuvent fournir un support de chauffage fiable pour les bâtiments et les équipements, garantissant ainsi une production ou une durée de vie normale.

Composé de gaine en polyéthylène ignifuge de câble à haute tension de ML-ZRPE