Оборудование для производства

Запуск системы четырёхстороннего облучения электронами кабельных и трубчатых изделий на ЗАОр НП "Подольсккабель"

29.05.2004
Рубрика: Оборудование для производства

Обсудить на форуме

Информация предоставлена: ЗАОр НП "Подольсккабель"

67187 просмотров

В настоящее время электронно-лучевые технологии широко используются в кабельной промышленности для радиационного сшивания изоляции, выполненной на основе композиций полиэтилена. Использование этих технологий позволило освоить производство широкого ассортимента нагревостойких и радиационно-стойких проводов, кабелей и термоусаживаемых изделий (нагревательных проводов, силовых и судовых кабелей, бортовых авиационных проводов, кабелей и проводов для атомных электростанций и др.). Все они обладают повышенной надёжностью при монтаже и эксплуатации, как в обычных, так и в экстремальных условиях.

Наиболее совершенным инструментом для радиационной обработки кабельной продукции являются мощные промышленные ускорители электронов.

ЗАОр НП "Подольсккабель" является одним из пионеров электронно-лучевой обработки кабельной продукции в России. Одной из основных задач предприятия является обеспечение потребителей высококачественной кабельно-проводниковой продукцией. При разработке и выпуске кабельной продукции ЗАОр НП "Подольсккабель" руководствуется отраслевыми, государственными и международными стандартами и нормами. Соответствие продукции тщательно контролируется как в процессе производства, так и на испытательных станциях и в лабораториях. Рыночные условия диктуют создание кабельных изделий нового поколения. Именно с целью повышения качества выпускаемой продукции здесь проведена модернизация одного из ускорителей электронов типа ЭЛВ. Одновременно с модернизацией ускорителя (кстати, проработавшего более 20 лет) на предприятии проведена модернизация и подпучкового оборудования. Системы управления ускорителем и линией транспортировки проводов через зону облучения объединены, что позволяет проводить электронно-лучевую обработку проводов и кабельных заготовок в полностью автоматизированном режиме, исключая, тем самым, человеческий фактор. Изменения коснулись также и самого процесса облучения. Традиционный, двусторонний способ облучения, заменен на 4-сторонний. Такое устройство для ускорителя постоянного тока реализовано впервые в мире.

Процесс радиационной обработки кабельных изделий требует применения дорогостоящего оборудования, поэтому задача повышения эффективности его использования является достаточно актуальной. Оптимизируя способ облучения изделий электронным пучком, можно существенно поднять качество облучения и эффективность использования пучка, уменьшить стоимость обработки. Для, качественного и эффективного облучения необходимо обеспечить:

  1. Однородность поглощенной дозы по глубине материала и по азимуту изделия;
  2. Эффективность использования энергии электронов;
  3. Эффективность использования тока электронного пучка;

Немалое значение для эксплуатации установки имеет также простота и надежность транспортного устройства.

Одним из способов повышения эффективности электронно-лучевой установки является применение многостороннего облучения. В ИЯФ было разработана система 4-стороннего облучения, опубликованная в настоящем издании. Однако разработка не продвигалась дальше эскизного проекта, пока ею не заинтересовались специалисты ЗАОр НП "Подольсккабель". По заказу ЗАОр НП "Подольсккабель" был спроектирован, изготовлен, испытан в ИЯФ и поставлен по договору первый экземпляр устройства, описанного в. В настоящей работе описывается конструкция универсальной системы облучения, позволяющая на одной установке реализовать как четырехстороннее облучение, так и обычное двустороннее. Устройство разрабатывалось для применения с ускорителями серии ЭЛВ, однако может быть использовано с любым промышленным ускорителем электронов.

Ускорители серии ЭЛВ являются ускорителями постоянного тока. Питание ускорительной трубки осуществляется от источника высокого напряжения. Электроны, эмитированные катодом, расположенным на верхнем, высоковольтном, конце ускорительной трубки, на выходе из ускорительной трубки имеют полную энергию равную величине ускоряющего напряжения. Ускоренные электроны выводятся в атмосферу через окно из тонкой титановой фольги. Равномерное распределение тока по поверхности фольги достигается путем сканирования электронного пучка в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью электромагнитных отклоняющих систем. Облучаемые изделия перемещаются под выпускным окном в поперечном направлении. По такой схеме изготовлено, установлено у потребителей и успешно эксплуатируется более 80 ускорителей типа ЭЛВ как внутри страны, так и за рубежом.

Различные типы ускорителей ЭЛВ перекрывают диапазон по энергии от 0.2 до 2.5 МэВ и по мощности до 100 кВт. Этот диапазон энергий и мощностей является оптимальным для электронно-лучевой обработки большого ассортимента проводов и кабелей. Стремясь постоянно повышать привлекательность ускорителя для потребителей, его разработчики уделяют большое внимание созданию подпучкового оборудования, в том числе систем многостороннего облучения. Именно здесь пересеклись интересы ИЯФ и ЗАОр НП "Подольсккабель". Следует отметить, что "Подольсккабель" шел да же на определенный риск, связанный, во-первых, с тем, что ни на одном из ускорителей в мире подобное устройство не работало, а во-вторых, с высокой загрузкой ускорителей и необходимостью проведения работ в сжатые сроки для выполнения производственных заказов электронно-лучевой обработки кабельных заготовок. Оправданием этого риска являются те, преимущества, которые уже реализуются в схеме 4-стороннего облучения для существующей номенклатуры изделий и которые ожидаются при переходе к работе с огнестойкими, безгалогенными композициями, то есть изделий для АС, нефтепогружного кабеля нового поколения.

Основным способом облучения кабельной продукции во всем мире в настоящее время является двустороннее облучение. При этом способе не существует эффекта тени от токопроводящей шины, однако существуют участки изоляции, толщина которых в направлении распространения пучка существенно меньше необходимой длины пробега электронов. При этом часть электронов отражается от токопроводящей жилы в обратном направлении, что ведёт к локальному переоблучению материала. Помимо этого при облучении боковой поверхности из-за рассеяния часть электронов покидает облучаемый слой, увеличивая тем самым азимутальную неоднородность.

На рис. 1 показано расчетное распределение поглощенной дозы по азимуту и глубине в зависимости от способа облучения, приведенное в работе.

Расчетное распределение поглощенной дозы
кабеля по азимуту и глубине при 2-х стороннем, 3-х стороннем,
4-хстороннем и круговом облучении

Рис. 1. Расчетное распределение поглощенной дозы кабеля по азимуту и глубине при 2-х стороннем, 3-х стороннем, 4-хстороннем и круговом облучении

Отсюда следует, что четырехсторонняя система облучения позволяет совместить высокое качество облучения с высокой эффективностью использования пучка и, с нашей точки зрения, является оптимальной для обработки кабельных изделий и проводов с наружным диаметром до нескольких десятков миллиметров. Для четырехстороннего облучения при заданной толщине изоляции (в зависимости от наружного диаметра провода, а особенно для проводов большого сечения) требуемая глубина проникновения электронов в 2-4 раза меньше, чем для двухстороннего облучения, что приводит к уменьшению необходимой энергии электронов в 1.5-2.5 раза. Это существенно упрощает и удешевляет используемый ускоритель. В случае четырехсторонней схемы, при оптимально подобранной энергии электронов, основная часть их энергии поглощается в толще изоляции и отражение практически отсутствует.

Рис.2 иллюстрирует способ 4-стороннего облучения. Раскладка кабеля под пучком выполнена так, что на каждом витке верхняя и нижняя поверхность кабеля меняются местами. Если траектории пучков перекрещены под углом 90°, то, учитывая смену поверхностей, мы получим четырехстороннее облучение. Достаточно важно, чтобы кабель проходил через зону облучения несколько раз. Заправка кабеля не обязательно должна быть плоской, как это изображено на рис.2, приемлемой является и традиционная "восьмерка".

Организация четырехстороннего облучения

Рис. 2. Организация четырехстороннего облучения

Схема устройства для вывода в атмосферу двух взаимно перпендикулярных скрещенных пучков показана на рис.3.

Схематический вид уст-ройства
четырехстороннего облучения

Рис. 3. Схематический вид уст-ройства четырехстороннего облучения: 1 — магниты сканирования с переключающим магнитом; 2 — выпускное устройство; 3 — траектории электронов; 4 — правый поворотный магнит; 5 — левый поворотный магнит; 6 — выпускное окно; 7 — зона облучения

Принцип работы устройства основан на отклонении электронного пучка магнитным полем. Выходящий из ускорителя электронный пучок сканируется в плоскости рисунка электромагнитами развертки 2. Далее он попадает в постоянное поле поворотных электромагнитов 4. Это поле изменяет траектории электронов так, что, независимо от угла отклонения в развертке, все электроны, проходящие через левый магнит, имеют угол с вертикальной осью -45°±5°, а через правый, соответственно, 45°±5°. Конфигурация магнитного поля определяется формой полюсов электромагнита. Задача определения формы полюсов для заданных траекторий пучка была решена методами компьютерного моделирования с использованием программы «».

Поскольку невозможно сформировать магнитное поле, мгновенно меняющее направление, между поворотными магнитами 4 и 5 существует область, где конфигурация магнитного поля отлична от необходимой. В этой области, обозначенной а, на рис.4, угол выхода электронов будет отличаться от 45°. Наличие таких электронов приводит к снижению равномерности облучения и эффективности использования пучка. Поле поворотных магнитов в этом месте имеет структуру квадруполя и, если поворот частиц в плоскости X,Z соответствует фокусировке, то движение в плоскости плоскости X,Z соответствует фокусировке, то движение в плоскости Y,Z является дефокусирующим. Поэтому электроны, получившие в сканирующем электромагните угол менее 8 градусов, попадают на стенки камеры выпускного устройства. Если не предпринимать никаких мер, то потери пучка составили бы 15%, что является недопустимым, даже не принимая во внимание чрезмерного нагрева выпускного устройства. Поэтому пучок должен проходить указанную область максимально быстро.

Для этой цели, наряду с магнитами сканирования, установлен дополнительный переключающий электромагнит 1, позволяющий электронному пучку пересекать зону а с большей скоростью и тем самым как улучшить однородность облучения и эффективность использования пучка, так и устранить перегрев выпускного устройства. Ток в обмотке переключающего магнита имеет прямоугольную форму, причем момент переключения (изменение полярности тока в обмотке) синхронизован с током сканирования в продольном направлении (НЧ развертка), как показано на рис 5.

форма токов в обмотках сканирующего и
переключающего электромагнитов

Рис. 5. форма токов в обмотках сканирующего и переключающего электромагнитов

Ток треугольной формы 1 — ток сканирующего электромагнита, штриховой меандр; 2 — ток переключающего электромагнита; 3 — суммарный угол отклонения. Зона переброса заштрихована.

Оптимизацией формы и размеров полюсов электромагнита, сканирующего в продольном направлении, сведена к минимуму и неравномерность ширины растра вдоль выпускного окна. Поэтому предельная величина выводимого тока осталась такой же как и в обычном выпускном устройстве и составляет 70 - 100 мА на метр длины титановой фольги шириной 75 мм и толщиной 50 микрон.

В статье предполагалось изменение конструкции выпускного устройства, однако здравые размышления с точки зрения упрощения процесса изготовления привели к тому, что мы использовали стандартное выпускное устройство, изменив крепление ребер жесткости и охлаждение камеры. Более того, имеется возможность легко доработать уже существующие (изготовленные) устройства. Минимальный размер выпускного окна — 1600 мм, при этом зона облучения (в зависимости от режима и расстояния от фольги выпускного окна) может изменяться в пределах от 1000 до 400 мм. По габаритным размерам устройство для четырёх стороннего облучения незначительно отличается от стандартного выпускного устройства с линейной развёрткой и может легко устанавливаться вместо него. При выключении поворотных и переключающего магнитов система начинает работать в режиме обычной линейной развертки. Этим обеспечивается универсальность устройства, а конкретно — возможность обработки более широкого ассортимента изделий. Кроме того, возможен режим компенсации выходных углов электронного пучка. При этом электроны во всех точках выходят из выпускного окна под углом +/- 7 градусов к вертикали, что актуально для облучения пленочных изделий. На рис.6 показан внешний вид устройства.

Внешний вид устройства

Рис. 6. Внешний вид устройства

Для уменьшения влияния эффекта твиста на однородность облучения, желательно, чтобы изделие обрабатывалось с двух взаимно-перпендикулярных сторон за один проход зоны облучения. При высоких скоростях протяжки кабельных изделий (200-400 м/мин) это условие накладывает определенные требования на частоту сканирования пучка вдоль фольги выпускного окна. Эффективный размер зоны облучения в направлении движения при ширине окна 7см вследствие рассеяния пучка на фольге в диапазоне энергий 1-2.5 МэВ составляет 10-15см. Тогда при скорости движения кабеля 200 м/мин минимальная частота сканирования составит 33 Гц. В используемой системе развертки частота сканирования вдоль фольги выпускного окна выбрана в пределах 50-90 Гц, что позволяет удовлетворить поставленному выше требованию при самых высоких скоростях движения облучаемых изделий.

Поворотные магниты расположены в непосредственной близости от зоны облучения, где генерируется большое количество озона, тормозного излучения и появляются рассеянные или отраженные электроны. В конструкции поворотных магнитов предусмотрены меры, уменьшающие воздействие указанных агрессивных факторов, как-то: замоноличенные обмотки, использование элементов из нержавеющей стали, покраска полюсов, выполненных из магнитомягкого материала, экранирование всего устройства от отраженных и рассеянных электронов. Дополнительно в клеммные коробки, коробку со сканирующими электромагнитами, кабельные подводы подается свежий воздух.

Настройка устройства заключается в:

  1. юстировке растра в выпускном окне,
  2. определении зоны переброса пучка (величины тока переключающего магнита),
  3. определении выходного угла электронов (45 +/- 5),
  4. установке размера зоны облучения.

Юстировка растра пучка в выпускном окне производится по прохождения пучка сквозь выпускное окно. Это можно делать при включенных электромагнитах сканирования по осциллограмме тока на стенки раструба. Другой способ заключается в касании стенок раструба электронным пучком (при малом токе), когда в обмотки сканирующих электромагнитов подключены к источнику постоянного тока. В конечном итоге добиваются, чтобы оси сканирования совпадали с осями выпускного устройства, а размер растра в пределах рабочей зоны оставался постоянным.

Размер зоны переброса пучка определяется измерением распределения линейной плотности тока вдоль выпускного окна с помощью набора цилиндрических пробников. Это делается при включенных переключающем и магнитах сканирования, а поворотный магнит выключен. По форме распределения линейной плотности тока (датчик ставится вблизи выпускного окна) определяется как величина зоны переброса так и правильность синхронизации токов сканирования и переключающего магнита.

Определение выходного угла определяется с помощью углового датчика (рис7).

Линейный датчик

Линейный датчик

 

Угловой датчик

Рис. 7. Угловой датчик: 1 — экранирующая пластина, 2 — щель, 3 — цилиндрические алюминиевые стержни (1,2,..17). Ширина щели — 10мм. Угол между соседними пробниками — 7.5°

Выходной угол измеряется раздельно для право- и лево- повернутых электронов по максимуму тока цилиндрических датчиков. Из-за рассеяния в фольге и воздухе получается не узкий пик, а колоколообразная кривая. Выходной угол соответствует максимуму распределения.

Размер зоны облучения определяется линейным пробником после того как установлены токи переключающего и поворотных магнитов. Датчик устанавливается на высоте облучаемого объекта и путем изменения тока сканирующих магнитов устанавливается требуемый размер. Описанные процедуры являются достаточно простыми и позволяют легко контролировать правильность настройки устройства в процессе эксплуатации.

Указанные измерения достаточно проделать на одной определенной энергии электронов в рабочем диапазоне ускорителя. Управляющая программа автоматически (без участия оператора) будет устанавливать требуемые значения токов в обмотках при изменении режима работы ускорителя. Она же в процессе работы следит, чтобы эти параметры лежали в допустимых пределах. Как уже отмечалось, одновременно с установкой системы 4-стороннего облучения была модернизирована и технологическая линия. Ее система управления сопряжена с системой управления ускорителем, так что облучение ведется в полностью автоматическом режиме. Таким образом, помимо улучшения качества обработки за счет использования 4-стороннего облучения данное обстоятельство позволяет полностью исключить человеческий фактор и повысить качество и надежность обработки.

После запуска устройства сразу же началась работа в режимах с облучением кабеля. Сложность связана с тем, что работы по запуску устройства проводились в короткие сроки, чтобы минимизировать потери времени, поскольку программа облучения кабельных изделий была достаточно напряженной. Поэтому сначала облучались опытные образцы и отдавались на анализ для определения технологических режимов, а работа на ускорителе продолжалась, но в обычном двустороннем варианте. (Переключение из одного режима работы в другой занимает несколько минут). По мере отработки технологических режимов начиналось облучение изделий в 4-сторонем варианте. Были проведены специальные тесты для измерения азимутальной неоднородности поглощенной дозы. Показано, что она намного ниже, чем при двустороннем облучении. Для определенных изделий азимутальная неоднородность не превышает +/- 5%. Отмечено также увеличение производительности обработки. В зависимости от типа облучаемых изделий эта величина варьируется в пределах от 20% до 2 раз, т.е. при фиксированном токе пучка может быть увеличена скорость обработки, либо уменьшен ток пучка (мощность ускорителя), если скорость обработки достигла максимального значения. Необходимо отметить, что основные преимущества 4-стороннего облучения особенно наглядно проявляются при облучении изделий большого диаметра, на пример, заготовки нефтепогружного кабеля, оболочек кабеля для АС, но даже при малых диаметрах оно дает выигрыш в производительности. В настоящее время ведется штатная эксплуатация устройства.

В заключение еще раз отметим основные преимущества описанной системы.

Разработанные системы четырёхстороннего облучения кабельной продукции, позволяют без заметного изменения стоимости установки радиационной обработки и без ее конструктивного усложнения существенно поднять качество облучения: снижается неоднородность распределения поглощенной дозы в изоляции обрабатываемого изделия и возрастает эффективность обработки.

Ширина зоны облучения (до 1 м) существенно больше, чем в любом из известных нам вариантов установок четырехстороннего облучения. При равных скоростях протяжки, при увеличении ширины раскладки, полная доза облучения набирается за более короткий промежуток времени. Это уменьшает тепловую и радиационную нагрузки на облучаемое изделие и, следовательно, повышает качество облучаемых изделий.

Устройство, может работать в режимах как 4-стороннего облучения, так и режиме линейной развертки. Дополнительно имеется возможность формировать вертикально выходящий пучок для облучения пленочных изделий.

Обслуживание системы является достаточно простым, существует набор процедур, позволяющий проверять ее работоспособность в процессе текущей эксплуатации.

Разработанные системы четырехстороннего облучения могут использоваться с любыми промышленными ускорителями электронов как непрерывного, так и импульсного действия. Опыт эксплуатации систем 4-х стороннего облучения на ЗАОр НП "Подольсккабель" показывает, что ее можно использовать не только на вновь создаваемых установках, но и для модернизации ранее изготовленных с целью повышения качества и производительности выпускаемой кабельной продукции.

Следует отметить. Что имеются заказы на изготовление систем 4-х стороннего облучения и в КНР.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно
Информация по заявке
Актуальность
Город
Текст по заявке
или прикрепите файл
Прикрепить файл
Контактные данные
Организация
E-mail
Телефон
Контактное лицо
Комментарий
Отраслевая Служба Заказов от RusCable.Ru
– это оперативный бесплатный сервис для покупателей КПП.

Стоит только заполнить форму слева и в течение нескольких минут Вашу заявку увидит около сотни компаний-поставщиков. Те организации, которые могут ответить указанным Вами требованиям, напрямую свяжутся с Вами.

Остались вопросы? Задайте их операторам Службы Заказов
тел.: 8 (495) 229 33 36
или e-mail: zakaz@kab.ru


Работайте быстро и без посредников, работайте с RusCable.Ru!