جدیدترین فناوری‌های مواد کمکی کابل‌های زیردریایی
جدیدترین فناوری‌های مواد کمکی کابل‌های زیردریایی
چکیده
این مقاله به بررسی فناوری‌های پیشرفته در مواد کمکی کابل‌های زیردریایی می‌پردازد. این مقاله چگونگی تکامل این مواد را برای افزایش عملکرد، دوام و قابلیت اطمینان کابل‌های زیردریایی در محیط چالش‌برانگیز دریایی بررسی می‌کند. با بررسی مواد جدید، تکنیک‌های تولید و بهبودهای عملکردی، می‌توانیم درک کنیم که چگونه آنها به توسعه سیستم‌های کابل زیردریایی کارآمدتر و بادوام‌تر کمک می‌کنند.
۱. مقدمه
کابل‌های زیردریایی ستون فقرات شبکه‌های ارتباطی و انتقال برق جهانی هستند که در اقیانوس‌های وسیع امتداد یافته‌اند تا قاره‌ها را به هم متصل کنند. مواد کمکی نقش حیاتی در تضمین عملکرد روان این کابل‌ها دارند. آنها اجزای اصلی کابل را از محیط خشن دریایی، شامل آب پرفشار، جریان‌های قوی، تغییرات دما و آب خورنده دریا، محافظت می‌کنند. علاوه بر این، آنها از نصب، نگهداری و نظارت بر کابل‌های زیردریایی پشتیبانی می‌کنند. با افزایش تقاضا برای انتقال داده با سرعت بالا و تولید برق فراساحلی در مقیاس بزرگ، توسعه مواد کمکی پیشرفته کابل زیردریایی ضروری شده است.
۲. مواد جدید برای لوازم جانبی کابل‌های زیردریایی
۲.۱ مواد عایق با کارایی بالا
- نانوکامپوزیت - XLPE اصلاح‌شده: پلی‌اتیلن با پیوند متقاطع (XLPE) مدت‌هاست که یک انتخاب محبوب برای عایق‌بندی کابل‌های زیردریایی بوده است. تحقیقات اخیر بر افزایش خواص آن از طریق فناوری نانوکامپوزیت متمرکز است. به عنوان مثال، ترکیب نانوذراتی مانند اکسید گرافن (GO) یا نانورس مونتموریلونیت در XLPE می‌تواند عملکرد آن را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. GO با نسبت ابعاد بالا و خواص الکتریکی و مکانیکی عالی خود، هنگامی که به درستی پراکنده شود، یک شبکه رسانا در ماتریس XLPE تشکیل می‌دهد. این امر نه تنها خواص نیمه‌رسانایی را برای کنترل بهتر میدان الکتریکی بهبود می‌بخشد، بلکه استحکام مکانیکی عایق را نیز افزایش می‌دهد. در یک مطالعه، مشخص شد که افزودن 1 تا 3 درصد وزنی GO به XLPE، استحکام کششی را 20 تا 30 درصد افزایش داده و رسانایی الکتریکی را تحت تنش ولتاژ بالا کاهش می‌دهد و در نتیجه قابلیت اطمینان طولانی مدت عایق را بهبود می‌بخشد.
- مخلوط‌های پلیمری نوآورانه: مخلوط‌های پلیمری به عنوان مواد عایق امیدوارکننده برای کابل‌های زیردریایی در حال ظهور هستند. ترکیب پلیمرهای مختلف می‌تواند مزایای منحصر به فرد آنها را با هم ترکیب کند. به عنوان مثال، ترکیب پلی‌آمید (PI) با پلی‌اتیلن (PE) ماده‌ای با مقاومت دمایی بالای PI و انعطاف‌پذیری و فرآیندپذیری PE ایجاد می‌کند. این کامپوزیت می‌تواند در برابر تغییرات شدید دما در اقیانوس، از آب‌های سرد اعماق دریا گرفته تا آب‌های سطحی گرم‌تر نزدیک ساحل، مقاومت کند. همچنین مقاومت شیمیایی بهبود یافته‌ای در برابر آب دریا و سایر مواد خورنده ارائه می‌دهد و آن را برای استفاده طولانی مدت در کاربردهای کابل زیردریایی مناسب می‌سازد.
۲.۲ مواد زرهی پیشرفته
- خوردگی - آلیاژهای مقاوم: زره فولادی سنتی در کابل‌های زیردریایی مستعد خوردگی در محیط دریایی است. مواد آلیاژی جدیدی برای رفع این مشکل در حال توسعه هستند. به عنوان مثال، سوپرآلیاژهای پایه نیکل با محتوای کروم و مولیبدن بالا، مقاومت عالی در برابر خوردگی در آب دریا نشان می‌دهند. این آلیاژها یک لایه غیرفعال روی سطح خود تشکیل می‌دهند که به عنوان مانعی در برابر یون‌های کلرید، عامل اصلی خوردگی در اقیانوس، عمل می‌کند. این آلیاژها علاوه بر مقاومت در برابر خوردگی، از استحکام کششی و چقرمگی بالایی نیز برخوردارند و محافظت مکانیکی بهتری برای کابل فراهم می‌کنند. آنها می‌توانند در هنگام نصب، مانند خم شدن، کشیدن و ضربه بستر دریا، در برابر تنش مکانیکی مقاومت کنند.
- زره کامپوزیت تقویت‌شده با الیاف: کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف، مانند پلیمر تقویت‌شده با الیاف کربن (CFRP) و پلیمر تقویت‌شده با الیاف شیشه (GFRP)، به جایگزین‌های محبوبی برای زره کابل‌های زیردریایی تبدیل شده‌اند. CFRP نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت عالی در برابر خوردگی و مقاومت خوب در برابر خستگی را ارائه می‌دهد. این ماده می‌تواند وزن کلی کابل را کاهش دهد و نصب را به ویژه در مناطق عمیق دریا آسان‌تر کند. از سوی دیگر، GFRP مقرون‌به‌صرفه‌تر است و همچنان محافظت مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی خوبی را ارائه می‌دهد. این مواد کامپوزیتی را می‌توان با تنظیم جهت الیاف و ماتریس رزین برای برآورده کردن نیازهای خاص کاربردهای مختلف کابل زیردریایی سفارشی کرد.
۲.۳ مواد برتر مقاوم در برابر آب و رطوبت
- کامپوزیت‌های پلیمر فوق جاذب (SAP): مسدود کردن آب یک عملکرد حیاتی برای مواد کمکی کابل‌های زیردریایی است. کامپوزیت‌های SAP جدید برای بهبود این عملکرد توسعه یافته‌اند. این کامپوزیت‌ها می‌توانند به سرعت آب را جذب کرده و ماده‌ای ژل مانند تشکیل دهند که از نفوذ بیشتر آب در امتداد کابل جلوگیری می‌کند. به عنوان مثال، یک کامپوزیت SAP مبتنی بر پلی‌اکریلات و یک پرکننده تقویت‌کننده می‌تواند تا چند صد برابر وزن خود آب جذب کند. پرکننده تقویت‌کننده، مانند نانوذرات سیلیس، استحکام مکانیکی ژل را افزایش می‌دهد و تضمین می‌کند که حتی در شرایط فشار بالا در اقیانوس نیز در جای خود باقی بماند. این امر به طور مؤثر از هسته کابل در برابر آسیب‌های ناشی از آب، مانند تخریب عایق و خوردگی هادی، محافظت می‌کند.
- لایه‌های آبگریز و مانع: پوشش‌ها و لایه‌های مانع آبگریز برای جلوگیری از ورود رطوبت استفاده می‌شوند. پوشش‌های آبگریز نانوساختار، مانند آنهایی که بر پایه فلوئوروپلیمر یا نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر سیلیس هستند، یک سطح فوق آبگریز روی غلاف کابل یا اجزای کمکی ایجاد می‌کنند. این پوشش‌ها زاویه تماس آب بیش از 150 درجه دارند و باعث می‌شوند قطرات آب به راحتی از روی آنها بلغزند و از چسبیدن و نفوذ آب جلوگیری می‌کنند. لایه‌های مانع، مانند لایه‌های پلیمری چند لایه با خواص مانع گازی بالا، نیز برای جلوگیری از انتشار بخار آب استفاده می‌شوند. موادی مانند پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) و کوپلیمر اتیلن وینیل الکل (EVOH) نفوذپذیری بخار آب کمی دارند. با لایه لایه کردن این لایه‌ها روی هم، می‌توان یک لایه مانع مقاوم در برابر رطوبت بسیار مؤثر ایجاد کرد.
۳. فناوری‌های نوآورانه تولید
۳.۱ فرآیندهای اکستروژن و پوشش‌دهی دقیق
- اکستروژن لایه عایق با دقت بالا: فرآیند اکستروژن برای مواد عایق در تولید کابل‌های زیردریایی پیشرفت‌های چشمگیری داشته است. دستگاه‌های اکستروژن مدرن به سیستم‌های کنترل پیشرفته مجهز شده‌اند. به عنوان مثال، سیستم‌های کنترل حلقه بسته با استفاده از حسگرهای دما، فشار و سرعت جریان می‌توانند فرآیند اکستروژن را به طور دقیق تنظیم کنند. این امر تضمین می‌کند که XLPE یا سایر مواد عایق به طور یکنواخت در اطراف هادی کابل اکسترود می‌شوند و در نتیجه ضخامت عایق ثابتی حاصل می‌شود. استفاده از قالب‌های اکستروژن پیشرفته که با کمک شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) طراحی شده‌اند، می‌توانند جریان مواد عایق مذاب را بهینه‌تر کرده و از بروز عیوبی مانند حفره‌ها و ضخامت ناهموار جلوگیری کنند.
- فیلم نازک