La présente invention concerne les câbles électriques enterrables, destinés
principalement à des réseaux moyenne et haute tension, qui doivent rester étanches
pendant des durées de vie importantes, en présence d'agents agressifs.
La constitution des câbles à un seul conducteur de ce type est habituellement
celle schématisée sur la figure. Le conducteur central 10 est formé d'un faisceau de fils
souvent enroulés en hélice, généralement en cuivre ou aluminium, et il est revêtu d'une
pellicule 12 de matériau conducteur ou semi-conducteur destinée notamment à rendre
lisse la surface extérieure du faisceau et à réduire en conséquence les pointes de
champ électrique. Une couche 14 de matériau isolant, en général de polyéthylène
réticulé au peroxyde ou par des silanes, recouvre l'ensemble conducteur-pellicule. Elle
peut être recouverte d'une seconde pellicule de matériau semi-conducteur 16.
L'ensemble ainsi constitué, souvent qualifié de coeur électrique, doit être protégé
contre l'humidité qui risque de provoquer des arborescences électriques. On utilise pour
cela un tube conducteur 18, habituellement en aluminium et ayant généralement une à
quelques centaines de microns d'épaisseur, qui constitue en même temps un écran
électrique. Ce tube est souvent constitué par un feuillard ou un ruban replié ou bobiné
autour de l'isolant avec recouvrement des bords et collage, par exemple à chaud à l'aide
d'un produit qualifié de « hot melt » à base de copolymère éthylène- acétate de vinyle,
dit EVA, ou à l'aide d'une résine polyester ou polyamide. Enfin une gaine de protection
mécanique 20 en matériau isolant souple, souvent en polychlorure de vinyle qui combine
de bonnes caractéristiques mécaniques et de résistance à la fissuration et un bon
comportement au vieillissement thermique, est collée sur l'écran. On obtient ainsi un
câble présentant une flexibilité suffisante pour être enroulé sur un touret et mis en place
sur des trajets sinueux. Souvent une poudre d'étanchéité est placée sur la pellicule 16
avant mise en place du tube.
De tels câbles sont notamment utilisés pour la distribution à moyenne tension,
entre 12 et 20 kV. Dans certains pays, une couche conductrice supplémentaire est
prévue au-dessus de la gaine.
Le maintien à long terme de l'étanchéité du câble est vérifié par des essais sur
des échantillons. Un tronçon de câble est immergé dans une solution aqueuse
représentative des conditions d'emploi en présence d'eau. La solution type contient 10
g/l de NaCI et 10 g/l de Na2SO4 à un pH de 8,5. L'essai est effectué à 80°C.
Les essais effectués par la demanderesse sur les câbles actuels du genre ci-dessus
montrent une tendance à la corrosion du tube d'aluminium en dépit de la
protection qu'assure initialement à l'aluminium la présence d'une pellicule superficielle
d'alumine qui se forme de façon naturelle. Cette corrosion se manifeste par des piqures
qui peuvent aller jusqu'à des perforations détruisant l'étanchéité du tube.
Il est apparu aux inventeurs qu'une cause importante de corrosion était la
présence de sels de plomb incorporés en tant que stabilisants dans le PVC constituant
les gaines de protection. Ces sels (généralement des sulfates tribasiques, phosphites
dibasiques ou phtalates dibasiques) se sont révélés agressifs. Une explication probable
est que le plomb transforme l'aluminium métal en ions qui passent en solution.
Ce phénomène n'était pas apprécié avant l'invention. Le document GB 2043327,
qui décrit un câble ayant une gaine en PVC en contact avec un tube inducteur en
aluminium, s'intéresse à un problème thermomécanique. Le coeur du câble peut
provoquer une contrainte d'origine thermique. Le problème est résolu en disposant, sous
l'écran métallique, un isolant muni de rainures longitudinales d'absorption de la dilatation
du conducteur isolé. On évite ainsi la déformation de l'ensemble écran-gaine
En conséquence l'invention propose un câble dont la gaine de protection est en
PVC pratiquement exempt de plomb. Ce résultat peut notamment être obtenu en
utilisant comme stabilisant :
- des sels métalliques à base de baryum, de calcium, de zinc, d'aluminium ou de
magnésium. ;
- des organo-étain ;
- des co-stabilisants organiques.
Les sels peuvent en particulier être des dérivés d'acides gras tels que des
stéarates et des oléates, dont l'effet stabilisant peut être renforcé par la présence d'antioxydants,
par exemple de type phénolique.
La résistance à la corrosion est encore accrue si on soumet l'aluminium, avant
constitution du tube, à un traitement de passivation.
On connaít déjà des traitements de surface, notamment d'oxydation anodique, de
phosphatation et de chromatation, qui assurent une telle passivation. En particulier
l'oxydation anodique, obtenue par passage du courant électrique entre une anode
constituée par l'aluminium à protéger et une cathode dans un électrolyte approprié,
détruit le film naturel d'oxyde, dont l'épaisseur ne dépasse guère 10 nm, et fait croítre
un revêtement anodique plus résistant et plus adhérent qui peut atteindre une épaisseur
d'environ 50 nm si l'oxyde n'est pas poreux et peut aller au-delà dans le cas contraire.
Un tel revêtement épais résiste mieux à l'abrasion et à la corrosion que la pellicule
naturelle d'alumine. Une couche oxydée anodiquement dont l'épaisseur est comprise
entre 20 et 50 nm suffit à améliorer notablement la résistance à la corrosion. En général
on ne dépassera pas 200 nm.
Un revêtement obtenu par chromatation dans un bain électrolytique d'acide
chromique dilué offre les mêmes avantages. Bien que la passivation ait surtout un
intérêt sur la face en contact avec la gaine, elle sera en général pratiquée simultanément
sur les deux faces du feuillard ou ruban.
L'invention est également applicable aux câbles multipolaires comportant une
gaine de protection mécanique commune qui contient plusieurs conducteurs munis
chacun de leur tube conducteur propre en aluminium. En variante, l'écran peut entourer
l'ensemble des conducteurs.
L'invention propose également un procédé de fabrication d'un câble isolé,
conforme à la revendication 10.
Le ruban d'aluminium peut être passivé par divers procédés, généralement après
dégraissage et éventuellement décapage. On peut citer les suivants, en plus de
l'oxydation anodique, qui donne naissance à une alumine poreuse favorisant le collage :
- l'oxydation électrolytique dans un bain sulfochromique,
- l'anodisation chromique dans un bain électrolytique contenant de l'oxyde de
chrome, donnant naissance à une couche d'oxyde sous forme d'une structure
dense,
- l'anodisation phosphorique électrolytique, donnant naissance à une pellicule de
Al2O3 amorphe avec une couche de phosphate,
- la chromatation ou la phosphatation par conversion chimique dans un bain
acide.
La seconde couche est avantageusement revêtue d'une poudre d'étanchéité de
nature cellulosique (par exemple une carboxyméthylcellulose) avant mise en place du
tube.
Le tube est rendu étanche par collage bord sur bord et/ou par soudage
traversant. On peut en particulier utiliser le mode de fixation et d'étanchéité décrit dans
la demande FR 98 15346.
Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaítront à la lecture de la
description qui suit d'essais comparatifs. La description se réfère au dessin qui
l'accompagne et montre schématiquement un câble de constitution type.
Des essais ont été effectués sur des câbles dont le conducteur central
est constitué par une âme câblée de 150 mm2 de section avec une isolation
multicouche ayant :
- une couche semi-conductrice,
- une couche isolante d'oléfine ( polyéthylène réticulé),
- une seconde couche semi-conductrice,
- un tube constitué par un ruban d'aluminium de 200 µm environ d'épaisseur,
replié sur la seconde couche revêtue d'une poudre d'étanchéité, avec collage
bord sur bord à chaud par un produit type « hot melt » polyamide,
- une gaine externe en PVC de 3 mm d'épaisseur.
Echantillon témoin
A titre d'échantillon témoin, on a utilisé un tronçon de câble couramment utilisé,
dont le matériau de gaine a la composition suivante, en poids :
PVC | 100 |
Plastifiant : diisodécylphtalate | 38 |
Charge : craie | 39 |
Lubrifiant : stéarate de calcium | 0,5 |
Stabilisant : sulfate tribasique de plomb | 6 |
Anti-oxydant : BPA | 1 |
L'adhésion entre la gaine et le ruban d'aluminium était assurée par une fine
couche d'adhésif vinylique.
Au bout de 3000 heures d'immersion à 80°C, le câble, une fois fendu, a été
examiné. L'examen a montré que le tube présente plusieurs perforations, détruisant
l'étanchéité du câble. L'examen de la face côté gaine, après désolidarisation du ruban
métallique de la gaine, a fait apparaítre des corrosions par piqûre.
Exemple 1
Pour déterminer l'effet du remplacement des sels de plomb par des sels calcium-zinc,
un câble ayant la même constitution que l'échantillon de référence a été réalisé, en
remplaçant le sulfate tribasique de plomb par la même quantité en poids d'un stabilisant
calcium-zinc d'un type disponible dans le commerce sous la marque "Reapack CV B
3003".
Après un essai de même durée, aucune corrosion n'est apparue à l'intérieur du
tube et l'étanchéité était préservée. Après désolidarisation de la gaine de protection et
de l'écran d'aluminium, seuls quelques débuts de piqûre, dont le développement reste
superficiel, ont été observés.
Exemple 2
Pour déterminer l'effet d'un traitement de surface par anodisation sur la
résistance à la corrosion du tube écran, on a fabriqué un tronçon de câble ayant la
même constitution que l'échantillon témoin, si ce n'est que :
- l'aluminium destiné à constituer le tube a préalablement subi une oxydation par
passivation chromique , conduisant à une épaisseur d'oxyde de 60 nm.
- l'adhésif entre l'aluminium et la gaine était constitué par une résine polyester.
On n'a pas constaté de corrosion sur le côté intérieur du câble. La face externe
du ruban d'aluminium ne présentait pas de trace de corrosion visible à l'oeil nu, mais
seulement quelques traces blanches observables uniquement au microscope.
Exemple 3
Un tronçon de câble ayant la même constitution que celui de l'exemple 2 a été
fabriqué, mais en remplaçant le stabilisant contenant du plomb par un stabilisant
calcium-zinc, à savoir Reapack CV B 3003. Le même essai de corrosion que
précédemment n'a révélé aucune trace d'attaque sur le côté intérieur du câble ; la face
extérieure du tube d'aluminium n'a révélé aucune trace de corrosion, même au
microscope.
La comparaison des résultats qui précèdent montre qu'on obtient une
amélioration notable de la résistance à la corrosion par l'emploi d'un stabilisant ne
contenant pas de plomb et un renforcement de la couche protectrice de l'aluminium, ces
deux mesures étant avantageusement utilisées en combinaison.
Les sels utilisables en tant que stabilisants sont de natures très diverses. Ils
peuvent notamment être des sels de calcium/zinc, de magnésium et d'aluminium d'acide
gras. Les charges peuvent comporter de la silice au lieu de la craie.
La passivation superficielle de l'aluminium peut être obtenue non seulement par
anodisation ou par phosphatation, mais aussi par des traitements mixtes conduisant à la
réalisation de deux couches superposées, par exemple par chromatation suivie d'une
phosphatation.