Les dernières technologies en matière de matériaux auxiliaires pour câbles sous-marins

Abstrait

Cet article explore les technologies de pointe en matière de matériaux auxiliaires pour câbles sous-marins. Il examine l'évolution de ces matériaux pour améliorer les performances, la durabilité et la fiabilité des câbles sous-marins dans un environnement marin exigeant. L'étude des nouveaux matériaux, des techniques de fabrication et des améliorations fonctionnelles permet de comprendre comment ils contribuent au développement de systèmes de câbles sous-marins plus performants et plus durables.

1. Introduction

Les câbles sous-marins constituent l'épine dorsale des réseaux mondiaux de communication et de transport d'énergie. Ils s'étendent sur de vastes océans pour relier les continents. Les matériaux auxiliaires jouent un rôle crucial dans le bon fonctionnement de ces câbles. Ils protègent les composants centraux des environnements marins difficiles, notamment la pression de l'eau, les forts courants, les variations de température et la corrosion de l'eau de mer. De plus, ils facilitent l'installation, la maintenance et la surveillance des câbles sous-marins. Face à la demande croissante de transfert de données à haut débit et de production d'électricité offshore à grande échelle, le développement de matériaux auxiliaires avancés pour câbles sous-marins est devenu essentiel.

2. Nouveaux matériaux pour les auxiliaires de câbles sous-marins

2.1 Matériaux isolants haute performance

- Nanocomposite - XLPE modifié : Le polyéthylène réticulé (XLPE) est depuis longtemps un choix populaire pour l'isolation des câbles sous-marins. Des recherches récentes se concentrent sur l'amélioration de ses propriétés grâce à la technologie des nanocomposites. Par exemple, l'incorporation de nanoparticules telles que l'oxyde de graphène (GO) ou la nanoargile de montmorillonite dans le XLPE peut améliorer considérablement ses performances. Le GO, avec son rapport d'aspect élevé et ses excellentes propriétés électriques et mécaniques, forme un réseau conducteur au sein de la matrice XLPE lorsqu'il est correctement dispersé. Cela améliore non seulement les propriétés semi-conductrices pour un meilleur contrôle du champ électrique, mais renforce également la résistance mécanique de l'isolant. Une étude a montré que l'ajout de 1 à 3 % en poids de GO au XLPE augmentait la résistance à la traction de 20 à 30 % et réduisait la conductivité électrique sous contrainte de haute tension, améliorant ainsi la fiabilité à long terme de l'isolant.

Mélanges de polymères innovants : Les mélanges de polymères apparaissent comme des matériaux isolants prometteurs pour les câbles sous-marins. Le mélange de différents polymères permet de combiner leurs avantages individuels. Par exemple, le mélange de polyimide (PI) et de polyéthylène (PE) crée un matériau offrant la résistance aux hautes températures du PI et la flexibilité et la facilité de mise en œuvre du PE. Ce composite résiste aux variations extrêmes de température de l'océan, des eaux froides des profondeurs aux eaux de surface plus chaudes près des côtes. Il offre également une meilleure résistance chimique à l'eau de mer et à d'autres substances corrosives, ce qui le rend idéal pour une utilisation à long terme dans les câbles sous-marins.

2.2 Matériaux de blindage avancés

- Alliages résistants à la corrosion : Les blindages en acier traditionnels des câbles sous-marins sont sujets à la corrosion en milieu marin. De nouveaux alliages sont en cours de développement pour remédier à ce problème. Par exemple, les superalliages à base de nickel à forte teneur en chrome et en molybdène présentent une excellente résistance à la corrosion en eau de mer. Ces alliages forment un film passif à leur surface, qui agit comme une barrière contre les ions chlorure, principale cause de corrosion dans l'océan. Outre leur résistance à la corrosion, ces alliages présentent également une résistance à la traction et une ténacité élevées, offrant une meilleure protection mécanique au câble. Ils peuvent supporter les contraintes mécaniques lors de l'installation, telles que la flexion, la traction et l'impact avec le fond marin.

Armure composite renforcée de fibres : Les composites renforcés de fibres, tels que les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) et les polymères renforcés de fibres de verre (PRV), deviennent des alternatives populaires pour l'armure des câbles sous-marins. Le PRFC offre un rapport résistance/poids élevé, une excellente résistance à la corrosion et une bonne résistance à la fatigue. Il permet de réduire le poids total du câble, facilitant ainsi son installation, notamment en eaux profondes. Le PRV, quant à lui, est plus économique tout en offrant une bonne protection mécanique et une bonne résistance à la corrosion. Ces matériaux composites peuvent être personnalisés en ajustant l'orientation des fibres et la matrice de résine pour répondre aux exigences spécifiques des différentes applications de câbles sous-marins.

2.3 Matériaux supérieurs résistants à l'eau et à l'humidité

Composites polymères superabsorbants (SAP) : Le blocage de l’eau est une fonction essentielle des matériaux auxiliaires des câbles sous-marins. De nouveaux composites SAP ont été développés pour améliorer cette performance. Ces composites peuvent absorber rapidement l’eau et former une substance gélatineuse qui l’empêche de pénétrer plus profondément dans le câble. Par exemple, un composite SAP à base de polyacrylate et d’une charge de renforcement peut absorber jusqu’à plusieurs centaines de fois son propre poids en eau. La charge de renforcement, telle que des nanoparticules de silice, améliore la résistance mécanique du gel, garantissant sa stabilité même sous haute pression en mer. Cela protège efficacement l’âme du câble des dommages induits par l’eau, tels que la dégradation de l’isolant et la corrosion des conducteurs.

Films hydrophobes et barrières : Les revêtements hydrophobes et les films barrières sont utilisés pour empêcher la pénétration de l’humidité. Les revêtements hydrophobes nanostructurés, tels que ceux à base de fluoropolymère ou de nanocomposites à base de silice, créent une surface superhydrophobe sur la gaine du câble ou les composants auxiliaires. Ces revêtements présentent un angle de contact avec l’eau supérieur à 150°, ce qui facilite le glissement des gouttelettes d’eau et empêche l’eau d’adhérer et de pénétrer. Les films barrières, tels que les films polymères multicouches à hautes propriétés de barrière aux gaz, sont également utilisés pour bloquer la diffusion de la vapeur d’eau. Des matériaux comme le polyéthylène téréphtalate (PET) et le copolymère éthylène-alcool vinylique (EVOH) présentent une faible perméabilité à la vapeur d’eau. La stratification de ces films permet de créer une barrière très efficace contre l’humidité.

3. Technologies de fabrication innovantes

3.1 Procédés d'extrusion et de revêtement de précision

Extrusion de couches isolantes de haute précision : Le procédé d'extrusion des matériaux isolants pour la production de câbles sous-marins a connu des améliorations significatives. Les machines d'extrusion modernes sont équipées de systèmes de contrôle avancés. Par exemple, des systèmes de contrôle en boucle fermée utilisant des capteurs de température, de pression et de débit permettent de réguler précisément le processus d'extrusion. Cela garantit une extrusion uniforme du XLPE ou d'autres matériaux isolants autour du conducteur du câble, pour une épaisseur d'isolation constante. L'utilisation de filières d'extrusion avancées, conçues à l'aide de simulations de dynamique des fluides numérique (CFD), permet d'optimiser l'écoulement du matériau isolant fondu, réduisant ainsi l'apparition de défauts tels que les vides et les épaisseurs irrégulières.

- Film mince