PVDF在換流閥冷卻管路中的應用

耿　曼，冷明全，胡　賢（廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東　廣州　510663）

化學工程

PVDF在換流閥冷卻管路中的應用

耿曼，冷明全，胡賢
（廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東廣州510663）

介紹了聚偏氟乙烯（PVDF）材料的物理化學特性，分析了換流閥冷卻管路的使用要求和PVDF材料的適用性。以德寶直流輸電項目換流閥冷卻輸配水管路的PVDF零件、管道為例，對PVDF的成型工藝進行了介紹。

PVDF；換流閥；冷卻；配水管路

高壓直流輸電（HVDC）作為近年來電力系統采用的一種新型輸電形式，能夠實現大功率、遠距離輸電，與交流輸電相比還具有使額定頻率不相同的交流系統之間實現非同步的優勢。換流閥是直流輸電工程的核心設備之一，由晶閘管、阻尼電阻、均壓電阻、阻尼電容、均壓電容、晶閘管控制單元等零部件組成，其穩定性和可靠性直接影響高壓直流系統的安全運行。

閥冷系統是換流閥的關鍵系統之一，它能將換流閥中各元器件的功耗發熱通過介質排放到外部環境，從而保證換流閥各元件在正常的溫度范圍內工作。閥冷系統包括主循環子系統、水質純化子系統、穩壓子系統、外冷卻子系統、控制子系統、輔助子系統及閥內配水管路等，其中閥內配水管路是連接閥冷系統與換流閥的重要通道，為了保證系統的正常長周期運行，對閥內配水管路的材料要求很高。

聚偏氟乙烯 （Polyvinylidene fluoride，PVDF）是含氟塑料中產量名列第二位的大產品，是偏氟乙烯均聚物或偏氟乙烯與其它少量含氟乙烯基單體的共聚物，同時具有氟樹脂和通用樹脂的特性，耐化學腐蝕性、耐高溫性及耐氧化性等性能良好。與其它塑料相比，PVDF具有良好的耐化學性、加工性及抗疲勞和蠕變性，是用作泵、閥門、管道、管路配件和熱交換器等流體處理系統整體或者襯里的最佳材料之一［1］，特別適用于超純水系列和半導體行業中純凈化學試劑的傳輸。由于PVDF的化學惰性，幾乎不與任何介質發生反應，因此PVDF被廣泛用于制造閥內配水管路［2-4］。目前，國內直流項目采用的傳輸管道材料均為進口產品，價格較為昂貴，供貨周期較長且售后服務相對滯后，PVDF水管等配套產品的國產化成為業界關注的焦點。

1　項目概況

現階段我國電力資源分布與生產力布局極不匹配，實施“西電東送”可以優化資源配置，促進東西部地區經濟的共同發展。西北地區電力資源豐富，迫切需要將電力外送，其中西北（陜西寶雞）至華中（四川德陽）直流聯網工程是主要外送電聯網工程之一。

德陽換流站和陜西寶雞換流站（簡稱德寶直流輸電換流站），建設1回 ±500 kV直流輸電線路工程。換流站的高壓換流閥等電力電子器件在工作時產生大量熱量，因此系統必須提供可靠的冷媒，將熱量即時散發，使器件保持正常的工作溫度，因此配套穩定、可靠、安全的冷卻系統，是換流站工程成功投運的堅實基礎。

換流閥冷卻系統能長期穩定運行，其機械結構簡單、堅固、便于檢修。管路系統的設計保證其沿程水阻為最小，材料的選擇考慮了系統在長期高電壓運行環境下產生的腐蝕、老化、損耗的可能性。各種塑料構件考慮避免因電暈放電而導致的老化，并使用抗電暈放電的材料。聚偏氟乙烯（PVDF）熔融溫度為175℃，傳熱系數為0.19 W/ （m2·K），可以在-40℃～150℃溫度范圍長期使用，可用作高絕緣性介質，同樣具有優異的耐腐蝕性和耐氧化性，同時PVDF具有優良的耐磨性和耐沖擊性［5-7］。以德寶直流輸電項目換流閥的閥冷卻輸配水管路的PVDF零件、管道為例，對PVDF的成型工藝進行了介紹。

2　PVDF成型工藝

2.1PVDF的注塑成型工藝

由于PVDF的收縮率為2%～2.2%，產品成型收縮較大，對較大尺寸的注塑件模具設計時應預留二次加工余量，注塑成型模具應設計合理的排氣系統，否則會因為模具閉氣而使產品內部形成氣孔影響產品強度，同時產品注塑時須對模具進行預熱，加熱溫度在50℃～65℃之間，以保證產品尺寸的穩定性［8-9］。

2.2PVDF的熱彎成型工藝

換流閥結構復雜、閥冷卻配水管道規格、形式多樣，PVDF管道的軟化溫度在150℃左右，閥冷卻輸配水的各種管道可采用熱彎成型工藝實現，PVDF管道在155℃～165℃經過20～45 min加熱后可進行滾彎、模壓彎曲成型，成型尺寸完全可以滿足設計技術要求。

大口徑PVDF彎管成型工藝按照以下步驟進行：（1）先按工藝要求下料并在管料上鉆模工藝孔，用清水沖洗管道，自然晾干后再分別用酒精清潔內外表面；（2）設定烘箱溫度為170℃，再將PVDF和柔性填充體放入烘箱加熱30 min，每隔1 min將管料PVDF逆時針旋轉90°，使之加熱均勻；（3）再設定烘箱溫度為165℃，將柔性填充體放入處于烘箱的PVDF管道中，每隔1 min將 PVDF管料逆時針旋轉90°，使之加熱均勻；安裝成型模具到自動折彎設備中，放入溫度為165℃的烘箱進行加熱；（4）用成型模具的自動折彎設備對管料進行滾壓彎制，當彎制完成后，放入烘箱內在150℃下保溫1 h；（5）打開烘箱，對烘箱進行水冷或風冷，使成型模具溫度迅速降低至35℃，此時取出柔性填充體；（6）然后使成型模具繼續冷卻，當成型模具溫度下降到35℃時，松開模具，取出成型的PVDF管料。將得到的大口徑PVDF彎管沿直徑方向的任意位置切斷，在管材斷面上均勻取8個點用卡尺測量其壁厚，要求測量誤差Δe≤0.3 mm；將彎管連接在可升溫的循環水路中，形成一個密閉管路系統，介質為95℃～100℃的純水，管內水壓1.15 MPa，持續循環時間200 h，若PVDF彎管無滲漏、異常變形或破裂現象，才能評為合格。

小口徑PVDF彎管成型工藝按照以下步驟進行：（1）先按工藝要求下料；（2）設定烘箱溫度170℃～175℃，將PVDF管料、管料支架、柔性填充體和成型模具放入烘箱，加熱總時間30～35 min，當加熱時間為15 min時，將PVDF管料翻轉180°；（3）將柔性填充體放入PVDF管中，并在170℃～175℃繼續加熱3～4 min；（4）從烘箱中取出成型模具，成型模具上下模分別安裝到壓力機上；1 min后取出裝有柔性填充體的PVDF管料，迅速放置到模具限位槽中，使管料在模具中彎曲成型；將模具及模具內的PVDF管料放入170℃烘箱內，加熱時間為1 h；（5）打開烘箱門，拔出PVDF管內置的柔性填充體，讓彎曲的PVDF管隨成型模具自然冷卻至 40℃，取出后在水中浸泡30 min，即得到成品。在小口徑PVDF彎管的沿直徑方向任意位置切斷，管材斷面上均勻取8個點，用卡尺測量其壁厚，當Δe≤0.2 mm時才為合格。

2.3管道的焊接工藝

PVDF管道、管件可以采用紅外熔接技術進行對焊焊接，使用紅外對焊工藝焊接時零件與熱源不接觸，是對加熱元件對焊技術的進一步改進。管端由輻射熱能加熱，不接觸對焊可以盡量減小焊縫尺寸，并且消除加熱元件帶來的污染，而且焊縫更直，使細菌在內部的生長區域更小。與傳統的加熱元件相比，紅外焊接所需總時間減少了70%，在焊接過程的所有溫度、壓力、時間由計算機程序自動控制并進行記錄，焊接系統和過程可以完全追蹤，任何偏差都將即時記錄并在焊機的控制電腦上即時顯示，采用紅外對焊的焊縫抗拉、冷彎強度完全達到管道抗拉、冷彎的強度要求，表1是德寶直流輸電項目換流閥閥冷卻輸配水管路的PVDF零件、管道焊接后的實測值。

表1　PVC試片配方

3　結語

換流閥是高壓直流輸電系統的核心設備之一，其運行工況直接影響整個輸電系統的優劣和可靠性。閥冷系統是換流閥的關鍵系統之一，但配套管路的國產化成為迫切需要解決的問題之一。在研究PVDF的熱性能、電性能、化學性能等物理化學特性能和換流閥閥冷卻輸配水管路使用要求的基礎上，針對閥冷卻輸配水管路系統各種規格的管道、零部件，研究PVDF注塑成型、熱彎成型、紅外對焊工藝等加工方法，實現整套輸配水管路系統的配套生產，對保證西電東送的直流輸電系統安全穩定運行具有重要意義。

［1］趙國春，孫金棟，李丹丹，等.PVDF換熱器在工業余熱回收中的應用分析［J］.建筑節能，2015，43（9）:1-4，15.

［2］胡柳，何元庭，吳婷.基于PVDF雙發電系統的研究［J］.現代電子技術，2011，34（5）：208-210.

［3］趙紅平，葉琳，陸中琪.PVDF壓電薄膜在應力波測量中的應用［J］.力學與實踐，2004，26（1）：37-41.

［4］姜才興.PVDF氟碳涂料現狀及市場前景［J］.中國涂料，2004，19（4）：6-8.

［5］徐紅星，駱英.PVDF壓電薄膜的應用進展［J］.江蘇理工大學學報（自然科學版），1999，20（5）：89-91.

［6］李蕊.基于PVDF的全有機介電材料制備、結構與性能［D］.武漢：武漢理工大學，2010.

［7］鄭怡磊，朱偉偉，方敏.聚偏氟乙烯熔體的流變特性［J］.浙江化工，2014，45（12）：1-4，15.

［8］陳巍，張效迅，張才寶.聚偏氟乙烯成型工藝與力學性能研究［J］.航空制造技術，2015，（15）：144-147.

［9］張士林，范孜娟.聚偏氟乙烯樹脂性能和加工應用［J］.工程塑料應用，2005，33（4）:67-69.

The Application of PVDF in Converter Cooling Pipeline

GENG Man，LENG Ming-quan，HU Xian
（Guangzhou Goaland Energy Conservation Tech.Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510633，China）

The physical and chemical properties of polyvinylidene fluoride（PVDF）were introduced, and PVDF could satisfy to the requirement of converter cooling pipe.The case of PVDF department and pipe of distribution pipeline of converter cooling system in Debao HVDC project was introduced as the molding process of PVDF.

PVDF；converter；cooling；distribution pipeline

1006-4184（2016）7-0031-03

2016-05-12

廣東省戰略性新興產業核心技術攻關項目（項目編號：2012A090100005），廣州市科技計劃項目-產學研協同創新重大
專項（對外科技合作）（項目編號：201508030019）。

耿曼（1982-），女，工程師。E-mail:gengm@goaland.com.cn。