基于硬度保留率的船用電纜剩余壽命快速評(píng)估

孟曉凱　王志強(qiáng)　李國(guó)鋒

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院　大連　116024)

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基于硬度保留率的船用電纜剩余壽命快速評(píng)估

孟曉凱王志強(qiáng)李國(guó)鋒

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院大連116024)

為了更好地對(duì)電纜絕緣狀態(tài)進(jìn)行分析，提出采用硬度保留率這一可以快速檢測(cè)特征量作為電纜剩余壽命的無損評(píng)估方法。以船用乙丙橡膠電纜為研究對(duì)象，首先利用優(yōu)化的時(shí)間-溫度平移因子擬合不同加速老化溫度下試樣硬度保留率數(shù)據(jù)，并由Arrhenius方程外推出不同終點(diǎn)水平與運(yùn)行溫度下電纜剩余壽命。其次，將硬度保留率與由斷裂伸長(zhǎng)率保留率計(jì)算的壽命值進(jìn)行比較以驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，硬度保留率與斷裂伸長(zhǎng)率保留率具有高度的一致性，為電纜剩余壽命的快速評(píng)估提供了一種新的方法。

硬度保留率無損評(píng)估乙丙橡膠時(shí)間-溫度平移因子

0　引言

船用電力電纜作為船舶電能傳輸和配送過程中能量轉(zhuǎn)移的核心，是保證電力設(shè)施正常工作的關(guān)鍵設(shè)備[1]。由于船舶的工作環(huán)境比較復(fù)雜，在熱、機(jī)械、濕度、鹽分和油霧等因素的影響下，會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣材料不斷老化，絕緣性能下降[2，3]。絕緣性能的優(yōu)劣直接決定了電纜的使用壽命，所以如何準(zhǔn)確地評(píng)估現(xiàn)役電纜的絕緣狀態(tài)及剩余壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值[4]。

在船舶的日常安全維護(hù)中，管理人員通常采用目測(cè)法和絕緣電阻檢測(cè)法對(duì)電纜進(jìn)行判斷[5]。但目測(cè)法只能從電纜外表顏色變化、有無明顯機(jī)械損傷等大致判斷電纜狀態(tài)；絕緣電阻檢測(cè)只能判斷電纜整體的絕緣狀態(tài)，無法判斷具體的剩余壽命。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于電纜絕緣老化的研究主要是從化學(xué)性能、力學(xué)性能和電氣性能3個(gè)方面分析[6，7]。文獻(xiàn)[8-10]引入等溫松弛電流法來測(cè)試110 kV XLPE電纜的老化狀況，結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確地區(qū)分老化和未老化電纜，但只能夠定量地給出電纜的老化狀態(tài)；斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)量主要是通過研究試樣在不同的加速熱老化溫度下拉伸長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律，利用Arrhenius方程推導(dǎo)得出電纜的壽命[11]，該方法在國(guó)內(nèi)外對(duì)電纜壽命預(yù)測(cè)中的使用頻率最高，但屬于破壞性試驗(yàn)，且其試驗(yàn)周期較長(zhǎng)[12]。耐壓法是一種能直接判斷電纜絕緣性能的方法，能夠較準(zhǔn)確地對(duì)電纜壽命進(jìn)行評(píng)估，缺點(diǎn)是如果耐壓試驗(yàn)后對(duì)電纜芯放電時(shí)間不夠，殘余電壓降會(huì)影響絕緣電阻的測(cè)量值，且在試驗(yàn)中需不斷與新電纜的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)的處理過程也比較繁瑣[13]。

硬度值作為電纜絕緣性能的一種指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)[14]利用硬度壓頭計(jì)模量對(duì)核電站中乙丙橡膠電纜的機(jī)械和電性能的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)硬度壓頭計(jì)模量能夠無損地監(jiān)測(cè)絕緣材料的機(jī)械和電性能的極限值與電纜的運(yùn)行條件以及壽命，得出在潮濕的環(huán)境中擊穿電壓，能很好地評(píng)估電纜的老化，而在高溫環(huán)境中斷裂伸長(zhǎng)率作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)更加合適。文獻(xiàn)[15]提出了基于剩余硬度保留率的快速檢測(cè)方法對(duì)船用橡膠電纜壽命進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果證明該方法能夠很好的預(yù)測(cè)電纜壽命，但是其計(jì)算過程中需要知道電纜出廠時(shí)的初始硬度，對(duì)于不同年代生產(chǎn)的產(chǎn)品來說，即便是同一型號(hào)的電纜其初始硬度可能不同，將給計(jì)算結(jié)果造成很大的誤差。文獻(xiàn)[16]通過對(duì)幾種不同類型電纜進(jìn)行的熱老化分析，說明電纜絕緣材料的斷裂伸長(zhǎng)率和硬度壓頭計(jì)模量與老化時(shí)間有很好的關(guān)聯(lián)性。

本文在總結(jié)分析前人工作的基礎(chǔ)上，提出了采用硬度保留率作為電纜剩余壽命的評(píng)估指標(biāo)。基于優(yōu)化的時(shí)間-溫度平移因子擬合不同老化溫度下絕緣性能的變化曲線，并結(jié)合Arrhenius方程對(duì)電纜壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。試驗(yàn)得出的壽命值與由斷裂伸長(zhǎng)率保留率得出的結(jié)果基本一致，證明了本文所提方法的可行性，為電纜的無損在線監(jiān)測(cè)提供了理論依據(jù)。

1　硬度保留率

類似斷裂伸長(zhǎng)率保留率的概念，本文提出采用硬度保留率對(duì)老化后的試樣進(jìn)行分析，所謂的硬度保留率是指100度減去當(dāng)前樣品的測(cè)試硬度值與100度的比值，即

(1)

式中，P%為硬度保留率；X為老化后試樣的硬度值，由硬度計(jì)直接測(cè)量得到。

與文獻(xiàn)[17]所使用的剩余硬度保留率相比，本文所提出的硬度保留率計(jì)算中無需計(jì)算未老化試樣的初始剩余硬度，只需測(cè)試?yán)匣笤嚇拥挠捕戎导纯捎?jì)算出電纜的剩余壽命，提高了工作效率；另外，待測(cè)電纜多已使用多年，無法找到與待測(cè)電纜相同的新電纜進(jìn)行初始值的測(cè)定，所以只測(cè)量老化后的硬度值很大程度上提高了計(jì)算的準(zhǔn)確度。

2　試樣制備及測(cè)試方法

2.1初始值測(cè)定

本文選用CEF/DA型乙丙橡膠電力電纜絕緣層作為原材料，采用JCP-25型沖片機(jī)將材料按照ISO 37：2005中規(guī)定制備啞鈴型試樣，其形狀和尺寸如圖1所示,圖中單位mm。

圖1　啞鈴試樣尺寸圖Fig.1　Dimensions of dumbbell shape sample

根據(jù)美國(guó)火力電站電纜試驗(yàn)規(guī)范與IEC60216標(biāo)準(zhǔn)，135 ℃為老化必選溫度，其余等級(jí)差為15 ℃，且取4個(gè)老化溫度為最佳，因此本文選取135 ℃、150 ℃、165 ℃和180 ℃作為本次試驗(yàn)電纜絕緣材料的老化溫度。根據(jù)GB/T 2951.11—2008和IEC60811—1—1：2001，IDT，選取厚度在0.8～2.0 mm范圍內(nèi)、厚度差小于0.1 mm的試樣作為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣。據(jù)IEC60216—6：2004，在進(jìn)行老化前選取部分試樣置于最低溫度135 ℃下暴露48 h后，用JDL-1000型微控電子拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣的初始斷裂伸長(zhǎng)率，又因?yàn)殡娎|絕緣材料屬于硫化軟質(zhì)橡膠且試樣厚度較薄，本文采用LX-AM型邵氏硬度計(jì)在室溫下(23±1 ℃)測(cè)量其硬度值，見表1。

表1　試樣初始性能值Tab.1　The initial features of samples

2.2老化試驗(yàn)

在對(duì)橡膠材料進(jìn)行熱老化方面，先后出現(xiàn)了烘箱、人工氣候、氧彈、濕熱、臭氧和煙霧腐蝕等加速老化試驗(yàn)方法。由于烘箱加速老化試驗(yàn)[18]與實(shí)際自然老化條件下的結(jié)論最接近，所以本文選取401B型烘箱對(duì)電纜試樣進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，按照IEC 60216—4—1：2006設(shè)定換氣頻率為12次/h。將老化后的試樣置于真空袋中放置16 h后測(cè)試其硬度值，每個(gè)溫度點(diǎn)和時(shí)間點(diǎn)下測(cè)量5個(gè)試樣的硬度值。為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，取平均值作為測(cè)量計(jì)算值，帶入式(1)可知測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　硬度測(cè)試值Tab.2　Test values of hardness

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，乙丙橡膠的硬度保留率隨老化時(shí)間的增加逐漸減小，并且與老化程度具有良好的單調(diào)關(guān)系。

2.3老化數(shù)據(jù)處理

1)時(shí)間-溫度平移因子優(yōu)化

為了消除測(cè)量溫度的影響，利用時(shí)間-溫度平移法將高溫加速老化下的數(shù)據(jù)外推至較低溫度下，構(gòu)建不同測(cè)量溫度下硬度保留率的主曲線，進(jìn)而外推至實(shí)際工作溫度下材料硬度保留率與壽命的變化規(guī)律[19-21]。本文選取135 ℃為基準(zhǔn)溫度，將高溫下的數(shù)據(jù)水平方向移動(dòng)，各試驗(yàn)溫度Ti下的平移因子αTi為

(2)

式中，trefi為Ti平移至基準(zhǔn)溫度后對(duì)應(yīng)的老化時(shí)間，tTi為Ti平移前的老化時(shí)間。

各溫度組移至基準(zhǔn)溫度的平移因子為待優(yōu)化參數(shù)，為了能夠更加精確地對(duì)硬度保留率曲線進(jìn)行擬合，建立曲線的非線性擬合方程，本文將每個(gè)老化溫度下的數(shù)據(jù)向基準(zhǔn)溫度平移，并利用最優(yōu)擬合度方程比較平移后的擬合度來選取最佳值。

最優(yōu)擬合度為

(3)

式中

(4)

(5)

(6)

式中，αT1=1，αTi>1(i=2，…，m，m=4)；i為每個(gè)溫度組的順序號(hào)；j=1，…，ni，ni為第i組內(nèi)的順序號(hào)，ni=5；pij為各組下對(duì)應(yīng)的硬度保留率；tij為各組下的老化時(shí)間。

按照以上步驟，對(duì)熱老化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主曲線構(gòu)造和擬合。本文選取135 ℃為基準(zhǔn)溫度，并且通過IBM SPSS Statistics統(tǒng)計(jì)軟件分析[22]可知指數(shù)函數(shù)的擬合度最高，所以得到如圖2所示的擬合曲線。從圖2中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線擬合度為0.985，能夠較好地反映電纜加速老化下的變化規(guī)律。

圖2　硬度保留率擬合曲線Fig.2　The fitting curve of retention rate of hardness

2)活化能計(jì)算

由Arrhenius方程可知，反應(yīng)的速率m與exp(-Ea/RT)呈正比，即

(7)

式中，m為反應(yīng)速率；A為指前因子；Ea為活化能，kJ/mol；R為氣體摩爾常數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K。

反應(yīng)時(shí)間t與m呈反比，αT與t呈反比，故對(duì)于不同時(shí)間點(diǎn)轉(zhuǎn)移因子αT1、αT2

(8)

假設(shè)αT2=1，T2=408 K，代入式(8)并取對(duì)數(shù)可得

(9)

圖3　硬度保留率平移因子與熱力學(xué)溫度的關(guān)系Fig.3　Relationship between shift factor and thermodynamic temperatures of P%

由上面的分析可得基于硬度保留率的電纜壽命外推方程為

(10)

3)壽命外推

參照?qǐng)D2與式(10)所推出的電纜壽命公式，可得在不同的壽命終點(diǎn)和工作溫度下電纜的壽命見表3。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)來說，只需知道同類型電纜在當(dāng)前使用情況下的硬度保留率與工作溫度，就能夠根據(jù)公式快速推斷出電纜的壽命。

表3　不同溫度和不同終點(diǎn)水平下電纜的壽命Tab.3　The aging lifetime of cable under different temperatures and end levels

3　試驗(yàn)方法驗(yàn)證

以斷裂伸長(zhǎng)率保留率作為電纜壽命預(yù)測(cè)的方法已被廣泛地應(yīng)用。本文按照第2節(jié)的分析和數(shù)據(jù)處理方法對(duì)本文試驗(yàn)的啞鈴試樣做拉伸試驗(yàn)并進(jìn)行壽命值計(jì)算，通過對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。

按照斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸后測(cè)試斷裂伸長(zhǎng)率，并計(jì)算得出斷裂伸長(zhǎng)率保留率的數(shù)據(jù)見表4。

參照上節(jié)所用分析方法對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率保留率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并計(jì)算活化能，結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4中可以看出曲線擬合度較好，達(dá)到0.991 3。圖5中計(jì)算出的活化能為128 kJ/mol，與硬度保留率擬合后的活化能數(shù)值基本保持一致，從一方面證明了本文所提方法的可靠性。

為了充分證明本文所提方法與斷裂伸長(zhǎng)率保留率的一致性關(guān)系，依據(jù)擬合后的方程建立兩者的關(guān)系曲線，如圖6所示。

由前文可知，試樣的初始硬度值為77.6HA，本文在分析過程中并沒有利用初始值進(jìn)行計(jì)算。但從圖6中關(guān)系曲線可知，EAB%為98.1%，硬度保留率為22.4%時(shí)，與試驗(yàn)測(cè)試的初始值基本吻合；而硬度保留率為0.9%時(shí)，EAB%為0%，與橡膠實(shí)際的拉伸情況相符，再次證明了硬度保留率與EAB%有高度的一致性，進(jìn)一步證實(shí)本文所提方法能夠很好地對(duì)電纜的老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。通常對(duì)于EAB%的失效標(biāo)準(zhǔn)為30%～50%，從圖6可知對(duì)應(yīng)的硬度保留率為6.2%～10.2%。由所求得的活化能數(shù)據(jù)及壽命外推方程，建立硬度保留率與斷裂伸長(zhǎng)率保留率對(duì)電纜壽命評(píng)估的差值，如圖7所示。從圖7中可以看出，兩種方法預(yù)測(cè)的電纜壽命在工作溫度為75 ℃、80 ℃、85 ℃和90 ℃時(shí)最大差值分別為2.0 a、1.0 a、0.5 a與0.3 a，證明基于硬度保留率的評(píng)估方法能夠很好地預(yù)測(cè)電纜壽命，且在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中建議以10%作為硬度保留率終點(diǎn)水平。

表4　斷裂伸長(zhǎng)率保留率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4　Test data of EAB%

圖4　斷裂伸長(zhǎng)率保留率擬合曲線Fig.4　The fitting curve of EAB%

圖5　斷裂伸長(zhǎng)率保留率平移因子與熱力學(xué)溫度的關(guān)系Fig.5　Relationship between shift factor and thermodynamic temperatures of EAB%

圖6　EAB%與硬度保留率的關(guān)系曲線Fig.6　The relation curve between EAB% and hardness retention

圖7　不同終點(diǎn)和溫度水平下壽命差值Fig.7　Life difference under different temperatures and end levels

4　結(jié)論

本文以船用乙丙橡膠電纜為研究對(duì)象，提出了采用硬度保留率可快速評(píng)估電纜的壽命。通過上述分析可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)采用優(yōu)化的時(shí)間-溫度平移優(yōu)化方程對(duì)平移因子進(jìn)行分析，有利于提高數(shù)據(jù)的擬合程度，提高活化能計(jì)算準(zhǔn)確度。

2)提出了基于硬度保留率的船用乙丙橡膠電纜的絕緣壽命檢測(cè)，結(jié)果與斷裂伸長(zhǎng)率保留率的測(cè)試結(jié)果一致，說明了本文所提方法是可靠的。

3)由斷裂伸長(zhǎng)率保留率壽命終止判斷標(biāo)準(zhǔn)多為50%，對(duì)應(yīng)的硬度保留率為10.2%，因此建議在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過程中可以硬度保留率為10%作為失效標(biāo)準(zhǔn)。

4)本文所提硬度保留率檢測(cè)方法為無損檢測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試同類型電纜時(shí)只需知道其硬度保留率值，即可預(yù)測(cè)其壽命，為實(shí)現(xiàn)電纜壽命的快速預(yù)測(cè)提供了新的思路。

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Rapid Assessment of Marine Cable Remaining Life Based on Retention Rate of Hardness

Meng XiaokaiWang ZhiqiangLi Guofeng

(School of Electrical EngineeringDalian University of TechnologyDalian116024China)

In order to analyze the cable insulation state，a nondestructive assessment method is proposed by using the retention rate of hardness as the rapid detection characteristic parameter of the cable remaining life.In this paper，the ethylene propylene rubber (EPR) marine cable is investigated.Firstly，the data of the retention rate of hardness after accelerated aging under different temperatures are used to fit，by means of the optimized time-temperature shift factor.And the cable remaining life is calculated by extrapolation of the Arrhenius equation under different end levels and temperatures.Secondly，the lifetime calculated by the retention rate of hardness is compared with that by the retention rate of elongation at break (EAB %) in order to confirm the accuracy of the method.The results show that the retention rate of hardness is consistent with EAB% and provides a new way for rapid evaluation of cable’s remaining life.

Retention rate of hardness，nondestructive assessment，ethylene propylene rubber (EPR)，time-temperature shift factor

2015-03-10改稿日期2016-04-20

TM247

孟曉凱男，1987年生，博士研究生，研究方向?yàn)榇半娎|絕緣狀態(tài)檢測(cè)與壽命評(píng)估。

E-mail：mengxiaokai870618@163.com

李國(guó)鋒男，1968年生，博士，教授，研究方向?yàn)樘胤N功率變換技術(shù)、電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)檢測(cè)與診斷技術(shù)、船舶電氣設(shè)備控制與保障技術(shù)。

E-mail：guofenli@dlut.edu.cn(通信作者)

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃(2014DFR50880A)、遼寧省博士科研啟動(dòng)基金(No.20131022)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(DUT11RC(3)08-2)資助項(xiàng)目。