電力設備密封圈橡膠材料壽命評估分析

趙佳琪 張恒

摘 要：密封橡膠圈的密封效果影響著SF6氣體泄露情況，密封圈自身的材質是影響密封橡膠圈密封效果的主要原因，因而對密封圈橡膠材料壽命的評估是十分必要的。本文通過構建密封圈材料濕熱老化加速模型和濕熱老化壽命預測方法來預測三元乙丙和丁腈材料的壽命，并針對預測結果進行分析研究。

關鍵詞：密封圈;壽命;材料;評估

引言

目前SF6氣體絕緣環網柜被廣泛應用于城市配電網中，SF 6 氣體絕緣環網柜也影響著城市供電的可靠性。在對SF 6 氣體泄漏的調查中，主要原因往往是密封膠圈密封效果不良，而密封膠圈的材料壽命對密封效果又起著重要影響。材料壽命是指在實際應用過程中，橡膠材料能保持密封性能的時間長度。在實際應用中，橡膠密封制品一直保持在壓縮狀態下，橡膠老化除了受溫度、環境因素氧等影響，還受到應力的影響，應力會在橡膠受力變形過程中破壞其分子結構，使其內部大分子斷裂而生成自由基，自由基會導致橡膠內部大分子的氧化鏈反應，由此導致橡膠老化。本文討論的是在實際使用過程中，柱上開關密封圈材料或環網柜在受力狀態下的使用年限。

一、橡膠老化壽命預測的常用方法

1. Dakin 壽命推算法

1984年Dakin提出了經典的壽命預測計算方法，即在橡膠某種性能變化到P時，此時橡膠的貯存期t和溫度T之間存在著一定的關系：f （P）=kt ，其中，k代表反應速度常數，并且隨溫度T變化，在特定情況下，兩者之間的關系服從于Arrhenius公式：

K=Ae-E/rt，由上述公式可得：lg t=lgf （P）A+E2.303RT。這一公式表明，當橡膠材料的特定性能變化到臨界值P e時可以得出橡膠材料為失效，此時貯存期t也就表明橡膠的壽命。因而，可將上述公式改寫為：lg t=lgf （P e ）A+E2.303RT=a+bT -1。由公式可看出，在一定溫度下，橡膠材料特定性能達到臨界值的時候，橡膠材料的溫度T的倒數和壽命t的對數呈直接關系。

Dakin 壽命推算法經實踐證明是切實可行的，并且計算方法簡單，因而被廣泛應用。但是在實際計算中，Dakin壽命推算法需要讓每一個溫度下的性能變化達到臨界值或一下，因而需要大量的試驗時間，時間消耗過多，因此，有人將Dakin 壽命推算法改寫為lg t-lg t 1 =b（T -1 -T 1 -1 ）點斜法。但是由于橡膠老化性能的不確定性，點斜法的可靠性還需要進一步求證。

2. 動力學曲線直線化法

動力學曲線直線化法需要通過兩個步驟的計算，首先將橡膠材料的性能變化隨時間變化的關系用動力學曲線表示出來，然后再通過坐標轉化，把曲線變為直線，求出各個溫度下的速度，再利用Arrhenius公式推出常溫下的速率，由此來確定常溫下橡膠材料的性能變化方程。動力學曲線直線化法縮短了試驗的時間，但是在計算過程中需要選擇合適的動力學公式。

3.變量折合法

變量折合法是利用時間和溫度疊加的原理把高溫下的試驗結果轉化為常溫下的數據，是一種作圖法。當溫度越高時，要達到橡膠材料性能P所需要的時間就越短，反之，溫度越低，要達到橡膠材料性能P所需要的時間就越長，因為，溫度和時間之間存在一種關系，P（T 1 ，t）=P（T 2 ，t/琢 T ），由于折合法需要在有溫度數據下才能使用，所以還需要結合公式，將高溫試驗數據轉化為常溫數據：lg 琢 T =lg t-lg t 0 =b（T -1 -T 0 -1 ），通過公式進而得出常溫下的橡膠材料老化情況和壽命長度。

4. 數學模型法

數學模型法需要采用動力學方程來構建，動力學方式可以反映橡膠材料的內部老化機理，所以用數學模型法來研究性能變化和微觀結構變化都是需要構建模型的。其基本公式為：P=f （t，T）

二、濕熱老化加速模型與壽命預測方法

1. 濕熱老化加速模型

在預估濕熱老化壽命時，我們可以借鑒上述預估橡膠壽命的方法和模型中的思路。濕熱老化和熱老化的區別在于加速應力是否只有溫度一種。在建立性能關系時，可以運用數學模型法相關原理。

在選擇濕熱老化模型時，可以采用Eyring反應論模型，Eyring反應論模型可以應用于老化應力作用于非熱力因素的情形中：（V）=1Ve- A-BV。通過公式可以看出，橡膠材料的老化過程受到濕度和溫度的共同影響，所以在對橡膠材料壽命進行預測時，需要將Arrhenius溫度因子模型和Eyring濕度因子模型結合起來，可以得出以下模型：

（H，T）=AHebH+cT。

2. 壽命預估方法

通過濕熱老化壽命模型，可以預估密封圈材料壽命，方法如下：

（1）通過老化試驗，可以得出各個溫度下密封圈橡膠材料的壓縮永久變形與時間之間的關系。

（2）利用曲線直線化法來表現不同溫度和濕度下時間和壓縮永久變形之間的關系，進而可以在確定壓縮永久變形的失效點后，通過推測得出密封圈橡膠材料壽命

（3）結合濕熱老化加速模型，根據溫度、濕度和壽命值，可以確定模型中的未知參數，進而得到相應的壓縮永久變形失效點上的壽命預估模型。

（4）結合模型，將相應的溫度和濕度代入模型，隨即得到密封圈橡膠材料的壽命預估值。

3. 密封圈材料壽命預測

壓縮永久變形參數是密封時的重要指標，在對材料進行壽命預估時，壓縮永久變形也被視為重要指標，對本課題而言，試驗的時間也是一個重要因素，通過需要材料達到足夠久的老化。遼寧省鐵嶺橡膠工業研究設計院曾經對燃氣密封圈使用壽命進行過研究，研究采用4組老化溫度，并且每組費時15天，再利用外推法對橡膠圈使用壽命進行推測，本課題在研究時采用了遼寧省鐵嶺橡膠工業研究設計院的試驗時間方法，通過現有的老化試驗數據結合老化動力學方程，來得到材料達到臨界值時的壽命。在實驗中，加速老化試驗在90 ℃、90%RH，75 ℃、90%RH，90 ℃、75%RH，75 ℃、75%RH等4個溫度和濕度條件下進行，同時設置了1天、2天、3天、5天、7天、10天等6個試驗時間，每組采取3個試樣同時進行試驗，選取3個試樣數據的中位數來作為試驗結果數據。

通過試驗數據可得，如果要使用性能較好的三元乙丙材料作為開關柜密封圈，那么在更換周期上要考慮到首次更換周期在12年到15年之間比較合適，也就是說，三元乙丙材料基本可滿足南方電網公司開關類設備12年的檢修周期標準。如果要使用丁腈材料作為密封圈時，更換周期在5到6年之間比較合適。

三、結論

本文通過搭建密封圈材料試驗模型，對三元乙丙和丁腈進行使用壽命預測，并且在使用更換周期上提出建議，通過本位研究，可以得出幾點結論：

（1）本文對三元乙丙和丁腈材料在壓縮永久變形為30%密封失效點上進行了壽命預測，三元乙丙壽命為18.0年，丁腈材料壽命為7.6年。

（2）通過試驗結果，結合實際情況，可以得出，三元乙丙材料作為密封圈，可以滿足南方電網公司設備12年檢修周期標準，丁腈材料作為密封圈，可以滿足南方電網公司設備五六年檢修周期標準。

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作者簡介：

趙佳琪，性別 ：女，籍貫：黑龍江哈爾濱，民族：漢族，出生年月：1991.05，學位：大學本科，職稱：研究方向：電力設備橡膠密封產品的老化性。

第二作者張恒? 助理工程師。

（西安向陽航天材料股份有限公司）