換流閥冷卻管路用FEP塑料使用壽命評估*

周傳昆，朱洪宇，顧 杰，汪 敏，陸凱雷

(常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025)

換流閥等電力設(shè)備使用了大量的IGBT、晶閘管等發(fā)熱半導(dǎo)體器件，需采用流體冷卻系統(tǒng)對其進(jìn)行快速冷卻，故冷卻水路的可靠性直接關(guān)系到電力設(shè)備的安全運(yùn)行[1]。FEP材料全稱為聚全氟乙丙烯(F46)，是聚四氟乙烯的改性材料，外觀透明，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、耐試劑腐蝕、電絕緣性、耐候性、機(jī)械強(qiáng)度等性能，被廣泛應(yīng)用于流體冷卻的配水管路[2]，故通過實驗探索FEP材料的老化壽命具有顯著工程應(yīng)用價值及科學(xué)理論意義。

目前，行業(yè)內(nèi)主要通過自然老化及加速老化2種方法評估材料老化壽命，形成了多種老化機(jī)理及壽命預(yù)測理論[3-5]，考慮到自然老化試驗周期較長，本文采用加速老化試驗結(jié)合理論計算的方式進(jìn)行FEP材料老化壽命評估[6-7]，即開展該材料在4個高溫下熱氧加速老化試驗，利用老化動力學(xué)模型及阿倫尼烏斯方程對抗拉強(qiáng)度保持率進(jìn)行擬合處理，評估得到工況下的使用壽命。

1 開展試驗

1.1 試樣制備

在4 mm厚FEP板材上機(jī)械加工出標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣75個；制備與換流閥設(shè)備使用一致的FEP水管3根。

1.2 加速老化試驗方法

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8]，對FEP試樣進(jìn)行熱氧加速老化試驗(見圖1)，選取的4個加速老化溫度分別為160、180、200和220 ℃，觀測周期為0、3、6、12、24、36和48天，在各溫度的每個觀測點測試材料的機(jī)械強(qiáng)度，每個觀測點的平行試樣為3個。

圖1 FEP試樣熱氧加速老化試驗

1.3 性能測試方法

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]，利用電子萬能材料試驗機(jī)依次測試FEP材料在高溫下各觀測點的3個平行試樣抗拉強(qiáng)度(見圖2)，并得到平均強(qiáng)度值。

圖2 FEP試樣拉伸測試

1.4 失效保持率測定

初始破壞壓力測定：結(jié)合FEP水管的實際使用工況，采用水壓試驗機(jī)對FEP水管進(jìn)行壓力測試，緩慢增加系統(tǒng)動態(tài)壓力值至水管破壞(見圖3)，測出3根水管的平均初始破壞動態(tài)水壓值為1.5 MPa。

圖3 FEP水管水壓測試

設(shè)計承載壓力規(guī)定：換流閥在運(yùn)行過程中冷卻水路壓為0.6 MPa，取安全系數(shù)為2，即FEP水管設(shè)計承載壓力為1.2 MPa。

失效保持率計算：將FEP材料的設(shè)計承載壓力與初始破壞壓力的比值作為材料失效保持率，即為80%。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 原始數(shù)據(jù)記錄

表1給出了4個高溫環(huán)境下FEP材料在各觀測周期的平均抗拉強(qiáng)度。

2.2 強(qiáng)度保持率計算

將FEP材料在各觀測點抗拉強(qiáng)度值與其初始抗拉強(qiáng)度值的比值作為材料強(qiáng)度保持率，即計算式如下：

P=Rm1/Rm0

(1)

式中，P為材料強(qiáng)度保持率；Rm1為測試的抗拉強(qiáng)度；Rm0為材料初始的抗拉強(qiáng)度。

表2給出了4個高溫溫度下FEP材料在各觀測點的強(qiáng)度保持率，圖4所示為FEP材料在各高溫下強(qiáng)度保持率隨時間變化曲線。

表1 不同溫度下FEP材料在各觀測點的抗拉強(qiáng)度

表2 不同溫度下FEP材料在各觀測點的強(qiáng)度保持率

圖4 FEP材料的強(qiáng)度保持率隨時間變化曲線

由表2和圖4可知，F(xiàn)EP材料在4個高溫環(huán)境下，經(jīng)過48天加速老化后，材料首先發(fā)生了短時的強(qiáng)化過程，接著強(qiáng)度指標(biāo)隨老化時間延長而逐漸衰減，且隨著環(huán)境溫度升高，強(qiáng)度衰減越劇烈。原因是塑料拉伸強(qiáng)度取決于潔凈度及支鏈規(guī)則度，材料在加熱初期，分子鏈發(fā)生重整及聚合現(xiàn)場，消除了材料的部分內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致強(qiáng)度略有上升；而進(jìn)一步隨著時間延長，塑料分子的支鏈規(guī)則度下降，導(dǎo)致強(qiáng)度下降[10-11]。

3 使用壽命評估

3.1 保持率-時間曲線擬合

采用老化動力學(xué)模型對4個試驗高溫下強(qiáng)度保持率與老化時間的關(guān)系進(jìn)行擬合，滿足計算式如下：

P=A·exp(-K·tα)

(2)

式中，α為材料老化常數(shù)，為定值；t為老化時間；K為老化速率常數(shù)，與溫度直接相關(guān)；A為擬合常數(shù)；P為材料強(qiáng)度保持率。

利用式2擬合出FEP材料在各高溫下強(qiáng)度保持率與老化時間的關(guān)系方程，并算出失效保持率為80%時的高溫壽命，列于表3中，擬合曲線如圖5所示。

表3 FEP材料的強(qiáng)度保持率與老化時間關(guān)系方程

圖5 FEP材料的強(qiáng)度保持率隨時間的對數(shù)變化擬合曲線

3.2 溫度-壽命曲線擬合

根據(jù)GB/T 714l—2008標(biāo)準(zhǔn)，在一定溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)EP塑料的老化速率與老化溫度滿足阿倫尼烏斯方程，計算式如下：

K=A0·exp[-E/(R·T)]

(3)

式中，K為老化速率常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；E為材料活化能；A0為指數(shù)因素；R為摩爾氣體常數(shù)。

聯(lián)合式2和式3，可得到如下關(guān)系式，即各溫度下老化壽命的對數(shù)lnt與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T成線性關(guān)系。

lnt=(A1·E)/(R·T)+B

(4)

式中，t為老化時間；T為熱力學(xué)溫度；R為摩爾氣體常數(shù)；A1、B為常數(shù)。

對FEP材料在4個高溫下老化壽命進(jìn)行線性回歸擬合，關(guān)系方程見式5，相關(guān)系數(shù)為0.97，擬合曲線如圖6所示。

lnt= 5.168×1 000/T-5.400 6

(5)

圖6 FEP材料的老化壽命對數(shù)隨溫度倒數(shù)變化擬合曲線

根據(jù)換流閥的運(yùn)行工況，F(xiàn)EP材料的實際溫度約為65 ℃，則老化壽命可達(dá)19 719天，約54年，能夠滿足換流閥40年設(shè)計壽命要求。

4 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)FEP材料的機(jī)械強(qiáng)度在高溫環(huán)境下，隨著時間延長，材料先出現(xiàn)短時間的強(qiáng)化過程，接著強(qiáng)度逐漸衰減，同時隨著暴露溫度的升高，衰減速率逐漸加劇。

2)通過老化動力學(xué)模型及阿倫尼烏斯方程對FEP材料的高溫加速老化試驗數(shù)據(jù)的擬合，評估出該材料的失效保持率為80%時在65 ℃工況下的使用壽命可達(dá)54年，能夠滿足設(shè)備40年設(shè)計壽命要求。

3)本文結(jié)合FEP配水管路的實際工況，將核心因素的溫度作為單一加速應(yīng)力進(jìn)行老化壽命評估，實際換流閥的運(yùn)行環(huán)境中也存在較強(qiáng)的電場，其與溫度共同對材料老化的交互作用尚無理論支撐，可作為今后進(jìn)一步探索的方向。