換流閥冷卻管路用FEP塑料使用壽命評估*

2022-02-14 07:32:26周傳昆朱洪宇陸凱雷

新技術新工藝 2022年12期

周傳昆，朱洪宇，顧杰，汪敏，陸凱雷

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇常州 213025)

換流閥等電力設備使用了大量的IGBT、晶閘管等發熱半導體器件，需采用流體冷卻系統對其進行快速冷卻，故冷卻水路的可靠性直接關系到電力設備的安全運行[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，具有優異的熱穩定性、耐試劑腐蝕、電絕緣性、耐候性、機械強度等性能，被廣泛應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用價值及科學理論意義。

目前，行業內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，形成了多種老化機理及壽命預測理論[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合理論計算的方式進行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，利用老化動力學模型及阿倫尼烏斯方程對抗拉強度保持率進行擬合處理，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板材上機械加工出標準拉伸試樣75個；制備與換流閥設備使用一致的FEP水管3根。

1.2 加速老化試驗方法

參照相關標準[8]，對FEP試樣進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械強度，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

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

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：結合FEP水管的實際使用工況，采用水壓試驗機對FEP水管進行壓力測試，緩慢增加系統動態壓力值至水管破壞(見圖3)，測出3根水管的平均初始破壞動態水壓值為1.5 MPa。

圖3 FEP水管水壓測試

設計承載壓力規定：換流閥在運行過程中冷卻水路壓為0.6 MPa，取安全系數為2，即FEP水管設計承載壓力為1.2 MPa。

失效保持率計算：將FEP材料的設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 試驗結果及分析

2.1 原始數據記錄

表1給出了4個高溫環境下FEP材料在各觀測周期的平均抗拉強度。

2.2 強度保持率計算

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

P=Rm1/Rm0

(1)

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

表2給出了4個高溫溫度下FEP材料在各觀測點的強度保持率，圖4所示為FEP材料在各高溫下強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度

表2 不同溫度下FEP材料在各觀測點的強度保持率

圖4 FEP材料的強度保持率隨時間變化曲線

由表2和圖4可知，FEP材料在4個高溫環境下，經過48天加速老化后，材料首先發生了短時的強化過程，接著強度指標隨老化時間延長而逐漸衰減，且隨著環境溫度升高，強度衰減越劇烈。原因是塑料拉伸強度取決于潔凈度及支鏈規則度，材料在加熱初期，分子鏈發生重整及聚合現場，消除了材料的部分內應力和內部缺陷，導致強度略有上升；而進一步隨著時間延長，塑料分子的支鏈規則度下降，導致強度下降[10-11]。