油氣設(shè)備光固化快速堵漏技術(shù)初探

許培俊，郭新良，劉榮海，何運(yùn)華，楊雪瀅，宋玉鋒，程雪婷

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院博士后科研工作站，云南 昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院金屬化學(xué)研究所，云南 昆明 650217）

0 前言

充油和充氣絕緣設(shè)備是電力系統(tǒng)中較為常見(jiàn)的重要設(shè)備。例如在油浸變壓器中填充著大量液態(tài)變壓器油作為絕緣材料，但在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中不可避免的會(huì)在法蘭結(jié)合面、散熱片節(jié)閥等部位、檢修孔等部位出現(xiàn)不同程度的滲漏現(xiàn)象（圖1），輕則影響變壓器油量的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，重則導(dǎo)致反復(fù)停電檢修封堵，造成大量經(jīng)濟(jì)損失并增大安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。GIS開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備中需要注入高壓SF6氣體提高絕緣安全性。但是高壓氣體的易滲漏問(wèn)題對(duì)此類(lèi)絕緣設(shè)備的密封性提出了較高要求。因此，尤其在滲漏較為嚴(yán)重的充油和充氣絕緣設(shè)備領(lǐng)域，快速堵漏技術(shù)的研發(fā)需求極為迫切，為實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備不停電原位修復(fù)提供重要的理論和技術(shù)參考。

圖1 電氣設(shè)備中常見(jiàn)的油氣滲漏現(xiàn)象

目前，常用的各類(lèi)堵漏材料有橋接堵漏材料、高失水堵漏材料、暫堵材料、化學(xué)堵漏材料、無(wú)機(jī)膠凝堵漏材料及軟硬塞堵漏材料等[2-3]。由于各種堵漏材料的封堵或反應(yīng)機(jī)理有差異，使得各種堵漏材料的堵漏性能也有所區(qū)別。多數(shù)堵漏材料是在到達(dá)滲漏部位后，在一定壓力、溫度或化學(xué)反應(yīng)作用下，以機(jī)械堆積或化學(xué)生成物堆積的方法，形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的封堵層，從而起到一定的堵塞作用[4]。然而傳統(tǒng)堵漏材料均需較長(zhǎng)時(shí)間完成硬化，多數(shù)堵漏材料的硬化時(shí)間在數(shù)小時(shí)以上，即使采用能快速硬化的瞬干膠作為快速堵漏材料，也很難在半分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠強(qiáng)度的封堵。因此，大多數(shù)堵漏材料只能針對(duì)輕微滲出部位進(jìn)行不停電不停產(chǎn)的原位在線封堵，而面對(duì)泄漏較為嚴(yán)重的充油或充氣設(shè)備，則只能在停電、停產(chǎn)后清空填充物質(zhì)再開(kāi)展封堵作業(yè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速原位堵漏。

基于3D打印技術(shù)發(fā)展而來(lái)的快速光固化技術(shù)是一種采用光固化樹(shù)脂作為載體，通過(guò)瞬時(shí)激光照射使樹(shù)脂層層固化堆砌成為三維立體構(gòu)件的成型技術(shù)[5-7]。其主要特點(diǎn)是利用了交聯(lián)反應(yīng)極為迅速的光固化技術(shù)，使液態(tài)樹(shù)脂在瞬間完成固化和粘接[8]。因此，面對(duì)油氣設(shè)備滲漏問(wèn)題，我們嘗試將光固化技術(shù)應(yīng)用于充油、充氣電氣設(shè)備的快速堵漏，并對(duì)其固化反應(yīng)速率、粘接強(qiáng)度、耐油、耐溶劑性進(jìn)行初步探索，以期為此類(lèi)設(shè)備的原位堵漏提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 光固化樹(shù)脂堵漏

將光固化樹(shù)脂涂覆在設(shè)備滲漏部位，再采用近紫外LED燈對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行照射，視樹(shù)脂厚度照射5~20 s即可使樹(shù)脂完全固化，固化反應(yīng)機(jī)理如圖2所示。

圖2 光固化樹(shù)脂的固化反應(yīng)機(jī)理

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 固化反應(yīng)過(guò)程

采用德國(guó)布魯克公司的Tensor Ⅱ傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）對(duì)樹(shù)脂固化過(guò)程中的官能團(tuán)變化進(jìn)行測(cè)定，未采用近紫外光照射的樹(shù)脂F(xiàn)TIR曲線標(biāo)記為0 s，其余為采用近紫外光照射1~11 s的樹(shù)脂F(xiàn)TIR曲線。

1.2.2 光固化堵漏效果測(cè)試

將某一鋼制容器表面人工制造一個(gè)直徑約0.5 mm的小孔，并在容器中承裝變壓器油。在自然重力作用下變壓器油將會(huì)從該孔漏出，采用視頻記錄每滴變壓器油從該孔流出到滴落的過(guò)程并標(biāo)記時(shí)間。采用光固化樹(shù)脂見(jiàn)該人造小孔封堵，繼續(xù)觀察48 h是否有變壓器油滲出并連續(xù)拍照記錄。

1.2.3 光固化堵漏樹(shù)脂的耐溶劑性

將光照固化后的樹(shù)脂澆鑄體分別放入5 mL的水、變壓器油、無(wú)水乙醇、二甲基甲酰胺、甲苯中浸泡72 h，取出后在100 ℃真空烘箱中烘干至恒重，測(cè)定樹(shù)脂澆鑄體在浸泡溶劑前后的質(zhì)量變化。

1.2.4 光固化樹(shù)脂的粘接強(qiáng)度測(cè)試

采用光固化樹(shù)脂對(duì)兩片搭接玻璃進(jìn)行粘接，粘接面積為2.5 cm×1.0 cm，采用MTS公司的CMT-5105型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切粘接強(qiáng)度測(cè)試。室溫25 ℃，加載速率2 mm/min，有效測(cè)試試樣數(shù)量不少于5個(gè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 光固化堵漏樹(shù)脂的反應(yīng)性

光固化樹(shù)脂是一種由分子量的樹(shù)脂單體或預(yù)聚體組成且含有活性官能團(tuán)的液態(tài)樹(shù)脂，能在紫外光或近紫外光的照射下引發(fā)聚合并迅速交聯(lián)固化的感光性樹(shù)脂。為了使光固化樹(shù)脂具有較快固化交聯(lián)速率，通常采用活性較高的不飽和雙鍵作為此類(lèi)樹(shù)脂的反應(yīng)官能團(tuán)，在光引發(fā)劑被一定波長(zhǎng)的光激發(fā)后迅速引發(fā)樹(shù)脂交聯(lián)。本文通過(guò)紅外光譜研究了光固化堵漏樹(shù)脂在近紫外光照射不同時(shí)間時(shí)的反應(yīng)特性（圖3），其中0 s為光照前液態(tài)樹(shù)脂的FTIR曲線，其他曲線依次為光照1~11 s時(shí)樹(shù)脂在固化反應(yīng)進(jìn)程中的FTIR曲線，通過(guò)比較各吸收峰面積的變化研究該樹(shù)脂的固化反應(yīng)性。圖中，3350 cm-1為O-H伸縮振動(dòng)峰，3050 cm-1為苯環(huán)的C-H伸縮振動(dòng)峰，2953和2881cm-1處為飽和C-H伸縮振動(dòng)峰，1750 cm-1處為C=O伸縮振動(dòng)峰，在反應(yīng)進(jìn)程中以上特征官能團(tuán)均未發(fā)生顯著變化。僅有3078 cm-1的不飽和雙鍵的C=H伸縮振動(dòng)峰，在光照前為微弱吸收峰，在光照1 s后顯著減小，并在3 s后基本消失，說(shuō)明該光固化樹(shù)脂的交聯(lián)反應(yīng)能夠在1 s內(nèi)基本完成。其固化反應(yīng)速率非常迅速，具有在快速堵漏應(yīng)用的潛力。

圖3 光固化堵漏樹(shù)脂在光照過(guò)程中的FTIR反應(yīng)進(jìn)程

2.2 光固化堵漏效果初探

以鋼制設(shè)備的人造滲漏點(diǎn)作為研究對(duì)象，通過(guò)光固化樹(shù)脂原位修補(bǔ)后能夠快速封堵直徑為0.5 mm的嚴(yán)重滲漏點(diǎn)，并在超過(guò)48 h的觀察期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)再次滲漏。如圖4所示，在某一鋼制容器表面人工制造一個(gè)直徑約0.5 mm的小孔，并在容器中承裝變壓器油。在自然重力作用下變壓器油從該孔快速流失，大約每34 s滴下1滴，屬于滲漏嚴(yán)重情況。此時(shí)，通過(guò)在該小孔處涂覆光固化樹(shù)脂，并同時(shí)采用近紫外光進(jìn)行照射，即可使剛剛涂覆的樹(shù)脂瞬時(shí)硬化，持續(xù)照射10 s左右可完成堵漏操作。靜置48 h觀察該滲漏點(diǎn)的封堵效果發(fā)現(xiàn)，該光固化樹(shù)脂能夠有效實(shí)現(xiàn)原位堵漏，具有良好的封堵作用。

圖4 光固化樹(shù)脂在鋼制容器表面的堵漏效果圖

2.3 光固化堵漏樹(shù)脂的耐溶劑性

由于堵漏材料將會(huì)長(zhǎng)期接觸設(shè)備內(nèi)的滲出液體或外部環(huán)境中的各種溶劑材料，因此我們研究了光固化后的樹(shù)脂在各種不同溶劑中的耐受性。將固化后的樹(shù)脂澆鑄體在各種極性和非極性溶劑中浸泡72 h，取出后在100 ℃真空烘箱中烘干至恒重，測(cè)定樹(shù)脂澆鑄體在浸泡前后的質(zhì)量變化發(fā)現(xiàn)（表1）：水對(duì)樹(shù)脂的質(zhì)量幾乎沒(méi)有影響，固化后樹(shù)脂的耐水性良好；極性溶劑如乙醇和二甲基甲酰胺可能會(huì)將樹(shù)脂中的少量物質(zhì)溶解，使樹(shù)脂質(zhì)量分別減小1.3%和1.8%，也能夠說(shuō)明該光固化樹(shù)脂已基本完成良好的固化交聯(lián)；非極性溶劑如甲苯是大多數(shù)涂料和油漆的溶劑組分，我們發(fā)現(xiàn)光固化樹(shù)脂在甲苯中浸泡后質(zhì)量會(huì)有所增加，說(shuō)明甲苯可能能夠通過(guò)溶脹作用進(jìn)入樹(shù)脂的分子間隙中；變壓器油由于也屬于非極性物質(zhì)，可能對(duì)固化樹(shù)脂具有相同的溶脹作用，且變壓器油沸點(diǎn)較高，難以通過(guò)烘干工藝去除，因此使得樹(shù)脂澆鑄體質(zhì)量也略有增加。由此可見(jiàn)，本文所研究的光固化樹(shù)脂具有較為良好的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，在各類(lèi)極性和非極性溶劑中能夠保持結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性。

表1 固化后樹(shù)脂在各種溶劑中浸泡72 h后的質(zhì)量變化

2.4 光固化樹(shù)脂的粘接強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)透明玻璃的光固化粘接性能測(cè)試表明光固化樹(shù)脂在固化交聯(lián)后具有良好的粘接效果。由于光固化樹(shù)脂必須在近紫外光照射下才能完成交聯(lián)固化，無(wú)法采用鋼材進(jìn)行粘接強(qiáng)度測(cè)試，因此本研究采用透明性好的玻璃作為粘接測(cè)試對(duì)象，采用兩片玻璃搭接的方式，用光固化樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)粘接。并采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行粘接強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明粘接面積為2.5 cm*1.0 cm的光固化樹(shù)脂能夠承受約500 N的拉力，所有試樣均為玻璃拉伸破壞，粘接面未受任何影響（圖5）。由此可見(jiàn)，本文所用光固化樹(shù)脂具有良好的粘接性能，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的滲漏點(diǎn)粘接封堵。

圖5 光固化樹(shù)脂在對(duì)玻璃的粘接效果

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)鋼制容器進(jìn)行光固化樹(shù)脂快速原位堵漏之后，能夠有效防止變壓器油滲漏，光固化快速堵漏技術(shù)具有良好的封堵效果。并通過(guò)對(duì)光固化樹(shù)脂的固化反應(yīng)性、耐溶劑性、粘接強(qiáng)度進(jìn)行研究，該光固化堵漏樹(shù)脂在近紫外光照射下能夠在1 s內(nèi)快速硬化，交聯(lián)固化后的樹(shù)脂澆鑄體在各類(lèi)極性和非極性溶劑中能夠保持結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性，粘接強(qiáng)度較高，牢固可靠，在快速堵漏方面具有廣闊的應(yīng)用前景。