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，但在長期運行過程中不可避免的會在法蘭結(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)濟損失并增大安全風(fēng)險[1]。GIS開關(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題對此類絕緣設(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)備中常見的油氣滲漏現(xiàn)象

目前，常用的各類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、無機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)堵漏材料是在到達滲漏部位后，在一定壓力、溫度或化學(xué)反應(yīng)作用下，以機械堆積或化學(xué)生成物堆積的方法，形成具有一定機械強度的封堵層，從而起到一定的堵塞作用[4]。然而傳統(tǒng)堵漏材料均需較長時間完成硬化，多數(shù)堵漏材料的硬化時間在數(shù)小時以上，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)實現(xiàn)足夠強度的封堵。因此，大多數(shù)堵漏材料只能針對輕微滲出部位進行不停電不停產(chǎn)的原位在線封堵，而面對泄漏較為嚴重的充油或充氣設(shè)備，則只能在停電、停產(chǎn)后清空填充物質(zhì)再開展封堵作業(yè)，無法實現(xiàn)快速原位堵漏。

基于3D打印技術(shù)發(fā)展而來的快速光固化技術(shù)是一種采用光固化樹脂作為載體，通過瞬時激光照射使樹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)樹脂在瞬間完成固化和粘接[8]。因此，面對油氣設(shè)備滲漏問題，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，并對其固化反應(yīng)速率、粘接強度、耐油、耐溶劑性進行初步探索，以期為此類設(shè)備的原位堵漏提供技術(shù)支持。

1 實驗方法

1.1 光固化樹脂堵漏

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

圖2 光固化樹脂的固化反應(yīng)機理

1.2 測試方法

1.2.1 固化反應(yīng)過程

采用德國布魯克公司的Tensor Ⅱ傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）對樹脂固化過程中的官能團變化進行測定，未采用近紫外光照射的樹脂F(xiàn)TIR曲線標記為0 s，其余為采用近紫外光照射1~11 s的樹脂F(xiàn)TIR曲線。

1.2.2 光固化堵漏效果測試

將某一鋼制容器表面人工制造一個直徑約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程并標記時間。采用光固化樹脂見該人造小孔封堵，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 光固化堵漏樹脂的耐溶劑性

將光照固化后的樹脂澆鑄體分別放入5 mL的水、變壓器油、無水乙醇、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，測定樹脂澆鑄體在浸泡溶劑前后的質(zhì)量變化。

1.2.4 光固化樹脂的粘接強度測試

采用光固化樹脂對兩片搭接玻璃進行粘接，粘接面積為2.5 cm×1.0 cm，采用MTS公司的CMT-5105型萬能力學(xué)試驗機進行剪切粘接強度測試。室溫25 ℃，加載速率2 mm/min，有效測試試樣數(shù)量不少于5個。

2 結(jié)果與討論

2.1 光固化堵漏樹脂的反應(yīng)性

光固化樹脂是一種由分子量的樹脂單體或預(yù)聚體組成且含有活性官能團的液態(tài)樹脂，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)固化的感光性樹脂。為了使光固化樹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樹脂的反應(yīng)官能團，在光引發(fā)劑被一定波長的光激發(fā)后迅速引發(fā)樹脂交聯(lián)。本文通過紅外光譜研究了光固化堵漏樹脂在近紫外光照射不同時間時的反應(yīng)特性（圖3），其中0 s為光照前液態(tài)樹脂的FTIR曲線，其他曲線依次為光照1~11 s時樹脂在固化反應(yīng)進程中的FTIR曲線，通過比較各吸收峰面積的變化研究該樹脂的固化反應(yīng)性。圖中，3350 cm-1為O-H伸縮振動峰，3050 cm-1為苯環(huán)的C-H伸縮振動峰，2953和2881cm-1處為飽和C-H伸縮振動峰，1750 cm-1處為C=O伸縮振動峰，在反應(yīng)進程中以上特征官能團均未發(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，說明該光固化樹脂的交聯(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 光固化堵漏樹脂在光照過程中的FTIR反應(yīng)進程

2.2 光固化堵漏效果初探

以鋼制設(shè)備的人造滲漏點作為研究對象，通過光固化樹脂原位修補后能夠快速封堵直徑為0.5 mm的嚴重滲漏點，并在超過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，屬于滲漏嚴重情況。此時，通過在該小孔處涂覆光固化樹脂，并同時采用近紫外光進行照射，即可使剛剛涂覆的樹脂瞬時硬化，持續(xù)照射10 s左右可完成堵漏操作。靜置48 h觀察該滲漏點的封堵效果發(fā)現(xiàn)，該光固化樹脂能夠有效實現(xiàn)原位堵漏，具有良好的封堵作用。

圖4 光固化樹脂在鋼制容器表面的堵漏效果圖

2.3 光固化堵漏樹脂的耐溶劑性

由于堵漏材料將會長期接觸設(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脂在各種不同溶劑中的耐受性。將固化后的樹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，測定樹脂澆鑄體在浸泡前后的質(zhì)量變化發(fā)現(xiàn)（表1）：水對樹脂的質(zhì)量幾乎沒有影響，固化后樹脂的耐水性良好；極性溶劑如乙醇和二甲基甲酰胺可能會將樹脂中的少量物質(zhì)溶解，使樹脂質(zhì)量分別減小1.3%和1.8%，也能夠說明該光固化樹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)光固化樹脂在甲苯中浸泡后質(zhì)量會有所增加，說明甲苯可能能夠通過溶脹作用進入樹脂的分子間隙中；變壓器油由于也屬于非極性物質(zhì)，可能對固化樹脂具有相同的溶脹作用，且變壓器油沸點較高，難以通過烘干工藝去除，因此使得樹脂澆鑄體質(zhì)量也略有增加。由此可見，本文所研究的光固化樹脂具有較為良好的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，在各類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 固化后樹脂在各種溶劑中浸泡72 h后的質(zhì)量變化

2.4 光固化樹脂的粘接強度

通過對透明玻璃的光固化粘接性能測試表明光固化樹脂在固化交聯(lián)后具有良好的粘接效果。由于光固化樹脂必須在近紫外光照射下才能完成交聯(lián)固化，無法采用鋼材進行粘接強度測試，因此本研究采用透明性好的玻璃作為粘接測試對象，采用兩片玻璃搭接的方式，用光固化樹脂實現(xiàn)粘接。并采用萬能力學(xué)試驗機進行粘接強度測試，結(jié)果表明粘接面積為2.5 cm*1.0 cm的光固化樹脂能夠承受約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，本文所用光固化樹脂具有良好的粘接性能，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的滲漏點粘接封堵。

圖5 光固化樹脂在對玻璃的粘接效果

3 結(jié)束語

對鋼制容器進行光固化樹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。并通過對光固化樹脂的固化反應(yīng)性、耐溶劑性、粘接強度進行研究，該光固化堵漏樹脂在近紫外光照射下能夠在1 s內(nèi)快速硬化，交聯(lián)固化后的樹脂澆鑄體在各類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，粘接強度較高，牢固可靠，在快速堵漏方面具有廣闊的應(yīng)用前景。