耐輻照1E級(jí)熱縮管輻照交聯(lián)劑量的研究

＊邢福發(fā) 劉磊 楊昭云 王佰茂 饒喜梅 王思聰

（1.深圳市沃爾核材股份有限公司 廣東 518118 2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

1.前言

隨著電力行業(yè)節(jié)能減排深入推進(jìn)。全國(guó)平均供電煤耗、線損率、污染物排放水平均穩(wěn)步下降，煤電機(jī)組超低排放改造比例進(jìn)一步提升。而核電由于其高效、綠色、安全的特點(diǎn)，每年的裝機(jī)容量正逐年遞增，在2019年，其核電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到4874萬千瓦，比上年增長(zhǎng)9.1%。核電有著很大的應(yīng)用前景與發(fā)展前景。

1E級(jí)熱縮管用于核電站內(nèi)電線電纜的終端連接與中間接頭連接，需要在極端惡劣設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境下起到電線電纜密封、連接和再絕緣的作用，并且在發(fā)生地震、超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的嚴(yán)重事故下仍能提供有效保護(hù)，這就需要熱縮管具有很好的耐熱性能、耐輻照性能、耐潮濕性能。1E級(jí)熱縮管通過電子加速器的輻照交聯(lián)賦予管材“形狀記憶”功能，制造出擴(kuò)張倍率大小可調(diào)的各型熱縮套管，而后熱縮管還需經(jīng)歷事故輻照考驗(yàn)，為使1E級(jí)熱縮管性能達(dá)到最佳，本文探究了不同輻照劑量下1E級(jí)熱縮套管的性能。

2.材料與方法

(1)實(shí)驗(yàn)原料與加工設(shè)備

核電母粒：通過密煉機(jī)密煉，雙螺桿造粒后得到，公司自制；核電熱熔膠：通過密煉機(jī)密煉，雙螺桿造粒后得到，公司自制；35L密煉機(jī)，昆山科信KSML-35；雙螺桿造粒機(jī)江蘇新達(dá)科技PSHJ-50；單螺桿復(fù)合擠出機(jī)組，上海通冷SJ-65和齊昌塑機(jī)SJ-45復(fù)合擠出機(jī)組；電子直線加速器，無錫愛邦A(yù)B-30、AB-40；比利時(shí)IBA RDI5.0/30；擴(kuò)張機(jī)，WOER正壓擴(kuò)張機(jī)；微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)，高鐵檢測(cè)儀器AI-7000-S；老化箱GWS，PHH-201。

(2)1E級(jí)熱縮管的制備

將核電母粒和核電熱熔膠干燥預(yù)熱后加入單螺桿復(fù)合擠出機(jī)組料斗，將母料擠出成管材，SJ-45螺桿各區(qū)溫度分別為85℃、125℃、135℃、135℃，SJ-65螺桿各區(qū)溫度為115℃、135℃、150℃、155℃。機(jī)頭溫度為150℃。擠出后的管材經(jīng)冷卻后收卷上盤。本文將以實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)數(shù)量最多的Ф28mm規(guī)格為試驗(yàn)對(duì)象。

將收卷后的管材以一定的速度通過電子直線加速器，輻照劑量分別為8Mrad、10Mrad、12Mrad、14Mrad、16Mrad、18Mrad、20Mrad、22Mrad、24Mrad、26Mrad、28Mrad、30Mrad。

(3)測(cè)試與表征

①力學(xué)性能測(cè)試。按GB/T 2951.11-2008執(zhí)行。

②老化性能測(cè)試。按照GB/T 2951.12-2008執(zhí)行，老化溫度為150℃±3℃，老化時(shí)間為168h，取出放置完全冷卻后測(cè)量其拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率。計(jì)算其變化率。

③熱延伸性能測(cè)試。按照GB/T 2951.21-2008執(zhí)行，烘箱溫度設(shè)置為200℃±3℃。

④擴(kuò)張良品率測(cè)定。在相同的擴(kuò)張條件下擴(kuò)張不同輻照劑量的1E級(jí)熱縮管，通過檢測(cè)產(chǎn)品的合格率來測(cè)定其擴(kuò)張性能。

3.結(jié)果與討論

(1)輻照劑量對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

在電子加速器高能電子的轟擊下，聚合物分子鏈會(huì)被打斷，被打斷的部分形成自由基，與其他自由基組合，將原來的鏈狀分子結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。從圖1我們可以看到，隨著輻照劑量的增加，熱縮管的拉伸強(qiáng)度有所增加，當(dāng)輻照劑量為24Mrad時(shí)，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大為13.68MPa，這主要由于聚合物交聯(lián)反應(yīng)占優(yōu)導(dǎo)致的，隨著輻照劑量的繼續(xù)增加，拉伸強(qiáng)度開始緩慢下降，這是由于輻照劑量過大，聚合物開始呈裂解趨勢(shì)。

圖1 輻照劑量對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

(2)輻照劑量對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響

隨著輻照劑量的增加，1E級(jí)熱縮管斷裂伸長(zhǎng)率的變化如圖2所示，一直呈下降趨勢(shì)。輻照劑量的增加到一定幅度時(shí)，聚合物交聯(lián)度開始增加，交聯(lián)反應(yīng)起主導(dǎo)作用，聚合物形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子鏈由鏈狀變?yōu)榫W(wǎng)狀，所以其斷裂伸長(zhǎng)率有所上漲。隨著輻照劑量的繼續(xù)增加，聚合物分子鏈逐漸斷裂，聚合物裂解反應(yīng)起主導(dǎo)作用，所以其斷裂伸長(zhǎng)率開始緩慢下降。

圖2 輻照劑量對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響

(3)輻照劑量對(duì)老化性能的影響

不同輻照劑量后的產(chǎn)品在150℃±3℃老化168h后，隨著輻照劑量增加，交聯(lián)度不斷增加，老化后其拉伸強(qiáng)度均有所提升，斷裂伸長(zhǎng)率都有一定幅度的降低，隨著輻照劑量的增加，其熱老化后的伸長(zhǎng)率變化率在不斷降低，到達(dá)一個(gè)最小值，這得益于聚合物的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，隨著輻照劑量的繼續(xù)增大，其變化率開始增大，這是由于輻照劑量過大后，聚合物開始發(fā)生降解，不能繼續(xù)保持良好的老化性能。

(4)輻照劑量對(duì)熱延伸的影響

聚合物輻照后形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，而熱延伸便能很直觀的反應(yīng)聚合物的交聯(lián)程度，測(cè)試了不同輻照劑量的1E級(jí)熱縮套管的熱延伸，我們可以從圖3中看出，隨著輻照劑量的增加，交聯(lián)程度開始增大，其熱延伸開始降低。當(dāng)輻照劑量繼續(xù)增大時(shí)，分子鏈開始呈現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，交聯(lián)程度開始減小，其熱延伸開始增大。其結(jié)果與力學(xué)性能測(cè)試相符，也進(jìn)一步說明了輻照對(duì)聚合物的影響。

圖3 輻照劑量對(duì)熱延伸的影響

(5)輻照劑量對(duì)擴(kuò)張投入產(chǎn)出比的影響

我們對(duì)1E級(jí)熱縮管進(jìn)行了不同輻照工藝和不同輻照劑量的實(shí)驗(yàn)，在相同的擴(kuò)張條件下對(duì)不同輻照工藝和不同輻照劑量的熱縮管進(jìn)行了擴(kuò)張。擴(kuò)張相同長(zhǎng)度的熱縮管，檢測(cè)其擴(kuò)張投入產(chǎn)出比。

由于電子加速器輻照高劑量時(shí)，容易產(chǎn)生很多熱量，連續(xù)輻照高劑量產(chǎn)品后容易造成電子加速器束下裝置發(fā)生故障，所以調(diào)整輻照工藝，通過二遍或者三遍輻照，使輻照劑量累加到實(shí)驗(yàn)所需劑量。輻照遍數(shù)增加，1E級(jí)熱縮管經(jīng)過輻照后變熱，存在輻照拉伸的風(fēng)險(xiǎn)，輻照遍數(shù)不能太多。

1E級(jí)熱縮管二遍輻照累加劑量對(duì)擴(kuò)張投入產(chǎn)出比的影響，隨著輻照劑量的增加，其擴(kuò)張投入產(chǎn)出比呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。到輻照累加劑量在20-24Mrad時(shí)，其擴(kuò)張投入產(chǎn)出比達(dá)到最高值。這是由于當(dāng)輻照劑量過低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致1E級(jí)熱縮管交聯(lián)度較低，容易發(fā)生擴(kuò)張壁厚不均勻度大、收縮慢、收縮不到位的情況。當(dāng)輻照劑量過高時(shí)，1E級(jí)熱縮管交聯(lián)度呈裂解趨勢(shì)，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸下降，容易發(fā)生擴(kuò)張開裂或者無法完全擴(kuò)張的情況。

1E級(jí)熱縮管三遍輻照累加劑量對(duì)擴(kuò)張投入產(chǎn)出比的影響，三遍輻照累加劑量和兩遍輻照累加劑量一樣，隨著輻照劑量的增加，其擴(kuò)張投入產(chǎn)出比呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。在低輻照劑量時(shí)，同樣輻照劑量的情況下，1E級(jí)熱縮管三遍輻照累加劑量的輻照方式比二遍輻照累加劑量的擴(kuò)張投入產(chǎn)出比高出8%-10%，隨著累加劑量的增加，三遍輻照累加劑量的輻照方式的1E級(jí)熱縮管逐漸的比二遍輻照累加劑量的擴(kuò)張投入產(chǎn)出比8%-10%低，最高也只能達(dá)到82%。

4.結(jié)論

通過對(duì)拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、熱老化性能、熱延伸性能的研究以及擴(kuò)張投入產(chǎn)出比的探究?？梢钥闯鲭S著輻照劑量的增加，1E級(jí)熱縮管的拉伸強(qiáng)度先增加后減小，在24Mrad時(shí)達(dá)到峰值，其斷裂伸長(zhǎng)率先降低后增加，達(dá)到一定程度后不斷降低，老化性能與熱延伸率都在輻照劑量為22Mrad時(shí)達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)輻照方式的不同，在性能最佳的輻照劑量情況下，二遍輻照累加劑量的輻照方式的1E級(jí)熱縮管比三遍輻照累加劑量的擴(kuò)張投入產(chǎn)出更高。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出1E級(jí)熱縮管以二遍輻照累加劑量的輻照方式，輻照劑量累加為20-24Mrad時(shí)達(dá)到最優(yōu)輻照交聯(lián)效果和最高的擴(kuò)張投入產(chǎn)出比。