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(fā)熱半導體器件，需采用流體冷卻系統(tǒng)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(yōu)異的熱穩(wěn)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(yè)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(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

設計承載壓力規(guī)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(huán)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(huán)境下，經過48天加速老化后，材料首先發(fā)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(huán)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(guī)則度，材料在加熱初期，分子鏈發(fā)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(guī)則度下降，導致強度下降[10-11]。

3 使用壽命評估

3.1 保持率-時間曲線擬合

采用老化動力學模型對4個試驗高溫下強度保持率與老化時間的關系進行擬合，滿足計算式如下：

P=A·exp(-K·tα)

(2)

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

利用式2擬合出FEP材料在各高溫下強度保持率與老化時間的關系方程，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材料的強度保持率與老化時間關系方程

圖5 FEP材料的強度保持率隨時間的對數變化擬合曲線

3.2 溫度-壽命曲線擬合

根據GB/T 714l—2008標準，在一定溫度范圍內，FEP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；T為熱力學溫度；E為材料活化能；A0為指數因素；R為摩爾氣體常數。

聯合式2和式3，可得到如下關系式，即各溫度下老化壽命的對數lnt與熱力學溫度的倒數1/T成線性關系。

lnt=(A1·E)/(R·T)+B

(4)

式中，t為老化時間；T為熱力學溫度；R為摩爾氣體常數；A1、B為常數。

對FEP材料在4個高溫下老化壽命進行線性回歸擬合，關系方程見式5，相關系數為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隨溫度倒數變化擬合曲線

根據換流閥的運行工況，FEP材料的實際溫度約為65 ℃，則老化壽命可達19 719天，約54年，能夠滿足換流閥40年設計壽命要求。

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

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

2)通過老化動力學模型及阿倫尼烏斯方程對FEP材料的高溫加速老化試驗數據的擬合，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54年，能夠滿足設備40年設計壽命要求。

3)本文結合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力進行老化壽命評估，實際換流閥的運行環(huán)境中也存在較強的電場，其與溫度共同對材料老化的交互作用尚無理論支撐，可作為今后進一步探索的方向。