電氣貫穿件國產PEEK絕緣材料性能研究

申 鵬， 全先德， 吳珂科， 付豐年， 黃文軍， 鄺振華

(1. 上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240； 2. 中廣核工程有限公司， 廣東深圳 518124)

電氣貫穿件是安裝在核電廠安全殼上，用于電纜穿越安全殼的專用電氣設備，其作為安全殼的一部分，在正?；蚴鹿蕳l件下，能保持核反應堆安全殼壓力邊界的完整性和電氣信號的連續(xù)性[1]。電氣貫穿件主要由外部的鋼質筒體和內部各型號電纜組成，在筒體與電纜之間分布著各種式樣的絕緣材料。

目前，國內電氣貫穿件生產廠商均選擇了某進口品牌的聚醚醚酮(PEEK)材料作為其關鍵絕緣材料。該進口材料可以保證電氣貫穿件在各種工況下電氣的連續(xù)性及密封的完整性，在核電領域具有很高的應用價值[2-3]。

國內已經(jīng)有具備自主知識產權的PEEK材料產品，并且相關產品的生產能力可以滿足核電發(fā)展的需求，但這些產品在核電領域還沒有實際應用[4]。針對這種現(xiàn)狀，筆者將國產PEEK絕緣材料與進口PEEK絕緣材料進行對比，通過各種性能試驗比較其性能指標，研究國產材料是否可以滿足核電廠電氣貫穿件的使用要求，為電氣貫穿件絕緣材料的選擇提供更多的選項。

1 國產PEEK絕緣材料

適用于核電廠電氣貫穿件的國產PEEK絕緣材料是一種特種高分子材料，構成其主鏈結構的重復單元含有一個酮鍵和兩個醚鍵，其分子結構見圖1。

圖1 電氣貫穿件用國產PEEK絕緣材料分子結構

2 試驗方案

當核電廠及電氣貫穿件處于正常工況時，考慮到電氣貫穿件的工作環(huán)境，以及電氣導線與鋼質筒體之間的密封方式，絕緣材料對以下性能參數(shù)有特殊的要求：介電強度、體積電阻率、介電常數(shù)等電氣性能參數(shù)，拉伸強度、彎曲強度和硬度等力學性能參數(shù)。

當核電廠處于事故或嚴重事故工況時，電氣貫穿件的工作環(huán)境有可能變得非常惡劣，包括溫度、濕度及壓力急劇上升，環(huán)境放射性水平大大提高，甚至可能發(fā)生嚴重火災及爆炸。這些情況的出現(xiàn)，使得電氣貫穿件絕緣材料在熔點、阻燃性能及耐輻照性能等方面都需要滿足一定的要求。各種惡劣的環(huán)境疊加作用于電氣貫穿件上時，對絕緣材料的要求還會提高。當絕緣材料經(jīng)過大劑量的輻照后，其內部晶體的組織、結構等是否會發(fā)生變化，需要經(jīng)過試驗研究才能確定。

綜上所述，針對適用于核電廠電氣貫穿件的絕緣材料，所確定的試驗方案為：對樣本的拉伸強度、介電強度、熔點等應用環(huán)境所要求的各項基礎性能指標進行試驗；進行輻照試驗，并對輻照后樣本的熱分解溫度、結晶度、色度、彎曲強度、彈性模量及介電強度等性能指標進行試驗；同時，在試驗中增加進口材料的樣本，通過橫向對比，進一步驗證該國產材料是否可以滿足電氣貫穿件的使用要求。

3 基礎性能試驗及分析

對進口材料和國產材料的各項基礎性能進行試驗，得到的結果見表1。

表1 2種材料的基礎性能對比

在相同的試驗標準下，國產材料的電氣性能、防火性能和力學性能等與進口材料的差異較小，表明國產材料各項基礎性能完全可以滿足電氣貫穿件的使用要求。

4 輻照試驗及分析

在輻照試驗中，采用60Co γ射線對絕緣材料樣本進行照射，模擬材料在輻照環(huán)境中的老化過程。輻照基地鈷源為雙柵板源，包括升降系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)和計量體系等，裝源容量為3×105Ci(1.11×1016Bq)。經(jīng)劑量計實際測量，放置樣本的輻照位置，劑量率為5 kGy/h。對所有樣本進行了3種輻照劑量的試驗，分別是100 kGy、1 000 kGy和2 000 kGy，其中：2 000 kGy的輻照劑量超過了核電廠電氣貫穿件正常工況、事故工況及嚴重事故工況下的累積輻照劑量。

4.1 樣本準備

輻照試驗的樣本選擇了3種國產牌號(770G、550G和551LG)的絕緣材料和2種進口牌號(450G和381G)的絕緣材料，其加工工藝及用途見表2。每種牌號的絕緣材料均設置3種形式的樣本規(guī)格，分別為彎曲樣條、方板及50 g顆粒物料。

表2 樣本材料的加工工藝及用途

4.2 輻照試驗后的性能試驗

評價材料耐輻照性能的方法[5]為：在某輻照劑量下，如果材料彎曲強度變化率小于5%，說明材料可以耐受該輻照劑量下的輻照。因此，研究經(jīng)過一定劑量的輻照后，國產材料彎曲強度的變化率，同時對材料的結晶度、顏色、介電強度和熱分解溫度等指標進行試驗。

4.3 試驗結果

在電氣貫穿件內，450G、770G、550G材料的應用形式為絕緣管材或密封填充體，381G、551LG材料以擠包導線絕緣層的形式存在。不同的應用形式之間材料的性能會存在差異，因此所有絕緣材料的樣本經(jīng)過輻照試驗后，分為2組分別進行對比。

4.3.1 450G、770G和550G樣本的對比

表3為輻照試驗前后，450G、770G、550G樣本各項性能的對比。由表3可得：3種樣本受輻照的影響均較小，隨著輻照劑量的增加，結晶度未出現(xiàn)大幅度下降情況；但是，結晶度波動較大，可能是因為輻照過程中，顆粒料實際接受的輻照劑量存在差異。

表3 450G、770G、550G樣本性能的對比

圖2為3種材料樣本受輻照影響后顏色的變化，從左到右分別是未輻照和100 kGy、1 000 kGy、2 000 kGy輻照的結果。隨著輻照劑量的增加，色度a與色度b呈增大的趨勢，樣本顏色向著紅黃色發(fā)展。

圖2 3種材料樣本受輻照后顏色的變化

圖3為3種材料樣本彎曲強度和彎曲模量的變化。

圖3 彎曲強度和彎曲模量隨輻照劑量的變化

由圖3可得：在不同輻照劑量下，3種材料樣本的彎曲強度均穩(wěn)定在150 MPa左右，彎曲模量均穩(wěn)定在3 500 MPa左右，并且隨著輻照劑量的增加，彎曲強度和彎曲模量均沒有明顯下降的趨勢。

表4為不同輻照劑量下，輻照后樣本相對于未輻照樣本的彎曲強度變化率。由表4可得：隨著輻照劑量的增加，770G和550G樣本的彎曲強度變化率均在5%以下，與450G樣本的性能相近，表明2種國產材料均可以滿足在2 000 kGy輻照劑量環(huán)境中的使用要求。

表4 不同輻照劑量下樣本彎曲強度變化率

圖4為介電強度隨輻照劑量的變化。

圖4 介電強度隨輻照劑量的變化

由圖4可得：3種材料樣本經(jīng)過輻照后，介電強度穩(wěn)定在14～17 kV/mm；隨著輻照劑量的增加，介電強度的變化幅度較小，輻照試驗對絕緣性能的影響較小，表明國產材料與進口材料的絕緣性能相近，并且兩者均可以滿足核電廠電氣貫穿件的絕緣要求。

4.3.2 381G與551LG樣本的對比

表5為381G和551LG樣本各項性能的對比，其中：因為未經(jīng)輻照的381G樣本數(shù)量不足，所以無法給出其介電強度、色度等數(shù)據(jù)。由表5可得：隨著輻照劑量的增加，介電強度變化較小，受輻照影響較小，色度a與色度b呈增大的趨勢，樣本顏色向紅黃色變化，變化情況與圖2中樣本相似，熱分解溫度變化不明顯，并且未發(fā)現(xiàn)結晶度的變化規(guī)律。

表5 381G、551LG樣本性能的對比

圖5是彎曲強度隨輻照劑量的變化。

圖5 彎曲強度隨輻照劑量的變化

由圖5可得：隨輻照劑量的增加，381G樣本的彎曲強度呈增加的趨勢，當輻照劑量為2 000 kGy時，彎曲強度變化率為1.7%，551LG樣本彎曲強度變化幅度較小，受輻照的影響較小。通過對比得到，2種材料樣本的彎曲強度變化率均小于5%，表明551LG和381G材料均可以耐受2 000 kGy的輻照劑量。

圖6為彎曲模量隨輻照劑量的變化。由圖6可得：2種材料的彎曲模量均隨輻照劑量的增加而增加；551LG樣本彎曲模量的增加幅度小于381G樣本，說明551LG材料受輻照的影響更小。

圖6 彎曲模量隨輻照劑量的變化

綜上所述，輻照僅對國產PEEK絕緣材料的外觀顏色有微弱影響，對其他關鍵性能的影響較小。

5 結語

針對核電領域電氣貫穿件內關鍵絕緣材料生產制造亟需國產化的現(xiàn)狀，對國產PEEK絕緣材料進行了試驗研究，得到以下結論：

(1) 所研究的材料各項基礎性能均滿足電氣貫穿件的使用要求。

(2) 經(jīng)過不同劑量的輻照后，絕緣材料的各項性能變化較小，受輻照影響較小，材料本身的耐輻照性能較好。

(3) 通過橫向對比，國產PEEK絕緣材料的各項性能指標與進口PEEK絕緣材料接近，可以起到很好的替代作用。

研究成果可為電氣貫穿件絕緣材料的選擇提供更多的選項。