基于組合表征試驗的電纜非金屬材料材質(zhì)一致性研究

樊建軍,托 婭,黃保生

(內(nèi)蒙古電力(集團)有限責任公司,呼和浩特 010020)

0 引言

內(nèi)蒙古電力事業(yè)的發(fā)展與繁榮,為各類電纜帶來了廣闊的發(fā)展空間。隨著自然災(zāi)害(風、雪、雨、雷等)、人員責任、外力破壞和產(chǎn)品質(zhì)量造成的電網(wǎng)運行事故,對電網(wǎng)電纜材料的安全性能和可靠性提出更嚴苛的要求。如何保證入網(wǎng)電纜的高性能和高安全性,關(guān)鍵是需要對入網(wǎng)電纜的產(chǎn)品質(zhì)量進行嚴格把控。以前做法多是電網(wǎng)公司委托第三方對抽樣樣品進行宏觀性能指標的檢測,但是此種方法通常有耗時較長、成本較高、操作復(fù)雜、且覆蓋不全等缺點。如何在短時間內(nèi)全面、準確地對產(chǎn)品進行質(zhì)量認證,行業(yè)內(nèi)的多年經(jīng)驗和試驗結(jié)果說明產(chǎn)品身份一致性檢查是其中關(guān)鍵。

國內(nèi)外對于電纜材料身份一致性的鑒定積累了一定經(jīng)驗,多是從微觀角度表征材料的結(jié)構(gòu)、運動特性和熱行為等角度出發(fā),具有操作簡便、快速、成本低等優(yōu)點。UL 746A 和CQC 采用微觀分析手段的結(jié)合對非金屬材料材質(zhì)一致性進行控制[1-2]。國內(nèi)外研究多通過紅外光譜法(FTIR)、差示掃描量熱法(DSC)或熱重分析法(TG)等手段組合,但大多數(shù)并未從系統(tǒng)上論證此方法的有效性和準確性[3-5]。電網(wǎng)系統(tǒng)中高壓電力電纜要求絕緣材料和護套材料質(zhì)量穩(wěn)定可靠,特別是低煙、無鹵、阻燃護套材料的組分復(fù)雜多變,以上方法并不能很好地監(jiān)控電纜材料關(guān)鍵組分和含量的變化。上海電纜研究所有限公司在前期對非金屬材料身份一致以上方法開展了大量基礎(chǔ)性研究,積累了豐富的數(shù)據(jù),形成基于多重參數(shù)綜合監(jiān)測核電廠電纜非金屬材料一致性的系統(tǒng)分析方法,適用于電纜材料由復(fù)雜組分形成的均質(zhì)混合體[6]。通過型式試驗或鑒定的電纜樣品同期開展FTIR、DSC、TG 和電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)等試驗,然后將指紋譜圖進行收集,錄入形成數(shù)據(jù)庫,需要進行一致性確認時,無需重新測試材料的特性,只需獲取少量材料進行譜圖分析,將譜圖和數(shù)據(jù)庫中的譜圖進行比對分析即可進行一致性判斷。該方法具有省時、省力、準確性高等優(yōu)點,為產(chǎn)品一致性控制提供了技術(shù)支持。

1 組合表征試驗

1.1 試驗對象

樣品選自同一廠家生產(chǎn)的ZC-YJV22-0.6/1 kV-4×50 同一型號不同批次電纜,樣品分類和編號信息見表1。

表1 電纜樣品分類和編號信息

1.2 試驗方法

按GB/T 1033.1—2008《塑料 非泡沫塑料密度的測定第1 部分浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》中A 法:浸漬法測定試樣的密度進行測試;FTIR 參照GB/T 6040—2019《紅外光譜分析方法通則》進行測試;DSC 參照GB/T 19466.3—2004《塑料差示掃描量熱法(DSC)第3 部分:熔融和結(jié)晶溫度及熱焓的測定》進行測試;TG 參照GB/T 33047.1—2016《塑料 聚合物熱重法(TG)第1 部分:通則》進行測試;ICP-AES 參照GB/T 23942—2009 《化學(xué)試劑 電感耦合等離子體 原子發(fā)射光譜法通則》進行測試。

1.3 技術(shù)要求

基于采用密度法、FTIR、DSC、TG 和ICP-AES組合表征手段[6],對取自各廠家生產(chǎn)的同一型號電纜絕緣和護套的樣品進行材質(zhì)一致性研究,具體技術(shù)要求見表2。

表2 材料一致性分析評估判據(jù)

待檢驗材料與基準材料的所有試驗項目的技術(shù)指標參數(shù)必須滿足材料一致性分析評估判據(jù)的技術(shù)要求,有任一項超出技術(shù)要求范圍,則認為兩者材料材質(zhì)存在不一致的情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度分析

高分子基材和添加劑的改變會對復(fù)合材料的密度產(chǎn)生影響,可從宏觀上反映材料的一致性。不同批次電纜絕緣和護套的密度數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同批次電纜絕緣和護套的密度數(shù)據(jù)

由表3 可知,1-1#與2-1#的密度均為0.918 g·cm-3,與低密度聚乙烯的密度十分接近,說明基材中幾乎無額外添加劑;且1-1#與2-1#的密度極差為0 g·cm-3、極差率為零,在密度的一致性判定指標范圍(密度變化率±5%)內(nèi)。1-2#與2-2#的密度分別為1.468,1.462 g·cm-3,說明基材中有一定添加劑;且1-2#與2-2#的密度極差為0.006 g·cm-3,極差率為0.41%,在密度的一致性判定指標范圍(密度變化率±5%)內(nèi)。

2.2 FTIR 分析

不同的高分子材料具有不同的FTIR 圖譜,因此,FTIR 圖譜可用來表征不同高分子材料的分子結(jié)構(gòu)。不同批次電纜絕緣材料和護套材料的FTIR 圖譜見圖1,其特征吸收峰位置見表4。

圖1 不同批次電纜絕緣和護套的FTIR 譜圖

表4 不同批次電纜絕緣和護套的FTIR 特征吸收峰位置

由圖1 和表4 可知,1-1#與2-1#的FTIR 譜圖與聚氯乙烯烯(XLPE)的特征曲線匹配;1-1#與2-1#的典型形狀基本一致,吸收峰的峰形(尖峰、肩峰)基本一致,相對強度基本一致,各FTIR 特征吸收峰位置總極差為1 cm-1,在FTIR 的一致性判定指標范圍(特征吸收峰位置波動范圍±5 cm-1)內(nèi)[12]。1-2#與2-2#的FTIR 譜圖與XLPE 的特征曲線匹配;1-2#與2-2#的形狀基本一致,吸收峰的峰形(尖峰、肩峰)基本一致,相對強度基本一致,且特征吸收峰位置極差為0 cm-1,在FTIR 的一致性判定指標范圍內(nèi)[7]。

2.3 DSC 分析

不同相對分子質(zhì)量和不同分子支鏈的高分子材料,表現(xiàn)出不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔點和結(jié)晶行為。不同批次電纜絕緣材料和護套材料的DSC 曲線見圖2,不同批次電纜絕緣和護套的DSC 數(shù)據(jù)見表5。

由圖2 和表5 可知,1-1#與2-1#的DSC 曲線差異性較小,有明顯的熔融過程,熔融溫度(Tm)分別為118.16 ℃和118.27 ℃,熔融峰大小基本一致,符合低密度聚乙烯的行為;1-1#與2-1#的Tm總極差為0.11 ℃,在DSC 的一致性判定指標范圍(溫度變化為±5 ℃)內(nèi)。1-2#與2-2#的DSC 曲線較為接近,無明顯的熔融和結(jié)晶過程,這與XLPE 的特性相符合[3-5]。

圖2 不同批次電纜絕緣和護套的DSC 曲線

表5 不同批次電纜絕緣和護套的DSC 數(shù)據(jù)

2.4 TG 分析

不同聚合物基材以及增塑劑和其他添加劑會表現(xiàn)出不同的熱失重行為。不同批次電纜絕緣和護套的TG 曲線見圖3,具體TG 數(shù)據(jù)見表6。

圖3 不同批次電纜絕緣和護套的TG 曲線

表6 不同批次電纜絕緣和護套材料的TG 數(shù)據(jù)

1-1#與2-1#的熱重曲線形狀類似,只有一步熱失重過程,起始熱分解溫度(Tin)和最大熱分解溫度(Tmax)的極差為12.95 ℃,降解量(Mloss)和殘余質(zhì)量(Mre)的極差為0.44%,在TG 的一致性判定指標范圍(溫度變化為±20℃、質(zhì)量變化為±8%)內(nèi)。1-2#與2-2#的熱重曲線形狀類似,有兩個失重臺階,Tin和Tmax的極差為2.67 ℃,Mloss和Mre的極差為0.84%,在TG 的一致性判定指標范圍(溫度變化為±20 ℃、質(zhì)量變化為±8%)內(nèi)[3-5]。

2.5 ICP-AES 分析

采用ICP-AES 對不同批次ZC-YJV22-0.6/1 kV-4×50 電纜絕緣和護套的材料進行測定,測定結(jié)果見表7。

由于無鹵阻燃電纜料的組分復(fù)雜多變,以上方法并不能監(jiān)控關(guān)鍵組分和其含量的微小變化,采用ICP-AES 測定不同批次電纜的組分含量變化,不同批次電纜絕緣和護套材料的測定結(jié)果見表7。

表7 不同樣品中各元素的測定結(jié)果 %

由表7 結(jié)果可知,1-1#與2-1#典型元素含量均非常低,這與前面的密度和TG 分析結(jié)果一致。1-2#與2-2#中所含鈣元素質(zhì)量分數(shù)分別為13.95% 和13.02%,這與基材中添加的填料碳酸鈣有關(guān)。1-2#與2-2#中所含鈣元素質(zhì)量分數(shù)極差率6.89%,在ICP-AES 的一致性判定指標范圍(推薦20%)內(nèi),其他典型元素含量均非常低[8]。

綜上所述,不同批次ZC-YJV22-0.6/1kV-4×50電纜絕緣和護套材料的密度、FTIR、DSC、TG 和ICP-AES 數(shù)據(jù)均在一致性判定指標范圍內(nèi),表明不同批次電纜絕緣和護套材料的材質(zhì)具有一致性。

3 結(jié)束語

為了在短時間內(nèi)全面、準確地對內(nèi)蒙古入網(wǎng)電纜進行質(zhì)量控制,本工作對部分型號不同批次電纜樣品進行材質(zhì)一致性研究,通過采用密度、FTIR、DSC、TG 和ICP-AES 組合表征手段,分析評估了不同批次電纜絕緣和護套材料是否在一致性指標范圍之內(nèi),若部分表征參數(shù)超出一致性指標范圍時,則本批次電纜未通過試驗。與傳統(tǒng)做法對抽樣樣品開展部分宏觀性能相比,本評估試驗具有取樣量少、操作方便、試驗周期短等優(yōu)點,適用于內(nèi)蒙古電網(wǎng)同一廠家不同批次電纜非金屬材料身份的一致性檢驗,檢驗的結(jié)果可對電纜入網(wǎng)的安全起到一定提升作用。