耿　曼，冷明全，胡　賢（廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東　廣州　510663）

化學(xué)工程

PVDF在換流閥冷卻管路中的應(yīng)用

耿曼，冷明全，胡賢
（廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東廣州510663）

介紹了聚偏氟乙烯（PVDF）材料的物理化學(xué)特性，分析了換流閥冷卻管路的使用要求和PVDF材料的適用性。以德寶直流輸電項(xiàng)目換流閥冷卻輸配水管路的PVDF零件、管道為例，對(duì)PVDF的成型工藝進(jìn)行了介紹。

PVDF；換流閥；冷卻；配水管路

高壓直流輸電（HVDC）作為近年來電力系統(tǒng)采用的一種新型輸電形式，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率、遠(yuǎn)距離輸電，與交流輸電相比還具有使額定頻率不相同的交流系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)非同步的優(yōu)勢(shì)。換流閥是直流輸電工程的核心設(shè)備之一，由晶閘管、阻尼電阻、均壓電阻、阻尼電容、均壓電容、晶閘管控制單元等零部件組成，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響高壓直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

閥冷系統(tǒng)是換流閥的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，它能將換流閥中各元器件的功耗發(fā)熱通過介質(zhì)排放到外部環(huán)境，從而保證換流閥各元件在正常的溫度范圍內(nèi)工作。閥冷系統(tǒng)包括主循環(huán)子系統(tǒng)、水質(zhì)純化子系統(tǒng)、穩(wěn)壓子系統(tǒng)、外冷卻子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、輔助子系統(tǒng)及閥內(nèi)配水管路等，其中閥內(nèi)配水管路是連接閥冷系統(tǒng)與換流閥的重要通道，為了保證系統(tǒng)的正常長(zhǎng)周期運(yùn)行，對(duì)閥內(nèi)配水管路的材料要求很高。

聚偏氟乙烯 （Polyvinylidene fluoride，PVDF）是含氟塑料中產(chǎn)量名列第二位的大產(chǎn)品，是偏氟乙烯均聚物或偏氟乙烯與其它少量含氟乙烯基單體的共聚物，同時(shí)具有氟樹脂和通用樹脂的特性，耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫性及耐氧化性等性能良好。與其它塑料相比，PVDF具有良好的耐化學(xué)性、加工性及抗疲勞和蠕變性，是用作泵、閥門、管道、管路配件和熱交換器等流體處理系統(tǒng)整體或者襯里的最佳材料之一［1］，特別適用于超純水系列和半導(dǎo)體行業(yè)中純凈化學(xué)試劑的傳輸。由于PVDF的化學(xué)惰性，幾乎不與任何介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此PVDF被廣泛用于制造閥內(nèi)配水管路［2-4］。目前，國內(nèi)直流項(xiàng)目采用的傳輸管道材料均為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格較為昂貴，供貨周期較長(zhǎng)且售后服務(wù)相對(duì)滯后，PVDF水管等配套產(chǎn)品的國產(chǎn)化成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

1　項(xiàng)目概況

現(xiàn)階段我國電力資源分布與生產(chǎn)力布局極不匹配，實(shí)施“西電東送”可以優(yōu)化資源配置，促進(jìn)東西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)的共同發(fā)展。西北地區(qū)電力資源豐富，迫切需要將電力外送，其中西北（陜西寶雞）至華中（四川德陽）直流聯(lián)網(wǎng)工程是主要外送電聯(lián)網(wǎng)工程之一。

德陽換流站和陜西寶雞換流站（簡(jiǎn)稱德寶直流輸電換流站），建設(shè)1回 ±500 kV直流輸電線路工程。換流站的高壓換流閥等電力電子器件在工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量，因此系統(tǒng)必須提供可靠的冷媒，將熱量即時(shí)散發(fā)，使器件保持正常的工作溫度，因此配套穩(wěn)定、可靠、安全的冷卻系統(tǒng)，是換流站工程成功投運(yùn)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

換流閥冷卻系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、便于檢修。管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保證其沿程水阻為最小，材料的選擇考慮了系統(tǒng)在長(zhǎng)期高電壓運(yùn)行環(huán)境下產(chǎn)生的腐蝕、老化、損耗的可能性。各種塑料構(gòu)件考慮避免因電暈放電而導(dǎo)致的老化，并使用抗電暈放電的材料。聚偏氟乙烯（PVDF）熔融溫度為175℃，傳熱系數(shù)為0.19 W/ （m2·K），可以在-40℃～150℃溫度范圍長(zhǎng)期使用，可用作高絕緣性介質(zhì)，同樣具有優(yōu)異的耐腐蝕性和耐氧化性，同時(shí)PVDF具有優(yōu)良的耐磨性和耐沖擊性［5-7］。以德寶直流輸電項(xiàng)目換流閥的閥冷卻輸配水管路的PVDF零件、管道為例，對(duì)PVDF的成型工藝進(jìn)行了介紹。

2　PVDF成型工藝

2.1PVDF的注塑成型工藝

由于PVDF的收縮率為2%～2.2%，產(chǎn)品成型收縮較大，對(duì)較大尺寸的注塑件模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)留二次加工余量，注塑成型模具應(yīng)設(shè)計(jì)合理的排氣系統(tǒng)，否則會(huì)因?yàn)槟＞唛]氣而使產(chǎn)品內(nèi)部形成氣孔影響產(chǎn)品強(qiáng)度，同時(shí)產(chǎn)品注塑時(shí)須對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，加熱溫度在50℃～65℃之間，以保證產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性［8-9］。

2.2PVDF的熱彎成型工藝

換流閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、閥冷卻配水管道規(guī)格、形式多樣，PVDF管道的軟化溫度在150℃左右，閥冷卻輸配水的各種管道可采用熱彎成型工藝實(shí)現(xiàn)，PVDF管道在155℃～165℃經(jīng)過20～45 min加熱后可進(jìn)行滾彎、模壓彎曲成型，成型尺寸完全可以滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

大口徑PVDF彎管成型工藝按照以下步驟進(jìn)行：（1）先按工藝要求下料并在管料上鉆模工藝孔，用清水沖洗管道，自然晾干后再分別用酒精清潔內(nèi)外表面；（2）設(shè)定烘箱溫度為170℃，再將PVDF和柔性填充體放入烘箱加熱30 min，每隔1 min將管料PVDF逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，使之加熱均勻；（3）再設(shè)定烘箱溫度為165℃，將柔性填充體放入處于烘箱的PVDF管道中，每隔1 min將 PVDF管料逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，使之加熱均勻；安裝成型模具到自動(dòng)折彎設(shè)備中，放入溫度為165℃的烘箱進(jìn)行加熱；（4）用成型模具的自動(dòng)折彎設(shè)備對(duì)管料進(jìn)行滾壓彎制，當(dāng)彎制完成后，放入烘箱內(nèi)在150℃下保溫1 h；（5）打開烘箱，對(duì)烘箱進(jìn)行水冷或風(fēng)冷，使成型模具溫度迅速降低至35℃，此時(shí)取出柔性填充體；（6）然后使成型模具繼續(xù)冷卻，當(dāng)成型模具溫度下降到35℃時(shí)，松開模具，取出成型的PVDF管料。將得到的大口徑PVDF彎管沿直徑方向的任意位置切斷，在管材斷面上均勻取8個(gè)點(diǎn)用卡尺測(cè)量其壁厚，要求測(cè)量誤差Δe≤0.3 mm；將彎管連接在可升溫的循環(huán)水路中，形成一個(gè)密閉管路系統(tǒng)，介質(zhì)為95℃～100℃的純水，管內(nèi)水壓1.15 MPa，持續(xù)循環(huán)時(shí)間200 h，若PVDF彎管無滲漏、異常變形或破裂現(xiàn)象，才能評(píng)為合格。

小口徑PVDF彎管成型工藝按照以下步驟進(jìn)行：（1）先按工藝要求下料；（2）設(shè)定烘箱溫度170℃～175℃，將PVDF管料、管料支架、柔性填充體和成型模具放入烘箱，加熱總時(shí)間30～35 min，當(dāng)加熱時(shí)間為15 min時(shí)，將PVDF管料翻轉(zhuǎn)180°；（3）將柔性填充體放入PVDF管中，并在170℃～175℃繼續(xù)加熱3～4 min；（4）從烘箱中取出成型模具，成型模具上下模分別安裝到壓力機(jī)上；1 min后取出裝有柔性填充體的PVDF管料，迅速放置到模具限位槽中，使管料在模具中彎曲成型；將模具及模具內(nèi)的PVDF管料放入170℃烘箱內(nèi)，加熱時(shí)間為1 h；（5）打開烘箱門，拔出PVDF管內(nèi)置的柔性填充體，讓彎曲的PVDF管隨成型模具自然冷卻至 40℃，取出后在水中浸泡30 min，即得到成品。在小口徑PVDF彎管的沿直徑方向任意位置切斷，管材斷面上均勻取8個(gè)點(diǎn)，用卡尺測(cè)量其壁厚，當(dāng)Δe≤0.2 mm時(shí)才為合格。

2.3管道的焊接工藝

PVDF管道、管件可以采用紅外熔接技術(shù)進(jìn)行對(duì)焊焊接，使用紅外對(duì)焊工藝焊接時(shí)零件與熱源不接觸，是對(duì)加熱元件對(duì)焊技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)。管端由輻射熱能加熱，不接觸對(duì)焊可以盡量減小焊縫尺寸，并且消除加熱元件帶來的污染，而且焊縫更直，使細(xì)菌在內(nèi)部的生長(zhǎng)區(qū)域更小。與傳統(tǒng)的加熱元件相比，紅外焊接所需總時(shí)間減少了70%，在焊接過程的所有溫度、壓力、時(shí)間由計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)控制并進(jìn)行記錄，焊接系統(tǒng)和過程可以完全追蹤，任何偏差都將即時(shí)記錄并在焊機(jī)的控制電腦上即時(shí)顯示，采用紅外對(duì)焊的焊縫抗拉、冷彎強(qiáng)度完全達(dá)到管道抗拉、冷彎的強(qiáng)度要求，表1是德寶直流輸電項(xiàng)目換流閥閥冷卻輸配水管路的PVDF零件、管道焊接后的實(shí)測(cè)值。

表1　PVC試片配方

3　結(jié)語

換流閥是高壓直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其運(yùn)行工況直接影響整個(gè)輸電系統(tǒng)的優(yōu)劣和可靠性。閥冷系統(tǒng)是換流閥的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，但配套管路的國產(chǎn)化成為迫切需要解決的問題之一。在研究PVDF的熱性能、電性能、化學(xué)性能等物理化學(xué)特性能和換流閥閥冷卻輸配水管路使用要求的基礎(chǔ)上，針對(duì)閥冷卻輸配水管路系統(tǒng)各種規(guī)格的管道、零部件，研究PVDF注塑成型、熱彎成型、紅外對(duì)焊工藝等加工方法，實(shí)現(xiàn)整套輸配水管路系統(tǒng)的配套生產(chǎn)，對(duì)保證西電東送的直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

［1］趙國春，孫金棟，李丹丹，等.PVDF換熱器在工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用分析［J］.建筑節(jié)能，2015，43（9）:1-4，15.

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The Application of PVDF in Converter Cooling Pipeline

GENG Man，LENG Ming-quan，HU Xian
（Guangzhou Goaland Energy Conservation Tech.Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510633，China）

The physical and chemical properties of polyvinylidene fluoride（PVDF）were introduced, and PVDF could satisfy to the requirement of converter cooling pipe.The case of PVDF department and pipe of distribution pipeline of converter cooling system in Debao HVDC project was introduced as the molding process of PVDF.

PVDF；converter；cooling；distribution pipeline

1006-4184（2016）7-0031-03

2016-05-12

廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2012A090100005），廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目-產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大
專項(xiàng)（對(duì)外科技合作）（項(xiàng)目編號(hào)：201508030019）。

耿曼（1982-），女，工程師。E-mail:gengm@goaland.com.cn。