趙佳琪 張恒

摘 要：密封橡膠圈的密封效果影響著SF6氣體泄露情況，密封圈自身的材質(zhì)是影響密封橡膠圈密封效果的主要原因，因而對密封圈橡膠材料壽命的評估是十分必要的。本文通過構(gòu)建密封圈材料濕熱老化加速模型和濕熱老化壽命預(yù)測方法來預(yù)測三元乙丙和丁腈材料的壽命，并針對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：密封圈;壽命;材料;評估

引言

目前SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜被廣泛應(yīng)用于城市配電網(wǎng)中，SF 6 氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜也影響著城市供電的可靠性。在對SF 6 氣體泄漏的調(diào)查中，主要原因往往是密封膠圈密封效果不良，而密封膠圈的材料壽命對密封效果又起著重要影響。材料壽命是指在實(shí)際應(yīng)用過程中，橡膠材料能保持密封性能的時間長度。在實(shí)際應(yīng)用中，橡膠密封制品一直保持在壓縮狀態(tài)下，橡膠老化除了受溫度、環(huán)境因素氧等影響，還受到應(yīng)力的影響，應(yīng)力會在橡膠受力變形過程中破壞其分子結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部大分子斷裂而生成自由基，自由基會導(dǎo)致橡膠內(nèi)部大分子的氧化鏈反應(yīng)，由此導(dǎo)致橡膠老化。本文討論的是在實(shí)際使用過程中，柱上開關(guān)密封圈材料或環(huán)網(wǎng)柜在受力狀態(tài)下的使用年限。

一、橡膠老化壽命預(yù)測的常用方法

1. Dakin 壽命推算法

1984年Dakin提出了經(jīng)典的壽命預(yù)測計(jì)算方法，即在橡膠某種性能變化到P時，此時橡膠的貯存期t和溫度T之間存在著一定的關(guān)系：f （P）=kt ，其中，k代表反應(yīng)速度常數(shù)，并且隨溫度T變化，在特定情況下，兩者之間的關(guān)系服從于Arrhenius公式：

K=Ae-E/rt，由上述公式可得：lg t=lgf （P）A+E2.303RT。這一公式表明，當(dāng)橡膠材料的特定性能變化到臨界值P e時可以得出橡膠材料為失效，此時貯存期t也就表明橡膠的壽命。因而，可將上述公式改寫為：lg t=lgf （P e ）A+E2.303RT=a+bT -1。由公式可看出，在一定溫度下，橡膠材料特定性能達(dá)到臨界值的時候，橡膠材料的溫度T的倒數(shù)和壽命t的對數(shù)呈直接關(guān)系。

Dakin 壽命推算法經(jīng)實(shí)踐證明是切實(shí)可行的，并且計(jì)算方法簡單，因而被廣泛應(yīng)用。但是在實(shí)際計(jì)算中，Dakin壽命推算法需要讓每一個溫度下的性能變化達(dá)到臨界值或一下，因而需要大量的試驗(yàn)時間，時間消耗過多，因此，有人將Dakin 壽命推算法改寫為lg t-lg t 1 =b（T -1 -T 1 -1 ）點(diǎn)斜法。但是由于橡膠老化性能的不確定性，點(diǎn)斜法的可靠性還需要進(jìn)一步求證。

2. 動力學(xué)曲線直線化法

動力學(xué)曲線直線化法需要通過兩個步驟的計(jì)算，首先將橡膠材料的性能變化隨時間變化的關(guān)系用動力學(xué)曲線表示出來，然后再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，把曲線變?yōu)橹本€，求出各個溫度下的速度，再利用Arrhenius公式推出常溫下的速率，由此來確定常溫下橡膠材料的性能變化方程。動力學(xué)曲線直線化法縮短了試驗(yàn)的時間，但是在計(jì)算過程中需要選擇合適的動力學(xué)公式。

3.變量折合法

變量折合法是利用時間和溫度疊加的原理把高溫下的試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為常溫下的數(shù)據(jù)，是一種作圖法。當(dāng)溫度越高時，要達(dá)到橡膠材料性能P所需要的時間就越短，反之，溫度越低，要達(dá)到橡膠材料性能P所需要的時間就越長，因?yàn)?，溫度和時間之間存在一種關(guān)系，P（T 1 ，t）=P（T 2 ，t/琢 T ），由于折合法需要在有溫度數(shù)據(jù)下才能使用，所以還需要結(jié)合公式，將高溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為常溫?cái)?shù)據(jù)：lg 琢 T =lg t-lg t 0 =b（T -1 -T 0 -1 ），通過公式進(jìn)而得出常溫下的橡膠材料老化情況和壽命長度。

4. 數(shù)學(xué)模型法

數(shù)學(xué)模型法需要采用動力學(xué)方程來構(gòu)建，動力學(xué)方式可以反映橡膠材料的內(nèi)部老化機(jī)理，所以用數(shù)學(xué)模型法來研究性能變化和微觀結(jié)構(gòu)變化都是需要構(gòu)建模型的。其基本公式為：P=f （t，T）

二、濕熱老化加速模型與壽命預(yù)測方法

1. 濕熱老化加速模型

在預(yù)估濕熱老化壽命時，我們可以借鑒上述預(yù)估橡膠壽命的方法和模型中的思路。濕熱老化和熱老化的區(qū)別在于加速應(yīng)力是否只有溫度一種。在建立性能關(guān)系時，可以運(yùn)用數(shù)學(xué)模型法相關(guān)原理。

在選擇濕熱老化模型時，可以采用Eyring反應(yīng)論模型，Eyring反應(yīng)論模型可以應(yīng)用于老化應(yīng)力作用于非熱力因素的情形中：（V）=1Ve- A-BV。通過公式可以看出，橡膠材料的老化過程受到濕度和溫度的共同影響，所以在對橡膠材料壽命進(jìn)行預(yù)測時，需要將Arrhenius溫度因子模型和Eyring濕度因子模型結(jié)合起來，可以得出以下模型：

（H，T）=AHebH+cT。

2. 壽命預(yù)估方法

通過濕熱老化壽命模型，可以預(yù)估密封圈材料壽命，方法如下：

（1）通過老化試驗(yàn)，可以得出各個溫度下密封圈橡膠材料的壓縮永久變形與時間之間的關(guān)系。

（2）利用曲線直線化法來表現(xiàn)不同溫度和濕度下時間和壓縮永久變形之間的關(guān)系，進(jìn)而可以在確定壓縮永久變形的失效點(diǎn)后，通過推測得出密封圈橡膠材料壽命

（3）結(jié)合濕熱老化加速模型，根據(jù)溫度、濕度和壽命值，可以確定模型中的未知參數(shù)，進(jìn)而得到相應(yīng)的壓縮永久變形失效點(diǎn)上的壽命預(yù)估模型。

（4）結(jié)合模型，將相應(yīng)的溫度和濕度代入模型，隨即得到密封圈橡膠材料的壽命預(yù)估值。

3. 密封圈材料壽命預(yù)測

壓縮永久變形參數(shù)是密封時的重要指標(biāo)，在對材料進(jìn)行壽命預(yù)估時，壓縮永久變形也被視為重要指標(biāo)，對本課題而言，試驗(yàn)的時間也是一個重要因素，通過需要材料達(dá)到足夠久的老化。遼寧省鐵嶺橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院曾經(jīng)對燃?xì)饷芊馊κ褂脡勖M(jìn)行過研究，研究采用4組老化溫度，并且每組費(fèi)時15天，再利用外推法對橡膠圈使用壽命進(jìn)行推測，本課題在研究時采用了遼寧省鐵嶺橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院的試驗(yàn)時間方法，通過現(xiàn)有的老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合老化動力學(xué)方程，來得到材料達(dá)到臨界值時的壽命。在實(shí)驗(yàn)中，加速老化試驗(yàn)在90 ℃、90%RH，75 ℃、90%RH，90 ℃、75%RH，75 ℃、75%RH等4個溫度和濕度條件下進(jìn)行，同時設(shè)置了1天、2天、3天、5天、7天、10天等6個試驗(yàn)時間，每組采取3個試樣同時進(jìn)行試驗(yàn)，選取3個試樣數(shù)據(jù)的中位數(shù)來作為試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，如果要使用性能較好的三元乙丙材料作為開關(guān)柜密封圈，那么在更換周期上要考慮到首次更換周期在12年到15年之間比較合適，也就是說，三元乙丙材料基本可滿足南方電網(wǎng)公司開關(guān)類設(shè)備12年的檢修周期標(biāo)準(zhǔn)。如果要使用丁腈材料作為密封圈時，更換周期在5到6年之間比較合適。

三、結(jié)論

本文通過搭建密封圈材料試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，對三元乙丙和丁腈進(jìn)行使用壽命預(yù)測，并且在使用更換周期上提出建議，通過本位研究，可以得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）本文對三元乙丙和丁腈材料在壓縮永久變形為30%密封失效點(diǎn)上進(jìn)行了壽命預(yù)測，三元乙丙壽命為18.0年，丁腈材料壽命為7.6年。

（2）通過試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況，可以得出，三元乙丙材料作為密封圈，可以滿足南方電網(wǎng)公司設(shè)備12年檢修周期標(biāo)準(zhǔn)，丁腈材料作為密封圈，可以滿足南方電網(wǎng)公司設(shè)備五六年檢修周期標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周漪， 周堃， 馬宏艷， 等.某彈用硅橡膠密封材料貯存壽命預(yù)測[J]. 裝備環(huán)境工程， 2010， 7（5）： 65-68.

[2]高曉敏， 張曉華. 橡膠貯存壽命預(yù)測方法研究進(jìn)展與思考建議[J]. 高分子通報(bào)， 2010（2）： 80-86.

[3]熊英， 付寶強(qiáng)， 郭少云， 等. 丁腈橡膠應(yīng)力加速老化行為的研究[J]. 裝備環(huán)境工程， 2012， 9（3）： 52-55.

作者簡介：

趙佳琪，性別 ：女，籍貫：黑龍江哈爾濱，民族：漢族，出生年月：1991.05，學(xué)位：大學(xué)本科，職稱：研究方向：電力設(shè)備橡膠密封產(chǎn)品的老化性。

第二作者張恒? 助理工程師。

（西安向陽航天材料股份有限公司）