周傳昆,朱洪宇,顧 杰,汪 敏,陸凱雷
(常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司,江蘇 常州 213025)
換流閥等電力設(shè)備使用了大量的IGBT、晶閘管等發(fā)熱半導(dǎo)體器件,需采用流體冷卻系統(tǒng)對其進(jìn)行快速冷卻,故冷卻水路的可靠性直接關(guān)系到電力設(shè)備的安全運(yùn)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(jī)械強(qiáng)度等性能,被廣泛應(yīng)用于流體冷卻的配水管路[2],故通過實(shí)驗(yàn)探索FEP材料的老化壽命具有顯著工程應(yīng)用價(jià)值及科學(xué)理論意義。
目前,行業(yè)內(nèi)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(jī)理及壽命預(yù)測理論[3-5],考慮到自然老化試驗(yàn)周期較長,本文采用加速老化試驗(yàn)結(jié)合理論計(jì)算的方式進(jìn)行FEP材料老化壽命評估[6-7],即開展該材料在4個(gè)高溫下熱氧加速老化試驗(yàn),利用老化動(dòng)力學(xué)模型及阿倫尼烏斯方程對抗拉強(qiáng)度保持率進(jìn)行擬合處理,評估得到工況下的使用壽命。
在4 mm厚FEP板材上機(jī)械加工出標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣75個(gè);制備與換流閥設(shè)備使用一致的FEP水管3根。
參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8],對FEP試樣進(jìn)行熱氧加速老化試驗(yàn)(見圖1),選取的4個(gè)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(gè)觀測點(diǎn)測試材料的機(jī)械強(qiáng)度,每個(gè)觀測點(diǎn)的平行試樣為3個(gè)。
圖1 FEP試樣熱氧加速老化試驗(yàn)
參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9],利用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)依次測試FEP材料在高溫下各觀測點(diǎn)的3個(gè)平行試樣抗拉強(qiáng)度(見圖2),并得到平均強(qiáng)度值。
圖2 FEP試樣拉伸測試
初始破壞壓力測定:結(jié)合FEP水管的實(shí)際使用工況,采用水壓試驗(yàn)機(jī)對FEP水管進(jìn)行壓力測試,緩慢增加系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)態(tài)水壓值為1.5 MPa。
圖3 FEP水管水壓測試
設(shè)計(jì)承載壓力規(guī)定:換流閥在運(yùn)行過程中冷卻水路壓為0.6 MPa,取安全系數(shù)為2,即FEP水管設(shè)計(jì)承載壓力為1.2 MPa。
失效保持率計(jì)算:將FEP材料的設(shè)計(jì)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%。
表1給出了4個(gè)高溫環(huán)境下FEP材料在各觀測周期的平均抗拉強(qiáng)度。
將FEP材料在各觀測點(diǎn)抗拉強(qiáng)度值與其初始抗拉強(qiáng)度值的比值作為材料強(qiáng)度保持率,即計(jì)算式如下:
P=Rm1/Rm0
(1)
式中,P為材料強(qiáng)度保持率;Rm1為測試的抗拉強(qiáng)度;Rm0為材料初始的抗拉強(qiáng)度。
表2給出了4個(gè)高溫溫度下FEP材料在各觀測點(diǎn)的強(qiáng)度保持率,圖4所示為FEP材料在各高溫下強(qiáng)度保持率隨時(shí)間變化曲線。
表1 不同溫度下FEP材料在各觀測點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度
表2 不同溫度下FEP材料在各觀測點(diǎn)的強(qiáng)度保持率
圖4 FEP材料的強(qiáng)度保持率隨時(shí)間變化曲線
由表2和圖4可知,F(xiàn)EP材料在4個(gè)高溫環(huán)境下,經(jīng)過48天加速老化后,材料首先發(fā)生了短時(shí)的強(qiáng)化過程,接著強(qiáng)度指標(biāo)隨老化時(shí)間延長而逐漸衰減,且隨著環(huán)境溫度升高,強(qiáng)度衰減越劇烈。原因是塑料拉伸強(qiáng)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(xiàn)場,消除了材料的部分內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷,導(dǎo)致強(qiáng)度略有上升;而進(jìn)一步隨著時(shí)間延長,塑料分子的支鏈規(guī)則度下降,導(dǎo)致強(qiáng)度下降[10-11]。
采用老化動(dòng)力學(xué)模型對4個(gè)試驗(yàn)高溫下強(qiáng)度保持率與老化時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合,滿足計(jì)算式如下:
P=A·exp(-K·tα)
(2)
式中,α為材料老化常數(shù),為定值;t為老化時(shí)間;K為老化速率常數(shù),與溫度直接相關(guān);A為擬合常數(shù);P為材料強(qiáng)度保持率。
利用式2擬合出FEP材料在各高溫下強(qiáng)度保持率與老化時(shí)間的關(guān)系方程,并算出失效保持率為80%時(shí)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(qiáng)度保持率與老化時(shí)間關(guān)系方程
圖5 FEP材料的強(qiáng)度保持率隨時(shí)間的對數(shù)變化擬合曲線
根據(jù)GB/T 714l—2008標(biāo)準(zhǔn),在一定溫度范圍內(nèi),F(xiàn)EP塑料的老化速率與老化溫度滿足阿倫尼烏斯方程,計(jì)算式如下:
K=A0·exp[-E/(R·T)]
(3)
式中,K為老化速率常數(shù);T為熱力學(xué)溫度;E為材料活化能;A0為指數(shù)因素;R為摩爾氣體常數(shù)。
聯(lián)合式2和式3,可得到如下關(guān)系式,即各溫度下老化壽命的對數(shù)lnt與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T成線性關(guān)系。
lnt=(A1·E)/(R·T)+B
(4)
式中,t為老化時(shí)間;T為熱力學(xué)溫度;R為摩爾氣體常數(shù);A1、B為常數(shù)。
對FEP材料在4個(gè)高溫下老化壽命進(jìn)行線性回歸擬合,關(guān)系方程見式5,相關(guān)系數(shù)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(shù)隨溫度倒數(shù)變化擬合曲線
根據(jù)換流閥的運(yùn)行工況,F(xiàn)EP材料的實(shí)際溫度約為65 ℃,則老化壽命可達(dá)19 719天,約54年,能夠滿足換流閥40年設(shè)計(jì)壽命要求。
通過上述研究可以得出如下結(jié)論。
1)FEP材料的機(jī)械強(qiáng)度在高溫環(huán)境下,隨著時(shí)間延長,材料先出現(xiàn)短時(shí)間的強(qiáng)化過程,接著強(qiáng)度逐漸衰減,同時(shí)隨著暴露溫度的升高,衰減速率逐漸加劇。
2)通過老化動(dòng)力學(xué)模型及阿倫尼烏斯方程對FEP材料的高溫加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合,評估出該材料的失效保持率為80%時(shí)在65 ℃工況下的使用壽命可達(dá)54年,能夠滿足設(shè)備40年設(shè)計(jì)壽命要求。
3)本文結(jié)合FEP配水管路的實(shí)際工況,將核心因素的溫度作為單一加速應(yīng)力進(jìn)行老化壽命評估,實(shí)際換流閥的運(yùn)行環(huán)境中也存在較強(qiáng)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(jìn)一步探索的方向。