电力设备密封圈橡胶材料寿命评估分析

赵佳琪 张恒

摘 要：密封橡胶圈的密封效果影响着SF6气体泄露情况，密封圈自身的材质是影响密封橡胶圈密封效果的主要原因，因而对密封圈橡胶材料寿命的评估是十分必要的。本文通过构建密封圈材料湿热老化加速模型和湿热老化寿命预测方法来预测三元乙丙和丁腈材料的寿命，并针对预测结果进行分析研究。

关键词：密封圈;寿命;材料;评估

引言

目前SF6气体绝缘环网柜被广泛应用于城市配电网中，SF 6 气体绝缘环网柜也影响着城市供电的可靠性。在对SF 6 气体泄漏的调查中，主要原因往往是密封胶圈密封效果不良，而密封胶圈的材料寿命对密封效果又起着重要影响。材料寿命是指在实际应用过程中，橡胶材料能保持密封性能的时间长度。在实际应用中，橡胶密封制品一直保持在压缩状态下，橡胶老化除了受温度、环境因素氧等影响，还受到应力的影响，应力会在橡胶受力变形过程中破坏其分子结构，使其内部大分子断裂而生成自由基，自由基会导致橡胶内部大分子的氧化链反应，由此导致橡胶老化。本文讨论的是在实际使用过程中，柱上开关密封圈材料或环网柜在受力状态下的使用年限。

一、橡胶老化寿命预测的常用方法

1. Dakin 寿命推算法

1984年Dakin提出了经典的寿命预测计算方法，即在橡胶某种性能变化到P时，此时橡胶的贮存期t和温度T之间存在着一定的关系：f （P）=kt ，其中，k代表反应速度常数，并且随温度T变化，在特定情况下，两者之间的关系服从于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，当橡胶材料的特定性能变化到临界值P e时可以得出橡胶材料为失效，此时贮存期t也就表明橡胶的寿命。因而，可将上述公式改写为：lg t=lgf （P e ）A+E2.303RT=a+bT -1。由公式可看出，在一定温度下，橡胶材料特定性能达到临界值的时候，橡胶材料的温度T的倒数和寿命t的对数呈直接关系。

Dakin 寿命推算法经实践证明是切实可行的，并且计算方法简单，因而被广泛应用。但是在实际计算中，Dakin寿命推算法需要让每一个温度下的性能变化达到临界值或一下，因而需要大量的试验时间，时间消耗过多，因此，有人将Dakin 寿命推算法改写为lg t-lg t 1 =b（T -1 -T 1 -1 ）点斜法。但是由于橡胶老化性能的不确定性，点斜法的可靠性还需要进一步求证。

2. 动力学曲线直线化法

动力学曲线直线化法需要通过两个步骤的计算，首先将橡胶材料的性能变化随时间变化的关系用动力学曲线表示出来，然后再通过坐标转化，把曲线变为直线，求出各个温度下的速度，再利用Arrhenius公式推出常温下的速率，由此来确定常温下橡胶材料的性能变化方程。动力学曲线直线化法缩短了试验的时间，但是在计算过程中需要选择合适的动力学公式。

3.变量折合法

变量折合法是利用时间和温度叠加的原理把高温下的试验结果转化为常温下的数据，是一种作图法。当温度越高时，要达到橡胶材料性能P所需要的时间就越短，反之，温度越低，要达到橡胶材料性能P所需要的时间就越长，因为，温度和时间之间存在一种关系，P（T 1 ，t）=P（T 2 ，t/琢 T ），由于折合法需要在有温度数据下才能使用，所以还需要结合公式，将高温试验数据转化为常温数据：lg 琢 T =lg t-lg t 0 =b（T -1 -T 0 -1 ），通过公式进而得出常温下的橡胶材料老化情况和寿命长度。

4. 数学模型法

数学模型法需要采用动力学方程来构建，动力学方式可以反映橡胶材料的内部老化机理，所以用数学模型法来研究性能变化和微观结构变化都是需要构建模型的。其基本公式为：P=f （t，T）

二、湿热老化加速模型与寿命预测方法

1. 湿热老化加速模型

在预估湿热老化寿命时，我们可以借鉴上述预估橡胶寿命的方法和模型中的思路。湿热老化和热老化的区别在于加速应力是否只有温度一种。在建立性能关系时，可以运用数学模型法相关原理。

在选择湿热老化模型时，可以采用Eyring反应论模型，Eyring反应论模型可以应用于老化应力作用于非热力因素的情形中：（V）=1Ve- A-BV。通过公式可以看出，橡胶材料的老化过程受到湿度和温度的共同影响，所以在对橡胶材料寿命进行预测时，需要将Arrhenius温度因子模型和Eyring湿度因子模型结合起来，可以得出以下模型：

（H，T）=AHebH+cT。

2. 寿命预估方法

通过湿热老化寿命模型，可以预估密封圈材料寿命，方法如下：

（1）通过老化试验，可以得出各个温度下密封圈橡胶材料的压缩永久变形与时间之间的关系。

（2）利用曲线直线化法来表现不同温度和湿度下时间和压缩永久变形之间的关系，进而可以在确定压缩永久变形的失效点后，通过推测得出密封圈橡胶材料寿命

（3）结合湿热老化加速模型，根据温度、湿度和寿命值，可以确定模型中的未知参数，进而得到相应的压缩永久变形失效点上的寿命预估模型。

（4）结合模型，将相应的温度和湿度代入模型，随即得到密封圈橡胶材料的寿命预估值。

3. 密封圈材料寿命预测

压缩永久变形参数是密封时的重要指标，在对材料进行寿命预估时，压缩永久变形也被视为重要指标，对本课题而言，试验的时间也是一个重要因素，通过需要材料达到足够久的老化。辽宁省铁岭橡胶工业研究设计院曾经对燃气密封圈使用寿命进行过研究，研究采用4组老化温度，并且每组费时15天，再利用外推法对橡胶圈使用寿命进行推测，本课题在研究时采用了辽宁省铁岭橡胶工业研究设计院的试验时间方法，通过现有的老化试验数据结合老化动力学方程，来得到材料达到临界值时的寿命。在实验中，加速老化试验在90 ℃、90%RH，75 ℃、90%RH，90 ℃、75%RH，75 ℃、75%RH等4个温度和湿度条件下进行，同时设置了1天、2天、3天、5天、7天、10天等6个试验时间，每组采取3个试样同时进行试验，选取3个试样数据的中位数来作为试验结果数据。

通过试验数据可得，如果要使用性能较好的三元乙丙材料作为开关柜密封圈，那么在更换周期上要考虑到首次更换周期在12年到15年之间比较合适，也就是说，三元乙丙材料基本可满足南方电网公司开关类设备12年的检修周期标准。如果要使用丁腈材料作为密封圈时，更换周期在5到6年之间比较合适。

三、结论

本文通过搭建密封圈材料试验模型，对三元乙丙和丁腈进行使用寿命预测，并且在使用更换周期上提出建议，通过本位研究，可以得出几点结论：

（1）本文对三元乙丙和丁腈材料在压缩永久变形为30%密封失效点上进行了寿命预测，三元乙丙寿命为18.0年，丁腈材料寿命为7.6年。

（2）通过试验结果，结合实际情况，可以得出，三元乙丙材料作为密封圈，可以满足南方电网公司设备12年检修周期标准，丁腈材料作为密封圈，可以满足南方电网公司设备五六年检修周期标准。

参考文献：

[1]周漪， 周堃， 马宏艳， 等.某弹用硅橡胶密封材料贮存寿命预测[J]. 装备环境工程， 2010， 7（5）： 65-68.

[2]高晓敏， 张晓华. 橡胶贮存寿命预测方法研究进展与思考建议[J]. 高分子通报， 2010（2）： 80-86.

[3]熊英， 付宝强， 郭少云， 等. 丁腈橡胶应力加速老化行为的研究[J]. 装备环境工程， 2012， 9（3）： 52-55.

作者简介：

赵佳琪，性别 ：女，籍贯：黑龙江哈尔滨，民族：汉族，出生年月：1991.05，学位：大学本科，职称：研究方向：电力设备橡胶密封产品的老化性。

第二作者张恒  助理工程师。

（西安向阳航天材料股份有限公司）