换流阀冷却管路用FEP塑料使用寿命评估*

2022-02-14周传昆朱洪宇陆凯雷

新技术新工艺 2022年12期

周传昆，朱洪宇，顾杰，汪敏，陆凯雷

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州 213025)

换流阀等电力设备使用了大量的IGBT、晶闸管等发热半导体器件，需采用流体冷却系统对其进行快速冷却，故冷却水路的可靠性直接关系到电力设备的安全运行[1]。FEP材料全称为聚全氟乙丙烯(F46)，是聚四氟乙烯的改性材料，外观透明，具有优异的热稳定性、耐试剂腐蚀、电绝缘性、耐候性、机械强度等性能，被广泛应用于流体冷却的配水管路[2]，故通过实验探索FEP材料的老化寿命具有显著工程应用价值及科学理论意义。

目前，行业内主要通过自然老化及加速老化2种方法评估材料老化寿命，形成了多种老化机理及寿命预测理论[3-5]，考虑到自然老化试验周期较长，本文采用加速老化试验结合理论计算的方式进行FEP材料老化寿命评估[6-7]，即开展该材料在4个高温下热氧加速老化试验，利用老化动力学模型及阿伦尼乌斯方程对抗拉强度保持率进行拟合处理，评估得到工况下的使用寿命。

1 开展试验

1.1 试样制备

在4 mm厚FEP板材上机械加工出标准拉伸试样75个；制备与换流阀设备使用一致的FEP水管3根。

1.2 加速老化试验方法

参照相关标准[8]，对FEP试样进行热氧加速老化试验(见图1)，选取的4个加速老化温度分别为160、180、200和220 ℃，观测周期为0、3、6、12、24、36和48天，在各温度的每个观测点测试材料的机械强度，每个观测点的平行试样为3个。

图1 FEP试样热氧加速老化试验

1.3 性能测试方法

参照相关标准[9]，利用电子万能材料试验机依次测试FEP材料在高温下各观测点的3个平行试样抗拉强度(见图2)，并得到平均强度值。

图2 FEP试样拉伸测试

1.4 失效保持率测定

初始破坏压力测定：结合FEP水管的实际使用工况，采用水压试验机对FEP水管进行压力测试，缓慢增加系统动态压力值至水管破坏(见图3)，测出3根水管的平均初始破坏动态水压值为1.5 MPa。

图3 FEP水管水压测试

设计承载压力规定：换流阀在运行过程中冷却水路压为0.6 MPa，取安全系数为2，即FEP水管设计承载压力为1.2 MPa。

失效保持率计算：将FEP材料的设计承载压力与初始破坏压力的比值作为材料失效保持率，即为80%。

2 试验结果及分析

2.1 原始数据记录

表1给出了4个高温环境下FEP材料在各观测周期的平均抗拉强度。

2.2 强度保持率计算

将FEP材料在各观测点抗拉强度值与其初始抗拉强度值的比值作为材料强度保持率，即计算式如下：

P=Rm1/Rm0

(1)

式中，P为材料强度保持率；Rm1为测试的抗拉强度；Rm0为材料初始的抗拉强度。

表2给出了4个高温温度下FEP材料在各观测点的强度保持率，图4所示为FEP材料在各高温下强度保持率随时间变化曲线。

表1 不同温度下FEP材料在各观测点的抗拉强度

表2 不同温度下FEP材料在各观测点的强度保持率

图4 FEP材料的强度保持率随时间变化曲线

由表2和图4可知，FEP材料在4个高温环境下，经过48天加速老化后，材料首先发生了短时的强化过程，接着强度指标随老化时间延长而逐渐衰减，且随着环境温度升高，强度衰减越剧烈。原因是塑料拉伸强度取决于洁净度及支链规则度，材料在加热初期，分子链发生重整及聚合现场，消除了材料的部分内应力和内部缺陷，导致强度略有上升；而进一步随着时间延长，塑料分子的支链规则度下降，导致强度下降[10-11]。