王怡瑤， 賀金紅， 陳媚玉， 武宇波， 魏瑩瑩， 范克儉

(上海電纜廠有限公司，上海200093)

0 引言

AP 1000是美國西屋公司開發(fā)的第三代百萬千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組，與二代核電技術(shù)有顯著區(qū)別。AP 1000通過采用非能動(dòng)專設(shè)安全系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性，簡化系統(tǒng)，并采用模塊化建造技術(shù)縮短建造周期，以此來達(dá)到核電廠安全性和經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)協(xié)調(diào)。第三代核電站用電纜的運(yùn)行壽命要求60年［1］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二代核電40年的要求，其所用的絕緣材料，除了要具備良好的電氣性能和機(jī)械物理性能，更要具備優(yōu)良的長期耐熱性能。因此，開展第三代核電站電纜絕緣60年熱壽命評定試驗(yàn)研究是十分必要的。

1 試驗(yàn)原理

電纜絕緣所采用的高分子材料，在一定溫度范圍內(nèi)熱老化時(shí)大多符合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的熱老化壽命方程，即阿累尼烏斯(Arrehenius)線性關(guān)系［2］:

式中，τ為產(chǎn)品在溫度T條件下的工作壽命;T為工作溫度(絕對溫度K);a、b為與材料熱老化本質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。

利用這一原理，選擇無鹵低煙阻燃輻照交聯(lián)聚烯烴為絕緣材料，將其試樣暴露在高于預(yù)估溫度指數(shù)的至少3個(gè)、最好是4個(gè)老化溫度下進(jìn)行熱老化試驗(yàn)。通過測定試樣老化后的評定性能來確定試樣的終點(diǎn)時(shí)間，得到終點(diǎn)時(shí)間的對數(shù)和熱力學(xué)老化溫度之間的阿累尼烏斯方程，繪制熱壽命曲線，得到90℃下無鹵低煙阻燃輻照交聯(lián)聚烯烴絕緣的使用壽命。

2 試驗(yàn)方法

有關(guān)熱壽命評定試驗(yàn)方法主要有UL 746B、IEEE Std 98、IEC 60216和GB/T 11026(等同于IEC 60216)。通過研究比較可以看出:它們之間的最大差異在于對熱老化試驗(yàn)用的老化烘箱的技術(shù)要求有所不同［3］，UL 746B和IEEE Std 98方法中所要求的老化烘箱為強(qiáng)迫通風(fēng)，速率為100～200次/h，而GB/T 11026(IEC 60216)方法中所要求的老化烘箱為自然通風(fēng)，通風(fēng)速率為5～20次/h。根據(jù)現(xiàn)有條件，本項(xiàng)研究確定以GB/T 11026為試驗(yàn)依據(jù)。

3 試驗(yàn)程序

3.1 評定性能的確定

所選的性能應(yīng)盡可能反映材料在實(shí)際應(yīng)用中的功能。作為熱壽命評定的性能參數(shù)應(yīng)與產(chǎn)品實(shí)際損壞的性能有關(guān);應(yīng)與熱老化的時(shí)間與溫度顯示明顯的關(guān)系;在一定溫度范圍內(nèi)應(yīng)與熱老化的關(guān)系是均勻而不突變的。不同材料的熱壽命評定的性能參數(shù)是不完全相同的，而每種材料的熱壽命也會(huì)隨選擇的評定性能不同而有所不同。

根據(jù)積累的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)以及 GB/T 11026.2—2000中推薦的聚烯烴(包括交聯(lián)聚乙烯)的評定性能，確定斷裂伸長率為本次熱壽命評定試驗(yàn)中的評定性能。

3.2 終點(diǎn)指標(biāo)的確定

選擇終點(diǎn)最好能反映絕緣材料劣化的程度。GB/T 11026.2—2000標(biāo)準(zhǔn)推薦用性能原始值的50%作為首選終點(diǎn)，來評價(jià)耐熱特征參數(shù)。如果原始值的50%終點(diǎn)沒有實(shí)際意義，則可按次選的終點(diǎn)即用性能原始值的25%作為終點(diǎn)來評價(jià)耐熱特征參數(shù)，使其更適合材料的應(yīng)用和功能。

本試驗(yàn)采用性能原始值的50%作為聚烯烴絕緣的壽命終點(diǎn)指標(biāo)。

3.3 試樣的制備

老化試驗(yàn)用試樣應(yīng)由所研究總體中隨機(jī)抽取的樣品組成并經(jīng)均一化處理。本項(xiàng)試驗(yàn)選擇無鹵低煙阻燃輻照交聯(lián)聚烯烴絕緣，隨機(jī)抽取，試樣的尺寸和制備方法按GB/T 528規(guī)定進(jìn)行。

3.4 試樣數(shù)量

本項(xiàng)試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，所需要的試樣數(shù)量N按下式得出［4］:

式中，a為每個(gè)老化溫度下每次取出的一組試樣的數(shù)量，通常為5個(gè)，性能測定之后即丟棄;b為每個(gè)溫度下的測量次數(shù)，即老化周期數(shù)，通常每個(gè)溫度下至少投15組試樣;c為老化溫度水平的個(gè)數(shù);d為測量性能原始值的試樣數(shù)，當(dāng)診斷標(biāo)準(zhǔn)是以其性能相對于其原始值的百分?jǐn)?shù)時(shí)，通常d=2a，當(dāng)診斷標(biāo)準(zhǔn)是性能絕對值時(shí)，通常d=0。

3.5 初始性能值的確定

用于測定性能初始值的試樣應(yīng)從準(zhǔn)備進(jìn)行老化的試樣總體中隨機(jī)選取，性能值測定之前，應(yīng)把這些試樣置于溫度135℃下2天進(jìn)行預(yù)處理。初始值一般取試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值。

3.6 老化試驗(yàn)溫度的確定

在熱壽命評定試驗(yàn)中，求取溫度指數(shù)時(shí)，試樣應(yīng)分布在范圍足夠?qū)挼?個(gè)、最好是4個(gè)老化溫度下進(jìn)行老化試驗(yàn)，以便能證明到達(dá)終點(diǎn)時(shí)間與熱力學(xué)(絕對)溫度倒數(shù)之間的線性關(guān)系。為減少計(jì)算的不確定性，應(yīng)仔細(xì)選擇熱老化的溫度范圍，可參考下列要求［4］:

(1)最低的暴露溫度應(yīng)是能使測得的終點(diǎn)的平均時(shí)間或中值時(shí)間大于5000 h;

(2)耐熱曲線的外推應(yīng)不大于25 K;

(3)最高的暴露溫度應(yīng)是能使測得的終點(diǎn)的平均值或中值時(shí)間大于100 h(如果可能，小于500 h);

(4)如果期望在試驗(yàn)的整個(gè)溫度范圍產(chǎn)生相同的老化機(jī)理，則選擇的暴露溫度最好是相等間隔，通常為20 K。如果這個(gè)準(zhǔn)則導(dǎo)致機(jī)理變化，例如，當(dāng)某一轉(zhuǎn)變點(diǎn)，像熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)，則最高暴露溫度將需要予以限制。在這種情況下，或如果半差(HIC)已知或預(yù)期小于10 K，則老化溫度水平之間的差可能需要減少，但不小于10 K。

依據(jù)上述原則，確定老化試驗(yàn)溫度依次為135℃、150℃、165℃、180℃。

3.7 取樣時(shí)間及試驗(yàn)

取樣時(shí)間間隔應(yīng)有計(jì)劃的安排:使得最少有兩組試樣測試的結(jié)果落在平均終點(diǎn)時(shí)間之前，至少有一組試樣的測試結(jié)果落在平均終點(diǎn)失效時(shí)間之后，在該間隔內(nèi)，性能隨時(shí)間變化的速率最好呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系［4］。具體的取樣時(shí)間視老化試驗(yàn)后的結(jié)果而定。

試驗(yàn)采用烘箱，其通風(fēng)速率5～20次/h，烘箱中放樣空間的最大溫度偏差不超過5℃，符合GB/T 11026.4 規(guī)定。

試驗(yàn)時(shí)將總體試樣隨機(jī)分為5個(gè)一組，在每個(gè)老化溫度下至少投入15組試樣，記錄老化時(shí)間，并按時(shí)取樣進(jìn)行斷裂伸長率的測定。試驗(yàn)及測試方法按照GB/T 528標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

第三代核電站電纜用無鹵阻燃聚烯烴絕緣在不同老化溫度下及不同老化時(shí)間下測定的斷裂伸長率的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其中，斷裂伸長率原始值為580%，壽命終點(diǎn)指標(biāo)為性能原始值的50%，即K2=50%。根據(jù)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出聚烯烴絕緣在不同老化溫度下斷裂伸長率保留率與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 不同老化溫度下斷裂伸長率保留率與時(shí)間的關(guān)系曲線

4.2 數(shù)據(jù)處理

在圖1中，每個(gè)老化溫度下的性能曲線與終點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)曲線的交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間就是其終點(diǎn)時(shí)間，如表2所示。對于破壞性試驗(yàn)，選擇老化曲線的近似線性范圍，并通過最靠近終點(diǎn)指標(biāo)的3組樣品的(時(shí)間、性能)點(diǎn)，繪制平行于平均老化曲線的線，該線與終點(diǎn)線的交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間，就是需要的平均終點(diǎn)時(shí)間，如圖2 所示［4］。

圖2 破壞性試驗(yàn)——終點(diǎn)時(shí)間評估

表1 聚烯烴絕緣在不同老化溫度下的測試結(jié)果

4.2.1 計(jì)算組平均和方差

根據(jù)表2，計(jì)算出每一老化組的方差。

4.2.2 總平均值和總方差

計(jì)算所有老化組內(nèi)方差的加權(quán)平均值:

計(jì)算x值的二階中心距:

4.2.3 回歸方程的計(jì)算

回歸方程:y=a+bx

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)計(jì)算［3］

即得到回歸方程y=－10．7079+5978．6175x

根據(jù)求得的回歸方程可得到聚烯烴絕緣的熱壽命曲線，如圖3所示。

圖3 聚烯烴絕緣的熱壽命曲線

計(jì)算由回歸線得到的老化組平均值偏離回歸線的偏差的方差:

4．3 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)［5］

4．3．1 方差相等性檢驗(yàn)

計(jì)算巴特利特(Bartlett＇s)X2函數(shù)的值:

取q=10，經(jīng)計(jì)算X2=3．91。

查GB/T 11026．3附錄C．5中的X2表得X20=7．8(自由度f=3，顯著水平 0．05)，因X2＜X20，故接受在顯著水平0．05以上的假設(shè)。

4．3．2 線性檢驗(yàn)(F檢驗(yàn))

通過顯著水平為0．05下的F檢驗(yàn)，把偏離回歸線偏差的方差與k測量組內(nèi)的總體方差s21進(jìn)行比較，計(jì)算比值=2387．78。

對應(yīng)于fn=k－2=2及fd=N－k=8自由度的F0值，查《電氣絕緣測試技術(shù)》第6章附錄F中方差比值表Ⅱ，得F0=F(0．95，2，8)=4．5。

因?yàn)镕＞F0，調(diào)整至)a=(F/F0)并計(jì)算s2的調(diào)節(jié)值:

4．3．3X和Y評估的置信界限

(1)Y評估值

對應(yīng)于已知X的Y的評估值及其低于95%置信界限是:

在置信水平 0．95 下，查 IEC 60216-3［6］附錄 C表C．4，獲得在N－2=10自由度下的t分布，即t0.95，10=1.812。

(2)X評估值

計(jì)算對應(yīng)于終點(diǎn)時(shí)間τf的X值及其下95%置信界限:

低于95%置信界限的溫度評估值計(jì)算:

4.4 熱壽命的計(jì)算

應(yīng)用回歸方程y= －10.7079+5978.6175x計(jì)算對應(yīng)于終點(diǎn)時(shí)間20 000 h時(shí)的溫度，TI=125.3371°C，即溫度指數(shù)。用同樣的方法，計(jì)算對應(yīng)于終點(diǎn)時(shí)間10 000 h的溫度TI10=133.4900°C。

半差HIC=TI10－TI=8.15°C

以Y=log 20000，按 4.3.3 節(jié)方法計(jì)算TI的低于95%置信界限TC。

因(TI－TC)/HIC＜0.6，則報(bào)告TI(HIC)=125(8.15)

綜上所述，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、評估及檢驗(yàn)，應(yīng)用回歸方程y= －10.7079+5978.6175x計(jì)算得:無鹵低煙阻燃輻照交聯(lián)聚烯烴絕緣在工作溫度90℃下的熱壽命 τ90℃=66.01(年)。

5 結(jié)束語

電纜絕緣在運(yùn)行情況下受到的作用因素是復(fù)雜的，本項(xiàng)研究是考慮以熱為主要老化因子而使絕緣結(jié)構(gòu)的性能發(fā)生不可逆變化，并以此來研究和確定絕緣材料在工作溫度(90℃)下的使用壽命。本項(xiàng)試驗(yàn)研究嚴(yán)格按照GB/T 11026標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)用熱老化烘箱符合GB/T 11026.4要求，其試驗(yàn)程序及主要參數(shù)符合GB/T 11026.1要求，對所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)符合GB/T 11026.3要求，因此可以認(rèn)為，無鹵低煙阻燃輻照交聯(lián)聚烯烴絕緣在90℃工作溫度下能夠滿足第三代核電站60年運(yùn)行壽命要求。

［1］AP 1000 DOCUMENT NO.CPP-G1-E1-002:Wire and cable design criteria，discipline design criteria［R］.2008.

［2］邱昌榮，曹曉瓏編.電氣絕緣測試技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］高寶娟，張軍，戴英培.核級(jí)電纜用EPR絕緣熱壽命試驗(yàn)研究［C］//第六屆絕緣材料與絕緣技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.1996.10.

［4］GB/T 11026.1—2003電氣絕緣材料耐熱性第1部分:老化程序和試驗(yàn)結(jié)果的評定［S］.

［5］GB/T 11026.3—2003電氣絕緣材料耐熱性第3部分:老化程序和試驗(yàn)結(jié)果的評定［S］.

［6］IEC 60216-3:2006(E)Electrical insulating materials-thermal endurance properties Part 3:instructions for calculating thermal endurance characteristics［S］.