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(duì)密封圈橡膠材料壽命的評(píng)估是十分必要的。本文通過(guò)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(cè)方法來(lái)預(yù)測(cè)三元乙丙和丁腈材料的壽命，并針對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：密封圈;壽命;材料;評(píng)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(duì)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(duì)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(guò)程中，橡膠材料能保持密封性能的時(shí)間長(zhǎng)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(huì)在橡膠受力變形過(guò)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(huì)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(guò)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(cè)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(cè)計(jì)算方法，即在橡膠某種性能變化到P時(shí)，此時(shí)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(shí)可以得出橡膠材料為失效，此時(shí)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(shí)候，橡膠材料的溫度T的倒數(shù)和壽命t的對(duì)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(jiǎn)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(gè)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(shí)間，時(shí)間消耗過(guò)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(dòng)力學(xué)曲線直線化法

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

3.變量折合法

變量折合法是利用時(shí)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(shí)，要達(dá)到橡膠材料性能P所需要的時(shí)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(shí)間就越長(zhǎng)，因?yàn)?，溫度和時(shí)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(guò)公式進(jìn)而得出常溫下的橡膠材料老化情況和壽命長(zhǎng)度。

4. 數(shù)學(xué)模型法

數(shù)學(xué)模型法需要采用動(dòng)力學(xué)方程來(lái)構(gòu)建，動(dòng)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(lái)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(cè)方法

1. 濕熱老化加速模型

在預(yù)估濕熱老化壽命時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(guò)公式可以看出，橡膠材料的老化過(guò)程受到濕度和溫度的共同影響，所以在對(duì)橡膠材料壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，需要將Arrhenius溫度因子模型和Eyring濕度因子模型結(jié)合起來(lái)，可以得出以下模型：

（H，T）=AHebH+cT。

2. 壽命預(yù)估方法

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

（2）利用曲線直線化法來(lái)表現(xiàn)不同溫度和濕度下時(shí)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(guò)推測(cè)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(cè)

壓縮永久變形參數(shù)是密封時(shí)的重要指標(biāo)，在對(duì)材料進(jìn)行壽命預(yù)估時(shí)，壓縮永久變形也被視為重要指標(biāo)，對(duì)本課題而言，試驗(yàn)的時(shí)間也是一個(gè)重要因素，通過(guò)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(duì)燃?xì)饷芊馊κ褂脡勖M(jìn)行過(guò)研究，研究采用4組老化溫度，并且每組費(fèi)時(shí)15天，再利用外推法對(duì)橡膠圈使用壽命進(jìn)行推測(cè)，本課題在研究時(shí)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(shí)間方法，通過(guò)現(xiàn)有的老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合老化動(dòng)力學(xué)方程，來(lái)得到材料達(dá)到臨界值時(shí)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(gè)溫度和濕度條件下進(jìn)行，同時(shí)設(shè)置了1天、2天、3天、5天、7天、10天等6個(gè)試驗(yàn)時(shí)間，每組采取3個(gè)試樣同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，選取3個(gè)試樣數(shù)據(jù)的中位數(shù)來(lái)作為試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

通過(guò)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(shuō)，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(shí)，更換周期在5到6年之間比較合適。

三、結(jié)論

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

（1）本文對(duì)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(cè)，三元乙丙壽命為18.0年，丁腈材料壽命為7.6年。

（2）通過(guò)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)。

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作者簡(jiǎn)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(yáng)航天材料股份有限公司）