龐小峰,袁志勇,唐瑛,孫帥
(1.廣東省電力裝備可靠性企業(yè)重點實驗室(廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院),廣東 廣州 510080;2.中材江西電瓷電氣有限公司,江西 萍鄉(xiāng) 337200)
絕緣子是輸配電線路、電站設(shè)備的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件和最重要的絕緣元件,主要起支撐和絕緣的作用。瓷絕緣子的質(zhì)量水平直接影響到輸配電線路和電力設(shè)備運行的安全性和穩(wěn)定性[1-2],是制約輸變電技術(shù)發(fā)展的重要因素。強臺風登陸對電力設(shè)施造成極大破壞,其中隔離開關(guān)設(shè)備的損失破壞最為嚴重[3-5]。隔離開關(guān)在臺風中損壞的突出表現(xiàn)之一是瓷絕緣子斷裂[6-8],這是因為瓷絕緣子的機械強度相對較低,在極高的風速以及嚴重的雨雪等惡劣天氣條件下,容易破損和斷裂[9-11]。為了增強支柱瓷絕緣子在惡劣天氣條件下抵抗破損和斷裂的能力,提高支柱瓷絕緣子自身的機械強度是一個有效的途徑。膠裝型瓷絕緣子由水泥膠合劑、瓷件和金屬附件3部分組成[12-13],其中水泥膠合劑填充瓷件和金屬附件之間的預(yù)留空隙主要起組織和連接的作用。在瓷件和金屬附件性能穩(wěn)定的前提下,水泥膠合劑的性能直接影響著膠裝型瓷絕緣子的整體性能、壽命和可靠性[14-16];因此,研究開發(fā)出高強度的水泥膠合劑成為業(yè)內(nèi)共識,目前主要采用提高水泥標號、添加摻合料的方式來提高水泥膠合劑的最終強度[15-18]。
隨著絕緣子自動化生產(chǎn)線的推進,尤其是近年來智能化生產(chǎn)線的建設(shè),對水泥膠合劑的早期強度提出了新的要求,以滿足絕緣子在生產(chǎn)線上膠裝養(yǎng)護1 d后就能達到特定強度,因此急需研發(fā)出滿足生產(chǎn)線要求的早強型水泥膠合劑配方。目前對水泥膠合劑的研究主要集中在提高最終強度,對如何提高水泥膠合劑的早期強度,尤其是1 d的強度這方面的研究很少。
本文在保證膠合劑流動性能的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究水泥種類、膠裝砂、減水劑種類和用量對膠合劑早期強度的影響,并優(yōu)選膠合劑配方用于實際生產(chǎn),從而驗證膠合劑配方的使用效果。
試驗原料包括:水泥——快硬硫鋁酸鹽水泥(KS),大連小野田PⅡ52.5R(PS);膠裝砂——水洗干海砂;纖維——上海博寧工程纖維材料有限公司生產(chǎn)的PM-I系列聚丙烯纖維,長度3 mm,直徑31 μm;膨脹劑——北極熊CSA-Ⅰ型膨脹劑;減水劑溶液—NF萘磺酸型高效減水劑,聚羧酸減水劑;硅灰——無機非晶質(zhì)灰白色固體粉末,平均粒徑小于0.1 μm,密度為2.44 g/cm3。
先將砂、水泥、摻加劑一起加入鍋內(nèi),低速攪拌約3 min;然后加水,繼續(xù)攪拌1 min后停機,用刀或鏟子清理攪拌葉和鍋邊;再開機低速/中速繼續(xù)攪拌6 min,且必須攪拌均勻。
原料的化學成分采用X射線熒光光譜儀測試;水泥膠合劑掃描式電子顯微鏡-能譜儀(scanning electron microscope-energy disperse spectroscopy,SEM-EDS)測試采用JSM-7500F型場發(fā)射掃描電鏡;膠合劑抗折、抗壓強度等性能依據(jù)JB/T 4307—2004《絕緣子膠裝用水泥膠合劑》進行測試。制作40 mm×40 mm×160 mm的標準試條,經(jīng)標準養(yǎng)護后在電動抗折試驗機上按(50±5)N/s的速度增加荷載直至試條折斷破壞,完成抗折強度測試;抗折試驗后的斷塊在壓力試驗機上按(5±0.5)kN/s的速度施加載荷,直至破壞。懸式瓷絕緣子的機電破壞負荷試驗、熱機械性能試驗依照GB/T 1001.1—2003《標稱電壓高于1 000 V的架空線路絕緣子》進行。
在保證膠合劑流動度的情況下,設(shè)計2種水泥配方,見表1。
由表1可以看出:快硬硫鋁酸鹽水泥早期強度發(fā)展非???,3 d的抗折強度達到12.5 MPa,抗壓強度達到101 MPa;早強型普通硅酸鹽水泥早期強度發(fā)展雖相對較慢些,3 d的抗壓強度也能達到62.5 MPa,達到了PⅡ52.5R水泥強度的標準。為了更好地了解2種水泥各自的強度發(fā)展過程,對2種水泥的水化過程進行SEM-EDS研究,結(jié)果如圖1、圖2所示,其中(a)、(b)、(c)為水化1 d后的結(jié)果,(d)、(e)、(f)為水化3 d后的結(jié)果,(g)、(h)、(i)為水化7 d后的結(jié)果。
圖2 快硬硫鋁酸鹽水泥水化SEM-EDS結(jié)果Fig.2 SEM-EDS hydration results of fast hardening early-strength sulphoaluminate cement
圖1 早強型普通硅酸鹽水泥水化SEM-EDS結(jié)果Fig.1 SEM-EDS hydration results of early-strength ordinary Portland cement
表1 2種水泥的膠合劑配方和早期強度對比Tab.1 Adhesive formulas of two kinds of cement and comparisons of the early strength
從SEM-EDS分析可以清楚地觀察到:早強型普通硅酸鹽水泥水化1 d后,水泥顆粒大部分已經(jīng)水化,并伴有大量C-S-H凝膠和高硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)生成,但水泥石致密度不高,仍有一定量水泥顆粒未水化;水化3 d后,水泥石水化程度進一步加強,同時C-S-H凝膠和AFt生成量進一步增多,水泥石致密度開始明顯提高,但水化產(chǎn)物之間相互連接不夠緊促,沒有形成致密的交織組織結(jié)構(gòu);水化7 d后,幾乎看不到未水化的顆粒,同時生成的凝膠將AFt包裹起來,水化產(chǎn)物相互交織,形成密實的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而使水泥石具有較高的強度。
從快硬硫鋁酸鹽水泥的SEM-EDS分析可以發(fā)現(xiàn):養(yǎng)護1 d后,快硬硫酸鹽水泥絕大部分已經(jīng)水化,并且形成較為密實的水泥石結(jié)構(gòu),生成了大量的C-S-H或C-S-A-H凝膠,同時沒有發(fā)現(xiàn)有Ca(OH)2的存在,說明它們已經(jīng)被吸收轉(zhuǎn)化為凝膠,此時水泥石已經(jīng)具有較高的強度;到養(yǎng)護3 d后,發(fā)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥顆粒幾乎全部水化,生成了大量的凝膠,形成一個非常密實的結(jié)構(gòu),相比水化1 d,此時的水化產(chǎn)物更多,相互連接組織更為致密,所以強度進一步提高;養(yǎng)護7 d后試樣的SEM照片與水化3 d的差別不明顯,水化程度進一步加深,其水泥石致密度得到很大程度的提高,從EDS分析可以發(fā)現(xiàn),生成的凝膠主要是C-S-H和C-S-A-H凝膠。
由上述分析可以得出結(jié)論:快硬硫鋁酸鹽水泥的早期強度發(fā)展比早強型普通硅酸鹽水泥快,但由于快硬硫鋁酸鹽水泥的初凝時間太短,不利于大規(guī)模作業(yè)。因此在后續(xù)研究中,主要針對早強型普通硅酸鹽水泥進行配方調(diào)整。
在保證膠合劑流動度的情況下,分別設(shè)計5種不同硅灰摻量的膠合劑配合比,見表2,研究硅灰摻量對膠合劑強度的影響。
由表2可以看出:隨著膠合劑中硅灰摻量(相對于水泥用量)從0增加到10%,膠合劑1 d、2 d和3 d的抗折與抗壓強度均有增加。這主要是2方面原因:一是比表面積大的硅灰在水泥的水化過程中起到晶核的作用,能夠顯著促進水泥水化,加速C-S-H凝膠的形成;另一方面是硅灰作為礦物摻合料,具有較好的火山灰活性,能夠與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)形成較穩(wěn)定的二次水化產(chǎn)物,有效抑制集料-界面處Ca(OH)2晶體的取向排列和由Ca(OH)2粗晶形成的疏松多孔結(jié)構(gòu)的形成,提高水泥膠合劑的密實程度[19-20]。但是,硅灰摻量的增加會導致水泥膠合劑流動度的下降,因此綜合考慮硅灰對水泥膠合劑的增強效果和工作性的影響,將硅灰的摻量定在7.5%。
表2 硅灰添加量對膠合劑強度的影響Tab.2 Effect of silica fume addition on adhesive strength
在保證膠合劑流動度的情況下,對4種減水劑分別設(shè)計配合比,見表3,研究減水劑種類對膠合劑強度的影響。
由表3可以看出:在保證膠合劑流動度相同的情況下,使用蕪湖弘馬TOJ800-10A和萍鄉(xiāng)友聯(lián)聚羧酸減水劑的膠合劑試條強度均明顯低于使用NF萘磺酸型高效減水劑和蕪湖弘馬TOJ800-10T聚羧酸減水劑的膠合劑試條強度;使用NF萘磺酸型高效減水劑的膠合劑試條養(yǎng)護1 d后的強度高于使用蕪湖弘馬TOJ800-10T聚羧酸減水劑的膠合劑試條,但是2 d和3 d的抗壓強度要低。這是因為NF萘磺酸型高效減水劑主要成份為β-萘磺酸縮合物鈉鹽,蕪湖弘馬TOJ800-10T屬于聚羧酸型減水劑。研究表明,聚羧酸減水劑中的活性基團會與水化生成的離子(如Ca2+)生成不穩(wěn)定絡(luò)合物,從而抑制C3S的早期水化,但是會促進后期體系中水化產(chǎn)物的生成[21]。
表3 減水劑種類對膠合劑強度的影響Tab.3 Effect of types of water reducing agents on adhesive strength
2.4.1 NF減水劑用量對膠合劑的影響
在保證膠合劑流動度的情況下,針對NF萘磺酸型高效減水劑不同用量分別設(shè)計配合比,研究NF萘磺酸型高效減水劑用量對膠合劑強度的影響,見表4。
表4 NF萘磺酸型高效減水劑用量對膠合劑強度的影響Tab.4 Effect of NF naphthalene sulfonic acid water reducing agents addition on adhesive strength
由表4可以看出:隨著NF萘磺酸型高效減水劑摻量(相對于水泥)從0.25%增加到1.0%,膠合劑的強度逐漸增加;但是當NF萘磺酸型高效減水劑的摻量達到1.25%時,膠合劑的強度急劇下降,這是因為此時NF萘磺酸型高效減水劑添加過量,膠合劑出現(xiàn)了離析、分層的現(xiàn)象。
2.4.2 聚羧酸減水劑用量對膠合劑的影響
在保證膠合劑流動度的情況下,針對TOJ800-10T聚羧酸減水劑不同用量分別設(shè)計配合比,研究TOJ800-10T聚羧酸減水劑用量對膠合劑強度的影響,見表5。
由表5可知:當TOJ800-10T聚羧酸減水劑用量(相對于水泥用量)從2%增加到2.5%時,水泥膠合劑養(yǎng)護1 d后的強度提高,但是2 d和3 d后的強度下降;這是因為,在膠合劑流動度相同的情況下,TOJ800-10T聚羧酸減水劑用量增加,膠合劑配比中水的用量減少,致使水泥水化的水量不足,膠合劑后期強度增長更慢。
表5 聚羧酸減水劑用量對膠合劑強度的影響Tab.5 Effect of polycarboxylate superplasticizer addition on adhesive strength
根據(jù)上述試驗結(jié)果,優(yōu)選編號為4-4和5-1的水泥膠合劑,用于膠裝型號為U70B的懸式瓷絕緣子,養(yǎng)護1 d后,對產(chǎn)品分別做機電破壞負荷試驗和熱機械性能試驗[20],試驗結(jié)果見表6、表7。
機電破壞負荷試驗時,對絕緣子原件施加工頻電壓45 kV,在金屬附件之間施加拉伸負荷,檢測絕緣子元件所能達到的最大負荷。由表6可以看出:除了1只采用編號為4-4的水泥膠合劑膠裝的產(chǎn)品發(fā)生鋼帽松動外,其余產(chǎn)品破壞方式均為鋼腳拉伸;采用編號為4-4和5-1的水泥膠合劑膠裝的產(chǎn)品機電破壞負荷平均值分別高于規(guī)定負荷(73.7 kN和72.9 kN)。由標準偏差可以看出,產(chǎn)品的機電破壞負荷數(shù)值較穩(wěn)定,波動很小。
表6 產(chǎn)品機電破壞負荷試驗Tab.6 Electromechanical failure load test results of the products
熱機械性能試驗時,絕緣子元件經(jīng)歷4個1 d冷卻、加熱循環(huán),加熱循環(huán)溫度為(+40±5)℃,冷卻循環(huán)溫度為(-40±5)℃,試驗中施加機械拉伸負荷45 kN,經(jīng)循環(huán)試驗階段的熱機械性能試驗完成后,于當天進行機電破壞負荷。由表7可以看出,產(chǎn)品經(jīng)過4個冷熱循壞試驗階段的熱機械性能試驗后均沒有損壞,且機電破壞負荷數(shù)值較冷熱循環(huán)試驗前沒有明顯下降,表明產(chǎn)品熱機械性能均滿足標準要求。
表7 產(chǎn)品熱機械性能試驗Tab.7 Thermal mechanical performance test results of the products
在保證水泥膠合劑流動度的前提下,本文系統(tǒng)研究了硅灰摻量、減水劑種類以及減水劑用量對膠合劑早期抗折、抗壓強度的影響。研究表明:隨著硅灰摻量(相對于水泥用量)從0增加到10%,膠合劑1~3 d的抗折和抗壓強度隨之增加;使用聚羧酸減水劑的膠合劑1 d強度稍低于使用NF減水劑的膠合劑,但是3 d的強度相當;隨著NF減水劑摻量(相對于水泥)從0.25%增加到1.0%,膠合劑的早期強度逐漸增加;當早強型普通硅酸鹽水泥、砂、水、TOJ800-10T聚羧酸減水劑、硅灰、纖維、膨脹劑的質(zhì)量比為1∶0.5∶0.238∶0.002∶0.5∶0.075∶0.004∶0.06時,膠裝的產(chǎn)品養(yǎng)護1 d后,機電破壞負荷試驗和熱機械性能試驗均滿足標準要求。