干式套管芯體復合材料的機械損傷性能研究

張晉寅,李西育,韋曉星,黨鎮平,謝志成,封 婕,魏勁容,岳功軒

(1.中國南方電網超高壓輸電公司檢修試驗中心,廣州 510663;2.西安高壓電器研究院股份有限公司,西安 710077;3.西安交通大學,西安 710049;4.西安西電高壓套管有限公司,西安 712044)

0 引言

套管作為變壓器、電抗器等設備的核心部件,對輸變電系統的安全運行影響巨大。運行時套管除需承受高電壓、大電流外,還需承受各機械負荷,使用條件較為苛刻。傳統油浸紙絕緣套管由于在發生事故時易發生爆炸進而引起火災,可能會對輸電系統造成二次傷害[1-2],部分場景應用受限。近年來,由環氧樹脂浸漬紙作為主絕緣的干式套管得到廣泛的應用,這得益于其無油環保、質量輕、耐熱性好、機械性能優異等優點[3-8]。

干式套管電容芯體是套管的主絕緣部分,直接影響套管整體性能。干式套管電容芯體是在中心導桿(或卷制管)上交替纏繞絕緣紙(皺紋紙)和鋁箔,整體浸漬環氧樹脂后階梯升溫固化制成。當干式套管內部產生缺陷或損傷時易形成局部放電甚至擊穿,因此其制造工藝通常要求極高。雖然干式套管具有諸多顯著的優點,但在實際運行中細小的擾動仍有可能對干式套管芯體材料造成不可逆的損傷[9-13],因此探索其微觀損傷和宏觀破壞值之間的關系,進而指導同類產品的工藝設計具有重要的研究意義[14-19]。國內高壓套管經過多年發展,已經積累了一定的設計制造經驗,現階段研究主要集中在絕緣結構、載流結構、熱機電耦合場分析及試驗研究分析等方面,對于電容芯體復合材料的損傷特性研究較少[20-25]。

目前對于微觀損傷的研究大多基于光學顯微鏡,利用光學原理把人眼所不能分辨的微小物體放大成像,以供人們提取微細結構信息,或者掃描電子顯微鏡,利用聚焦高能電子束與物質間的相互作用來激發各種物理信息,對這些信息分析處理以實現對物質微觀形貌的表征。但這些技術只能獲得樣品表面的信息,對于損傷表征也受限于其二維結構的形貌,因此難以對其內部結構中的損傷演化進行三維數據的定量化研究。X射線顯微成像技術(X-ray Computed Tomography,X-CT)能夠無損的獲得材料內部微觀結構、缺陷以及損傷的三維圖像,實現在三維空間上的定性與定量分析,且隨著科技的發展,該項技術近年來在某些領域已從過去的定性成像發展到定量分析技術,對于先進材料的微細觀結構表征也成為其廣泛應用的一個方面[26]。

本研究為準確反映基礎復合材料在干式套管芯體中的實際性能,從干式套管芯體上直接切割獲取樣塊,對樣塊進行了測試研究,主要考察了在機械應力的作用下,膠浸紙干式套管芯體復合材料所表現出的損傷情況。一方面使用萬用電子拉力機以固定的加載速率對試樣宏觀的力學性能進行測試,通過觀測其在高低溫下的拉伸模量與拉伸強度的變化來初步判斷其損傷的變化,另一方面結合聲發射技術,將采集的聲發射數據與拉力數據進行分析處理得出其在損傷不同階段的變化情況[27-29]。同時測試其在室溫下的彎曲強度與彎曲模量以供參考,樣品機械試驗后采用先進的觀測手段,對破壞后的試樣進行了微細觀結構表征,以期對同類產品芯體設計提供基礎數據和設計依據。

1 試驗研究

1.1 試樣制備

試樣材料:膠浸紙干式套管芯體復合材料(由環氧樹脂、皺紋紙、鋁箔真空澆注制成芯體,試樣從芯體上通過機加工方式獲取。試樣長度方向與干式套管芯體軸向平行,每個試樣厚度方向最少保證2層平行鋁箔)。

試樣制備:將上述芯體材料按照GB/T 2567-2008[30]中拉伸試驗試樣要求切割加工,加工得到的樣品尺寸見圖1。

圖1 材料試樣

1.2 試驗儀器

試驗中采用的主要儀器包括:EMT-305D型電子萬能試驗機(拉伸),三思泰捷萬能試驗機CM7-4503GD(彎曲);Xradia 610 Versa型X射線成像儀;尼康Nikon-Fi2型光學顯微鏡;CMT5504型電子萬能試驗機型號(聲發射測試)以及SEAU3H聲發射儀器。圖2為拉伸試樣和彎曲試驗的布置圖。

圖2 拉伸試驗和彎曲試驗布置圖

1.3 試驗方法

1.3.1 機械性能測試參數設置

拉伸性能測試時將試樣夾在夾具上,試驗速度為2 mm/min,軸向標距為50 mm。

彎曲性能測試中試驗速度為2 mm/min,跨距為96 mm。

1.3.2 聲發射輔助拉伸測試參數設置

聲發射測試前將傳感器、信號放大器與聲發射檢測儀連接,將兩個傳感器分別貼在電子萬能試驗機與試樣上。聲發射測試儀參數設置見表1,依據前期預拉伸測試結果,拉伸平均破壞負荷為6 683.15 N(以下簡稱預試驗負荷),聲發射測試采用分級保載試驗:加載負荷設置為預試驗負荷的20%、40%、60%、80%直至將試樣完全破壞。拉伸速度設置為0.05 kN/s,每階段保載1 min后再開始下一階段的加載,不同比例的加載負荷值見表2。

表1 聲發射檢測儀的參數設置

表2 不同比例的加載負荷值

1.3.3 光學顯微鏡測試

選擇尼康Nikon-Fi2光學顯微鏡進行觀測,挑選破壞特征顯著試樣進行觀測。

1.3.4 三維X射線成像測試

三維X射線選取彎曲破壞斷層明顯試樣與完整試樣進行測試,三維X射線成像儀參數設置參照表3。

表3 三維X射線成像儀參數設置

2 試驗結果與分析

2.1 常溫拉伸測試

2.1.1 常溫測試數據

常溫拉伸測試結果統計見表4。

表4 拉伸測試結果

2.1.2 數據分析

通過3組測試結果可以看出,芯體復合材料的拉伸性能較為穩定,且具有較小的拉伸變形量,材料在拉伸變形量為4.41 mm左右時,已發生宏觀破壞,損傷情況嚴重,考慮到其內部皺紋紙、鋁箔等材料的影響,其拉伸負荷平均值為6 574.49 N,平均拉伸強度為70.58 MPa,平均模量為5 513.73 MPa,具有較為穩定的拉伸性能。

2.2 高溫拉伸測試

2.2.1 高溫測試數據

高溫拉伸測試結果統計見表5,在60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃下分別進行測試,測試前試樣在對應溫度下保溫至少30 min。

表5 高溫拉伸測試結果

2.2.2 數據分析

通過高溫拉伸測試結果可以看出,芯體復合材料在高溫下的最大載荷急劇下降,且隨著溫度的升高,材料的拉伸強度和拉伸模量也出現明顯的下降。在溫度達到80 ℃時,力學性能明顯下降。隨著溫度的進一步升高,材料的力學性能急劇下降,120 ℃時材料2次測量結果偏差變大,說明材料在高溫下不穩定更加突出。

2.3 聲發射輔助拉伸測試

2.3.1 測試結果

1～3號芯體復合材料試樣拉伸過程中到達時間-ASL-振鈴計數-能量-載荷曲線分別見圖3～5。3個樣品均采用分級保載方式,試驗結果見表6,1號試樣破壞值為6.8 kN;2號試樣破壞值為7.6 kN;3號試樣破壞值為5.5 kN。

表6 聲發射輔助拉伸測試結果

圖3 RS-1-AE到達時間-ASL-振鈴計數-能量-載荷曲線

圖4 RS-2-AE到達時間-ASL-振鈴計數-能量-載荷曲線

圖5 RS-3-AE到達時間-ASL-振鈴計數-能量-載荷曲線

2.3.2 數據分析

綜合聲發射參數、聲發射參數曲線以及分級保載拉伸測試可知,在大約320 s之前,主要為分級增大負荷以及保載過程,施加的最大負荷為預試驗負荷的60%。在230 s之前,平均電平信號(ASL)整體數值很小,保載階段較為平穩,在拉力增長階段有輕微峰值信號,但出現頻率低、數值小;振鈴計數相對平穩,在保載階段略低于負荷施加階段;能量累積數值小,增長緩慢。

在約320 s～410 s之間,施加60%～80%預試驗負荷并分階段保載,平均電平信號(ASL)整體數值相較上一階段增長,但保載階段仍較為平穩,在拉力增長階段有明顯大幅峰值信號,且出現頻率高、數值大;振鈴計數數值增大、頻率增大,在保載階段略低于負荷施加階段;能量累積數值在拉伸階段有明顯臺階狀的增大,保載階段能量累積保持相對平穩,該階段樣條內部開始出現損傷并逐漸演變。

在約410 s之后,施加80%預試驗負荷直至斷裂階段,平均電平信號(ASL)整體數值出現極大的增長,頻率也大幅增長;振鈴計數點密集,數值也較上一階段增大;能量累積急劇驟增,樣條損傷迅速擴大直至破壞。

2.4 DSC(差示掃描量熱儀)測試

環氧樹脂為熱固性高分子聚合物,材料的熱力學性能直接影響道材料的使用性能。試驗通過使用差示掃描量熱儀對-30 ℃～100 ℃進行循環掃描,以20 ℃/min進行升溫、降溫、再升溫測試。結果見圖6。

圖6 芯體復合材料的DSC曲線

第一次升溫過程中,在40～110 ℃區間內出現較緩臺階狀熱量曲線,推測是由復合材料的反應熱和環氧樹脂未完全固化共同造成。140 ℃的松弛峰是由于加工過程或老化過程所產生的,通過第二次加熱可消除此段熱歷史,第二次加熱測得玻璃化轉變溫度為134 ℃左右。與測試過程中機械性能隨溫度升高而下降相符,當溫度達到134 ℃左右,環氧樹脂由玻璃態轉換為高彈態,機械性能將受到嚴重影響。

2.5 彎曲測試

2.5.1 測試數據

常溫彎曲測試結果統計見表7。高溫彎曲測試結果統計見表8。

表7 常溫彎曲測試結果

表8 高溫彎曲測試結果

2.5.2 數據分析

常溫彎曲測試結果一致性較強,3個試樣平均彎曲強度為86.97 MPa,平均彎曲模量為3 267.99 MPa。

高溫彎曲測試結果總體分散性較大,各溫度階段彎曲強度平均值未發生明顯變化。隨著溫度升高,彎曲模量下降趨勢較為明顯。

2.6 光學顯微鏡形貌觀測

2.6.1 測試結果

結合前期機械性能的測試,樣品在測試過程中均出現了不同程度的損傷,在顯微鏡觀測中,結合前期測試結果與樣品破壞程度,選擇了斷裂較為明顯的彎曲測試中RB-3樣品與拉伸測試中RS-2樣品進行觀測。

2.6.2 數據分析

彎曲樣品RB-3(圖7)與拉伸樣品RS-2(圖8)的呈現出了較為不同的斷裂形貌,彎曲測試中由于樣品受到垂直其表面的壓力,斷裂時樣品內部發生較為明顯的剝離形貌,可看到其內部卷繞的層狀形貌,以及清晰可辨的皺紋紙、鋁箔結構。不同于彎曲樣品,拉伸樣品受到與其表面平行方向的力,因此其斷裂時產生類似“滑移”方式的斷裂,其斷口更為平整,內部結構剝離情況較少,由此推測在彎曲過程中樣品受力更為不均勻,更易產生嚴重損傷情況。

圖7 RB-3樣品斷裂形貌

圖8 RS-2樣品斷裂形貌

2.7 三維X射線成像測試

2.7.1 測試結果

在三維X射線成像中,選擇了完整樣品來觀測其初始形貌,并與彎曲測試后的斷裂樣品進行對比,測試結果見圖9、圖10。

圖9 完整樣品三維X射線成像測試結果

圖10 RB-3樣品三維X射線成像測試結果

2.7.2 數據分析

三維X射線成像測試選取了RB-3樣品與完整樣品進行測試。通過測試,在完整樣品中可明顯區分鋁箔、皺紋紙與環氧樹脂,而斷裂后的樣品內部結構發生了不同程度的損傷,斷裂處皺紋紙呈現撕裂狀,鋁箔端口較為平整,斷口呈現剝離的分層階梯狀形貌,這與在光學顯微鏡下觀測的結果一致。

3 結論

本研究通過對干式套管芯體復合材料進行不同溫度下的拉伸、彎曲試驗,常溫下聲發射輔助拉伸驗,以及微觀形貌觀測,對干式套管芯體復合材料外加載荷條件下的機械損傷性能進行了研究,得出以下結論:

1)干式套管芯體復合材料損傷演化過程大致可分為3個階段,在最大平均破壞負荷的60%之前,即0%～60%最大平均破壞負荷為穩定階段;60%～80%最大平均破壞負荷為快速演變階段;80%～100%為失穩破壞階段。

2)干式套管芯體復合材料的拉伸強度和拉伸模量隨溫度上升有大幅衰減,其彎曲強度隨溫度升高變化不大,彎曲模量有小幅下降。在生產應用中要慎重考慮高溫環境下材料許用值的選取。

3)干式套管芯體復合材料受彎曲負荷、拉伸負荷后的斷裂形貌差異較大,彎曲過程樣品更易產生較為嚴重的損傷情況。

本次研究試樣來源于實際樣品芯體,加工過程中對于鋁箔分布的控制會出現一定的偏差,可能會對試驗數據產生一些影響。后續隨著試驗數據的增多及樣品加工技術的提升,試驗數據的規律性將會進一步提升。