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核电站1E级热缩套管的扩张工艺研究

来源:荣格-《国际塑料商情》 发布时间:2021-05-17 791
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 技术前沿
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本文主要结合制造量产经验,比较研究扩张技术的量产适用性,并针对1E级热缩套管的特点探讨适合的扩张加工工艺。

新一代压水堆商用核电站主要采用1E级热缩套管实现电缆之间的永久性连接、密封、防护和再绝缘,热缩套管的可靠性直接决定核电站安全缓解系统的可靠性。作为1E级热缩套管的核心工艺,扩张技术直接决定产品的轴向收缩率和壁厚均匀度。本文主要结合制造量产经验,比较研究扩张技术的量产适用性,并针对1E级热缩套管的特点探讨适合的扩张加工工艺。


1前言
1E级热缩套管是1E级电缆中间接头及终端套件的核心器件,作为核电站电缆系统的重要配套产品,用于实现核电站中电控设备、涉核仪表的永久连接和再绝缘,保证线路密封、绝缘、防潮,保证正常运行环境、异常运行环境、设计基准事故环境和严重事故环境下的可靠运行的功能,直接关系核电站运行安全。1E级热缩套管具有形状记忆,可加工性强,运行性能稳定,同时具备无卤、阻燃、低烟、低毒、耐辐照、耐热老化和机械强度高等特点,这些特性契合核电站的核心应用需求。

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1E级热缩套管的制作工艺如图1所示。
1E级热缩套管是由双层结构构成,其外层为热缩层,内层为热熔胶层。首先,将原材料按照配方比例在密炼机中混合均匀后混炼造粒母料,已完成造粒的功能母料通过复合挤出机台挤出,形成复合中间体。复合中间体通过高能电子加速器进行辐射交联,辐射交联后经扩张后定型为热缩套管。


受到电子加速器的高能射线照射后,复合中间体产生自由基,线性高分子结构转变为立体网状结构。其后的扩张工艺是通过恒定加压加热,处于高弹态的高分子材料受力,其形状按预制模具方向变化,随后迅速降温固化扩张形态。1E级热缩套管安装使用时,再次受热的热缩套管达到高弹态,在外收缩层收缩力的驱使下,预扩形变恢复至初始状态,此时热熔胶层将被保护部位与外层紧密的粘结在一起,从而实现密封和再绝缘。利用电子加速器辐照交联后赋予热缩套管的“形状记忆”效应,制造出了扩张倍率大小可调的各型热缩套管;此外,辐照交联后,1E级热缩套管的机械强度、耐温等级也会得到明显提升。

2扩张技术
扩张技术是1E级热缩套管成型过程中的关键技术,考核成型工艺的核心指标是热缩套管的轴向收缩率和壁厚均匀度。在JB/T 7829-2006标准中,对热缩套管轴向变化率和壁厚均匀度有严格要求。热缩套管成型过程中,扩张压力、加热温度、加热时间及其冷却方式是关键影响因素。
(1)扩张压力。通常会在被扩张管材内部充入压缩气体对其进行扩张,因此气压的大小将对被扩管产生影响。气压过大,会出现热缩管壁厚不均匀,甚至开裂现象;气压过小,影响生产效率、热缩套管也无法扩张到指定尺寸。
(2)加热温度与时间。在扩张时需根据配方组分选择合适的加热方式,使其在扩张后具有“形状记忆”效应。当扩张温度太低时,加热时间延长,严重影响扩张效率;当扩张温度太高时,可能会使得部分阻燃剂和小分子加工助剂析出,生产出的热缩套管性能不达设计预期。
(3)冷却方式。冷却是将扩张时产生的大分子链取向结构固化,使其具有“形状记忆”效应。一般采用喷淋法或者浸水法来进行冷却。
目前广泛使用的扩张技术包括分段布袋扩张法、甘油加热扩张法、正压扩张法和干扩法等。


2.1分段布袋扩张法
分段布袋扩张法是传统扩张技术的一种,属于断续扩张,扩张温度区间为120~240℃。其方法是将布袋制作为管状,固定于充气杆末端,压缩气体通过充气杆向布袋充气,同时布袋将对加热后的热缩套管施加均匀且恒定的内压使其发生环向扩张。该扩张方法操作简便,制得的热缩套管壁厚较为均匀,适用于大规格、厚壁的单壁热缩管。由于1E级热缩套管采用复合挤出技术,其内层为热熔胶,用布袋扩张时,热熔胶会粘结到布袋上,成品脱壳困难,影响产品的完整性,因此该方法不适用于制造内层带胶的1E级热缩套管。


2.2甘油加热扩张法
甘油扩张法也是一种传统的扩张方式,将热缩管半成品加热到高弹态,利用真空原理使其扩张,在保持扩张的情况利用冷却水快速冷却,使其进入玻璃态,这种状态就“固定”住了。该方法一般使用甘油作为扩张设备的加热介质,选择甘油做加热介质有两方面的优点:第一,甘油溶于水,清洗方便;第二,甘油的闪点为180℃左右,而热缩套管的扩张温度范围一般为120~170℃,低于甘油的闪点,扩张过程中不会产生大量的烟雾。但是在量产过程中,需特别注意避免混入水份,混杂后的甘油分解温度降低,会产生大量烟雾,影响生产效率、污染环境。从表1可见,该扩张方法适用于扩张壁厚≤2.15mm的薄壁热缩管。可以使用这种扩张方式扩张Ф15/5规格以下(包含Ф15/5)的1E级热缩套管。表1总结了甘油加热扩张工艺对1E级热缩套管的适用性。


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2.3正压扩张法
正压扩张法是一种新扩张工艺,可用于扩张大规格、厚壁的热缩管。在扩张前向热缩管内部通入压缩空气,增加热缩管内部气压。而加热装置部分也通有压缩空气,并与管内压力相同。由于扩前管内外压力相同,此时处于平衡状态,因此热缩管半成品在加热阶段不会扩张。当管材到达扩张模具后,扩张模具中的压力与大气相同,使得管在进入模具后瞬间失去管外压力保护,而在内部压力作用下得到扩张,扩张后进行冷却,制成热缩套管。这种扩张方式在扩张时仅仅需要内压,不再需要真空条件;而且扩张时的扩张力大,能够扩张高收缩比的热缩套管,也可缩短热缩管安装使用时的加热时间,提高使用效率。但此技术对于工艺配合要求高。使用该技术进行生产时,需要将加热温度、管内气压和管牵引速度调整到最佳状态,否则会对扩张管的壁厚均匀度和轴向收缩率产生影响。从表2中可以看出,正压扩张法适用扩张厚壁的热缩管,不适用扩张薄壁的热缩管。薄壁的热缩管扩张时,由于管材内部压力比较大,扩张时管材容易开裂,如Ф15/5规格以下(包含Ф15/5)的1E级热缩套管。表2是1E级热缩套管正压扩张的适用性分析。


2.4干扩法
干扩法一般使用空气作为加热介质,其具有环境污染小且单位加工能耗小等优点,但是其热能效率极低 ,加热的过程中同时存在扩张润滑性差、热量易于对流损失等问题。干扩法的工作温度为300~350℃,在局部区域温度较高,由于1E级热缩套管混料中部分填料热分解温度低于300℃。在加热过程中,容易导致这部分填料分解,使得热缩套管的断面产生气孔,不适用于生产1E级热缩套管。

3结语
使用甘油加热扩张法扩张生产Ф15/5规格及以下的薄壁1E级热缩套管,其扩张过程稳定,扩张效率高,壁厚均匀度好和轴向收缩率小。


正压扩张法的扩张能力强,可适用于扩张Ф28/9规格以上的热缩套管,使用此种方法制造的热缩套管扩张稳定性好,收缩时的收缩力大,收缩速度快,轴向收缩率小,绝缘密封安全可靠。


来源:荣格-《国际塑料商情》


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