電氣貫穿件國產PEEK絕緣材料性能研究

申 鵬， 全先德， 吳珂科， 付豐年， 黃文軍， 鄺振華

(1. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240； 2. 中廣核工程有限公司， 廣東深圳 518124)

電氣貫穿件是安裝在核電廠安全殼上，用于電纜穿越安全殼的專用電氣設備，其作為安全殼的一部分，在正常或事故條件下，能保持核反應堆安全殼壓力邊界的完整性和電氣信號的連續性[1]。電氣貫穿件主要由外部的鋼質筒體和內部各型號電纜組成，在筒體與電纜之間分布著各種式樣的絕緣材料。

目前，國內電氣貫穿件生產廠商均選擇了某進口品牌的聚醚醚酮(PEEK)材料作為其關鍵絕緣材料。該進口材料可以保證電氣貫穿件在各種工況下電氣的連續性及密封的完整性，在核電領域具有很高的應用價值[2-3]。

國內已經有具備自主知識產權的PEEK材料產品，并且相關產品的生產能力可以滿足核電發展的需求，但這些產品在核電領域還沒有實際應用[4]。針對這種現狀，筆者將國產PEEK絕緣材料與進口PEEK絕緣材料進行對比，通過各種性能試驗比較其性能指標，研究國產材料是否可以滿足核電廠電氣貫穿件的使用要求，為電氣貫穿件絕緣材料的選擇提供更多的選項。

1 國產PEEK絕緣材料

適用于核電廠電氣貫穿件的國產PEEK絕緣材料是一種特種高分子材料，構成其主鏈結構的重復單元含有一個酮鍵和兩個醚鍵，其分子結構見圖1。

圖1 電氣貫穿件用國產PEEK絕緣材料分子結構

2 試驗方案

當核電廠及電氣貫穿件處于正常工況時，考慮到電氣貫穿件的工作環境，以及電氣導線與鋼質筒體之間的密封方式，絕緣材料對以下性能參數有特殊的要求：介電強度、體積電阻率、介電常數等電氣性能參數，拉伸強度、彎曲強度和硬度等力學性能參數。

當核電廠處于事故或嚴重事故工況時，電氣貫穿件的工作環境有可能變得非常惡劣，包括溫度、濕度及壓力急劇上升，環境放射性水平大大提高，甚至可能發生嚴重火災及爆炸。這些情況的出現，使得電氣貫穿件絕緣材料在熔點、阻燃性能及耐輻照性能等方面都需要滿足一定的要求。各種惡劣的環境疊加作用于電氣貫穿件上時，對絕緣材料的要求還會提高。當絕緣材料經過大劑量的輻照后，其內部晶體的組織、結構等是否會發生變化，需要經過試驗研究才能確定。

綜上所述，針對適用于核電廠電氣貫穿件的絕緣材料，所確定的試驗方案為：對樣本的拉伸強度、介電強度、熔點等應用環境所要求的各項基礎性能指標進行試驗；進行輻照試驗，并對輻照后樣本的熱分解溫度、結晶度、色度、彎曲強度、彈性模量及介電強度等性能指標進行試驗；同時，在試驗中增加進口材料的樣本，通過橫向對比，進一步驗證該國產材料是否可以滿足電氣貫穿件的使用要求。

3 基礎性能試驗及分析

對進口材料和國產材料的各項基礎性能進行試驗，得到的結果見表1。

表1 2種材料的基礎性能對比

在相同的試驗標準下，國產材料的電氣性能、防火性能和力學性能等與進口材料的差異較小，表明國產材料各項基礎性能完全可以滿足電氣貫穿件的使用要求。

4 輻照試驗及分析

在輻照試驗中，采用60Co γ射線對絕緣材料樣本進行照射，模擬材料在輻照環境中的老化過程。輻照基地鈷源為雙柵板源，包括升降系統、輸送系統、安全防護系統和計量體系等，裝源容量為3×105Ci(1.11×1016Bq)。經劑量計實際測量，放置樣本的輻照位置，劑量率為5 kGy/h。對所有樣本進行了3種輻照劑量的試驗，分別是100 kGy、1 000 kGy和2 000 kGy，其中：2 000 kGy的輻照劑量超過了核電廠電氣貫穿件正常工況、事故工況及嚴重事故工況下的累積輻照劑量。

4.1 樣本準備

輻照試驗的樣本選擇了3種國產牌號(770G、550G和551LG)的絕緣材料和2種進口牌號(450G和381G)的絕緣材料，其加工工藝及用途見表2。每種牌號的絕緣材料均設置3種形式的樣本規格，分別為彎曲樣條、方板及50 g顆粒物料。

表2 樣本材料的加工工藝及用途

4.2 輻照試驗后的性能試驗

評價材料耐輻照性能的方法[5]為：在某輻照劑量下，如果材料彎曲強度變化率小于5%，說明材料可以耐受該輻照劑量下的輻照。因此，研究經過一定劑量的輻照后，國產材料彎曲強度的變化率，同時對材料的結晶度、顏色、介電強度和熱分解溫度等指標進行試驗。

4.3 試驗結果

在電氣貫穿件內，450G、770G、550G材料的應用形式為絕緣管材或密封填充體，381G、551LG材料以擠包導線絕緣層的形式存在。不同的應用形式之間材料的性能會存在差異，因此所有絕緣材料的樣本經過輻照試驗后，分為2組分別進行對比。

4.3.1 450G、770G和550G樣本的對比

表3為輻照試驗前后，450G、770G、550G樣本各項性能的對比。由表3可得：3種樣本受輻照的影響均較小，隨著輻照劑量的增加，結晶度未出現大幅度下降情況；但是，結晶度波動較大，可能是因為輻照過程中，顆粒料實際接受的輻照劑量存在差異。

表3 450G、770G、550G樣本性能的對比

圖2為3種材料樣本受輻照影響后顏色的變化，從左到右分別是未輻照和100 kGy、1 000 kGy、2 000 kGy輻照的結果。隨著輻照劑量的增加，色度a與色度b呈增大的趨勢，樣本顏色向著紅黃色發展。

圖2 3種材料樣本受輻照后顏色的變化

圖3為3種材料樣本彎曲強度和彎曲模量的變化。

圖3 彎曲強度和彎曲模量隨輻照劑量的變化

由圖3可得：在不同輻照劑量下，3種材料樣本的彎曲強度均穩定在150 MPa左右，彎曲模量均穩定在3 500 MPa左右，并且隨著輻照劑量的增加，彎曲強度和彎曲模量均沒有明顯下降的趨勢。

表4為不同輻照劑量下，輻照后樣本相對于未輻照樣本的彎曲強度變化率。由表4可得：隨著輻照劑量的增加，770G和550G樣本的彎曲強度變化率均在5%以下，與450G樣本的性能相近，表明2種國產材料均可以滿足在2 000 kGy輻照劑量環境中的使用要求。

表4 不同輻照劑量下樣本彎曲強度變化率

圖4為介電強度隨輻照劑量的變化。

圖4 介電強度隨輻照劑量的變化

由圖4可得：3種材料樣本經過輻照后，介電強度穩定在14～17 kV/mm；隨著輻照劑量的增加，介電強度的變化幅度較小，輻照試驗對絕緣性能的影響較小，表明國產材料與進口材料的絕緣性能相近，并且兩者均可以滿足核電廠電氣貫穿件的絕緣要求。

4.3.2 381G與551LG樣本的對比

表5為381G和551LG樣本各項性能的對比，其中：因為未經輻照的381G樣本數量不足，所以無法給出其介電強度、色度等數據。由表5可得：隨著輻照劑量的增加，介電強度變化較小，受輻照影響較小，色度a與色度b呈增大的趨勢，樣本顏色向紅黃色變化，變化情況與圖2中樣本相似，熱分解溫度變化不明顯，并且未發現結晶度的變化規律。

表5 381G、551LG樣本性能的對比

圖5是彎曲強度隨輻照劑量的變化。

圖5 彎曲強度隨輻照劑量的變化

由圖5可得：隨輻照劑量的增加，381G樣本的彎曲強度呈增加的趨勢，當輻照劑量為2 000 kGy時，彎曲強度變化率為1.7%，551LG樣本彎曲強度變化幅度較小，受輻照的影響較小。通過對比得到，2種材料樣本的彎曲強度變化率均小于5%，表明551LG和381G材料均可以耐受2 000 kGy的輻照劑量。

圖6為彎曲模量隨輻照劑量的變化。由圖6可得：2種材料的彎曲模量均隨輻照劑量的增加而增加；551LG樣本彎曲模量的增加幅度小于381G樣本，說明551LG材料受輻照的影響更小。

圖6 彎曲模量隨輻照劑量的變化

綜上所述，輻照僅對國產PEEK絕緣材料的外觀顏色有微弱影響，對其他關鍵性能的影響較小。

5 結語

針對核電領域電氣貫穿件內關鍵絕緣材料生產制造亟需國產化的現狀，對國產PEEK絕緣材料進行了試驗研究，得到以下結論：

(1) 所研究的材料各項基礎性能均滿足電氣貫穿件的使用要求。

(2) 經過不同劑量的輻照后，絕緣材料的各項性能變化較小，受輻照影響較小，材料本身的耐輻照性能較好。

(3) 通過橫向對比，國產PEEK絕緣材料的各項性能指標與進口PEEK絕緣材料接近，可以起到很好的替代作用。

研究成果可為電氣貫穿件絕緣材料的選擇提供更多的選項。