耐辐照1E级热缩管辐照交联剂量的研究

＊邢福发 刘磊 杨昭云 王佰茂 饶喜梅 王思聪

（1.深圳市沃尔核材股份有限公司 广东 518118 2.上海核工程研究设计院 上海 200233）

1.前言

随着电力行业节能减排深入推进。全国平均供电煤耗、线损率、污染物排放水平均稳步下降，煤电机组超低排放改造比例进一步提升。而核电由于其高效、绿色、安全的特点，每年的装机容量正逐年递增，在2019年，其核电装机容量已经达到4874万千瓦，比上年增长9.1%。核电有着很大的应用前景与发展前景。

1E级热缩管用于核电站内电线电缆的终端连接与中间接头连接，需要在极端恶劣设计基准事故环境下起到电线电缆密封、连接和再绝缘的作用，并且在发生地震、超设计基准的严重事故下仍能提供有效保护，这就需要热缩管具有很好的耐热性能、耐辐照性能、耐潮湿性能。1E级热缩管通过电子加速器的辐照交联赋予管材“形状记忆”功能，制造出扩张倍率大小可调的各型热缩套管，而后热缩管还需经历事故辐照考验，为使1E级热缩管性能达到最佳，本文探究了不同辐照剂量下1E级热缩套管的性能。

2.材料与方法

(1)实验原料与加工设备

核电母粒：通过密炼机密炼，双螺杆造粒后得到，公司自制；核电热熔胶：通过密炼机密炼，双螺杆造粒后得到，公司自制；35L密炼机，昆山科信KSML-35；双螺杆造粒机江苏新达科技PSHJ-50；单螺杆复合挤出机组，上海通冷SJ-65和齐昌塑机SJ-45复合挤出机组；电子直线加速器，无锡爱邦AB-30、AB-40；比利时IBA RDI5.0/30；扩张机，WOER正压扩张机；微机控制电子拉力试验机，高铁检测仪器AI-7000-S；老化箱GWS，PHH-201。

(2)1E级热缩管的制备

将核电母粒和核电热熔胶干燥预热后加入单螺杆复合挤出机组料斗，将母料挤出成管材，SJ-45螺杆各区温度分别为85℃、125℃、135℃、135℃，SJ-65螺杆各区温度为115℃、135℃、150℃、155℃。机头温度为150℃。挤出后的管材经冷却后收卷上盘。本文将以实际生产中，生产数量最多的Ф28mm规格为试验对象。

将收卷后的管材以一定的速度通过电子直线加速器，辐照剂量分别为8Mrad、10Mrad、12Mrad、14Mrad、16Mrad、18Mrad、20Mrad、22Mrad、24Mrad、26Mrad、28Mrad、30Mrad。

(3)测试与表征

①力学性能测试。按GB/T 2951.11-2008执行。

②老化性能测试。按照GB/T 2951.12-2008执行，老化温度为150℃±3℃，老化时间为168h，取出放置完全冷却后测量其拉伸强度与断裂伸长率。计算其变化率。

③热延伸性能测试。按照GB/T 2951.21-2008执行，烘箱温度设置为200℃±3℃。

④扩张良品率测定。在相同的扩张条件下扩张不同辐照剂量的1E级热缩管，通过检测产品的合格率来测定其扩张性能。

3.结果与讨论

(1)辐照剂量对拉伸强度的影响

在电子加速器高能电子的轰击下，聚合物分子链会被打断，被打断的部分形成自由基，与其他自由基组合，将原来的链状分子结构变为三维网状结构。从图1我们可以看到，随着辐照剂量的增加，热缩管的拉伸强度有所增加，当辐照剂量为24Mrad时，其拉伸强度达到最大为13.68MPa，这主要由于聚合物交联反应占优导致的，随着辐照剂量的继续增加，拉伸强度开始缓慢下降，这是由于辐照剂量过大，聚合物开始呈裂解趋势。

图1 辐照剂量对拉伸强度的影响

(2)辐照剂量对断裂伸长率的影响

随着辐照剂量的增加，1E级热缩管断裂伸长率的变化如图2所示，一直呈下降趋势。辐照剂量的增加到一定幅度时，聚合物交联度开始增加，交联反应起主导作用，聚合物形成了三维网状结构，分子链由链状变为网状，所以其断裂伸长率有所上涨。随着辐照剂量的继续增加，聚合物分子链逐渐断裂，聚合物裂解反应起主导作用，所以其断裂伸长率开始缓慢下降。

图2 辐照剂量对断裂伸长率的影响

(3)辐照剂量对老化性能的影响

不同辐照剂量后的产品在150℃±3℃老化168h后，随着辐照剂量增加，交联度不断增加，老化后其拉伸强度均有所提升，断裂伸长率都有一定幅度的降低，随着辐照剂量的增加，其热老化后的伸长率变化率在不断降低，到达一个最小值，这得益于聚合物的网状交联结构，随着辐照剂量的继续增大，其变化率开始增大，这是由于辐照剂量过大后，聚合物开始发生降解，不能继续保持良好的老化性能。

(4)辐照剂量对热延伸的影响

聚合物辐照后形成网络交联结构，而热延伸便能很直观的反应聚合物的交联程度，测试了不同辐照剂量的1E级热缩套管的热延伸，我们可以从图3中看出，随着辐照剂量的增加，交联程度开始增大，其热延伸开始降低。当辐照剂量继续增大时，分子链开始呈现断裂现象，交联程度开始减小，其热延伸开始增大。其结果与力学性能测试相符，也进一步说明了辐照对聚合物的影响。

图3 辐照剂量对热延伸的影响

(5)辐照剂量对扩张投入产出比的影响

我们对1E级热缩管进行了不同辐照工艺和不同辐照剂量的实验，在相同的扩张条件下对不同辐照工艺和不同辐照剂量的热缩管进行了扩张。扩张相同长度的热缩管，检测其扩张投入产出比。

由于电子加速器辐照高剂量时，容易产生很多热量，连续辐照高剂量产品后容易造成电子加速器束下装置发生故障，所以调整辐照工艺，通过二遍或者三遍辐照，使辐照剂量累加到实验所需剂量。辐照遍数增加，1E级热缩管经过辐照后变热，存在辐照拉伸的风险，辐照遍数不能太多。

1E级热缩管二遍辐照累加剂量对扩张投入产出比的影响，随着辐照剂量的增加，其扩张投入产出比呈现出先增后减的趋势。到辐照累加剂量在20-24Mrad时，其扩张投入产出比达到最高值。这是由于当辐照剂量过低时，会导致1E级热缩管交联度较低，容易发生扩张壁厚不均匀度大、收缩慢、收缩不到位的情况。当辐照剂量过高时，1E级热缩管交联度呈裂解趋势，断裂伸长率逐渐下降，容易发生扩张开裂或者无法完全扩张的情况。

1E级热缩管三遍辐照累加剂量对扩张投入产出比的影响，三遍辐照累加剂量和两遍辐照累加剂量一样，随着辐照剂量的增加，其扩张投入产出比呈现出先增后减的趋势。在低辐照剂量时，同样辐照剂量的情况下，1E级热缩管三遍辐照累加剂量的辐照方式比二遍辐照累加剂量的扩张投入产出比高出8%-10%，随着累加剂量的增加，三遍辐照累加剂量的辐照方式的1E级热缩管逐渐的比二遍辐照累加剂量的扩张投入产出比8%-10%低，最高也只能达到82%。

4.结论

通过对拉伸强度、断裂伸长率、热老化性能、热延伸性能的研究以及扩张投入产出比的探究。可以看出随着辐照剂量的增加，1E级热缩管的拉伸强度先增加后减小，在24Mrad时达到峰值，其断裂伸长率先降低后增加，达到一定程度后不断降低，老化性能与热延伸率都在辐照剂量为22Mrad时达到最优。根据辐照方式的不同，在性能最佳的辐照剂量情况下，二遍辐照累加剂量的辐照方式的1E级热缩管比三遍辐照累加剂量的扩张投入产出更高。通过试验验证，可以得出1E级热缩管以二遍辐照累加剂量的辐照方式，辐照剂量累加为20-24Mrad时达到最优辐照交联效果和最高的扩张投入产出比。