电气贯穿件国产PEEK绝缘材料性能研究

申 鹏， 全先德， 吴珂科， 付丰年， 黄文军， 邝振华

(1. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240； 2. 中广核工程有限公司， 广东深圳 518124)

电气贯穿件是安装在核电厂安全壳上，用于电缆穿越安全壳的专用电气设备，其作为安全壳的一部分，在正常或事故条件下，能保持核反应堆安全壳压力边界的完整性和电气信号的连续性[1]。电气贯穿件主要由外部的钢质筒体和内部各型号电缆组成，在筒体与电缆之间分布着各种式样的绝缘材料。

目前，国内电气贯穿件生产厂商均选择了某进口品牌的聚醚醚酮(PEEK)材料作为其关键绝缘材料。该进口材料可以保证电气贯穿件在各种工况下电气的连续性及密封的完整性，在核电领域具有很高的应用价值[2-3]。

国内已经有具备自主知识产权的PEEK材料产品，并且相关产品的生产能力可以满足核电发展的需求，但这些产品在核电领域还没有实际应用[4]。针对这种现状，笔者将国产PEEK绝缘材料与进口PEEK绝缘材料进行对比，通过各种性能试验比较其性能指标，研究国产材料是否可以满足核电厂电气贯穿件的使用要求，为电气贯穿件绝缘材料的选择提供更多的选项。

1 国产PEEK绝缘材料

适用于核电厂电气贯穿件的国产PEEK绝缘材料是一种特种高分子材料，构成其主链结构的重复单元含有一个酮键和两个醚键，其分子结构见图1。

图1 电气贯穿件用国产PEEK绝缘材料分子结构

2 试验方案

当核电厂及电气贯穿件处于正常工况时，考虑到电气贯穿件的工作环境，以及电气导线与钢质筒体之间的密封方式，绝缘材料对以下性能参数有特殊的要求：介电强度、体积电阻率、介电常数等电气性能参数，拉伸强度、弯曲强度和硬度等力学性能参数。

当核电厂处于事故或严重事故工况时，电气贯穿件的工作环境有可能变得非常恶劣，包括温度、湿度及压力急剧上升，环境放射性水平大大提高，甚至可能发生严重火灾及爆炸。这些情况的出现，使得电气贯穿件绝缘材料在熔点、阻燃性能及耐辐照性能等方面都需要满足一定的要求。各种恶劣的环境叠加作用于电气贯穿件上时，对绝缘材料的要求还会提高。当绝缘材料经过大剂量的辐照后，其内部晶体的组织、结构等是否会发生变化，需要经过试验研究才能确定。

综上所述，针对适用于核电厂电气贯穿件的绝缘材料，所确定的试验方案为：对样本的拉伸强度、介电强度、熔点等应用环境所要求的各项基础性能指标进行试验；进行辐照试验，并对辐照后样本的热分解温度、结晶度、色度、弯曲强度、弹性模量及介电强度等性能指标进行试验；同时，在试验中增加进口材料的样本，通过横向对比，进一步验证该国产材料是否可以满足电气贯穿件的使用要求。

3 基础性能试验及分析

对进口材料和国产材料的各项基础性能进行试验，得到的结果见表1。

表1 2种材料的基础性能对比

在相同的试验标准下，国产材料的电气性能、防火性能和力学性能等与进口材料的差异较小，表明国产材料各项基础性能完全可以满足电气贯穿件的使用要求。

4 辐照试验及分析

在辐照试验中，采用60Co γ射线对绝缘材料样本进行照射，模拟材料在辐照环境中的老化过程。辐照基地钴源为双栅板源，包括升降系统、输送系统、安全防护系统和计量体系等，装源容量为3×105Ci(1.11×1016Bq)。经剂量计实际测量，放置样本的辐照位置，剂量率为5 kGy/h。对所有样本进行了3种辐照剂量的试验，分别是100 kGy、1 000 kGy和2 000 kGy，其中：2 000 kGy的辐照剂量超过了核电厂电气贯穿件正常工况、事故工况及严重事故工况下的累积辐照剂量。

4.1 样本准备

辐照试验的样本选择了3种国产牌号(770G、550G和551LG)的绝缘材料和2种进口牌号(450G和381G)的绝缘材料，其加工工艺及用途见表2。每种牌号的绝缘材料均设置3种形式的样本规格，分别为弯曲样条、方板及50 g颗粒物料。

表2 样本材料的加工工艺及用途

4.2 辐照试验后的性能试验

评价材料耐辐照性能的方法[5]为：在某辐照剂量下，如果材料弯曲强度变化率小于5%，说明材料可以耐受该辐照剂量下的辐照。因此，研究经过一定剂量的辐照后，国产材料弯曲强度的变化率，同时对材料的结晶度、颜色、介电强度和热分解温度等指标进行试验。

4.3 试验结果

在电气贯穿件内，450G、770G、550G材料的应用形式为绝缘管材或密封填充体，381G、551LG材料以挤包导线绝缘层的形式存在。不同的应用形式之间材料的性能会存在差异，因此所有绝缘材料的样本经过辐照试验后，分为2组分别进行对比。

4.3.1 450G、770G和550G样本的对比

表3为辐照试验前后，450G、770G、550G样本各项性能的对比。由表3可得：3种样本受辐照的影响均较小，随着辐照剂量的增加，结晶度未出现大幅度下降情况；但是，结晶度波动较大，可能是因为辐照过程中，颗粒料实际接受的辐照剂量存在差异。

表3 450G、770G、550G样本性能的对比

图2为3种材料样本受辐照影响后颜色的变化，从左到右分别是未辐照和100 kGy、1 000 kGy、2 000 kGy辐照的结果。随着辐照剂量的增加，色度a与色度b呈增大的趋势，样本颜色向着红黄色发展。

图2 3种材料样本受辐照后颜色的变化

图3为3种材料样本弯曲强度和弯曲模量的变化。

图3 弯曲强度和弯曲模量随辐照剂量的变化

由图3可得：在不同辐照剂量下，3种材料样本的弯曲强度均稳定在150 MPa左右，弯曲模量均稳定在3 500 MPa左右，并且随着辐照剂量的增加，弯曲强度和弯曲模量均没有明显下降的趋势。

表4为不同辐照剂量下，辐照后样本相对于未辐照样本的弯曲强度变化率。由表4可得：随着辐照剂量的增加，770G和550G样本的弯曲强度变化率均在5%以下，与450G样本的性能相近，表明2种国产材料均可以满足在2 000 kGy辐照剂量环境中的使用要求。

表4 不同辐照剂量下样本弯曲强度变化率

图4为介电强度随辐照剂量的变化。

图4 介电强度随辐照剂量的变化

由图4可得：3种材料样本经过辐照后，介电强度稳定在14～17 kV/mm；随着辐照剂量的增加，介电强度的变化幅度较小，辐照试验对绝缘性能的影响较小，表明国产材料与进口材料的绝缘性能相近，并且两者均可以满足核电厂电气贯穿件的绝缘要求。

4.3.2 381G与551LG样本的对比

表5为381G和551LG样本各项性能的对比，其中：因为未经辐照的381G样本数量不足，所以无法给出其介电强度、色度等数据。由表5可得：随着辐照剂量的增加，介电强度变化较小，受辐照影响较小，色度a与色度b呈增大的趋势，样本颜色向红黄色变化，变化情况与图2中样本相似，热分解温度变化不明显，并且未发现结晶度的变化规律。

表5 381G、551LG样本性能的对比

图5是弯曲强度随辐照剂量的变化。

图5 弯曲强度随辐照剂量的变化

由图5可得：随辐照剂量的增加，381G样本的弯曲强度呈增加的趋势，当辐照剂量为2 000 kGy时，弯曲强度变化率为1.7%，551LG样本弯曲强度变化幅度较小，受辐照的影响较小。通过对比得到，2种材料样本的弯曲强度变化率均小于5%，表明551LG和381G材料均可以耐受2 000 kGy的辐照剂量。

图6为弯曲模量随辐照剂量的变化。由图6可得：2种材料的弯曲模量均随辐照剂量的增加而增加；551LG样本弯曲模量的增加幅度小于381G样本，说明551LG材料受辐照的影响更小。

图6 弯曲模量随辐照剂量的变化

综上所述，辐照仅对国产PEEK绝缘材料的外观颜色有微弱影响，对其他关键性能的影响较小。

5 结语

针对核电领域电气贯穿件内关键绝缘材料生产制造亟需国产化的现状，对国产PEEK绝缘材料进行了试验研究，得到以下结论：

(1) 所研究的材料各项基础性能均满足电气贯穿件的使用要求。

(2) 经过不同剂量的辐照后，绝缘材料的各项性能变化较小，受辐照影响较小，材料本身的耐辐照性能较好。

(3) 通过横向对比，国产PEEK绝缘材料的各项性能指标与进口PEEK绝缘材料接近，可以起到很好的替代作用。

研究成果可为电气贯穿件绝缘材料的选择提供更多的选项。