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1、聚氨酯复合材料在水力发电设备中的应用2012年第2期东北电力技术49聚氨酯复合材料在水力发电设备中的应用潘吉林,崔文军,李君明.(1.国网电力科学研究院,湖北武汉430074;2.辽-7省电力有限公司,辽-7沈阳110006;3.丹东供电公司,辽宁丹东118000)摘要:通过拉挤成型工艺制备了热固性改性聚氨酯玻纤增强复合材料,测试了材料的力学性能,耐酸碱腐蚀性能,湿热老化性能,材料密度及树脂含量,探讨了该复合材料的优点及其应用于水力发电设备的可行性.玻纤增强改性聚氨酯复合材料替换水力发电设备中的易腐蚀结构件材料,可以降低设备重量,提高设备运行可靠性,降低设备维护和更换频率.其突出的耐酸碱盐及耐
2、高低温老化的特性在海水发电中具有广阔的应用前景.关键词:聚氨酯;玻璃纤维;复合材料;水力发电中图分类号TM612;TB33文献标志码A文章编号10047913(2012)020049一o4TheResearchofPolyurethanebased-CompositeAppliedinHydropowerEquipmentPANJi-lin,CUIWen-jun,LIJunming(1.StateGridElectricPowerResearchInstitute,Wuhan,Hubei430074,China;2.LiaoningElectricPowerCo.,Ltd,Shenyang,L
3、iaoning110006,China;3.DandongPowerSupplyCompany,Dandong,Liaoning118000,China)Abstract:Modifiedpolyurethanecompositereinforcedbyfiberwaspreparedbypuhmsionprocess,andtheperformancesofmechanicproperties,chemicalresistanceandheathumidity?蟛ngresistanceforthecompositearetestedalongwiththedensityandresinco
4、ntent.Thefiberreinforcingpolyurethanecompositewillbeapotentialmaterialusedinhydmpowerfortheiroutstandingadvantagesonmechanicandchemicalresistanceproperties.Keywords:Polyurethane;Fiber;Composite;Hydropower1聚氨酯复合材料简述水力发电是目前最成熟的可再生能源发电技术,水电可持续发展报告中指出,截至2010年底我国水电装机容量已超过2亿kW,预计到2020年全国水电装机容量将达到3.9亿kW,位居
5、重点可再生能源发展领域的第一位.水力发电的大规模增加,势必增大相关发电设备需求量.由于水力发电的特殊性,许多设备直接和水接触.传统水力发电设备及配件,如水轮机叶片,消防管道,冷却水管等都是金属材料,长期触水会加速腐蚀.而在海水发电中,温差发电的冷水吸水管多数用金属材料,腐蚀情况更加明显,强烈的温差变化和碱性海水大大缩短设备的使用寿命,提高了水力发电的成本.近年来日本研发的玻纤增强树脂复合材料开始替代温差发电的冷水吸水管.Hankuk玻璃纤维公司(以下简称HFG)利用复合材料研发优势成功地将电厂的旧式铸铁材更换为复合材料管,延长了设备正常运行时间.在100kW级工厂,涡轮翼端直径在45m以上,要
6、求材料比强度高且对海水的耐腐蚀性好,玻纤增强树脂复合材料有望解决这些问题.聚氨酯是一类应用广泛的树脂,具有优异的物理及机械性能,良好的耐候性和化学稳定性,耐磨性,高温热稳定性及灵活的结构可设计性一J.通过玻璃纤维增强的热固性聚氨酯复合材料不仅具备聚氨酯树脂的优异性能,而且拉伸强度,抗冲击强度和剪切强度也大幅度提升J.近年来,随着玻纤树脂复合材料工艺的开发,可制备出满足不同需求的产品.结构反应注射成型(SRIM)和树脂传递成型(RTM)可适合制备不同外形的产品,拜50东北电力技术2012年第2期耳材料科学公司已成功地在RTM技术中使用聚氨酯树脂,相应工艺产品广泛运用于皮卡的货箱,多用途车的中门板
7、等.聚氨酯玻纤拉挤成型在北美开始实现商业化,聚氨酯拉挤过程中,可以使用更多的增强纤维,使制品强度大大提高,且更薄更轻.缠绕成型是玻纤树脂复合材料的又一大突破,加拿大的RS技术公司使用其专有的聚氨酯树脂和纤维缠绕专利技术制造了装配式复合材料电线杆.聚氨酯玻纤复合材料优异的性能及日趋成熟的加工工艺,使相应的复合材料产品逐渐进入市场.水力发电中,国外玻纤增强树脂复合材料成功运行的先例,为我们研发的玻纤增强聚氨酯复合材料运用于水力发电设备提供了借鉴.本文通过拉挤工艺,用玻璃纤维增强改性后的聚氨酯树脂,得到了玻纤增强改性聚氨酯复合材料,重点研究了该材料的机械性能,耐腐蚀性能和耐高低温湿热老化性能,探讨玻
8、纤增强改性聚氨酯复合材料在水力发电设备中应用的可行性,尤其是应用于海水发电领域.2试验部分2.1试验材料自制改性聚氨酯;采用重庆国际复合材料有限公司生产的E级玻璃纤维.2.2试验仪器试验仪器及生产厂家如下:15T液压式拉挤设备(NLY一15TB),南京诺尔泰复合材料设备制造有限公司;电子天平,上海恒平科学仪器有限公司;马弗炉(SX21510),武汉亚华电炉有限公司;万能材料试验机(CMT5105),美特斯工业系统有限公司;高低温湿热老化烘箱(ER一04KA),广州爱斯佩克环境仪器有限公司;氙灯老化试验箱(AtlasCi400+),美国锡莱一亚太拉斯有限公司.2.3性能测试拉挤成型工艺制备的玻纤
9、增强改性聚氨酯复合材料,通过相应设备测试目标材料的性能.2.3.1力学性能试验拉伸试验:样品制备和试验方案参照GB/T1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法.弯曲试验:样品制备和试验方案参照GB/T1447-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法.2.3.2耐腐蚀性能试验样品制备和试验方案参照GB/T3857_2005玻璃纤维增强热固性塑料耐化学介质性能试验方法.2.3.3耐高低温湿热老化试验样品制备和试验方案参照GB/T2574-89玻璃纤维增强塑料湿热试验.2.3.4密度测试样品制备和试验方案参照GB/T1436-2005纤维增强塑料密度和相对密度试验方法.2.3.5树脂含量测试样品
10、制备和试验方案参照GB/T2577-2005玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法.3试验结果3.1力学性能试验传统水力发电设备中对材料力学性能要求最高的就是水轮机部件.表1列出了水轮机的国家力学标准数据.标准中所有部件的工作应力不得超过规定的许用应力.其中正常工况条件下采用经典公式计算的断面应力不大于表l规定的许用应力,特殊工况条件下采用经典公式计算的断面应力不大于材料屈服极限的2/3;对于承受剪切和扭转力矩的零部件,铸铁的最大剪应力不得超过21MPa,其它黑色金属最大剪应力不得超过许用拉应力的70%,但其中机组主轴和导叶轴的最大剪应力不得超过许用应力的60%.混流式和转桨式水轮机转轮叶片在预期的
11、最大荷载条件下正常运行时,转轮各部位最大应力不应超过材料屈服极限的】/5;在最高飞逸转速时,最大应力不应超过材料屈服极限的2/5.冲击式转轮在预期的最大荷载条件下正常运行时,转轮各部位最大应力不应超过材料屈服极限的1/18.表2为玻纤增强改性聚氨酯复合材料的力学测试结果.很明显,玻纤增强聚氨酯复合材料无论是拉伸应力还是压应力都有较高强度.如果按照表1其他材料一栏进行换算,玻纤增强改性聚氨酯复合材料的许用拉伸应力和压缩应力分别为167MPa和70MPa,其数值相对如灰铸铁,碳素铸钢和合金铸铁有明显优势.除此,玻纤增强改性聚氨酯复合材料的弯曲力学性能测试结果表明,该复合材料无论横向或纵向都具备较好
12、的弯曲强度,其数值都高于200MPa,而且整个材料都具有较高的模量.整体分析拉挤工艺玻纤增强聚氨酯复合材料,其力学性能优异,可达到水力发电设备力学性能国家标准,为应用于水力发电提供了前提保证.2012年第2期东北电力技术5l表1水轮机部件正常运行工况许用应力(参见国标GB/T15468-20116)许用应力材料名称拉应力/MPa压应力/MPa灰铸铁u.S/1033570碳素铸钢和合金铸铁U.T.S/5370碳钢锻件Y.S/3>90主要受力部位碳素钢板U.S/4>100高应力部件高强度钢板Y.S/3>130其它材料U.T.S;/5或Y.S/3注:1.U.S为强度极限;2.Y.S
13、为屈服极限.表2改性聚氨酯/玻纤复合材料力学性能测试项目平均值拉伸应力(纵向)/MPa834拉伸模量(纵向)/GPa48压缩应力(纵向)/MPa352压缩模量(纵向)/GPa10纵向925弯曲应力/MPa横向220纵向36弯曲模il/GPa横向183.2耐腐蚀性能试验水力发电设备所用钢铁材料最致命的弱点就是抗腐蚀性差,没有采取任何措施的普通钢金属材料在强酸或强碱溶液中浸泡不到2个星期,就会完全散失其力学强度.为了克服这一缺陷,水力发电和水接触的金属设备,尤其是海水发电金属设备,都会采取防腐措施.如在金属表面涂上防腐涂层或采用抗腐蚀性的不锈钢合金.增加了材料成本,维护成本也较高.表3是玻纤增强改
14、性聚氨酯复合材料在强酸,强碱及高浓度盐溶液中浸泡后材料力学性能损失情况.在80高温,经过28天玻纤增强改性聚氨酯复合材料在强碱溶液中力学模量强度损失最多,但其数值仍保有初始值的64%.而在室温条件下,无论强酸,强碱溶液,还是高浓度盐溶液,改性聚氨酯玻纤增强复合材料经过30天后,其力学模量损失都较小,仍保留初始值的90%以上,显然,相对钢制金属材料,改性聚氨酯玻纤增强复合材料更适合应用于水力发电装备,尤其是海水发电设备,其良好的耐酸,碱及盐特性,能降低材料损耗,延长设备使用寿命.表3改性聚氨酯玻纤增强复合材料耐腐蚀性能结果3.3耐高低温湿热老化试验水力发电设备会长时间浸泡水中或处在高湿度环境中运
15、作.考虑到树脂材料易老化的缺点,相应玻纤增强改性聚氨酯复合材料经过高低温湿热老化试验,测试结果见表4和表5.在60c【=高湿度(93%)环境下,经过28天试验后,相应复合材料的力学模量几乎无损耗,其值仍维持原始值的97.8%.同样,经过高低温交替(25qC和60cC)湿热老化试验,28天后,材料的力学损耗也较小,其数值保持初始值97%.湿热老化试验结果也支持了改性聚氨酯玻纤增强复合材料运用于水力发电设备的可行性.表4恒定温度湿热老化试验6093%RH12h25qC93%RH12h3.4复合材料密度及玻纤含量测定玻纤增强改性聚氨酯复合材料的密度约为2.2g/cm(见表6),接近混凝土的密度(2.
16、3g/cm左右),远低于钢材的密度(7.9g,/cm左右).由此可见,玻纤增强聚氨酯复合材料的力学强度与钢材相近,而其密度却明显低于钢铁,如果能代替水力发电设备中的钢材,可降低构件的重量及成本,提高运输,安装的便利性.另外,玻纤增强改性聚氨酯复合材料的树脂含量低,玻纤含量高.树脂含量低于14%,玻璃纤维含量高于86%(表7),这能维持复合材料的强度不降前提下,降低材料成本.表6改性聚氨酯玻纤增强复合材料密度测试c样品编号12345平均值密度2.23422.15792.16142.17432.16632.1788K0O,.79.K或一一一一一52东北电力技术2012年第2期表7改性聚氨酯玻纤增强
17、复合材料树脂含量测试结果%呈!兰塑堕树脂含量13.3113.3814.1813.62塾墨堑丝鱼墼:!:竺堑:墼:4结论以改性聚氨酯树脂和E级玻璃纤维为原材料,通过拉挤成型工艺制备的玻纤增强改性聚氨酯复合材料机械性能优异,耐酸碱盐腐蚀及湿热老化性能良好,而且材料密度小,树脂含量低,替换水力发电设备中的易腐蚀结构件材料,如水轮机叶片,水轮机外壳,引水管道等,可以降低设备重量,提高设备运行可靠性,降低设备维护和更换频率.其突出的耐酸碱盐及耐高低温老化的特性,可为其在海水发电中带来巨大的应用前景.参考文献:11KralP.Synthesismethods,chemicalstructuresandph
18、asestructuresoflinearpolyurethanes:Propertiesandapplicationsoflineatpolyurethanesinpolyurethaneelastomers.copolymersandionomersJ.PmgressinMaterialsScience,2007,52(6):9l510l5.2ZhangCY,ZhangXY,DaiJB,eta1.Synthesisandproper?tiesofPDMSmodifiedwaterbornepolyurethane-acrylichybride.mulsionbysolvent.freeme
19、thodJ.ProgressinOrganicCoat.ings,20【)8,63(3):238244.3GogolewskiS.Biomedicalpolyurethanes.In:ArshadyR,editor.Deskreferenceoffunctionalpolymers.SynthesesandapplicationsM.Washington,DC:AmericanChemicalSociety,1996,65798.4李国忠,郑少华,于衍真.等.聚氨酯复合材料衬板在振动磨中的应用J.玻璃钢/复合材料,1997,38(3):3031.5叶鼎铨.玻璃纤维增强聚氨酯j.玻璃纤维,200
20、9,32(2):4346.6张蔚,陈丰,孙宇,等.低桁度长玻纤增强聚氨酯复合材料的力学性能J.工程塑料应用,2011,39(2):2427.7田淑娴,段行知.酸性条件下国内外用管情况及金属防腐分析J.管道技术与设备,2011,19(1):4446.8李志国.浅议金属管道腐蚀与防护问题J.消费导刊,2011,9(3):116117.作者简介:潘吉林(198O一),男,博士,研究方向为高分子材料高性能化与功能化.(收稿日期20111207)<><>0<><><>(><><><><,<&
21、gt;<><><><>C><><>C><><>C<>CC<>><>>(>(<><)<j<>CI><>t:0>(,(上接第42页)测起始点,比较复合材料杆塔与钢管单杆铁塔相同路径下的电场场强分布情况,其中A点高于地面2m,B点,c点,D点分别处于下中上相横担下方4m左右,A,c,D点距离杆塔主体宽度为0.5m左右6J.A,B,C,D4个路径观测起始点如图2所示.在A点分别沿轴正
22、方向,z轴负方向2条观测路径,各取100个观测点,传统铁塔和复合材料杆塔路径观测点电场强度分布如图3所示.复合材料杆塔与钢管单杆铁塔在相同路径情况下,两者沿z轴方向电场分布情况明显不同,复合材料杆塔沿z轴方向电场强度分布较均匀,部分区域电场数值明显低于钢管单杆铁塔时电场数值.仿真计算中导线的存在对沿z轴电场强度有明显影响,而复合材料杆塔非零电位使得沿z轴电位分布明显不同于钢管单杆铁塔情况.参考文献:1TransmissionandDistributionCommittee.IEEEguideforappli?cationofcompositelinepostinsulatorsS.NewYor
23、k:2004.3结论2w.H.Hayt.EngineeringelectmmaeticsM.Washing.a.由复合材料杆塔与钢管单杆铁塔不同区域电场强度计算结果最大值可知,相同区域内复合材料杆塔电场场强最大值低于钢管单杆计算值,主要是复合材料杆塔的绝缘性能使各处电位不会全为零,而钢管单杆铁塔接地后,仿真计算视其电位为地电位(零电位),复合材料杆塔周围电位梯度下降速率不如钢管单杆铁塔明显,电场强度相对较小.b.根据相同路径点观测电场强度分布情况,复合材料杆塔与钢管单杆铁塔在相同路径情况下,两者沿轴方向电场分布情况极相似,其中复合材料杆塔的电场强度数值略低.c.根据相同路径点观测电场强度分布情况,ton:TheMcGraw-Hill,2006.3刘树堂.输电杆塔结构及其基础设计M.北京:中国水利水电出版社,2005.4江汛,王仲奕,金强.棒形悬式复合绝缘子电场计算和优化J.高压电器,2005,41(5):340342.5黄道春,阮江军,刘佳,等.330kV绝缘子串电压分布和屏蔽环位置的优化J.高电压技术,2007,33(1):9l一94.6路遥,邬雄,万保权,等.交流特高压线路下电场强度的改善J.高电压技术,2O06,32(12);6668,82.作者简介:张弓达(1986一),男,硕士,工程师,从事电磁场理论与电磁环境研究.(收稿日期201lI125)