油气设备光固化快速堵漏技术初探.pdf

89第 52 卷2024 年 1 月Vol.52 No.1Feb.2024云南电力技术YUNNAN ELECTRIC POWER油气设备光固化快速堵漏技术初探许培俊1，郭新良2，刘荣海2，何运华2，杨雪滢2，宋玉锋2，程雪婷2（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院博士后科研工作站，云南 昆明 650217；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院金属化学研究所，云南 昆明 650217）摘要：变压器、GIS开关柜等电气设备需要通过填充绝缘油或SF6气体实现绝缘充油、充气电气设备中常常出现各种渗漏问题，在设备运行过程中快速实施原位堵漏修复的技术需求及其迫切。本文介绍了利用光固化树脂的瞬时固化技术，对泄漏较为严重的油气绝缘设备进行快速堵漏的修复方法，并对该类树脂的固化反应速率、粘接强度、堵漏效果、及其在各类有机液体环境中的稳定性进行研究，在实验室进行初步探索后认为该技术具有良好的现场快速堵漏的应用前景，堵漏效果、树脂稳定性和牢固性能良好。关键词：油气填充；电气设备；堵漏；光固化；树脂Preliminary Study on Light Curing Rapid Plugging Technology for Oil and Gas Filling Electrical EquipmentXu Peijun1,Guo Xinliang2,Liu Ronghai2,He Yunhua2,Yang Xueying2,Song Yufeng2,Cheng Xueting2（1.Postdoctoral Research Workstation,Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co.,Ltd.,Kunming 650217,China;2.Institute of Metal and Chemistry,Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co.,Ltd.,Kunming 650217,China）Abstract:Various leakage problems often occur in sealed electrical equipment such as transformers,GIS switch cabinets,etc.The technical needs and urgency of quickly implementing in-situ leakage repair during the operation of the equipment.This article introduces the use of instant curing technology of light curing resin to quickly repair the oil and gas leaked electrical equipment.And thecuringreaction,bondingstrength,pluggingeffect,andthestabilityinsomeorganicliquidareinvestigated.Afterpreliminaryexploration in the laboratory,it is believed that this technology has good application prospects for rapid plugging on electrical equipment.Key words:Oilandgasfilling;electricalequipment;plugging;lightcuring;resin中图分类号：TM74文献标识码：B文章编号：1006-7345（2024）01-0089-040前言充油和充气绝缘设备是电力系统中较为常见的重要设备。例如在油浸变压器中填充着大量液态变压器油作为绝缘材料，但在长期运行过程中不可避免的会在法兰结合面、散热片节阀等部位、检修孔等部位出现不同程度的渗漏现象（图 1），轻则影响变压器油量的长期稳定性，重则导致反复停电检修封堵，造成大量经济损失并增大安全风险1。GIS 开关柜等设备中需要注入高压 SF6气体提高绝缘安全性。但是高压气体的易渗漏问题对此类绝缘设备的密封性提出了较高要求。因此，尤其在渗漏较为严重的充油和充气绝缘设备领域，快速堵漏技术的研发需求极为迫切，为实现电力设备不停电原位修复提供重要的理论和技术参考。（a）变压器油渗漏（b）SF6气体泄漏 图1电气设备中常见的油气渗漏现象目前，常用的各类堵漏材料有桥接堵漏材90云南电力技术第 52 卷2024 年第 1 期料、高失水堵漏材料、暂堵材料、化学堵漏材料、无机胶凝堵漏材料及软硬塞堵漏材料等2-3。由于各种堵漏材料的封堵或反应机理有差异，使得各种堵漏材料的堵漏性能也有所区别。多数堵漏材料是在到达渗漏部位后，在一定压力、温度或化学反应作用下，以机械堆积或化学生成物堆积的方法，形成具有一定机械强度的封堵层，从而起到一定的堵塞作用4。然而传统堵漏材料均需较长时间完成硬化，多数堵漏材料的硬化时间在数小时以上，即使采用能快速硬化的瞬干胶作为快速堵漏材料，也很难在半分钟内实现足够强度的封堵。因此，大多数堵漏材料只能针对轻微渗出部位进行不停电不停产的原位在线封堵，而面对泄漏较为严重的充油或充气设备，则只能在停电、停产后清空填充物质再开展封堵作业，无法实现快速原位堵漏。基于 3D 打印技术发展而来的快速光固化技术是一种采用光固化树脂作为载体，通过瞬时激光照射使树脂层层固化堆砌成为三维立体构件的成型技术5-7。其主要特点是利用了交联反应极为迅速的光固化技术，使液态树脂在瞬间完成固化和粘接8。因此，面对油气设备渗漏问题，我们尝试将光固化技术应用于充油、充气电气设备的快速堵漏，并对其固化反应速率、粘接强度、耐油、耐溶剂性进行初步探索，以期为此类设备的原位堵漏提供技术支持。1实验方法1.1光固化树脂堵漏将光固化树脂涂覆在设备渗漏部位，再采用近紫外 LED 灯对树脂进行照射，视树脂厚度照射 520 s 即可使树脂完全固化，固化反应机理如图 2 所示。图2光固化树脂的固化反应机理1.2测试方法1.2.1固化反应过程采用德国布鲁克公司的 Tensor 傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）对树脂固化过程中的官能团变化进行测定，未采用近紫外光照射的树脂 FTIR 曲线标记为 0 s，其余为采用近紫外光照射 111 s 的树脂 FTIR 曲线。1.2.2光固化堵漏效果测试将某一钢制容器表面人工制造一个直径约0.5 mm 的小孔，并在容器中承装变压器油。在自然重力作用下变压器油将会从该孔漏出，采用视频记录每滴变压器油从该孔流出到滴落的过程并标记时间。采用光固化树脂见该人造小孔封堵，继续观察 48 h 是否有变压器油渗出并连续拍照记录。1.2.3光固化堵漏树脂的耐溶剂性将光照固化后的树脂浇铸体分别放入 5 mL的水、变压器油、无水乙醇、二甲基甲酰胺、甲苯中浸泡 72 h，取出后在 100 真空烘箱中烘干至恒重，测定树脂浇铸体在浸泡溶剂前后的质量变化。1.2.4光固化树脂的粘接强度测试采用光固化树脂对两片搭接玻璃进行粘接，粘接面积为 2.5 cm1.0 cm，采用 MTS 公司的CMT-5105 型万能力学试验机进行剪切粘接强度测试。室温 25，加载速率 2 mm/min，有效测试试样数量不少于 5 个。2结果与讨论2.1光固化堵漏树脂的反应性光固化树脂是一种由分子量的树脂单体或预聚体组成且含有活性官能团的液态树脂，能在紫外光或近紫外光的照射下引发聚合并迅速交联固化的感光性树脂。为了使光固化树脂具有较快固化交联速率，通常采用活性较高的不饱和双键作为此类树脂的反应官能团，在光引发剂被一定波长的光激发后迅速引发树脂交联。本文通过红外光谱研究了光固化堵漏树脂在近紫外光照射不同时间时的反应特性（图 3），其中 0 s 为光照前液态树脂的 FTIR 曲线，其他曲线依次为光照 111 s 时树脂在固化反应进程中的 FTIR 曲线，通过比较各吸收峰面积的变化研究该树脂的固化反应性。图中，3350 cm-1为 O-H伸缩振动峰，3050 cm-1为苯环的 C-H 伸缩振动峰，2953 和 2881cm-1处为饱和 C-H 伸缩振动峰，1750 cm-1处为 C=O 伸缩振动峰，在反应进程中以上特征官能团均未发生显著变化。仅有3078 cm-1的不饱和双键的 C=H 伸缩振动峰，在91油气设备光固化快速堵漏技术初探 第 52 卷2024 年第 1 期光照前为微弱吸收峰，在光照 1 s 后显著减小，并在 3 s 后基本消失，说明该光固化树脂的交联反应能够在 1 s 内基本完成。其固化反应速率非常迅速，具有在快速堵漏应用的潜力。图3光固化堵漏树脂在光照过程中的FTIR反应进程2.2光固化堵漏效果初探以钢制设备的人造渗漏点作为研究对象，通过光固化树脂原位修补后能够快速封堵直径为 0.5 mm 的严重渗漏点，并在超过 48 h 的观察期内未发现再次渗漏。如图 4 所示，在某一钢制容器表面人工制造一个直径约 0.5 mm 的小孔，并在容器中承装变压器油。在自然重力作用下变压器油从该孔快速流失，大约每 34 s 滴下 1 滴，属于渗漏严重情况。此时，通过在该小孔处涂覆光固化树脂，并同时采用近紫外光进行照射，即可使刚刚涂覆的树脂瞬时硬化，持续照射 10 s 左右可完成堵漏操作。静置 48 h观察该渗漏点的封堵效果发现，该光固化树脂能够有效实现原位堵漏，具有良好的封堵作用。图4光固化树脂在钢制容器表面的堵漏效果图2.3光固化堵漏树脂的耐溶剂性由于堵漏材料将会长期接触设备内的渗出液体或外部环境中的各种溶剂材料，因此我们研究了光固化后的树脂在各种不同溶剂中的耐受性。将固化后的树脂浇铸体在各种极性和非极性溶剂中浸泡 72 h，取出后在 100 真空烘箱中烘干至恒重，测定树脂浇铸体在浸泡前后的质量变化发现（表 1）：水对树脂的质量几乎没有影响，固化后树脂的耐水性良好；极性溶剂如乙醇和二甲基甲酰胺可能会将树脂中的少量物质溶解，使树脂质量分别减小1.3%和1.8%，也能够说明该光固化树脂已基本完成良好的固化交联；非极性溶剂如甲苯是大多数涂料和油漆的溶剂组分，我们发现光固化树脂在甲苯中浸泡后质量会有所增加，说明甲苯可能能够通过溶胀作用进入树脂的分子间隙中；变压器油由于也属于非极性物质，可能对固化树脂具有相同的溶胀作用，且变压器油沸点较高，难以通过烘干工艺去除，因此使得树脂浇铸体质量也略有增加。由此可见，本文所研究的光固化树脂具有较为良好的交联结构，在各类极性和非极性溶剂中能够保持结构完整性和稳定性。表1固化后树脂在各种溶剂中浸泡72 h后的质量变化 溶剂类型浸泡后质量变化率水-0.1%无水乙醇-1.3%二甲基甲酰胺-1.8%甲苯+2.7%变压器油+0.7%2.4光固化树脂的粘接强度粘接面 图5光固化树脂在对玻璃的粘接效果通过对透明玻璃的光固化粘接性能测试表明光固化树脂在固化交联后具有良好的粘接效果。由于光固化树脂必须在近紫外光照射下才能完成交联固化，无法采用钢材进行粘接强度测试，因此本研究采用透明性好的玻璃作为粘接测试对象，采用两片玻璃搭接的方式，用光固化树脂实现粘接。并采用万能力学试验机进行粘接强度测试，结果表明粘接面积为2.5 cm*1.0 cm 的光固化树脂能够承受约 500 N92云南电力技术第 52 卷2024 年第 1 期的拉力，所有试样均为玻璃拉伸破坏，粘接面未受任何影响（图 5）。由此可见，本文所用光固化树脂具有良好的粘接性能，能够实现良好的渗漏点粘接封堵。3结束语对钢制容器进行光固化树脂快速原位堵漏之后，能够有效防止变压器油渗漏，光固化快速堵漏技术具有良好的封堵效果。并通过对光固化树脂的固化反应性、耐溶剂性、粘接强度进行研究，该光固化堵漏树脂在近紫外光照射下能够在 1 s 内快速硬化，交联固化后的树脂浇铸体在各类极性和非极性溶剂中能够保持结构完整性和稳定性，粘接强度较高，牢固可靠，在快速堵漏方面具有广阔的应用前景。参考文献1 肖旭晖,李媛.油气管网堵漏技术分析及新技术应用展望 J.中国高新技术企业,2014,(31):35-37.2 鲁政权.钻井液堵漏材料分析与防漏堵漏技术探讨 J.科技创新与应用,2019,(28):157-158.3 于小龙.新型复合堵漏材料的研制及效果评价 J.油气田地面工程,2015,34(01):89-90.4 孙剑,崔茂荣,陈浩,等.新型复合堵漏材料的研制 J.西南石油大学学报,2007,(S2):133-135.5 朱宝,杨惠仪,薛维锨,等.3D打印用长波紫外光固化树脂的制备 J.现代塑料加工应用,2020,32(01):16-19.6 MIZUNO Y,PARDIVALA N,TAI B L.Projected UV-resin curing for self-supported 3D printing J.Manufacturing Letters,2018,18 7 朱宁,孙明明,张斌,等.一种紫外光固化树脂的合成及性能表征 J.化学与黏合,2018,40(05):339-342.8 宗学文,周升栋,刘洁,等.光固化3D打印及光敏树脂改性研究进展 J.塑料工业,2020,48(01):12-17.收稿日期：2024-02-12作者简介：许培俊（1984），男，云南电网公司电力科学研究院，博士后，昆明技术开发区云大西路 105 号。（E-mail）；郭新良（1971），男，云南电网公司电力科学研究院，高级工程师，昆明技术开发区云大西路 105 号。（E-mail）；刘荣海（1984），男，云南电网公司电力科学研究院，高级工程师，昆明技术开发区云大西路 105 号。（E-mail）；何运华（1983），男，云南电网公司电力科学研究院，高级工程师，昆明技术开发区云大西路 105 号。（E-mail）；杨雪滢（1987），女，云南电网公司电力科学研究院，工程师，昆明技术开发区云大西路 105 号。（E-mail）；宋玉锋（1988），男，云南电网公司电力科学研究院，工程师，昆明技术开发区云大西路 105 号。（E-mail）；程雪婷（1991），女，云南电网公司电力科学研究院，助理工程师，昆明技术开发区云大西路 105 号。（E-mail）；