PVDF在换流阀冷却管路中的应用

耿　曼，冷明全，胡　贤（广州高澜节能技术股份有限公司，广东　广州　510663）

化学工程

PVDF在换流阀冷却管路中的应用

耿曼，冷明全，胡贤
（广州高澜节能技术股份有限公司，广东广州510663）

介绍了聚偏氟乙烯（PVDF）材料的物理化学特性，分析了换流阀冷却管路的使用要求和PVDF材料的适用性。以德宝直流输电项目换流阀冷却输配水管路的PVDF零件、管道为例，对PVDF的成型工艺进行了介绍。

PVDF；换流阀；冷却；配水管路

高压直流输电（HVDC）作为近年来电力系统采用的一种新型输电形式，能够实现大功率、远距离输电，与交流输电相比还具有使额定频率不相同的交流系统之间实现非同步的优势。换流阀是直流输电工程的核心设备之一，由晶闸管、阻尼电阻、均压电阻、阻尼电容、均压电容、晶闸管控制单元等零部件组成，其稳定性和可靠性直接影响高压直流系统的安全运行。

阀冷系统是换流阀的关键系统之一，它能将换流阀中各元器件的功耗发热通过介质排放到外部环境，从而保证换流阀各元件在正常的温度范围内工作。阀冷系统包括主循环子系统、水质纯化子系统、稳压子系统、外冷却子系统、控制子系统、辅助子系统及阀内配水管路等，其中阀内配水管路是连接阀冷系统与换流阀的重要通道，为了保证系统的正常长周期运行，对阀内配水管路的材料要求很高。

聚偏氟乙烯 （Polyvinylidene fluoride，PVDF）是含氟塑料中产量名列第二位的大产品，是偏氟乙烯均聚物或偏氟乙烯与其它少量含氟乙烯基单体的共聚物，同时具有氟树脂和通用树脂的特性，耐化学腐蚀性、耐高温性及耐氧化性等性能良好。与其它塑料相比，PVDF具有良好的耐化学性、加工性及抗疲劳和蠕变性，是用作泵、阀门、管道、管路配件和热交换器等流体处理系统整体或者衬里的最佳材料之一［1］，特别适用于超纯水系列和半导体行业中纯净化学试剂的传输。由于PVDF的化学惰性，几乎不与任何介质发生反应，因此PVDF被广泛用于制造阀内配水管路［2-4］。目前，国内直流项目采用的传输管道材料均为进口产品，价格较为昂贵，供货周期较长且售后服务相对滞后，PVDF水管等配套产品的国产化成为业界关注的焦点。

1　项目概况

现阶段我国电力资源分布与生产力布局极不匹配，实施“西电东送”可以优化资源配置，促进东西部地区经济的共同发展。西北地区电力资源丰富，迫切需要将电力外送，其中西北（陕西宝鸡）至华中（四川德阳）直流联网工程是主要外送电联网工程之一。

德阳换流站和陕西宝鸡换流站（简称德宝直流输电换流站），建设1回 ±500 kV直流输电线路工程。换流站的高压换流阀等电力电子器件在工作时产生大量热量，因此系统必须提供可靠的冷媒，将热量即时散发，使器件保持正常的工作温度，因此配套稳定、可靠、安全的冷却系统，是换流站工程成功投运的坚实基础。

换流阀冷却系统能长期稳定运行，其机械结构简单、坚固、便于检修。管路系统的设计保证其沿程水阻为最小，材料的选择考虑了系统在长期高电压运行环境下产生的腐蚀、老化、损耗的可能性。各种塑料构件考虑避免因电晕放电而导致的老化，并使用抗电晕放电的材料。聚偏氟乙烯（PVDF）熔融温度为175℃，传热系数为0.19 W/ （m2·K），可以在-40℃～150℃温度范围长期使用，可用作高绝缘性介质，同样具有优异的耐腐蚀性和耐氧化性，同时PVDF具有优良的耐磨性和耐冲击性［5-7］。以德宝直流输电项目换流阀的阀冷却输配水管路的PVDF零件、管道为例，对PVDF的成型工艺进行了介绍。

2　PVDF成型工艺

2.1PVDF的注塑成型工艺

由于PVDF的收缩率为2%～2.2%，产品成型收缩较大，对较大尺寸的注塑件模具设计时应预留二次加工余量，注塑成型模具应设计合理的排气系统，否则会因为模具闭气而使产品内部形成气孔影响产品强度，同时产品注塑时须对模具进行预热，加热温度在50℃～65℃之间，以保证产品尺寸的稳定性［8-9］。

2.2PVDF的热弯成型工艺

换流阀结构复杂、阀冷却配水管道规格、形式多样，PVDF管道的软化温度在150℃左右，阀冷却输配水的各种管道可采用热弯成型工艺实现，PVDF管道在155℃～165℃经过20～45 min加热后可进行滚弯、模压弯曲成型，成型尺寸完全可以满足设计技术要求。

大口径PVDF弯管成型工艺按照以下步骤进行：（1）先按工艺要求下料并在管料上钻模工艺孔，用清水冲洗管道，自然晾干后再分别用酒精清洁内外表面；（2）设定烘箱温度为170℃，再将PVDF和柔性填充体放入烘箱加热30 min，每隔1 min将管料PVDF逆时针旋转90°，使之加热均匀；（3）再设定烘箱温度为165℃，将柔性填充体放入处于烘箱的PVDF管道中，每隔1 min将 PVDF管料逆时针旋转90°，使之加热均匀；安装成型模具到自动折弯设备中，放入温度为165℃的烘箱进行加热；（4）用成型模具的自动折弯设备对管料进行滚压弯制，当弯制完成后，放入烘箱内在150℃下保温1 h；（5）打开烘箱，对烘箱进行水冷或风冷，使成型模具温度迅速降低至35℃，此时取出柔性填充体；（6）然后使成型模具继续冷却，当成型模具温度下降到35℃时，松开模具，取出成型的PVDF管料。将得到的大口径PVDF弯管沿直径方向的任意位置切断，在管材断面上均匀取8个点用卡尺测量其壁厚，要求测量误差Δe≤0.3 mm；将弯管连接在可升温的循环水路中，形成一个密闭管路系统，介质为95℃～100℃的纯水，管内水压1.15 MPa，持续循环时间200 h，若PVDF弯管无渗漏、异常变形或破裂现象，才能评为合格。

小口径PVDF弯管成型工艺按照以下步骤进行：（1）先按工艺要求下料；（2）设定烘箱温度170℃～175℃，将PVDF管料、管料支架、柔性填充体和成型模具放入烘箱，加热总时间30～35 min，当加热时间为15 min时，将PVDF管料翻转180°；（3）将柔性填充体放入PVDF管中，并在170℃～175℃继续加热3～4 min；（4）从烘箱中取出成型模具，成型模具上下模分别安装到压力机上；1 min后取出装有柔性填充体的PVDF管料，迅速放置到模具限位槽中，使管料在模具中弯曲成型；将模具及模具内的PVDF管料放入170℃烘箱内，加热时间为1 h；（5）打开烘箱门，拔出PVDF管内置的柔性填充体，让弯曲的PVDF管随成型模具自然冷却至 40℃，取出后在水中浸泡30 min，即得到成品。在小口径PVDF弯管的沿直径方向任意位置切断，管材断面上均匀取8个点，用卡尺测量其壁厚，当Δe≤0.2 mm时才为合格。

2.3管道的焊接工艺

PVDF管道、管件可以采用红外熔接技术进行对焊焊接，使用红外对焊工艺焊接时零件与热源不接触，是对加热元件对焊技术的进一步改进。管端由辐射热能加热，不接触对焊可以尽量减小焊缝尺寸，并且消除加热元件带来的污染，而且焊缝更直，使细菌在内部的生长区域更小。与传统的加热元件相比，红外焊接所需总时间减少了70%，在焊接过程的所有温度、压力、时间由计算机程序自动控制并进行记录，焊接系统和过程可以完全追踪，任何偏差都将即时记录并在焊机的控制电脑上即时显示，采用红外对焊的焊缝抗拉、冷弯强度完全达到管道抗拉、冷弯的强度要求，表1是德宝直流输电项目换流阀阀冷却输配水管路的PVDF零件、管道焊接后的实测值。

表1　PVC试片配方

3　结语

换流阀是高压直流输电系统的核心设备之一，其运行工况直接影响整个输电系统的优劣和可靠性。阀冷系统是换流阀的关键系统之一，但配套管路的国产化成为迫切需要解决的问题之一。在研究PVDF的热性能、电性能、化学性能等物理化学特性能和换流阀阀冷却输配水管路使用要求的基础上，针对阀冷却输配水管路系统各种规格的管道、零部件，研究PVDF注塑成型、热弯成型、红外对焊工艺等加工方法，实现整套输配水管路系统的配套生产，对保证西电东送的直流输电系统安全稳定运行具有重要意义。

［1］赵国春，孙金栋，李丹丹，等.PVDF换热器在工业余热回收中的应用分析［J］.建筑节能，2015，43（9）:1-4，15.

［2］胡柳，何元庭，吴婷.基于PVDF双发电系统的研究［J］.现代电子技术，2011，34（5）：208-210.

［3］赵红平，叶琳，陆中琪.PVDF压电薄膜在应力波测量中的应用［J］.力学与实践，2004，26（1）：37-41.

［4］姜才兴.PVDF氟碳涂料现状及市场前景［J］.中国涂料，2004，19（4）：6-8.

［5］徐红星，骆英.PVDF压电薄膜的应用进展［J］.江苏理工大学学报（自然科学版），1999，20（5）：89-91.

［6］李蕊.基于PVDF的全有机介电材料制备、结构与性能［D］.武汉：武汉理工大学，2010.

［7］郑怡磊，朱伟伟，方敏.聚偏氟乙烯熔体的流变特性［J］.浙江化工，2014，45（12）：1-4，15.

［8］陈巍，张效迅，张才宝.聚偏氟乙烯成型工艺与力学性能研究［J］.航空制造技术，2015，（15）：144-147.

［9］张士林，范孜娟.聚偏氟乙烯树脂性能和加工应用［J］.工程塑料应用，2005，33（4）:67-69.

The Application of PVDF in Converter Cooling Pipeline

GENG Man，LENG Ming-quan，HU Xian
（Guangzhou Goaland Energy Conservation Tech.Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510633，China）

The physical and chemical properties of polyvinylidene fluoride（PVDF）were introduced, and PVDF could satisfy to the requirement of converter cooling pipe.The case of PVDF department and pipe of distribution pipeline of converter cooling system in Debao HVDC project was introduced as the molding process of PVDF.

PVDF；converter；cooling；distribution pipeline

1006-4184（2016）7-0031-03

2016-05-12

广东省战略性新兴产业核心技术攻关项目（项目编号：2012A090100005），广州市科技计划项目-产学研协同创新重大
专项（对外科技合作）（项目编号：201508030019）。

耿曼（1982-），女，工程师。E-mail:gengm@goaland.com.cn。