軌道車輛EVA電纜剩余壽命快速評估研究

黃文杰,陳 志

(中車南京浦鎮車輛有限公司 技術中心,江蘇 南京 210031)

乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)材料具有優異的電絕緣、耐臭氧和耐候性能,軌道車輛電氣系統中廣泛采用EVA絕緣材料的電線電纜來傳輸電能和信號[1],但EVA材料自身的分子結構、熱加工過程與交聯情況對其降解存在影響,同時溫度、濕度、酸性環境以及各種添加劑(抗氧化劑、阻燃劑和填料)等對EVA的降解與老化有著不同程度的影響,會使其出現變色、發硬、發黏等老化現象[2]。如果老化失效的EVA電纜未及時更換,會直接影響到軌道車輛電氣系統的穩定性和安全性;若出現老化現象但其剩余壽命仍長于車輛使用壽命,在車輛報廢前更換,則會造成浪費,更大的浪費還在于因更換電線電纜帶來的其他附加損失。一方面,中途更換電線電纜需要拆裝大量的附屬設備,如內裝、線槽、電氣柜甚至其他大系統部件,同時還要更換大量配套的電力連接器和接線端子,耗費巨大的人力和物力;另一方面,更換電線電纜需長時間占用車輛段的檢修臺位,擠占檢修資源,降低列車上線率。

2019年3月,在對某條地鐵線路車輛進行日常維保時發現多處用尼龍編織網管包覆,扎帶捆扎點處的EVA電線表面變色發黃,而該車正式投入運營時間不到3年。為了消除隱患,因此擴大排查范圍,拆除了一整列車的全部內裝和線槽。檢查發現車上采用了單絲開口、復絲開口和閉口3種形式的尼龍編織網管,凡是用單絲開口尼龍編織網管包覆的電線和線束均未變色老化;而用其他2種尼龍編織網管包覆的線束外層電線或單根電線,只要是與網管直接接觸且被扎帶捆扎的,其表面均有不同程度的發黃現象。越是靠車門近、水氣易集聚區域的電線發黃程度越嚴重,同一區域中用閉口尼龍編織網管的比用復絲開口尼龍編織網管嚴重。經分析,為了提高尼龍編織網管的阻燃性,其中添加了磷酸酯類阻燃劑,復絲開口和閉口尼龍編織網管捆扎部易集聚水氣,磷酸酯類物質在濕熱環境下發生水解,析出磷酸,使EVA電線處于酸性環境中,加速了電線老化,成為電線表面發黃的主要原因。這也印證了采用單絲開口尼龍編織網管包覆的電線不會發黃,水氣少的區域發黃程度輕的原因。因此,快速評估現役車輛上變色電線的剩余壽命勢在必行,準確的剩余壽命值成為了判斷是否需要馬上更換全部變色控制電線,或等到車輛大修時更換,甚至不換,繼續使用到車輛報廢年限的決定性因素。

電線電纜在正常使用或外部環境引起的老化過程中,絕緣材料的分子鏈會不斷降解,其化學性能、力學性能和電氣性能等指標會不斷降低,當性能變化指標降低到一定程度時電纜絕緣性能就會失效[3],在這一過程中,絕緣材料的性能退化速率與失效活化能密切相關。因此,在電纜絕緣材料熱老化壽命預測研究中,最重要和常用的方法是基于Arrhenius模型進行外推計算[4],包括常規法和基于分析法的快速評定法[5]。常規法通常是通過絕緣材料的力學性能變化參數來推導材料失效活化能,進而計算其老化壽命,但在實際操作中電纜各部分的老化程度并不相同,計算得到的剩余壽命并不能反映局部電纜的絕緣狀況,存在一定偏差,并且在測試絕緣材料力學性能變化趨勢時需要大量制取試樣,費力費時[6-7],特別是對于分析本案例中局部老化問題是完全無效的?？焖僭u定法如熱重法(TGA)[8]、差示掃描量熱法(DSC)[9]、熱重點斜法(TPS)[10],因測試周期短、試樣少、操作簡單、能反映局部電纜老化狀況等優勢而受到關注。本文基于地鐵車輛上實際在用局部出現老化的EVA薄壁電纜為試驗對象,通過對EVA進行熱重分析(TGA),獲取材料的熱失重曲線,通過Arrhenius方程計算出EVA材料在特定失重比例下的活化能,研究EVA材料的失重率隨升溫速率的變化規律,獲取材料數學關系式,建立熱壽命方程[11],進而推算不同老化程度的EVA薄壁電纜的預測剩余壽命,為決定何時更換或不更換局部出現老化現象的電線電纜提供重要的參考數據和可靠的技術支撐。

1 試驗

1.1 試驗樣品

薄壁電纜絕緣材料樣品均取自在役地鐵車輛上的電纜,服役時間3年,絕緣材料的主要材質為乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)。根據其表面發黃程度不同分為4類樣本,同類中的樣本發黃程度相同,每類各有若干個,從S-Ⅰ到S-Ⅳ顏色依次加深。

1.2 試驗儀器

采用美國PE公司的Pyris 1型熱失重分析儀以及德國布魯克公司的Tensor Ⅱ型紅外光譜分析儀(FTIR)。

1.3 試驗方法

熱失重分析:取EVA電纜絕緣材料約5 mg,置于TGA坩堝中,在空氣50～600 ℃溫度范圍內,分別以5 ℃/min、8 ℃/min、10 ℃/min、12 ℃/min及15 ℃/min的升溫速率測量材料的熱失重曲線。

紅外光譜測試:測試不同老化階段(發黃程度)EVA試樣的紅外光譜,分辨率為4 cm-1,掃描范圍為4 000～600 cm-1,掃描次數為32次。

2 結果與討論

2.1 EVA電纜絕緣材料的熱失重分析

采用TGA測試了不同發黃程度,即老化程度不同的薄壁EVA電纜絕緣材料在5 ℃/min、8 ℃/min、10 ℃/min、12 ℃/min及15 ℃/min升溫速率下的熱失重曲線,如圖1所示。由熱失重曲線可獲得不同老化程度EVA絕緣材料的熱失重溫度,如表1所示。

表1 薄壁電纜EVA絕緣材料在不同升溫速率下的熱失重溫度 ℃

圖1 不同老化程度EVA電纜絕緣材料在不同升溫速率下的熱失重曲線

2.2 紅外光譜分析

圖2(a)是肉眼可見略微發黃的EVA電纜絕緣材料的紅外光譜圖。從圖2(a)顯示的測試結果來看,其EVA材料已發生了一定程度的降解,醋酸酯官能團被水解生成醇,進一步脫水轉變形成了烯烴結構,醋酸酯官能團也可能直接發生脫醋酸過程轉變形成烯烴。在3 690、3 639 cm-1處存在的較弱吸收峰為羥基(—OH)伸縮振動吸收峰;3 355 cm-1處存在的弱吸收峰可能是游離羧酸中的羥基(—OH)伸縮振動吸收峰;2 916 cm-1、2 848 cm-1處存在的強吸收峰為飽和碳-氫伸縮振動吸收峰;1 734 cm-1處存在的中等強度峰為酯官能團中的羰基(C=O)伸縮振動吸收峰;1 674 cm-1、1 632 cm-1處存在的吸收峰為烯烴官能團(C=C)伸縮振動吸收峰;1 462 cm-1、1 433 cm-1、1 365 cm-1處存在的吸收峰為碳-氫彎曲振動吸收峰;1 237 cm-1、1 172 cm-1處產生的中等強度吸收為酯官能團中的C—O—C伸縮振動峰;1 056 cm-1、1 028 cm-1處產生的弱吸收峰為醇官能團中的碳-氧伸縮振動吸收峰。圖2(b)則顯示,隨著EVA電纜表面發黃程度的增加,羥基(—OH)、羧基(—COOH)和烯基(C=C)伸縮振動吸收峰會增強,即相同工作溫度下,發黃程度越深,降解形成的官能團吸收峰越強,老化程度越大。

圖2 不同老化程度的EVA電纜絕緣材料的紅外光譜圖

2.3 活化能計算

活化能的計算按照標準ASTM E 1641-99:2018中提出的公式[12],如式(1)所示。通過TGA測定不同老化程度EVA電纜絕緣材料在不同升溫速率下的熱失重曲線,讀取某特定熱分解反應程度(即某特定失重率)下的熱分解反應溫度T,通過lgβ對1/T作圖,可由擬合曲線的斜率求得活化能E。

E=(R/b)·[Δ(lgβ)/Δ(1/T)]

(1)

式中:R為氣體常數,取R=8.314 J/(mol·K);b為常數,取b=0.457;β為升溫速率,K/min。

熱分解活化能關注的是起始階段的熱失重曲線,將不同老化程度的EVA電纜絕緣材料的lgβ對1/T分別進行作圖并擬合,如圖3所示。由曲線斜率可得不同樣品的熱分解活化能,見表2。

圖3 不同老化程度EVA絕緣材料的lgβ對1/T擬合曲線

2.4 熱壽命方程的建立和剩余壽命預測

熱壽命方程的建立參照ASTM E 1877-00:2021標準[13],其給定的熱壽命方程如下:

lgtf=E/(2.303RTf)+lg[E/(Rβ)]-a

(2)

式中:tf為某特定轉變下的預估壽命,min;Tf為某特定轉變下的失效溫度,K;a為積分常數,a值由ASTM E 1641-99:2018中表1查得。

通過TGA獲得了4種樣品的活化能,并由E/RT查到對應的a值,代入式(2)中,即可得到4種樣品材料的熱壽命方程,求解過程如下:

樣品S-Ⅰ的EVA絕緣材料在8 ℃/min的升溫速率下,3.5%失重率對應的溫度T=642.07 K,E=119 853 J/mol,則E/RT≈22,a為12.747。

樣品S-Ⅱ的EVA絕緣材料在8 ℃/min的升溫速率下,3.5%失重率對應的溫度T=625.37 K,E=106 489 J/mol,則E/RT≈20,a為11.327 7。

樣品S-Ⅲ的EVA絕緣材料在8 ℃/min的升溫速率下,3.5%失重率對應的溫度T=647.16 K,E=102 025 J/mol,則E/RT≈19,a為10.851。

樣品S-Ⅳ的EVA絕緣材料在8 ℃/min的升溫速率下,3.5%失重率對應的溫度T=648.39 K,E=104 058 J/mol,則E/RT≈19,a為10.851。

將a值分別代入式(2)即得樣品S-Ⅰ～S-Ⅳ的熱壽命方程,見式(3)～式(6)。

lgtf=6 259.58/Tf-9.50

(3)

lgtf=5 561.61/Tf-8.11

(4)

lgtf=5 328.46/Tf-7.57

(5)

lgtf=5 434.65/Tf-7.91

(6)

地鐵車輛的使用壽命為30年,本案例車輛所選EVA電線電纜的設計壽命不小于50年(工作溫度90 ℃)。以失重率3.5%為壽命終止指標,通過建立的熱壽命方程,可以計算出不同樣品在工作溫度90 ℃條件下的剩余壽命。通過表3的數據分析可以發現,表面發黃程度(老化程度)不同的EVA電纜經歷3年濕熱服役期,只要去除原復絲開口或閉口尼龍編織網管包覆層,改用其他電線電纜防護物,使其處在正常使用環境,那么在90 ℃溫度下還可持續工作的時間分別為35.84年、30.49年、23.95年和21.61年。

表3 不同老化程度的EVA電纜在工作溫度90 ℃、失重率3.5%下的剩余壽命

3 結論

通過熱重分析方法,研究了在服役地鐵車輛實際使用的EVA薄壁電纜的老化狀態及材料的熱分解特性,并求得了熱分解活化能,參照ASTM E 1877-00:2021和ASTM E 1641-99:2018標準建立了在3.5%失重率下的對應的熱壽命方程,進行了剩余壽命評估,得出以下結論:

(1) 紅外光譜分析表明,隨著EVA電纜老化程度的增加,特征峰會發生改變,降解生成的羥基、羧基和烯基伸縮振動吸收峰會增強;老化程度(表面發黃程度)越大,降解生成的官能團吸收峰越強,材料對應的剩余壽命越短;

(2) 以失重率3.5%為壽命終止指標,計算得到了老化程度(表面發黃程度)不同的EVA電纜在工作溫度90 ℃下剩余壽命分別為35.84年、30.49年、23.95年和21.61年;

(3) 本案例中老化程度最大的電線電纜剩余壽命仍有21.61年,超過了車輛大修年限,老化程度最小的電線電纜剩余壽命大于30年,超過了車輛使用壽命。因此,不需要中途更換EVA電纜,老化程度最嚴重的可在車輛大修時更換,其他的可繼續使用到車輛全壽命周期;

(4) 將原采用復絲開口或閉口尼龍編織網管包覆的電線和線束全部換成單絲開口尼龍編織網管,經過近4年的跟蹤調查,因環境影響而導致加速老化的電線和線束均未進一步惡化,恢復到正常老化周期;

(5) 本案例由于防護用尼龍網管與EVA電線電纜不匹配,惡化了電線電纜的服役環境,最嚴重的使EVA電線電纜的老化速度達到了正常老化速度的10倍,受影響較少的也達到了正常老化速度的5倍,因此,在為電線電纜選配非金屬保護層時最好應做兼容性測試。