CN108375537A - 基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法，包括以下步骤：在不同老化温度下对船用电缆进行热氧老化实验，通过获取不同的老化温度和老化时间点下电缆绝缘层的最大质量减少速率数据，建立船用电缆的老化模型。分析待检测电缆绝缘层的最大质量减少速率和实际使用温度，代入所述的老化模型，得到待检测电缆绝缘层的使用寿命。本发明所述的基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法，在实船检验时只需对需要检验的电缆绝缘进行热重分析，若以DTGMAX＝3.8作为电缆的失效标准，代入相应温度下的老化模型便可计算出其剩余使用寿命，只需要取得少量的电缆试样即可得到其剩余寿命，节省时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法。涉及专利分类号G01测量；测试G01N借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料。
背景技术
目前，随着现代船舶科学技术的发展，船舶的自动化、电气化水平日益提高，人们对船舶电力设备的安全性、稳定性、可靠性的要求越来越高。船舶电缆在舰船电气系统中承担着传输能量和传递信号的重要任务，因此船用电缆的安全性、可靠性关系到船舶的稳定运行和船员的生命财产安全。
相比较于陆地电缆，船舶电缆的工作环境较为复杂，除了温度、湿度外，船用电缆还常常暴露在油气、雾气、盐分等环境下。在众多外界因素的影响下，电缆的绝缘层容易发生老化，使其绝缘性能降低，增大了发生船舶发生安全事故的风险。在影响绝缘材料的众多老化因素中，温度占主导地位。
目前对船舶电缆绝缘寿命进行预测主要是依据GB/T 11026和IEC 60216标准，在实验室对船舶电缆开展高温加速老化实验，通过测量老化后试样的断裂伸长率来推断其在实际使用温度下的寿命。该方法是破坏性的实验，需要从船舶电网中截取待检测电缆，同时需要较长的实验周期才能得到实验结果；用硬度这一特征值来快速检测船舶电缆绝缘老化寿命是另一种比较新颖的研究方法，研究表明，对于不同老化程度的电缆绝缘层其硬度值不同，且呈现出随着老化程度加深，硬度值逐渐增加这一变化规律。根据这一规律课题组对船用丁苯橡胶电缆进行了深入研究，用剩余硬度保留率的快速检测方法对船用橡胶电缆寿命进行评估，结果证明该方法能够很好的预测电缆寿命。
此方法能够快捷、方便的预测出电缆的剩余寿命，但经过研究我们发现该规律对于不少船用电缆并不适用，即对于某些绝缘材料的电缆该方法不具有普适性，例如，船用交联聚乙烯电缆。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法，用于解决现有的高温加速老化实验和用硬度这一特征值，对于不少船用电缆并不适用，即对于某些绝缘材料的电缆该方法不具有普适性的缺点。
一种基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法，包括以下步骤：
在不同老化温度下对船用电缆进行热氧老化实验，通过获取不同的老化温度和老化时间点下电缆绝缘层的最大质量减少速率数据，建立船用电缆的老化模型。
分析待检测电缆绝缘层的最大质量减少速率和实际使用温度，代入所述的老化模型，得到待检测电缆绝缘层的使用寿命。
作为优选所述老化模型的建立具体包括以下步骤：
对新的船用电缆进行老化试验，设定多个老化温度和每个老化温度所对应的多个取样间隔；对在各个老化温度下不同老化时间的电缆试样进行拉伸实验，得到代表其老化程度的重要指标断裂伸长率。
对老化后的电缆绝缘层进行热重分析，得到热重曲线和质量减少速率曲线，提取出质量减少速率曲线的最高点数值，即质量减少速率用最大质量减少速率表示。
设定，当老化后电缆试样的断裂伸长率降低为原样的50％时，电缆到达其寿命终点，对比测得的断裂伸长率数据以及最大质量减少速率数据，得到的船用电缆绝缘层的最大质量减少速率寿命终点；通过线性拟合得到在不同温度和不同失效标准下的使用寿命数据。
对温度、失效标准和使用寿命数据进行多项式拟合，得到在不同温度条件下使用时间与最大质量减少速率的老化模型。
作为优选热失重实验的最大质量减少速率随着老化程度的加深稳定减少，线性回归方程用y＝a+bx表示；以老化温度倒数作为横坐标，为老化时间对数纵坐标进行线性拟合，得到不同寿命终点的寿命方程，完成线性回归方程的拟合之后，就根据不同寿命终点的线性回归方程来预测船用电缆在实际工作温度下的使用寿命。
作为优选根据不同老化条件下的老化时间最大质量减少速率拟合曲线，得出不同老化条件下的电缆剩余寿命分析模型。
作为优选所述船用电缆为船用交联聚乙烯电缆。
为了找到其他能够表征电缆剩余寿命的特征量，我们引用了热重法对船用电缆进行了深入研究。热重法是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术，广泛地应用在化学及材料领域中。
首先对电缆试样进行加速热氧老化实验，并对老化后的电缆试样进行断裂伸长率的测量。再引入热重法对试样进行热重分析，观察实验结果发现，船用电缆绝缘层的断裂伸长率随着温度的升高、老化时间的延长波动下降。
这说明随着氧化反应的进行，老化程度逐渐加深，断裂伸长率整体呈下降趋势；通过对电缆绝缘层的热重分析结果看出最大质量减少速率(DTGMAX) 随着老化时间的增加而逐渐减小，而且在失效前后也存在着突变，但趋势相比于断裂伸长率要缓和一些，证明DTGMAX与老化程度之间存在着对应关系。所以DTGMAX能够作为船用聚氯乙烯电缆的寿命评估指标。
若能建立起船用电缆老化程度与其DTGMAX之间的关系，则就能够通过检测电缆绝缘层的DTGMAX来检测其老化程度，从而实现船用电缆剩余寿命的快速检测。
本申请中涉及到的DTGMAX表示最大质量减少速率。
与现有技术相比较，本发明所述的基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法，是一种基于DTGMAX的船用电缆绝缘寿命快速检测方法，在实船检验时只需对需要检验的电缆绝缘进行热重分析，若以DTGMAX＝3.8作为电缆的失效标准，代入相应温度下的老化模型便可计算出其剩余使用寿命。这意味着检验人员不需再反复进行取样以及漫长的老化实验过程，只需要取得少量的电缆试样即可得到其剩余寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例1基于最大质量减少速率数据的电缆剩余寿命检测方法流程图。
图2是本发明实施例1在135℃老化温度下各时间点断裂伸长率图表。
图3是本发明实施例1在150℃老化温度下各时间点断裂伸长率图表。
图4是本发明实施例1在165℃老化温度下各时间点断裂伸长率图表。
图5是本发明实施例1不同老化温度和老化时间试样的最大质量减少速率数据测量值图表。
图6是本发明实施例1不同寿命终点和不同工作温度下船用交联聚乙烯电缆的使用寿命图表。
图7是本发明实施例1不同温度条件下电缆老化时间与剩余硬度保留率函数关系图表。
具体实施方式
一种基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法，包括以下步骤：
在不同老化温度下对船用电缆进行热氧老化实验，通过获取不同的老化温度和老化时间点下电缆绝缘层的最大质量减少速率数据，建立船用电缆的老化模型；分析待检测电缆绝缘层的最大质量减少速率和实际使用温度，代入所述的老化模型，得到待检测电缆绝缘层的使用寿命。
所述老化模型的建立具体包括以下步骤：
S1、对新的船用电缆进行老化试验，设定多个老化温度和每个老化温度所对应的多个取样间隔；对在各个老化温度下不同老化时间的电缆试样进行拉伸实验，得到代表其老化程度的重要指标断裂伸长率。优选的，所述船用电缆为船用交联聚乙烯电缆。
S2、对老化后的电缆绝缘层进行热重分析，得到热重曲线(TG曲线)和质量减少速率曲线(DTG曲线)，提取出质量减少速率曲线的最高点数值，即质量减少速率用最大质量减少速率表示。
热重法试验得到的曲线称为热重曲线(TG曲线)和质量减少速率曲线(DTG 曲线)，TG曲线以质量为纵坐标，DTG曲线以质量减少速率为纵坐标，二者都以温度作为横坐标。
S3、在行业内通常认定，当老化后电缆试样的断裂伸长率降低为原样的50％时，电缆到达其寿命终点，对比测得的断裂伸长率数据以及最大质量减少速率数据，得到的船用电缆绝缘层的最大质量减少速率寿命终点大约在3.8ug/min左右。
通过线性拟合得到在不同温度和不同失效标准下的使用寿命数据；热失重实验的最大质量减少速率随着老化程度的加深稳定减少，线性回归方程用 y＝a+bx表示；以老化温度倒数作为横坐标，为老化时间对数纵坐标进行线性拟合，得到不同寿命终点的寿命方程，完成线性回归方程的拟合之后，就根据不同寿命终点的线性回归方程来预测船用电缆在实际工作温度下的使用寿命。
S4、对温度、失效标准和使用寿命数据进行多项式拟合，得到在不同温度条件下使用时间与最大质量减少速率的老化模型。
根据不同老化条件下的老化时间最大质量减少速率拟合曲线，得出不同老化条件下的电缆剩余寿命分析模型。
因此，进行剩余寿命检测时只需要检测目标电缆绝缘层的最大质量减少速率，代入相应温度下的老化模型，得到该电缆绝缘层的剩余寿命。
并且通过专业的船用电缆绝缘寿命测试，得出本检测方法检测的数据相对准确，节省了的大量检测时间。
为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的相关实验数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
实施例1，如图1所示，首先要应用新的船用交联聚乙烯电缆开展快速老化实验。依据IEC 60216、IEEE 383标准，选择在165℃、150℃、135℃温度下对其开展快速老化实验，所测得的断裂伸长率数据，如图2至图4的图表所示。
接下来对试样进行热重分析，得到不同老化温度和老化时间的DTGMAX数据，如图5的图表所示：
实验结果表明热失重实验的最大质量减少速率(DTGMAX)随着老化程度的加深稳定减少，因此作为寿命预测指标，接下来是基于Arrhenius理论线性回归方程的计算。
线性回归方程用y＝a+bx表示。以老化温度倒数作为横坐标，为老化时间对数纵坐标进行线性拟合，得到不同寿命终点的寿命方程，完成线性回归方程的拟合之后，就可根据不同寿命终点的线性回归方程来预测船用交联聚乙烯橡胶电缆在实际工作温度下的使用寿命，计算结果，如图6的图表所示：
根据不同老化条件下的老化时间-DTGMAX拟合曲线，得出不同老化条件下的电缆剩余寿命分析模型，具体结果，如图7的图表所示，其中t表示已老化时间，D表示DTGMAX的测量值。因为船用交联聚乙烯电缆的工作温度为90℃，所以我们得到90±10℃范围内拟合得到的曲线方程。
因此，在对船用交联聚乙烯电缆的绝缘寿命进行评估时，按照文中所叙述的分析方法，只需进行如下几个步骤，便能完成电缆剩余寿命的快速检测：
如图1所示，首先截取一小块电缆样本备用，将电缆样品制取出三个10mg 的试样进行热重分析实验，得到DTGMAX的数值，取平均值后即为该试样的 DTGMAX值。
根据电缆的实际工作温度从图7所示图表中选取合适的分析模型，即可计算出该电缆的已老化时间；再选取适当的寿命终点水平，从图6所示图表中查出在相应条件下该电缆的使用寿命；通过处理和计算便可完成对电缆剩余使用寿命的快速计算。
可通过一个简单的例子来方便理解如何实现快速检测。若船舶上的一处交联聚乙烯电缆需要评估其剩余使用寿命，已知该电缆为聚氯乙烯橡胶绝缘电缆，经过对其绝缘保护层进行DTG测量并计算得出其DTGMAX为4.4ug/min，此船用交联聚乙烯乙烯橡胶电缆的实际工作温度约为90℃，因此，可选择图7的图表中90℃的寿命预测模型。
t＝-6.20×104D3+9.07×105D2-4.53×106D+7.91×106；
将D＝4.4代入该式中即可得出该电缆已经老化的年限t＝27.68年。
查图6的图表可知，按照De＝3.8ug/min为寿命终点时，由于交联聚乙烯绝缘电线长期工作时最高额定温度可达90℃，90℃工作条件下船用交联聚乙烯电缆的使用寿命为3.8对应的使用年限为43年，所以该电缆的剩余使用寿命： 43-27.68＝15.32年。通过这种方法即可在未知其安装使用时间的情况下，快速计算出电缆的剩余寿命。
可见，针对不同型号电缆对其进行上述实验，分析实验结果并确定其老化终点DTGMAX值，完成相应的拟合工作并建立寿命模型，一旦基于DTGMAX 的老化模型建立完毕，就可对其开展检测工作，而无需再开展采样、快速老化以及拉伸测试等复杂的测试工作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法，其特征在于包括以下步骤：
—在不同老化温度下对船用电缆进行热氧老化实验，通过获取不同的老化温度和老化时间点下电缆绝缘层的最大质量减少速率数据，建立船用电缆的老化模型；
—分析待检测电缆绝缘层的最大质量减少速率和实际使用温度，代入所述的老化模型，得到待检测电缆绝缘层的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法，其特征在于：
所述老化模型的建立具体包括以下步骤：
—对新的船用电缆进行老化试验，设定多个老化温度和每个老化温度所对应的多个取样间隔；
对在各个老化温度下不同老化时间的电缆试样进行拉伸实验，得到代表其老化程度的重要指标断裂伸长率；
—对老化后的电缆绝缘层进行热重分析，得到热重曲线和质量减少速率曲线，提取出质量减少速率曲线的最高点数值，即质量减少速率用最大质量减少速率表示；
—设定，当老化后电缆试样的断裂伸长率降低为原样的50％时，电缆到达其寿命终点，对比测得的断裂伸长率数据以及最大质量减少速率数据，得到的船用电缆绝缘层的最大质量减少速率寿命终点；
通过线性拟合得到在不同温度和不同失效标准下的使用寿命数据；
—对温度、失效标准和使用寿命数据进行多项式拟合，得到在不同温度条件下使用时间与最大质量减少速率的老化模型。
3.根据权利要求2所述的基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法，其特征在于：
热失重实验的最大质量减少速率随着老化程度的加深稳定减少，线性回归方程用y＝a+bx表示；以老化温度倒数作为横坐标，为老化时间对数纵坐标进行线性拟合，得到不同寿命终点的寿命方程，完成线性回归方程的拟合之后，就根据不同寿命终点的线性回归方程来预测船用电缆在实际工作温度下的使用寿命。
4.根据权利要求3所述的基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法，其特征在于：
根据不同老化条件下的老化时间最大质量减少速率拟合曲线，得出不同老化条件下的电缆剩余寿命分析模型。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于最大质量减少速率的船用电缆绝缘寿命检测方法，其特征在于：
所述船用电缆为船用交联聚乙烯电缆。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180807 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |