利用超聲橫波上擴散角檢測瓷絕緣柱表面缺陷

高延忠,宋紹河,黨　虎,屈東東

(1.西安熱工研究院有限公司， 西安 710054;2.北京中唐電工程咨詢有限公司, 北京 100040)

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利用超聲橫波上擴散角檢測瓷絕緣柱表面缺陷

高延忠1,宋紹河2,黨虎1,屈東東1

(1.西安熱工研究院有限公司， 西安 710054;2.北京中唐電工程咨詢有限公司, 北京 100040)

摘要：利用超聲橫波在瓷絕緣柱中折射角為75°84°的上擴散角檢測瓷絕緣柱表面缺陷，克服了常規用爬波探頭靈敏度低的弊端；對超聲波探頭角度、尺寸、接線柱位置以及瓷絕緣柱試塊進行了相應設計，為瓷絕緣柱的檢測提供了檢測方法和判傷依據 。

關鍵詞：超聲橫波；上擴散角；表面缺陷

瓷絕緣柱在變電站中起到重要作用，由于瓷絕緣柱大部分暴露在室外，并長期在風、雨、雪、霜等惡劣條件下運行，經受酷暑、嚴寒的考驗。由于瓷絕緣柱兩頭用粘接件固定在鑄鋼座內,此三種材料膨脹系數相差較大，在劇烈膨脹或收縮時瓷絕緣柱受力較大，加之開合刀閘時瓷絕緣柱承受的扭力較大，因而運行中易使澆裝部位外表面發生裂紋；而且,瓷絕緣柱在加工和燒制過程中，若控制不當又會造成生燒或產生內部缺陷。另外,許多變電站瓷絕緣柱老化嚴重；其本身屬脆性材料，塑性值幾乎等于零，因而裂紋產生后即使承受的扭力較小,也足以使瓷絕緣柱發生斷裂，釀成重大事故。因而,加強對瓷絕緣柱的檢驗勢在必行。圖1是某瓷絕緣柱在運行中出現斷裂的圖片。

圖1　瓷絕緣柱斷裂圖片

國內對瓷絕緣柱探傷采用的檢測方法是:使用爬波探頭檢測近表面缺陷；使用小角度縱波檢測內部缺陷。

筆者對采用常規爬波探頭檢測近表面缺陷存在的問題進行了分析，提出了利用超聲橫波在瓷絕緣柱中折射角為75°84°的上擴散角檢測瓷絕緣柱表面缺陷的方法，并對超聲波探頭角度、尺寸、接線柱位置以及瓷絕緣柱試塊進行了相應設計，滿足了實際檢測需求。

1采用爬波探頭檢測近表面缺陷存在的問題

用爬波探頭在試塊上掃查深510 mm刻槽，當波幅高度達到最高后，前后移動探頭波幅很快消失(范圍510 mm)，這說明爬波檢測的效果很不顯著，表明爬波能量較弱，實際是利用了橫波部分(爬波探頭鋼中橫波折射角27°左右);而工件近表面的缺陷仍然得不到檢測，檢測范圍受到了很大影響。而瓷絕緣柱絕大部分是人工加工而成，其表面成型很不規范，有的會出現凹凸不平;而有些高壓支柱瓷絕緣子,在外表面周圈粘了砂子;這都給檢測帶來了困難。由于爬波探頭選用了尺寸較大(長×寬為30 mm×12 mm)的雙晶型探頭，瓷絕緣支柱直徑在φ(80250) mm間，故需對每種規格瓷絕緣柱配備一個探頭，給檢測人員帶來了不便，且過大的探頭尺寸會使表面耦合不良而降低檢測靈敏度。即使同一種規格的瓷絕緣柱其尺寸和表面也有差異，而每種規格瓷絕緣柱配備一種探頭，不僅會給用戶增加開支,也給檢測人員帶來了不便。

2探頭的研制

采用大K值探頭橫波上擴散角聲束檢測近表面缺陷的理論依據：超聲波在工件中傳播時并非呈一直線，而是波束為一橢圓錐，主波束上下分為上、下擴散角，且上擴散角大于下擴散角。圖2,3是電力出版社出版的《超聲波探傷》[1]一書中介紹的有關矩形和圓形壓電晶片2.5 HMz，折射角為60°時上、下擴散角經推算和實測得出的角度。

圖2　矩形壓電晶片(斜探頭)輻射的聲場特性

圖3　圓盤形壓電晶片(斜探頭)輻射的聲場特性

圖4　探頭設計原理

圖2，3中，聲源頻率均為2 MHz。由圖2可看出,矩形壓電晶片12mm×12mm(長×寬)的上擴散角θ1為12°40′，圖3中φ12 mm圓形晶片的上擴散角θ-1為16°50′。眾所周知，產生表面波的條件是橫波折射角為90°，而筆者設計的探頭折射角在90°以下仍屬橫波范圍。故如將探頭折射角主聲束控制在75°84°間，此角度加上上擴散角12°40′或16°50′得到的和已接近或大于90°(見圖4)，這樣不需利用橫波主波束，而利用上擴散角仍可滿足檢測表面或近表面缺陷的要求。只是此時波束不成線性關系，但仍具備橫波檢測缺陷的能力。即,只需稍提高檢測靈敏度就可檢測瓷絕緣柱表面和近表面缺陷。

考慮到有時有效檢測面較小，如遇到窄間隙的工件，則探頭前后移動的距離會小，故將壓電晶片尺寸設計為7 mm×7 mm。為了方便手持探頭,探頭高度選定在2530 mm間,且連線插座設置在探頭上面，探頭外殼采用合金鋁或塑料制成。外殼尺寸選擇在8 mm×8 mm，圖5是探頭實樣。

圖5　探頭實物圖片

3試塊的研制

試塊的材料選用與瓷絕緣柱聲速相近的鋁合金，圖6為試塊加工尺寸圖。

圖6　試塊加工尺寸圖

采用探頭K2.8在試塊上不同距離處進行線切割槽測試,圖7是探頭距40.3 mm處的線切割槽的檢測波形圖。

圖7　探頭距40.3 mm處的線切割槽的檢測波形

4儀器

儀器采用數字機或模擬A型脈沖式探傷儀均可；使用研制的瓷絕緣柱探頭,采用常規橫波探頭測試方法在研制的試塊上測出探頭前沿、探頭K值；利用試塊上φ1 mm×6 mm(孔徑×孔深)孔調出掃描速度；利用試塊上0.3 mm×1 mm線切割槽繪制距離-波幅曲線，測試探頭發現缺陷的能力。

5實際檢測

為驗證探頭的實際檢測能力,首先檢測帶粘砂的廢瓷絕緣柱上三個深均為2 mm，距探測面分別為8,50,65 mm的刻槽(見圖8)，可見,3個部位的槽均能有較強的反射波(見圖9)。

圖8　不同距離人工切槽試塊

圖9　人工切槽試塊的反射波形

6現場應用

利用研制的探頭和試塊在現場檢測了上千只瓷絕緣柱，在甘肅某330 kV變電站檢出了一只有裂紋的瓷絕緣柱(見圖10)，在井岡山電廠檢出了3只開裂的瓷絕緣柱(見圖11)。

圖10　蘭州供電局變電站某瓷絕緣柱裂紋

圖11　井岡山電廠某瓷絕緣柱裂紋

7結論

采用大值上擴散角聲束檢測近表面缺陷的方法在理論上是成立的,探頭和試塊的設計是合理的;該方法可行并具有廣泛推廣價值。

參考文獻：

[1]《超聲波探傷》編寫組.超聲波探傷[M].北京:水利電力出版社1985.

Inspection of the Surface Defect in Porcelain Insulation Column by Using Upper Dispersion Angle of Ultrasonic Shear Wave

GAO Yan-zhong1, SONG Shao-he2, DANG Hu1, QU Dong-dong1

(1.Xi′an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi′an 710054, China;2.Beijing Zhongtangdian Engineering Consulting Co., Ltd., Beijing 100040, China)

Abstract：The surface defect in porcelain insulation column is detected by the upper diffusion angle of 75°～84°of ultrasonic shear wave in the porcelain insulation column. This method can overcome the low sensitivity of probe. The article describes the design of both angle and size of ultrasonic probe, wiring terminal position, and test block of porcelain insulation column, which provides a method for the detection and a basis for defect judge of porcelain insulation column.

Key words:Ultrasonic shear wave; Upper dispersion angle; Surface defect

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)04-0019-03

DOI:10.11973/wsjc201604005

作者簡介：高延忠(1982-),男,工程師,學士,主要從事電站鍋爐、汽輪機、壓力容器的金屬監督檢驗工作。通信作者：宋紹河，男，高級工程師，E-mail: ssh19460418@126.com。

收稿日期：2015-08-24