超聲波無損探傷在托電支柱絕緣子中的應用

裴玉東

摘 要：分析了支柱絕緣子缺陷產生的主要原因，介紹了超聲波無損探傷的基本原理，利用超聲波檢測支柱絕緣子內部缺陷的方法。列舉了利用爬波方法對支柱絕緣子內部的缺陷進行檢測的實例。

關鍵詞：支柱絕緣子；末裙；超聲波無損探傷；縱波；爬波；DAC曲線

0 引言

托克托電廠有一個500kV變電站和兩個220kV變電站，支柱絕緣子是變電站重要的組成設備，如果在制作過程中配方不當，工藝流程中原料混合不均勻，容易形成瓷件內部缺陷，由于沒有固有的形變能力且韌性極低，運行中長期承受機械負荷、強電場、強機械應力，從而使附加應力增大。若支柱絕緣子存在微小缺陷，可能造成嚴重的設備損壞和設備停電事故，影響安全供電，同時對工作人員的人身安全構成極大的威脅，成為升壓站安全運行的一大隱患。因此必須在事故前檢測出缺陷并進行處理。

1 支柱瓷絕緣子的組織結構

支柱瓷絕緣子是采用陶瓷、金具和水泥等多種材料組合而成的，瓷體主要有粘土、長石石英等鋁硅酸鹽原料混合配制，加工成一定形狀后，在高溫下燒結成的無機絕緣材料，瓷表面覆蓋了一層玻璃質平滑薄層釉。陶瓷一般是通過將粉末原料成型，燒結而成的。經過這些工藝所制得的陶瓷，是由許多微晶聚集的多晶體構成，這就不可避免的存在著晶界。晶界不僅在陶瓷燒結過程中起著重要作用，而且還對燒結體物理、化學性能有很大影響。陶瓷晶界有錯位、空孔等晶格缺陷和晶格畸變存在，雜質就容易集中，形成晶界偏析層、層狀析出物、粒狀析出物。由此可知陶瓷材料的特點是顯微組織且不均勻。

2 支柱瓷絕緣子斷裂的原因

支柱瓷絕緣子劣化因素既與制造廠的材料、配方、工藝流程有關，也與環境及運行中承受的負荷有關。

（1）運行中的支柱瓷絕緣子大都在法蘭處斷裂，支柱瓷絕緣子如果在制作過程中配方不當，工藝流程中原料混合不均，焙燒火力不足等，易形成瓷件內部缺陷，在長期承受運行中的機械負荷，以及風、雨等因素影響，從而使末裙與法蘭交界處附加應力增大，導致支柱瓷絕緣子產生裂紋、氣隙，以至斷裂。

（2）陶瓷、金具和水泥緊密粘合在一起，組成支柱瓷絕緣子，而三種材料的膨脹系數和導熱系數都是不同的，當環境溫度發生驟變時，使得法蘭內瓷體承受的應力過大和集中，應力無法釋放，就會作用在有缺陷的絕緣子端部，使支柱瓷絕緣子產生裂紋等缺陷，最終在外部環境作用下導致瓷件斷裂。

（3）在隔離開關安裝過程中，錯位別勁，這樣在溫度變化時，由于熱脹冷縮作用，產生機械應力，長時間作用也可能導致支柱瓷絕緣子斷裂。

（4）由于檢修維護不到位，隔離開關出現銹蝕、卡澀等現象，由于溫度變化作用，產生長時間的高變應力，最終導致支柱瓷絕緣子疲勞斷裂。

（5）隔離開關操作次數頻繁，操作不當，產生很大的短時機械負荷，導致支柱瓷絕緣子斷裂。

3 超聲波無損探傷的基本原理

超聲波探傷具有靈敏度高、穿透力強、檢測速度快、對被測試品和人員均無害。目前托克托電廠使用的是美國泛美的EPOCH-LT超聲波探傷儀和南京卓實的專業探頭，現在超聲波探傷儀大部分是A掃描方式的，即顯示器的橫坐標是超聲波在被測試品中的傳播距離或傳播時間，縱坐標是超聲波反射波的幅值。由反射波的位置可以確定缺陷位置，由反射波的幅值可以估算缺陷大小。超聲波探傷是通過探頭產生和接收超聲波的，探頭的核心元件是薄片狀壓電晶體，通常稱為壓電晶片。探傷儀發射電路產生的高頻電脈沖加于探頭時，激勵壓電晶片發生高頻振動，產生超聲波。產生的超聲波經耦合后傳入被測試品中，遇到異質界面處，就會全部或部分被反射，反射回來的超聲波又被探頭接收，通過儀器內部的電路處理，在儀器的顯示屏上就顯示出不同高度和有一定間距的波形，根據波形的變化特征，判斷缺陷在被測試品中的深度、長度和類型。

4 支柱瓷絕緣子爬波探傷方法的研究

4.1 支柱瓷絕緣子檢測的重點

從支柱瓷絕緣子損壞情況來看，通常在鑄鐵法蘭和瓷絕緣子的結合部。這里也是支柱瓷絕緣子應力最集中、最容易產生裂紋和發生斷裂的區域。該區域的顯著特點是水平跨距較小，約為20mm～50mm。此處一般有部分砂層覆蓋，扣除探頭無法放置的砂層過渡區后，跨距至多為20mm所以本此研究檢測的重點是支柱瓷絕緣子在埋藏在法蘭口內側2～3mm或與瓷體相交的表層下的裂紋。

4.2 爬波探頭功能

爬波僅僅對距表面深度1～8mm內缺陷有效。應調整e角度盡可能找出最大索范圍。試驗表明回波聲速快距離始脈沖較近，同時橫波聲速僅為爬波的1/2，由橫波產生的信號在時間基線上位置明顯滯后，因此不會干擾檢測。

4.3 爬波探頭的選擇及位置

探頭的弧度劃分為φ100、φ120、φ140、φ160、φ180、φ200、φ240以及平面等8種規格。選擇探頭的原則是根據被探支柱瓷絕緣子的外徑選擇，探頭接觸面的弧度應略大于瓷件的外徑。同時要注意被檢測瓷件的材質，選擇同類別的試塊和探頭。

4.4 耦合劑的規定

應采用良好的耦合劑，必須保持耦合劑的清潔，且耦合劑不得對支柱絕緣子造成腐蝕等不良影響。

4.5 探傷試塊的規定

探傷試塊材質的致密性應良好，應具有與被檢測的支柱絕緣子相同或相近的聲學性能。探傷試塊形狀為圓形實心瓷件，其上有均布4個方向的深度分別為1mm、3mm、5mm、7mm的人工割口缺陷。

4.6 測試方法

首先選擇合適的探頭，利用標準試塊，用1mm人工割口繪制DAC曲線，DAC曲線將作為標準和所測波形來判斷被測試品中是否有缺陷。在檢測過程，探頭與瓷件之間必須填充耦合介質以實現聲能的傳遞。耦合劑在瓷件與探頭接觸面上具有排除空氣，填充不平的凹坑和間隙，此外耦合劑還有減少摩擦、方便移動的功能。若支柱瓷絕緣子出現缺陷時，缺陷波前基本無雜波，移動探頭時，隨著缺陷距離的迫近，缺陷波高顯著增強，此時可采用絕對靈敏度測定其指示長度。

4.7 爬波探傷靈敏度的確定

將探頭置于試塊，找出距探頭前沿20mm深度2mm模擬裂紋的最強反射波，調整至80%波高，將探頭置于支柱絕緣子的探測面，如果是普通瓷應在此基礎上衰減6～8dB，中強瓷衰減8～10dB，高強瓷衰減12～14dB，即為探傷靈敏度（探傷部位如果已經涂刷防水膠時應在確定探傷靈敏度后再增益5～6dB）。

4.8 掃查方式

環繞支柱絕緣子徑向旋轉掃查。

4.9 爬波探傷缺陷的評定

采用爬波檢查外壁缺陷時，顯示屏始脈沖后基本無雜波，缺陷信號容易識別，指示長度易測定，掃查時會出現兩種情況：第一種情況是外壁缺陷反射波高≤深度1mm模擬裂紋反射波高，此時應以用于指示長度，當指示長度>10mm時應判定為裂紋，<10mm時應判定為點狀缺陷。第二種情況是當缺陷反射波高>深度1mm模擬裂紋反射波高時，當長度5 支柱瓷絕緣子的運行維護

（1）判斷瓷瓶質量好壞正確與否，很大程度上取決于探傷人員的實際經驗，除了加強工作人員的探傷技術培訓，還必須清楚絕緣子的制造工藝，熟悉缺陷的產生機理。

（2）在停電時間允許的情況下，要結合爬波和縱波兩種方法對支柱瓷絕緣子內部的缺陷進行全面檢測。

（3）對運行中的高壓支柱瓷絕緣子，在設備檢修和運行中，應認真檢查，正確操作，嚴禁蠻力操作。

（4）為了進一步了解支柱瓷絕緣子的狀況，應建立測試臺帳及相關管理制度，確定合理的測試周期，做到心中有數，為升壓站的安全穩定運行提供了可靠的保證。

（5）支柱瓷絕緣子的超聲探傷檢測周期：一是更換支柱瓷絕緣子時。二是對新投運的支柱瓷絕緣子，在投運一年內進行一次普測，測試報告存檔。三是運行15年及以上的支柱瓷絕緣子檢測周期為3年。四是運行15年以下的支柱瓷絕緣子檢測周期為6年。五是對停電困難的母線的支柱瓷絕緣子、母線側隔離開關支柱瓷絕應創造停電條件對支柱絕緣子進行檢測。

參考文獻

[1]唐琨.超聲波無損探傷在托電支柱絕緣子中的應用[J].科學時代，2012，（14）：98.

[2]李曉紅，丁杰，陳漢明，等.電網絕緣子的無損檢測技術[J].無損檢測，2004，26（3）：129-131.

（作者單位：大唐國際發電股份有限公司）