瓷質絕緣子超聲波探傷檢測技術的應用

宋靖瑤（大慶油田中油電能供電公司）

對于變電站的運行而言，瓷絕緣子及瓷套是其中關鍵的設備，可以起到絕緣以及支撐導線的作用。瓷絕緣子是以石英等硅酸鹽原料根據特定比例混合加工后形成相應形狀，并于高溫狀態下進行燒結所制得的無機絕緣材料，其機械強度取決于各晶體成分高低，晶體成分越高，則其機械強度越強[1]。在瓷絕緣子制造過程中，上述晶體粒子在瓷制品煅燒后冷卻時受到強大的拉伸應力作用，該力可能造成各玻璃狀機體以及晶體粒子與其邊界形成微裂紋，這一過程，在某種程度上甚至也表現于優質的瓷絕緣子上，所以不少瓷絕緣子可能早已在出廠前就已經存在微裂紋等瑕疵[2]。由于設備在運行階段需要承受各種機械負荷，同時還要經受一定的冰凍風雪以及風吹日曬，所以導致瓷絕緣子與瓷套局部應力逐漸增加，這種細微的缺陷也許會導致瓷絕緣子及瓷套的損壞，最終導致重大事故的出現。為此，國家電網多次就此進行申明，嚴格要求各單位做好相應的監督檢查工作。瓷絕緣子的破壞與缺陷危害程度、材料性能以及應力水平有關。超聲波探傷技術的瓷絕緣子無損檢測指的是，在開展應力以及材料性能分析的基礎上，對材料的缺陷進行判斷，并對可以引起的危害進行辨別，最終確保供電設備的穩定運行。

1 發展概況

超聲波檢測法指的是通過超聲波來對絕緣介質的裂紋缺陷進行檢測。早在上世紀三十年代，超聲波的無損檢測就已然出現。1929年，前蘇聯的Sokolov第一次提出通過超聲波來對金屬物體內部的缺陷進行探測。但這只停留在想法階段，沒有付諸實踐。六年后，在其發表的穿透法進行超聲波檢測試驗的結果中最終將這一想法付諸實踐，這也成為了其個人的專利。按照Sokolov的試驗裝置的基本原理，最終生產出了穿透法檢測儀器，第二次世界大戰之后，這一儀器得到了廣泛的運用[3]。超聲檢測技術具體的發展包括以下三個時期：分別是模擬式超聲波探傷儀時期、數字式超聲波探傷儀時期以及計算機支持下的超聲檢測系統時期。傳統意義上的模擬式超聲波探傷儀指的是A型掃描儀，這種掃描儀在掃描完成之后，需要專業的人員對掃描結果進行分析，這就需要檢測以及分析人員自身具備足夠的水平。也就是說，最終掃描以及檢測的結果會受到人為因素的干擾，波形的保存以及記錄也面臨極大的困難。數字式超聲波探傷儀的功能十分強大，其可以進行數據的采集、存儲以及分析，同時也可以執行探傷報告的打印等工作，而且能夠徹底處理超聲檢測記錄的難題，有利于規避人為的誤差，進一步促進探傷結果可靠性的提升。近期，由于計算機技術、傳感技術、自動控制技術以及電子技術的發展，超聲檢測技術的控制手段也更加的先進。

2 技術原理

2.1 超聲波探傷的基本原理

首先超聲波在介質內傳播時一旦遭遇缺陷等異質界面則會發生發射，此時若超聲波波長比缺陷尺寸小，則超聲波會被缺陷反射，同時在探傷儀中將反射波顯示出來；如果缺陷尺寸小于波長，則不會出現反射，原因在于超聲波將缺陷忽略了[4]。其次，超聲波波聲指向性良好，隨著頻率提升其指向性會進一步提升，它可以通過極窄波束輻射至介質內，從而確定缺陷部位；最后，超聲波所傳播的能量極大。

2.2 超聲波探傷儀工作原理

由脈沖發生器的探頭將超聲波短脈沖送至器件內，在回波從器件邊界或缺陷處返回后，經信號處理系統將信號傳播時間、幅度顯示在示波器上[5]。由于器件聲速已知，此時只用結合示波器讀數得出脈沖之間的傳輸時間即可得出最終的缺陷深度，超聲波探傷儀原理圖見圖1。

圖1 超聲波探傷儀原理圖

從本質上而言，超聲波的產生和接收均為典型的能量轉換過程，該能量轉化發生在探頭上[6]。探頭可以實現電能與超聲能之間的轉化，同時也能促使超聲波發生，并接收超聲波。目前超聲波專用探頭以及瓷瓶探傷儀等技術已經相對成熟，能夠用于滿足不同場景的需要，并且得到廣泛應用。一旦從探傷探頭發生了超聲波，則其經瓷瓶表面迅速進入到其內部，此時在瓷瓶背面以及瓷瓶內空隙中與超聲波相遇，則會發生反射波，并且該反射波脈沖波形會顯示在DAC曲線屏幕上。通過對發射波波形、試塊波形進行對比便可確定缺陷的大小、位置。

2.3 超聲波瓷瓶探傷的檢測方法

1）爬波檢測方法。爬波是一種縱波，其傳播位置在目標檢測工件的表面，可以用于評估工件表面的平滑程度，它能夠對工件表面和近表面的缺陷進行準確檢測，也叫做表面下縱波，若有物質置于工件表面，那么爬波可能會穿過物體，物體的存在基本不會影響爬波的傳播，爬波還能檢測到工件表面的微小裂紋，可檢測出0.5～15 mm深的表面開口裂紋，爬波還能對支柱絕緣子表面及近表面裂紋的缺陷進行檢測。

2）縱波斜探頭檢測。武漢大學、青海電力試驗研究院是開發縱波斜探頭檢測方法的主體，這是一種繼爬波檢測方法后能夠準確檢測瓷套缺陷和支柱絕緣子的方法，被檢工件內因其表面平行的晶片所發出的超聲波作用而產生垂直入射的超聲波，當被檢工件的表面與晶片的角度達到一定程度時，只要第一臨界角大于入射角，那么按照波的折射原理可知，工件既會產生折射橫波，也會產生折射縱波，縱波斜入射檢測法就是這種用工件折射波進行檢測的方法。研究結果顯示，縱波斜探頭檢測方法擁有1.2 mm的檢驗靈敏度[7]。受自然裂紋反射條件差與瓷體表面黏結瓷砂的影響，小角度縱波檢測在役支柱瓷絕緣子表面小裂紋的信噪比很低[8]，毫無疑問，從檢驗靈敏度方面對比，此種檢測方法在檢測支柱絕緣子外表面缺陷的能力不如爬波檢測方法。

3 現場應用

3.1 超聲波探傷技術應用

目前油田電網以爬波探傷為主要檢測方法。單位試驗室內將已斷裂的豐收一次變35 kV 01441乙刀閘B相支持瓷瓶進行復原。對復原后的瓷瓶缺陷部位進行爬波檢測的研究，檢測結果與預測的結果完全相同，進一步驗證絕緣子超聲波探傷技術的有效性。爬波檢測暨法蘭膠裝區支柱瓷絕緣子及瓷套表面和近表面缺陷的檢測，也是在油田電網發生最多的缺陷。圖2為完好瓷瓶探傷曲線，圖3為豐收一次變35 kV 01441乙刀閘B相支持瓷瓶斷裂后探傷曲線。

圖2 完好瓷瓶探傷曲線

圖3 瓷瓶斷裂探傷曲線

兩圖比較可以看出，有問題的絕緣子波形非常明顯的超出參考曲線。爬波檢測的同時，絕緣監督專業還對斷路器瓷套內部和內壁進行橫波測試，測試過程未發現異常。

截至目前完成豐收、馬鞍山等18座變電所支柱絕緣子檢測，開關、刀閘共計800多支。

3.2 檢測注意事項

超聲波本身就具有很強的探傷穿透力，同時具有設備輕便、檢測成本低、檢測效率高等優點。對于危害性較強的裂紋缺陷，超聲波的探傷效果更是十分顯著。但是這種檢測方法也具有一定的局限性，為此在檢測過程中應注意以下幾個方面：

1）超聲波檢測一般針對材料中的平面狀缺陷比較敏感，在具體的檢測階段，在缺陷十分顯著的時候，檢測階段即可得到較高水平的缺陷反射回波。然而針對瓷絕緣子及瓷套內部體積狀和條狀以及球狀的缺陷，由于超聲波聲束在擴散階段存在一定的局限性，因此僅僅在缺陷足夠明顯或者反射角度相對較大的時候，方可得到相應的缺陷反射回波。

2）探傷試驗的過程中，一旦沒有清理工具，沒有選擇恰當的方法、環境，或者探傷表面不夠平滑，那么試驗結果就會缺失準確性。這些因素中任何一項都會影響試驗結果的準確性，導致檢驗者操作當中出現誤差，因此要嚴格監管探傷試驗的整個操作過程，這樣才能得到可靠、準確、完整的試驗結果。

3）探傷試驗過程中，應該嚴格把關檢驗主體綜合能力的關口，認真檢查其試驗的經驗和資格，確保其操作規范、經驗豐富，能夠出具恰當且準確的試驗結果[9]，而且要詳細記錄下每一次的試驗數據和信息，方便今后回顧檢查，也是保證試驗結果準確性的基本要求。

4 結語

瓷瓶缺陷目前已經威脅到了電力安全生產，因此要制定相關規定對其資產進行管理，提升瓷瓶的耐用性，增加其安全性能，超聲波探傷檢測技術作為一種無損檢測技術，可以在瓷質絕緣子設計、安裝及運行中出現的缺陷和故障的檢測中發揮積極作用。油田電網由于開展時間較短，所以該項技術還有很多需要完善的地方。隨著研究的深入和現場運用經驗的積累，該項技術的應用必將大大提高瓷質絕緣子缺陷的檢測能力，同時在電氣設備的狀態檢修中發揮重要的作用。