基于超聲縱向波的電力桿塔地腳螺栓缺陷無損檢測研究

盧勝標

(廣西電網有限責任公司玉林供電局,廣西 玉林 537000)

1 引言

電力桿塔地腳螺栓是桿塔基礎的基本組成部分，在電力傳輸的過程中發揮著重要作用。電力桿塔由塔身、桿塔基礎、接地線、絕緣子以及各類金具組成，在實際投入運行過程中，桿塔各部分所受外力會對由地腳螺栓固定的桿塔基礎形成上拔力及下壓力，并通過基礎傳導至大地。然而目前，對于桿塔地腳螺栓缺陷情況的檢測仍然是困擾電力企業的一個難題，尚未有較為成熟的方法可對地腳螺栓腐蝕、裂紋等缺陷進行準確檢測。因此，研發地腳螺栓無損檢測系統對保障電力桿塔穩定以及保證輸電線路安全可靠運行具有重要意義。

2 電力桿塔地腳螺栓超聲導波傳播特性分析

2.1 傳播特性

超聲導波在桿塔地腳螺栓中傳播時，根據一維桿中應力波理論，當地腳螺栓存在內部形變缺陷時，超聲導波經過形變界面會產生導波的反射與透射過程。通過檢測地腳螺栓內導波波形變化，可以判斷地腳螺栓內的缺陷情況。導波反射系數F和透射系數T可由公式(1)表示。

(1)

式中，ρ0C0A為廣義波阻抗。C0由材料常數與彈性模E決定。

超聲導波在柱狀模型的地腳螺栓中傳播時，由于所采用的激勵源諧波分量的問題會出現頻散現象。激勵源不同頻率的諧波分量在地腳螺栓中傳播的相速度不同，所產生的反射、干涉及幾何頻散的波形也不同，影響檢測的準確性。因此為避免超聲導波在地腳螺栓中傳播時發生頻散現象，應根據地腳螺栓材質、幾何結構選取適合的激勵源與頻率，進一步提升檢測的精度。此外，在實際超聲導波檢測過程中，由于激勵源的頻率通常較高，不能滿足一維桿中應力波理論的平面假設，因此應將地腳螺栓視為三維復合柱狀波導結構。超聲導波在此類結構的傳播過程中會出現徑向傳播不均勻的三維效應。

2.2 評價參數

當超聲縱向波在地腳螺栓中傳播時，檢測到的反射導波包含各類與螺栓材料及內部情況的信息。準確檢測反射導波的參數變化可以推測螺栓材料內部的性能與組成結構。常用的超聲縱向波評價參數有波速、頻率以及波形等。

(1)波速

超聲縱向波導波在地腳螺栓中傳播時，其波速包含群速度與相速度兩個基本概念。群速度定義如公式(2)所示，實際上就是波在螺栓中的實際傳播速度；相速度定義為公式(3)所示，指的是等相位點的波速度。在實際的地腳螺栓超聲縱向波檢測時，通常檢測的是群速度變化。群速度與相速度的換算如公式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

式中，k為波數；ω為圓頻率；f為導波頻率；d為螺栓半徑。

(2)頻率

由激勵源激發的超聲導波一般都是由多種頻率的余弦波分量疊加而成。由于地腳螺栓的材質不同或是內部存在縫隙、缺陷等原因，會對不同頻率的超聲導波由不同的吸收作用，因此可將地腳螺栓視為具有頻率濾波器功能的介質。超聲導波在地腳螺栓中的實際傳播過程中，主頻會隨著傳播距離以及地腳螺栓的濾波器性質而下降。通過測量超聲縱向波通過地腳螺栓后主頻的變化，可以推斷出地腳螺栓的材料以及內部的缺陷情況。

(3)波形

超聲導波在地腳螺栓的傳播過程較為復雜，當導波在螺栓中碰到缺陷或縫隙等情況時，會發生導波的反射、折射、透射、頻散等現象，并且反射折射導波在碰到內壁時會發生二次折射，導致換能器接收到的回波導波頻率、相位復雜多變。因此，觀察研究超聲導波的波形變化有助于推斷地腳螺栓內部結構的變化，但由于波形變化多數情況下十分復雜，所以識別波形中所蘊涵的信息也比較困難。

3 電力桿塔地腳螺栓超聲導波檢測裝置設計

為實現對電力桿塔地腳螺栓的超聲縱向波缺陷檢測，需設計無損缺陷檢測系統。無損檢測系統具備兩個基本組成部分，分別為信號激勵部分以及信號接收部分，硬件設計如圖1所示。

圖1 檢測系統硬件設計

信號激勵部分能夠通過鍵盤控制產生不同頻率、不同幅度以及相位的激勵信號，并且可控制多路信號的相位和延時激勵時間；信號接收部分可實時采集地腳螺栓中回傳的超聲縱向波信號，并且存儲在存儲器中，通過RJ45口或無線通信方式傳輸至電腦端，通過電腦對波形進行相關處理。

信號激勵部分包括信號發生器、數字移相器、數模轉換器、調理電路以及陣列式激勵傳感器五個模塊。信號發生器模塊采用MAX038等專用信號發生芯片作為主芯片，可調制產生激勵信號源，并通過數字移相器進行相位控制以滿足超聲縱向波激勵所需要求。數模轉換器采用高速雙通AD9767芯片作為主芯片，實現將激勵源數字信號轉換為模擬信號的功能，模塊原理圖如圖2所示。

圖2 數模轉換模塊

AD9767輸出的模擬信號首先通過低通濾波濾除高頻噪聲信號，然后通過兩級運放將芯片輸出的電流信號轉換為-5V～+5V的電壓信號，為后續的調理電路提供電壓參考。調理電路的主要功能是穩定方法模擬電壓信號，使其能夠驅動激勵傳感器，因此調理電路的主芯片使用高性能AD847放大芯片以滿足需求。經過數模轉換并放大的激勵源信號最終輸入到陣列式激勵傳感器中，在地腳螺栓中激發超聲縱向導波。

信號接收部分包括接收傳感器、前置放大器、模數轉換器以及存儲器四個模塊。由接收傳感器檢測到的導波信號電壓幅值較小，無法滿足模數轉換的芯片要求，所以需要設置前置放大器對電壓信號放大10倍。前置放大模塊的核心芯片同樣采用AD847，能夠避免從元器件上產生的干擾，保證電路具有較高的性能。模數轉換過程實際上是數模轉換的逆過程，轉換芯片采用AD9627雙通道AD芯片，模擬信號需經運放放大后再輸入到AD芯片中，最后輸入到存儲器中。為滿足檢測信號數據采集的高速存儲、高度讀取以及大量緩存的需求，可采用DDR3規格的內存條作為存儲器。最后，存儲器中的數據可通過以太網通信傳輸至PC端進行后續的處理工作。

4 電力桿塔地腳螺栓檢測結果分析

論文選取適當的激勵信號，對電力桿塔地腳螺栓模型樁進行測試，設置腐蝕缺陷在模型樁的1/3處。為降低測試過程中導波信號的頻散程度，本文采用頻帶更窄且能量更為集中的傳感器來激發與接收信號，激勵源的頻率選擇為低頻100kVHz，高頻1MHz[4]，并且應用入射波的峰值對檢測波形進行歸一化處理，使用濾波器對檢測波形進行濾波處理。超聲縱波在地腳螺栓傳播過程中，由入射端傳播到尾端并反彈到入射端被傳感器接收的導波信號為底端回波；由入射點傳播到缺陷處后反彈至入射端被傳感器接收的導波信號為缺陷回波。

未設置缺陷地腳螺栓的波形如圖3所示，可以較為明顯的看出一次底端回波以及二次底端回波，二次底端回波由于超聲縱向波在螺栓中的頻散特性，幅值衰減嚴重。在地腳螺栓1/3處設置缺陷的檢測波形圖如圖4所示，可以看出，超聲縱向波在缺陷處發生反射導致缺陷回波的出現。缺陷回波的時間與幅值與缺陷的距離以及類型有關，由此可以計算地腳螺栓缺陷的情況。

圖3 無缺陷地腳螺栓檢測波形

圖4 1/3處設置缺陷的地腳螺栓檢測波形

5 結論

本文設計了基于超聲縱向波的電力桿塔地腳螺栓缺陷無損檢測系統，在分析超聲縱向導波在螺栓傳播特性的基礎上，對地腳螺栓無損檢測系統的兩個部分：信號激勵部分以及信號接收部分進行了硬件詳細設計，并且將所設計的檢測系統應用于地腳螺栓的缺陷檢測之中。最后，對地腳螺栓模型樁的測試效果顯示，所設計檢測系統可以較好地激勵并檢測超聲縱向波與回波，從而達到檢測螺栓內部缺陷的目的。