陣列渦流檢測特高壓輸變電塔法蘭的應用研究

林俊明，李寒林，趙晉成，陳 貝

(1.無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063;2.愛德森(廈門)電子有限公司，福建廈門 361008）

0 引言

隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，及對能源優(yōu)化配置的要求，發(fā)展特高壓、遠距離、大容量交直流輸電智能電網技術，建設更加堅強的骨干電網網架，已成為未來電網發(fā)展的重點，如國家電網公司開工建設的皖電東送淮南至上海特高壓交流輸電示范工程(以下簡稱皖電東送工程)。皖電東送工程全長620 km，全線采用同塔雙回線路鋼管塔，總計2218基，是目前世界上建設的電壓等級最高、唯一采用同塔雙回方式建設的特高壓輸電工程。法蘭連接是鋼管塔主要連接方式之一，皖電東送工程采用高頸鍛造法蘭(圖1)，總質量18000 kg。法蘭作為主要結構部件，其自身質量和有效的檢測方法是生產過程控制的關鍵。

目前，對法蘭表面及近表面進行檢測的方法為滲透和磁粉2種［1］。采用磁粉檢測方法需要對法蘭盤進行磁化，在法蘭頸部過渡區(qū)域無法實現有效、快速探傷;滲透探傷工序較多，且效率極低。而渦流檢測方法無需磁化，設計專用的探頭可以實現法蘭頸根部的快速探傷。渦流探傷方法在特高壓輸變電鐵塔法蘭盤檢測中的應用，可以替代部分磁粉和滲透方法，特別是對磁粉方法難以有效檢測的法蘭頸部等區(qū)域，從而提高法蘭盤表面及近表面缺陷檢測的效率，滿足對輸電鐵塔法蘭盤安全的檢測需要。

圖1 特高壓輸變電鋼管塔與高頸法蘭Fig.1 Steel tube tower and flange in ultra-high-voltage power transmission

1 陣列渦流檢測設備

1.1 多頻陣列渦流儀的原理

渦流檢測以電磁感應為基礎，基本原理是當載有交變電流的檢測線圈靠近導電試件時，由于線圈磁場的作用，試件中會感生出渦流。渦流的大小、相位及流動形式受到試件導電性能等的影響，而渦流的反作用磁場又使檢測線圈的阻抗發(fā)生變化。因此，通過測定檢測線圈阻抗的變化，就可以判斷被測試件的導電性差別及有無缺陷［1-2］。

陣列渦流檢測方法，由于一次掃描可以檢測較大面積，因此具有高的檢測效率，現在也成為渦流無損檢測的一個研究熱點，并取得了成效［3-10］。本試驗所用的多頻陣列渦流探傷儀有8個或8個以上獨立的檢測通道，可分別連接8只以上的檢測探頭，對大工件進行高效率探傷，圖2所示為陣列渦流檢測儀基本原理框圖。探頭可同時檢測金屬工件的縱向裂紋和橫向缺陷(如駁口)，其選擇可根據用戶需要而定。

圖2 陣列渦流檢測儀基本原理框圖Fig.2 Block diagram of array eddy current testing instrument

1.2 陣列R角柔性渦流檢測探頭

目前的渦流檢測技術最高靈敏度可檢出金屬材料表面深10 μm的裂紋，但前提是檢測表面應極光滑，且具備高精度的掃查架。由于法蘭盤頸根部和螺栓孔的形狀復雜，可能存在加工誤差、相對粗糙等特點;因此，為了保證檢測精度，不能使用普通的陣列渦流探頭。

本試驗專門針對特高壓輸變電項目法蘭檢測而設計了專用的柔性渦流陣列探頭，使得探頭和檢測面耦合良好，實現法蘭盤橫向、縱向、斜向缺陷的全方位檢測，避免表面檢測盲區(qū)，且探傷靈敏度高。

所設計的R角陣列渦流探頭如圖3所示，其主要參數見表1。

表1 探頭參數表Table 1 Parameter list of the probe

圖3 R角陣列渦流探頭Fig.3 R-angled flexible array eddy current probe

2 法蘭的陣列渦流檢測

2.1 檢測試驗

制定特高壓輸變電鐵塔法蘭盤檢測完整流程:1)了解被檢對象規(guī)格，加工型式，材質，表面狀態(tài);2)儀器、探頭的連接;3)探頭校準、靈敏度校準;4)檢測數據采集;5)數據質量判定與存儲;6)數據分析;7)簽發(fā)報告。

根據法蘭盤的受力情況和法蘭盤可能出現的缺陷類型，設計法蘭盤的檢測試樣，在R角部位刻上標準人工缺陷，深度分別為0.2、0.5、1 mm(圖4)。

圖4 法蘭對比人工缺陷試塊示意圖及實物照片Fig.4 Sketch and photo of the test piece

利用所研制的陣列R角柔性渦流檢測探頭，對皖電東送工程的10余個法蘭樣品，在實驗室進行了多項測試，并經與其他方法復核后，證明該方法能準確、有效檢測出其表面的人工缺陷和自然裂紋。

2.2 現場檢測

鑒于本項目特高壓輸變電法蘭盤的表面加工狀態(tài)，現場檢測采用手工探傷。經過現場的反復試驗分析，確定陣列渦流的檢測標準缺陷為深0.5 mm，長10 mm。靈敏度設定以實物法蘭盤0.5 mm深的縱向、斜45°方向、周向的人工刻槽作為報警參照。在檢測過程中只要出現超過報警區(qū)域的信號(長度10 mm以上的缺陷)，均按判廢處理。檢測采用愛德森公司生產的SMART－5097便攜式多頻陣列渦流檢測儀，主要參數設定為:頻率:666.7 kHz;濾波參數:高通 1.0/低通 110.0;增益:交流15/檢波后41.5 dB;報警模式:幅相聲光報警。

特高壓輸變電項目主要鐵塔供應廠家有盛達鐵塔廠、大吉鐵塔廠、常熟風尚鐵塔廠，主要法蘭生產廠家有唐山粵豐機械廠。本研究應用多頻陣列渦流儀和陣列R角柔性渦流檢測探頭對以上廠家安裝和出廠的法蘭盤進行了多次檢測。圖5是現場對鐵塔法蘭盤檢測時發(fā)現的一些自然裂紋以及對應的陣列渦流檢測阻抗平面圖。

實際檢測后還可以得出:陣列渦流檢測儀結合R角陣列探頭，可以實現對檢測區(qū)域的100%覆蓋;對表面和近表面裂紋、夾雜和氣孔等缺陷具有較高的檢測靈敏度。該檢測方法不需要技術人員了解和掌握很多的理論和實踐經驗，方法簡單，易操作。特高壓輸變電工程的相關領導和技術人員在現場試驗中也已充分肯定了此種方法的有效性和實用性。

圖5 法蘭盤自然裂紋與相對應的陣列渦流檢測阻抗平面圖Fig.5 Cracks on flanges and corresponding testing results

3 結論

1)設計的鐵塔法蘭盤的檢測工藝既可解決法蘭盤頸部的表面及近表面缺陷檢測的難題，又可提高法蘭的檢測速度。

2)陣列渦流檢測方法為特高壓輸變電鐵塔法蘭盤的制造、檢修提供了一種新的快速、簡單、有效的檢測方法。用戶可以通過使用陣列渦流檢測儀快速完成檢測，對懷疑有缺陷的部位通過使用其他無損檢測表面的方法來進行復核、判定，以保證檢測的準確性。

3)法蘭盤的在役檢測是關乎其長期使用之安全的必要手段，陣列渦流檢測手段具有快速檢測的優(yōu)勢，可進行更進一步的研究。

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