碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線X射線無損檢測(cè)技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

王永偉，朱波，曹偉偉，雍建華，徐志偉

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碳纖維工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250061 ；2.天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300160 ； 3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)，南京電力金具設(shè)計(jì)研究院，南京 210037）

碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線X射線無損檢測(cè)技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

王永偉1，朱波1，曹偉偉2，雍建華3，徐志偉3

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碳纖維工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250061 ；2.天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300160 ； 3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)，南京電力金具設(shè)計(jì)研究院，南京 210037）

碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線以其優(yōu)異的性能近年來在國(guó)內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。施工過程中由于人員對(duì)碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線的特性認(rèn)識(shí)不深、操作不當(dāng)，可能會(huì)使其內(nèi)部芯棒受損，且導(dǎo)線受損后因鋁層包覆而不易發(fā)現(xiàn)。采用 X 射線無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行檢測(cè)，獲得清晰的鋁層內(nèi)部芯棒圖片，進(jìn)而判斷導(dǎo)線損傷情況，可為導(dǎo)線安全施工及線路檢修提供重要參考依據(jù)。

碳纖維導(dǎo)線；X 射線；無損檢測(cè)

近年來，碳纖維導(dǎo)線因具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、低弧垂、倍容輸電、耐腐蝕、損耗小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異性能而得到廣泛應(yīng)用。自 2013 年碳纖維芯棒國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)以來，國(guó)家電網(wǎng)陸續(xù)發(fā)布 3 批近 6 000 km 碳纖維導(dǎo)線集中招標(biāo)釆購(gòu)，涉及全國(guó)各省市，為碳纖維導(dǎo)線的發(fā)展提供了巨大的發(fā)展空間。碳纖維導(dǎo)線鋪設(shè)施工過程中，碳纖維導(dǎo)線芯棒易遭受損傷，并且因外面鋁層的包覆，有些損傷不易通過肉眼進(jìn)行辨別，如果導(dǎo)線帶傷掛網(wǎng)，在使用過程中其受損部位會(huì)逐步擴(kuò)散直至斷裂，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此需要行之有效的檢測(cè)方法來及時(shí)評(píng)測(cè)導(dǎo)線是否受損。

無損檢測(cè)技術(shù)可在不剝離外層鋁導(dǎo)體的情況下獲得其內(nèi)部芯棒外貌、結(jié)構(gòu)等信息，進(jìn)而有效評(píng)判導(dǎo)線是否受損，預(yù)估導(dǎo)線使用壽命。筆者利用X射線無損檢測(cè)技術(shù)獲得清晰的芯棒圖片，可直觀有效地觀察芯棒受損情況，設(shè)備輕便，快捷，配備移動(dòng)電源，成像快，適合野外作業(yè)施工。

1 X射線無損檢測(cè)原理

發(fā)射器激發(fā)出X射線貫穿被檢物體，X射線與物質(zhì)相互作用，強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)X射線經(jīng)過不同厚度、不同材質(zhì)的材料時(shí)，其強(qiáng)度減弱程度不同。工件中的缺陷都會(huì)引起工件厚度和材質(zhì)的局部改變，因此測(cè)量和顯示穿透射線的強(qiáng)度及分布，即可發(fā)現(xiàn)和判別缺陷的位置、大小和數(shù)量等信息。X射線無損檢測(cè)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國(guó)防、農(nóng)業(yè)、冶金、石油、電力、汽車零部件及輕工、電子等行業(yè)［1-4］，在電力輸送絕緣子檢測(cè)評(píng)估中也有所建樹［5］。

X射線無損檢測(cè)按成像方式主要分為常規(guī)膠片射線成像和數(shù)字射線檢測(cè)成像。

（1）釆用輻射探測(cè)器代替膠片完成射線信號(hào)的探測(cè)和轉(zhuǎn)換。膠片射線照相檢驗(yàn)技術(shù)原理見圖1。

圖1 常規(guī)膠片射線照相檢驗(yàn)技術(shù)原理圖

（2）釆用圖像數(shù)字化技術(shù)，獲得數(shù)字檢測(cè)圖像。由此產(chǎn)生了數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的技術(shù)環(huán)節(jié)、技術(shù)控制上不同于常規(guī)膠片射線照相檢驗(yàn)技術(shù)的差異。數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)原理見圖2,。

圖2 數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)原理圖

2 檢測(cè)設(shè)備

按設(shè)備體積和測(cè)試物件檢測(cè)設(shè)備主要分為高能工業(yè) CT、平面 CT、移動(dòng)式 X 射線成像機(jī)和便攜式 X 射線成像機(jī)。前 3種設(shè)備成像效果好，能清晰地觀測(cè)到樣品缺陷情況，但設(shè)備本身比較龐大和笨重，移動(dòng)不方便，還需要配備標(biāo)準(zhǔn)電源供電，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的輻射，需要特殊防護(hù)，不宜長(zhǎng)期使用［6］。針對(duì)導(dǎo)線架線施工現(xiàn)場(chǎng)情況，需要選擇便攜可充電式的檢測(cè)設(shè)備，方便操作并及時(shí)地獲得現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖3 高清晰型便攜式X光機(jī)

本實(shí)驗(yàn)選用的特種X光機(jī)具有極高的靈敏度，其X射線劑量非常低，可以保證操作者的身體安全。該機(jī)具有視頻輸出功能，可以利用監(jiān)視器直接觀察圖像，也可以通過 USB 接口利用電腦釆集、觀測(cè)、存儲(chǔ)、查詢圖像，顯著地減小了對(duì)操作人員的輻射傷害。

3 檢測(cè)圖像

碳纖維導(dǎo)線內(nèi)部主要受損情況為芯棒受過度擠壓、扭轉(zhuǎn)、橫向剪切力和沖擊而造成的裂紋、崩斷、變形、暗痕等破壞，主要由誤操作造成，例如金具的壓接過度，放線不當(dāng)產(chǎn)生的彎折、扭曲，導(dǎo)線在施工過程中遭受碾壓或橫向剪切力。這些較為明顯的破壞形式直接導(dǎo)致芯棒強(qiáng)度的不合格，在導(dǎo)線架線之前務(wù)必提前發(fā)現(xiàn)并予以解決，以免掛網(wǎng)應(yīng)用后導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。

碳纖維導(dǎo)線芯棒密度僅為 1.6 g／cm3，碳纖維對(duì)X射線具有很好的穿透效果，但與鋁絲對(duì)比度不高，且鋁層相對(duì)較厚，因此芯棒因鋁導(dǎo)線阻隔而形成的圖像并不十分明顯，即使在高強(qiáng)度X射線照射下，也僅能看到較為暗淡的影子，無法直接清晰地觀測(cè)到鋁層內(nèi)部情況（如圖4 所示），僅可以模糊地觀測(cè)到明顯斷層的地方（如圖5 所示）。

圖4 碳纖維導(dǎo)線高強(qiáng)度X射線檢測(cè)圖像

圖5 碳纖維導(dǎo)線斷裂處檢測(cè)圖像

便攜式 X 光機(jī)體積小巧，便于攜帶，但輸出功率略低，強(qiáng)度小，因此其捕捉的圖片有些模糊［7］，需要將芯棒進(jìn)行特殊處理。針對(duì)此問題，筆者在芯棒生產(chǎn)過程中選用高強(qiáng)樹脂配合特殊顯影劑來增加成像效果，使芯棒的破損處在 X 射線下顯現(xiàn)出來，如圖6所示。經(jīng)過處理后的芯棒也可在X射線下于內(nèi)外襯管中顯示出影像，便于分析金具壓接過程中是否對(duì)芯棒造成損傷。在長(zhǎng)期使用過程中，導(dǎo)線最容易失效的部位是芯棒與金具接觸處，亦即外襯管內(nèi)楔接金具壓接芯棒處，因此在線路檢修中亦可通過此方式進(jìn)行評(píng)估（如圖7 所示）。

圖6 便攜式X光機(jī)對(duì)顯影增強(qiáng)前后芯棒檢測(cè)圖像

圖7 便攜式X光機(jī)對(duì)內(nèi)外襯管中芯棒檢測(cè)圖像

4 結(jié)語

便攜式 X 光機(jī)小巧，配備充電電源，攜帶方便，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，輻射劑量小，人員使用安全。儀器本身功率偏小，會(huì)減小芯棒的顯像效果，通過對(duì)其進(jìn)行特殊顯影增強(qiáng)，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線及外襯管內(nèi)部芯棒的檢測(cè)以及導(dǎo)線使用壽命的預(yù)測(cè)評(píng)估。

隨著碳纖維導(dǎo)線的推廣，無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)其普及將起到越來越大的推動(dòng)作用。未來X射線檢測(cè)的發(fā)展，將著重于在線實(shí)時(shí)無損檢測(cè)［8］，自動(dòng)化，連續(xù)化，影像增強(qiáng)［9］及信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)确矫娴倪M(jìn)一步拓展。

［1］ 韓平，潘立剛，馬智宏，等 . X 射線無損檢測(cè)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009(10): 6-10.

［2］ 殷曉輝，韓曉微，高原，等 .焊接缺陷 X 射線自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.電焊機(jī)，2007，37(11): 28-31.

［3］ 周賢，劉義倫 .炭素制品缺陷 X 射線自動(dòng)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.光學(xué)精密工程，2006，14(3): 503-508.

［4］ 周正干，趙勝，安振剛 .航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片成像自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41(4): 129-134.

［5］ 閆文斌，王達(dá)達(dá)，李衛(wèi)國(guó)，等 . X 射線對(duì)復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷的透照檢測(cè)和診斷［J］.高壓電器，2012，48(10): 58-66.

［6］ 汪衛(wèi)衛(wèi)，夏道有 .工業(yè) X 射線探傷的輻射防護(hù)及其管理［J］.工程技術(shù)，2010(12): 113.

［7］ 朱亞明，陳紅霞 . X 射線強(qiáng)度對(duì)無損檢測(cè)質(zhì)量的影響［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，15(3): 167-168.

［8］ 荊峰 . X 射線數(shù)字化實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)在無損檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.無損探傷，2004，28(3): 37-40.

［9］ 喻春雨，常本康，富容國(guó) .新型組合式 X 射線影像增強(qiáng)器［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2007，27(3): 610-613.

Development and Application of Non-Destructive Testing Technology on ACCC

Wang Yongwei1, Zhu Bo1, Cao Weiwei2, Yong Jianhua3, Xu Zhiwei3
(1. Carbon Fiber Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China ；2. School of Materials Science and Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160, China ；
3. China Energy Engineering Group Co. Ltd., Nanjing Power Fittings Design and Research Institute, Nanjing 210037, China)

Aluminum carbon fi ber composite core has been widely used in China. The core may be destroyed for misoperation by workers if they know little about this new cable. The damage will not be easily found for the aluminum lamellar outside. In this paper, a kind of non-destructive testing manner was introduced to fi nd the damage of core inside and pictures could be obtained. This technology can help safety construction of ACCC and offer reference frame for line repair.

ACCC; X-ray; non-destructive testing

TM755

A

1008-6145(2014)05-0072-03

聯(lián)系人：王永偉；E-mail: wyw0071984@163.com

2014-08-28

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.05.024