基于超聲相控陣技術(shù)的瓷絕緣子縱波檢測(cè)

張 昕，李 軍，苗 興，袁 芳，楊景建，李 輝

（國(guó)網(wǎng)甘肅電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050）

支柱瓷絕緣子(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“瓷瓶”)是發(fā)電廠和變電站的重要電氣設(shè)備部件，起著支撐設(shè)備、導(dǎo)線和絕緣的作用，其重要性和故障危害性眾所周知。電力行業(yè)針對(duì)瓷瓶的超聲檢測(cè)工作已開(kāi)展多年，主要有采用小角度縱波檢測(cè)內(nèi)部缺陷和采用爬波檢測(cè)表面(近表面)缺陷2種方法。而隨著超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)被引入到我國(guó)，其在國(guó)內(nèi)各行業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域都有了很好的應(yīng)用。

超聲相控陣技術(shù)與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)相比具有很大優(yōu)勢(shì)，主要為：

(1)采用電子聚焦方法控制聲束偏轉(zhuǎn)，可在探頭不移動(dòng)或較小范圍移動(dòng)的條件下對(duì)工件內(nèi)部較大區(qū)域進(jìn)行掃查；

(2)聲束焦點(diǎn)可以調(diào)節(jié)，或者采用聲束動(dòng)態(tài)聚焦，都可以使檢測(cè)系統(tǒng)的分辨力、信噪比和靈敏度得以提高。

此外，由于采集的信息更為豐富，采用超聲相控陣技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)被檢工件的3D仿真成像，更形象地反應(yīng)缺陷在工件內(nèi)的分布狀況。

1 瓷瓶被檢區(qū)域特性

瓷瓶一般由鑄鐵法蘭、水泥和瓷體膠裝而成。瓷瓶在制造過(guò)程中，產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷也多種多樣，如晶粒粗大、疏松、裂紋、黑心和黃心等。瓷瓶?jī)?nèi)部缺陷的存在，使其整體有效承載面積減少，承載能力降低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)斷裂的瓷瓶有95 %以上發(fā)生在法蘭口內(nèi)30 mm到第1個(gè)傘群之間。目前，國(guó)內(nèi)很多科研院所和電力行業(yè)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究，制定了相當(dāng)數(shù)量的瓷瓶檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，均將重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域定義為支柱瓷絕緣子兩端鑄鐵法蘭膠裝部位30 mm的范圍內(nèi)(見(jiàn)圖1)。

2 相控陣原理概述

相控陣探頭晶片由多個(gè)陣元組成，各陣元按一定規(guī)律順序排列，構(gòu)成超聲陣列探頭。通過(guò)分別控制單個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)的波形、幅度和相位延遲，使各陣元發(fā)射的超聲子波束在空間疊加合成，從而達(dá)到發(fā)射的聲束聚焦和偏轉(zhuǎn)等效果。

圖1 瓷瓶檢測(cè)區(qū)域示意

以線陣探頭為例，在圖2(a)中，探頭各陣元的激勵(lì)時(shí)序是兩端陣元先激勵(lì)，逐漸向中間陣元加大延遲，使得合成的波陣面指向一個(gè)曲率中心，即發(fā)射相控聚焦；圖2(b)則為相控陣偏轉(zhuǎn)的情形。

圖2 發(fā)射相控聚焦與偏轉(zhuǎn)

3 瓷瓶檢測(cè)探頭參數(shù)確定

超聲相控陣檢測(cè)中，聲束的發(fā)射和接收是通過(guò)探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此相控陣探頭參數(shù)的選擇尤為重要。當(dāng)探頭的參數(shù)選擇不合理時(shí)，探頭發(fā)射的聲場(chǎng)中除了主瓣外還會(huì)出現(xiàn)副瓣、柵瓣和較高的旁瓣。柵瓣是產(chǎn)生偽像的主要原因之一，而副瓣、旁瓣一方面降低了主瓣的能量和系統(tǒng)的對(duì)比度及分辨力，另一方面也可能形成偽像。目前，工業(yè)檢測(cè)中常用的超聲相控陣探頭晶片多為均勻線陣排列。均勻線陣探頭的主要參數(shù)有：探頭頻率(f)、探頭晶片數(shù)量(N)和陣元間距(d)。

3.1 頻率選擇

探頭頻率的選擇主要依據(jù)為被檢工件的聲學(xué)特性和檢測(cè)要求。檢測(cè)分辨力隨著探頭頻率增高而增高，但探頭頻率增高伴隨著聲束衰減增大，有效檢測(cè)范圍變小。聲束聚焦可以大大提高檢測(cè)分辨力，動(dòng)態(tài)聚焦是超聲相控陣檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)之一，聚焦焦點(diǎn)的動(dòng)態(tài)孔徑?jīng)Q定著檢測(cè)系統(tǒng)的分辨力。設(shè)陣列探頭的孔徑為D(D=Nd)，則相控陣聲場(chǎng)中焦距F處的動(dòng)態(tài)孔徑寬度WF為:

從式(1)可以看出，動(dòng)態(tài)孔徑寬度與波長(zhǎng)λ和焦距F成正比，而與晶片數(shù)量N和晶片間距d的乘積(即探頭孔徑D)成反比。同種材料在聲速一定的情況下，探頭頻率越高，波長(zhǎng)λ越小，動(dòng)態(tài)孔徑寬度越小，分辨力越高；但隨著探頭頻率的增大，聲能的衰減也越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高壓電力設(shè)備瓷瓶直徑約為160～380 mm，若將檢測(cè)掃查范圍設(shè)定為1.1r(r為瓷瓶半徑)，則掃查最大聲程為80～190 mm。選擇頻率時(shí)，從理論上講，常用的2～5 MHz探頭均符合檢測(cè)要求，對(duì)于直徑較小的瓷瓶，應(yīng)盡量選擇高值；對(duì)于直徑較大的瓷瓶則相反。

為達(dá)到一次掃查即可同時(shí)完成內(nèi)部缺陷和瓷瓶鑄鐵法蘭結(jié)合面部位表面(近表面)缺陷檢測(cè)的目的，對(duì)在超聲相控陣常規(guī)聲束角度偏轉(zhuǎn)范圍(±π/4)和超大偏轉(zhuǎn)角度下(π/2)的人工缺陷，在不同探頭激發(fā)頻率條件下的反射當(dāng)量進(jìn)行了測(cè)定。以陣元間距相同的2 MHz、32晶片探頭和5 MHz、32晶片2種探頭，均采用動(dòng)態(tài)聚焦方式，分別對(duì)JYZ-BX試塊上的表面5 mm深線切割槽和Ф1通孔人工缺陷進(jìn)行了多次測(cè)試，測(cè)試的反射當(dāng)量平均值結(jié)果(偏轉(zhuǎn)角度增益已進(jìn)行了補(bǔ)償)如表1所示。

由表1中的結(jié)果可知，聲束偏轉(zhuǎn)角度在常規(guī)范圍時(shí)，5 MHz探頭與2 MHz探頭在聲程40～150 mm范圍內(nèi)，除聲程最大的150 mm相差達(dá)5 dB外，其余差別并不大，僅相差0.5～2 dB左右；但在聲程50 mm且水平掃查表面5 mm深線切割槽時(shí)，5 MHz探頭的反射當(dāng)量與2 MHz探頭的偏差達(dá)到6 dB。

表1 不同頻率探頭反射當(dāng)量dB

有關(guān)研究表明，瓷瓶最大軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力都集中在法蘭口附近的瓷體表面上，為保證對(duì)表面(近表面)缺陷有較高的靈敏度，推薦采用頻率為5 MHz的相控陣探頭。

3.2 晶片數(shù)量和陣元間距選擇

3.2.1 晶片數(shù)量

在相控陣探頭激發(fā)頻率一定的情況下，聲束主瓣寬度Δθ(θ為聲束偏轉(zhuǎn)角度)與晶片數(shù)量N和陣元間距d有如下近似關(guān)系：

其中，主瓣寬度與波長(zhǎng)λ成正比，而與晶片數(shù)量N和陣元間距d成反比。在N和d確定的情況下，聲束偏轉(zhuǎn)角度θ與聲束的寬度成正相關(guān)，θ越大，主瓣寬度越大。理論上，偏轉(zhuǎn)角度變化范圍為-π/2≤θ≤π/2。采用5 MHz、32晶片進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著聲束偏轉(zhuǎn)角度的增大，有效檢測(cè)聲程急劇減?。划?dāng)聲束偏轉(zhuǎn)角度增大至π/2時(shí)，有效檢測(cè)范圍僅為90 mm左右。因此，普遍認(rèn)為超聲相控陣縱波檢測(cè)角度偏轉(zhuǎn)范圍僅可取-π/4≤θ≤π/4之間。利用聲束寬度隨偏轉(zhuǎn)角度增大而增大，以及瓷瓶表面(近表面)缺陷檢測(cè)范圍小的特性，開(kāi)展瓷瓶表面(近表面)缺陷檢測(cè)，可以獲得較好的效果。

超聲波聲束中除了聲能占絕大多數(shù)的主瓣之外，還有副瓣。副瓣的存在會(huì)降低檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率，因此應(yīng)采取一定的措施對(duì)其加以控制。相控陣探頭聲場(chǎng)中第n個(gè)副瓣的寬度F(θn)有如下近似關(guān)系式：

由式(3)可見(jiàn)，要限制副瓣的大小，晶片的數(shù)量N不能過(guò)大。有關(guān)研究表明，晶片數(shù)量過(guò)多，不但對(duì)提高探頭分辨率的作用不大，反而會(huì)使副瓣過(guò)大而導(dǎo)致分辨率下降，因此一般選擇為20～30。

3.2.2 陣元間距

有關(guān)研究表明，當(dāng)陣元間距小于波長(zhǎng)的一半時(shí)，聲束可以在工件半平面掃查而不會(huì)出現(xiàn)柵瓣；當(dāng)陣元間距大于波長(zhǎng)時(shí)，即使聲束不偏轉(zhuǎn)也會(huì)出現(xiàn)柵瓣；當(dāng)陣元間距介于半波長(zhǎng)和波長(zhǎng)之間時(shí)，在允許的偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)將不會(huì)出現(xiàn)柵瓣。

陣元間距同時(shí)還決定著相控陣檢測(cè)時(shí)最大偏轉(zhuǎn)角度，由于不同材料中聲速不同，同一探頭檢測(cè)時(shí)聲束的最大許可偏轉(zhuǎn)范圍也是不同的，最大許可偏轉(zhuǎn)范圍需要根據(jù)實(shí)際工件進(jìn)行確定。

瓷瓶縱波聲速通常為5 800～6 700 m/s，其縱波半波長(zhǎng)為0.58～0.67 mm，推薦選擇的陣元間距為小于0.5 mm，可以滿足各類(lèi)型瓷瓶的檢測(cè)。

在探頭頻率和陣元間距一定的情況下，增加陣元數(shù)可增加主瓣幅值，相對(duì)抑制旁瓣，同時(shí)也可抑制主瓣寬度。因此，增加陣元數(shù)有利于提高相控陣超聲波探頭品質(zhì)。綜合考慮上述因素，同時(shí)考慮到瓷瓶被檢區(qū)域結(jié)構(gòu)特性及探頭幾何尺寸，推薦選擇晶片數(shù)量為32的探頭進(jìn)行檢測(cè)。

因此，采用5 MHz、32晶片，陣元間距0.5 mm探頭測(cè)試晶片激發(fā)數(shù)量對(duì)表面缺陷反射當(dāng)量的影響。聲束偏轉(zhuǎn)角度設(shè)定為89°，水平距離為60 mm，晶片激發(fā)數(shù)量為32，使JYZ-BX試塊上深度5 mm的人工缺陷顯示波幅為80 %，保持探頭位置和儀器設(shè)置不變，逐步減少激發(fā)設(shè)置中的晶片激發(fā)數(shù)量，觀察缺陷反射波幅變化。隨著探頭激發(fā)晶片數(shù)量的減少，缺陷最高反射波幅逐漸降低，在晶片數(shù)量為32～20時(shí)，變化較為緩慢；當(dāng)激發(fā)晶片數(shù)小于20時(shí)，變化較為明顯；當(dāng)激發(fā)晶片數(shù)為13時(shí)，反射波幅降低為滿屏的40 %(-6 dB)；當(dāng)激發(fā)晶片數(shù)降低為8時(shí)，缺陷反射波幾乎完全消失。因此，推薦瓷瓶檢測(cè)晶片激發(fā)數(shù)量應(yīng)設(shè)定在20～32之間。

4 檢測(cè)方法

目前，采用以色列SONOTRON NDT公司的ISONIC 2009 UPA Scope型便攜式多功能工業(yè)超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)瓷瓶進(jìn)行垂直動(dòng)態(tài)聚焦掃查。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：探頭頻率f為5MHz；晶片數(shù)量N為32；陣元間距d為0.5 mm；晶片寬度W為9 mm。

超聲相控陣縱波大角度檢測(cè)表面及近表面缺陷的原理及優(yōu)點(diǎn)：探頭前方不需使用任何楔塊，電脈沖激勵(lì)探頭中的每個(gè)晶片，通過(guò)壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動(dòng)，直接在工件表面產(chǎn)生超聲波(縱波)。由于壓電晶片與工件直接接觸，聲波只在第一介質(zhì)(工件)中傳播，不發(fā)生任何波型轉(zhuǎn)換。換能器中的單個(gè)晶片的寬度(0.5 mm)都遠(yuǎn)小于自身長(zhǎng)度(9 mm)，每一個(gè)晶片在較小的檢測(cè)范圍內(nèi)，可以近似被理解為發(fā)射單一柱面波的波源。通過(guò)調(diào)整儀器控制單個(gè)晶片的激勵(lì)延時(shí)，能使單個(gè)晶片產(chǎn)生的柱面波在換能器前方近似水平方向一定范圍內(nèi)，按一定步長(zhǎng)逐點(diǎn)合成聚焦，當(dāng)傳播過(guò)程中遇到反射體時(shí)，反射體又成為新的波源，探頭接收后在儀器界面形成缺陷顯示(見(jiàn)圖3)。通過(guò)對(duì)探頭前方50 mm范圍內(nèi)，深度為3mm的模擬裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè)，獲得的缺陷波型單一，無(wú)非相干反射波信號(hào)，完全滿足對(duì)高壓瓷絕緣子表面(近表面)缺陷的檢測(cè)要求。

圖3 大角度縱波聲場(chǎng)示意

選擇垂直動(dòng)態(tài)聚焦扇形掃描方式對(duì)專(zhuān)門(mén)制作的模擬缺陷試塊進(jìn)行測(cè)試，試塊及其表面人工缺陷如圖4所示，內(nèi)部中心區(qū)域存在多處疏松。

圖4 試塊人工缺陷分布

模擬試塊的扇掃圖像如圖5所示，可以看出模擬試塊內(nèi)部缺陷與試塊表面3 mm切割槽同時(shí)顯示在扇掃界面。這說(shuō)明對(duì)瓷瓶進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)時(shí)，瓷瓶?jī)?nèi)部缺陷和表面(近表面)缺陷可同步檢測(cè)、同步顯示，具有很高的適用性和工作效率。

圖5 模擬試塊扇掃圖像

另外，相控陣檢測(cè)信息采集量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通超聲檢測(cè)，依據(jù)這些信息可實(shí)現(xiàn)仿真成像。圖6為對(duì)模擬試塊上人工缺陷采用以上介紹的檢測(cè)方法結(jié)合專(zhuān)用編碼器掃查，獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真處理得到的3D圖像。

圖6 模擬試塊仿真成像

將試塊圓柱體按周向展開(kāi)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，2個(gè)沿圓周分布的模擬表面裂紋缺陷分別顯示于長(zhǎng)方體的上表面；內(nèi)部缺陷由于在軸心區(qū)域，故顯示為斷續(xù)缺陷，深度與實(shí)際半徑相符。

5 檢測(cè)實(shí)例

對(duì)某變電站220 kV隔離開(kāi)關(guān)支柱瓷絕緣子進(jìn)行常規(guī)超聲波檢測(cè)時(shí)，爬波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)表面缺陷1處，水平距離42 mm，反射當(dāng)量為61 dB。由于缺陷超標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行了更換處理。

而后對(duì)更換下來(lái)的缺陷瓷瓶采用此超聲相控陣檢測(cè)方法進(jìn)行了驗(yàn)證檢測(cè)。將缺陷瓷瓶超聲相控陣檢測(cè)波形與爬坡檢測(cè)波形對(duì)比，超聲相控陣縱波檢測(cè)法檢測(cè)缺陷反射水平距離與爬波檢測(cè)一致，反射當(dāng)量為56 dB，反射信號(hào)的單一性和信噪比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。圖7為該缺陷扇掃顯示。

圖7 缺陷瓷瓶超聲相控陣扇掃顯示

6 結(jié)論

(1)提出了超聲相控陣縱波大角度入射、大角度范圍掃查的理念，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓷瓶?jī)?nèi)部、表面(近表面)缺陷檢測(cè)一次完成的目的，提高了工作效率，并且解決了瓷瓶爬波檢測(cè)表面及近表面分辨力過(guò)低、不易判別的問(wèn)題。試驗(yàn)證明：采用5 MHz、32晶片探頭檢測(cè)瓷瓶能夠達(dá)到較好的檢測(cè)效果。

(2)結(jié)合專(zhuān)用編碼器進(jìn)行C型掃查采集數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果可追溯性強(qiáng)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)仿真3D成像，從而可形象地顯示缺陷分布。

(3)摒棄表面(近表面)缺陷超聲檢測(cè)依靠表面波和爬波等方法的傳統(tǒng)理念，提出了表面(近表面)缺陷超聲相控陣縱波檢測(cè)的新理念，對(duì)類(lèi)似檢測(cè)條件的工件，如汽輪機(jī)螺栓、大軸等表面(近表面)缺陷檢測(cè)均具有指導(dǎo)意義。

1 田新民，曾慶立．瓷瓶斷裂原因及防護(hù)措施[J].東北電力技術(shù)，2002(4).

2 蔣 云，王維東，蔡紅生．支柱瓷絕緣子及瓷套超聲波檢測(cè)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2010.

3 施克仁，郭寓岷．相控陣超聲成像檢測(cè)[M]．北京:高等教育出版社，2010.

4 蔣 云，王維東，蔡紅生．支柱瓷絕緣子及瓷套超聲波檢測(cè)[M]．北京:中國(guó)電力出版社，2010.

5 蔡洙郁，荊洪陽(yáng)，樊利國(guó)．110 kV棒形懸式瓷絕緣子結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析[J]．絕緣材料，2005(4).

6 范 兵，鄭 堅(jiān)，艾春安．超聲相控陣探頭聲場(chǎng)特性仿真分析[J]．機(jī)械與科學(xué)技術(shù)，2003(7).

7 施克仁，郭寓岷．無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2007.

8 蔣 云，王維東，蔡紅生．支柱瓷絕緣子及瓷套超聲波檢測(cè)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2010.