超聲波無(wú)損探傷在托電支柱絕緣子中的應(yīng)用

裴玉東

摘 要：分析了支柱絕緣子缺陷產(chǎn)生的主要原因，介紹了超聲波無(wú)損探傷的基本原理，利用超聲波檢測(cè)支柱絕緣子內(nèi)部缺陷的方法。列舉了利用爬波方法對(duì)支柱絕緣子內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：支柱絕緣子；末裙；超聲波無(wú)損探傷；縱波；爬波；DAC曲線

0 引言

托克托電廠有一個(gè)500kV變電站和兩個(gè)220kV變電站，支柱絕緣子是變電站重要的組成設(shè)備，如果在制作過(guò)程中配方不當(dāng)，工藝流程中原料混合不均勻，容易形成瓷件內(nèi)部缺陷，由于沒(méi)有固有的形變能力且韌性極低，運(yùn)行中長(zhǎng)期承受機(jī)械負(fù)荷、強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)機(jī)械應(yīng)力，從而使附加應(yīng)力增大。若支柱絕緣子存在微小缺陷，可能造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞和設(shè)備停電事故，影響安全供電，同時(shí)對(duì)工作人員的人身安全構(gòu)成極大的威脅，成為升壓站安全運(yùn)行的一大隱患。因此必須在事故前檢測(cè)出缺陷并進(jìn)行處理。

1 支柱瓷絕緣子的組織結(jié)構(gòu)

支柱瓷絕緣子是采用陶瓷、金具和水泥等多種材料組合而成的，瓷體主要有粘土、長(zhǎng)石石英等鋁硅酸鹽原料混合配制，加工成一定形狀后，在高溫下燒結(jié)成的無(wú)機(jī)絕緣材料，瓷表面覆蓋了一層玻璃質(zhì)平滑薄層釉。陶瓷一般是通過(guò)將粉末原料成型，燒結(jié)而成的。經(jīng)過(guò)這些工藝所制得的陶瓷，是由許多微晶聚集的多晶體構(gòu)成，這就不可避免的存在著晶界。晶界不僅在陶瓷燒結(jié)過(guò)程中起著重要作用，而且還對(duì)燒結(jié)體物理、化學(xué)性能有很大影響。陶瓷晶界有錯(cuò)位、空孔等晶格缺陷和晶格畸變存在，雜質(zhì)就容易集中，形成晶界偏析層、層狀析出物、粒狀析出物。由此可知陶瓷材料的特點(diǎn)是顯微組織且不均勻。

2 支柱瓷絕緣子斷裂的原因

支柱瓷絕緣子劣化因素既與制造廠的材料、配方、工藝流程有關(guān)，也與環(huán)境及運(yùn)行中承受的負(fù)荷有關(guān)。

（1）運(yùn)行中的支柱瓷絕緣子大都在法蘭處斷裂，支柱瓷絕緣子如果在制作過(guò)程中配方不當(dāng)，工藝流程中原料混合不均，焙燒火力不足等，易形成瓷件內(nèi)部缺陷，在長(zhǎng)期承受運(yùn)行中的機(jī)械負(fù)荷，以及風(fēng)、雨等因素影響，從而使末裙與法蘭交界處附加應(yīng)力增大，導(dǎo)致支柱瓷絕緣子產(chǎn)生裂紋、氣隙，以至斷裂。

（2）陶瓷、金具和水泥緊密粘合在一起，組成支柱瓷絕緣子，而三種材料的膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)都是不同的，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生驟變時(shí)，使得法蘭內(nèi)瓷體承受的應(yīng)力過(guò)大和集中，應(yīng)力無(wú)法釋放，就會(huì)作用在有缺陷的絕緣子端部，使支柱瓷絕緣子產(chǎn)生裂紋等缺陷，最終在外部環(huán)境作用下導(dǎo)致瓷件斷裂。

（3）在隔離開(kāi)關(guān)安裝過(guò)程中，錯(cuò)位別勁，這樣在溫度變化時(shí)，由于熱脹冷縮作用，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間作用也可能導(dǎo)致支柱瓷絕緣子斷裂。

（4）由于檢修維護(hù)不到位，隔離開(kāi)關(guān)出現(xiàn)銹蝕、卡澀等現(xiàn)象，由于溫度變化作用，產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的高變應(yīng)力，最終導(dǎo)致支柱瓷絕緣子疲勞斷裂。

（5）隔離開(kāi)關(guān)操作次數(shù)頻繁，操作不當(dāng)，產(chǎn)生很大的短時(shí)機(jī)械負(fù)荷，導(dǎo)致支柱瓷絕緣子斷裂。

3 超聲波無(wú)損探傷的基本原理

超聲波探傷具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、檢測(cè)速度快、對(duì)被測(cè)試品和人員均無(wú)害。目前托克托電廠使用的是美國(guó)泛美的EPOCH-LT超聲波探傷儀和南京卓實(shí)的專(zhuān)業(yè)探頭，現(xiàn)在超聲波探傷儀大部分是A掃描方式的，即顯示器的橫坐標(biāo)是超聲波在被測(cè)試品中的傳播距離或傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)是超聲波反射波的幅值。由反射波的位置可以確定缺陷位置，由反射波的幅值可以估算缺陷大小。超聲波探傷是通過(guò)探頭產(chǎn)生和接收超聲波的，探頭的核心元件是薄片狀壓電晶體，通常稱為壓電晶片。探傷儀發(fā)射電路產(chǎn)生的高頻電脈沖加于探頭時(shí)，激勵(lì)壓電晶片發(fā)生高頻振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。產(chǎn)生的超聲波經(jīng)耦合后傳入被測(cè)試品中，遇到異質(zhì)界面處，就會(huì)全部或部分被反射，反射回來(lái)的超聲波又被探頭接收，通過(guò)儀器內(nèi)部的電路處理，在儀器的顯示屏上就顯示出不同高度和有一定間距的波形，根據(jù)波形的變化特征，判斷缺陷在被測(cè)試品中的深度、長(zhǎng)度和類(lèi)型。

4 支柱瓷絕緣子爬波探傷方法的研究

4.1 支柱瓷絕緣子檢測(cè)的重點(diǎn)

從支柱瓷絕緣子損壞情況來(lái)看，通常在鑄鐵法蘭和瓷絕緣子的結(jié)合部。這里也是支柱瓷絕緣子應(yīng)力最集中、最容易產(chǎn)生裂紋和發(fā)生斷裂的區(qū)域。該區(qū)域的顯著特點(diǎn)是水平跨距較小，約為20mm～50mm。此處一般有部分砂層覆蓋，扣除探頭無(wú)法放置的砂層過(guò)渡區(qū)后，跨距至多為20mm所以本此研究檢測(cè)的重點(diǎn)是支柱瓷絕緣子在埋藏在法蘭口內(nèi)側(cè)2～3mm或與瓷體相交的表層下的裂紋。

4.2 爬波探頭功能

爬波僅僅對(duì)距表面深度1～8mm內(nèi)缺陷有效。應(yīng)調(diào)整e角度盡可能找出最大索范圍。試驗(yàn)表明回波聲速快距離始脈沖較近，同時(shí)橫波聲速僅為爬波的1/2，由橫波產(chǎn)生的信號(hào)在時(shí)間基線上位置明顯滯后，因此不會(huì)干擾檢測(cè)。

4.3 爬波探頭的選擇及位置

探頭的弧度劃分為φ100、φ120、φ140、φ160、φ180、φ200、φ240以及平面等8種規(guī)格。選擇探頭的原則是根據(jù)被探支柱瓷絕緣子的外徑選擇，探頭接觸面的弧度應(yīng)略大于瓷件的外徑。同時(shí)要注意被檢測(cè)瓷件的材質(zhì)，選擇同類(lèi)別的試塊和探頭。

4.4 耦合劑的規(guī)定

應(yīng)采用良好的耦合劑，必須保持耦合劑的清潔，且耦合劑不得對(duì)支柱絕緣子造成腐蝕等不良影響。

4.5 探傷試塊的規(guī)定

探傷試塊材質(zhì)的致密性應(yīng)良好，應(yīng)具有與被檢測(cè)的支柱絕緣子相同或相近的聲學(xué)性能。探傷試塊形狀為圓形實(shí)心瓷件，其上有均布4個(gè)方向的深度分別為1mm、3mm、5mm、7mm的人工割口缺陷。

4.6 測(cè)試方法

首先選擇合適的探頭，利用標(biāo)準(zhǔn)試塊，用1mm人工割口繪制DAC曲線，DAC曲線將作為標(biāo)準(zhǔn)和所測(cè)波形來(lái)判斷被測(cè)試品中是否有缺陷。在檢測(cè)過(guò)程，探頭與瓷件之間必須填充耦合介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)聲能的傳遞。耦合劑在瓷件與探頭接觸面上具有排除空氣，填充不平的凹坑和間隙，此外耦合劑還有減少摩擦、方便移動(dòng)的功能。若支柱瓷絕緣子出現(xiàn)缺陷時(shí)，缺陷波前基本無(wú)雜波，移動(dòng)探頭時(shí)，隨著缺陷距離的迫近，缺陷波高顯著增強(qiáng)，此時(shí)可采用絕對(duì)靈敏度測(cè)定其指示長(zhǎng)度。

4.7 爬波探傷靈敏度的確定

將探頭置于試塊，找出距探頭前沿20mm深度2mm模擬裂紋的最強(qiáng)反射波，調(diào)整至80%波高，將探頭置于支柱絕緣子的探測(cè)面，如果是普通瓷應(yīng)在此基礎(chǔ)上衰減6～8dB，中強(qiáng)瓷衰減8～10dB，高強(qiáng)瓷衰減12～14dB，即為探傷靈敏度（探傷部位如果已經(jīng)涂刷防水膠時(shí)應(yīng)在確定探傷靈敏度后再增益5～6dB）。

4.8 掃查方式

環(huán)繞支柱絕緣子徑向旋轉(zhuǎn)掃查。

4.9 爬波探傷缺陷的評(píng)定

采用爬波檢查外壁缺陷時(shí)，顯示屏始脈沖后基本無(wú)雜波，缺陷信號(hào)容易識(shí)別，指示長(zhǎng)度易測(cè)定，掃查時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況：第一種情況是外壁缺陷反射波高≤深度1mm模擬裂紋反射波高，此時(shí)應(yīng)以用于指示長(zhǎng)度，當(dāng)指示長(zhǎng)度>10mm時(shí)應(yīng)判定為裂紋，<10mm時(shí)應(yīng)判定為點(diǎn)狀缺陷。第二種情況是當(dāng)缺陷反射波高>深度1mm模擬裂紋反射波高時(shí)，當(dāng)長(zhǎng)度5 支柱瓷絕緣子的運(yùn)行維護(hù)

（1）判斷瓷瓶質(zhì)量好壞正確與否，很大程度上取決于探傷人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，除了加強(qiáng)工作人員的探傷技術(shù)培訓(xùn)，還必須清楚絕緣子的制造工藝，熟悉缺陷的產(chǎn)生機(jī)理。

（2）在停電時(shí)間允許的情況下，要結(jié)合爬波和縱波兩種方法對(duì)支柱瓷絕緣子內(nèi)部的缺陷進(jìn)行全面檢測(cè)。

（3）對(duì)運(yùn)行中的高壓支柱瓷絕緣子，在設(shè)備檢修和運(yùn)行中，應(yīng)認(rèn)真檢查，正確操作，嚴(yán)禁蠻力操作。

（4）為了進(jìn)一步了解支柱瓷絕緣子的狀況，應(yīng)建立測(cè)試臺(tái)帳及相關(guān)管理制度，確定合理的測(cè)試周期，做到心中有數(shù)，為升壓站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保證。

（5）支柱瓷絕緣子的超聲探傷檢測(cè)周期：一是更換支柱瓷絕緣子時(shí)。二是對(duì)新投運(yùn)的支柱瓷絕緣子，在投運(yùn)一年內(nèi)進(jìn)行一次普測(cè)，測(cè)試報(bào)告存檔。三是運(yùn)行15年及以上的支柱瓷絕緣子檢測(cè)周期為3年。四是運(yùn)行15年以下的支柱瓷絕緣子檢測(cè)周期為6年。五是對(duì)停電困難的母線的支柱瓷絕緣子、母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)支柱瓷絕應(yīng)創(chuàng)造停電條件對(duì)支柱絕緣子進(jìn)行檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司）