滅弧噴口致密度的超聲檢測(cè)

李繼承，田 浩，林生軍，袁端鵬，郝留成

(平高集團(tuán)有限公司 國(guó)家電網(wǎng)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備絕緣材料實(shí)驗(yàn)室，平頂山 467001)

滅弧噴口致密度的超聲檢測(cè)

李繼承，田 浩，林生軍，袁端鵬，郝留成

(平高集團(tuán)有限公司 國(guó)家電網(wǎng)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備絕緣材料實(shí)驗(yàn)室，平頂山 467001)

采用超聲波聲速和幅度譜峰值作為特征參量，對(duì)致密度在93.84%～94.63%范圍內(nèi)的5種滅弧噴口進(jìn)行定量表征。結(jié)果表明，聲速和幅度譜峰值均隨滅弧噴口致密度的增大而增大，兩者與滅弧噴口致密度變化趨勢(shì)具有非常好的一致性。證明了滅弧噴口致密度超聲檢測(cè)的可行性，為噴口質(zhì)量控制提供了一種切實(shí)可行的技術(shù)手段。

超聲檢測(cè)；噴口；致密度；聲速；幅度譜

滅弧噴口是SF6(六氟化硫)高壓斷路器滅弧裝置中用來(lái)控制電弧、創(chuàng)造高速氣吹條件的核心部件，其不僅具有優(yōu)良的電氣性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)還具有優(yōu)良的耐電弧燒蝕性能[1]。斷路器滅弧時(shí)，在電流過(guò)零的瞬時(shí)，噴口內(nèi)壁要經(jīng)受超高溫電弧的燒蝕和跨音速高壓SF6氣體的沖擊，工作條件十分苛刻[2]。

目前，滅弧噴口在40，50，63 kA全短路電流開(kāi)斷下的耐燒蝕性能已顯不足，特別是在63 kA全短路開(kāi)斷電流下，由于燒蝕量大，滅弧能力下降，嚴(yán)重影響高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行安全[3]。

噴口材料填充改性、噴口制造工藝和噴口耐燒蝕能力是目前噴口研究的三大熱點(diǎn)[4]。

滅弧噴口材料由聚四氟乙烯、三氧化二鋁、氮化硼(BN)等無(wú)機(jī)填料組成[5-6]，熔融態(tài)聚四氟乙烯的黏度高達(dá)1011～1012Pa·s。生產(chǎn)中一般采用冷壓燒結(jié)法：先將聚四氟乙烯和填料進(jìn)行混料、壓制、燒結(jié)，制成形狀簡(jiǎn)單的毛坯；然后通過(guò)機(jī)加工獲得形狀復(fù)雜、尺寸精度高的噴口零部件[7]。采用上述工藝制造的滅弧噴口，由于填料氧化鋁和聚四氟乙烯樹(shù)脂粉末的密度不同，在混合料加工過(guò)程中,如果混料方法、壓制力或壓制時(shí)間控制不當(dāng)，往往會(huì)出現(xiàn)噴口局部部位致密度分布不均的現(xiàn)象。

致密度是影響噴口使用性能的重要指標(biāo)。致密度低會(huì)導(dǎo)致噴口電氣強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、表面硬度降低，在斷路器開(kāi)斷過(guò)程中出現(xiàn)擊穿事故。許楊等[8]的研究表明，噴口材料中填料比例不當(dāng)是造成5611斷路器A相電源側(cè)噴口發(fā)生擊穿的主要原因。因此加強(qiáng)斷路器核心部件滅弧噴口的工藝、材料控制、質(zhì)量檢測(cè)，是避免此類故障的根本途徑。

對(duì)于滅弧噴口的質(zhì)量檢測(cè)，常用的無(wú)損檢測(cè)手段是X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)[9]。由于X射線在噴口材料內(nèi)部的衰減系數(shù)較小，噴口致密度的微小變化在X射線成像板上幾乎不能造成影像黑度的差異，因而檢測(cè)靈敏度很低。相反，超聲檢測(cè)因具有被檢測(cè)對(duì)象范圍廣、檢測(cè)深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高、速度快、對(duì)人體無(wú)害以及便于現(xiàn)場(chǎng)使用等特點(diǎn)，在復(fù)合材料檢測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用[10-12]。

筆者將超聲波時(shí)域波形中的聲速和頻域信息中的幅度譜峰值作為特征參量，對(duì)通過(guò)改變成型過(guò)程中的壓制力得到5種致密度范圍在93.84%～94.63%的噴口試樣，并對(duì)其進(jìn)行了超聲檢測(cè)。結(jié)果表明，超聲檢測(cè)技術(shù)可以作為實(shí)際生產(chǎn)中滅弧噴口致密度控制的有效手段。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品

滅弧噴口零部件的生產(chǎn)流程為：混料→模壓→燒結(jié)→切削加工→清理→包裝。通過(guò)改變模壓過(guò)程中壓力機(jī)壓力，可以得到一系列致密度不同的噴口壓制坯料；之后經(jīng)過(guò)燒結(jié)、切削加工得到噴口樣品。壓力機(jī)壓力分別設(shè)定為70，80，90，110，123 kN，最終獲得的樣品如圖1所示。

圖1 5種不同加載壓力下得到的噴口樣品實(shí)物圖片

圖2 用分析天平進(jìn)行噴口試樣密度測(cè)試

采用機(jī)加工方法在已經(jīng)加工好的噴口樣品上截取尺寸為φ20 mm×10 mm的圓柱形試塊，利用分析天平和阿基米德排水法原理進(jìn)行密度測(cè)量，如圖2所示。

首先，在空氣中測(cè)出圓柱形樣品的質(zhì)量m1，之后將水槽放入分析天平中，調(diào)零后將樣品放入水槽中，測(cè)出此時(shí)的質(zhì)量m2，設(shè)定水的密度為1.0 g·cm-3，則試樣的密度為：

(1)

利用該方法測(cè)出5種不同加載壓力下(按圖1順序，從左到右)噴口樣品的密度分別為2.188 8，2.180 7，2.189 3，2.199，2.198 g·cm-3；每種樣品進(jìn)行5次測(cè)量求平均值。致密度為噴口的實(shí)測(cè)密度與理論密度之比，所用噴口材料為聚四氟乙烯，并添加少量BN，理論密度為2.323 9 g·cm-3。則對(duì)應(yīng)于圖1中不同加載壓力下噴口樣品的致密度分別為94.19%，93.84%，94.21%，94.63%，94.58%?？梢?jiàn)，隨著加載壓力的增大,噴口致密度整體上逐漸增大，但加載壓力為80 kN下的致密度略小于70 kN下的致密度，123 kN下的致密度略小于110 kN下的致密度。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3為檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)外觀圖片。超聲檢測(cè)設(shè)備為數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀，最高激勵(lì)頻率為15 MHz。采用脈沖回波模式進(jìn)行試驗(yàn)，即采用單探頭同時(shí)激發(fā)和接收超聲信號(hào)。采用Tektronix MSO 2014數(shù)字示波器進(jìn)行波形信號(hào)的觀察和存儲(chǔ)，探頭晶片直徑為14 mm，標(biāo)稱頻率為2.5 MHz。采樣點(diǎn)數(shù)為2 500，相鄰采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為0.02 ns。分別采集5種不同致密度噴口試樣的上表面和下底面反射波時(shí)域波形，每種樣品分別進(jìn)行10次采樣。圖4為5種不同致密度噴口樣品的時(shí)域波形(圖4中1～10表示10次采樣)。

圖3 噴口密度檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)外觀

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 超聲波聲速表征噴口致密度

聲速是聲波在介質(zhì)中的傳播速度。對(duì)于各向同性均勻材料，縱波聲速c為：

(2)

式中：E為材料的彈性模量， GPa；ρ為材料密度，g·cm-3。

在圖4中測(cè)量出噴口試塊上表面和下底面超聲波反射信號(hào)之間的時(shí)間間隔Δt，用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量5種不同致密度噴口試樣的厚度d，則噴口的聲速c可由下式計(jì)算：

(3)

圖5為不同致密度噴口試樣聲速的計(jì)算結(jié)果，圖6為噴口致密度和聲速平均值對(duì)比結(jié)果。

圖4 5種不同壓力下噴口試樣超聲波信號(hào)采集結(jié)果

圖5 不同致密度噴口聲速計(jì)算結(jié)果

圖6 噴口致密度和聲速平均值對(duì)比結(jié)果

觀察圖5發(fā)現(xiàn)，噴口試樣的聲速整體上隨著致密度的增大而增大，同一試樣不同位置測(cè)量所得到的聲速存在一定范圍的波動(dòng)，其中80kN加載壓力下聲速的波動(dòng)最大，對(duì)應(yīng)于試樣不同位置處致密度的差異更大。

觀察圖6發(fā)現(xiàn)，在80kN～123kN壓力范圍內(nèi)，噴口致密度與聲速變化趨勢(shì)完全一致，兩者具有非常好的相似性，僅在70kN壓力下兩者偏離稍大。

2.2 超聲波幅度譜峰值表征噴口致密度

任何形狀的信號(hào)都可以表示為無(wú)限個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)的疊加，在數(shù)學(xué)上用Fourier序列表述。對(duì)于周期信號(hào)f(t)，其周期為T，則其Fourier序列為：

(4)

式中：a0，an，bn為傅里葉系數(shù)；fn為各次諧波的頻率。

對(duì)于常規(guī)的超聲信號(hào)，一般可認(rèn)為是有限時(shí)間的瞬態(tài)信號(hào)，其周期T趨向于無(wú)窮大，則：

(5)

則傅里葉變換的定義為：

(6)

F(w)為復(fù)函數(shù)，其幅-頻和相-頻關(guān)系為：

(7)

(8)

根據(jù)式(7)和(8)可以計(jì)算出給定時(shí)間信號(hào)f(t)的幅度譜和相位譜。

截取圖4中超聲波時(shí)域信號(hào)中的底面反射波，分別進(jìn)行Fourier變換，得到5種不同致密度噴口試樣幅度譜，如圖7所示。觀察發(fā)現(xiàn)，不同試樣幅度譜的外形基本一致，峰值對(duì)應(yīng)頻率均為1.5 MHz，僅在峰值對(duì)應(yīng)幅度上存在比較明顯的差別。

圖7 5種不同致密度噴口試樣超聲波幅度譜

圖8所示為不同致密度噴口試樣超聲波幅度譜峰值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。觀察發(fā)現(xiàn)，隨著噴口致密度的增大，幅度譜峰值整體上也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。與圖5中聲速的變化相比，70 kN和80 kN壓力條件下幅度譜峰值的區(qū)分更加明顯，同時(shí)，這兩種壓力條件下幅度譜峰值的波動(dòng)也大于其余壓力條件下的噴口試樣。

圖8 不同致密度噴口幅度譜峰值

圖9 噴口致密度和幅度譜峰值平均值對(duì)比結(jié)果

圖9所示為5種不同壓力噴口試樣致密度和幅度譜峰值變化規(guī)律的對(duì)比結(jié)果。與圖6所示結(jié)果對(duì)比可知，幅度譜峰值與致密度之間的對(duì)應(yīng)性更強(qiáng)；與聲速相比，利用幅度譜峰值來(lái)表征噴口致密度差異的準(zhǔn)確性更高。

幅度譜峰值的高低反映了噴口試樣底面反射波能量的大小。在試樣厚度和成分相同的條件下，材料內(nèi)部的聲衰減系數(shù)是影響底面反射波能量的主要因素。對(duì)于噴口這種采用粉末燒結(jié)方式制成的復(fù)合材料制品，其致密度的降低對(duì)應(yīng)于內(nèi)部微小氣孔的增加，而氣孔含量是影響聲衰減系數(shù)的主要因素，且聲衰減系數(shù)隨著孔隙率的增大而增大。

類似的研究還有大連理工大學(xué)林莉等[13-14]對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中孔隙率與衰減系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)研究。

整體而言，衰減系數(shù)隨孔隙率的增大而增加。當(dāng)孔隙率P<0.5%時(shí)，隨著孔隙率的增加，衰減系數(shù)增加很快。當(dāng)孔隙率增加至0.5%以后，衰減系數(shù)增加速度有所降低。

因此，噴口底面反射波能量隨致密度的降低而降低，進(jìn)而表現(xiàn)為幅度譜峰值隨致密度的降低而降低。

圖10所示為80，110 kN壓力條件下噴口試樣斷面SEM形貌，可以觀察到不同致密度條件下噴口內(nèi)部氣孔形態(tài)的變化。對(duì)應(yīng)于80 kN壓力下致密度為93.84%的試樣，其內(nèi)部能夠觀察到約90 μm長(zhǎng)的大氣孔。對(duì)應(yīng)于90 kN壓力下致密度為94.21%的試樣，其內(nèi)部氣孔尺度減小到20 μm范圍。對(duì)應(yīng)于110 kN壓力下致密度為94.63%的試樣，其內(nèi)部氣孔在尺寸和數(shù)量上進(jìn)一步減少。

圖10 不同致密度噴口試樣截面SEM形貌

3 結(jié)論

隨著噴口致密度的增加，超聲底面反射波聲速和幅度譜峰值均呈現(xiàn)單調(diào)增大的變化趨勢(shì)；借助這兩個(gè)特征參量可以實(shí)現(xiàn)滅弧噴口致密度變化的超聲檢測(cè)。應(yīng)用幅度譜峰值進(jìn)行噴口致密度檢測(cè)時(shí)相對(duì)于聲速參數(shù)具有更高的準(zhǔn)確度；可以將兩者結(jié)合起來(lái)共同用于噴口致密度檢測(cè)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要預(yù)先制作致密度標(biāo)準(zhǔn)試樣對(duì)聲速和幅度譜峰值進(jìn)行標(biāo)定。借助文中所用方法可以實(shí)現(xiàn)噴口零部件致密度的質(zhì)量控制。

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The Ultrasonic Testing of Arc Extinguishing Nozzle Density

LI Ji-cheng, TIAN Hao, LIN Sheng-jun, YUAN Duan-peng, HAO Liu-cheng

(High Voltage Switchgear Insulating Materials Laboratory of State Grid, Pinggao Group Co., Ltd., Pingdingshan 467001, China)

The arc extinguishing nozzle density of five kinds of nozzle samples ranging in 93.84%～94.63% was quantitatively characterized with two parameters of ultrasonic velocity and amplitude spectral peak. The results indicate that the velocity and amplitude spectral peak increase with the nozzle density, the changing trend of the two indicators has good consistency with the density. This study demonstrates the feasibility of using ultrasonic testing technique to detect the density of nozzle, and also provides a practical quality control method for nozzle.

Ultrasonic testing; Nozzle; Density; Ultrasonic velocity; Amplitude spectrum

2016-07-08

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013AA031803)

李繼承(1981-)，男，工程師，博士，主要從事高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備零部件的無(wú)損檢測(cè)研究工作。

李繼承，E-mail：lijicheng1981@163.com。

10.11973/wsjc201703014

TM215；TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0055-05