X射線成像技術(shù)在耐張線夾質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

周正思，李陽(yáng)林，饒斌斌，胡 京，毛瑞鵬

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司上饒供電分公司，江西 上饒 334000；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

我國(guó)架空輸電線路中，導(dǎo)線終端的連接以及耐張段導(dǎo)線的固定方式大多采用耐張線夾。耐張線夾由鋁管和鋼錨組成，鋼錨用來(lái)連接和錨固鋼芯，鋁管用來(lái)連接導(dǎo)線的鋁線部分，利用壓力對(duì)鋁管和鋼錨進(jìn)行壓接塑型，使得導(dǎo)線和線夾結(jié)合成一個(gè)整體，這樣可承擔(dān)導(dǎo)線及避雷線的全部張力，并起到通流的作用[1-2]。

耐張線夾安裝后不能拆卸，其壓接質(zhì)量與現(xiàn)場(chǎng)操作人員、操作流程、壓接環(huán)境有很大的關(guān)系。若耐張線夾在壓接過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，往往由于線路設(shè)計(jì)安全系數(shù)較高，絕大多數(shù)的壓接缺陷在施工完畢后不會(huì)立刻出現(xiàn)，但在投運(yùn)后遭遇舞動(dòng)、長(zhǎng)期微風(fēng)振動(dòng)等情況下，容易發(fā)生線夾斷裂從而引起掉線故障，影響線路安全運(yùn)行。如2016年8月，某220 kV線路由于耐張線夾壓接質(zhì)量問(wèn)題引起線路脫落，導(dǎo)致京廣高鐵設(shè)備故障，造成高鐵延誤長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)多小時(shí)，造成了較大的社會(huì)影響。

因此，開展輸電線路耐張線夾質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究顯得尤為有必要，通過(guò)檢測(cè)提前發(fā)現(xiàn)耐張線夾的壓接質(zhì)量問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行消缺處理，可有效避免由于壓接質(zhì)量問(wèn)題而引起的輸電線路運(yùn)行事故，保證輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-5]。

1 常見輸電線路耐張線夾檢測(cè)技術(shù)

由于耐張線夾具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在壓接過(guò)程中容易受工藝水平和操作等因素的影響，從而影響耐張線夾的性能、結(jié)構(gòu)完整性及使用壽命。因此，合適的檢測(cè)方法對(duì)耐張線夾內(nèi)部狀態(tài)的掌握至關(guān)重要。目前，耐張線夾的檢測(cè)一般有以下幾種方法：外觀尺寸檢測(cè)、握力實(shí)驗(yàn)、超聲檢測(cè)和電磁檢測(cè)[6-7]。

外觀尺寸檢測(cè)即直接通過(guò)標(biāo)尺測(cè)量壓接后的耐張線夾，該方法不會(huì)損傷耐張線夾，但這種測(cè)量只能檢測(cè)出壓緊后耐張線夾壓接是否到位，無(wú)法檢測(cè)耐張線夾的內(nèi)部壓接情況。

握力實(shí)驗(yàn)是針對(duì)輸電導(dǎo)線和耐張線夾的實(shí)際情況，制作壓接樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的破壞性檢測(cè)。握力實(shí)驗(yàn)雖然可直接檢測(cè)出耐張線夾外部和內(nèi)部實(shí)際狀態(tài)，但只能采取抽檢的方法，檢測(cè)一個(gè)耐張線夾，這不能代表每一耐張線夾的實(shí)際狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)于導(dǎo)線和耐張線夾來(lái)說(shuō)，握力實(shí)驗(yàn)也是一種損耗。

超聲檢測(cè)是一種基于測(cè)厚原理的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損快速檢測(cè)方法，采用超聲波測(cè)厚檢測(cè)裝置對(duì)耐張線夾壓接后鋁套管厚度進(jìn)行檢測(cè)，間接反映壓接后耐張線夾鋁套管和鋼錨的相對(duì)位置，從而判斷是否存在壓接定位缺陷，該方法僅能檢測(cè)防滑槽位置，對(duì)其他種類缺陷無(wú)法有限檢測(cè)。

電磁檢測(cè)技術(shù)是利用電磁線圈激勵(lì)交變磁場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率來(lái)進(jìn)行工件截面變化的檢測(cè)方法?？捎糜诖_定鋼錨的邊沿從而確定防滑槽的位置。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備輕便，圖像直觀。缺點(diǎn)是只能檢測(cè)防滑槽定位缺陷，其余缺陷類型無(wú)法檢測(cè)。

2 X射線檢測(cè)技術(shù)原理

X射線檢測(cè)技術(shù)從最初的膠片射線照相技術(shù)，經(jīng)過(guò)近100年的發(fā)展，已形成了由X射線照相、X射線實(shí)時(shí)成像、X射線層析成像等構(gòu)成的比較完整的X射線檢測(cè)技術(shù)體系[8]。X射線檢測(cè)技術(shù)不僅不受被檢測(cè)耐張線夾材料的影響，同時(shí)適用于檢測(cè)耐張線夾中大部分的缺陷，如壓接不到位、鋼錨彎曲、鋁管出現(xiàn)裂痕等，且不受缺陷所在位置的影響。近年來(lái)發(fā)展迅速的工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)更是適用于對(duì)耐張線夾的檢測(cè)，并可與CAD、CAM等制造技術(shù)結(jié)合而形成所謂的逆向工程[9]。這些優(yōu)勢(shì)都是其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)所不具備的，因此，X射線技術(shù)是檢測(cè)耐張線夾最理想的方法。

X射線檢測(cè)是根據(jù)X射線在穿透不同材料、同一材料不同厚度時(shí)會(huì)有一定的差別，當(dāng)密度相差越大、厚度相差越大時(shí)，X射線的穿透能力就差別越大。利用X射線這個(gè)物理特性可把一個(gè)器件內(nèi)部不同材料和厚度不同的結(jié)構(gòu)區(qū)分開來(lái)，這是X射線成像的基礎(chǔ)。X射線照射物質(zhì)后的強(qiáng)度與物質(zhì)的密度、厚度以及射線光量子的能量有關(guān)[10]。根據(jù)光學(xué)第三定律：

式中：I為衰減后的X射線強(qiáng)度；I0為X射線的起始強(qiáng)度；為材料吸收X射線系數(shù)；為X射線透過(guò)材料厚度。

根據(jù)公式（1）可推出X射線通過(guò)大小的間隙，其衰減強(qiáng)度為：當(dāng)X射線穿過(guò)不同材料時(shí)，根據(jù)公式（1）可推算出衰減強(qiáng)度為：

耐張線夾的兩個(gè)部件鋁套管和鋼錨管主要是由鋼和鋁組成，當(dāng)與導(dǎo)線壓接時(shí)，主要的壓接是在鋼錨與外部鋁管、導(dǎo)線鋼芯與錨管、外部鋁管和鋁絞線三個(gè)部位，在X射線對(duì)壓接后的線夾進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，鋼芯插入鋼錨到位，那么X射線穿透距離為x鋁管＋x鋼錨＋x鋼鉸線，則穿透后強(qiáng)度為：

當(dāng)鋼絞線插入鋼錨沒到位時(shí)，其穿透距離為x鋁管＋x鋼錨，則穿透后強(qiáng)度為：

取射線源射出0.25 MeV的射線時(shí)，μ鋼芯0.8，鋼芯直徑取0.75 cm，則可知

由此可知，當(dāng)射線源射出合適的射線能量，鋼芯完全插入和鋼芯未完全插入有著明顯的區(qū)別。因此，采用X射線對(duì)耐張線夾進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)其內(nèi)部壓接質(zhì)量是可行的。

3 X成像技術(shù)在耐張線夾檢測(cè)中應(yīng)用

由于耐張線夾一經(jīng)壓接就會(huì)直接安裝在耐張塔上，因此要求檢測(cè)裝置同時(shí)適用地面和高空作業(yè)。檢測(cè)裝置應(yīng)由X射線機(jī)、成像板和軟件成像系統(tǒng)組成。X射線發(fā)射儀能夠發(fā)出足夠能量的X射線，分辨出耐張線夾內(nèi)部鋁和鋼的狀態(tài)；成像板能夠接收X射線的成像并且能夠存儲(chǔ)一定數(shù)量的成像數(shù)據(jù)；軟件成像系統(tǒng)通過(guò)軟件信息處理和圖像重建技術(shù)將耐張線夾內(nèi)包狀態(tài)以圖形的形式重現(xiàn)出來(lái)，其應(yīng)用示意圖如圖1所示。

圖1 X射線技術(shù)在耐張線夾檢測(cè)中的應(yīng)用

X射線檢測(cè)耐張線夾的操作流程圖如圖2所示。檢測(cè)人員需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況綜合分析本次檢測(cè)設(shè)備的基本情況（高度、材料等）以及檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置情況，將儀器放在合適的檢測(cè)位置并且保證所有的連線正確，必須要在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)放置警戒線和防輻射標(biāo)語(yǔ)；啟動(dòng)所有裝置電源后，要對(duì)對(duì)檢測(cè)參數(shù)（如X射線源的管電壓、管電流等）進(jìn)行估算，同時(shí)根據(jù)廠家提供的設(shè)備參數(shù)，配置對(duì)應(yīng)的X射線機(jī)、成像板等設(shè)備；打開X射線機(jī)發(fā)出射線，調(diào)整曝光電源以及時(shí)間，圖像通過(guò)軟件處理后，判斷是否需要重新檢測(cè)[11]。

圖2 X射線技術(shù)檢測(cè)耐張線夾操作流程圖

4 典型耐張線夾缺陷識(shí)別技術(shù)

利用X射線檢測(cè)耐張線夾壓接狀態(tài)時(shí)，在耐張線夾分別選取A、B、C三個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，其中，A區(qū)可檢測(cè)鋼錨與鋁套管壓接情況，B區(qū)可檢測(cè)芯線與錨管或芯線接續(xù)管壓接位置，C區(qū)可檢測(cè)出外部鋁管和絞線或中間套管壓接位置[12]，如圖3所示。

圖3 耐張線夾壓接區(qū)域及檢測(cè)位置示意圖

4.1 A區(qū)典型缺陷

在圖4（a）橢圓圈內(nèi)可清楚看到耐張線夾的鋼錨兩個(gè)凹槽壓接狀態(tài)，規(guī)程要求液壓機(jī)將鋼錨和鋁管壓接時(shí)，要求將兩個(gè)凹槽都?jí)航拥轿籟13]。如果凹槽少壓一個(gè)，這可能導(dǎo)致耐張線夾握力不足，需要盡快補(bǔ)壓；如果存在兩個(gè)凹槽都沒有施壓，或者凹槽壓接后仍留有間隙，且對(duì)邊距復(fù)核后不滿足要求，則需要立即補(bǔ)壓。如果鋼錨壓接不符合工藝要求，也會(huì)直接影響導(dǎo)線的承拉力，長(zhǎng)期運(yùn)行后易引起掉線故障。

在圖4（b）橢圓中，可清楚分辨鋼錨與鋁管壓接狀態(tài)，鋼錨靠近凹槽一部分鋁管非壓接區(qū)域被壓接，不是正常壓接狀態(tài)[14]。非壓接區(qū)域被壓接主要是鋁絞線畫印不規(guī)范或者是鋼管實(shí)測(cè)不準(zhǔn)引起，這也是鋁管壓接時(shí)最容易引起的問(wèn)題。但是圖像中鋁管和錨管未見損傷，則可不做處理，如果鋁管和錨管有損傷，則需重新壓接。

圖4 A區(qū)典型缺陷圖譜（a）鋼錨凹槽施壓部分不足（b）鋁管非壓接區(qū)域被壓接

4.2 B區(qū)典型缺陷

在如圖5（a）所示橢圓圈內(nèi)可清楚分辨鋼錨尾部狀態(tài)，鋼錨靠近鋁絞線部位壓接呈現(xiàn)喇叭口形狀。這是由于施壓順序有錯(cuò)誤，從鋼錨凹槽處向尾端施壓，施壓后鋼錨向尾端伸長(zhǎng)，另一方面考慮到定位引流板與掛環(huán)的預(yù)偏角，要先在鋼錨凹槽施壓，導(dǎo)致鋼錨伸長(zhǎng)空間不大，引起鋼錨尾端隆起呈喇叭口，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼錨受損[15]。

在如圖5（b）所示，橢圓圈內(nèi)可清楚分辨鋼錨呈現(xiàn)水平狀態(tài)，在靠近凹槽一端鋼錨有明顯的彎曲現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的有三種原因：一是由于鋼錨在壓接時(shí)，鋼芯在穿管時(shí)沒有理直，導(dǎo)致鋼錨在施壓前就有彎曲應(yīng)力；二是由于鋼芯自身的重力以及導(dǎo)線的扭絞力，在施壓過(guò)程中，鋼錨沒有水平放置，這樣會(huì)導(dǎo)致鋼芯的軸線和鋼錨軸線沒有重合；三是施壓在非壓區(qū)域，鋼錨在壓模兩側(cè)受力不平衡，導(dǎo)致鋼錨施壓后彎曲。在對(duì)鋼錨施壓后，要求鋼錨彎曲程度不能超過(guò)鋼錨長(zhǎng)度的2%[16]。彎曲的鋼錨會(huì)增加彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)力的增加容易增加鋼錨斷裂的概率。

在如圖5（c）所示，橢圓圈內(nèi)可清楚分辨鋼錨的周邊狀態(tài)，在鋼錨周圍有半橢圓狀的灰影，這是由于壓模的誤差造成毛刺飛邊。由于鋼錨在施壓過(guò)程中相鄰各模之間受力不一致，造成鋼錨表面不平整。在鋼錨穿管之前沒有除去毛刺飛邊，這樣的鋼錨壓接工藝粗糙，施壓后進(jìn)行尺寸檢測(cè)時(shí)極易出現(xiàn)誤差，無(wú)法判斷鋼錨的壓接是否到位，這樣對(duì)導(dǎo)線的握力就沒法確保。另外，鋼模自身存在變形或鋼模不匹配也會(huì)造成施壓面不平整，也能導(dǎo)致鋼錨出現(xiàn)毛刺飛邊。

在如圖5（d）所示，橢圓形中，可清楚看到鋼錨所在位置，肉眼通過(guò)辨別兩邊的明暗可清楚知道鋼芯插入深度不足，鋼錨和鋼芯空壓在15%~30%之間，不符合規(guī)程要求。錨管腔體內(nèi)空隙或者漏壓比例在15%以內(nèi)，對(duì)鋼芯握力才能滿足；當(dāng)空隙或者漏壓比例在15%~30%時(shí)，鋼錨對(duì)鋼芯的握緊力不足，需要停電重壓；當(dāng)空隙或者漏壓比例在30%以上[17]，鋼錨對(duì)鋼芯握力嚴(yán)重不足，導(dǎo)致導(dǎo)線整體拉力值不能達(dá)到要求，需要立即重壓。

圖5 B區(qū)典型缺陷圖譜（a）鋼錨尾部喇叭口：（b）鋼錨彎曲狀態(tài)；（c）鋼錨毛刺現(xiàn)象；（d）鋼芯插入鋼錨尺寸不足

4.3 C區(qū)典型缺陷

在如圖6（a）所示的橢圓形中，可清楚看到鋼錨端口的位置狀態(tài)，鋼錨口與鋁絞線沒有明顯的間隙，會(huì)導(dǎo)致鋼錨和鋁絞線有初始應(yīng)力，影響鋼管強(qiáng)度。規(guī)程要求耐壓管在施壓完成后，鋼錨尾端與鋁絞線之間的空隙大約要有約10 mm的間隙。當(dāng)間隙小于10 mm，可能是在對(duì)鋁管進(jìn)行壓接時(shí)，鋁絞線因受壓伸長(zhǎng)而頂碰鋼錨，導(dǎo)致初始應(yīng)力增加，從而影響鋁管的強(qiáng)度；間隙大于10 mm，導(dǎo)致鋁管非壓區(qū)域變長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的鋁管壓接區(qū)域減少，會(huì)引起導(dǎo)線握力下降。在C區(qū)多壓的典型缺陷圖譜如圖6（b）所示，其成因和處理建議與A區(qū)多壓相似，詳見4.1。

圖6 C區(qū)典型缺陷圖譜（a）鋼錨口與鋁絞線過(guò)近（b）鋁管非壓接區(qū)域被壓接

5 結(jié)語(yǔ)

目前，從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況來(lái)看，因輸電線路的耐張線夾壓接質(zhì)量問(wèn)題而引起的輸電線路故障時(shí)有發(fā)生，外觀尺寸檢測(cè)和握力實(shí)驗(yàn)只能對(duì)耐張線夾部分性能進(jìn)行判斷，不能精確和全面檢測(cè)出耐張線夾的壓接狀態(tài)。因此，需要一種更直觀、便捷、有效的手段對(duì)耐張線夾進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)本文的分析，X射線數(shù)字成像技術(shù)是實(shí)現(xiàn)耐張線夾質(zhì)量檢測(cè)的最有效手段，并提出了詳細(xì)的應(yīng)用方案。文中在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)出來(lái)的大量影像資料的基礎(chǔ)上，分類整理出了耐張線夾在A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的常見故障類型，對(duì)架空輸電線路耐張線夾質(zhì)量檢測(cè)有一定的參考與指導(dǎo)意義。