環(huán)氧復(fù)合絕緣表面微裂紋檢測(cè)的超聲臨界折射縱波法

田方園，郝艷捧，鄒舟詣奧，鄭堯，何偉明，陽林，李立浧

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

盆式絕緣子是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)的重要部件，起著電氣絕緣、隔離氣室、支撐導(dǎo)體的作用。作為最薄弱環(huán)節(jié)之一，絕緣子性能決定著GIS的安全運(yùn)行[1-3]。裂紋是盆式絕緣子的主要缺陷之一，生產(chǎn)過程中固化時(shí)的溫度變化和中心導(dǎo)體與外殼的機(jī)械擠壓使絕緣子承受巨大內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致其內(nèi)部發(fā)生裂紋；運(yùn)輸安裝過程中的受力不平衡、運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫差以及內(nèi)部氣孔等的逐步擴(kuò)大和放電，均可能引起表面微小裂紋。表面微小裂紋在工作電壓及運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)一步向四周發(fā)展，最終導(dǎo)致絕緣子沿面閃絡(luò)或絕緣擊穿，甚至引發(fā)爆裂，從而造成停電事故[4-6]。例如，2012年一起500 kV HGIS(高壓GIS)事故發(fā)現(xiàn)，盆式絕緣子放電燒成碎片是由于內(nèi)部微小氣隙在工作電壓下引發(fā)局部放電，絕緣子逐步劣化，最終擊穿，出現(xiàn)明顯裂紋[7]。

現(xiàn)有盆式絕緣子缺陷檢測(cè)技術(shù)有特高頻法、局放超聲檢測(cè)、脈沖電流法等，對(duì)由GIS內(nèi)部自由金屬顆粒、導(dǎo)體上突起、高壓電極引起的故障更為敏感[8-10]。出廠檢測(cè)用X射線數(shù)字成像技術(shù)能夠檢測(cè)到絕緣子寬度較大裂紋空隙，但對(duì)細(xì)小裂紋的檢測(cè)靈敏度不高[11-12]。上述盆式絕緣子缺陷檢測(cè)方法難以檢測(cè)出表面微裂紋，為此，本文提出利用超聲臨界折射縱波(critically refracted longitudinal waves，LCR)檢測(cè)盆式絕緣子環(huán)氧復(fù)合材料表面微裂紋的方法，并研究其有效性。

目前針對(duì)超聲檢測(cè)復(fù)合材料裂紋的方法已有較多研究[13]，本文用長(zhǎng)度l(最大尺寸)、高度h、寬度d(最小尺寸)來表征表面微小裂紋。1999年Wisheart等用超聲C掃描檢測(cè)低速?zèng)_擊損傷下拉擠玻璃纖維聚酯層壓復(fù)合材料試樣內(nèi)部6 mm長(zhǎng)的橫向裂紋，得出裂紋縱向長(zhǎng)度與出現(xiàn)分層的線性關(guān)系[14]；Aymerich等用超聲反向散射C掃描檢測(cè)2.2 mm厚的聚醚醚酮(polyether-etherketone，PEEK)層壓板沖擊損傷時(shí)，縱波垂直入射檢測(cè)分層，斜入射檢測(cè)豎向貫穿性基體裂紋[15]；2000年Mouritz等用低頻超聲脈沖回波法檢測(cè)16 mm厚的玻璃纖維增強(qiáng)層壓復(fù)合材料內(nèi)部在高應(yīng)力疲勞下3 mm長(zhǎng)的不規(guī)則斜向裂紋、低應(yīng)力疲勞下2 mm長(zhǎng)的豎向裂紋[16]；2003年西安交通大學(xué)用超聲反射法檢測(cè)環(huán)氧絕緣缺陷試樣內(nèi)部的氣泡、分層、豎向裂紋，以缺陷反射波來判定缺陷存在，但檢測(cè)不到裂紋[17-18]；2019年Aurelia等在碳纖維增強(qiáng)聚合物層壓板上放置圓形壓電傳感器陣列，用導(dǎo)波檢測(cè)并定位表面孔洞和裂紋，檢測(cè)到直徑為2.5 mm以上的孔洞、11 mm長(zhǎng)的裂紋[19]；2003年Armentrout等在復(fù)合絕緣子芯棒兩端各放置1個(gè)聲發(fā)射(acoustic emission，AE)傳感器，檢測(cè)應(yīng)力腐蝕過程中垂直于芯棒軸向的裂紋[20]；2015年，西安交通大學(xué)用超聲檢測(cè)環(huán)氧試樣內(nèi)部20 mm深處模擬的氣隙和裂紋，研究底面反射波的頻譜特性，區(qū)分不同孔徑氣隙和不同取向裂紋[21]；2017年，天津理工大學(xué)用蘭姆波檢測(cè)盆式絕緣子表面高1 mm的微裂紋及微小附著物，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)需在絕緣子生產(chǎn)時(shí)將壓電陶瓷片嵌入材料邊沿[22]，不能檢測(cè)已生產(chǎn)或已投入運(yùn)行的絕緣子缺陷。上述研究多利用超聲縱波的反射檢測(cè)內(nèi)部裂紋，但檢測(cè)效果受裂紋方向的影響，對(duì)表面裂紋的檢測(cè)較少。

LCR多用于焊接鋼板、鋁合金、復(fù)合材料等的應(yīng)力檢測(cè)。2000年，Auteliano等將LCR用于金屬中應(yīng)力檢測(cè)，雙斜探頭一收一發(fā)，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度測(cè)量[23]；2013年，Auteliano等用固定距離的雙斜探頭檢測(cè)環(huán)氧基單向碳纖維復(fù)合材料中的應(yīng)力，得出波速對(duì)0°纖維方向的應(yīng)力變化最敏感[24]。然而，利用LCR檢測(cè)缺陷的應(yīng)用較少。2005年，清華大學(xué)在單探頭模式下用LCR檢測(cè)復(fù)合絕緣子纖維增強(qiáng)玻璃鋼芯棒垂直于軸向、高度0.2～1.2 mm的表面裂紋，得出缺陷反射波幅值與裂紋高度的線性關(guān)系[25-26]；2014年，Wahiba等用固定距離的雙斜探頭在鋁中傳播LCR，以缺陷接收波幅值的減小來檢測(cè)高度5 mm、直徑2～8 mm的表面圓形缺陷[27]。目前利用LCR檢測(cè)表面缺陷僅用于金屬及復(fù)合絕緣子芯棒。

本文提出利用LCR檢測(cè)盆式絕緣子環(huán)氧復(fù)合絕緣表面的微裂紋，搭建超聲檢測(cè)系統(tǒng)，人工制作同一高度不同取向、同一取向不同高度的裂紋，得到單探頭的反射波形和雙探頭的接收波形，并研究2種方法檢測(cè)表面裂紋的有效性。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 超聲檢測(cè)系統(tǒng)

本文超聲檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，其中1為超聲儀，2為示波器，3為可變角探頭，4為待測(cè)試樣，5為計(jì)算機(jī)。探頭用QQ9線與超聲儀相連，探頭和試樣間用水作為耦合劑。

圖1 超聲LCR檢測(cè)環(huán)氧復(fù)合絕緣表面裂紋系統(tǒng)Fig.1 Ultrasonic LCR detection system for cracks on the surface of epoxy composite insulation specimens

本文用模擬式超聲儀CTS-23，工作頻率為0.5～20 MHz。為了得到攜帶最多缺陷信息的超聲原始波形，對(duì)超聲儀進(jìn)行改進(jìn)：將示波器直接與超聲儀檢波前電路連接[18]；超聲儀頻段為1～6 MHz，單探頭檢測(cè)時(shí)衰減為20 dB，雙探頭時(shí)為0 dB。本文采用單探頭、雙探頭(一收一發(fā))2種模式檢測(cè)表面微裂紋，探頭的檢測(cè)深度與頻率有關(guān)，頻率越低，檢測(cè)深度越大，但檢測(cè)靈敏度降低。本文選擇頻率為2.5 MHz、尺寸為10 mm×16 mm的可變角探頭，探頭楔塊為有機(jī)玻璃，保證超聲以一定角度入射到試樣中。

1.2 試樣

本文制備的環(huán)氧復(fù)合絕緣試樣，材料、工藝同252 kV GIS盆式絕緣子(厚約40 mm)，環(huán)氧樹脂加熱熔融，按照一定比例加入填料Al2O3，攪拌均勻后加入固化劑混合，真空脫氣，倒入預(yù)熱好的模具中，經(jīng)2段固化工藝固化成型[28]。表面微裂紋試樣為長(zhǎng)方體，尺寸35.8 cm×3.5 cm×1.8 cm，共2個(gè)，記為A1和A2；對(duì)試樣表面開槽來模擬裂紋，如圖2所示。圖2中，L為雙探頭模式下2個(gè)探頭的固定距離，α為入射角，β為第2種介質(zhì)中聲波折射角，c1為第1種介質(zhì)中縱波聲速，c2為第2種介質(zhì)中縱波聲速。聲波傳播過程中的槽深可以用來模擬裂紋高度h，聲波遇到裂紋界面MN則反射，界面后的裂紋寬度d不影響聲波的反射。在試樣A1表面制作高度h為1.0 mm的豎向槽、45°斜向槽、橫向槽(如圖3所示)。豎向槽、橫向槽用可變角探頭檢測(cè)時(shí)的界面MN面積分別為1 mm×35 mm 和 1 mm×2 mm。在試樣A2表面制作高度h分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm的豎向槽模擬微裂紋。

圖2 有表面微裂紋的環(huán)氧復(fù)合絕緣試樣的超聲LCR傳播模型Fig.2 Propagation model of ultrasonicLCR in epoxy composite insulation specimens with surface micro-cracks

1.3 檢測(cè)方法

LCR在一定深度范圍內(nèi)平行于介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ诠腆w介質(zhì)中傳播時(shí)聲速接近縱波[25]。本文將可變角探頭置于有表面微裂紋的環(huán)氧試樣表面，探頭壓電晶片經(jīng)超聲儀激勵(lì)后振動(dòng)產(chǎn)生縱波，縱波經(jīng)楔塊傳播至試樣表面，在探頭-試樣界面發(fā)生反射和透射，反射聲波返回壓電晶片，透射聲波沿一定角度進(jìn)入試樣。當(dāng)入射角α等于第一臨界折射角時(shí)，在界面處發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，試樣中出現(xiàn)LCR。超聲在2種介質(zhì)交界面?zhèn)鞑r(shí)，遵循斯奈爾(Snell)定律[25,27]

圖3 含人工模擬微裂紋的環(huán)氧復(fù)合絕緣試樣Fig.3 Epoxy composite insulation specimens with artificial micro-cracks

(1)

單探頭檢測(cè)微裂紋時(shí)，LCR在試樣表面下傳播至裂紋處時(shí)遇到環(huán)氧-空氣界面，部分聲波沿原路返回至壓電晶片，部分聲波繼續(xù)沿直線傳播，探頭接收到缺陷反射波(記為D)。雙探頭檢測(cè)微裂紋時(shí)，發(fā)射探頭產(chǎn)生的聲波折射為L(zhǎng)CR，在試樣表面下傳播至裂紋處時(shí)遇到環(huán)氧-空氣界面，部分聲波沿原路返回，部分聲波繼續(xù)沿直線傳播至接收探頭，表現(xiàn)為接收波(記為R)。由于裂紋處有部分聲波反射，接收探頭獲得的聲波能量減小，表現(xiàn)為接收波幅值減小。本文超聲縱波在有機(jī)玻璃楔塊中聲速為2 700 m/s，在環(huán)氧絕緣試樣中聲速為3 000 m/s，由式(1)得入射角為65.51°。

以下用超聲LCR檢測(cè)環(huán)氧絕緣表面不同取向、不同高度的微裂紋， 對(duì)比單探頭和雙探頭的檢測(cè)效果。

2 檢測(cè)結(jié)果與分析

2.1 單探頭

本文用2.5 MHz可變角單探頭檢測(cè)高度h為1.0 mm、取向不同的表面裂紋，研究裂紋取向?qū)z測(cè)結(jié)果的影響；檢測(cè)高度不同的裂紋，研究裂紋高度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

2.1.1 裂紋取向

可變角探頭檢測(cè)試樣A1中高度h為1.0 mm的豎向裂紋、45°斜向裂紋和橫向裂紋時(shí)，檢測(cè)波形如圖4所示。

圖4 高度1.0 mm、不同取向微裂紋超聲單探頭檢測(cè)波形Fig.4 Ultrasonic waveforms of micro-cracks with different orientations and a height of 1.0 mm by the single transducer

由圖4可知，豎向裂紋可用本文的超聲檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到，斜向和橫向裂紋檢測(cè)不到。這是由于豎向裂紋的環(huán)氧-空氣界面的超聲LCR反射面積最大，斜向裂紋環(huán)氧-空氣界面與超聲傳播方向成45°角，反射聲波不沿原路返回，探頭接收不到回波；橫向裂紋在超聲傳播方向上的界面MN面積最小，只有2 mm×1 mm，探頭接收的聲波能量較小，在波形上顯示不出。

為了解決斜向裂紋和橫向裂紋的檢測(cè)問題，改變探頭的放置角度，使聲波發(fā)射方向垂直于裂紋中心點(diǎn)：將探頭分別旋轉(zhuǎn)45°和90°，檢測(cè)斜向裂紋和橫向裂紋，檢測(cè)波形如圖5所示。

由圖5知，可檢測(cè)到斜向裂紋、橫向裂紋的反射波D，在實(shí)際檢測(cè)中，可在同一位置多次改變探頭的放置角度，降低漏檢可能。

圖5 高1.0 mm的斜向、橫向裂紋超聲單探頭檢測(cè)波形Fig.5 Ultrasonic waveforms of oblique cracks and transverse cracks with a height of 1.0 mm by the single transducer

2.1.2 裂紋高度

使用可變角單探頭檢測(cè)試樣A2中高度h分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm的表面豎向裂紋，波形如圖6所示，缺陷反射波D的幅值(AD)見表1。

圖6 高度不同的豎向裂紋單探頭檢測(cè)波形Fig.6 Ultrasonic waveforms of vertical cracks with different heightsby the single transducer

表1 單探頭檢測(cè)不同高度豎向裂紋的缺陷反射波幅值Tab.1 Amplitude values of defect reflected waves with different heights by the single transducer

由圖6及表1可知：可檢測(cè)到高度h為0.5～2.0 mm的裂紋，缺陷反射波幅值隨著裂紋高度的增加而增大；結(jié)合裂紋高度h與缺陷反射波幅值，繪制曲線如圖7所示，二者成線性關(guān)系。

圖7 單探頭檢測(cè)表面裂紋高度與缺陷反射波幅值的關(guān)系Fig.7 Relation between the heights of crack and the amplitudes of defect reflected waves by the single transducer

2.2 雙探頭

本文用2.5 MHz可變角雙探頭檢測(cè)高度為1.0 mm、不同取向的表面裂紋，研究裂紋取向?qū)z測(cè)結(jié)果的影響；檢測(cè)不同高度的表面裂紋，研究裂紋高度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

2.2.1 裂紋取向

使用可變角探頭檢測(cè)試樣A1中高度為1.0 mm的豎向、橫向和斜向模擬裂紋時(shí)，L=15 mm，波形如圖8所示，接收波R的幅值A(chǔ)R見表2。

表2 雙探頭檢測(cè)高度1.0 mm、不同取向微裂紋的接收波幅值Tab.2 Amplitude values of received waves with different orientations and a height of 1.0 mm by the double transducers

由圖8及表2可知：與無缺陷相比，不同取向裂紋的接收波幅值減小，表明在2探頭晶片范圍內(nèi)有微裂紋存在；橫向裂紋幅值最大，豎向次之，斜向最小，這是由于3種裂紋的環(huán)氧-空氣界面高度相同，但面積依次增大，不經(jīng)過裂紋傳播的聲波能量依次減小，即接收波幅值依次減小。另外，與單探頭模式相比，裂紋取向?qū)﹄p探頭模式的檢測(cè)效果影響較小，不同取向裂紋都能快速檢測(cè)。

圖8 高度1.0 mm、不同取向的表面微裂紋超聲雙探頭檢測(cè)波形Fig.8 Ultrasonic waveforms of micro-cracks with different orientations and a height of 1.0 mm by the double transducers

2.2.2 裂紋高度

使用可變角雙探頭檢測(cè)試樣A2中高度分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm的豎向裂紋，L=15 mm，波形如圖9所示，接收波R的幅值A(chǔ)R見表3。

表3 雙探頭檢測(cè)不同高度豎向裂紋的接收波幅值Tab.3 Amplitude values of received waves with different heights by the double transducers

由圖9及表3得，可檢測(cè)到高度0.5～2.0 mm的裂紋，隨著裂紋高度增加，接收波幅值減小，這是由于高度越大，聲波通過缺陷傳播的能量越小。裂紋高度與接收波幅值的線性關(guān)系如圖10所示。

圖9 高度不同的豎向表面裂紋雙探頭檢測(cè)波形Fig.9 Ultrasonic waveforms of vertical cracks with different heightsby the double transducers

圖10 雙探頭檢測(cè)裂紋高度與缺陷反射波幅值的關(guān)系Fig.10 Relation between heights of crack and amplitude values of defect reflected waves by the double transducers

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了盆式絕緣子用環(huán)氧復(fù)合材料試樣表面微裂紋的超聲LCR檢測(cè)試驗(yàn)，搭建超聲檢測(cè)系統(tǒng)，提出檢測(cè)方法：?jiǎn)翁筋^模式以缺陷反射波檢測(cè)裂紋，雙探頭模式以接收波幅值變化評(píng)估裂紋。具體結(jié)論如下：

a)試驗(yàn)研究表明，搭建的超聲檢測(cè)系統(tǒng)中，單探頭和雙探頭模式均可檢測(cè)環(huán)氧試樣表面不同取向、高度0.5～2.0 mm微裂紋。

b)與單探頭模式相比，裂紋取向?qū)﹄p探頭模式檢測(cè)效果的影響較??；單探頭檢測(cè)表面裂紋時(shí)，可在同一位置多次改變探頭放置角度，降低漏檢可能。

c)同一裂紋，隨著高度增加，單探頭模式下缺陷反射波幅值變大，雙探頭模式下接收波幅值變小，高度與幅值呈線性關(guān)系。