耐張線夾壓接質(zhì)量的相控陣超聲檢測

李君華,梁世容,張興森

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，南寧 530023)

現(xiàn)場壓接好的耐張線夾接頭一般采用量取外徑的方式進(jìn)行壓接質(zhì)量判定[1]，但耐張線夾的壁厚會受壓接壓力、壓接速度等因素的影響而發(fā)生改變。鑒于傳統(tǒng)的檢驗、分析手段，僅能用測量外徑獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行耐張線夾壓接質(zhì)量判斷[1]，存在一定的局限性，不能直觀地對耐張線夾內(nèi)部壓接質(zhì)量進(jìn)行判斷分析。文章結(jié)合有限元仿真結(jié)果，提出了一種使用相控陣超聲檢測對耐張線夾壓接后的壁厚以及產(chǎn)生的空腔進(jìn)行成像檢測的方法。通過分析相控陣超聲檢測的成像結(jié)果，可了解耐張線夾壓接后的內(nèi)部質(zhì)量，對耐張線夾壓接后的質(zhì)量評判具有重要意義。

1 相控陣超聲檢測原理

文章所討論的耐張線夾型號為NY-240/40，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1中a為鋁絞線與鋁套管壓接處；b為槽口與鋁套管壓接處；c為鋼芯與鋼錨壓接處。在現(xiàn)場使用時，主要的檢測區(qū)域為鋼芯與鋼錨壓接處、鋁絞線與鋁套管壓接處和槽口與鋁套管壓接處。應(yīng)在鋼芯和鋼錨部位壓接完成后就立即檢測鋼芯與鋼錨壓接部位，避免其因壓接工藝原因而無法檢測。

圖1 耐張線夾結(jié)構(gòu)示意

耐張線夾經(jīng)過液壓壓接后，工件不同貼合面之間會形成形狀不規(guī)則的空氣腔。當(dāng)超聲波在工件內(nèi)部傳播時，超聲波遇到工件內(nèi)部的空氣腔，就會發(fā)生折射和反射。而其他部分的超聲波會繼續(xù)傳播，直到材料的邊界，再發(fā)生反射。

經(jīng)超聲波檢測，得到3個波：始波、空腔回波和底波。其聲波波形如圖2所示。第一個波形是超聲設(shè)備檢測工件所發(fā)射的始波;第二個波形是遇到空腔時，超聲波發(fā)生反射得到的空腔回波;第三個波形是工件邊界反射底波，在這里不做研究。

圖2 聲波波形示意

通過研究空腔內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，對空腔回波信號進(jìn)行分析和判斷，以保證空腔回波信號的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)脈沖反射法[2]，通過空腔回波的時間與聲速相乘可以計算超聲波傳播路徑的長度，再除以2就是空腔距表面的深度，可以此來判斷壓接的質(zhì)量。

(1)

式中:h為空腔距表面的深度;c為聲速;Δφ為聲波從發(fā)出到接收的時間差。

圖3 一維線陣相控陣探頭聚焦原理示意

試驗采用一維線陣相控陣探頭，由多個陣元接收和發(fā)射，其聚焦原理如圖3所示。各個陣元接收到空腔回波信號，按設(shè)計的聚焦延遲值進(jìn)行延時，然后矢量疊加，得到空腔回波的聲壓[3]。

得到的聲壓幅值為

(2)

式中：P為該點(diǎn)的總聲壓;Pi為各矢量的聲壓。

2 有限元仿真模型

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1179-2017 《圓線同心絞架空導(dǎo)線》 建立趨于理想化的NY-240/40耐張線夾有限元仿真模型。

該仿真方法采用的是連續(xù)系統(tǒng)仿真，適用于壓力聲學(xué)模塊，忽略黏性效應(yīng)，得到其壓力聲學(xué)本構(gòu)方程為[4]

(3)

pt=p+pb

(4)

式中:ρ為介質(zhì)密度;c為介質(zhì)中傳播的聲速;pt為總壓力;t為時間;qd為單極源數(shù)量(在模型中為0);p為壓力;pb為背景壓力;為梯度;Qm為偶極源(施加于壓電傳感器)。

仿真時網(wǎng)格允許的最大尺寸不能超過波長的五分之一，波長公式為[5]

(5)

式中:λ為波長;ν為波速;f為頻率。

仿真和試驗采用的頻率為20 MHz，可得仿真時允許的網(wǎng)格最大尺寸為0.063 mm。

仿真模型材料選擇：鋁套管材料為AA1050純鋁；鋼錨材料為Q195工程結(jié)構(gòu)鋼；壓電陶瓷型號為PZT-5A。

相控陣超聲檢測系統(tǒng)使用一維線性探頭，共有64個陣元，每次同時激發(fā)8個陣元。根據(jù)相控陣發(fā)射聚焦的原理，線性陣列換能器要達(dá)到聚焦效果，延遲時間tfn為[6]

(6)

式中:n為陣元序號;F為焦距;c為介質(zhì)聲速;d為陣元中心距;為避免tfn出現(xiàn)負(fù)的延遲時間，t0為一個足夠大的時間常數(shù)。

根據(jù)相控陣超聲檢測原理，激勵信號為高斯窗函數(shù)對正弦信號調(diào)制后得到的信號，表示為[7]

(7)

式中:A為激勵脈沖幅值;σ為脈沖標(biāo)準(zhǔn)差;f為激勵信號頻率;t為時間。激勵信號波形如圖4所示。

圖4 激勵信號波形

3 試驗方法

按標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5285-2018 《輸變電工程架空導(dǎo)線(800 mm2以下)及地線液壓壓接工藝規(guī)程》 進(jìn)行耐張線夾的壓接工藝，壓接壓力為80 MPa。

用于試驗的耐張線夾型號為NY-240/40，共5根。使用的超聲檢測儀為多浦樂Phascan型檢測儀，檢測頻率為20 MHz。耐張線夾上的3個壓接位置壓接后呈正六邊形結(jié)構(gòu)，將超聲探頭置于壓接處表面，檢測并記錄數(shù)據(jù)。對于每根耐張線夾，在鋼芯與鋼錨壓接處和鋁絞線與鋁套管壓接處，分別隨機(jī)選取10個點(diǎn)的數(shù)據(jù)，記錄壓接后的壁厚數(shù)值，計算該處平均深度并記錄。

4 有限元仿真與相控陣超聲檢測結(jié)果分析

4.1 有限元仿真

鋼芯與鋼錨壓接位置的聲壓云圖如圖5所示。超聲波遇到該位置內(nèi)部的空腔產(chǎn)生反射，聲壓曲線如圖6所示。第一個波形是始波，到了2X10-6s后的回波為鋼芯和鋼錨壓接后的貼合面空腔回波。通過聲壓曲線，可以讀出空腔回波的傳播時間，為1.52X10-6s，由此可以推算空腔所在的位置，經(jīng)計算空腔位于被測表面下4.48 mm處。

圖5 鋼芯與鋼錨壓接位置仿真聲壓云圖

圖6 鋼芯與鋼錨壓接位置仿真聲壓曲線

圖7 槽口與鋁套管壓接位置仿真聲壓云圖

圖8 槽口與鋁套管壓接位置仿真聲壓曲線

在槽口與鋁套管壓接良好的情況下，外層的鋁套管會把槽口嚴(yán)密裹住，兩個零件的貼合面是不存在任何空腔的。建立仿真模型時，主要關(guān)注點(diǎn)在于槽底的壓接狀況，由于兩個工件的材料和聲阻抗不同，超聲波在貼合面的位置會發(fā)生反射，槽口與鋁套管壓接位置的仿真聲壓云圖如圖7所示，仿真聲壓曲線如圖8所示，到了3X10-6s后這段回波為槽口底部后貼合面的回波，通過聲壓曲線可以讀出聲壓的時間差，為2.4X10-6s。經(jīng)計算，槽底的深度為7.56 mm。

圖9 鋁絞線與鋁套管壓接位置仿真聲壓云圖

鋁絞線與鋁套管壓接位置仿真聲壓云圖如圖9所示。鋁絞線與鋁套管壓接后內(nèi)部的空腔是不規(guī)則的，且空腔的數(shù)量較多，所建立的模型趨近理想化，存在一定的誤差。聲壓曲線如圖10所示，3X10-6s位置的回波為鋁絞線和鋁套管貼合面空腔的回波，通過聲壓曲線可以讀出聲壓的時間差，為2.11X10-6s。經(jīng)計算，空腔位于被測表面下6.65 mm處。

圖10 鋁絞線與鋁套管壓接位置仿真聲壓曲線

4.2 相控陣超聲檢測結(jié)果

對鋼芯與鋼錨壓接位置使用相控陣超聲方法進(jìn)行檢測，其相控陣超聲成像結(jié)果如圖11所示。成像結(jié)果顯示了空腔的大小，并能夠測量出該處壁厚。

圖11 鋼芯與鋼錨壓接位置相控陣超聲成像結(jié)果

對標(biāo)準(zhǔn)壓接工藝壓接的5個NY-240/40耐張線夾在鋼錨外使用相控陣超聲檢測出的平均深度如表1所示。

表1 鋼錨與鋼芯壓接后壁厚

圖12 槽口與鋁套管壓接位置相控陣超聲成像結(jié)果

對槽口與鋁套管壓接位置使用相控陣超聲方法進(jìn)行檢測，其相控陣超聲成像結(jié)果如圖12所示，可以清晰地看到有兩個臺階。成像圖像可以很清晰地將槽底展示出來，能夠直接讀出槽底的深度。

對標(biāo)準(zhǔn)壓接工藝的5個NY-240/40槽口與鋁套管壓接位置壓接處，在鋁套管外使用相控陣超聲檢測出的平均厚度如表2所示。

表2 槽口壓接后(槽底)壁厚

對鋁絞線與鋁套管壓接位置使用相控陣超聲方法進(jìn)行檢測，其相控陣超聲成像結(jié)果如圖13所示，成像的結(jié)果可以明顯地顯示出有多個空腔，并能夠測量出該處壁厚。

圖13 鋁絞線與鋁套管壓接位置相控陣超聲成像結(jié)果

對標(biāo)準(zhǔn)壓接工藝的5個NY-240/40鋁絞線與鋁套管壓接處，在鋁套管外使用相控陣超聲檢測出的平均厚度如表3所示。

表3 鋁絞線與鋁套管壓接后壁厚

4.3 綜合分析

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可知，空腔位于被測表面下4.48 mm處，試驗得出的平均深度為4.08 mm；槽口壓接位置處，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可知，槽底的深度為7.56 mm，試驗數(shù)據(jù)為6.98 mm；鋁套管和鋁絞線壓接位置處，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可知，空腔位于被測表面下6.65 mm處，試驗數(shù)據(jù)為6.50 mm。綜合判斷，試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)較為接近，說明了相控陣超聲檢測技術(shù)用于檢測耐張線夾壓接后壁厚的可行性。

5 結(jié)語

通過有限元仿真方法與相控陣超聲檢測進(jìn)行分析，對耐張線夾壓接后內(nèi)部壓接質(zhì)量進(jìn)行研究，在一定程度上解決了傳統(tǒng)輸電線路中無法對耐張線夾內(nèi)部壓接質(zhì)量進(jìn)行判斷的問題。對耐張線夾的3個壓接位置進(jìn)行了仿真和試驗分析，根據(jù)有限元仿真的聲壓曲線計算出的深度值和相控陣成像讀取的深度值，驗證了使用相控陣超聲檢測方法在3個壓接位置檢測耐張線夾內(nèi)部壓接質(zhì)量的可行性，為耐張線夾內(nèi)部壓接質(zhì)量檢測提出了解決方案。