基于超聲縱向波的電力桿塔地腳螺栓缺陷無(wú)損檢測(cè)研究

盧勝標(biāo)

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉林供電局,廣西 玉林 537000)

1 引言

電力桿塔地腳螺栓是桿塔基礎(chǔ)的基本組成部分，在電力傳輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)揮著重要作用。電力桿塔由塔身、桿塔基礎(chǔ)、接地線、絕緣子以及各類金具組成，在實(shí)際投入運(yùn)行過(guò)程中，桿塔各部分所受外力會(huì)對(duì)由地腳螺栓固定的桿塔基礎(chǔ)形成上拔力及下壓力，并通過(guò)基礎(chǔ)傳導(dǎo)至大地。然而目前，對(duì)于桿塔地腳螺栓缺陷情況的檢測(cè)仍然是困擾電力企業(yè)的一個(gè)難題，尚未有較為成熟的方法可對(duì)地腳螺栓腐蝕、裂紋等缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。因此，研發(fā)地腳螺栓無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)保障電力桿塔穩(wěn)定以及保證輸電線路安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

2 電力桿塔地腳螺栓超聲導(dǎo)波傳播特性分析

2.1 傳播特性

超聲導(dǎo)波在桿塔地腳螺栓中傳播時(shí)，根據(jù)一維桿中應(yīng)力波理論，當(dāng)?shù)啬_螺栓存在內(nèi)部形變?nèi)毕輹r(shí)，超聲導(dǎo)波經(jīng)過(guò)形變界面會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)波的反射與透射過(guò)程。通過(guò)檢測(cè)地腳螺栓內(nèi)導(dǎo)波波形變化，可以判斷地腳螺栓內(nèi)的缺陷情況。導(dǎo)波反射系數(shù)F和透射系數(shù)T可由公式(1)表示。

(1)

式中，ρ0C0A為廣義波阻抗。C0由材料常數(shù)與彈性模E決定。

超聲導(dǎo)波在柱狀模型的地腳螺栓中傳播時(shí)，由于所采用的激勵(lì)源諧波分量的問(wèn)題會(huì)出現(xiàn)頻散現(xiàn)象。激勵(lì)源不同頻率的諧波分量在地腳螺栓中傳播的相速度不同，所產(chǎn)生的反射、干涉及幾何頻散的波形也不同，影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。因此為避免超聲導(dǎo)波在地腳螺栓中傳播時(shí)發(fā)生頻散現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)地腳螺栓材質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)選取適合的激勵(lì)源與頻率，進(jìn)一步提升檢測(cè)的精度。此外，在實(shí)際超聲導(dǎo)波檢測(cè)過(guò)程中，由于激勵(lì)源的頻率通常較高，不能滿足一維桿中應(yīng)力波理論的平面假設(shè)，因此應(yīng)將地腳螺栓視為三維復(fù)合柱狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。超聲導(dǎo)波在此類結(jié)構(gòu)的傳播過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)徑向傳播不均勻的三維效應(yīng)。

2.2 評(píng)價(jià)參數(shù)

當(dāng)超聲縱向波在地腳螺栓中傳播時(shí)，檢測(cè)到的反射導(dǎo)波包含各類與螺栓材料及內(nèi)部情況的信息。準(zhǔn)確檢測(cè)反射導(dǎo)波的參數(shù)變化可以推測(cè)螺栓材料內(nèi)部的性能與組成結(jié)構(gòu)。常用的超聲縱向波評(píng)價(jià)參數(shù)有波速、頻率以及波形等。

(1)波速

超聲縱向波導(dǎo)波在地腳螺栓中傳播時(shí)，其波速包含群速度與相速度兩個(gè)基本概念。群速度定義如公式(2)所示，實(shí)際上就是波在螺栓中的實(shí)際傳播速度；相速度定義為公式(3)所示，指的是等相位點(diǎn)的波速度。在實(shí)際的地腳螺栓超聲縱向波檢測(cè)時(shí)，通常檢測(cè)的是群速度變化。群速度與相速度的換算如公式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

式中，k為波數(shù)；ω為圓頻率；f為導(dǎo)波頻率；d為螺栓半徑。

(2)頻率

由激勵(lì)源激發(fā)的超聲導(dǎo)波一般都是由多種頻率的余弦波分量疊加而成。由于地腳螺栓的材質(zhì)不同或是內(nèi)部存在縫隙、缺陷等原因，會(huì)對(duì)不同頻率的超聲導(dǎo)波由不同的吸收作用，因此可將地腳螺栓視為具有頻率濾波器功能的介質(zhì)。超聲導(dǎo)波在地腳螺栓中的實(shí)際傳播過(guò)程中，主頻會(huì)隨著傳播距離以及地腳螺栓的濾波器性質(zhì)而下降。通過(guò)測(cè)量超聲縱向波通過(guò)地腳螺栓后主頻的變化，可以推斷出地腳螺栓的材料以及內(nèi)部的缺陷情況。

(3)波形

超聲導(dǎo)波在地腳螺栓的傳播過(guò)程較為復(fù)雜，當(dāng)導(dǎo)波在螺栓中碰到缺陷或縫隙等情況時(shí)，會(huì)發(fā)生導(dǎo)波的反射、折射、透射、頻散等現(xiàn)象，并且反射折射導(dǎo)波在碰到內(nèi)壁時(shí)會(huì)發(fā)生二次折射，導(dǎo)致?lián)Q能器接收到的回波導(dǎo)波頻率、相位復(fù)雜多變。因此，觀察研究超聲導(dǎo)波的波形變化有助于推斷地腳螺栓內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，但由于波形變化多數(shù)情況下十分復(fù)雜，所以識(shí)別波形中所蘊(yùn)涵的信息也比較困難。

3 電力桿塔地腳螺栓超聲導(dǎo)波檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電力桿塔地腳螺栓的超聲縱向波缺陷檢測(cè)，需設(shè)計(jì)無(wú)損缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)具備兩個(gè)基本組成部分，分別為信號(hào)激勵(lì)部分以及信號(hào)接收部分，硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)激勵(lì)部分能夠通過(guò)鍵盤(pán)控制產(chǎn)生不同頻率、不同幅度以及相位的激勵(lì)信號(hào)，并且可控制多路信號(hào)的相位和延時(shí)激勵(lì)時(shí)間；信號(hào)接收部分可實(shí)時(shí)采集地腳螺栓中回傳的超聲縱向波信號(hào)，并且存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，通過(guò)RJ45口或無(wú)線通信方式傳輸至電腦端，通過(guò)電腦對(duì)波形進(jìn)行相關(guān)處理。

信號(hào)激勵(lì)部分包括信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字移相器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、調(diào)理電路以及陣列式激勵(lì)傳感器五個(gè)模塊。信號(hào)發(fā)生器模塊采用MAX038等專用信號(hào)發(fā)生芯片作為主芯片，可調(diào)制產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)源，并通過(guò)數(shù)字移相器進(jìn)行相位控制以滿足超聲縱向波激勵(lì)所需要求。數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用高速雙通AD9767芯片作為主芯片，實(shí)現(xiàn)將激勵(lì)源數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的功能，模塊原理圖如圖2所示。

圖2 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

AD9767輸出的模擬信號(hào)首先通過(guò)低通濾波濾除高頻噪聲信號(hào)，然后通過(guò)兩級(jí)運(yùn)放將芯片輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為-5V～+5V的電壓信號(hào)，為后續(xù)的調(diào)理電路提供電壓參考。調(diào)理電路的主要功能是穩(wěn)定方法模擬電壓信號(hào)，使其能夠驅(qū)動(dòng)激勵(lì)傳感器，因此調(diào)理電路的主芯片使用高性能AD847放大芯片以滿足需求。經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換并放大的激勵(lì)源信號(hào)最終輸入到陣列式激勵(lì)傳感器中，在地腳螺栓中激發(fā)超聲縱向?qū)Рā?/p>

信號(hào)接收部分包括接收傳感器、前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及存儲(chǔ)器四個(gè)模塊。由接收傳感器檢測(cè)到的導(dǎo)波信號(hào)電壓幅值較小，無(wú)法滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的芯片要求，所以需要設(shè)置前置放大器對(duì)電壓信號(hào)放大10倍。前置放大模塊的核心芯片同樣采用AD847，能夠避免從元器件上產(chǎn)生的干擾，保證電路具有較高的性能。模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)際上是數(shù)模轉(zhuǎn)換的逆過(guò)程，轉(zhuǎn)換芯片采用AD9627雙通道AD芯片，模擬信號(hào)需經(jīng)運(yùn)放放大后再輸入到AD芯片中，最后輸入到存儲(chǔ)器中。為滿足檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)采集的高速存儲(chǔ)、高度讀取以及大量緩存的需求，可采用DDR3規(guī)格的內(nèi)存條作為存儲(chǔ)器。最后，存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)可通過(guò)以太網(wǎng)通信傳輸至PC端進(jìn)行后續(xù)的處理工作。

4 電力桿塔地腳螺栓檢測(cè)結(jié)果分析

論文選取適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)，對(duì)電力桿塔地腳螺栓模型樁進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置腐蝕缺陷在模型樁的1/3處。為降低測(cè)試過(guò)程中導(dǎo)波信號(hào)的頻散程度，本文采用頻帶更窄且能量更為集中的傳感器來(lái)激發(fā)與接收信號(hào)，激勵(lì)源的頻率選擇為低頻100kVHz，高頻1MHz[4]，并且應(yīng)用入射波的峰值對(duì)檢測(cè)波形進(jìn)行歸一化處理，使用濾波器對(duì)檢測(cè)波形進(jìn)行濾波處理。超聲縱波在地腳螺栓傳播過(guò)程中，由入射端傳播到尾端并反彈到入射端被傳感器接收的導(dǎo)波信號(hào)為底端回波；由入射點(diǎn)傳播到缺陷處后反彈至入射端被傳感器接收的導(dǎo)波信號(hào)為缺陷回波。

未設(shè)置缺陷地腳螺栓的波形如圖3所示，可以較為明顯的看出一次底端回波以及二次底端回波，二次底端回波由于超聲縱向波在螺栓中的頻散特性，幅值衰減嚴(yán)重。在地腳螺栓1/3處設(shè)置缺陷的檢測(cè)波形圖如圖4所示，可以看出，超聲縱向波在缺陷處發(fā)生反射導(dǎo)致缺陷回波的出現(xiàn)。缺陷回波的時(shí)間與幅值與缺陷的距離以及類型有關(guān)，由此可以計(jì)算地腳螺栓缺陷的情況。

圖3 無(wú)缺陷地腳螺栓檢測(cè)波形

圖4 1/3處設(shè)置缺陷的地腳螺栓檢測(cè)波形

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于超聲縱向波的電力桿塔地腳螺栓缺陷無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，在分析超聲縱向?qū)Рㄔ诼菟▊鞑ヌ匦缘幕A(chǔ)上，對(duì)地腳螺栓無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的兩個(gè)部分：信號(hào)激勵(lì)部分以及信號(hào)接收部分進(jìn)行了硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)，并且將所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于地腳螺栓的缺陷檢測(cè)之中。最后，對(duì)地腳螺栓模型樁的測(cè)試效果顯示，所設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)可以較好地激勵(lì)并檢測(cè)超聲縱向波與回波，從而達(dá)到檢測(cè)螺栓內(nèi)部缺陷的目的。