淺析超聲波相控陣技術(shù)對(duì)電網(wǎng)支柱瓷絕緣子檢測的應(yīng)用

曹翀 南鈺 鄭罡

國網(wǎng)河南省電力公司開封供電公司 河南 開封 475000

引言

超聲相控陣指的是一種超聲電子掃描方法，它根據(jù)特定的規(guī)則和時(shí)間序列激發(fā)探頭驅(qū)動(dòng)器組，并通過調(diào)節(jié)刺激板的順序、數(shù)量和時(shí)間來控制光束形狀、軸偏轉(zhuǎn)角度和聚焦位置等參數(shù)。探頭超聲相位陣列由大多數(shù)按照特定順序排列的晶片組成，儀器通過調(diào)整單個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間來監(jiān)控諸如超聲光束形狀、軸偏轉(zhuǎn)角度和聚焦位置等參數(shù)。它有兩種性質(zhì)，不同于以前的超聲波探頭:陣列多芯片和電子控制的超聲波場性質(zhì)。超聲相陣列檢測技術(shù)是一種特殊的超聲檢測技術(shù)，它利用復(fù)雜的相控陣和強(qiáng)大的超聲束控制軟件，使其覆蓋檢測到的材料，并生成修改后的材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部圖像。分階段陣列檢測技術(shù)不僅可以檢測缺陷，而且在船舶和壓力管道腐蝕檢測和腐蝕圖譜繪制方面有其獨(dú)特的應(yīng)用。

1 我國支柱絕緣子檢測的常見方式

1.1 常規(guī)超聲波檢測法

超聲波檢測，依據(jù)超聲波種類可以分為兩種，一種為爬波方式，另一種為縱波斜探頭入射方式。

首先，爬波方式在檢測過程中，所呈現(xiàn)的折射角為90°，被稱之為壓縮縱波。在操作過程中，爬波探頭的相關(guān)入射角被固定在臨界角，屬于第一臨界角，依據(jù)檢測舉例對(duì)晶片面積進(jìn)行選擇，從而構(gòu)成并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。

但是此方式，僅僅對(duì)檢測表面深度為8mm有效，如再深入探測則無法進(jìn)行有效反應(yīng)。因此在檢測過程中，應(yīng)及時(shí)對(duì)晶片以及探測面積中的夾角進(jìn)行調(diào)整，從而增加探測的相關(guān)深度。

1.2 超聲波相控陣技術(shù)

此方式為超聲波相控陣檢測方式，此方式與上述檢測方式不同，此方式是利用電子系統(tǒng)對(duì)換能器各個(gè)陣元的一種控制，利用此控制系統(tǒng)，在延遲時(shí)間內(nèi)，發(fā)射以及接收超聲波。分階段陣列檢測技術(shù)并不改變超聲波的物理性質(zhì)，而是更多地利用超聲波的物理性質(zhì)來控制光束。與以往超聲檢測方法相比，它具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以使檢測速度更快，檢測結(jié)果更客觀、更可信。

在工件聚焦以及偏轉(zhuǎn)過程中，利用動(dòng)態(tài)控制超聲束對(duì)材料進(jìn)行無損檢測。

例如：在上述常規(guī)超聲波檢測過程中，一般多使用聲束擴(kuò)散的單晶探測頭，如單晶片分成許多相同的晶片，這些晶片的寬度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際長度，因此每個(gè)被分割的晶片可以作為輻射柱面波的線狀波源，這些波源波陣面可以產(chǎn)生新的波陣面[1]。

一般常用的晶片數(shù)量為16～64片，包含128以及256片的晶片探頭，但是晶片的排列幾何形狀相關(guān)種類也較多。依據(jù)所選擇的晶片數(shù)量，以及相關(guān)的幾何形狀，在超聲波相控陣技術(shù)的應(yīng)用初期，主要是應(yīng)用在醫(yī)療器械領(lǐng)域內(nèi)，因相關(guān)使用系統(tǒng)較為復(fù)雜，固體中的波動(dòng)傳播復(fù)雜性較大，相關(guān)成本使用的費(fèi)用較高，導(dǎo)致在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用范圍較小，應(yīng)用受到一定的限制。

近幾年，隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，電廠以及電網(wǎng)內(nèi)部，需要許多參數(shù)較高，容量較大的設(shè)備，因此對(duì)這些設(shè)備的檢測要求也較高，相控陣檢測技術(shù)也逐步進(jìn)入電力領(lǐng)域中，下文列舉出超聲波相控陣技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

其優(yōu)點(diǎn)為：其一，探頭覆蓋的角度較為廣泛；其二，探頭的分辨率精確度較高；其三，信號(hào)較強(qiáng)，噪音較?。黄渌?，穿透力度以及檢測的相關(guān)靈敏度較好；其五，探測的圖像較為清晰。

其缺點(diǎn)為：其一，此檢測技術(shù)的探頭體積較大，對(duì)一些表面需要定制的楔塊無法進(jìn)行檢測；其二，相關(guān)探頭以及相關(guān)連接線較為精密，但是容易損壞；其三，設(shè)備使用以及參數(shù)的設(shè)置較為復(fù)雜；其四，檢驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并不完善；其五，設(shè)備比較昂貴，檢測的成本較高[2]。

2 支柱瓷絕緣子

支柱瓷絕緣子，以及瓷套的一般缺陷分為：制造缺陷、工藝缺陷、運(yùn)行缺陷等，具體表現(xiàn)如下：

首先，制造缺陷。一般是指瓷件在制造中形成的本身性缺陷，一般由氣孔、裂紋、晶界偏析層面、層狀以及粒狀突兀造成的問題，這類問題主要出現(xiàn)在瓷件內(nèi)部。其次，工藝缺陷。一般是指支柱瓷絕緣子以及瓷套，在相關(guān)維修安裝、維護(hù)過程中導(dǎo)致的缺陷，被稱為工藝缺陷，分為表面碰損、膠狀缺陷、壓力增加導(dǎo)致的裂紋[3]。最后，運(yùn)行缺陷。一般是指設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的一定缺陷，一般現(xiàn)象為內(nèi)部裂紋以及表面裂紋等。

3 對(duì)比試塊

對(duì)比試塊分析，對(duì)加工要求進(jìn)行研究：實(shí)心的瓷棒相關(guān)規(guī)格為φ100×250mm。間斷為90°，深度加工為：1mm、3mm、5mm、7mm的槽，見圖1。

圖1 瓷質(zhì)對(duì)比試塊

相關(guān)鋁合金，對(duì)比試塊一般使用JYZ-BX型試塊，見圖2。

圖2 鋁合金型對(duì)比試塊

4 相控陣檢測結(jié)果與常規(guī)檢測結(jié)果對(duì)比分析

使用超聲波相控陣檢測設(shè)備分別對(duì)瓷質(zhì)進(jìn)行對(duì)比試塊測試，以及對(duì)鋁合金對(duì)比試塊上的機(jī)械刻槽進(jìn)行相關(guān)測試，具體見圖3。

圖3 七檢測瓷質(zhì)與鋁合金對(duì)比試塊

相關(guān)結(jié)果顯示，常規(guī)超聲波A，顯示模式為橫波以及距離坐標(biāo)，相應(yīng)的探頭晶片入射角應(yīng)為固定值數(shù)。檢測的位置，主要位于主聲束范圍內(nèi)靈敏度測試，如果缺陷偏離主聲束的軸線則相關(guān)檢測的靈敏度會(huì)大幅度下降。

如圖4所示，左邊的扇形區(qū)域，應(yīng)為相控陣掃查的成像區(qū)域，右邊為選定入射角對(duì)應(yīng)的A型，水平方向表示與探頭水平距離，垂直方向表示從探測點(diǎn)計(jì)算的深度值。該扇區(qū)中間的紅線表示此方向的主光束角度，可根據(jù)需要調(diào)整該線的角度[4]。

如圖5顯示，此顏色表示波動(dòng)的幅度，中間扇區(qū)左側(cè)的色域用于比較幅值。圖4和圖5分別顯示了瓷塊和鋁合金塊的相模掃描圖像，測試對(duì)象均處于相同深度。兩個(gè)圖像非常相似，因?yàn)榇珊弯X合金的超聲波傳播速度非常接近。鋁合金的聲速約為1m/s，陶瓷的聲速約為1.2m/s。它還表明，鋁合金參考?jí)K可以代替瓷塊用于定性分析。

圖4 資質(zhì)試塊相控陣成像

圖5 瓷質(zhì)試塊與鋁合金相控陣成像