碳纤维复合材料导线X射线无损检测技术开发及应用

王永伟，朱波，曹伟伟，雍建华，徐志伟

（1.山东大学材料科学与工程学院，碳纤维工程技术研究中心，济南 250061 ；2.天津工业大学材料科学与工程学院，天津 300160 ； 3.中国能源建设集团，南京电力金具设计研究院，南京 210037）

碳纤维复合材料导线X射线无损检测技术开发及应用

王永伟1，朱波1，曹伟伟2，雍建华3，徐志伟3

（1.山东大学材料科学与工程学院，碳纤维工程技术研究中心，济南 250061 ；2.天津工业大学材料科学与工程学院，天津 300160 ； 3.中国能源建设集团，南京电力金具设计研究院，南京 210037）

碳纤维复合材料导线以其优异的性能近年来在国内获得广泛应用。施工过程中由于人员对碳纤维复合材料导线的特性认识不深、操作不当，可能会使其内部芯棒受损，且导线受损后因铝层包覆而不易发现。采用 X 射线无损检测技术对导线进行检测，获得清晰的铝层内部芯棒图片，进而判断导线损伤情况，可为导线安全施工及线路检修提供重要参考依据。

碳纤维导线；X 射线；无损检测

近年来，碳纤维导线因具有质轻、强度高、低弧垂、倍容输电、耐腐蚀、损耗小、使用寿命长等优异性能而得到广泛应用。自 2013 年碳纤维芯棒国家标准出台以来，国家电网陆续发布 3 批近 6 000 km 碳纤维导线集中招标釆购，涉及全国各省市，为碳纤维导线的发展提供了巨大的发展空间。碳纤维导线铺设施工过程中，碳纤维导线芯棒易遭受损伤，并且因外面铝层的包覆，有些损伤不易通过肉眼进行辨别，如果导线带伤挂网，在使用过程中其受损部位会逐步扩散直至断裂，造成经济损失。因此需要行之有效的检测方法来及时评测导线是否受损。

无损检测技术可在不剥离外层铝导体的情况下获得其内部芯棒外貌、结构等信息，进而有效评判导线是否受损，预估导线使用寿命。笔者利用X射线无损检测技术获得清晰的芯棒图片，可直观有效地观察芯棒受损情况，设备轻便，快捷，配备移动电源，成像快，适合野外作业施工。

1 X射线无损检测原理

发射器激发出X射线贯穿被检物体，X射线与物质相互作用，强度逐渐减小。当X射线经过不同厚度、不同材质的材料时，其强度减弱程度不同。工件中的缺陷都会引起工件厚度和材质的局部改变，因此测量和显示穿透射线的强度及分布，即可发现和判别缺陷的位置、大小和数量等信息。X射线无损检测现已广泛应用于国防、农业、冶金、石油、电力、汽车零部件及轻工、电子等行业［1-4］，在电力输送绝缘子检测评估中也有所建树［5］。

X射线无损检测按成像方式主要分为常规胶片射线成像和数字射线检测成像。

（1）釆用辐射探测器代替胶片完成射线信号的探测和转换。胶片射线照相检验技术原理见图1。

图1 常规胶片射线照相检验技术原理图

（2）釆用图像数字化技术，获得数字检测图像。由此产生了数字射线检测技术的技术环节、技术控制上不同于常规胶片射线照相检验技术的差异。数字射线检测技术原理见图2,。

图2 数字射线检测技术原理图

2 检测设备

按设备体积和测试物件检测设备主要分为高能工业 CT、平面 CT、移动式 X 射线成像机和便携式 X 射线成像机。前 3种设备成像效果好，能清晰地观测到样品缺陷情况，但设备本身比较庞大和笨重，移动不方便，还需要配备标准电源供电，同时会产生大量的辐射，需要特殊防护，不宜长期使用［6］。针对导线架线施工现场情况，需要选择便携可充电式的检测设备，方便操作并及时地获得现场情况。

图3 高清晰型便携式X光机

本实验选用的特种X光机具有极高的灵敏度，其X射线剂量非常低，可以保证操作者的身体安全。该机具有视频输出功能，可以利用监视器直接观察图像，也可以通过 USB 接口利用电脑釆集、观测、存储、查询图像，显著地减小了对操作人员的辐射伤害。

3 检测图像

碳纤维导线内部主要受损情况为芯棒受过度挤压、扭转、横向剪切力和冲击而造成的裂纹、崩断、变形、暗痕等破坏，主要由误操作造成，例如金具的压接过度，放线不当产生的弯折、扭曲，导线在施工过程中遭受碾压或横向剪切力。这些较为明显的破坏形式直接导致芯棒强度的不合格，在导线架线之前务必提前发现并予以解决，以免挂网应用后导致经济损失。

碳纤维导线芯棒密度仅为 1.6 g／cm3，碳纤维对X射线具有很好的穿透效果，但与铝丝对比度不高，且铝层相对较厚，因此芯棒因铝导线阻隔而形成的图像并不十分明显，即使在高强度X射线照射下，也仅能看到较为暗淡的影子，无法直接清晰地观测到铝层内部情况（如图4 所示），仅可以模糊地观测到明显断层的地方（如图5 所示）。

图4 碳纤维导线高强度X射线检测图像

图5 碳纤维导线断裂处检测图像

便携式 X 光机体积小巧，便于携带，但输出功率略低，强度小，因此其捕捉的图片有些模糊［7］，需要将芯棒进行特殊处理。针对此问题，笔者在芯棒生产过程中选用高强树脂配合特殊显影剂来增加成像效果，使芯棒的破损处在 X 射线下显现出来，如图6所示。经过处理后的芯棒也可在X射线下于内外衬管中显示出影像，便于分析金具压接过程中是否对芯棒造成损伤。在长期使用过程中，导线最容易失效的部位是芯棒与金具接触处，亦即外衬管内楔接金具压接芯棒处，因此在线路检修中亦可通过此方式进行评估（如图7 所示）。

图6 便携式X光机对显影增强前后芯棒检测图像

图7 便携式X光机对内外衬管中芯棒检测图像

4 结语

便携式 X 光机小巧，配备充电电源，携带方便，可进行远距离信号传输，辐射剂量小，人员使用安全。仪器本身功率偏小，会减小芯棒的显像效果，通过对其进行特殊显影增强，可有效实现对导线及外衬管内部芯棒的检测以及导线使用寿命的预测评估。

随着碳纤维导线的推广，无损检测技术对其普及将起到越来越大的推动作用。未来X射线检测的发展，将着重于在线实时无损检测［8］，自动化，连续化，影像增强［9］及信号远程传输等方面的进一步拓展。

［1］ 韩平，潘立刚，马智宏，等 . X 射线无损检测技术在农产品品质评价中的应用［J］.农机化研究，2009(10): 6-10.

［2］ 殷晓辉，韩晓微，高原，等 .焊接缺陷 X 射线自动检测技术研究现状［J］.电焊机，2007，37(11): 28-31.

［3］ 周贤，刘义伦 .炭素制品缺陷 X 射线自动检测关键技术研究［J］.光学精密工程，2006，14(3): 503-508.

［4］ 周正干，赵胜，安振刚 .航空发动机叶片成像自动检测技术研究［J］.机械工程学报，2005，41(4): 129-134.

［5］ 闫文斌，王达达，李卫国，等 . X 射线对复合绝缘子内部缺陷的透照检测和诊断［J］.高压电器，2012，48(10): 58-66.

［6］ 汪卫卫，夏道有 .工业 X 射线探伤的辐射防护及其管理［J］.工程技术，2010(12): 113.

［7］ 朱亚明，陈红霞 . X 射线强度对无损检测质量的影响［J］.重庆科技学院学报：自然科学版，2013，15(3): 167-168.

［8］ 荆峰 . X 射线数字化实时成像系统在无损检测中的应用［J］.无损探伤，2004，28(3): 37-40.

［9］ 喻春雨，常本康，富容国 .新型组合式 X 射线影像增强器［J］.光谱学与光谱分析，2007，27(3): 610-613.

Development and Application of Non-Destructive Testing Technology on ACCC

Wang Yongwei1, Zhu Bo1, Cao Weiwei2, Yong Jianhua3, Xu Zhiwei3
(1. Carbon Fiber Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China ；2. School of Materials Science and Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160, China ；
3. China Energy Engineering Group Co. Ltd., Nanjing Power Fittings Design and Research Institute, Nanjing 210037, China)

Aluminum carbon fi ber composite core has been widely used in China. The core may be destroyed for misoperation by workers if they know little about this new cable. The damage will not be easily found for the aluminum lamellar outside. In this paper, a kind of non-destructive testing manner was introduced to fi nd the damage of core inside and pictures could be obtained. This technology can help safety construction of ACCC and offer reference frame for line repair.

ACCC; X-ray; non-destructive testing

TM755

A

1008-6145(2014)05-0072-03

联系人：王永伟；E-mail: wyw0071984@163.com

2014-08-28

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.05.024