利用超声横波上扩散角检测瓷绝缘柱表面缺陷

高延忠,宋绍河,党　虎,屈东东

(1.西安热工研究院有限公司， 西安 710054;2.北京中唐电工程咨询有限公司, 北京 100040)



利用超声横波上扩散角检测瓷绝缘柱表面缺陷

高延忠1,宋绍河2,党虎1,屈东东1

(1.西安热工研究院有限公司， 西安 710054;2.北京中唐电工程咨询有限公司, 北京 100040)

摘要：利用超声横波在瓷绝缘柱中折射角为75°84°的上扩散角检测瓷绝缘柱表面缺陷，克服了常规用爬波探头灵敏度低的弊端；对超声波探头角度、尺寸、接线柱位置以及瓷绝缘柱试块进行了相应设计，为瓷绝缘柱的检测提供了检测方法和判伤依据 。

关键词：超声横波；上扩散角；表面缺陷

瓷绝缘柱在变电站中起到重要作用，由于瓷绝缘柱大部分暴露在室外，并长期在风、雨、雪、霜等恶劣条件下运行，经受酷暑、严寒的考验。由于瓷绝缘柱两头用粘接件固定在铸钢座内,此三种材料膨胀系数相差较大，在剧烈膨胀或收缩时瓷绝缘柱受力较大，加之开合刀闸时瓷绝缘柱承受的扭力较大，因而运行中易使浇装部位外表面发生裂纹；而且,瓷绝缘柱在加工和烧制过程中，若控制不当又会造成生烧或产生内部缺陷。另外,许多变电站瓷绝缘柱老化严重；其本身属脆性材料，塑性值几乎等于零，因而裂纹产生后即使承受的扭力较小,也足以使瓷绝缘柱发生断裂，酿成重大事故。因而,加强对瓷绝缘柱的检验势在必行。图1是某瓷绝缘柱在运行中出现断裂的图片。

图1　瓷绝缘柱断裂图片

国内对瓷绝缘柱探伤采用的检测方法是:使用爬波探头检测近表面缺陷；使用小角度纵波检测内部缺陷。

笔者对采用常规爬波探头检测近表面缺陷存在的问题进行了分析，提出了利用超声横波在瓷绝缘柱中折射角为75°84°的上扩散角检测瓷绝缘柱表面缺陷的方法，并对超声波探头角度、尺寸、接线柱位置以及瓷绝缘柱试块进行了相应设计，满足了实际检测需求。

1采用爬波探头检测近表面缺陷存在的问题

用爬波探头在试块上扫查深510 mm刻槽，当波幅高度达到最高后，前后移动探头波幅很快消失(范围510 mm)，这说明爬波检测的效果很不显著，表明爬波能量较弱，实际是利用了横波部分(爬波探头钢中横波折射角27°左右);而工件近表面的缺陷仍然得不到检测，检测范围受到了很大影响。而瓷绝缘柱绝大部分是人工加工而成，其表面成型很不规范，有的会出现凹凸不平;而有些高压支柱瓷绝缘子,在外表面周圈粘了砂子;这都给检测带来了困难。由于爬波探头选用了尺寸较大(长×宽为30 mm×12 mm)的双晶型探头，瓷绝缘支柱直径在φ(80250) mm间，故需对每种规格瓷绝缘柱配备一个探头，给检测人员带来了不便，且过大的探头尺寸会使表面耦合不良而降低检测灵敏度。即使同一种规格的瓷绝缘柱其尺寸和表面也有差异，而每种规格瓷绝缘柱配备一种探头，不仅会给用户增加开支,也给检测人员带来了不便。

2探头的研制

采用大K值探头横波上扩散角声束检测近表面缺陷的理论依据：超声波在工件中传播时并非呈一直线，而是波束为一椭圆锥，主波束上下分为上、下扩散角，且上扩散角大于下扩散角。图2,3是电力出版社出版的《超声波探伤》[1]一书中介绍的有关矩形和圆形压电晶片2.5 HMz，折射角为60°时上、下扩散角经推算和实测得出的角度。

图2　矩形压电晶片(斜探头)辐射的声场特性

图3　圆盘形压电晶片(斜探头)辐射的声场特性

图4　探头设计原理

图2，3中，声源频率均为2 MHz。由图2可看出,矩形压电晶片12mm×12mm(长×宽)的上扩散角θ1为12°40′，图3中φ12 mm圆形晶片的上扩散角θ-1为16°50′。众所周知，产生表面波的条件是横波折射角为90°，而笔者设计的探头折射角在90°以下仍属横波范围。故如将探头折射角主声束控制在75°84°间，此角度加上上扩散角12°40′或16°50′得到的和已接近或大于90°(见图4)，这样不需利用横波主波束，而利用上扩散角仍可满足检测表面或近表面缺陷的要求。只是此时波束不成线性关系，但仍具备横波检测缺陷的能力。即,只需稍提高检测灵敏度就可检测瓷绝缘柱表面和近表面缺陷。

考虑到有时有效检测面较小，如遇到窄间隙的工件，则探头前后移动的距离会小，故将压电晶片尺寸设计为7 mm×7 mm。为了方便手持探头,探头高度选定在2530 mm间,且连线插座设置在探头上面，探头外壳采用合金铝或塑料制成。外壳尺寸选择在8 mm×8 mm，图5是探头实样。

图5　探头实物图片

3试块的研制

试块的材料选用与瓷绝缘柱声速相近的铝合金，图6为试块加工尺寸图。

图6　试块加工尺寸图

采用探头K2.8在试块上不同距离处进行线切割槽测试,图7是探头距40.3 mm处的线切割槽的检测波形图。

图7　探头距40.3 mm处的线切割槽的检测波形

4仪器

仪器采用数字机或模拟A型脉冲式探伤仪均可；使用研制的瓷绝缘柱探头,采用常规横波探头测试方法在研制的试块上测出探头前沿、探头K值；利用试块上φ1 mm×6 mm(孔径×孔深)孔调出扫描速度；利用试块上0.3 mm×1 mm线切割槽绘制距离-波幅曲线，测试探头发现缺陷的能力。

5实际检测

为验证探头的实际检测能力,首先检测带粘砂的废瓷绝缘柱上三个深均为2 mm，距探测面分别为8,50,65 mm的刻槽(见图8)，可见,3个部位的槽均能有较强的反射波(见图9)。

图8　不同距离人工切槽试块

图9　人工切槽试块的反射波形

6现场应用

利用研制的探头和试块在现场检测了上千只瓷绝缘柱，在甘肃某330 kV变电站检出了一只有裂纹的瓷绝缘柱(见图10)，在井冈山电厂检出了3只开裂的瓷绝缘柱(见图11)。

图10　兰州供电局变电站某瓷绝缘柱裂纹

图11　井冈山电厂某瓷绝缘柱裂纹

7结论

采用大值上扩散角声束检测近表面缺陷的方法在理论上是成立的,探头和试块的设计是合理的;该方法可行并具有广泛推广价值。

参考文献：

[1]《超声波探伤》编写组.超声波探伤[M].北京:水利电力出版社1985.

Inspection of the Surface Defect in Porcelain Insulation Column by Using Upper Dispersion Angle of Ultrasonic Shear Wave

GAO Yan-zhong1, SONG Shao-he2, DANG Hu1, QU Dong-dong1

(1.Xi′an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi′an 710054, China;2.Beijing Zhongtangdian Engineering Consulting Co., Ltd., Beijing 100040, China)

Abstract：The surface defect in porcelain insulation column is detected by the upper diffusion angle of 75°～84°of ultrasonic shear wave in the porcelain insulation column. This method can overcome the low sensitivity of probe. The article describes the design of both angle and size of ultrasonic probe, wiring terminal position, and test block of porcelain insulation column, which provides a method for the detection and a basis for defect judge of porcelain insulation column.

Key words:Ultrasonic shear wave; Upper dispersion angle; Surface defect

中图分类号：TG115.28

文献标志码：A

文章编号：1000-6656(2016)04-0019-03

DOI:10.11973/wsjc201604005

作者简介：高延忠(1982-),男,工程师,学士,主要从事电站锅炉、汽轮机、压力容器的金属监督检验工作。通信作者：宋绍河，男，高级工程师，E-mail: ssh19460418@126.com。

收稿日期：2015-08-24