基于超声纵向波的电力杆塔地脚螺栓缺陷无损检测研究

卢胜标

(广西电网有限责任公司玉林供电局,广西 玉林 537000)

1 引言

电力杆塔地脚螺栓是杆塔基础的基本组成部分，在电力传输的过程中发挥着重要作用。电力杆塔由塔身、杆塔基础、接地线、绝缘子以及各类金具组成，在实际投入运行过程中，杆塔各部分所受外力会对由地脚螺栓固定的杆塔基础形成上拔力及下压力，并通过基础传导至大地。然而目前，对于杆塔地脚螺栓缺陷情况的检测仍然是困扰电力企业的一个难题，尚未有较为成熟的方法可对地脚螺栓腐蚀、裂纹等缺陷进行准确检测。因此，研发地脚螺栓无损检测系统对保障电力杆塔稳定以及保证输电线路安全可靠运行具有重要意义。

2 电力杆塔地脚螺栓超声导波传播特性分析

2.1 传播特性

超声导波在杆塔地脚螺栓中传播时，根据一维杆中应力波理论，当地脚螺栓存在内部形变缺陷时，超声导波经过形变界面会产生导波的反射与透射过程。通过检测地脚螺栓内导波波形变化，可以判断地脚螺栓内的缺陷情况。导波反射系数F和透射系数T可由公式(1)表示。

(1)

式中，ρ0C0A为广义波阻抗。C0由材料常数与弹性模E决定。

超声导波在柱状模型的地脚螺栓中传播时，由于所采用的激励源谐波分量的问题会出现频散现象。激励源不同频率的谐波分量在地脚螺栓中传播的相速度不同，所产生的反射、干涉及几何频散的波形也不同，影响检测的准确性。因此为避免超声导波在地脚螺栓中传播时发生频散现象，应根据地脚螺栓材质、几何结构选取适合的激励源与频率，进一步提升检测的精度。此外，在实际超声导波检测过程中，由于激励源的频率通常较高，不能满足一维杆中应力波理论的平面假设，因此应将地脚螺栓视为三维复合柱状波导结构。超声导波在此类结构的传播过程中会出现径向传播不均匀的三维效应。

2.2 评价参数

当超声纵向波在地脚螺栓中传播时，检测到的反射导波包含各类与螺栓材料及内部情况的信息。准确检测反射导波的参数变化可以推测螺栓材料内部的性能与组成结构。常用的超声纵向波评价参数有波速、频率以及波形等。

(1)波速

超声纵向波导波在地脚螺栓中传播时，其波速包含群速度与相速度两个基本概念。群速度定义如公式(2)所示，实际上就是波在螺栓中的实际传播速度；相速度定义为公式(3)所示，指的是等相位点的波速度。在实际的地脚螺栓超声纵向波检测时，通常检测的是群速度变化。群速度与相速度的换算如公式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

式中，k为波数；ω为圆频率；f为导波频率；d为螺栓半径。

(2)频率

由激励源激发的超声导波一般都是由多种频率的余弦波分量叠加而成。由于地脚螺栓的材质不同或是内部存在缝隙、缺陷等原因，会对不同频率的超声导波由不同的吸收作用，因此可将地脚螺栓视为具有频率滤波器功能的介质。超声导波在地脚螺栓中的实际传播过程中，主频会随着传播距离以及地脚螺栓的滤波器性质而下降。通过测量超声纵向波通过地脚螺栓后主频的变化，可以推断出地脚螺栓的材料以及内部的缺陷情况。

(3)波形

超声导波在地脚螺栓的传播过程较为复杂，当导波在螺栓中碰到缺陷或缝隙等情况时，会发生导波的反射、折射、透射、频散等现象，并且反射折射导波在碰到内壁时会发生二次折射，导致换能器接收到的回波导波频率、相位复杂多变。因此，观察研究超声导波的波形变化有助于推断地脚螺栓内部结构的变化，但由于波形变化多数情况下十分复杂，所以识别波形中所蕴涵的信息也比较困难。

3 电力杆塔地脚螺栓超声导波检测装置设计

为实现对电力杆塔地脚螺栓的超声纵向波缺陷检测，需设计无损缺陷检测系统。无损检测系统具备两个基本组成部分，分别为信号激励部分以及信号接收部分，硬件设计如图1所示。

图1 检测系统硬件设计

信号激励部分能够通过键盘控制产生不同频率、不同幅度以及相位的激励信号，并且可控制多路信号的相位和延时激励时间；信号接收部分可实时采集地脚螺栓中回传的超声纵向波信号，并且存储在存储器中，通过RJ45口或无线通信方式传输至电脑端，通过电脑对波形进行相关处理。

信号激励部分包括信号发生器、数字移相器、数模转换器、调理电路以及阵列式激励传感器五个模块。信号发生器模块采用MAX038等专用信号发生芯片作为主芯片，可调制产生激励信号源，并通过数字移相器进行相位控制以满足超声纵向波激励所需要求。数模转换器采用高速双通AD9767芯片作为主芯片，实现将激励源数字信号转换为模拟信号的功能，模块原理图如图2所示。

图2 数模转换模块

AD9767输出的模拟信号首先通过低通滤波滤除高频噪声信号，然后通过两级运放将芯片输出的电流信号转换为-5V～+5V的电压信号，为后续的调理电路提供电压参考。调理电路的主要功能是稳定方法模拟电压信号，使其能够驱动激励传感器，因此调理电路的主芯片使用高性能AD847放大芯片以满足需求。经过数模转换并放大的激励源信号最终输入到阵列式激励传感器中，在地脚螺栓中激发超声纵向导波。

信号接收部分包括接收传感器、前置放大器、模数转换器以及存储器四个模块。由接收传感器检测到的导波信号电压幅值较小，无法满足模数转换的芯片要求，所以需要设置前置放大器对电压信号放大10倍。前置放大模块的核心芯片同样采用AD847，能够避免从元器件上产生的干扰，保证电路具有较高的性能。模数转换过程实际上是数模转换的逆过程，转换芯片采用AD9627双通道AD芯片，模拟信号需经运放放大后再输入到AD芯片中，最后输入到存储器中。为满足检测信号数据采集的高速存储、高度读取以及大量缓存的需求，可采用DDR3规格的内存条作为存储器。最后，存储器中的数据可通过以太网通信传输至PC端进行后续的处理工作。

4 电力杆塔地脚螺栓检测结果分析

论文选取适当的激励信号，对电力杆塔地脚螺栓模型桩进行测试，设置腐蚀缺陷在模型桩的1/3处。为降低测试过程中导波信号的频散程度，本文采用频带更窄且能量更为集中的传感器来激发与接收信号，激励源的频率选择为低频100kVHz，高频1MHz[4]，并且应用入射波的峰值对检测波形进行归一化处理，使用滤波器对检测波形进行滤波处理。超声纵波在地脚螺栓传播过程中，由入射端传播到尾端并反弹到入射端被传感器接收的导波信号为底端回波；由入射点传播到缺陷处后反弹至入射端被传感器接收的导波信号为缺陷回波。

未设置缺陷地脚螺栓的波形如图3所示，可以较为明显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声纵向波在螺栓中的频散特性，幅值衰减严重。在地脚螺栓1/3处设置缺陷的检测波形图如图4所示，可以看出，超声纵向波在缺陷处发生反射导致缺陷回波的出现。缺陷回波的时间与幅值与缺陷的距离以及类型有关，由此可以计算地脚螺栓缺陷的情况。

图3 无缺陷地脚螺栓检测波形

图4 1/3处设置缺陷的地脚螺栓检测波形

5 结论

本文设计了基于超声纵向波的电力杆塔地脚螺栓缺陷无损检测系统，在分析超声纵向导波在螺栓传播特性的基础上，对地脚螺栓无损检测系统的两个部分：信号激励部分以及信号接收部分进行了硬件详细设计，并且将所设计的检测系统应用于地脚螺栓的缺陷检测之中。最后，对地脚螺栓模型桩的测试效果显示，所设计检测系统可以较好地激励并检测超声纵向波与回波，从而达到检测螺栓内部缺陷的目的。