王志，王紅梅，陶勇，林雪松，蔡志強

(1.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗所，四川成都610072; 2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川成都610041;3.國網(wǎng)德陽供電公司，四川德陽618000)

變電站銅鋁過渡線夾超聲相控陣檢測工藝及應用

王志1，王紅梅2，陶勇3，林雪松1，蔡志強1

(1.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗所，四川成都610072; 2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川成都610041;3.國網(wǎng)德陽供電公司，四川德陽618000)

針對國家和行業(yè)均無銅鋁過渡線夾焊縫檢測相關(guān)標準的問題進行了研究，尋找到并確定了變電站銅鋁過渡線夾超聲相控陣檢測工藝，通過現(xiàn)場應用可以有效地檢出銅鋁過渡線夾焊縫的缺陷。

變電站;銅鋁過渡線夾;超聲相控陣;檢測工藝;應用;焊縫

0 概述

銅鋁過渡線夾是變電站重要連接部件，在變電站應用廣泛，由于變電站早期設備出線端子多為銅材，而輸電線往往是鋁，為了避免電化學腐蝕，通常采用銅鋁過渡線夾來避免兩種材料之間連接的電化學腐蝕，銅鋁過渡線夾的結(jié)構(gòu)形式主要有閃光對接焊、摩擦對接焊、釬焊和爆炸焊4種對接型式。

近年來，國家電網(wǎng)公司發(fā)生多起電力設備銅鋁過渡線夾斷裂事故，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成了相當大的影響。據(jù)某集團公司2000年至2007年的不完全統(tǒng)計，發(fā)生設備線夾斷裂事故16次，造成設備停電故障7次。已發(fā)生的16次線夾斷裂，除1次為鑄鋁線夾外，其余均為銅鋁過渡線夾，并且都是采用銅鋁對焊方式，斷裂部位基本都在銅鋁結(jié)合部位。2006年江西省電力公司在昌東變電站220 kV線夾斷裂，引線掉落引起220 kV母差保護動作，造成多個220 kV變電站母線或主變壓器失壓，南昌地區(qū)損失負荷133.4 MW，占比8.2%;南昌用戶停電7.5萬戶，占比4.27%，造成了極大的社會影響。

銅鋁過渡設備線夾在變電站廣泛應用，據(jù)統(tǒng)計，四川省內(nèi)變電站在役釬焊和爆炸焊對接型式線夾銅鋁過渡線夾約為5萬個，閃光焊對接型式線夾總數(shù)量約為5萬個。涉及面廣，短期內(nèi)無法全面進行更換。對銅鋁過渡線夾無損檢測技術(shù)進行研究，尋找銅鋁過渡線夾有效的無損檢測方法，從而保證電網(wǎng)的安全運行，勢在必行。

從國家電網(wǎng)和四川電網(wǎng)在役銅鋁過渡線夾斷裂情況來看，發(fā)生斷裂的銅鋁過渡線夾主要是閃光焊對接型式線夾。經(jīng)對斷裂線夾相關(guān)失效分析，發(fā)現(xiàn)銅鋁過渡線夾斷裂主要是焊縫存在焊接缺陷，在外力和焊縫焊接應力的作用下，焊縫缺陷不斷擴展，最終導致線夾斷裂。因此要防止線夾斷裂，重點是對該類線夾焊縫缺陷的檢測。

當前，國家和行業(yè)均無銅鋁過渡線夾焊縫檢測的相關(guān)標準，也沒有現(xiàn)成的檢測方法可以借鑒。于是開展了大量工作，對滲透(PT)技術(shù)、聲縱波法、橫波法、表面波法、爬波法、導波法等多種方法進行了深入的試驗和研究，最終確定采用超聲相控陣檢測技術(shù)和工藝，可以有效地檢測出銅鋁過渡線夾焊縫的缺陷。

1 超聲相控陣波檢測技術(shù)

超聲相控陣技術(shù)采用了全新的發(fā)射與接收超聲波的方法，通過控制換能器陣列中各陣元的激勵(或接收)脈沖的時間延遲，改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(或來自)物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系，實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化，完成聲成像的技術(shù)。

波束聚焦是通過軟件控制每一個晶片的觸發(fā)時間，使波前在指定位置疊加實現(xiàn)的。焦點取決于所用晶片的大小和數(shù)量以及晶片的激發(fā)頻率，如圖1所示。

圖1 波束聚焦

波束的偏轉(zhuǎn)是通過軟件控制每一個晶片激發(fā)的延時使波陣面沿特定角度傳播來實現(xiàn)的，如圖2所示。

圖2 波束的偏轉(zhuǎn)

超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，然后逐次按預先規(guī)定的延遲時間激發(fā)各個晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束(波陣面)的形狀和方向，能實現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。它為確定不連續(xù)性的形狀、大小和方向提供出比單個或多個探頭系統(tǒng)更大的能力。

超聲相控陣檢測技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器產(chǎn)生和接收超聲波束，通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的不同延遲時間，改變聲波到達(或來自)物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系，實現(xiàn)焦點和聲束方向的變化，從而實現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。然后采用機械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來實現(xiàn)圖像成像。

2 銅鋁過渡線夾超聲相控陣檢測工藝

2.1 超聲相控陣探傷儀的選擇

由于中國現(xiàn)無超聲相控陣探傷儀的相關(guān)技術(shù)標準，設備選擇時可參考ASTM E2491《評估性能特征的相控接收陣列超聲波檢驗儀器和系統(tǒng)的標準指南》的相關(guān)技術(shù)要求外，還應滿足以下要求:

1)功能強大。內(nèi)置聚集法則計算器，可根據(jù)工件需求自由選擇聚集方式，如深度/聲程/投影面/任意面聚集，可實現(xiàn)線性/扇形等多種掃查方式。配備高亮高分辨率彩色液晶觸摸屏，在可圖像化同時顯示多種掃查方式的檢測結(jié)果之外，既能保證檢測結(jié)果的可靠性，又方便監(jiān)控、存檔與作進一步的缺陷分析。

2)高性能指標。相控陣探傷儀具有多通道，通道達到32/128，兼具雙獨立通道高性能TOFD和常規(guī)超聲波檢測功能;負方波發(fā)射脈沖，脈寬精度達到2.5 ns，脈沖重復頻率達20 kHz;儀器帶寬0.5～15 MHz，可兼容多種頻率的相控陣探頭。

3)完善的數(shù)據(jù)處理能力。實時數(shù)據(jù)采集，在線或離線進行數(shù)據(jù)分析;支持不少于1 024個聚集法則，能滿足高速掃查，避免漏檢;數(shù)據(jù)存儲可選擇SD卡可外接USB設備;檢測報告可在儀器上直接生成。

4)測量更為精確?？蓪γ總€聲速進行延遲、靈敏度及TCG校準。

2.2 超聲相控陣探頭的選擇

探頭的性能參數(shù)滿足JB/T 11731－2013《無損檢測超聲相控陣探頭通用技術(shù)條件》，針對銅鋁過渡線夾宜選擇自聚焦探頭，探頭頻率為7.5 MHz，陣元數(shù)為16，陣元中心距離為0.5，陣元長度為10。

2.3 超聲相控陣試塊的選擇

選擇為本項設計的超聲相控陣試塊TLXJ－1金屬試塊(如圖3所示)和對比試塊。

超聲相控陣試塊TLXJ－1金屬試塊主要用于探傷設備、探頭靈敏度的測試。主要測試設備、探頭能否有效地檢測出TLXJ－1加工的孔，檢測出來的孔的位置參數(shù)與TLXJ－1金屬試塊已知位置的參數(shù)誤差能否滿足超聲相控陣無損檢測的要求，TLXJ－1加工的孔的圖像是否清晰，分辨率是否滿足要求。

超聲相控陣對比試塊是用在役的銅鋁過渡線夾加工制作的，其聲學性能與實際線夾的一致的，對比試塊的相關(guān)特性代表了實際工件，除表面補償外不再進行相關(guān)聲學性能的補償。通過對比試塊上的人工缺陷(加工的孔和槽)的調(diào)校，確定在役的銅鋁過渡線夾超聲相控陣無損檢測的探傷靈敏度。

2.4 超聲相控陣耦合劑的選擇

宜選用粘度較大的、對銅鋁線夾不存在腐蝕的耦合劑，如漿糊、機油等。

2.5 超聲相控陣探傷前的準備工作

2.5.1 宏觀檢查

為節(jié)約資源，在對在役的銅鋁過渡線夾進行超聲相控陣探傷前，首先進行宏觀檢查，按照銅鋁過渡線夾相關(guān)標準的要求，發(fā)現(xiàn)超過標準要求的不合格銅鋁過渡線夾(如線夾表面裂紋、機械損傷超、線夾焊縫裂紋、表面開孔的氣孔、表面夾渣、焊縫錯邊超標等)應進行更換，不再進行超聲相控陣探傷檢測。

2.5.2 檢測面的選擇和準備

通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，由于在役的銅鋁過渡線夾鋁基體是鑄鋁，鑄造缺陷較多，鋁晶粒較大，使得聲速發(fā)現(xiàn)畸變，因此主要在線夾銅側(cè)進行線夾焊縫探傷。

為保證檢測面具有良好的聲耦合，要去除線夾表面氧化層，毛刺、油污、焊接飛濺，準備好的檢測對象要再次進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)超標缺陷的線夾要進行更換，不再進行超聲相控陣探傷檢測。

2.6 超聲相控陣無損檢測

2.6.1 探頭和儀器靈敏度校準

采用TLXJ－1金屬試塊，根據(jù)所采用探頭和楔塊的種類，在儀器中輸入相關(guān)參數(shù)，選擇適當?shù)木劢狗▌t，對準已知的孔，已知標準孔的位置、尺寸、大小能否在超聲相控陣設備上完整反映。在最大檢測位置探頭和儀器組合靈敏度余量不小于10 dB，探頭和儀器組合分辨率不小于10 dB，如圖3和圖4所示。

圖3 縱波超聲相控陣探頭和儀器靈敏度的測試校準圖

圖4 橫波超聲相控陣探頭和儀器靈敏度的測試校準圖

2.6.2 檢測靈敏度調(diào)校

根據(jù)聚焦法則，在儀器上輸入工件相關(guān)參數(shù)，利用加工的銅鋁線夾的對比試塊進行調(diào)校，根據(jù)工件厚度，對聲速進行修正。

根據(jù)工件厚度選擇銅鋁線夾的對比試塊，對準對比試塊加工的1 mm人工切槽，將對比試塊上檢測最大聲程處深的1 mm人工切槽最大反射波，調(diào)整至A掃描顯示滿幅波高的80%，作為基準靈敏度，再增益6 dB作為檢測靈敏度，根據(jù)工件表面狀況，可對表面進行0～3 dB的表面補償。

2.6.3 銅鋁過渡線夾超聲相控陣檢測

根據(jù)選擇的設備、儀器、探頭及設備調(diào)校后，對銅鋁過渡線夾進行超聲相控陣檢測。

2.7 缺陷測量

1)缺陷測長:缺陷長度一般用端點半波高度法測定，即根據(jù)探頭沿焊縫長度方向移動時，由缺陷左右兩端的最大波幅降低一半時的移動距離確定。

2)缺陷測高:缺陷高度可依據(jù)S掃描或B掃描圖像，用6 dB降落法測定。首先找到缺陷的最高波，調(diào)至基準波高(80%)，然后改變探頭角度，找到一半波高位置(40%)，并通過測量線進行測量。

2.8 焊縫缺陷評定

1)危害性缺陷如裂紋、未熔合缺陷不允許，一律判為廢品。

2)非危害性缺陷如焊縫內(nèi)容或表面夾渣、氣孔等，單個缺陷直徑Φ≥2 mm，不允許。單個缺陷直徑Φ＜2 mm，但缺陷長度≥5 mm不允許。焊縫中多個缺陷，其間距小于缺陷本身的尺寸，按同一缺陷進行評定，即缺陷長度是缺陷本身長度和間距之和。

2.9 檢測記錄和報告

檢測記錄:記錄的目的是為工件無損檢測質(zhì)量評定(編發(fā)檢測報告)提供書面的依據(jù)，并提供質(zhì)量追蹤所需的原始資料。記錄的內(nèi)容應盡可能全面。主要包括檢測設備信息、工件信息、檢測缺陷信息。

檢測報告:檢測報告可采用表格或文字敘述的形式。其內(nèi)容至少應包括被檢工件名稱及細節(jié)、掃查面和表面狀態(tài)、圖號及編號、檢測規(guī)程的編號、相控陣超聲儀器細節(jié)、相控陣探頭細節(jié)(①探頭陣元數(shù);②頻率;③陣元間距;④焦距)、楔塊細節(jié)(①聲速;②入射角;③幾何尺寸)、虛擬窗孔的使用(即使用的陣元數(shù)和陣元寬度)、聚焦法則使用的陣元數(shù)及設置細節(jié)、儀器調(diào)整方法及細節(jié)、驗收標準，超標缺陷的位置、尺寸、評定結(jié)論、操作者姓名及檢測日期等。報告中最重要的部分評定結(jié)論，需根據(jù)顯示信號的情況和驗收標準的規(guī)定進行評判。若出現(xiàn)難以判別的異常情況，應在報告中注明并提請有關(guān)部門處理。

3 應用

根據(jù)所研究的銅鋁過渡線夾超聲相控陣檢測工藝，對銅鋁過渡線夾進行了超聲相控陣檢測，具有較好的檢測效果。

3.1 模擬缺陷檢測

取銅鋁過渡線夾實物，根據(jù)銅鋁過渡線夾不同厚度加工了一系列對比試塊，在對比試塊上了加工了不同類型的、不同位置的缺陷來模擬實際缺陷，通過超聲相控陣技術(shù)，可以很好地檢出模擬缺陷，見圖5和圖6所示。

圖5 對比試塊(T1502081)上的模擬缺陷

圖5是編號為T1502081對比試塊，在對比試塊上加工了模擬銅鋁線夾的內(nèi)容缺陷的孔和表面缺陷的槽。

圖6 對比試塊(T1502081)上的模擬缺陷超聲相控陣檢測截圖

T1502081試塊上加工的孔和槽可以從S掃和C掃上清晰地分辨。且可以從S掃和C掃上精確地測量試塊上孔和槽尺寸。通過測量，模擬缺陷位置、缺陷尺寸誤差在0.1 mm左右。

3.2 現(xiàn)場應用

通過對數(shù)個變電站所使用銅鋁過渡線夾進行檢測，發(fā)現(xiàn)了大量的缺陷。圖7為其中一個銅鋁過渡線夾現(xiàn)場檢測情況截圖。

圖7 現(xiàn)場實際檢測截圖

該銅鋁過渡線夾用在某變電站隔離開關(guān)支柱絕緣子上，其厚度為6 mm。通過檢測發(fā)現(xiàn)在工件深約2.3 mm處有一個長約8 mm缺陷，缺陷幅值為27.0 dB。根據(jù)所研究的“變電站銅鋁過渡線夾超聲相控陣檢測工藝”中質(zhì)量標準，該缺陷超標，變電站對該銅鋁過渡線夾進行了更換。

4 結(jié)論

根據(jù)對比試塊的模擬檢測和現(xiàn)場實際應用檢測，所制定的變電站銅鋁過渡線夾超聲相控陣檢測工藝符合工程實際，可以有效地檢測出變電站銅鋁過渡線夾焊縫中缺陷，從而保證電網(wǎng)的安全。

［1］鐘相源.變電站銅鋁過渡設備線夾斷裂分析［J］.中國電力，2010，43(12):27－30.

［2］鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京:中國勞動社會保障出版社，2008.

Because there is no related national and industrial standards for welds inspection of copper to aluminum terminal connector，the detection technology of ultrasonic phased array for copper to aluminum terminal connector of substation is determined，which can effectively detect the weld defects of copper to aluminum terminal connector by field application.

substation;copper to aluminum terminal connector;ultrasonic phased array;detection technology;application; welds

TM85

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2015－07－31)