弋 楠

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽，712000）

支柱瓷絕緣子的爬波檢測方法研究

弋 楠

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽，712000）

在檢測方法研究中針對絕緣子及瓷套缺陷產(chǎn)生的特點設(shè)計多種探傷方式，國內(nèi)外現(xiàn)有的檢測方法使用超聲波檢測未得到推廣。而其他檢測方法因為檢測環(huán)境的限制，對在役使用的絕緣子檢測結(jié)果偏差較大。結(jié)果表明，支柱瓷絕緣子在超聲波探傷時選擇爬波探頭對法蘭口裂紋的檢測非常有效。

支柱瓷絕緣子；瓷套；爬波；折射角；距離波幅曲線

0 引言

自1978年改革開放以來，國民經(jīng)濟進入一個高速穩(wěn)定的發(fā)展時期。電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，也以較快的速度穩(wěn)步增長，到了20世紀(jì)90年代末，我國的電力工業(yè)進入了一個高速發(fā)展的時期，根據(jù)規(guī)劃，到了2020年，將達(dá)到10-12億KW。由此可見，保障電網(wǎng)的安全對于電壓等級不斷提高、規(guī)模和容量持續(xù)增大的電力系統(tǒng)和國家快速增長的經(jīng)濟建設(shè)來說顯得至關(guān)重要。

長期以來在電網(wǎng)中出現(xiàn)的高壓支柱瓷絕緣子的突然斷裂，一直困擾著電網(wǎng)的安全運行，特別是近年來高壓支柱瓷絕緣子在運行中突然斷裂的事故頻頻發(fā)生。嚴(yán)重影響到電網(wǎng)安全及其穩(wěn)定的運行。為了加強對高壓支柱瓷絕緣子的技術(shù)監(jiān)督工作，明確規(guī)定了采用超聲波檢測方法對高壓支柱瓷絕緣子及瓷套進行檢測的要求。

1 支柱瓷絕緣子斷裂分析

經(jīng)過對大量絕緣子檢驗發(fā)現(xiàn)，支柱瓷絕緣子及瓷套的裂紋產(chǎn)生的原因與絕緣子的加工工藝及工作特性有著直接的關(guān)系。支柱瓷絕緣子主要由分布在玻璃狀機體里的剛玉，莫來石，石英和長石等組成，其中結(jié)晶成分越高則絕緣子的機械強度就越強，制造絕緣子的過程中，這些結(jié)晶粒子承受著明顯的拉伸應(yīng)力的作用，在瓷制品煅燒后的冷卻情況下會出現(xiàn)這種應(yīng)力，究其原因為線性膨脹系數(shù)在不同材料中也是不相同的，在這些應(yīng)力影響下，玻璃狀基體，結(jié)晶粒子和他們的邊界上可能滋生出來微裂紋，這一過程，在有時候也出現(xiàn)于質(zhì)量優(yōu)等的支柱瓷絕緣子上，因此有些絕緣子在出廠的時候就可能存在有我們無法觀察到的微裂紋等瑕疵。絕緣子在使用過程中，由于存在環(huán)境溫差，使絕緣子可能承受巨大的內(nèi)應(yīng)力，因而在使用過程中斷裂的部位也是機械力比較集中的部位，在這些部位集中出現(xiàn)裂紋等缺陷。

支柱瓷絕緣子裂紋具有以下特征：

（1）裂紋尺寸很小，例如表面產(chǎn)生的裂紋深度約1mm，大多存在于在絕緣子底端法蘭面上，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力過大，或者在惡劣環(huán)境中使用時，即使如此細(xì)小的裂紋也能使得絕緣子損壞。

（2）裂紋從其滋生到瓷件破損，在瓷件上生長的時間難以預(yù)測，有時候裂紋剛滋生幾秒就導(dǎo)致支柱瓷絕緣子的斷裂損毀。也存在裂紋滋生后在幾年內(nèi)都在服役的沒有發(fā)生破損的絕緣子。

（3）瓷件的內(nèi)部裂紋不可能用肉眼去發(fā)現(xiàn)，包括位于絕緣子法蘭面下邊的裂紋，而且表面裂紋用肉眼去發(fā)現(xiàn)也是相當(dāng)困難的事情。

（4）對絕緣子受到外力作用時出現(xiàn)的附加應(yīng)力會使新的結(jié)晶粒子收到損傷，導(dǎo)致微裂紋出現(xiàn)跳躍式的增長。

2 支柱瓷絕緣子及瓷套的爬波檢測研究

爬波的產(chǎn)生是利用超聲波在兩種異質(zhì)中傳播時在界面處發(fā)生折射和波型轉(zhuǎn)變。根據(jù)超聲波傳播的特性，當(dāng)超聲波垂直于界面從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)中傳播時，只有反射波和透射波。但是超聲波傾斜入射時，除了反射波以外，還會產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)變，生成一列縱波C和一列橫波S。縱波和橫波的折射角取決于第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的聲阻抗。而第一介質(zhì)一般是有機玻璃楔塊，第二介質(zhì)則取決于被檢工件的材質(zhì)，對于陶瓷來說，第二介質(zhì)的聲阻抗大于第一介質(zhì)聲阻抗，因此縱波折射角大于縱波入射角。倘若縱波的折射角恰好等于90°，那么此時在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的橫波和折射角為90°的縱波疊加形成的聲波就叫做爬波。

由于縱波在有機玻璃中的聲速平均為2700m/s，在陶瓷中的聲速跨度較大在5800m/s-6900m/s之間，因此，在第二介質(zhì)中傳播時，經(jīng)過折射后能量主要都集中在表面下的某一范圍內(nèi)，所以對表面和近表面的缺陷有較高的檢測靈敏度。由于爬波折射產(chǎn)生的是一列縱波其聲場的最大幅值方向跟表面構(gòu)成一個很小的角度，該折射縱波僅在表面下傳播且在表面上聲場散射較小，因此爬波不像表面波那樣對于被檢工件的表面是否粗糙非常敏感，因而爬波可以很好的使用與支柱瓷絕緣和瓷套的檢測。

在檢測支柱瓷絕緣子所用的爬波探頭的第一臨界角由公式1，2，3算出。

式中：CL1--超聲縱波在延遲塊中的聲速，取2700m/s；CL2--超聲縱波在支柱瓷絕緣子中的聲速，根據(jù)絕緣子材質(zhì)不同，普通陶瓷縱波聲束5800m/s，高壓陶瓷縱波聲束6900m/s之間；CS2--超聲橫波在支柱瓷絕緣子中的聲束。

計算得

根據(jù)算出超聲波爬波探頭晶片第一臨界角約為23.04°到27.74°之間。從角度區(qū)間上可見跨度范圍相對較大。為了增進精準(zhǔn)度，因此有必要對實際探測時的爬波的晶片角度。將探頭做成晶片角度可調(diào)節(jié)的探頭如圖2，通過改變探頭上角度刻度盤上的指針角度，就可以改變晶片入射角。

算出直探頭在支柱瓷絕緣子試塊上測得縱波聲速為6330m/ s，計算晶片角度為25.24°，在探頭上將晶片角度可調(diào)的探頭晶片調(diào)節(jié)到26°，并將探頭放置于測定爬波探頭性能的試塊上，找到距探頭前端面10mm，深度是5mm的模擬裂紋，測得最強反射波調(diào)到80%屏高記錄下該波高強度分貝值（dB）讀數(shù)，然后依次測出距離分別為20mm，30mm，40mm，50mm處的模擬裂紋的波高，分別記錄各自分貝值（dB）讀數(shù)，在示波屏上繪制出一條距離波幅曲線，分別制作做晶片角度為23°，24°，25°，27°，28°，29°，30°的單晶爬波探頭，測出距離波幅曲線。

對測試結(jié)果看入射角為23°與24°時，距離波幅曲線的高度比25°，26°與27°時刻的偏低，但是偏低的趨勢不明顯，數(shù)據(jù)接近。而將入射角增大到28°和29°時，距離波幅曲線明顯降低，說明，此時的入射角度會極大地降低爬波探傷的靈敏度，因此從這些曲線變化來看，說明爬波產(chǎn)生的區(qū)間為23°到27°為宜。盡管從理論上計算的25.24°是爬波產(chǎn)生的理論角度，但是從靈敏度的測試來看，此角度并不是最佳角度，從距離波幅曲線數(shù)據(jù)中看，通過實驗使用26°和27°的晶片角度較為理想，這說明爬波縱波以計算出的第一臨界角數(shù)值入射時，爬波聲場在檢測工件的準(zhǔn)確程度上并非為最好的。而角度較小的23°和24°也能有不錯的波高。

因此，在爬波檢測時，入射角對于在第一臨界角入射時前后變化，發(fā)出聲波的波型很趨近爬波波型，但是頭波的能量在爬波探頭入射角不同的時候，對于頭波的能量有待于進一步研究。

3 爬波檢測支柱瓷絕緣子的檢測工藝

3.1頻率和晶片尺寸的選擇

超聲波檢測時，對于檢測靈敏度與波長大小是密不可分的，對于爬波探頭來說主要是依靠折射之后產(chǎn)生的縱波和橫波相互疊的區(qū)域進行對缺陷的檢出的，在檢測缺陷時，探頭靠近缺陷，可以將此過程看做縱波與橫波分別檢測缺陷的過程。從公式4來看

式中，λ—波長，mm；c—波速，m/s；f—頻率，MHz。

當(dāng)選擇頻率相同縱波與橫波斜探頭時，探頭發(fā)出超聲波的聲速越大波長也就越大。而超聲波檢測時，檢測的靈敏度是與波長有直接關(guān)系，為波長的1/2。當(dāng)波長越大時，靈敏度也就越低，縱波聲束大于橫波因此縱波檢測的靈敏度要低于橫波靈敏度低于表面波的靈敏度。

在研究超聲波晶片尺寸之與靈敏度的關(guān)系的時候，利用超聲波擴散角進行分析，超聲波的擴散角滿足公式5

式中，K—斜率；λ—波長，mm；D—直徑，mm。

從該式中可以看出，晶片的聲速一致的情況下，晶片尺寸越小，擴散角越大，聲場的指向性會變差，導(dǎo)致在傳播時的擴散衰減嚴(yán)重，不適合檢測厚度大的工件。對于尺寸相同的單晶探頭和多晶探頭，顯然，單晶片探頭擴散角小，指向性好，適合檢測厚度大的工件，而多晶探頭由于有較大的擴散角，因此在厚度不大的工件探傷中可以很好的應(yīng)用。所以單晶片探頭的擴散角小，適合測量厚度大的部位，多晶片探頭的擴散角大，用來探測薄的部位。在使用多晶探頭探傷時為了增加靈敏度并且減小多晶片探頭的聲束擴散角的影響，可以將多晶探頭做成聚焦探頭來使用，利用聚焦重疊區(qū)來檢測覆蓋于焦點厚度范圍內(nèi)分布的缺陷。

總之，在檢測時，單晶片探頭的指向性好，多晶探頭的靈敏度高。在檢測支柱瓷絕緣子時，為了盡可能多的發(fā)現(xiàn)缺陷，則應(yīng)該綜合考慮檢測部位的特點，采用縱波，橫波和爬波檢測共同來完成。

3.2檢測區(qū)域的劃定

從第二章絕緣子的斷裂特點上得到，支柱瓷絕緣子及瓷套受其結(jié)構(gòu)在運行中的受力等因素，一般斷裂都發(fā)生在上下端法蘭與第一傘裙之間的瓷體上。因此主要檢測區(qū)域是上下瓷件端頭與膠裝的整個區(qū)域。檢測重點是瓷體相交的區(qū)域與法蘭口內(nèi)外5mm處。如圖1所示。

圖1 爬波檢測支柱瓷絕緣子區(qū)域的劃分

3.3檢測方法的確定

對于直探頭無法探到的已經(jīng)膠裝的支柱瓷絕緣子的端面位置是否會有裂紋，采用爬波對其進行探測，因為爬波是在表面以下進行傳播，對表面的各種狀態(tài)不敏感。但是對于不同材質(zhì)的支柱瓷絕緣子，普通瓷和高強瓷往往在聲速上從5800m/s-6700m/s之間，聲速跨度約900m/s，則對于不同聲速的支柱瓷絕緣子的檢測，必須匹配相應(yīng)的探頭，探頭中晶片角度由計算法和實測法得出。

用爬波對瓷支柱絕緣子進行檢驗是受的影響因素相對也復(fù)雜，其中之一的就是作為支柱瓷絕緣子的最主要的材料，燒結(jié)條件等息息相關(guān)，裂紋的深度也會對爬波檢測時產(chǎn)生一定的影響。采用在支柱絕緣子和瓷套試塊上加工1mm、2mm、3mm、4mm的模擬裂紋，分別在距離模擬裂紋5mm-20mm處依此進行試驗，試驗結(jié)果見下圖2所示。

Study on creeping wave detection of post insulators

Yi Nan
（Shanxi Polytechnic Institute，Xianyang Shanxi,712000）

Design various inspection method in detecting method for insulator and porcelain cover defects at home and abroad, the existing detection method of ultrasonic testing has not been popularized. And other detection methods because the detection of environmental constraints, the larger of test results in the insulator inspection service with deviation. The results show that the post insulator in ultrasonic flaw selection of creeping wave probe on the flange crack detection is very effective.

Strut porcelain insulator; Porcelain sleeve; Creeping wave; Angle of refraction; Distance amplitude curve