謝利明，張濤，王海學(xué)

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020）

0 引言

高壓架空輸電是現(xiàn)代電力遠(yuǎn)距離輸送的主要方式，耐張線夾作為重要的電力金具在高壓架空輸電線路中應(yīng)用十分普遍。耐張線夾的主要作用是固定輸電導(dǎo)線，以承受導(dǎo)線張力，并將導(dǎo)線固定在耐張串組或桿塔上，其壓接質(zhì)量及可靠性直接關(guān)系到輸電線路的安全運(yùn)行[1]。特別是對(duì)于跨越高速公路、高速鐵路和重要輸電通道的“三跨”架空輸電線路，耐張線夾壓接質(zhì)量的可靠性對(duì)其他基礎(chǔ)設(shè)施及輸電網(wǎng)絡(luò)的安全影響更大[2]。

本文以高壓架空輸電線路耐張線夾為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)和X射線數(shù)字成像檢測(cè)（X-ray Digital Radiography，DR），并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出在不同壓接缺陷狀態(tài)下耐張線夾相控陣超聲檢測(cè)圖譜與DR檢測(cè)圖譜的不同特征，以及兩種檢測(cè)方法相對(duì)于不同類型耐張線夾檢測(cè)時(shí)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，為精確開展輸電線路耐張線夾壓接質(zhì)量的在役檢測(cè)和評(píng)價(jià)提供更為有效的方法。

1 缺陷耐張線夾試樣制作及其受力分析

架空輸電線路中耐張線夾的主要作用是固定輸電導(dǎo)線，以承受導(dǎo)線張力。本文以JLG1A-400/35型鋼芯鋁絞線的液壓型耐張線夾（NY-400/35）為研究對(duì)象，利用耐張線夾專用GHS-200型液壓壓接系統(tǒng)分別壓制了在鋁管與鋼錨壓接部位（Ⅰ號(hào)區(qū)域）、鋼錨與鋼芯壓接部位（Ⅱ號(hào)區(qū)域）及鋁管與導(dǎo)線壓接部位（Ⅲ號(hào)區(qū)域）等三個(gè)直接關(guān)系耐張線夾壓接質(zhì)量的部位，包含不同類型缺陷的NY-400/35型耐張線夾接頭試樣，壓制完成的耐張線夾實(shí)物圖見(jiàn)圖1，壓接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 耐張線夾實(shí)物Fig.1 Strain clamp

圖2 耐張線夾壓接結(jié)構(gòu)Fig.2 Crimping structure of strain clamp

利用Ansys有限元軟件分析液壓型耐張線夾的受力特點(diǎn)，其有限元分析模型見(jiàn)圖3。模型采用四面體單元，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)129 355個(gè)，網(wǎng)格64 955個(gè)。主要模擬耐張線夾在承受架空導(dǎo)線自重產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力狀態(tài)下各部位的受力情況。從有限元分析結(jié)果可以看出，耐張線夾的各壓接部位中，鋼錨與鋼芯壓接部位（Ⅱ號(hào)區(qū)域）的端口處承受的應(yīng)力最大[2]；此外，在鋁管與鋼錨壓接部位（Ⅰ號(hào)區(qū)域）及鋁管與導(dǎo)線壓接部位（Ⅲ號(hào)區(qū)域）也均承受較高水平的應(yīng)力。上述部位的壓接質(zhì)量在耐張線夾整體壓接質(zhì)量中起到關(guān)鍵作用，因此在壓接質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注[3-5]。

圖3 耐張線夾有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model of strain clamp

2 耐張線夾DR檢測(cè)與評(píng)價(jià)

DR技術(shù)是目前較為先進(jìn)的數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)，具有成像質(zhì)量高、速度快、檢測(cè)結(jié)果直觀等優(yōu)勢(shì)，可對(duì)各類金屬設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷進(jìn)行透視檢測(cè)，且能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)成像。DR檢測(cè)系統(tǒng)主要由X射線機(jī)、X射線探測(cè)平板和采集處理計(jì)算機(jī)組成[6-7]，本文所用DR檢測(cè)系統(tǒng)型號(hào)為ERESCO 65MF4，其實(shí)物圖見(jiàn)圖4。

圖4 DR檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物Fig.4 DR detection system

對(duì)制作的含有各種壓接缺陷的輸電導(dǎo)線耐張線夾進(jìn)行DR檢測(cè)及評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)缺陷試樣的DR檢測(cè)，得到耐張線夾各種缺陷的DR圖譜，見(jiàn)圖5。圖中紅線框標(biāo)注范圍為含有壓接缺陷的部位。DR檢測(cè)所選用的透照電壓120 kV，透照電流1.5 mA，曝光時(shí)間1.5 s，透照距離500 mm[8]。

從圖5可以看出，利用DR檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)直觀、準(zhǔn)確地檢測(cè)耐張線夾各部位的壓接質(zhì)量，也能清晰反映各線夾所含有的壓接缺陷的存在部位及缺陷類型[9]。

圖5 耐張線夾典型缺陷DR圖譜Fig.5 DR spectrum of typical defects of strain clamp

3 耐張線夾相控陣超聲檢測(cè)與評(píng)價(jià)

3.1 專用掃查器設(shè)計(jì)研制

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是一種高效、便捷、精確的檢測(cè)技術(shù)，在電力行業(yè)主要應(yīng)用于電站鍋爐、壓力容器和壓力管道等設(shè)備焊接接頭的檢測(cè)，近年來(lái)也被陸續(xù)應(yīng)用于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchear，GIS）罐體焊縫、鋼管桿焊縫等焊接接頭的質(zhì)量檢測(cè)[10-16]。本文將先進(jìn)的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到輸電導(dǎo)線耐張線夾壓接質(zhì)量的檢測(cè)中。傳統(tǒng)的相控陣檢測(cè)都是利用單探頭對(duì)焊縫等進(jìn)行檢測(cè)。輸電導(dǎo)線耐張線夾液壓壓接后有6個(gè)壓接面，可供檢測(cè)的平面為正六邊形，如使用單探頭逐個(gè)檢測(cè)效率低且存在漏檢現(xiàn)象。6個(gè)壓接面為同一磨具壓接成型，相鄰3個(gè)壓接面即可反映耐張線夾整體壓接質(zhì)量，對(duì)此，本文研制開發(fā)了能夠同時(shí)對(duì)耐張線夾的3個(gè)相鄰壓接平面進(jìn)行檢測(cè)的專用掃查器，掃查系統(tǒng)的三維模型及其實(shí)物圖見(jiàn)圖6。

圖6 耐張線夾相控陣超聲檢測(cè)專用掃查器Fig.6 Special scanner for phased array ultrasonic testing of strain clamp

耐張線夾專用掃查器由探頭、探頭支架、耦合導(dǎo)軌、掃查導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌編碼器和工件固定夾構(gòu)成。換能器配置了3支16晶片相控陣探頭，檢測(cè)時(shí)每個(gè)探頭耦合一個(gè)壓接平面，即3支探頭同時(shí)可以耦合檢測(cè)3個(gè)相鄰的壓接平面，耦合導(dǎo)軌上設(shè)計(jì)有壓力彈簧，能夠?qū)μ筋^施加軸向的壓力，將探頭壓在被檢平面上，確保每個(gè)探頭與檢測(cè)平面的良好耦合，以獲得清晰準(zhǔn)確的相控陣圖譜。掃查導(dǎo)軌為探頭提供線性掃查路徑，可同時(shí)滿足編碼器的定位需求，實(shí)現(xiàn)缺陷的準(zhǔn)確定位。

3.2 檢測(cè)工藝制訂

本文采用Phascan PA32/128型相控陣超聲檢測(cè)平臺(tái)，該設(shè)備具有相控陣超聲A掃描、B掃描、C掃描和S掃描等多種成像方式及多種聚焦方式，可實(shí)現(xiàn)工件的快速掃描成像。配合開發(fā)的針對(duì)耐張線夾檢測(cè)專用的掃查器，對(duì)制作的含有各種類型壓接缺陷的耐張線夾試樣進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)及評(píng)價(jià)。檢測(cè)時(shí)，采用3個(gè)5L10-0.5*6探頭縱波線性掃查方式，3通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與顯示，配合直線導(dǎo)軌式編碼器，可完成對(duì)耐張線夾壓接部位3個(gè)壓接面的一次性檢測(cè)，獲取連續(xù)性C掃描圖譜。

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)耐張線夾試樣檢測(cè)，得出了各種缺陷狀態(tài)下的耐張線夾鋁管與鋼錨壓接部位（Ⅰ號(hào)區(qū)域）、鋼錨與導(dǎo)線鋼芯壓接部位（Ⅱ號(hào)區(qū)域）及鋁管與導(dǎo)線壓接部位（Ⅲ號(hào)區(qū)域）的相控陣超聲圖譜，如圖7所示。

圖7 耐張線夾相控陣檢測(cè)圖譜Fig.7 Detection spectrum of strain clamp phased array

3.3.1 檢測(cè)結(jié)果

從圖7（a）可以看出，對(duì)于Ⅰ號(hào)區(qū)域鋼錨凹槽與鋁管壓接情況，相控陣超聲C掃描圖可以清晰顯示3個(gè)檢測(cè)面上各個(gè)凹槽的壓接位置及質(zhì)量，如果發(fā)生凹槽漏壓，鋼錨凹槽與鋁管之間形成空腔，超聲波無(wú)法到達(dá)鋼錨凹槽，在C掃描圖中就會(huì)缺失對(duì)應(yīng)位置的凹槽回波顯示。對(duì)于鋼錨與導(dǎo)線鋼芯壓接部位的檢測(cè)，因在線夾完全壓接完成后，Ⅱ號(hào)區(qū)域鋁管與鋼錨不進(jìn)行壓接，之間存在空腔，無(wú)法進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，所以該位置的檢測(cè)只能在壓接施工過(guò)程中鋼錨與導(dǎo)線鋼芯壓接后進(jìn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在役檢測(cè)。對(duì)于Ⅲ號(hào)區(qū)域鋁管與導(dǎo)線壓接質(zhì)量的檢測(cè)，從圖7（c）可以看出，深色區(qū)與淺色區(qū)間隔排列，是鋁絞線內(nèi)單絲導(dǎo)線與導(dǎo)線間隙的正常回波顯示，證明鋁導(dǎo)線未發(fā)生斷股，壓接質(zhì)量完好；如有連續(xù)深色區(qū)或淺色區(qū)出現(xiàn)，說(shuō)明鋁管內(nèi)鋁導(dǎo)線存在大面積空腔，導(dǎo)線發(fā)生了斷股或壓接不良。

3.3.2 檢測(cè)時(shí)需注意的問(wèn)題

從圖7可以看出，利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)耐張線夾的各壓接區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，所得圖譜基本上可以反映出各區(qū)域的壓接質(zhì)量。但要獲得精確的圖譜，要求探頭與檢測(cè)面耦合良好，而耐張線夾壓接過(guò)程中相鄰兩模之間重疊部位形成的凸臺(tái)會(huì)在一定程度上影響探頭的耦合效果，進(jìn)而影響圖譜的精確程度，因此應(yīng)該在檢測(cè)前對(duì)檢測(cè)面進(jìn)行適當(dāng)機(jī)械打磨。

對(duì)于模具壓接的前、后端邊緣區(qū)域，由于相控陣探頭放置位置受限，因此對(duì)于壓接邊緣的一些細(xì)節(jié)信息的反映會(huì)有所缺失。例如，當(dāng)鋁管只與鋼錨的一個(gè)凹槽有效壓接時(shí)，有效壓接凹槽往往處于壓接的邊緣區(qū)域，受其形狀影響，探頭在該位置不能很好地耦合，檢測(cè)得到的圖譜中會(huì)顯示該部位鋁管與凹槽完全未有效壓接，造成一定的信息損失。同理，當(dāng)鋁管與鋼錨的兩個(gè)凹槽有效壓接時(shí)，第二個(gè)凹槽處于壓接的邊緣區(qū)域，受其形狀影響探頭在該位置不能很好地耦合，檢測(cè)得到的圖譜中會(huì)顯示只有一個(gè)凹槽與鋁管實(shí)現(xiàn)了有效壓接。

此外，對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)，例如本試驗(yàn)所采用鋼錨與導(dǎo)線鋼芯壓接的鋼管部位，該部位壓縮變形前的壁厚為5 mm，進(jìn)行液壓壓接后，其壁厚會(huì)減薄至低于4 mm，當(dāng)探頭始波占寬較大時(shí)，會(huì)在一定程度上影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

4 兩種方法對(duì)比分析

對(duì)比分析DR檢測(cè)與相控陣超聲檢測(cè)過(guò)程和結(jié)果，可以看出，DR檢測(cè)結(jié)果顯示直觀、清晰，能夠反映耐張線夾各部位的壓接狀態(tài)，也是目前主要應(yīng)用的在役“三跨”輸電線路耐張線夾檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。但是DR檢測(cè)技術(shù)也具有一定不足。首先，DR檢測(cè)設(shè)備較笨重，懸空檢測(cè)時(shí)，因受導(dǎo)地線和各類金具的影響，不易保持射源與成像板間的焦距；其次，高處作業(yè)人員只負(fù)責(zé)X射線透照，數(shù)據(jù)的采集和分析需由地面人員完成，導(dǎo)致兩個(gè)工藝流程配合不佳，檢測(cè)質(zhì)量下降；再次，DR方法具有輻射危害，對(duì)環(huán)境及檢測(cè)人員不友好。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，由于登塔后高空作業(yè)條件限制，檢測(cè)人員往往無(wú)法進(jìn)行有效的輻射防護(hù)[9]。

耐張線夾相控陣超聲檢測(cè)結(jié)合本文開發(fā)研制的耐張線夾專用掃查器，可同時(shí)對(duì)耐張線夾的3個(gè)壓接區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備體積小、質(zhì)量小，便于攜帶進(jìn)行登塔檢測(cè)。制訂好檢測(cè)工藝后，檢測(cè)操作簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀，檢測(cè)效率高。所得C掃描圖譜基本可以反映出各區(qū)域的壓接質(zhì)量，同時(shí)可以對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)量和定位。但要獲得精確的圖譜需要探頭與檢測(cè)面耦合良好，耐張線夾的重疊壓接面的不平整會(huì)在一定程度上影響相控陣探頭的耦合效果，進(jìn)而影響圖譜的精確程度。相控陣超聲檢測(cè)無(wú)輻射危害，這是該方法相較DR檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，為輸電線路耐張線夾的在線檢測(cè)提供了一種更為可行的方法。