利用超聲波探傷技術(shù)對(duì)瓷絕緣子進(jìn)行檢測(cè)

劉鋼　付琳娜

摘要：本文對(duì)超聲波探傷技術(shù)的基礎(chǔ)理論作了簡(jiǎn)要說明，并結(jié)合幾個(gè)典型案例，對(duì)變電站內(nèi)瓷制絕緣子發(fā)生斷裂事故的原因作了初步分析，就超聲波探傷技術(shù)在變電站瓷制絕緣子檢測(cè)工作中的實(shí)際發(fā)現(xiàn)的問題作了介紹，對(duì)從事檢測(cè)工作的人員要求上也提出了幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：超聲波超聲波探傷探傷儀的工作靈敏度縱波爬波聲耦合劑底波缺陷波RTV

中圖分類號(hào)：TM216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）08（c）-0247-02

瓷制絕緣子是電網(wǎng)設(shè)備的重要組成部件，由于其長(zhǎng)期運(yùn)行在強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)機(jī)械應(yīng)力、風(fēng)雷雨雪天氣、環(huán)境污染嚴(yán)重等惡劣條件下，以及瓷絕緣子本身在生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，都使瓷質(zhì)部件存在著很大的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。近年來，國(guó)內(nèi)已多次發(fā)生變電運(yùn)行或檢修工作人員由于絕緣子斷裂導(dǎo)致傷亡的事故，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行，也給電力職工的人身安全造成了嚴(yán)重威脅。為了防患未然，盡力避免發(fā)生此類事故，國(guó)家電網(wǎng)公司已專門成立了高壓支柱絕緣子事故調(diào)查小組，對(duì)近年的多起事故進(jìn)行調(diào)查分析并提出整改方案。華北電網(wǎng)有限公司制定了《高壓支柱絕緣子超聲波檢測(cè)導(dǎo)則》及超聲波探傷檢測(cè)人員培訓(xùn)方案，逐步將超聲波探傷技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)工作中。

超聲波探傷是目前應(yīng)用最廣泛的無損探傷方法之一。超聲波是一種機(jī)械波，機(jī)械振動(dòng)與波動(dòng)是超聲波探傷的物理基礎(chǔ)。而超聲波探傷中，主要涉及到幾何聲學(xué)和物理聲學(xué)中關(guān)于聲波的反射、折射、波形轉(zhuǎn)換、波的疊加、干涉、繞射、惠更斯原理等知識(shí)。如果能熟練的掌握相關(guān)知識(shí)，對(duì)于在實(shí)際工作中分析和解決各種問題將是十分有益的。

1基本概念解釋及檢測(cè)設(shè)備選擇要求

1.1 基本概念解釋

超聲波是一種機(jī)械波，機(jī)械振動(dòng)與波動(dòng)是超聲波探傷的物理基礎(chǔ)。超聲波探傷就是利用超聲波的指向性和傳播規(guī)律來檢查工件中存在的缺陷情況。此類探傷工作需要使用專用的檢測(cè)工具即探傷儀才能進(jìn)行，而探傷儀在一定條件下探測(cè)缺陷大小的能力被稱為探傷儀的工作靈敏度，它是決定探傷儀能否準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)設(shè)備缺陷的重要因素。

利用超聲波對(duì)瓷制絕緣子探傷最常用到的兩種方法就是小角度縱波檢測(cè)和爬波檢測(cè)。所謂縱波，是指介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波。爬波是指表面下縱波，是當(dāng)?shù)谝唤橘|(zhì)之中的縱波入射角位于第一臨界角附近時(shí)在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的表面下縱波。常用的小角度縱波檢測(cè)和爬波檢測(cè)都是利用了縱波的傳播特性來進(jìn)行工作。

為了把超聲波探傷儀的探頭發(fā)射的超聲波射入被測(cè)品，避免探頭和探傷接觸面之間造成空隙而需要施加一種介質(zhì)即聲耦合劑（如水、機(jī)油、纖維素合成物等）。在檢測(cè)過程中，探傷儀所裝備的顯示屏上會(huì)實(shí)時(shí)的顯示出各種信號(hào)，其中包含有由于工件底面引起的反射波（底波）信號(hào)和由于缺陷引起的反射波（缺陷波）信號(hào)等。由于目前許多瓷制絕緣子表面都涂有一種用來提高設(shè)備憎水性和電絕緣性的涂料（RTV），其對(duì)超聲波檢測(cè)有一定的影響，有時(shí)會(huì)由于噴涂時(shí)產(chǎn)生的問題，會(huì)在探傷儀上顯示出一些干擾波信號(hào)。檢測(cè)人員必須能清楚地分辨各種波的信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)判斷是否存在缺陷。

1.2 超聲波探傷設(shè)備基本要求

對(duì)于用來進(jìn)行探傷工作的超聲波探傷儀，在《中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——超聲波探測(cè)瓷件內(nèi)部缺陷（JB/T 9674—1999）》中有明確的規(guī)定。

超聲波探傷儀應(yīng)滿足以下要求。

（1）儀器工作頻率應(yīng)包括1～5MHz。

（2）儀器標(biāo)稱探測(cè)深度應(yīng)不小于被試品的高度。

（3）具有總衰減量不小于50dB，衰減調(diào)節(jié)精度為±1dB以下的衰減器。

（4）當(dāng)探傷發(fā)射功率較大，且電源電壓在標(biāo)稱電壓±10%范圍內(nèi)變化時(shí)，水平線性下不應(yīng)有明顯的變化。

超聲波探傷儀所使用的探頭應(yīng)滿足下列要求。

（1）采用單直探頭，根據(jù)需要在-5MHz范圍內(nèi)選擇探頭頻率，推薦為1.25MHz或2.5MHz。探頭晶片直徑可根據(jù)需要選擇。

（2）探頭發(fā)射的超聲波主聲束在垂直方向偏向角應(yīng)不大于2°。

對(duì)試品的規(guī)定如下。

瓷件兩端面的平行度和主體軸線直線度應(yīng)符合GB 772的規(guī)定。探測(cè)面應(yīng)平滑，其粗糙度應(yīng)不大于10μm。

對(duì)耦合劑的規(guī)定如下。

應(yīng)采用良好的聲耦合劑，如水、機(jī)油等，且必須保持耦合劑的清潔。

在實(shí)際的工作中，我所在公司使用的廣東汕頭超聲電子股份有限公司生產(chǎn)的CTS-9008型陶瓷絕緣子超聲探傷儀。該設(shè)備是針對(duì)電力行業(yè)中高壓支柱瓷絕緣子及瓷套檢測(cè)的專用數(shù)字式超聲波探傷儀，設(shè)備要求符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，抗電磁干擾能力強(qiáng)，而且攜帶比較方便，對(duì)測(cè)試結(jié)果的顯示也很清楚明白。目前已經(jīng)大量裝備于唐山供電公司及其各分公司。

2典型事故案例分析及絕緣子檢測(cè)相關(guān)規(guī)定

隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，使用瓷支柱絕緣子數(shù)量逐年加大，高壓瓷支柱絕緣子斷裂引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)來自山東電網(wǎng)的不完全統(tǒng)計(jì)，自1999年來共發(fā)生220kV瓷支柱絕緣子折斷7起，3次全站停電，對(duì)電網(wǎng)的安全生產(chǎn)特別是人身安全構(gòu)成極大威脅。

2.1 典型事故情況

（1）2002年4月12日，萊蕪電廠220kVⅡ母線、泉萊線、萊山線春季停電清掃、預(yù)試，當(dāng)拉開#3923-3刀閘（GW4/220），刀閘頭相距80cm時(shí)，開關(guān)側(cè)B相支柱瓷絕緣子下節(jié)法蘭根部斷裂，上節(jié)掉落，相鄰的TA接線板在引線作用下斷開，未造成停電和人員傷害。斷裂的支柱絕緣子為1981年普通強(qiáng)度瓷產(chǎn)品，斷面有黃芯，分析為產(chǎn)品質(zhì)量問題。

（2）2004年3月13日，臨沂溫水站將220kV#1母線負(fù)荷并列倒至#2母線運(yùn)行，拉開201-1刀閘，當(dāng)導(dǎo)電摺架下落至中間位置時(shí)，201-1刀閘B相支持支柱絕緣子斷裂，造成220kV#2母線A、B相相間短路，并將A相支柱瓷瓶拉斷，全站失壓進(jìn)而使溫云線單電源供電的220kV云蒙站全站停電。斷裂支柱絕緣子為1995年普通強(qiáng)度瓷產(chǎn)品，折斷部位在下節(jié)支柱的上法蘭根部，上、下節(jié)抗彎強(qiáng)度6kN，而實(shí)有2.5kN。分析為上、下節(jié)裝配不對(duì)，下節(jié)應(yīng)具備倒裝試驗(yàn)要求。

（3）2012年5月8日17：13，陜西電網(wǎng)330kV延安變進(jìn)行110kV母線倒閘操作過程中，110kV1116延馬1線II母?jìng)?cè)刀閘支柱瓷瓶斷裂，110kV母差保護(hù)動(dòng)作，兩條110kV母線跳閘，致使馬家灣、吳起、志丹、東郊4座110kV變電站失壓，損失負(fù)荷8.1萬千瓦。

2.2 斷裂原因分析

2.2.1 生產(chǎn)管理和制造工藝存在缺陷

（1）用來制造瓷絕緣子的原材料的質(zhì)量是影響絕緣子質(zhì)量的基本因素。原材料必須具備化學(xué)、物理和礦源穩(wěn)定性?；瘜W(xué)成分的不穩(wěn)定將影響瓷質(zhì)的均勻程度。例如：電瓷原料中SiO2含量過高，燒成時(shí)殘余石英顆粒將相應(yīng)增加，殘余石英顆粒與其周圍的玻璃間常存在微裂紋，這將縮短瓷質(zhì)的疲勞壽命。部分生產(chǎn)廠家由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力或采購問題，選購原材料產(chǎn)地礦源不穩(wěn)定，管理不嚴(yán)，各原料間界面不清，影響配料的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致所生產(chǎn)的瓷制絕緣子存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

（2）法蘭膠裝毛坯在滾花或刻槽工藝過程中存在內(nèi)應(yīng)力和微裂紋等隱患，絕緣子在運(yùn)行一段時(shí)間后，微裂紋不斷擴(kuò)大，容易發(fā)生低值破壞。我國(guó)在20世紀(jì)80年代末期建設(shè)的變電站中有許多發(fā)生斷裂的絕緣子其斷裂點(diǎn)就在滾花與主體交接處。

（3）瓷絕緣子在生產(chǎn)過程中的燒成溫度是影響其成品質(zhì)量的又一重要因素。燒成溫度一般在1250～1300℃間，<1250℃就出現(xiàn)生燒，>1300℃為過燒。傳統(tǒng)的燃煤倒焰窯和一些普通煤氣窯溫度控制與測(cè)量有較大偏差，同窯產(chǎn)品中有合格或生燒過燒。如果出廠檢驗(yàn)率較低，會(huì)導(dǎo)致部分不合格產(chǎn)品投入運(yùn)行中。

（4）在處理瓷支柱折斷事故時(shí)，常遇到斷面有黃芯。黃芯的產(chǎn)生是因?yàn)樵跓浦胁捎眠€原焰，當(dāng)還原氣氛不足或還原時(shí)間不夠時(shí)，支柱表面還原充分，F(xiàn)e2O3被還原成FeO，瓷質(zhì)呈正常的灰白色，而中心部分沒還原，仍以Fe2O3形式存在，呈黃色。黃芯與正常瓷質(zhì)膨脹系數(shù)相差很大，在運(yùn)行中遇到急溫?zé)崽鞖饣騽×艺饎?dòng)，極易導(dǎo)致絕緣子發(fā)生折斷。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，由于黃芯現(xiàn)象導(dǎo)致絕緣子斷裂的事故在山東電網(wǎng)中占80%以上。

（5）瓷件與水泥的熱膨脹系數(shù)不同，通常在瓷件膠裝表面涂抹一層瀝青緩沖層，以緩解熱脹冷縮時(shí)帶來的應(yīng)力。如果瀝青層很薄，在熱脹冷縮過程中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力導(dǎo)致瓷件在膠裝處斷裂。

（6）通常在瓷件與法蘭間會(huì)涂有一層防水密封膠。在冬季，如果瓷件膠裝處密封膠破損嚴(yán)重，產(chǎn)生在空隙，就會(huì)由于滲入的水分產(chǎn)生冰凍，冰凍應(yīng)力導(dǎo)致支柱折斷，在我國(guó)北方地區(qū)尤其嚴(yán)重。

（7）少數(shù)隔離開關(guān)生產(chǎn)廠家在配件入廠、裝配環(huán)節(jié)存在管理漏洞。為降低成本，對(duì)入廠的絕緣子配件不做相關(guān)檢測(cè)，導(dǎo)致不合格配件裝到刀閘開關(guān)上。此外，對(duì)于多節(jié)組合的支柱絕緣子，除最上節(jié)外，其余都要做正、倒裝試驗(yàn)，以保證兩端法蘭承受一定的彎曲負(fù)荷。

2.2.2 電力部門運(yùn)行、檢修管理不到位

（1）個(gè)別電力部門在選購和設(shè)計(jì)支柱瓷絕緣子時(shí)，誤認(rèn)為該類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要精密的儀器進(jìn)行檢測(cè)，從而簡(jiǎn)化驗(yàn)收程序，降低驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)施工過程中裕度偏低，在惡劣天氣或異常受力情況下易造成瓷件斷裂。

（2）安裝調(diào)試不合理。在硬管母線安裝或站內(nèi)隔離開關(guān)和其他設(shè)備連接時(shí)引線連接過緊，導(dǎo)致支柱絕緣子或隔離開關(guān)的瓷制部分長(zhǎng)時(shí)間受機(jī)械應(yīng)力作用，強(qiáng)度不斷下降造成斷裂。

（3）檢修維護(hù)不當(dāng)。電網(wǎng)設(shè)備逐年增多，工作人員少，造成刀閘開關(guān)超期檢修，出現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)銹蝕、卡澀、別勁等現(xiàn)象，如操作不正確，極易導(dǎo)致支柱斷裂。據(jù)統(tǒng)計(jì)GW6型隔離開關(guān)斷裂數(shù)量較多。

2.3 支柱瓷絕緣子檢測(cè)相關(guān)規(guī)定

為了加強(qiáng)高壓支柱瓷絕緣子的技術(shù)監(jiān)督工作，進(jìn)一步拓寬技術(shù)監(jiān)督工作的范疇，延伸技術(shù)監(jiān)督工作的內(nèi)涵，保證設(shè)備安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，國(guó)家電網(wǎng)公司在2005年3月制定并發(fā)布了《72.5kV及以上電壓等級(jí)支柱瓷絕緣子技術(shù)監(jiān)督規(guī)定》。該規(guī)定依據(jù)國(guó)家、行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范結(jié)合近年來國(guó)家電網(wǎng)公司在生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗(yàn)制訂，明確了高壓支柱瓷絕緣子設(shè)備選型、訂貨、監(jiān)造、出廠驗(yàn)收、現(xiàn)場(chǎng)安裝、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收、運(yùn)行、檢修和技改的全過程技術(shù)監(jiān)督內(nèi)容。對(duì)設(shè)備的缺陷檢測(cè)、評(píng)估、分析、告警和整改的過程監(jiān)督工作提出了具體要求。并指出各網(wǎng)省電力公司可根據(jù)此規(guī)定，結(jié)合本地區(qū)實(shí)際情況制定相應(yīng)的實(shí)施細(xì)則。

該規(guī)定在設(shè)備監(jiān)造方面明確指出，252kV及以上高壓支柱瓷絕緣子的訂貨數(shù)量在50只及以上的，要進(jìn)行入廠監(jiān)造；126kV（72.5kV）的高壓支柱瓷絕緣子訂貨量較大的，各單位根據(jù)具體情況進(jìn)行監(jiān)造。

在安裝、投產(chǎn)驗(yàn)收方面，規(guī)定中要求在高壓支柱瓷絕緣子運(yùn)抵安裝現(xiàn)場(chǎng)時(shí)要進(jìn)行外觀檢查和超聲波探傷，而且在安裝、調(diào)試結(jié)束后（投運(yùn)前）必須再次對(duì)高壓支柱瓷絕緣子進(jìn)行超聲波探傷。盡力保證在施工過程中造成的隱患被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并妥善處理。

對(duì)于運(yùn)行的變電站支柱瓷絕緣子的超聲波檢測(cè)周期，規(guī)定中要求有以下幾方面。

（1）新投運(yùn)設(shè)備一年后須進(jìn)行檢測(cè)。

（2）72.5kV及以上支柱瓷絕緣子自投運(yùn)之日起，三年為一個(gè)檢測(cè)周期，三個(gè)周期后檢測(cè)周期縮短為一年，檢測(cè)率和發(fā)現(xiàn)問題處理率都必須為100%。

（3）對(duì)運(yùn)行20年及以上的支柱瓷絕緣子。經(jīng)各電網(wǎng)公司有關(guān)部門鑒定后，可以退出運(yùn)行。

3從事超聲波探傷人員的要求和實(shí)際工作應(yīng)注意的問題

3.1 對(duì)超聲波探傷人員的要求

在《華北電網(wǎng)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—— 高壓支柱瓷絕緣子超聲波檢測(cè)導(dǎo)則（討論稿）》及《中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——超聲波探測(cè)瓷件內(nèi)部缺陷（JB/T 9674—1999）》等文件中均指出：從事高壓支柱瓷絕緣子超聲波檢測(cè)及其他各類無損探傷工作的人員，必須具備國(guó)家有關(guān)主管部門頒發(fā)的無損檢測(cè)人員技術(shù)資格證。在電力行業(yè)，必須經(jīng)過電力行業(yè)無損檢測(cè)考委會(huì)培訓(xùn)考試合格后持證上崗。

這就表示，從事該項(xiàng)工作的人員必須認(rèn)真負(fù)責(zé)的完成檢測(cè)工作，并要對(duì)檢測(cè)過的設(shè)備建立相應(yīng)的設(shè)備資料數(shù)據(jù)庫。

3.2 在實(shí)際工作中應(yīng)注意的問題

在實(shí)際的生產(chǎn)工作中，從事超聲波無損檢測(cè)的人員通常會(huì)遇到下列問題。

（1）探傷工作中使用的探傷儀通常為便攜式設(shè)備，應(yīng)當(dāng)定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電、校驗(yàn)、檢修及其他日常維護(hù)工作，確保設(shè)備能隨時(shí)投入生產(chǎn)工作中。

（2）要注意對(duì)日常探傷工作中發(fā)現(xiàn)的問題和分析結(jié)果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)上的積累，不斷地學(xué)習(xí)增長(zhǎng)專業(yè)知識(shí)，這將能更好的幫助我們完成此類工作。

（3）從事探傷工作尤其要注意自身的安全防護(hù)。由于變電站內(nèi)大多數(shù)支柱瓷絕緣子或隔離開關(guān)的安裝位置均在2～3m，甚至高達(dá)10m左右。為此，探傷人員應(yīng)能熟練使用安全防護(hù)用具，經(jīng)過必要的高空作業(yè)培訓(xùn)，必要時(shí)應(yīng)申請(qǐng)使用輔助機(jī)械設(shè)備協(xié)助完成高空探傷作業(yè)。

（4）對(duì)通過無損檢測(cè)的設(shè)備除進(jìn)行必要的記錄外，還應(yīng)及時(shí)將可能誘發(fā)危險(xiǎn)的問題（如：連接引線過緊、防水密封膠脫落嚴(yán)重等）上報(bào)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)出預(yù)警，做到早發(fā)現(xiàn)、早處理，這才能確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4結(jié)語

由于高壓瓷制絕緣子超聲波檢測(cè)技術(shù)在華北電網(wǎng)范圍的實(shí)際推廣應(yīng)用還處于初期，組織相關(guān)人員學(xué)習(xí)培訓(xùn)的機(jī)會(huì)不多，而且參加并通過相關(guān)培訓(xùn)考核獲得相應(yīng)檢測(cè)資格的工作人員還很少，對(duì)檢測(cè)工作中發(fā)現(xiàn)的各種問題的分析也比較淺薄，可供互相參考學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)不多。而且本人也剛剛?cè)〉孟嚓P(guān)檢測(cè)資格并在從事檢測(cè)工作時(shí)間尚短，經(jīng)驗(yàn)不足，文中涉及內(nèi)容如有錯(cuò)誤或不足之處，請(qǐng)大家多提寶貴意見，非常感謝！

參考文獻(xiàn)

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