裴玉東
摘 要:分析了支柱絕緣子缺陷產(chǎn)生的主要原因,介紹了超聲波無(wú)損探傷的基本原理,利用超聲波檢測(cè)支柱絕緣子內(nèi)部缺陷的方法。列舉了利用爬波方法對(duì)支柱絕緣子內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)例。
關(guān)鍵詞:支柱絕緣子;末裙;超聲波無(wú)損探傷;縱波;爬波;DAC曲線
0 引言
托克托電廠有一個(gè)500kV變電站和兩個(gè)220kV變電站,支柱絕緣子是變電站重要的組成設(shè)備,如果在制作過(guò)程中配方不當(dāng),工藝流程中原料混合不均勻,容易形成瓷件內(nèi)部缺陷,由于沒(méi)有固有的形變能力且韌性極低,運(yùn)行中長(zhǎng)期承受機(jī)械負(fù)荷、強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)機(jī)械應(yīng)力,從而使附加應(yīng)力增大。若支柱絕緣子存在微小缺陷,可能造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞和設(shè)備停電事故,影響安全供電,同時(shí)對(duì)工作人員的人身安全構(gòu)成極大的威脅,成為升壓站安全運(yùn)行的一大隱患。因此必須在事故前檢測(cè)出缺陷并進(jìn)行處理。
1 支柱瓷絕緣子的組織結(jié)構(gòu)
支柱瓷絕緣子是采用陶瓷、金具和水泥等多種材料組合而成的,瓷體主要有粘土、長(zhǎng)石石英等鋁硅酸鹽原料混合配制,加工成一定形狀后,在高溫下燒結(jié)成的無(wú)機(jī)絕緣材料,瓷表面覆蓋了一層玻璃質(zhì)平滑薄層釉。陶瓷一般是通過(guò)將粉末原料成型,燒結(jié)而成的。經(jīng)過(guò)這些工藝所制得的陶瓷,是由許多微晶聚集的多晶體構(gòu)成,這就不可避免的存在著晶界。晶界不僅在陶瓷燒結(jié)過(guò)程中起著重要作用,而且還對(duì)燒結(jié)體物理、化學(xué)性能有很大影響。陶瓷晶界有錯(cuò)位、空孔等晶格缺陷和晶格畸變存在,雜質(zhì)就容易集中,形成晶界偏析層、層狀析出物、粒狀析出物。由此可知陶瓷材料的特點(diǎn)是顯微組織且不均勻。
2 支柱瓷絕緣子斷裂的原因
支柱瓷絕緣子劣化因素既與制造廠的材料、配方、工藝流程有關(guān),也與環(huán)境及運(yùn)行中承受的負(fù)荷有關(guān)。
(1)運(yùn)行中的支柱瓷絕緣子大都在法蘭處斷裂,支柱瓷絕緣子如果在制作過(guò)程中配方不當(dāng),工藝流程中原料混合不均,焙燒火力不足等,易形成瓷件內(nèi)部缺陷,在長(zhǎng)期承受運(yùn)行中的機(jī)械負(fù)荷,以及風(fēng)、雨等因素影響,從而使末裙與法蘭交界處附加應(yīng)力增大,導(dǎo)致支柱瓷絕緣子產(chǎn)生裂紋、氣隙,以至斷裂。
(2)陶瓷、金具和水泥緊密粘合在一起,組成支柱瓷絕緣子,而三種材料的膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)都是不同的,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生驟變時(shí),使得法蘭內(nèi)瓷體承受的應(yīng)力過(guò)大和集中,應(yīng)力無(wú)法釋放,就會(huì)作用在有缺陷的絕緣子端部,使支柱瓷絕緣子產(chǎn)生裂紋等缺陷,最終在外部環(huán)境作用下導(dǎo)致瓷件斷裂。
(3)在隔離開(kāi)關(guān)安裝過(guò)程中,錯(cuò)位別勁,這樣在溫度變化時(shí),由于熱脹冷縮作用,產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,長(zhǎng)時(shí)間作用也可能導(dǎo)致支柱瓷絕緣子斷裂。
(4)由于檢修維護(hù)不到位,隔離開(kāi)關(guān)出現(xiàn)銹蝕、卡澀等現(xiàn)象,由于溫度變化作用,產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的高變應(yīng)力,最終導(dǎo)致支柱瓷絕緣子疲勞斷裂。
(5)隔離開(kāi)關(guān)操作次數(shù)頻繁,操作不當(dāng),產(chǎn)生很大的短時(shí)機(jī)械負(fù)荷,導(dǎo)致支柱瓷絕緣子斷裂。
3 超聲波無(wú)損探傷的基本原理
超聲波探傷具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、檢測(cè)速度快、對(duì)被測(cè)試品和人員均無(wú)害。目前托克托電廠使用的是美國(guó)泛美的EPOCH-LT超聲波探傷儀和南京卓實(shí)的專(zhuān)業(yè)探頭,現(xiàn)在超聲波探傷儀大部分是A掃描方式的,即顯示器的橫坐標(biāo)是超聲波在被測(cè)試品中的傳播距離或傳播時(shí)間,縱坐標(biāo)是超聲波反射波的幅值。由反射波的位置可以確定缺陷位置,由反射波的幅值可以估算缺陷大小。超聲波探傷是通過(guò)探頭產(chǎn)生和接收超聲波的,探頭的核心元件是薄片狀壓電晶體,通常稱為壓電晶片。探傷儀發(fā)射電路產(chǎn)生的高頻電脈沖加于探頭時(shí),激勵(lì)壓電晶片發(fā)生高頻振動(dòng),產(chǎn)生超聲波。產(chǎn)生的超聲波經(jīng)耦合后傳入被測(cè)試品中,遇到異質(zhì)界面處,就會(huì)全部或部分被反射,反射回來(lái)的超聲波又被探頭接收,通過(guò)儀器內(nèi)部的電路處理,在儀器的顯示屏上就顯示出不同高度和有一定間距的波形,根據(jù)波形的變化特征,判斷缺陷在被測(cè)試品中的深度、長(zhǎng)度和類(lèi)型。
4 支柱瓷絕緣子爬波探傷方法的研究
4.1 支柱瓷絕緣子檢測(cè)的重點(diǎn)
從支柱瓷絕緣子損壞情況來(lái)看,通常在鑄鐵法蘭和瓷絕緣子的結(jié)合部。這里也是支柱瓷絕緣子應(yīng)力最集中、最容易產(chǎn)生裂紋和發(fā)生斷裂的區(qū)域。該區(qū)域的顯著特點(diǎn)是水平跨距較小,約為20mm~50mm。此處一般有部分砂層覆蓋,扣除探頭無(wú)法放置的砂層過(guò)渡區(qū)后,跨距至多為20mm所以本此研究檢測(cè)的重點(diǎn)是支柱瓷絕緣子在埋藏在法蘭口內(nèi)側(cè)2~3mm或與瓷體相交的表層下的裂紋。
4.2 爬波探頭功能
爬波僅僅對(duì)距表面深度1~8mm內(nèi)缺陷有效。應(yīng)調(diào)整e角度盡可能找出最大索范圍。試驗(yàn)表明回波聲速快距離始脈沖較近,同時(shí)橫波聲速僅為爬波的1/2,由橫波產(chǎn)生的信號(hào)在時(shí)間基線上位置明顯滯后,因此不會(huì)干擾檢測(cè)。
4.3 爬波探頭的選擇及位置
探頭的弧度劃分為φ100、φ120、φ140、φ160、φ180、φ200、φ240以及平面等8種規(guī)格。選擇探頭的原則是根據(jù)被探支柱瓷絕緣子的外徑選擇,探頭接觸面的弧度應(yīng)略大于瓷件的外徑。同時(shí)要注意被檢測(cè)瓷件的材質(zhì),選擇同類(lèi)別的試塊和探頭。
4.4 耦合劑的規(guī)定
應(yīng)采用良好的耦合劑,必須保持耦合劑的清潔,且耦合劑不得對(duì)支柱絕緣子造成腐蝕等不良影響。
4.5 探傷試塊的規(guī)定
探傷試塊材質(zhì)的致密性應(yīng)良好,應(yīng)具有與被檢測(cè)的支柱絕緣子相同或相近的聲學(xué)性能。探傷試塊形狀為圓形實(shí)心瓷件,其上有均布4個(gè)方向的深度分別為1mm、3mm、5mm、7mm的人工割口缺陷。
4.6 測(cè)試方法
首先選擇合適的探頭,利用標(biāo)準(zhǔn)試塊,用1mm人工割口繪制DAC曲線,DAC曲線將作為標(biāo)準(zhǔn)和所測(cè)波形來(lái)判斷被測(cè)試品中是否有缺陷。在檢測(cè)過(guò)程,探頭與瓷件之間必須填充耦合介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)聲能的傳遞。耦合劑在瓷件與探頭接觸面上具有排除空氣,填充不平的凹坑和間隙,此外耦合劑還有減少摩擦、方便移動(dòng)的功能。若支柱瓷絕緣子出現(xiàn)缺陷時(shí),缺陷波前基本無(wú)雜波,移動(dòng)探頭時(shí),隨著缺陷距離的迫近,缺陷波高顯著增強(qiáng),此時(shí)可采用絕對(duì)靈敏度測(cè)定其指示長(zhǎng)度。
4.7 爬波探傷靈敏度的確定
將探頭置于試塊,找出距探頭前沿20mm深度2mm模擬裂紋的最強(qiáng)反射波,調(diào)整至80%波高,將探頭置于支柱絕緣子的探測(cè)面,如果是普通瓷應(yīng)在此基礎(chǔ)上衰減6~8dB,中強(qiáng)瓷衰減8~10dB,高強(qiáng)瓷衰減12~14dB,即為探傷靈敏度(探傷部位如果已經(jīng)涂刷防水膠時(shí)應(yīng)在確定探傷靈敏度后再增益5~6dB)。
4.8 掃查方式
環(huán)繞支柱絕緣子徑向旋轉(zhuǎn)掃查。
4.9 爬波探傷缺陷的評(píng)定
采用爬波檢查外壁缺陷時(shí),顯示屏始脈沖后基本無(wú)雜波,缺陷信號(hào)容易識(shí)別,指示長(zhǎng)度易測(cè)定,掃查時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況:第一種情況是外壁缺陷反射波高≤深度1mm模擬裂紋反射波高,此時(shí)應(yīng)以用于指示長(zhǎng)度,當(dāng)指示長(zhǎng)度>10mm時(shí)應(yīng)判定為裂紋,<10mm時(shí)應(yīng)判定為點(diǎn)狀缺陷。第二種情況是當(dāng)缺陷反射波高>深度1mm模擬裂紋反射波高時(shí),當(dāng)長(zhǎng)度5 支柱瓷絕緣子的運(yùn)行維護(hù)
(1)判斷瓷瓶質(zhì)量好壞正確與否,很大程度上取決于探傷人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),除了加強(qiáng)工作人員的探傷技術(shù)培訓(xùn),還必須清楚絕緣子的制造工藝,熟悉缺陷的產(chǎn)生機(jī)理。
(2)在停電時(shí)間允許的情況下,要結(jié)合爬波和縱波兩種方法對(duì)支柱瓷絕緣子內(nèi)部的缺陷進(jìn)行全面檢測(cè)。
(3)對(duì)運(yùn)行中的高壓支柱瓷絕緣子,在設(shè)備檢修和運(yùn)行中,應(yīng)認(rèn)真檢查,正確操作,嚴(yán)禁蠻力操作。
(4)為了進(jìn)一步了解支柱瓷絕緣子的狀況,應(yīng)建立測(cè)試臺(tái)帳及相關(guān)管理制度,確定合理的測(cè)試周期,做到心中有數(shù),為升壓站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保證。
(5)支柱瓷絕緣子的超聲探傷檢測(cè)周期:一是更換支柱瓷絕緣子時(shí)。二是對(duì)新投運(yùn)的支柱瓷絕緣子,在投運(yùn)一年內(nèi)進(jìn)行一次普測(cè),測(cè)試報(bào)告存檔。三是運(yùn)行15年及以上的支柱瓷絕緣子檢測(cè)周期為3年。四是運(yùn)行15年以下的支柱瓷絕緣子檢測(cè)周期為6年。五是對(duì)停電困難的母線的支柱瓷絕緣子、母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)支柱瓷絕應(yīng)創(chuàng)造停電條件對(duì)支柱絕緣子進(jìn)行檢測(cè)。
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(作者單位:大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司)