X射線探測在輸電線路碳纖維導線中的應用

徐志偉, 陸桂來，朱 波，王永偉，曹偉偉

(1.揚州浩辰電力設(shè)計有限公司，江蘇 揚州 225000； 2.中國能源建設(shè)集團南京線路器材有限公司，南京 210000； 3.山東大學 材料科學與工程學院, 濟南 250061； 4.天津工業(yè)大學 材料科學與工程學院，天津 300160)

0 引 言

碳纖維復合芯導線具有強度高、重量輕、無污染、跨距大等優(yōu)點。在輸電線路中使用碳纖維復合芯導線，可使鐵塔跨距增大、高度降低、結(jié)構(gòu)更趨緊湊并減少線路走廊用地。對于有增容需求的舊線路改造，使用碳纖維復合芯導線代替舊導線，既不用增加土地占用，又縮短了施工周期，節(jié)省線路綜合造價。由于碳纖維的優(yōu)異物理和機械性能主要體現(xiàn)在纖維方向上，而在徑向上略顯薄弱，因此由其制成的導線在抗剪切、抗壓及抗扭轉(zhuǎn)方面較之金屬有一定差異。這就使得導線在芯棒生產(chǎn)加工和絞線、金具壓接以及掛線施工過程中,如果未嚴格按照規(guī)范要求操作，尤其是當生產(chǎn)和施工人員未接觸過專業(yè)培訓，還是按傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線的生產(chǎn)和掛線模式進行操作時,易導致內(nèi)部芯棒受損。因外層鋁絞線的存在，操作人員很難直觀地發(fā)現(xiàn)。如果受損的導線直接掛網(wǎng)，將會存在很大的安全隱患，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。

隨著碳纖維導線在國內(nèi)大面積的普及，減少芯棒受損并對架線導線進行實時、有效的性能評估已經(jīng)成為研究重點，無損檢測技術(shù)的應用倍受廣大科研人員的關(guān)注。X射線檢測技術(shù)可以透過表層鋁導體獲得內(nèi)層芯棒圖像，以此來判別芯棒的受損情況，對保障碳纖維復合芯導線的安全可靠運行具有重大的工程意義。

1 X射線無損檢測的特點及原理

1.1 X射線無損檢測

X射線具有極強的穿透能力，X射線在穿越被測工件過程中，其射線能量逐漸較少。相比一般的破壞性檢測手段而言，X射線無損檢測具有如下優(yōu)點：

1)檢測無損傷。采用X射線檢測無需“解剖”工件，同時，X射線穿透工件也不會對材料的使用性能造成影響。

2)全覆蓋?？梢愿鶕?jù)需要對被測對象進行全面或者局部檢測，在檢測過程中也可以翻轉(zhuǎn)移動被測對象進行360°全方位檢測。

1.2 X射線無損檢測的原理

X射線無損檢測數(shù)字化受到越來越多的關(guān)注，在新產(chǎn)品開發(fā)、新技術(shù)的應用研究中日益廣泛應用。X射線照相基本原理如圖1所示[1]，X射線機發(fā)射X射線，X射線穿透工件，由圖像設(shè)備持續(xù)不斷地獲得工件的內(nèi)部圖像，經(jīng)過計算機對視頻信號進行處理，最終可以顯示工件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷狀態(tài)[2]。目前該技術(shù)已經(jīng)用于醫(yī)療、航天、汽車等眾多行業(yè)。

圖1 X射線照相原理圖

2 檢測設(shè)備的選擇

X射線無損檢測可以分為高能工業(yè)CT、平面CT和便攜式X射線成像機等。高能工業(yè)CT采用功能強大的高頻恒壓X射線源、數(shù)字成像探測器以及高精度機械檢測平臺，可以準確顯示被檢測工件的CT斷層及三維圖像，并且具備二維實時成像功能，具有性價比高、圖像清晰、檢測速度快、檢測精準等諸多優(yōu)越性，廣泛用于航空、軍事、IT、機械、鑄造、汽車等行業(yè)的無損檢測中[3-6]。平面CT是對板狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部質(zhì)量狀態(tài)與結(jié)構(gòu)信息進行檢測的專用工具，可用于PCB板、BGA、集成芯片等板狀結(jié)構(gòu)的高分辨成像的質(zhì)量評定與分析。重構(gòu)出掃描區(qū)三維斷層圖像，實現(xiàn)對板狀結(jié)構(gòu)檢測器件及板狀電器器件制造缺陷的空間定位，實現(xiàn)對板狀電器部件及元器件電路圖的CAD 設(shè)計。這兩種設(shè)備具備成像精確的優(yōu)點，可以輕易觀察產(chǎn)品的缺陷情況，但是，這兩種設(shè)備體積龐大且沉重，攜帶十分不便，使用時需要接入標準供電電源，設(shè)備運行時輻射較大，不適宜長期使用[7-8]。

X射線探傷儀輕便易攜帶且功能齊全，可滿足戶外復雜施工工況的需要。并且，便攜式X射線探傷儀輻射劑量小，能夠保證使用者的長期生命安全。便攜式X射線探傷儀可以連續(xù)輸出被測工件的內(nèi)部圖像，將其顯示在監(jiān)視器上，同時也可以使用多種遠程傳輸方式采集、存儲、觀測、查詢圖像，避免了設(shè)備運行過程中對使用者的輻射傷害。

3 檢測效果分析

碳纖維材料是一種X射線穿透性能良好的新材料，在X射線探傷儀探測下，碳纖維材料與鋁絲的對比性不明顯，同時碳纖維復合芯導線的鋁層厚度較高，并且便攜式探測儀自身功率偏小，這些均會減小芯棒的顯像效果，如果直接采用X射線探傷儀對碳纖維復合芯導線進行無損探傷，得到的圖像如圖2(a)所示?？梢钥闯鎏祭w維芯棒和鋁線的分層效果并不理想，即便在高功率X射線的探測下，也僅能模糊看出灰暗的整體圖像，難以分辨出鋁線的內(nèi)側(cè)情況。這是由于鋁導線的遮擋導致檢測的圖像不能分層顯示，不能起到檢測的目的。

基于上述問題，在碳纖維復合芯棒的加工過程中，在環(huán)氧樹脂體系中加入一定濃度的特殊顯影劑，然后將碳纖維和玻纖纖維在環(huán)氧樹脂膠槽中充分浸透，通過特制的加熱模具控制芯棒的直徑，最后經(jīng)過高溫加熱爐固化成型。加入了顯影劑的芯棒在X射線下有良好的顯影效果，并且不影響芯棒的使用性能，可用于新建線路和增容改造線路。如圖2(b)所示，改性后芯棒在X射線下的效果較明顯。如圖3所示，在保證芯棒性能的基礎(chǔ)上，改性濃度越高，其改性效果越明顯。由圖4可以看出，在X射線下，經(jīng)過顯像劑處理后的碳纖維復合芯棒可以在內(nèi)外襯管內(nèi)表現(xiàn)出很好的顯影效果，這有利于判斷在金具安裝過程中的芯棒的損傷情況。碳纖維復合芯導線在戶外長期運行過程中，其最為薄弱的地方是金具和碳纖維芯棒相接觸的附近區(qū)域。

除使用顯影劑外亦可選用密度高于鋁的金屬網(wǎng)復合在導線芯外以提高其顯影效果。如圖5所示，可清晰看到中部的損壞情況。

圖2 碳纖維導線改性前后X射線檢測圖像對比

圖3 不同濃度改性樹脂效果圖(中間濃度最高)

圖4 內(nèi)外襯管的芯棒檢測圖像

圖5 導線中的芯棒破壞情況

4 結(jié) 語

通過對X射線無損檢測理論的工程應用，解決了架空線路碳纖維復合芯導線和金具質(zhì)量現(xiàn)場檢測的難點。在碳纖維復合芯棒中加入顯像劑，并開展了試驗研究，為X射線檢測技術(shù)應用于碳纖維導線施工提供了有力支撐，為碳纖維導線及金具安裝的缺陷預防提供了技術(shù)保障，對于碳纖維導線的安全運行有重要的工程意義。