X射線數(shù)字成像無損檢測技術(shù)在GIS設(shè)備維護檢測中的應(yīng)用分析

上海電力安裝第二工程有限公司 周燁斌

GIS是電網(wǎng)輸配環(huán)節(jié)中的重要設(shè)備之一，其運行安全穩(wěn)定可靠是保障電力輸送的基礎(chǔ)，國家能源局、國家電網(wǎng)公司及各地電力公司近幾年都在不斷加大、加強對電網(wǎng)設(shè)備運行監(jiān)督及檢查的力度，其中對于GIS設(shè)備的監(jiān)督檢測也是重點環(huán)節(jié)之一。GIS設(shè)備檢測的常用方法有超高頻（UHF）局部放電檢測、超聲波局部放電檢測和SF6氣體分解檢測等，并被廣泛用于發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絕緣缺陷。然而這些方法都是間接檢測，在未發(fā)生局部放電時無法準確診斷其內(nèi)部的物理缺陷。這種情況下，X射線數(shù)字成像技術(shù)可通過非接觸的無損檢測方法，觀察帶電運行條件下電氣設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常。射線數(shù)字成像檢測可直觀地發(fā)現(xiàn)缺陷的嚴重程度，無論是否存在局部放電，從而實現(xiàn)GIS無需斷電的可視化檢測，提高設(shè)備運行狀態(tài)的診斷能力。

1 研究的前提

近年國家相關(guān)部門陸續(xù)頒布了GB/T 40385-2021《鋼管無損檢測 焊接鋼管焊縫缺欠的數(shù)字射線檢測》等一系列數(shù)字射線檢測的標準，使得X射線數(shù)字成像技術(shù)在鋼管制造、航空領(lǐng)域、石化長輸管道檢測中被慢慢應(yīng)用。

1.1 X射線數(shù)字成像的原理

數(shù)字射線檢測是在醫(yī)學領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其基本原理與常規(guī)射線檢測一樣，基本分為三個階段。

曝光。射線束透過被檢測工件時，由于被檢測工件對射線的吸收和散射等，使射線強度發(fā)生衰減。衰減程度與其所經(jīng)過的工件各部位的厚度、結(jié)構(gòu)及缺陷(即密度變化)等因素有關(guān)。從而形成了一幅與被檢工件相關(guān)的射線強度分布圖，即射線影像信息圖。而區(qū)別與常規(guī)射線檢測，數(shù)字射線檢測是將該射線影像信息記錄在由輝盡性熒光物質(zhì)制成的存儲熒光板上而非工業(yè)檢測膠片上，又稱影像板或成像板(即IP)上[1]。

圖像讀取（膠片處理）。常規(guī)射線檢測后，需要將曝光后的膠片拿到暗室進行顯影、定影等處理，烘干后的到了一張具有一定黑度的底片。而數(shù)字射線成像技術(shù)有所不同，IP板感光后在熒光物質(zhì)中形成潛影，然后將具有潛影的IP板置入全自動成像板掃描儀，激光束會對已曝光的IP板進行精細掃描讀取， 經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，在監(jiān)視器熒光屏上顯示出圖像。

缺陷判別。常規(guī)射線檢測中，技術(shù)人員通過把底片放到強光燈前，通過肉眼對底片中的黑度變化進行觀察，從而確定缺陷的位置、大小等信息。而數(shù)字射線檢測中，數(shù)字圖像可導(dǎo)入專業(yè)的計算機分析軟件，對圖片的各種參數(shù)可進行修正，且自動識別功能可輔助技術(shù)人員更快更準確的定位并識別缺陷。

1.2 X射線數(shù)字成像優(yōu)勢

數(shù)字射線成像技術(shù)，由于其特點使得對比傳統(tǒng)常規(guī)射線檢測具有較大的優(yōu)勢，更加有利于發(fā)現(xiàn)并對缺陷進行判定分析。數(shù)字射線檢測與常規(guī)射線檢測的對比如下：

表1 數(shù)字射線檢測與常規(guī)射線檢測的對比

2 檢測系統(tǒng)搭建及可行性試驗

2.1 實驗平臺建設(shè)

考慮到GIS設(shè)備現(xiàn)場檢測的應(yīng)用情況，本次搭建的X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的主要設(shè)備如下：

GOLDEN便攜式脈沖X射線機。外形尺寸：L44.5×W13.5×H21.6cm，每個脈沖劑量4～7mR，焦點尺寸2mm，最大電壓300kV，電流0.632mA；脈寬50ns，工作環(huán)境溫度-23～50℃；CRxVision掃描儀及成像板。掃描分辨率：標準(SR)70μm/高(HR)35μm，空間分辨率：標準(SR)80μm(625LP/mm)/高(HR)40μm(125LP/mm)，掃 描 寬 度7～35 cm、長度2～150cm，速度(10×40cm)：標準(SR)90張/小時/高(HR)28張/小時，成像時間：標準(SR)40sec/高(HR)147sec，位深16Bit，工作環(huán)境溫度15～35℃；Rhythm圖像處理軟件。DICONDE國際通用的工業(yè)數(shù)字射線數(shù)據(jù)格式，滿足標準的要求、兼容性和共享性。一鍵式矢量濾鏡(Flash)、ROI濾鏡、窗口濾鏡等，使圖像一鍵優(yōu)化到最佳效果?？缮壍能浖Y(jié)構(gòu)設(shè)計，能進行長度、角度、面積、深度等多種測量，可注釋、標記等。

2.2 可行性試驗（SF6電離試驗）

由于X射線的能量較高，可能使GIS內(nèi)部的SF6氣體電離進而分解，一旦發(fā)生會嚴重降低GIS的內(nèi)部絕緣、甚至導(dǎo)致安全事故。因此在開展本次研究前，首先要進行X射線對SF6的電離影響，以確保該方法的可行性。

X射線照射后的耐壓試驗：圖1顯示了填充有0.4MPaSF6的試驗工具的設(shè)計，以及直徑為150mm、倒角為30mm的平板電極，其設(shè)計用于獲得耐壓試驗的穩(wěn)定值。電極之間的間隙約為5mm。綜合分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，X射線輻照后，擊穿電壓波動不大，基本維持在114kV，考慮到擊穿電壓本身的偶然性，推斷SF6的擊穿電壓，X射線照射后基本保持不變。實際上，在GIS的X射線數(shù)字成像檢測中，X射線輻照通常小于3分鐘，因此可認為X射線輻照對SF6的耐壓沒有影響。

圖1 測試工具的圖紙和平板電極的圖片

SF6絕緣氣體經(jīng)X射線照射后的離解試驗：為防止GIS設(shè)備中SF6氣體在X射線檢測中的分解，測試了不同管電壓水平下X射線輻照對SF6的影響。試驗中使用SF6分解產(chǎn)物檢測器（精度為±0.1uL），使用光譜儀對每個電壓水平下的氣體成分進行了初步測量和記錄，然后在相應(yīng)的管電壓下進行1/3/5/7分鐘的X射線輻照，之后再次測量并記錄氣體的成分。接下來更換氣體，并在其他管電壓水平下進行輻照[2]。通過對結(jié)果的比較，表明新型SF6氣體的固有成分CFA含量極低，且CF4的濃度不隨X射線輻照的持續(xù)時間和管電壓水平的增加而增加。由試驗可知，在300kV管電壓下，X射線照射7min后SF6未發(fā)生離解。

3 GIS設(shè)備X射線數(shù)字成像檢測試驗

本次模擬了四種常規(guī)檢測無法有效判定的缺陷，而這些缺陷可能是在安裝過程中產(chǎn)生的，也可能是設(shè)備制造過程中或長期運行老化造成。而這些問題如果不能在前期有效被識別加以控制和修復(fù)，可能會造成較為嚴重的后果。

3.1 游離金屬顆粒

模擬了X射線數(shù)字成像對GIS中的金屬顆粒的檢測。設(shè)定典型的柱狀銅顆粒，直徑分別為1.3mm和0.11mm，長度分為1mm、3mm和5mm。X射線數(shù)字成像結(jié)果可看出，兩種直徑的金屬顆粒可清晰成像，成像結(jié)果與顆粒的大小成正比。但直徑為0.11mm、長度為1mm的金屬顆粒沒有清晰成像。通過比較3mm和5mm柱狀顆粒的長度，發(fā)現(xiàn)直徑為0.11mm的金屬顆粒的長度仍處于相應(yīng)的比例。實踐證明，利用X射線數(shù)字成像技術(shù)可很好地檢測到游離金屬顆粒。

圖2 自由金屬顆粒

3.2 片狀游離顆粒

現(xiàn)場安裝期間通常使用金屬和橡膠墊圈，GIS設(shè)備中可能會混入這些雜物。為了測量片狀自由顆粒的X射線數(shù)字成像質(zhì)量，我方模擬了金屬和非金屬片狀顆粒的X射線數(shù)字成像檢測試驗。可顯示金屬及非金屬片狀顆粒，考慮到GIS設(shè)備現(xiàn)場安裝過程中使用的墊片厚度通常超過1mm，利用X射線數(shù)字成像技術(shù)可清晰地檢測出設(shè)備內(nèi)漏掉的片狀顆粒[3]。

3.3 吸附劑和蓋子

GIS設(shè)備殼體中填充的SF6氣體中通常含有水分，當水的體積分量超過一定限值時會影響到設(shè)備的絕緣，為了吸收SF6氣體中的水分，GIS內(nèi)部的吸附劑槽中會加入吸附劑。吸附劑槽通常由不銹鋼制成。一些制造商使用塑料槽以降低成本。然而，塑料材料的熱膨脹系數(shù)遠大于金屬材料的熱膨脹系數(shù)。當溫度變化較大時，GIS金屬罐和塑料吸附劑槽的熱膨脹和收縮程度變化較大，使蓋容易老化和損壞。事實證明，如果吸附劑槽發(fā)生故障，吸附劑脫落，將導(dǎo)致GIS內(nèi)部放電故障，有必要對槽材料進行檢測和區(qū)分，從而消除塑料槽的缺陷。

對于金屬吸附劑槽，輪廓和網(wǎng)格清晰，但吸附劑不明顯。這是因為吸附劑槽較厚，不銹鋼密度較大，增加了X射線穿透的難度和吸附劑槽的對比度。由于采用鑄造工藝，蓋無棱角，根據(jù)上述特點，在利用X射線數(shù)字成像技術(shù)進行可視化檢測時，可清晰地識別GIS中吸附劑槽的材質(zhì)，調(diào)查隱患。解決了吸附劑罩的缺陷難以有效識別和判斷的問題，為設(shè)備狀態(tài)檢修提供了強有力的技術(shù)支持。此外，還避免了設(shè)備斷電和盲目拆卸檢查[4]。

3.4 松開的金屬螺釘

GIS殼體內(nèi)的各個部件及分部設(shè)備通過螺栓固定在殼體內(nèi)的各個結(jié)構(gòu)部位，螺栓松動已成為GIS設(shè)備的重要缺陷之一。螺栓松動會導(dǎo)致對準和接觸不良，導(dǎo)致接觸面過熱和浮金屬放電等。在X射線數(shù)字成像下可看到螺栓松動缺陷。輕微松動的螺栓可在短時間內(nèi)繼續(xù)帶電運行，但墊圈已松動，可能導(dǎo)致浮動放電。長期運行后，將危及設(shè)備的安全。

4 結(jié)語

本次的研究試驗，通過采用X射線數(shù)字成像技術(shù)（CR）對GIS設(shè)備內(nèi)部的人工模擬缺陷進行檢測試驗分析，得出的數(shù)據(jù)有助于改進和指導(dǎo)該技術(shù)在現(xiàn)場工況下的實際應(yīng)用。

搭建了包括CR數(shù)字成像系統(tǒng)和GIS模型在內(nèi)的實驗平臺，設(shè)計了可在一定壓力下填充SF6的GIS設(shè)備測試工裝。在不同管電壓下對SF6進行X射線輻照后的耐壓試驗和解離試驗，表明SF氣體的分解特性和耐壓不受影響；采用X射線數(shù)字成像方法檢測常見缺陷，包括不同種類的游離顆粒、不同材料的吸附劑蓋和松動的金屬螺釘，并獲得圖像結(jié)果。自由粒子的清潔度的下限參數(shù)為直徑為0.11mm，長度為3mm。在X射線數(shù)字成像下，可清楚地分辨GIS中吸附劑槽的材料，并且可看到GIS中松動的金屬螺釘；分析了大量缺陷實例，將缺陷分為三個等級，并給出了不同缺陷下的X射線檢測標準。

本研究進一步證明了X射線數(shù)字成像技術(shù)在GIS內(nèi)部缺陷檢測中的有效性。在未來，將對不同類型的缺陷進行更多的實驗。