輸電線路耐張線夾X射線數(shù)字成像與相控陣超聲檢測對比分析

謝利明，張濤，王海學

（內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司內(nèi)蒙古電力科學研究院分公司，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用十分普遍。耐張線夾的主要作用是固定輸電導線，以承受導線張力，并將導線固定在耐張串組或桿塔上，其壓接質(zhì)量及可靠性直接關系到輸電線路的安全運行[1]。特別是對于跨越高速公路、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)量的可靠性對其他基礎設施及輸電網(wǎng)絡的安全影響更大[2]。

本文以高壓架空輸電線路耐張線夾為研究對象，對其進行相控陣超聲檢測和X射線數(shù)字成像檢測（X-ray Digital Radiography，DR），并對檢測結(jié)果進行對比分析，得出在不同壓接缺陷狀態(tài)下耐張線夾相控陣超聲檢測圖譜與DR檢測圖譜的不同特征，以及兩種檢測方法相對于不同類型耐張線夾檢測時的特點及優(yōu)勢，為精確開展輸電線路耐張線夾壓接質(zhì)量的在役檢測和評價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線，以承受導線張力。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號區(qū)域）、鋼錨與鋼芯壓接部位（Ⅱ號區(qū)域）及鋁管與導線壓接部位（Ⅲ號區(qū)域）等三個直接關系耐張線夾壓接質(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物圖見圖1，壓接結(jié)構見圖2。

圖1 耐張線夾實物Fig.1 Strain clamp

圖2 耐張線夾壓接結(jié)構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，其有限元分析模型見圖3。模型采用四面體單元，網(wǎng)格節(jié)點129 355個，網(wǎng)格64 955個。主要模擬耐張線夾在承受架空導線自重產(chǎn)生的軸向拉應力狀態(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號區(qū)域）的端口處承受的應力最大[2]；此外，在鋁管與鋼錨壓接部位（Ⅰ號區(qū)域）及鋁管與導線壓接部位（Ⅲ號區(qū)域）也均承受較高水平的應力。上述部位的壓接質(zhì)量在耐張線夾整體壓接質(zhì)量中起到關鍵作用，因此在壓接質(zhì)量的無損檢測中應重點關注[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檢測與評價

DR技術是目前較為先進的數(shù)字成像檢測技術，具有成像質(zhì)量高、速度快、檢測結(jié)果直觀等優(yōu)勢，可對各類金屬設備內(nèi)部結(jié)構、缺陷進行透視檢測，且能實現(xiàn)實時檢測成像。DR檢測系統(tǒng)主要由X射線機、X射線探測平板和采集處理計算機組成[6-7]，本文所用DR檢測系統(tǒng)型號為ERESCO 65MF4，其實物圖見圖4。

圖4 DR檢測系統(tǒng)實物Fig.4 DR detection system

對制作的含有各種壓接缺陷的輸電導線耐張線夾進行DR檢測及評價。通過對缺陷試樣的DR檢測，得到耐張線夾各種缺陷的DR圖譜，見圖5。圖中紅線框標注范圍為含有壓接缺陷的部位。DR檢測所選用的透照電壓120 kV，透照電流1.5 mA，曝光時間1.5 s，透照距離500 mm[8]。

從圖5可以看出，利用DR檢測技術可實現(xiàn)直觀、準確地檢測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與評價

3.1 專用掃查器設計研制

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

圖6 耐張線夾相控陣超聲檢測專用掃查器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、耦合導軌、掃查導軌、直線導軌編碼器和工件固定夾構成。換能器配置了3支16晶片相控陣探頭，檢測時每個探頭耦合一個壓接平面，即3支探頭同時可以耦合檢測3個相鄰的壓接平面，耦合導軌上設計有壓力彈簧，能夠?qū)μ筋^施加軸向的壓力，將探頭壓在被檢平面上，確保每個探頭與檢測平面的良好耦合，以獲得清晰準確的相控陣圖譜。掃查導軌為探頭提供線性掃查路徑，可同時滿足編碼器的定位需求，實現(xiàn)缺陷的準確定位。

3.2 檢測工藝制訂

本文采用Phascan PA32/128型相控陣超聲檢測平臺，該設備具有相控陣超聲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，可實現(xiàn)工件的快速掃描成像。配合開發(fā)的針對耐張線夾檢測專用的掃查器，對制作的含有各種類型壓接缺陷的耐張線夾試樣進行相控陣超聲檢測及評價。檢測時，采用3個5L10-0.5*6探頭縱波線性掃查方式，3通道同時進行數(shù)據(jù)采集與顯示，配合直線導軌式編碼器，可完成對耐張線夾壓接部位3個壓接面的一次性檢測，獲取連續(xù)性C掃描圖譜。

3.3 檢測結(jié)果分析

通過對耐張線夾試樣檢測，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號區(qū)域）、鋼錨與導線鋼芯壓接部位（Ⅱ號區(qū)域）及鋁管與導線壓接部位（Ⅲ號區(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圖譜Fig.7 Detection spectrum of strain clamp phased array

3.3.1 檢測結(jié)果

從圖7（a）可以看出，對于Ⅰ號區(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個檢測面上各個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，超聲波無法到達鋼錨凹槽，在C掃描圖中就會缺失對應位置的凹槽回波顯示。對于鋼錨與導線鋼芯壓接部位的檢測，因在線夾完全壓接完成后，Ⅱ號區(qū)域鋁管與鋼錨不進行壓接，之間存在空腔，無法進行相控陣超聲檢測，所以該位置的檢測只能在壓接施工過程中鋼錨與導線鋼芯壓接后進行，無法實現(xiàn)在役檢測。對于Ⅲ號區(qū)域鋁管與導線壓接質(zhì)量的檢測，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)單絲導線與導線間隙的正?；夭@示，證明鋁導線未發(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)，說明鋁管內(nèi)鋁導線存在大面積空腔，導線發(fā)生了斷股或壓接不良。

3.3.2 檢測時需注意的問題

從圖7可以看出，利用超聲相控陣檢測技術對耐張線夾的各壓接區(qū)域進行檢測，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，要求探頭與檢測面耦合良好，而耐張線夾壓接過程中相鄰兩模之間重疊部位形成的凸臺會在一定程度上影響探頭的耦合效果，進而影響圖譜的精確程度，因此應該在檢測前對檢測面進行適當機械打磨。

對于模具壓接的前、后端邊緣區(qū)域，由于相控陣探頭放置位置受限，因此對于壓接邊緣的一些細節(jié)信息的反映會有所缺失。例如，當鋁管只與鋼錨的一個凹槽有效壓接時，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，檢測得到的圖譜中會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，當鋁管與鋼錨的兩個凹槽有效壓接時，第二個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，檢測得到的圖譜中會顯示只有一個凹槽與鋁管實現(xiàn)了有效壓接。

此外，對于薄壁結(jié)構，例如本試驗所采用鋼錨與導線鋼芯壓接的鋼管部位，該部位壓縮變形前的壁厚為5 mm，進行液壓壓接后，其壁厚會減薄至低于4 mm，當探頭始波占寬較大時，會在一定程度上影響檢測結(jié)果的準確度。

4 兩種方法對比分析

對比分析DR檢測與相控陣超聲檢測過程和結(jié)果，可以看出，DR檢測結(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)，也是目前主要應用的在役“三跨”輸電線路耐張線夾檢測的無損檢測技術。但是DR檢測技術也具有一定不足。首先，DR檢測設備較笨重，懸空檢測時，因受導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)人員只負責X射線透照，數(shù)據(jù)的采集和分析需由地面人員完成，導致兩個工藝流程配合不佳，檢測質(zhì)量下降；再次，DR方法具有輻射危害，對環(huán)境及檢測人員不友好。在現(xiàn)場檢測中，由于登塔后高空作業(yè)條件限制，檢測人員往往無法進行有效的輻射防護[9]。

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