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支柱绝缘子及瓷套超声波探伤工艺方法

支柱绝缘子及瓷套是发电厂和变电站运行的重要组成设备,起着支撑导线和绝缘作用,由于支柱绝缘子是高温烧结成的电瓷产品,如果在制作过程中配方不当,工艺流程中原料混合不均匀,均易形成瓷件内部缺陷,由于没有固有的形变能且韧性极低,在长期承受运行中的机械负荷,以及大风、雨雪等,从而使附加应力增大,若支柱绝缘子存在微小缺陷,就可能造成破坏。因此,为确保北京军区电网的安全运行,北京军区***先生、华海恒辉赵继珍先生共同协作,开展了对支柱绝缘子的超声探伤检测研究,制定了《北京军区瓷瓶工艺的研究》,对防止运行中突然断裂具有重要意义。
1.1支柱绝缘子及瓷套的组织特点
成品绝缘子及瓷套是采用白瓷、金具和水泥等多种材料组合而成的,瓷体主要由粘土长石石英等铝硅酸盐原件混合配制,加工成一定形状后,在高温下烧结成的无机绝缘材料,瓷表面复盖了一层玻璃质平滑薄层釉。
陶瓷一般是通过将粉未原料成型,烧结而成的。经过这些工艺所制得的陶瓷,是由于许多微晶聚集的多晶体构成,这就不可避免的存在着晶界。晶界不仅在陶瓷烧结过程中起着重要作用,而且还对烧结体物理、化学性能有很大影响。
陶瓷的微观结构如图1(a)所示,是由微晶、晶界、晶界析出物、晶界气孔、晶粒内析出物、晶粒内气孔等构成的。构成陶瓷主成分的微晶尺寸,一般由1微米*几十微米,结晶轴方是任意的,微晶直径与原料颗粒直径、杂质、烧结条件有关。陶瓷晶界有位错、空孔等晶格缺陷和晶格畸变存在。因而杂质容易集中,形成图1(b)、(c)、(d)所示的晶界偏析层、层状析出物等。
1.2晶界偏析层一般将在晶界由偏析的杂质离子所形成的层称为晶界偏析层。晶界偏析层厚度由20埃*1微米。在晶界,因为形成远远超过一般固溶界限的固溶。所以,可以发现与结晶内部晶相明显不同的物质。
1.3层状析出物在含有杂质特别多而超过固溶界限时,杂质作为另外的结晶相在晶界析出。这种析出物有层状和粒状之分。层状析出物通常由液相烧结所造成。晶界析出物的溶点比陶瓷的烧结时温度低,产生液相烧结。在液相的浸润性良好时,完全浸透微晶晶界,各个微晶被液相包围,形成层状偏析层。

(a)陶瓷的典型微观结构:(b)晶界偏析层;(c)层状析出物;(d)粒状析出物

1.4粒状析出物杂质的量超过结晶固溶量,其熔点比烧结温度高时,杂质呈粒状在晶界析出。MgO作为添加剂可用于透明氧化铝陶瓷,但如添加量较多,则会在晶界析出MgAL2O4,从而降低透光性。由此可以看出陶瓷材料的特点是显微组织复杂且不均匀。

传统检测方法存在的问题和本课题研究方向
2.1传统方法中有采用爬波等进行支柱绝缘子探伤的报导,从实际需要检测的部位分析:
1.由于支柱绝缘子与瓷套重点探测的部位恰为铸铁法兰与瓷体相交附近的区域,该区域的显著特点是水平跨距较小,约为15mm~50mm。此处一般有砂层覆盖,当扣除探头无法放置的砂层过渡区后,串连式爬波探头需要的*小跨距*少为20mm,由于探头表面积大,因此需要瓷体无变形无砂粒平稳面积较大,否则将导致接触不佳,影响缺陷定量。
爬波虽对近表面缺陷有检出能力,但对支柱绝缘子内部缺陷以及瓷套的内壁裂纹均无法检出,因此,不能依此对被检工件作**评价。
当采用爬波检查发现了缺陷信号,难于确定缺陷的性质。
2.2亦有采用纵横波等进行支柱绝缘子探伤的介绍,因受检测位置影响,仅可供部分瓷件的个别部位检查,无法做到**有效检验。且*今未见有关于专用标准试块,探头的研制,裂纹的定性、定量、定位的工艺方法研究以及在役带电检查方面的介绍。
2.2.1国内外亦有采用红外线,紫外线,激光等对绝缘子进行带电巡查的介绍,它们对瓷绝缘子串和支柱绝缘子的上部能见部分可能有效,原因之一是上部的感应电压高,但因受绝缘子表面的污秽程度,负荷、检测位置、辐射角度,方向、距离,天气,大气吸收,以及仪器等因素的综合影响,还不能使他们成为独立的无损检测方法应用于支柱绝缘子的检测。而本课题的研究重点是探测支柱绝缘子与瓷套埋藏在沿圆周铸铁法兰内侧或与瓷体相交的砂层下的裂纹,实践证明采用红外线,紫外线,激光等方法无法检测到这一部位。
2.3本课题的研究方向
2.3.1研制2.5 MHZ-超-微型并联式爬波探头。希望解决所有支柱绝缘子以及瓷套(外壁)裂纹的有效检测。
2.3.2采用数字式超声探伤仪对瓷套及支柱绝缘子试块模拟裂纹试块群进行测试,寻找出规律。
3.支柱绝缘子及瓷套超声波探伤工艺研究
3.1 支柱绝缘子及瓷套超声波探伤系列试块研制
3.1.1试块的选用
支柱绝缘子的检验必须借助于试块来测定专用探头的入射点和折射角等边。超声波探伤试块的合理与否,直接关系到测试结果的准确性。
钢质(JYZ)绝缘子及瓷套系列试块
用20#钢制作,按不同直径厚度支柱绝缘子及瓷套探伤的需要在试块上加工不同深度的ф1×25横孔,以及不同深度的线切槽(模拟裂纹)
图1JYZ-1型试块适用于Φ80、Φ100及相近直径的支柱绝缘子,

瓷套的校对测定
图2 JYZ-2型试块适用于 Φ120、Φ140mm及相近直径的支柱绝缘子及瓷套的校对测定。
图3JYZ-3型试块适用于 Φ140、Φ160及相近直径的支柱绝缘子与瓷套的校对测定。
3.1.1.2支柱绝缘子系列试块
采用Φ80、Φ100、Φ120、Φ140、Φ160mm五种规格的在役支柱绝缘子设计并加工出模拟裂纹试块群(切割裂纹)见图4*图8。在取得数千例实验数据的基础上,对支柱绝缘子进行合理的探伤分类。
由图4*图7可以看出支柱绝缘子的需要检测的部位是靠近铸铁法兰的末裙下,与铸铁结合处。
变压器与电流电压互感器、耦合电容器等瓷套的直径与壁厚如图8所示,由于它的开裂范围是位于瓷套的下部内壁或外壁,因此检查瓷套时要考虑内外壁均应检测。
支柱绝缘子插入法兰是采用水泥和砂浆将其牢固的粘接在一起,因此在结合处(即在放置超声波探头进行扫查的探测面上附有坚固且附着力很强的水泥砂浆区,从图4-7可以看出它们占有的宽度为5-15mm不等,一般为10mm左右,根据实测估算,已经占据了有效探测面的1/3-1/4.(这也是串联式爬波探头移动距离受阻的主要原因)。而且在探伤时是无法**的。
3.2.7支柱绝缘子及瓷套超声波爬波探头的研制

国内一些单位在爬波探伤研究方面做了很多工作,并且已经运用于支柱绝缘子的表面裂纹探伤,但由于采用的为串联式探头,体积偏大,导致部分支柱绝缘子及瓷套应该检查的部位无法放置探头,因而不能做到100%检验。
虽然爬波仅仅对表面和近表面缺陷有效,但对工程量较大的普查检验说来,仍不失为是一种快速的检验方法,为此,我们研制出微型并联式爬波探头解决了体积偏大这一难题。
微型并联式爬波专用探头的型貌及设计数据见下图
频率:2.5MHz 晶片尺寸:7 mm×10 mm×2
3.3 支柱绝缘子及瓷套的模拟裂纹试验
采用入射角5o-8o,2.5MHZ,5MHZ二种频率的纵波斜探头,以及爬波探头,五台不同型号的超声波探伤仪,实测支柱绝缘子试块及瓷套试块的内外壁模拟裂纹。
采用2.5MHZ,5MHZβl为10.5.o-12o纵波斜入射探头及五种不同型号仪器,部分支柱绝缘子试块群模拟裂纹缺陷实测情况见表3、4、5、6、7
采用2.5MHZ,5MHZβl为=16o-19.5o纵波斜入射探头对瓷套内壁模拟裂纹缺陷情况见表8、9、10、11、12、13
采用并联式爬波探头对瓷套外壁模拟裂纹缺陷实测情况见表14、15
采用并联式爬波探头对支柱绝缘子模拟裂纹缺陷实测情况见表16、17
从测试结果看:当模拟裂纹深度≤2mm时,采用5MHZ探头将导致分辨率下降,当模拟裂纹≥2mm时,采用5MHZ探头,此时的缺陷与底波的分辨率明显优于2.5MHZ探头。
平均分辨率>14db,裂纹反射波高度比φ1×25横孔波幅高度平均约高7db 。
3.3.1测试结果比较分析:
由于EPOCHIⅢ(2300)及USM25DAC数字式仪器对爬波的识别能力较差,因此,瓷套外壁及支柱绝缘子的模拟裂纹测试采用了模拟式ST-7型以及HS611型数字式探伤仪测定,测试结果表明,裂纹反射波高比深度1×25模拟裂纹波幅高度平均约高:ST-7;瓷套外壁为20db,支柱绝缘子为13db,HS611;瓷套外壁为23db,支柱绝缘子为23db
3.3.2波高比较系指裂纹反射波高度比Φ1×25横孔或深度1×25模拟裂纹波幅高度平均约高
3.3.3从试验结果可以看,当采用纵波斜入射方法检测时,裂纹与底波间的分辨率应是裂纹检出的关键,而EPOCHIⅢ(2300)及USM25DAC数字式仪器分辨率显然低于其他仪器2db -4 db。
当改变频率时,可以看出5MHZ比2.5MHZ分辨率高约2 db-4db。因此,应根据晶粒度选择探头频率。在可能的情况下,应尽可能选择较高频率,以提高缺陷的分辨率。、
应根据晶粒度选择探头频率,裂纹与底波间的分辨率应是裂纹检出的关健。判定缺陷的当量则根据Φ1横孔或深度1.0mm反射高度与缺陷反射波高度进行比较。
3.3.4采用爬波测定表面或近表面裂纹深度、
将探头置于与被探工件直径相近的JYZ试块的园弧面,对不同深度的模拟裂纹进行测试发现,当模拟裂纹深度8mm时,反射波高随模拟裂纹深度增加而增高,当模拟裂纹深度8mm时,反射波高随模拟裂纹深度增加而平稳下降,结果表明模拟裂纹在深度为1*6mm时反射波基本呈线性。测试情况见表18。
裂纹深度与波高关系曲线
3.3.5支柱绝缘子的探伤工艺方法研究
在役支柱绝缘子的检测重点范围确定:
支柱瓷体插入部分均约20mm,法兰端面的水泥砂浆胶结区,是在役支柱绝缘子重点检查的部位。
支柱绝缘子的几种型式
平直型:如图 13 所示,支柱绝缘子二侧铸铁法兰和**裙之间的有效跨距约为20mm~50mm,从图13可知探头折射角选择10o~12o,此时的折射角完全可以满足沿周向转动轴向扫查结合处及插入部分的范围。
小角度锥体型如图14所示,θ角一般为5o~6o,支柱绝缘子铸铁法兰和末裙间的距离约为17 mm ~55mm,探头折射角范围应为9°~11o
瓷套特点是空腹,且常规壁厚一般为20mm~50mm,由于探测面水平跨距相对较大,因此,外圆周表面裂纹等缺陷可以采用爬波检测,而内壁缺陷应根据水平跨距的变化采用折射角为16o~19.5o的纵斜波探头检查。
1. 纵波斜探头入射点的测定。
将探头置于试块曲面,移动探头找出圆弧*强反射波,此时探头与试块刻度对应处即为探头入射点。
纵波斜探头折射角的测定
将探头置于试块曲面,找出深40mmΦ1 mm横孔*强反射波,调整为80%波高,可以计算出纵波斜探头折射角。
3.纵波斜入射扫描速度及探伤灵敏度的测定。
将探头置于试块曲面,找出与被检瓷件直径或厚度相近的Φ1mm横孔*强反射波调整为80%波高衰减4-6db即为探伤灵敏度。扫描速度调整为比例1:1或者1:2。
4.爬波探头扫描速度及探伤灵敏度的确定
将探头置于相近试块曲面找出距探头前沿15mm,深1mm模拟裂纹反射波*强时调整为80%波高衰减10db即为探伤灵敏度,扫描速度调整为比例1:1或者2:1。
3.3.7支柱绝缘子直径与探测面水平跨距的确定
平直型和小角度的支柱绝缘子以及瓷套的内壁缺陷的水平跨距可由图11查出直径或壁厚、水平距离以及所采用的专用探头的折射角度,大角度的支柱绝缘子则应1:1作图核定折射角度。
3.3.8探头频率的选取:
实测证明,采用纵波斜入射方法时,支柱绝缘子在下述三种情况下应采用2.5MHZ的检测频率。
支柱绝缘子检测位置的直径>160mm。
5.缺陷的定位定量
5.1 缺陷的定位:
支柱绝缘子易断裂的部位是应力集中的铸铁法兰与瓷体的结合部,应该说它是有规律的,从作图法以及模拟裂纹实测均证实了缺陷波的落点均位于底波前。见图17
瓷套管外壁缺陷波的落点位置特别,它们的特点是缺陷波前无杂波,见图18
图17 支柱绝缘子模拟缺陷裂纹图18爬波检查瓷套管外
反射波形态壁深1mm模拟裂纹波形态
从图16和图17可以看出当模拟裂纹深度为1mm时,缺陷的反射讯号已相当强烈。
5.2 缺陷的判别:
5.2.1采用纵波斜入射探伤扫查时会出现三种情况,分析如下:
**种情况是 没有缺陷波,仅有孤立的底波,无附着杂波,波
幅清晰,声压高。判定无裂纹。
**种情况是当探头沿园周转动时,底波附近无缺陷部位可能出现类似缺陷的较强反射波群,此时除底波反射当量较强外,其它杂波起伏不定,移动探头此起彼伏,无指示长度,变化较大,反射当量偏低,属较明显的点状缺陷反射波,实测证明属瓷件表面波纹或水泥胶结的砂粒透入波。系制造厂将支柱瓷绝缘子插入铸铁法兰时在园周填充灌注的水泥胶与砂粒,这些胶合的砂粒作为过渡加强部分环绕在铸铁法兰与瓷体的交接面上,而此处正是裂纹形成的区域(见图12),因此,在超声波扫查时,必须将此波与裂纹波区分开来。搜索到缺陷波时应尽可能与底波同呈,因为同呈时分辨率*高,容易辩认。
第三种情况是缺陷波与底波同呈时,二波信号比<6db,即缺陷波信号低于底波信号,且缺陷波指示长度<10mm时应判定为表面损伤。>10mm时可判定为裂纹。
缺陷波与底波同呈时,二波信号比基本相等,且指示长度<10mm时判定为点状缺陷,指示长度>10mm时应判定为裂纹。
缺陷波与底波同呈时,二波信号比>6db,既缺陷波信号强于底波信号,且指示长度>10mm时应判定为裂纹。
5.2.2采用爬波检查外壁缺陷时,由于采用TR探头,显示屏始脉冲后基本无杂波,缺陷信号容易识别。指示长度易测定。扫查时会出现两种情况,分析如下:
**种情况是外壁缺陷信号≤深度1.0mm模拟裂纹反射波高,此时应测定其指示长度,当指示长度≥10mm时应判定为裂纹,<10mm时应判定为表面损伤。
**种情况是当缺陷反射波高>深度1mm模拟裂纹反射波高时,当指示长度≥5mm应判定为裂纹。
爬波检查外壁缺陷判定为裂纹时,应采用纵波斜入射探头进行验证。以便*终确定缺陷性质。
探测中如发现支柱绝缘子及瓷套内部缺陷,应采用与缺陷深度相近的JYZ系列试块作当量比较。
6.在役支柱绝缘子及瓷套进行带电探伤的试验研究
带电进行支柱绝缘子及瓷套探伤,能有效地早期发现瓷件内部裂纹,从而提前预防事故的发生,是状态检修的一项新突破,对电厂、变电所避雷器、支柱绝缘子等因瓷件断裂造成停电事故提供了有效的预防手段。
6.1试验措施的制定:
6.2试验前的准备:天气良好的情况下,准备绝缘梯,穿戴绝缘鞋及绝缘手套,试验前先测量检测位置的感应电压,当感应电压达到要求时,方可进行带电操作。(感应电压的普遍范围以及试验总结见鉴定资料5)。检测时应采用棉纱或卫生纸,将被检部位擦拭干净,涂上耦合剂,测试结束时,应将被检部位擦拭干净。
6.4 仪器适应性情况试验
由于在没有任何先例的情况下进行带电测试,因此无法断定仪器对高压电场的适应情况,因此我们组织了五台具有代表性的超声波探伤仪进入现场试验,实测证明五台仪器性能稳定,反射波形不抖动,与没有高压电场试验时状态基本相同。因此可以认为采用普通超声波探伤仪完全可以进行有效检验。
另外由于被探支柱绝缘子及瓷套与超声波探头的接触面较为光滑,且观察时又以底波波高为基准,因此探头移动速度可以较快,但实际测试发现由于EPOCHIⅢ(2300)及USM25DAC数字式仪数字式超声波探伤仪采样速度较慢,回波时间反应滞后,缺陷波不能及时出现,有可能造成漏检,因此建议在检验中如采用上述两种超声波探伤仪时,应适当放慢探头移动速度。
6.5 测试情况:
详见《220kV升压站支柱绝缘子及瓷套超声波检测报告》
7. 总结:
课题组设计了多种模拟裂纹试块在进行大量的模拟测试和比对测试的基础上,完成了该项工艺方法研究.

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