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应用超声波探伤仪检测复合绝缘子的内部缺陷

浏览:12 发表时间:2018-02-26 11:19:42

        为消除硅橡胶复合绝缘子缺陷对电网安全运行造成的隐患提出了一种利用超声波探伤仪检测硅橡胶绝缘子护套脱粘和气孔缺陷的方法根椐0.110mhz的超声波在不同介质中传播时的异质界面回波特性判定绝缘子缺陷。研究表明在全检波、正检波、负检波、射频波4种超声检波方式中射频波方式优于其它方式。用压电晶片、透声层、硅橡胶护套3种介质实测表明:当透声层厚度等于1/4波长时形成声阻抗匹配而生产全透射并达到最优检测效果对绝缘子大面积护套脱粘采用射频幅度法检测提供了一种有效手段。


        复合绝缘子的主要结构一般由伞裙护套、玻璃钢芯棒和端部金具三部分制成。在过去的15年里硅橡胶复合绝缘子的使用数量日益增加全世界已有超过30个国家和地区使用复合绝缘子中国已有超过400万支复合绝缘子应用于输电线路上尤其是中等和重污秽地区。1、目前我国的特高压输电工程包括1000kv晋东南-南阳-荆门特高压试验试范工程和±800kv云南-广东特高压输电工程都大量采用了复合绝缘子。在复合绝缘子制造工艺中伞裙护套与芯棒之间界面因工艺或材料原因造成粘接不良或存在气泡时这些隐蔽性缺陷造成了电网安全运行的隐患。2、绝缘子投入运行后用户可采用红外热线监测、电场分布测量等方法对绝缘子在带电状况下的缺陷进行在线检测但检测的灵敏度较低。绝缘了投运前伞裙护套芯棒界面粘接强度目前沿尚无规范的检测方法。目前主要是用剖查法通过目测进行但这种方法需将主品伞裙护套剖开且只能通过人工肉眼判断随时性较大的局限性。


        华北电力科学研究院有限公司陈原在iec61109的基础上提出了改进的水扩散试验方法将30mm长的绝缘子短样放入氯化钠的质量分数为0.1的盐水中煮沸100h后检测试样的泄漏电流界面粘接良好的绝缘子对于直径≤35mm的芯棒带护套芯棒绝缘子的泄漏电流≤75μa无护套芯棒时其泄漏电流≤50μa且带护套芯棒绝缘子泄漏电流的下平均值与不带护套芯棒电流的平均值差值≤25μa3.这种改进的水扩散试验方法提出了用量化的判断复合绝缘子伞裙护套粘接质量的方法较剖查法更为科学但这种方法需在绝缘子成品上截取试样是一种破坏性的试验样本数量受到限制而且试验周期较长难以满足现场快速检测的要求。因此随着复合绝缘子在特高压输电线路的大量使用如何通过无损检测的手段进行伞初护套与芯棒粘接强度的检测是目前电力用户、科研院所及制造厂家亟等解决的问题。


        哈尔滨理工大学、北京航空航天大学、北京卫星制造厂等单位对复合材料无损检测的现状进行了研究几种主要无损检测方法包括:涡流法、射线检测法、光学检测法、声发射检测法及超声波检测法,其中超声波检测法是广泛应用于材料探伤的常用方法也是最早用于复合材料无损评价的方法之一。其原理是利用复合材料本身或其缺陷的声学性质对超声波传播的鞠一躬检测材料内部和表面的缺陷如气泡、分层、裂纹、脱粘、贫胶等。超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点。清华大学高英等将水作为耦合剂用超声脉冲回波法检测硅橡胶内部缺陷通过对浸泡在水中的绝缘子进行超声检测测出了我伞裙中直径3mm的人造缺陷。但因硅橡胶本身是一种绝缘材料采用水浸的方式对绝缘性能有所影响而且检测时需产品浸入水中给现场检测带来困难。针对上述问题本方提出一种便于现场检测的超声波检测方法。


        1、超声波检测原理超声波是频率20khz的弹性振动波最常用的频率是0.510mhz。超声波在异质材料之间传播时由于异质材料的声学性质不同超声波从一种物质透射进入另一种物质时会在异质界面处返回一个界面回波即异质界面特征回波。超声波在界面被反射的过程决定于两种介质的声阻差介质的声阻等于介质的密度和声速的乘积声阻差越大则反射程度越大。声波在空气中的传播速度为340m/s在玻璃纤维芯棒中为2570m/s在硅橡胶护套中密度为1.56g/cm3为1060m/s。声波的传播速度随介质温度的上升面加快气温增高1℃声速增加0.6m/s。超声波在异质材料中传播方式为异质材料界面好粘情况为异质材料男厕脱粘情况。超声波探头发出超声波通过耦合介质传播到介质1一部分声波在介质界面发生反射沿原路经返回探头声线如黑色产生第1界面特征回波另一部分声波透射进入介质1并向前传播透射进入介质1的声波向前传播到达与介质2之间的界面处一部分透射声波会在界面处发生反射并沿原路径返回探头声线如线红色产生第2界面回波。若介质1与介质2界面好粘则透射进入介质1的部分声波将会向前传播透射进入介质2并向前传播声线如蓝色此时因部分声波透射进入介质2从而使得第2界面特征能量减小若介质1与介质2界面脱粘到达界面的声波将沿原路径全部返回探头此时的第2界面特征回波能量相对于好粘情况时的第2界面牲回波能量较大。声波在介质中传播的返回时间能量的不同特征回波位置和幅值不同。复合绝缘子结构图计划试件的伞裙护套和芯棒声学性质差异较大伞裙护套与芯棒之间的界面特征回波明显可以应用上述检测原理进行检测。


        2、测量方法数字超声波探伤仪对于接收到的回波有4种检波方式:全检波、正检波、负检波和射频波。常规探伤一般是使用全检波的方法但因复合材料粘接层粘接结构复杂采用全检波法根本无法分辨脱粘缺陷反射波形。射频法是一种基于反射幅度法、单波支和相位移个法3种方法的综合检测法。其原理是根据硅橡胶护套内部有密度差别或分层现象存在时射频波出现相位的变化或分层缺陷波反射识别硅橡胶的缺陷。作者经过试验研究发现采用射频法很容易识别脱粘和气孔的反射波形其检测效果令人满意能有效保障产品的粘接质量。3.1声阻匹配首先要解决探头盲区要足够小其次是波数要特别少主要是解问心有决近场区探伤和分辨问题。由于常规探头匹配层声阻抗与硅橡胶严重失配约有80的声能量反射回来或被橡胶层衰减掉因此必须设计一种有效的匹配保证有≥70的声能量进入复合层。根据声波透射原理选择透声层厚度是1/4波长的整数倍这个问题就能得到有效的解决。其计算过程如下:设反射系数为r透射系数为t根据能量守恒原理得出rt1。


        超声波在压电晶片、透声层、硅橡胶护套这3种介质中的传播过程。当介质1中的入射波达到x0处的界面时声能一部分被反射一部分透射到介质2中的部分透射波到达x1处时再次发生反射和透射反射部分会返回至x0时以会重复上述过程。对于单频入射波其声强投射系数16t42z3z1z1z3cos22π1λ2z22z1z3z1z3z22sin22π1λ2。2式中压电晶片、透声层和硅橡胶护套的声物性阻抗为别为z1、z2、z31为介质2的厚度λ2为介质2中声波的波长。当式2同时满足z1≠z2≠z3时有12n-1λ24。3式中n为正整数。当式2中z2、z1、z3时t1。


        在介质上垂直入射时的反射和透射奇数倍时可产生全透射称之为四分之一波长全透射。因此本文选配了由广州珀泰检测仪器有限公司的纵波单晶直探头透声层厚度等于1/4波长因硅橡胶护套表面为光滑采用直接接触法用机油质量密度为0.92*103kg/m3声速1390/m3声阻抗率1.28mpa??s/m作为耦合课剂。


        探伤仪的选用对粘接层进行探伤时尤其是检测薄层橡胶覆面时基本上是工作在3n区附件16要求数字式超探仪始脉窄没有放大器的阻塞现象。本文使用了由广州珀检测仪器公司生产的bbd05超声波探伤仪检波方式采用射频波因为射频波保持了波形原来的波形没有波形周期被叠加的变化状态保持了伤波的原来状态便于识别伤波与底波的位置。


        典型缺陷波形识别与分析,大面积脱粘采用射频幅度法当脱粘面积超过晶片面积时采用射频幅度法。脱粘试验可见纤维棒上面有一道黑色划痕一直延伸到整个橡胶层里面导致两种材料在粘接时严重脱粘。当超声波传入进因期间存有大面积空气使得超声波被阻隔后从橡胶底面直接反回且波幅特高。粘接良好时超声波穿过粘接层进入芯棒因为纤维材料对高频超声衰减很在导致反射波幅度降或底波全无现象在检测过程中如果出现反射底波全无说明这个位置不仅是粘得非常好面且是第2种材料的圆切点和声轴中心点是垂直的声波已穿透第2种材料了。对于脱粘面积的定量检测可采用半波法。移动探头使得原来的波形下降一半就是脱粘边沿为半波法。识别分析气孔、夹渣的射频反射法缺陷面积小于晶片面积时采用射频反射法检测。无气孔夹渣的波形人工打磨气孔有气孔测得的波形。超声波在粘接层照射过程中遇有单个气孔因气孔的阻抗均比橡胶和纤维棒的阻抗高故其反射波是最强的。


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