基于相控陣超聲的GIS終端環(huán)氧套管檢測方法研究

羅宏建，王炯耿，趙洲峰

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

在城市電網(wǎng)中，架空輸電線路建設(shè)需要占用大量寶貴的土地資源，且容易受周邊環(huán)境、天氣等因素影響而導(dǎo)致故障幾率較大，而電力電纜線路一般鋪設(shè)在地下，不需占用地上空間，運(yùn)行可靠性較高。隨著電纜應(yīng)用成本的下降和城市電網(wǎng)改造工作的開展，電力電纜得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為城市電網(wǎng)的重要組成部分[1]。

GIS（封閉式氣體絕緣組合電器）是將斷路器、互感器、接地開關(guān)、套管、隔離開關(guān)、避雷器以及母線等完全封裝在一個(gè)接地的金屬外殼內(nèi)，并且將SF6氣體充入其中，作為電氣設(shè)備絕緣和滅弧介質(zhì)。將輸電電纜終端安裝在GIS內(nèi)，就是GIS電纜終端。環(huán)氧套管是GIS終端的重要組成部分，承擔(dān)著高壓絕緣電負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷（內(nèi)壓、彎矩、扭矩、拉伸或壓縮等）的雙重作用[2]。套管內(nèi)充有SF6絕緣氣體，套管貫穿裂紋的產(chǎn)生會(huì)造成SF6氣體的泄漏，影響絕緣效果，如未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將擊穿設(shè)備甚至發(fā)生爆炸，對GIS的安全運(yùn)行構(gòu)成極大威脅[3]。近年曾發(fā)生多起由于環(huán)氧套管開裂而引起的事故[4-5]，例如2016年某供電公司220 kV GIS終端環(huán)氧套管發(fā)生爆炸導(dǎo)致跳閘（如圖1所示）。因此有必要對環(huán)氧套管的安全狀況進(jìn)行評估，消除其隱患。

圖1 220 kV GIS終端失效照片

1 環(huán)氧套管的常規(guī)檢測

環(huán)氧套管的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，由作為絕緣主體的環(huán)氧樹脂澆注在金屬嵌件上形成。由于環(huán)氧澆注材料與金屬嵌件的線膨脹系數(shù)不同，在固化交聯(lián)時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及因體積收縮產(chǎn)生的應(yīng)力等得不到有效釋放，會(huì)造成局部應(yīng)力集中現(xiàn)象[6-8]，特別是在溫度急劇變化的情況下，金屬嵌件結(jié)合面應(yīng)力情況更為惡劣，當(dāng)應(yīng)力超過環(huán)氧樹脂結(jié)合面處的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)開裂。因此環(huán)氧套管的薄弱環(huán)節(jié)集中在金屬嵌件與環(huán)氧樹脂澆注的結(jié)合部位，特別是壁厚比較薄的下端部法蘭螺栓孔附近區(qū)域。

圖2 環(huán)氧套管剖面

目前環(huán)氧套管的檢測僅局限于環(huán)氧套管的出廠檢驗(yàn)，而安裝或運(yùn)行后，均沒有檢測。另外，環(huán)氧套管的出廠檢測項(xiàng)目主要包括外觀檢查、尺寸檢查、X光檢查、密封性能及電氣性能等，但這幾種檢測手段都不能有效檢出螺絲孔周圍的微小裂紋。

對于環(huán)氧套管的常規(guī)超聲檢測，從圖2可以看出，由于只能選擇側(cè)面作為檢測面對環(huán)氧套管進(jìn)行檢測，而套管內(nèi)還嵌有螺栓孔，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單一的超聲波入射角度，不能完全覆蓋檢測區(qū)域，容易造成漏檢。另一方面，環(huán)氧套管的本體是由環(huán)氧樹脂混合填料三氧化二鋁組成[9]，而且填料尺寸大小不一。由于聲波的散射衰減系數(shù)與直徑的三次方成正比[10]，這將使超聲波在傳播時(shí)衰減嚴(yán)重，穿透力嚴(yán)重不足。經(jīng)實(shí)測，環(huán)氧樹脂的衰減系數(shù)約是普通碳鋼的11倍。這些都給超聲檢測帶來了很大的困難。

為了解決這個(gè)問題，根據(jù)環(huán)氧套管結(jié)構(gòu)及聲傳播特性，采用相控陣超聲檢測技術(shù)從環(huán)氧套管側(cè)面對螺栓與環(huán)氧套管結(jié)合面進(jìn)行檢測，排除設(shè)備隱患。

2 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲技術(shù)來源于相控陣?yán)走_(dá)，初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，20世紀(jì)80年代初期被引入到工業(yè)檢測領(lǐng)域。相控陣超聲檢測的核心部件是換能器，它是基于惠更斯原理設(shè)計(jì)的[11]，與傳統(tǒng)超聲探頭不同，相控陣換能器由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成線性或圓形等陣列。相控陣超聲檢測技術(shù)的核心在于相位調(diào)控[12]，包括發(fā)射和接收兩部分。相控陣發(fā)射時(shí)，按照一定的規(guī)則和時(shí)序通過電子控制延遲激發(fā)各個(gè)晶片，每個(gè)晶片發(fā)射的超聲波疊加形成一個(gè)整體波陣面，通過不同的延遲法則，實(shí)現(xiàn)超聲波角度、聚焦深度和焦點(diǎn)尺寸的控制，如圖3所示[13]；接收回波信號后，相控陣控制器按接收聚焦律變換時(shí)間，將這些信號匯合一起，形成一個(gè)脈沖信號，傳送至探傷儀。相控陣超聲檢測主要有3種掃查方式：電子掃查，深度聚焦和扇形掃查。該環(huán)氧套管檢測方法使用的是扇形掃查，即選擇一組陣元，對該組施加不同的聚焦法則，使聲束動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)，形成扇形掃查區(qū)域。

圖3 相控陣超聲檢測原理

與常規(guī)的超聲檢測技術(shù)相比，相控陣超聲檢測技術(shù)可生成不同指向的超聲波波束，產(chǎn)生不同形式的聲束效果，可以模擬各種斜聚焦探頭的工作，并且可以電子掃描和動(dòng)態(tài)聚焦，提高檢測精度和檢測效率，檢測結(jié)果以圖譜形式顯示，為缺陷定位、定量、定性、定級等提供了豐富的信息[14]，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)和盲區(qū)位置缺陷的檢測成為可能。

3 環(huán)氧套管相控陣超聲檢測關(guān)鍵技術(shù)

3.1 波束覆蓋性設(shè)計(jì)

環(huán)氧套管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為避免出現(xiàn)漏檢區(qū)域，首先采用軟件模擬的方式，選出合適的晶片及聲束角度，使聲束覆蓋整個(gè)檢測區(qū)域，并驗(yàn)證制定的聚焦法則是否能夠滿足檢測要求。

以110 kV GIS終端環(huán)氧套管為例，該套管下端面外徑264 mm，內(nèi)徑160 mm，環(huán)氧本體上分布著6個(gè)Φ18的螺栓孔嵌件，在螺栓孔內(nèi)壁及套管內(nèi)壁模擬了2條裂紋，如圖4所示。對其進(jìn)行建模，將建立的模型導(dǎo)入超聲檢測專用模擬軟件中，在檢測面（如圖2所示）由軟件模擬放置一個(gè)超聲波探頭，觀察超聲波探頭發(fā)出的聲束能否實(shí)現(xiàn)檢測區(qū)域的全覆蓋。從角度設(shè)計(jì)圖4（a）中可以看出，由于螺栓孔的遮擋，當(dāng)產(chǎn)生的聲束角度大于40°時(shí)，套管內(nèi)表面缺陷會(huì)漏檢。進(jìn)而該方法采用了-30°—30°的扇形掃查方式， 如圖 4（b）所示，當(dāng)相控陣探頭沿圓周移動(dòng)時(shí)，扇形聲束能實(shí)現(xiàn)整個(gè)環(huán)氧套管的全覆蓋檢測。

3.2 TCG曲線補(bǔ)償

圖4 波束覆蓋設(shè)計(jì)

由于環(huán)氧套管的高衰減，使得超聲波穿透能力不足，當(dāng)壁厚增大時(shí)，缺陷的反射波幅過低。針對這個(gè)問題，該方法一方面采用2.25 MHz的低頻率縱波，另一方面采用TCG（距離增益補(bǔ)償曲線）進(jìn)行補(bǔ)償。TCG通過對A掃描回波幅度進(jìn)行深度補(bǔ)償后，使得同一尺寸反射體回波幅度與其在被檢材料中的深度無關(guān)。因此，在TCG模式下，當(dāng)探傷儀增益條件不變時(shí)更有利于發(fā)現(xiàn)位于材料內(nèi)部較深位置的缺陷。采用軟件模擬TCG掃描的效果如圖5所示，圖5（a）左上是B掃描圖，右上是環(huán)氧套管掃查示意圖，右下是裂紋的反射波幅；圖5（b）左上是B掃描圖，左下是掃查示意圖，右邊是裂紋的反射波幅。從裂紋的反射波幅及B掃描的顏色強(qiáng)度可以看出，當(dāng)使用TCG曲線后，裂紋的反射波幅增大，更容易檢測出。

3.3 裂紋信號識別

相控陣探頭沿環(huán)氧套管外壁對環(huán)氧套管進(jìn)行縱波扇形掃查時(shí)，主要有2類固定信號：螺栓孔的螺紋反射信號及環(huán)氧套管的內(nèi)壁反射信號。為了準(zhǔn)確區(qū)分固定信號波及缺陷信號，在相控陣扇型掃查中1∶1繪制了環(huán)氧套管的結(jié)構(gòu)，做成插件在相控陣儀器中加載，如圖6所示。通過扇形掃查中的工件加載，能清晰地識別出螺栓反射波及底面反射波。至于裂紋信號，就是除了這2個(gè)固定信號以外出現(xiàn)的信號，如圖6（c）所示。

圖5 TCG掃描

圖6 反射信號分析

4 檢測系統(tǒng)構(gòu)建及校準(zhǔn)

如圖7所示，檢測系統(tǒng)由相控陣檢測儀器、輪式編碼器及相控陣探頭組成。檢測儀器為PHASCAN32：128相控陣檢測儀。考慮到環(huán)氧套管的聲衰減比較大，相控陣探頭選用了低頻的2.25L32-1.0×20線陣探頭。通過中間的連接構(gòu)件，相控陣探頭與輪式編碼器可以同步移動(dòng)，當(dāng)相控陣探頭沿環(huán)氧套管移動(dòng)時(shí)，超聲相控陣探頭在環(huán)氧套管上產(chǎn)生-30°—30°的扇形縱波聲束對環(huán)氧套管進(jìn)行掃描，輪式編碼器則記錄下探頭的位置，從而得到環(huán)氧套管的B掃描圖像及C掃描圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)環(huán)氧套管的超聲相控陣檢測。

系統(tǒng)校正包括楔塊延時(shí)校準(zhǔn)、角度校準(zhǔn)和靈敏度校準(zhǔn)[15]。首先利用環(huán)氧套管的半圓試塊，校正探頭的電子觸發(fā)時(shí)刻與聲束進(jìn)入被測工件瞬間之間的延遲，即楔塊延時(shí)校準(zhǔn)；然后進(jìn)行扇形掃描角度校準(zhǔn)，即利用半圓試塊的弧面對不同偏轉(zhuǎn)角度聲束的回波高度差值進(jìn)行修正；最后進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，利用環(huán)氧套管Ф3×40 mm橫通孔試塊繪制TCG曲線。

圖7 檢測系統(tǒng)

5 實(shí)驗(yàn)論證

以110 kV GIS終端環(huán)氧套管為檢測對象（如圖8所示），該套管端面均勻分布著6顆螺栓，編號為1—6，在1號螺栓結(jié)合面附近存在著貫穿性的裂紋①及內(nèi)壁裂紋⑦，2號螺栓結(jié)合面附近存在貫穿性裂紋②及內(nèi)壁裂紋⑥，在3號螺栓結(jié)合面內(nèi)壁存在內(nèi)壁裂紋⑤，在5號螺栓結(jié)合面附近存在貫穿裂紋③及內(nèi)壁貫穿裂紋④，在6號螺栓結(jié)合面附近存在5 mm的割槽⑧。

圖8 自然缺陷試塊

采用構(gòu)建的檢測系統(tǒng)，對該環(huán)氧套管順時(shí)針掃查一圈，得到如圖9—10所示掃查結(jié)果。左上方是扇形掃查圖，下方是A掃描圖，右方分別是B掃描圖，圖9是12°B掃描結(jié)果圖，圖10是-9°B掃描結(jié)果圖。從B掃描圖中可以清晰地分辨出缺陷信號及固定反射信號，在30 mm深度附近，依次出現(xiàn)了螺栓孔2，3，4，5，6及1。在內(nèi)壁厚度以內(nèi)，依次出現(xiàn)了缺陷⑥，⑤，④，③，⑧，⑦及①；而且可以看出裂紋的角度，大致與水平成70°。此外還可以看出，單一的角度并不能實(shí)現(xiàn)所有缺陷的全覆蓋。例如圖9所示，當(dāng)選12°的B掃描時(shí)，缺陷③未能發(fā)現(xiàn)，而當(dāng)選用-9°的B掃描時(shí)就能清晰地發(fā)現(xiàn)該缺陷。因此可以看出，相控陣超聲檢測能直觀高效清晰地檢測出所有缺陷。

6 結(jié)語

圖9 12°B掃描結(jié)果

圖10 -9°B掃描結(jié)果

在對GIS終端環(huán)氧套管進(jìn)行無損檢測時(shí)，由于套管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聲衰減嚴(yán)重，在役運(yùn)行時(shí)缺乏有效無損檢測手段。針對GIS終端環(huán)氧套管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用超聲專用軟件對環(huán)氧套管進(jìn)行波束覆蓋設(shè)計(jì)，并構(gòu)建了環(huán)氧套管相控陣超聲檢測的系統(tǒng)，提出了GIS終端環(huán)氧套管的相控陣超聲檢測方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相控陣超聲檢測可以清晰地分辨出缺陷信號及固定信號，實(shí)現(xiàn)了環(huán)氧套管安全狀況評估。