基于相控陣超聲的GIS終端環氧套管檢測方法研究

羅宏建，王炯耿，趙洲峰

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

在城市電網中，架空輸電線路建設需要占用大量寶貴的土地資源，且容易受周邊環境、天氣等因素影響而導致故障幾率較大，而電力電纜線路一般鋪設在地下，不需占用地上空間，運行可靠性較高。隨著電纜應用成本的下降和城市電網改造工作的開展，電力電纜得到越來越廣泛的應用，成為城市電網的重要組成部分[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、套管、隔離開關、避雷器以及母線等完全封裝在一個接地的金屬外殼內，并且將SF6氣體充入其中，作為電氣設備絕緣和滅弧介質。將輸電電纜終端安裝在GIS內，就是GIS電纜終端。環氧套管是GIS終端的重要組成部分，承擔著高壓絕緣電負荷及機械負荷（內壓、彎矩、扭矩、拉伸或壓縮等）的雙重作用[2]。套管內充有SF6絕緣氣體，套管貫穿裂紋的產生會造成SF6氣體的泄漏，影響絕緣效果，如未能及時發現，將擊穿設備甚至發生爆炸，對GIS的安全運行構成極大威脅[3]。近年曾發生多起由于環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終端環氧套管發生爆炸導致跳閘（如圖1所示）。因此有必要對環氧套管的安全狀況進行評估，消除其隱患。

圖1 220 kV GIS終端失效照片

1 環氧套管的常規檢測

環氧套管的典型結構如圖2所示，由作為絕緣主體的環氧樹脂澆注在金屬嵌件上形成。由于環氧澆注材料與金屬嵌件的線膨脹系數不同，在固化交聯時產生的熱應力以及因體積收縮產生的應力等得不到有效釋放，會造成局部應力集中現象[6-8]，特別是在溫度急劇變化的情況下，金屬嵌件結合面應力情況更為惡劣，當應力超過環氧樹脂結合面處的強度時，就會開裂。因此環氧套管的薄弱環節集中在金屬嵌件與環氧樹脂澆注的結合部位，特別是壁厚比較薄的下端部法蘭螺栓孔附近區域。

圖2 環氧套管剖面

目前環氧套管的檢測僅局限于環氧套管的出廠檢驗，而安裝或運行后，均沒有檢測。另外，環氧套管的出廠檢測項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。

對于環氧套管的常規超聲檢測，從圖2可以看出，由于只能選擇側面作為檢測面對環氧套管進行檢測，而套管內還嵌有螺栓孔，結構復雜，單一的超聲波入射角度，不能完全覆蓋檢測區域，容易造成漏檢。另一方面，環氧套管的本體是由環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與直徑的三次方成正比[10]，這將使超聲波在傳播時衰減嚴重，穿透力嚴重不足。經實測，環氧樹脂的衰減系數約是普通碳鋼的11倍。這些都給超聲檢測帶來了很大的困難。

為了解決這個問題，根據環氧套管結構及聲傳播特性，采用相控陣超聲檢測技術從環氧套管側面對螺栓與環氧套管結合面進行檢測，排除設備隱患。

2 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲技術來源于相控陣雷達，初期主要應用于醫療領域，20世紀80年代初期被引入到工業檢測領域。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計的[11]，與傳統超聲探頭不同，相控陣換能器由多個相互獨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的核心在于相位調控[12]，包括發射和接收兩部分。相控陣發射時，按照一定的規則和時序通過電子控制延遲激發各個晶片，每個晶片發射的超聲波疊加形成一個整體波陣面，通過不同的延遲法則，實現超聲波角度、聚焦深度和焦點尺寸的控制，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間，將這些信號匯合一起，形成一個脈沖信號，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，使聲束動態偏轉，形成扇形掃查區域。

圖3 相控陣超聲檢測原理

與常規的超聲檢測技術相比，相控陣超聲檢測技術可生成不同指向的超聲波波束，產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態聚焦，提高檢測精度和檢測效率，檢測結果以圖譜形式顯示，為缺陷定位、定量、定性、定級等提供了豐富的信息[14]，使復雜結構和盲區位置缺陷的檢測成為可能。

3 環氧套管相控陣超聲檢測關鍵技術

3.1 波束覆蓋性設計

環氧套管結構復雜，為避免出現漏檢區域，首先采用軟件模擬的方式，選出合適的晶片及聲束角度，使聲束覆蓋整個檢測區域，并驗證制定的聚焦法則是否能夠滿足檢測要求。

以110 kV GIS終端環氧套管為例，該套管下端面外徑264 mm，內徑160 mm，環氧本體上分布著6個Φ18的螺栓孔嵌件，在螺栓孔內壁及套管內壁模擬了2條裂紋，如圖4所示。對其進行建模，將建立的模型導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超聲波探頭，觀察超聲波探頭發出的聲束能否實現檢測區域的全覆蓋。從角度設計圖4（a）中可以看出，由于螺栓孔的遮擋，當產生的聲束角度大于40°時，套管內表面缺陷會漏檢。進而該方法采用了-30°—30°的扇形掃查方式， 如圖 4（b）所示，當相控陣探頭沿圓周移動時，扇形聲束能實現整個環氧套管的全覆蓋檢測。

3.2 TCG曲線補償

圖4 波束覆蓋設計

由于環氧套管的高衰減，使得超聲波穿透能力不足，當壁厚增大時，缺陷的反射波幅過低。針對這個問題，該方法一方面采用2.25 MHz的低頻率縱波，另一方面采用TCG（距離增益補償曲線）進行補償。TCG通過對A掃描回波幅度進行深度補償后，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。因此，在TCG模式下，當探傷儀增益條件不變時更有利于發現位于材料內部較深位置的缺陷。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掃描的顏色強度可以看出，當使用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

相控陣探頭沿環氧套管外壁對環氧套管進行縱波扇形掃查時，主要有2類固定信號：螺栓孔的螺紋反射信號及環氧套管的內壁反射信號。為了準確區分固定信號波及缺陷信號，在相控陣扇型掃查中1∶1繪制了環氧套管的結構，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個固定信號以外出現的信號，如圖6（c）所示。

圖5 TCG掃描

圖6 反射信號分析

4 檢測系統構建及校準

如圖7所示，檢測系統由相控陣檢測儀器、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。通過中間的連接構件，相控陣探頭與輪式編碼器可以同步移動，當相控陣探頭沿環氧套管移動時，超聲相控陣探頭在環氧套管上產生-30°—30°的扇形縱波聲束對環氧套管進行掃描，輪式編碼器則記錄下探頭的位置，從而得到環氧套管的B掃描圖像及C掃描圖像，進而實現環氧套管的超聲相控陣檢測。

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

圖7 檢測系統

5 實驗論證

以110 kV GIS終端環氧套管為檢測對象（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號螺栓結合面附近存在著貫穿性的裂紋①及內壁裂紋⑦，2號螺栓結合面附近存在貫穿性裂紋②及內壁裂紋⑥，在3號螺栓結合面內壁存在內壁裂紋⑤，在5號螺栓結合面附近存在貫穿裂紋③及內壁貫穿裂紋④，在6號螺栓結合面附近存在5 mm的割槽⑧。

圖8 自然缺陷試塊

采用構建的檢測系統，對該環氧套管順時針掃查一圈，得到如圖9—10所示掃查結果。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掃描結果圖，圖10是-9°B掃描結果圖。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，依次出現了螺栓孔2，3，4，5，6及1。在內壁厚度以內，依次出現了缺陷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現所有缺陷的全覆蓋。例如圖9所示，當選12°的B掃描時，缺陷③未能發現，而當選用-9°的B掃描時就能清晰地發現該缺陷。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 結語

圖9 12°B掃描結果

圖10 -9°B掃描結果

在對GIS終端環氧套管進行無損檢測時，由于套管結構復雜，聲衰減嚴重，在役運行時缺乏有效無損檢測手段。針對GIS終端環氧套管的結構特點，采用超聲專用軟件對環氧套管進行波束覆蓋設計，并構建了環氧套管相控陣超聲檢測的系統，提出了GIS終端環氧套管的相控陣超聲檢測方法。實驗結果表明，相控陣超聲檢測可以清晰地分辨出缺陷信號及固定信號，實現了環氧套管安全狀況評估。