工業(yè)CT/DR 檢測(cè)系統(tǒng)在盆式絕緣子檢測(cè)中的應(yīng)用研究

尹奎龍 ，陳 聰 ，孫學(xué)武 ，李正利 ，馮云國(guó)

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司物資公司，山東 濟(jì)南 250001；2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

GIS設(shè)備自20世紀(jì)60年代實(shí)用化以來(lái)，已廣泛運(yùn)行于世界各地。與常規(guī)敞開(kāi)式變電站相比，GIS具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、安裝方便、安全性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)［1］。盆式絕緣子是GIS產(chǎn)品中的關(guān)鍵零部件，承受著電、熱應(yīng)力的作用。絕緣類(lèi)故障是GIS設(shè)備故障的主要原因之一［2-3］。盆式絕緣子放電缺陷主要分為絕緣子表面臟污、絕緣子表面金屬異物、絕緣子內(nèi)部氣隙等，其中盆式絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷是大部分GIS設(shè)備絕緣故障的主要原因。

DR（Digital Radiography）成像是一種直接成像技術(shù)，直接將X射線光子通過(guò)探測(cè)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化圖像。與傳統(tǒng)的膠片透視成像相比，可大幅提高成像效率，便于進(jìn)行圖像處理和存儲(chǔ)。基于上述優(yōu)點(diǎn)，DR成像技術(shù)被普遍應(yīng)用于盆式絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷檢測(cè)。但由于DR成像技術(shù)在進(jìn)行盆式絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷檢測(cè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生圖像重疊，存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)，難以滿(mǎn)足盆式絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷檢測(cè)要求。

1 工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

研究所用設(shè)備為9MeV電力設(shè)備材料工業(yè)CT/DR無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由電子直線加速器系統(tǒng)、探測(cè)采集傳輸系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、輻射安全防護(hù)及監(jiān)視系統(tǒng)等組成。可進(jìn)行DR數(shù)字照相、二代CT（旋轉(zhuǎn)+平移）和三代CT（旋轉(zhuǎn)）3種掃描檢測(cè)。其中，DR成像是利用射線從單一方向穿過(guò)被試物體，系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)的信息進(jìn)行重建后，以二維透視圖像形式展現(xiàn)所檢測(cè)方向的重疊密度分布；CT成像是利用射線從多個(gè)方向透射過(guò)被試物體某斷層，計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，以二維圖像形式展現(xiàn)所檢測(cè)斷層的密度分布。

1.2 工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)原理

工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)是利用電子直線加速器產(chǎn)生的X射線穿透被測(cè)物體，探測(cè)器將偵測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后重建出該物體的DR圖像、二維斷層圖像或者三維圖像。其中，CT圖像的像素位置與物體被掃描斷面或區(qū)域位置對(duì)應(yīng)，各像素點(diǎn)灰度值與工件上該點(diǎn)物質(zhì)對(duì)應(yīng)X射線的衰減值成一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而通過(guò)數(shù)字圖像反映被測(cè)物體內(nèi)部的幾何細(xì)節(jié)、材質(zhì)差別及缺陷狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體內(nèi)部的檢測(cè)與分析。工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

2 盆式絕緣子檢測(cè)

CT技術(shù)具有圖像不重疊、成像清晰準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)DR成像技術(shù)在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生的圖像重疊缺陷，考慮DR成像技術(shù)檢測(cè)速度快，而CT掃描速度較慢的特點(diǎn)，為充分利用二者優(yōu)點(diǎn)，將工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于盆式絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷檢測(cè)。

2.1 實(shí)驗(yàn)用盆式絕緣子試塊設(shè)計(jì)

盆式絕緣子是GIS的關(guān)鍵部件，起到隔離氣室、支撐導(dǎo)體的重要作用［4］。內(nèi)部氣隙是造成盆式絕緣子絕緣故障的主要原因之一［5］。針對(duì)兩種不同規(guī)格型號(hào)的盆式絕緣子設(shè)計(jì)制作了對(duì)比試塊。兩種盆式絕緣子缺陷對(duì)比試塊加工示意如圖2、圖3所示。

圖2 GIS盆式絕緣子a

圖3 GIS盆式絕緣子b

絕緣子a缺陷加工如圖2所示，共加工7組孔，每組孔的深度，按圓周順時(shí)針?lè)较蛞来螢樯? mm、3 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，孔中心與突起邊緣間距10 mm，同一組內(nèi)相鄰孔間距為10 mm。絕緣子b缺陷加工如圖3所示，共加工兩組孔，每組孔的中心間距10 mm，孔徑和孔深分布如圖4所示。

圖4 絕緣子b缺陷加工局部放大示意

2.2 工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)DR檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化

為提高工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于盆式絕緣子檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)精度，以圖2所示盆式絕緣子a為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)DR檢測(cè)工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。在常用同步頻率（150 Hz）下通過(guò)改變不同檢測(cè)參數(shù)，觀察最小可見(jiàn)缺陷尺寸，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 同步頻率150 Hz時(shí)不同檢測(cè)參數(shù)下的最小可見(jiàn)缺陷

由表1試驗(yàn)結(jié)果可知，通過(guò)提高采樣時(shí)間、減小視場(chǎng)直徑、增大圖像矩陣可有效地提高檢測(cè)的靈敏度，獲得較高的圖像質(zhì)量。建議圖像矩陣采取1 024×1 024以上、采樣時(shí)間50 ms以上、視場(chǎng)直徑等于或稍大于絕緣子最大直徑作為最優(yōu)DR檢測(cè)參數(shù)。在最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)下正面透照與反面透照所獲得的影響基本相同，缺陷的不同埋藏深度對(duì)檢出結(jié)果可以忽略不計(jì)，如圖5、圖6所示。

圖5 最優(yōu)參數(shù)正面透照

圖6 最優(yōu)參數(shù)反面透照

2.3 工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)GIS絕緣子工藝優(yōu)化

對(duì)絕緣子對(duì)比試塊進(jìn)行全斷層CT掃描，對(duì)于所在斷層上的圓形氣孔（包括形狀不規(guī)則的氣隙）有非常高的靈敏度，所掃描斷層上的圓形缺陷在圖像中可全部顯示。對(duì)比試塊中刻槽模擬的條形缺陷，由于和斷面成一定夾角，在圖像中僅能顯示在斷層中的開(kāi)口寬度，不能反映出缺陷整體形狀。需要在此斷層附近相鄰斷層增加檢測(cè)面，直至缺陷消失，并將連續(xù)的斷層合成三維圖像，以判斷條形氣隙的大小。CT檢測(cè)對(duì)條形氣隙的檢測(cè)效率低于DR檢測(cè)。連續(xù)斷層合成的三維圖像如圖7所示。

圖7 合成三維圖像顯示

DR檢測(cè)時(shí)，受射線入射角度的影響，金屬嵌件的圖像疊加對(duì)缺陷影像造成干擾，存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)。而全斷層CT檢測(cè)在不考慮檢測(cè)效率的情況下，檢測(cè)結(jié)果最為精準(zhǔn)，可檢出所有加工缺陷。考慮到實(shí)際檢測(cè)工作應(yīng)在保證檢測(cè)清晰度的前提下兼顧檢測(cè)效率，對(duì)工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)GIS絕緣子進(jìn)行工藝優(yōu)化：首先使用最優(yōu)DR檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行DR掃描，DR檢測(cè)完成后對(duì)缺陷部位、懷疑部位及金屬嵌件所在斷層等重點(diǎn)部位進(jìn)行CT檢測(cè)。優(yōu)化后的檢測(cè)工藝可實(shí)現(xiàn)工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)中兩種檢測(cè)方法互相配合，在不影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率的情況下提高檢測(cè)效率。

3 檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 射線數(shù)字成像技術(shù)（DR）檢測(cè)

使用DR成像設(shè)備對(duì)絕緣子缺陷模擬試塊進(jìn)行DR掃描，得到的檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。Φ0.5×1、Φ0.5×3、Φ0.5×5、Φ1×1、Φ1×3、Φ1.5×1 的氣隙缺陷未能在檢測(cè)圖像中顯示。且 Φ3×1、Φ4×1、Φ5×1的氣隙輪廓邊緣顯示并不清晰，在實(shí)際檢測(cè)工作中可能存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 基于優(yōu)化方法的工業(yè)CT/DR檢測(cè)試驗(yàn)

在最優(yōu)DR檢測(cè)參數(shù)下使用工業(yè)CT/DR系統(tǒng)進(jìn)行初步DR檢測(cè)，底片中可見(jiàn)全部氣孔缺陷顯示，但深度為1 mm的系列氣孔邊緣顯示并不清晰只是模糊可見(jiàn)。DR檢測(cè)圖像如圖9所示。

圖8 DR成像技術(shù)檢測(cè)影像

圖9 工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)DR圖像

根據(jù)優(yōu)化流程，隨后對(duì)不清晰位置使用CT斷層掃面方法進(jìn)行補(bǔ)充檢驗(yàn)。獲得了準(zhǔn)確清晰的圖像顯示。如圖10所示。運(yùn)用優(yōu)化的工業(yè)CT/DR檢測(cè)方法獲得人工絕緣子缺陷試塊所有缺陷信息的清晰顯示。

圖10 工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)CT掃描斷層下孔的顯示

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

綜合對(duì)比3種檢測(cè)方法對(duì)缺陷模擬試塊的檢測(cè)結(jié)果可知：優(yōu)化的工業(yè)CT/DR系統(tǒng)檢測(cè)方法可以檢出缺陷模擬試塊的所有缺陷，最小氣隙缺陷尺寸為Φ0.5×1。檢測(cè)靈敏度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有DR成像技術(shù)檢測(cè)方法。同時(shí)對(duì)于深度較小的缺陷可獲得更加清晰的顯示效果。優(yōu)化的檢測(cè)方法與單純CT掃描檢測(cè)靈敏度相同，但檢測(cè)速度大大提升。使用優(yōu)化方法檢測(cè)耗時(shí)僅為單純CT掃描的1/10，在保證準(zhǔn)確率的前提下，兼顧了檢測(cè)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

DR成像檢測(cè)技術(shù)是目前常用的無(wú)損檢測(cè)方法，由于其在檢測(cè)時(shí)存在圖像重疊缺陷，可能造成絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷的漏檢。通過(guò)對(duì)工業(yè)CT/DR檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與檢測(cè)流程優(yōu)化，將該檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于盆式絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷檢測(cè)，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果證明，優(yōu)化的CT/DR檢測(cè)方法檢測(cè)靈敏度高，檢測(cè)速度快，對(duì)于GIS盆式絕緣子內(nèi)部氣隙檢測(cè)是一種行之有效地檢測(cè)手段。