相控陣超聲檢測成像技術在耐張線夾壓接質量檢測的應用研究?

季昌國 余 超

0 引言

耐張線夾作為輸電線路中的重要一環，由鋁套管和鋼錨兩部分組成。利用壓力對鋁管-鋼錨、鋁管-導線位置進行壓接塑形，使導線和耐張線夾結合形成一個整體，使其能承擔連接導線的全部張力，并起到通流作用[1]。耐張線夾一旦投入線路運行，就不易再拆卸和更換。由于線路設計安全系數較高，壓接質量缺陷一般不會在施工結束后立刻導致事故，但在投運后遭遇舞動和長期微風振動等情況下，容易導致線夾斷裂引發電力事故，威脅社會安全[2?3]。

根據國家電網運檢[2016]777號文件要求，需對跨越高速公路、高速鐵路以及重要輸電通道的架空輸電線路區段耐張線夾壓接質量開展普查[4]。目前對耐張線夾液壓壓接質量檢驗主要是通過宏觀檢查[5]、尺寸測量[5]、力學性能試驗抽查[5]、X 射線檢測[6?7]等方法。其中外觀檢查和尺寸測量無法直觀觀察到線夾內部的壓接質量情況，力學性能抽查為有損試驗，X 射線檢測設備比較大，有電離輻射風險，因此需要一種更直觀有效的檢測方法對耐張線夾進行檢測。相控陣超聲檢測成像技術是一項新型的、相對成熟的超聲檢測方法，能夠對聲束角度、焦點尺寸以及位置等進行靈活控制[8]，在電力、航空航天、核工業、機械船舶等領域得到了廣泛應用[9?15]，且已經逐漸運用到電網GIS 殼體、絕緣子以及鋁制線夾等輸變電設備的缺陷檢測中[16?18]，但尚無耐張線夾的相控陣檢測應用報道。與其他輸變線設備相比，耐張線夾外層鋁套管只有8 mm 左右，且內部結構較復雜，信號識別相對困難。成像質量和信號分析是相控陣超聲檢測中最為關注的問題之一，而成像靈敏度和分辨力則是衡量成像質量的重要參考指標[19?22]。實際檢測中，相控陣探頭的頻率、孔徑和焦距等參數會直接影響探頭聲場特性。參數選擇不合適時會導致檢測信噪比降低，甚至出現柵瓣或旁瓣形成的偽像，嚴重影響成像質量[23]。因此，研究各檢測參數對相控陣超聲成像的影響規律從而進行優化，對提高耐張線夾相控陣超聲成像檢測質量具有重要意義。楊平華等[19]通過實驗研究了焦距和探頭孔徑對相控陣成像橫向分辨力的影響，僅對橫向分辨力進行了分析。胡宏偉等[20]采用實驗方式研究了脈沖寬度、焦距和探頭對回波幅值的綜合影響，僅對檢測靈敏度進行了分析。多數研究者均只對相控陣成像信號分辨力或靈敏度進行單一分析，無法得到最優的檢測工藝參數，因此以上研究成果對于相控陣檢測參數的優化指導具有一定的局限性。

針對上述問題，本文利用便攜式相控陣超聲檢測儀對耐張線夾試樣進行實驗研究。對耐張線夾相控陣檢測圖譜信號進行了詳細分析，確定了相控陣超聲檢測技術可直觀、有效地檢測耐張線夾壓接質量。采用控制變量法，通過對比同一耐張線夾試樣的回波幅值大小，分析了相控陣探頭頻率、孔徑及焦距對成像分辨力和靈敏度的重要影響，得出了優化耐張線夾成像質量的參數設置。研究結果對于相控陣超聲成像在耐張線夾壓接質量檢測上的工程應用具有重要的參考價值。

1 基本原理

1.1 線陣探頭的幾何參數

均勻線性陣列探頭的主要參數有探頭頻率f、陣元數n、陣元寬度a、陣元長度b和陣元間距d[20]，如圖1所示。

圖1 線性陣列探頭幾何參數圖Fig.1 Geometric parameters of linear phased array transducer

一般使用孔徑D作為線陣探頭的可變幾何參數，研究其對相控陣超聲成像分辨力和靈敏度的影響。對D作如下定義：

線陣探頭的陣元間隙一般很小，通常取a ≈d，則孔徑D近似為[24]

1.2 相控陣聲束聚焦特性及數據成像質量評價體系

成像分辨力和靈敏度作為相控陣檢測的成像質量的重要評價指標，是衡量相控陣系統檢測能力及檢測質量的重要依據。

成像分辨力主要是指被檢件內能夠區分的相鄰反射體之間的最小距離[25]。采用相控陣檢測時成像分辨力主要是指橫向分辨力和縱向分辨力，如圖2所示。

圖2 相控陣超聲成像分辨率示意圖Fig.2 Spatial resolution of phased array ultrasound imaging

檢測靈敏度一般是指檢測系統發現最小缺陷的能力。檢測發現的缺陷越小，檢測靈敏度就越高。影響檢測靈敏度的主要因素有儀器與探頭的組合性能、探頭頻率、耦合效果、聲投影方向等[25]。

相控陣聲束聚焦技術能有效提高系統對缺陷檢測成像效果，超聲聲束聚焦特性如圖3所示。

相控陣超聲的橫向分辨力與超聲波束的焦點直徑R成反比。焦點直徑R定義為[25]

式(3)中，λ表示超聲波發射信號的主頻率波長；F表示焦距；D表示探頭中的孔徑大小；單位均為mm。

降落值為-6 dB 時的焦點直徑可以近似表示為[24]

橫向分辨力?d可表示為[25]

?d越小，橫向分辨力越高。

圖3 相控陣超聲聲束聚焦特性示意圖Fig.3 Phased array ultrasonic focusing characteristics

縱向分辨力是聲波分辨沿聲束軸線方向相鄰兩個缺陷的能力，與波束的焦區深度Fa成反比。焦區深度Fa定義為[26]

縱向分辨力?z可表示為[25]

式(7)中，c試件表示試件材料聲速，單位mm/μs；?τ?20dB表示用20 dB 降落法測出的時間分辨力，單位μs。?z越小，縱向分辨力越高。

1.3 相控陣掃查圖像顯示模式

相控陣掃查顯示除了常規的A 掃描顯示(以橫軸為時間軸、縱軸為信號強度的顯示)，主要還有B顯示視圖(側視圖)、C顯示視圖(頂視圖)、D 顯示視圖(端視圖)等，如圖4所示。

對圖4來說，通常B 顯示視圖是指垂直于移動方向的橫截面顯示，D 顯示視圖是平行于移動方向的縱斷面顯示，C顯示視圖是指水平面投影顯示。

圖4 相控陣掃查圖像顯示(B 顯示、C 顯示、D 顯示)Fig.4 Phased array ultrasonic scanning image display (B display, C display, D display)

2 實驗研究

2.1 實驗系統的組成

本實驗系統包括多浦樂Phascan 相控陣檢測儀、線陣探頭(中心頻率分別為2.25 MHz、5 MHz、10 MHz，陣元間距d均為0.6 mm，陣元長度均為10 mm，陣元總數均為64個)、0?縱波楔塊厚度均為20 mm、相控陣數據圖像分析軟件、MOS01 鼠標式掃查器、耐張線夾壓接試樣等，如圖5所示。

圖5 實驗系統實物Fig.5 Experiment system

本次實驗采用電網常見架空輸電導線NY-400/35 液壓型耐張線夾為檢測對象，如圖6所示，其內部結構如圖7所示。實驗用耐張線夾試樣分為壓接合格和有壓接缺陷兩種，均進行了相控陣檢測。相控陣檢測區域為耐張線夾壓接件的A 區和B 區，其中A 區域為鋼錨凹槽與外層鋁套管的壓接部位，B 區域為導線與外層鋁套管的壓接區域，文中簡稱為凹槽側和導線側，如圖7所示。A 區和B 區域之間為鋁套管不壓區域，不進行相控陣檢測。根據文獻[26-27]，圖7中線夾規格尺寸參數如表1所示，鋼錨的參數如表2所示，鋁導線外徑為3.22 mm。

圖6 NY-400/35 型耐張線夾壓接件實物Fig.6 Crimping sample of NY-400/35 type tension clamp

圖7 NY-400/35 型耐張線夾壓接件內部結構Fig.7 Internal structure of crimping piece of NY-400/35 type tension clamp

表1 NY-400/35 型線夾規格尺寸Table 1 NY-400/35 type wire clamp specifications

表2 NY-400/35 型鋼錨參數Table 2 NY-400/35 steel anchor parameters

2.2 實驗測試

本實驗以NY-400/35 液壓型鋼芯鋁絞線用耐張線夾為例，選擇不同的頻率f、焦距F和孔徑D進行對照實驗，研究其分別對耐張線夾相控陣超聲檢測成像質量的影響。相控陣超聲檢測使用的頻率通常為1～10 MHz[25]，因此本實驗選擇中心頻率分別為2.25 MHz、5 MHz、10 MHz 的3 種探頭進行實驗；根據表1可知NY-400/35 型鋁套管厚度T為8.25 mm，因此選擇焦距為0.5T、1T、1.5T，即4 mm、8 mm、12 mm；單次激發陣元數選擇為8 個、16 個、24個、32個，對應孔徑為4.8 mm、9.6 mm、14.4 mm、19.2 mm。以上各工藝參數進行排列組合，相控陣檢測工藝參數變量如表3所示。

表3 檢測工藝參數變量設置Table 3 Detection process parameter variable setting

采用縱波垂直入射的方式進行檢測，按照上述工藝參數設置沿著鋁套管方向進行一維線性掃查。

3 實驗結果與分析

3.1 相控陣典型檢測圖譜信號分析

3.1.1 正常壓接試樣的相控陣圖譜分析

以檢測參數f=5 MHz、F=8 mm、n=32 個時為例，根據耐張線夾內部結構特點檢測凹槽側A 區時采用B-A-D視圖，成像顯示如圖8所示，檢測導線側B區時采用B-A-C視圖，成像顯示如圖9所示。

圖8的D 視圖是平行于移動方向的縱斷面顯示，水平軸對應于耐張線夾試樣長度，垂直軸對應于深度。圖8中D 視圖里深度為8～10 mm、16～18 mm、24～27 mm 處均出現回波信號，由表1中可知鋁管厚度為8.25 mm，鋼錨凹槽深度為1.5 mm，縱波在鋁套管中傳播，遇到壓接界面時，會產生多次反射，因此在深度為8～10 mm、16～18 mm、24～27 mm 處分別為縱波在鋁套管和鋼錨壓接界面一次、二次和三次反射波信號，且信號分布與實際鋼錨凹槽輪廓一致，兩個凹槽信號清晰可見，表明壓接質量完好。A 視圖顯示的是D 視圖中指示線處的回波信號，分析可知，第一個波峰為楔塊底面回波信號，第二至四個波峰分別為鋼錨凹槽界面一次、二次、三次反射波，與D 視圖分析結果一致。一次波、二次波、三次波幅值依次遞減，主要是由于超聲波在傳播和反射過程中產生衰減導致，到三次波以后信號幾乎衰減不見。由上可知D視圖可以清晰判定鋁套管和鋼錨凹槽壓接質量情況。

圖9中的B視圖是指垂直于移動方向的橫截面顯示。結合耐張線夾尺寸及內部結構可知，最外層導線與鋁套管有接觸點，同時也存在空氣間隙，本文稱之為間隙1。最外層導線和次外層導線也存在兩種空氣間隙，本文稱之為間隙2 和間隙3。縱波在鋁套管里傳播，遇到完好的壓接界面時會遇到兩種情況，一部分縱波遇到界面空氣間隙1，發生反射，即圖9中B 視圖深度約為9 mm 處的反射回波信號顯示；另一部分縱波通過壓緊接觸的位置透入到導線內部，在遇到最外層導線和次外層導線之間的空氣間隙2 時，發生反射，即圖9中B 視圖深度約為12 mm 處的反射回波信號顯示。而間隙3 處于間隙1 的正下方，縱波在間隙1 處就已被界面反射，沒有聲波到達間隙3，因此間隙3 處無反射信號顯示。圖9中C 視圖中一組相互平行具有一定角度的信號顯示為最外層相鄰導線與鋁套管壓接界面空氣間隙1 的信號顯示，信號的分布和走向與壓接區域內部導線輪廓完全一致，導線與導線間的信號可以區分開，同樣說明耐張線夾壓接質量完好。由上可知通過相控陣B 視圖和C 視圖可以清晰判定鋁套管和導線壓接質量情況。

圖8 正常壓接試樣A 檢測區B-A-D 視圖圖譜信號分析Fig.8 Signal analysis of the B-A-D display pattern of the A detection area of normally crimped tension clamp

圖9 正常壓接試樣B 檢測區B-C 視圖圖譜信號分析Fig.9 Signal analysis of the B-C display pattern of the B detection area of normally crimped tension clamp

3.1.2 有壓接缺陷試樣的相控陣圖譜分析

有壓接缺陷試樣的相控陣圖譜如圖10和圖11所示。圖10是耐張線夾A 檢測區B-A-D 視圖圖譜，D視圖中深度8～10 mm處信號水平呈一條直線，類似于大平底的反射信號，結合鋁套管厚度可知該信號為壓接界面一次反射波信號，然而壓接界面并未出現圖8中所示的凹槽1 和凹槽2 的信號，說明鋁套管并未與鋼錨的凹槽貼合，即存在漏壓。D視圖里深度為16～18 mm、24～26 mm、31～33 mm、39～40 mm 處出現接近直線的回波信號，為縱波在壓接界面產生的二、三、四、五次反射回波。

圖10 有壓接缺陷試樣A 檢測區B-A-D 掃查圖譜信號分析Fig.10 Signal analysis of the B-A-D scanning pattern of the A detection area of the tension clamp with crimping defects

圖11是耐張線夾導線側檢測區B-B-C 視圖圖譜，圖11的C視圖中多個間隙1 信號基本連成一片，鋁線走向的信號輪廓被破壞，可初步判斷為欠壓。在C 視圖選取L= 173 mm 和L= 30 mm 兩處位置，其對應的B 視圖顯示在B 視圖1和B 視圖2，B視圖1為線夾上173 mm 位置處的橫截面顯示，從圖中可看出鋁套管和最外層導線的空氣間隙回波右側有一部分連成了一條線，該局部沒有透入波，說明沒有壓緊，壓接不良。B 視圖2為線夾上30 mm位置處的橫截面顯示，深度8 mm 處空氣間隙信號全部連在了一起，說明鋁套管和最外層導線在此處欠壓嚴重，幾乎完全漏壓。

綜上可知該耐張線夾在A 和B 檢測區均存在欠壓或漏壓。通過對檢測圖8～圖11分析可知相控陣超聲檢測能夠清晰有效地評定耐張線夾壓接質量。

圖11 有壓接缺陷試樣B 檢測區B-B-C 掃查圖譜信號分析Fig.11 Signal analysis of the B-B-C scanning pattern of the B detection area of the tension clamp with crimping defects

3.2 相控陣檢測圖像質量評價

3.2.1 對照實驗結果

按照表3中所示工藝參數進行對照實驗，研究不同頻率、孔徑和焦距對耐張線夾相控陣超聲檢測圖像質量的影響。因篇幅有限，選取焦距8 mm 時不同檢測頻率和探頭孔徑下檢測的B-C圖譜為代表，如圖12所示，圖中儀器總增益均為12 dB。

選取圖12中不同參數條件下同一檢測位置的信號進行分辨力和靈敏度分析。在A視圖信號滿屏高度的20%處設置閘門，分別以不同頻率、孔徑、焦距時的最大回波幅值與閘門高度差值(?dB)為研究對象進行分析。實驗結果如圖13所示。圖中縱坐標?dB 越大，說明超聲回波幅值越高，檢測靈敏度越高。圖14為根據公式(3)～(7)得出的相應橫向分辨力和縱向分辨力結果。

3.2.2 探頭頻率對成像質量的影響分析

由圖13(a)可知，隨著探頭檢測頻率增大，聲衰減系數增大，信號回波幅度降低，在相同的儀器增益下，檢測靈敏度降低；從圖12中的B 視圖可以看出相同增益下，10 MHz 探頭的信號波幅明顯低于2.25 MHz探頭的信號。

由圖14可知，隨著頻率增加，成像分辨力提高。波長計算公式如下[28]：

式(8)中，λ表示波長，單位mm；c表示聲速，單位mm/μs；f表示頻率，單位MHz。

由公式(5)和公式(8)可知，波長越大，橫向能分辨的尺寸越大，波長與頻率成反比，即頻率越低，橫向分辨力越差。由圖12(c)可以看出，頻率2.25 MHz 時，C 視圖上信號已基本連成一片，橫向無法分辨。

鋁合金中的縱波聲速約為6.3 mm/μs，探頭頻率為2.25 MHz、5 MHz、10 MHz時縱波波長分別為2.8 mm、1.26 mm、0.63 mm，而根據表2可知鋁導線的外徑為3.22 mm，經壓接塑形后圖11中間隙1與間隙2 之間的垂直距離小于3.22 mm。當垂直間距接近或小于波長時，間隙1 的回波和間隙2 的回波會發生疊加。從圖12中的B視圖和C視圖可以看出，2.25 MHz 時間隙1 和間隙2 的信號在圖中發生了疊加的情況，5 MHz 和10 MHz時因波長較短，間隙1 和間隙2 的信號未發生疊加。因此在頻率選擇時要綜合考慮靈敏度和分辨力的影響。對此型號耐張線夾來說，頻率為5 MHz 時兼顧成像分辨力和靈敏度，成像質量最佳。

3.2.3 探頭孔徑對成像質量的影響分析

由圖12明顯看出，當單次激發孔徑D由小變大時，檢測靈敏度提高和有效檢測區域增大。

由圖13(a)、圖13(b)可知，隨著相控陣探頭孔徑增大，曲線逐步向上平移，可知增大孔徑可有效地提高回波幅值，從而提高靈敏度。探頭孔徑越大，超聲波聲束的能量越大，回波幅值就越高。

圖12 不同頻率和孔徑下B 檢測區S-A 成像顯示Fig.12 S-A imaging display of B detection zone at different frequencies and apertures

圖13 不同頻率、焦距和孔徑下回波幅值與閘門高度差Fig.13 Difference in echo amplitude and gate height at different frequencies, focal lengths and apertures

由圖14可知，隨著孔徑增大，橫向分辨力和縱向分辨力都隨之提高。圖15[29]是Lee 等對不同陣元數量下聲場指向性進行模擬的結果。圖中可以看出探頭孔徑對指向性的重要影響。隨著探頭孔徑D的增大，聲束的主瓣寬度變小，聲場指向性變好，檢測分辨力提高。由公式(3)和公式(6)可知，當探頭孔徑增大時，焦點直徑和焦區深度都會變小，從而提高相控陣檢測的橫向和縱向分辨力。

圖14 不同頻率和孔徑下分辨力(F=8 mm 時)Fig.14 Resolution test results at different frequencies and apertures (when F=8 mm)

圖15 不同陣元數量下聲場指向性模擬結果[29](陣元間距0.5λ，聲束偏轉角20?)Fig.15 Simulated beam directivities for different element numbers[29] (element pitch of 0.5λ, steering angle of 20?)

相控陣超聲在近場區既存在干涉相消效應，也存在干涉相長效應，通過控制激勵時序可實現聲束的聚焦和偏轉；在遠場區僅存在干涉相長效應[30]。因此要實現良好的聚焦效果，焦點應處于近場區內。均勻線陣探頭縱波聲場的近場區可以按照式(9)進行估算[28]：

式(9)中：N′為鋁中剩余近場區長度，單位mm；N2為鋁中近場區長度，單位mm；L為楔塊厚度，單位mm；c1為楔塊中波速，單位m/s；c2為鋁中波速，單位mm/μs；FS為超聲探頭的激勵面積，單位mm2；λ為介質中的超聲波波長，單位mm。

已知：

根據公式(9)可以計算不同孔徑下鋁中的近場區長度，如表4所示。由圖12(c)的第3、第4 幅圖可以看出孔徑D=14.4 mm 時，其相同深度的間隙信號基本不能分辨開；D=19.2 mm時，相同深度的間隙信號基本可以分辨開。因此檢驗NY-400/35型耐張線夾時聲場在鋁中的近場區長度應不小于套管厚度和單根鋁導線直徑之和，即8.25+3.22=11.47 mm。

表4 不同孔徑下鋁中的近場區長度Table 4 Length of near-field region in aluminum at different apertures

但孔徑的增大會受到工件外形尺寸的限制，因此孔徑不能無限制的增大，目前相控陣儀器常用通道配置為32/128(最大激發通道數/最大獨立通道數)或64/128。根據上述實驗可知當激發陣元數為24個以上時，對線夾就有良好的檢測效果。

3.2.4 探頭焦距對成像質量的影響分析

由圖13(b)可知，隨著探頭焦距的逐漸增大，回波幅值由小變大再逐漸變小，呈拋物線特性，拋物線最大值在8 mm，此時超聲聲束寬度最小，超聲聲場強度最大，超聲回波的幅度最高，信噪比高。同時從圖中可以也可以看出，探頭孔徑越小，拋物線斜率越大，說明孔徑越小，焦點位置對檢測結果的影響越大。因此檢測時將焦距設置為鋁套管厚度時檢測效果最佳。

從上述分析可知，可通過以下方法優選參數改善檢測成像：首先根據耐張線夾型號選擇合適的探頭頻率，一般可選擇5 MHz；然后根據壓接內界面深度確定焦距F，應盡量使焦距F與套管厚度相等，從而提高相控陣成像分辨力和靈敏度；最后根據檢測所要求達到的分辨力，依據公式(3)～(7)選擇探頭孔徑，在相控陣系統通道數和檢測面的尺寸允許的范圍內盡量增大孔徑以進一步提高成像質量。

4 結論

(1)相控陣超聲檢測成像技術可直觀有效地評定耐張線夾壓接質量：對于鋁套管和鋼錨凹槽壓接區域，可通過B 視圖顯示鋁套管與鋼錨凹槽壓接輪廓；對于鋁套管和導線壓接區域，可通過D 視圖顯示耐張線夾橫截面壓接情況，C 視圖顯示鋁套管與最外層導線壓接輪廓。相控陣超聲對耐張線夾漏壓和欠壓等缺陷可直觀有效檢測。

(2)低頻探頭檢測時耐張線夾回波信號會發生重疊；探頭頻率增大時，分辨力會增強，但超聲波聲衰減增大，頻率選擇要綜合考慮對靈敏度和分辨力的相互影響。對于此型號耐張線夾來說，頻率為5 MHz時檢測成像質量最佳。

(3)聚焦場深范圍內，相控陣超聲成像檢測的橫向分辨力取決于焦點直徑，縱向分辨力取決于焦區深度。探頭孔徑增大，則焦點直徑和焦區深度均會減小，橫向和縱向分辨力隨之提高。此外，孔徑增大會增加聲束能量，從而提高檢測靈敏度，但孔徑的增加受到工件外形尺寸的限制。一般選擇孔徑時應保證在鋁中的近場區長度不小于鋁套管厚度和單根鋁導線直徑之和，通常可選擇不少于24陣元可獲得滿意的檢測成像效果。

(4)相控陣檢測中，孔徑越小，焦點位置對檢測結果的影響越大，聚焦區域的成像質量明顯優于非聚焦區域，檢測時將焦距設置為鋁套管厚度時檢測效果最佳。