基于施壓過程計時的非金屬基體涂層質量無損檢測

馬 巖，陳建平，梁湘鵬，閆傳濱

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

防污閃復合涂料(PRTV)是一種新型電氣功能材料，專為電網及各輸、發、用電用戶徹底消除污閃隱患而設計，用于提高輸電線路絕緣子、變電設備及其他電氣設備的絕緣性能及使用性能[1-2].PRTV 材料的噴涂厚度要達到0.3～0.8 mm[3]，且涂層應完整、無缺損、無滴流掛絲現象，以確保PRTV 材料的絕緣防污、預防閃絡性能.因此，在PRTV 材料噴涂完成后，要先對絕緣子等電氣設備的涂層質量進行檢測，再投入使用.在工作一段時間后，也需對涂層進行檢測，發現有破損情況時需及時補涂修復.

目前，國內外涂層質量檢測方法主要有無損檢測和有損檢測兩類方法.有損檢測主要有探針法、點滴法、液流法、輪廓法等方法，這些檢測方法精度低，檢測周期長，安全性差，且對涂層有較大的破壞性，破壞涂層性能及完整性[4].無損檢測方法主要有射線檢測法、渦流檢測法、磁粉檢測法、超聲檢測法、熱像法等[5–9]，這些方法檢測涂層質量時受檢測環境影響較大，對厚度較小的涂層及有些涂層材料和基體難以檢測.磁粉檢測法只能用于鐵磁性材料的涂層檢測，渦流檢測法只適用于電導性材料的涂層檢測[10].

以上所述無損檢測方法，主要是針對金屬基體涂層的質量檢測.對于絕緣子這樣基體為非金屬基體材料的表面涂層的質量檢測，主要運用探針檢測法對涂層質量進行檢測，這樣會破壞涂層完整性，影響絕緣子使用性能和安全性能.對于絕緣子涂層檢測的無損檢測技術，目前國內主要有圖像處理法[11]和敲擊測聲法[4]兩種檢測方法，此兩種方法容易受外部環境的影響，對檢測環境的要求嚴格.

本文提出一種非金屬基體表面涂層質量無損檢測方法——壓力測定計時法，通過檢測壓力區間內壓力從起始值到達終止值所用的時間，判定涂層厚度大小，從而判定涂層質量是否合格.在檢測涂層有無缺陷的同時，還能夠對涂層厚度作定量分析.

1 壓力測定計時法檢測原理

彼此接觸的兩個物體，相互擠壓時會產生抵抗彼此變形的反力，即壓應力.當二者以一定相對速度持續擠壓時，兩者間的壓應力隨時間逐漸增大.當高硬度測頭向具有黏彈性特征的低硬度聚合材料涂層持續垂直進給施壓時，材料的力學響應與時間有著密切的關系，二者間的壓力不斷加大.當涂層材質與基體材質(陶瓷或玻璃)存在較大的硬度差時，該時間-壓力變化關系可認為是低硬度的聚合材料涂層的受壓形變響應規律.用恒定的進給速度對涂層表面進行施壓，對于不同的涂層厚度，從設定的壓力起始值到終止值所用的時間也不相同.表面涂層越厚，該施壓時間越長；表面涂層越薄，該施壓時間越短.可根據該時間的差別測定涂層厚度差別.

基于以上原理，提出一種高硬度非金屬基體表面涂層質量的檢測方法——壓力測定計時法.可根據不同硬度的涂層材料設定相應壓力區間，設計制造適應被測表面形貌的施壓裝置，采用恒定的進給速度，對被測涂層表面某一待檢位置垂直施壓，壓力傳感器檢測壓力值的變化.編制專用檢測軟件記錄施壓過程中壓力從起始值到達終止值所用的時間，根據所用時長來判定涂層厚度大小.對于同一被測表面，可選取多個位置進行多次檢測，以此檢驗整個被測表面涂層均勻度質量指標是否合格.涂層厚度與時間的關系可表達為

式中：H 為涂層厚度，mm；T 為施壓過程中從起始壓力到終止壓力所用的時間，ms；W 為轉換系數，mm/ms.

2 絕緣子PRTV復合涂層質量檢測裝置

被測件輸電線路絕緣子實際結構如圖 1 所示.由圖1 可以看出，被檢測絕緣子外表面較光滑，內表面為圓環狀，內外表面形狀差異較大，且絕緣子內表面不平整，檢測難度較大.若要檢測整個絕緣子表面涂層質量，需設計不同檢測裝置對內外表面分別進行檢測.因此，設計以下兩種檢測裝置對絕緣子內外表面涂層質量進行檢測.

2.1 絕緣子外表面涂層檢測裝置

絕緣子外表面涂層質量檢測裝置如圖2 所示.

圖2 絕緣子外表面涂層質量檢測裝置Fig. 2 Insulator outer surface coating quality detecting device

該裝置中，絲杠螺母電機驅動由底座和陶瓷測量端子組成的下壓裝置實現對被測表面施加壓力的功能.圓環安裝在陶瓷測量端子的下端，且與電機軸和陶瓷測量端子同軸，防止陶瓷測量端子晃動，減小檢測時誤差對測量精度的影響.整套裝置材料選用絕緣材料，以增強工程現場帶電檢測過程中的安全性，防止漏電、觸電事故的發生.

測量時，裝置下端貼近被測表面，絲杠電機驅動底座向下移動，下壓被測表面，實現對絕緣子外表面的檢測.

2.2 絕緣子內表面涂層檢測裝置

實際輸電線路中絕緣子排列緊密，兩絕緣子之間空間有限，且絕緣子內表面為溝槽結構，因此設計專用檢測裝置對絕緣子內表面的涂層質量進行檢測.絕緣子內表面涂層質量檢測裝置如圖3 所示.與外表面涂層質量檢測裝置相比，內表面涂層質量檢測裝置的直線運動輸出端與輸入端成90°，即絲杠螺母電機絲桿的輸出方向與陶瓷測量端子的運動方向垂直，從而保證陶瓷測量端子能夠接觸到絕緣子內表面的凹槽部分，完成對絕緣子內表面涂層質量的檢測.

圖3 絕緣子內表面涂層質量檢測裝置Fig. 3 Insulator inner surface coating quality detecting device

3 測試數據采集與分析

3.1 壓力測定計時法檢測流程

絕緣子涂層質量檢測流程如圖4 所示.檢測前，設定壓力起始值和終止值及進給速度.檢測時，采用專用五自由度機械臂等移動設備將檢測裝置的外殼的下環端面與被測表面接觸.要求未接觸部分縫隙不大于0.2 mm，以避免裝置對被測表面的垂直度誤差過大而影響測量精度.可靠接觸后檢測裝置的絲杠螺母電機正轉，驅動底座及陶瓷測量端子勻速下壓被測表面.檢測數據經數據采集卡將數據收集并傳輸到PC 端的數據處理軟件中.開始檢測后，壓力到達設定壓力區間的起始值時，數據處理軟件開始計時并收集數據，當壓力值到達設定壓力區間終止值時，數據處理軟件停止計時，并停止數據的收集.該次測量由起始壓力值至終止壓力值的時間可反映涂層厚度.經專用數據處理軟件的分析處理，找出壓力區間內，涂層表面施壓時間與涂層厚度的對應關系.厚度越大，該時間越長，二者基本呈線性關系.針對厚度較小和硬度較高的涂層，可設置和調整較低的進給速度，延長記值時間，提高測量精度.實驗表明，該裝置可測出涂層0.1 mm 的厚度差別.對同一表面的同一個點進行多次測量，取平均值，可消除測量時隨機誤差帶來的影響.可對同一表面選取多點檢測，即檢測該涂層表面的涂層均勻度質量情況.根據涂層質量要求，對涂層質量進行量化分析，制定相應的涂層質量檢測規范，判定涂層厚度和均勻度.圖5 為檢測裝置施壓過程示意圖.

圖4 壓力測定計時法檢測流程Fig. 4 Detection process of pressure chronometry method

圖5 檢測裝置施壓過程示意圖Fig. 5 Schema of the pressing process of the detecting device

3.2 測試數據分析與處理

在軟件界面上顯示的實驗數據處理結果如圖6所示，壓力區間值經數據采集卡轉換，將壓力值信號轉換為電壓信號，取值范圍為0～5 V.圖中各數據參數表示如下：X 代表開始顯示波形時的壓力值，即計時起始壓力；Y 代表壓力值到達Y 值時波形鎖定，電機開始反轉，即計時終止壓力；T 代表延時T 毫秒后電機停止；U、M 代表采集的時間值超過U 或者低于M 顯示為不合格；Q 代表壓力區間值；W 代表時間值乘以轉換系數W 可以得到厚度值；Z 代表壓力值低于Z 值電機停止.

對被測表面涂層幾乎無涂層處、薄涂層處、厚涂層處分別進行多次檢測，并對檢測數據進一步處理分析，所得到的幾乎無涂層處、薄涂層處、厚涂層處壓力從起始值到達終止值所用的時間分別為200～367 ms、822～1 155 ms、1 358～1 528 ms.表1 所示為幾乎無涂層處、薄涂層處、厚涂層處檢測結果.

圖6 數據處理軟件界面Fig. 6 Software interface of data processing

表1 涂層厚度檢測數據統計Tab. 1 Statistics of coating thickness detection

運用壓力測定計時法對被測表面幾乎無涂層處、薄涂層處及厚涂層處進行檢測實驗.采用有損針刺法測得涂層厚度作為實際厚度，選擇涂層實際厚度為0.1 mm 的位置作為幾乎無涂層處的測量點，選擇實際厚度為0.3 mm 和0.8 mm 的位置分別為薄涂層處和厚涂層處的測量點.由表1 數據可以看出，不同厚度的涂層之間所對應的壓力起始值和終止值之間的施壓時間有明顯差別，可根據時間差異有效分辨出涂層厚度差異情況.

根據表1 的實驗數據，運用壓力測定計時法測得的涂層厚度的實驗值見表2.

表2 涂層厚度值對比分析Tab. 2 Comparative analysis of coating thickness values

從表2 可以看出，通過實驗測得的涂層厚度值與通過有損針刺法測得的涂層實際厚度值相近.因此，該方法可以用于絕緣子涂層質量的無損檢測，并可以對涂層厚度相差0.1 mm 的涂層進行定量分析.

通過實驗測出不同厚度涂層的對應施壓時間見表3，將該對應關系作為測定涂層厚度的依據.根據國家電網部門的相關要求，絕緣子表面PRTV 涂層的合格厚度為0.3～0.8 mm，因此，該方法適用于無損檢測PRTV 涂層質量的電力行業要求.

表3 涂層質量判定標準Tab. 3 Standards for determining coating quality

4 結 語

在絕緣子涂層質量檢測中，針對不同厚度的涂層材料在同一壓力區間內從壓力起始值到達終止值所用時間與涂層厚度的分析，確定了一種用于絕緣子表面涂層質量的無損檢測方法——壓力測定計時法，實現對絕緣子等高硬度非金屬基體涂布較低硬度涂層的涂層厚度的無損檢測.同時，研發針對不同表面形態被測表面的檢測裝置，實現被檢測設備內外表面的涂層質量檢測.根據同一壓力區間內涂層受壓時間差異確定涂層厚度，可測出涂層0.1 mm 的厚度差別.壓力測定計時法可以應用于所有基體材料為高硬度非金屬材料，涂層材料為低硬度非金屬材料的涂層質量檢測.