淺析超聲波相控陣技術對電網支柱瓷絕緣子檢測的應用

曹翀 南鈺 鄭罡

國網河南省電力公司開封供電公司 河南 開封 475000

引言

超聲相控陣指的是一種超聲電子掃描方法，它根據特定的規則和時間序列激發探頭驅動器組，并通過調節刺激板的順序、數量和時間來控制光束形狀、軸偏轉角度和聚焦位置等參數。探頭超聲相位陣列由大多數按照特定順序排列的晶片組成，儀器通過調整單個晶片的激發時間來監控諸如超聲光束形狀、軸偏轉角度和聚焦位置等參數。它有兩種性質，不同于以前的超聲波探頭:陣列多芯片和電子控制的超聲波場性質。超聲相陣列檢測技術是一種特殊的超聲檢測技術，它利用復雜的相控陣和強大的超聲束控制軟件，使其覆蓋檢測到的材料，并生成修改后的材料結構內部圖像。分階段陣列檢測技術不僅可以檢測缺陷，而且在船舶和壓力管道腐蝕檢測和腐蝕圖譜繪制方面有其獨特的應用。

1 我國支柱絕緣子檢測的常見方式

1.1 常規超聲波檢測法

超聲波檢測，依據超聲波種類可以分為兩種，一種為爬波方式，另一種為縱波斜探頭入射方式。

首先，爬波方式在檢測過程中，所呈現的折射角為90°，被稱之為壓縮縱波。在操作過程中，爬波探頭的相關入射角被固定在臨界角，屬于第一臨界角，依據檢測舉例對晶片面積進行選擇，從而構成并聯式結構。

但是此方式，僅僅對檢測表面深度為8mm有效，如再深入探測則無法進行有效反應。因此在檢測過程中，應及時對晶片以及探測面積中的夾角進行調整，從而增加探測的相關深度。

1.2 超聲波相控陣技術

此方式為超聲波相控陣檢測方式，此方式與上述檢測方式不同，此方式是利用電子系統對換能器各個陣元的一種控制，利用此控制系統，在延遲時間內，發射以及接收超聲波。分階段陣列檢測技術并不改變超聲波的物理性質，而是更多地利用超聲波的物理性質來控制光束。與以往超聲檢測方法相比，它具有獨特的優勢，可以使檢測速度更快，檢測結果更客觀、更可信。

在工件聚焦以及偏轉過程中，利用動態控制超聲束對材料進行無損檢測。

例如：在上述常規超聲波檢測過程中，一般多使用聲束擴散的單晶探測頭，如單晶片分成許多相同的晶片，這些晶片的寬度要遠遠小于實際長度，因此每個被分割的晶片可以作為輻射柱面波的線狀波源，這些波源波陣面可以產生新的波陣面[1]。

一般常用的晶片數量為16～64片，包含128以及256片的晶片探頭，但是晶片的排列幾何形狀相關種類也較多。依據所選擇的晶片數量，以及相關的幾何形狀，在超聲波相控陣技術的應用初期，主要是應用在醫療器械領域內，因相關使用系統較為復雜，固體中的波動傳播復雜性較大，相關成本使用的費用較高，導致在工業無損檢測中的應用范圍較小，應用受到一定的限制。

近幾年，隨著電力行業的不斷發展，電廠以及電網內部，需要許多參數較高，容量較大的設備，因此對這些設備的檢測要求也較高，相控陣檢測技術也逐步進入電力領域中，下文列舉出超聲波相控陣技術的優缺點。

其優點為：其一，探頭覆蓋的角度較為廣泛；其二，探頭的分辨率精確度較高；其三，信號較強，噪音較小；其四，穿透力度以及檢測的相關靈敏度較好；其五，探測的圖像較為清晰。

其缺點為：其一，此檢測技術的探頭體積較大，對一些表面需要定制的楔塊無法進行檢測；其二，相關探頭以及相關連接線較為精密，但是容易損壞；其三，設備使用以及參數的設置較為復雜；其四，檢驗的相關標準并不完善；其五，設備比較昂貴，檢測的成本較高[2]。

2 支柱瓷絕緣子

支柱瓷絕緣子，以及瓷套的一般缺陷分為：制造缺陷、工藝缺陷、運行缺陷等，具體表現如下：

首先，制造缺陷。一般是指瓷件在制造中形成的本身性缺陷，一般由氣孔、裂紋、晶界偏析層面、層狀以及粒狀突兀造成的問題，這類問題主要出現在瓷件內部。其次，工藝缺陷。一般是指支柱瓷絕緣子以及瓷套，在相關維修安裝、維護過程中導致的缺陷，被稱為工藝缺陷，分為表面碰損、膠狀缺陷、壓力增加導致的裂紋[3]。最后，運行缺陷。一般是指設備運行過程中產生的一定缺陷，一般現象為內部裂紋以及表面裂紋等。

3 對比試塊

對比試塊分析，對加工要求進行研究：實心的瓷棒相關規格為φ100×250mm。間斷為90°，深度加工為：1mm、3mm、5mm、7mm的槽，見圖1。

圖1 瓷質對比試塊

相關鋁合金，對比試塊一般使用JYZ-BX型試塊，見圖2。

圖2 鋁合金型對比試塊

4 相控陣檢測結果與常規檢測結果對比分析

使用超聲波相控陣檢測設備分別對瓷質進行對比試塊測試，以及對鋁合金對比試塊上的機械刻槽進行相關測試，具體見圖3。

圖3 七檢測瓷質與鋁合金對比試塊

相關結果顯示，常規超聲波A，顯示模式為橫波以及距離坐標，相應的探頭晶片入射角應為固定值數。檢測的位置，主要位于主聲束范圍內靈敏度測試，如果缺陷偏離主聲束的軸線則相關檢測的靈敏度會大幅度下降。

如圖4所示，左邊的扇形區域，應為相控陣掃查的成像區域，右邊為選定入射角對應的A型，水平方向表示與探頭水平距離，垂直方向表示從探測點計算的深度值。該扇區中間的紅線表示此方向的主光束角度，可根據需要調整該線的角度[4]。

如圖5顯示，此顏色表示波動的幅度，中間扇區左側的色域用于比較幅值。圖4和圖5分別顯示了瓷塊和鋁合金塊的相模掃描圖像，測試對象均處于相同深度。兩個圖像非常相似，因為瓷和鋁合金的超聲波傳播速度非常接近。鋁合金的聲速約為1m/s，陶瓷的聲速約為1.2m/s。它還表明，鋁合金參考塊可以代替瓷塊用于定性分析。

圖4 資質試塊相控陣成像

圖5 瓷質試塊與鋁合金相控陣成像