CN104122328A - 一种高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测用参考试块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测专用参考试块。试块采用φ1mm通孔与深度为3mm、4mm、5mm月牙槽作为检测系统调试人工缺陷反射体；具有仪器调试内部、表面及近表面同时显示，一次完成的优点；月牙槽反射体符合真实裂纹特征；不设置模拟瓷瓶弧面，通过实测表格进行弧度补偿，克服了在实际检测工作中多种规格瓷瓶需采用多种规格试块，分别进行仪器调整的缺点，大大提高了工作效率。本发明所述专用参考试块，可以解决目前高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测无专用参考试块的问。

Description

一种高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测用参考试块

技术领域

本发明涉及材料无损检测技术领域，具体地，涉及一种高压支柱瓷绝缘子(以下简称“瓷瓶”)超声相控阵检测专用参考试块。

背景技术

瓷瓶超声相控阵检测至今尚无专用参考试块，本发明设计、开发制作的试块主要应用于此项工作检测系统性能校准和检测结果评判。利用超声相控阵检测纵波扇形扫查方式，对“瓷瓶”检测范围内的内部缺陷、表面及近表面缺陷进行检测。

目前，超声相控阵检测瓷瓶内部缺陷、表面及近表面缺陷没有相关的产品可供使用。原有的《支柱瓷绝缘子及瓷套超声波检测》一书中所确定的JBX-1试块和传统的超声波检测瓷瓶的试块，无论从仪器调整和缺陷评判角度考虑，均已无法满足超声相控阵瓷瓶检测需要。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测专用参考试块，以解决瓷瓶超声相控阵检测无参考试块的问题，实现了校准难度小、检测结果直观、精度高和误判率低的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：开发设计一种适合瓷瓶超声相控阵检测用参考试块，采用月牙槽人工反射体作为表面及近表面缺陷检测基准灵敏度调整依据，采用φ1mm通孔作为内部缺陷检测基准灵敏度调整依据，用于超声相控阵检测高压支柱瓷绝缘子的试块本体，实现以下功能：

1.调整检测系统扫描速度；

2.确定检测灵敏度；

3.制作检测DAC曲线；

4.对缺陷进行评定。

所述试块分为I区、II区和III区三个区域。

进一步地，在所述试块Ⅰ区设置8个φ1mm通孔，仪器调整时，从试块本体上、下两端面分别入射，距探测面垂直深度范围为30-180mm，间距10mm；用于纵波入射检测瓷瓶内部缺陷时检测灵敏度调整和DAC曲线制作；

在所述试块Ⅰ区上下两检测面分别设置一个表面开口的模拟裂纹月牙槽，槽长度30mm,宽度为0.4±0.02mm，最大深度5±0.02mm；作为表面及近表面缺陷检测灵敏度调整和DAC曲线制作时的参考反射体。

进一步地，在所述试块Ⅱ区设有9个φ1mm通孔，呈1/4圆周分布，半径为50mm，用于相控阵检测角度增益补偿验证，也用于作为现场临时角度补偿曲线制作依据。

进一步地，在所述试块Ⅲ区设置有2个月牙槽，规格分别为宽度为0.4±0.02mm，最大深度分别为3±0.02mm和4±0.02mm，作为实际检测时表面及近表面缺陷反射对比依据；也能够起到检测系统表面缺陷(近表面)最大检测灵敏度验证作用。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和示例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测专用参考试块中检测部位的结构示意图；

图2为本发明高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测专用参考试块中仪器扫查设置界面示意图；

图3为本发明高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测仪器范围设置对应瓷瓶扫查范围示意图；(1—铸铁法兰；2—瓷体；3—探头)

图4为本发明高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测专用参考试块的设计图；

图5为试块实物照片；

图6本发明试块超声相控阵扇形扫描人工缺陷反射信号显示。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在超声检测技术中,通常采用与已知人工反射体相比较的办法来确定被检工件缺陷位置和尺寸，超声波检测技术的发展，始终与参考试块的设计制作分不开的，超声相控阵检测同样如此。因此，必须针对瓷瓶超声相控阵检测方法，开发制作相应的参考试块，以确定探伤灵敏度和评价缺陷大小，并对仪器、探头和检测系统的性能进行综合测试。

超声波检测试块分为标准试块和对比试块。标准试块是由权威机构对材质、形状、尺寸和性能等做出规定和检定的试块；对比试块又称为参考试块，是针对某种检测方法和某些特定的具体检测对象规定的试块。本发明试块为瓷瓶超声相控阵检测专用参考试块。

本发明是在实施甘肃省电力公司科技项目“高压瓷绝缘子超声波相控阵检测技术研究(项目编号：2013103016)”过程中，针对超声相控阵检测没有相关专用试块的问题，设计开发适用于该项检测工作的专用试块。

随着电力行业的发展和电网设备容量及电压等级的提高，对瓷瓶等重要电网设备部件的可靠性要求也越来越高。当前瓷瓶超声波检测主要是针对220-750kV电压等级以上的电力设备。瓷瓶一般由铸铁法兰、水泥和瓷体胶装而成。据统计,国内断裂的瓷瓶有95％以上发生在法兰口内30mm到第一伞群之间^【1】。外露在铸铁法兰外的瓷件表面缺陷可通过肉眼直接观察进行检查。因此，超声波检测的重点检测区域为瓷瓶的瓷体两端铸铁法兰内胶装部位30mm的范围^【2】(见图1)。经统计，220-750kV瓷瓶检测区域的直径在φ140-380mm之间。

检测方法简介：

针对超声相控阵检测的具有声束偏转和声束聚焦的特性，采用一次扫查同时完成内部和表面及近表面缺陷的方法。为达到此目的，将仪器的扫查范围设定如图2所示：

因高压电气设备瓷瓶直径范围在φ140-380mm之间，考虑到相控阵超声在瓷件中的衰减、检测灵敏度和分辨力要求，同时保证检测不出现盲区，将一次扫查检测范围设定为瓷件半径的1.1倍。对应的扫查范围如图3所示：

完成上述仪器设置后，将探头围绕瓷瓶检测区域移动一周，完成检验。

试块材质确定：

由于我国电网设备瓷件制造厂原料配方、工艺及烧结等方面差异，至使瓷瓶晶粒不均匀，瓷质差别较大,其声速变化范围达1000m/s。这就给仪器调节和检测灵敏度的确定造成一定困难。实际应用中制作声速与被检工件相符且直径相近的瓷质试块非常困难。因此，需要借助声速与瓷瓶相近材料制作参考试块，规定检测灵敏度，检测时再根据声速差异进行补偿。

瓷瓶电瓷坯料中氧化铝原料比例越高，瓷瓶强度越高。电瓷坯料中氧化铝中含量一般为40％以上，坯料中加入的如：铝矾土、工业氧化铝比例的变化，可以制造出不同等级强度和电压等级的瓷瓶。测试表明，国内瓷瓶的纵波声速范围大约在6000-6700m/s之间^【3】。铝的声速与瓷瓶声速相近，为：6350±50m/s。适合作为制作瓷瓶参考试块的材料。但纯铝耐磨程度较差，仪器在调试过程中探头在试块局部区域的反复移动，会造成的试块磨损，导致检测系统测量精度下降。通过试验，采用硬铝合金LY12很好的解决了这个问题，其合金成分为:

Cu：3.8～4.9％     Mg：1.2～1.8％     Mn：0.3～0.4％

Zn：0.3％          Cr：0.10％

试块制作原料按JB/T4730.3-2005进行超声波探伤和声速测定,以满足试块材质均匀，无影响使用缺陷的要求。

经过测定，以6300m/s为基准，一般声速每变化100m/s，实际声压差为2dB。因此，实际使用中，可依据被检测瓷瓶的实测声速差值进行相应补偿。

检测灵敏度确定：检测灵敏度是某种检测方法在规定的声程范围内发现规定大小缺陷的能力。灵敏度选择过高，缺陷实际当量就被放大，容易造成设备材料不必要的浪费；灵敏度选择过低，有些缺陷不容易被发现而漏检，成为生产运行的安全隐患。

内部缺陷检测灵敏度：本发明试块依然采用与JYZ-BX^【3】试块相同的φ1mm通孔作为基准灵敏度，选择依据这里不再详述。

表面及近表面缺陷检测灵敏度：传统超声波检测对表面和近表面缺陷采用爬波检测法，由于爬波检测衰减较快且分辨力较低的原因，JYZ-BX试块将5mm矩形槽作为基准灵敏度，实践证明此标准人工缺陷反射体的反射当量偏高，与实际相差偏大。对于瓷瓶这种强度大、韧性低的特殊材料，对表面裂纹敏感度极高，采用超声相控阵检测方法，大大提高了缺陷检测的分辨力。因此参考试块设计5mm月牙槽反射作为实际检测基准灵敏度。(实际情况下，裂纹的宽度和深度的发展有着一定的规律，月牙槽形状更符合真实裂纹特征。)

对本发明试块月牙槽与瓷瓶试块1mm模拟裂纹反射进行比较：瓷瓶试块模拟裂纹反射增益6dB后两条反射曲线基本吻合，表明本发明试块5mm深月牙槽波高增益6dB后相当于瓷试块(声速6350m/s)深1mm模拟裂纹。采用5mm深月牙槽为探伤基准灵敏度可行。

曲率耦合补偿：

瓷瓶电压等级不同，生产厂家不同，其规格也是多种多样的，使用的数量也非常大。目前，对瓷瓶的超声波检测主要是针对高电压等级的电网设备，其半径约在100-190mm之间。如果针对每一种规格的瓷瓶制作相应的参考试块，种类将及其繁多。因此，将参考试块探测面设计为平面，实际检测时根据不同曲率弧面进行修正，解决因检测弧面曲率引起的信号反射强度差异问题。为确定检测面弧度对缺陷反射当量的影响，采用上述瓷瓶超声相控阵检测方法推荐的两种相控阵探头，对JYZ-BX试块内部(深度40mm，φ1mm通孔)和表面(长度30mm，深5mm矩形槽)人工反射体不同曲率检测面对反射当量影响进行了测定。结果如下：(dB)

内部缺陷检测测定：

探头：2MHz，32-0.5×10；人工反射体：深度40mm，φ1mm通孔；声程：72mm

检测面曲率半径	R120	R130	R140	R150	R200	平面
							反射当量	33	33	33	31.5	31.5	30
与平检测面反射当量差值	3	3	3	1.5	1.5	0

探头：5MHz32-0.5×9；人工反射体：深度40mm，φ1mm通孔；声程：72mm

检测面曲率半径	R120	R130	R140	R150	R200	平面
							反射当量	33.5	33.5	33.5	31.5	31.5	29.5
与平检测面反射当量差值	4	4	4	2	2	0

表面缺陷检测测定：

探头：2MHz32-0.5×10；人工反射体：长度30mm，深5mm矩形槽，；声程：50mm

检测面曲率半径	R120	R130	R140	R150	R200	平面
							反射当量	50	49	48	48	46	45
与平检测面反射当量差值	5	4	3	3	1	0

探头：5MHz32-0.5×9；人工反射体：长度30mm，深5mm矩形槽；声程：60mm

检测面曲率半径	R120	R130	R140	R150	R200	平面
							反射当量	57	57	56	54	54	53
与平检测面反射当量差值	4	4	3	1	1	0

分析测试数据得出：检测面为弧面时，对探头耦合的影响具有一定的规律。实际检测系统调试时，可按上列表中数据进行相应的曲率耦合补偿。

试块厚度确定：

考虑纵波探伤时，探头若靠近侧壁，则经侧壁反射的纵波或横波与直接传播的纵波相遇产生干涉，对探伤带来不利影响。本发明试块采用纵波轴线入射，故只考虑探头轴线上的缺陷反射侧壁干涉。

探头轴线上的缺陷反射侧壁干涉的条件为：

${2d}_{\min }\≥2\×\sqrt{2\mathrm{a\λ}};$

2d_min为试块厚度；a为试块声束方向最大尺寸，取：190mm；λ为波长，材质为硬铝合金，纵波声速为6350m/s，纵波波长为1.252。计算得：2d_min＝36mm。取试块厚度为40mm，实测证明试块厚度选择合理。

试块设计：

⑴在试块Ⅰ区设置8个φ1mm通孔，从试块上下两面分别入射，距探测面垂直深度为30-180mm，间距10mm；用于纵波入射检测瓷瓶内部缺陷时检测灵敏度调整和DAC曲线制作；

⑵试块Ⅰ区上、下两检测面分别设置一个模拟裂纹的月牙槽，槽长度30mm，宽度为0.4±0.02mm，最大深度5±0.02mm。作为表面及近表面缺陷检测灵敏度调整和DAC曲线制作时的参考反射体；

⑶试块Ⅱ区9个φ1mm通孔用于相控阵检测角度补偿验证测试，也可作为现场临时角度补偿曲线制作依据(通常采用半圆试块在实验室制作)。

⑷试块Ⅲ区设置2个月牙槽，规格分别为槽宽度为0.4±0.02mm，最大深度分别为3±0.02mm和4±0.02mm，作为检测时的实际表面及近表面缺陷反射对比依据；也可起到检测系统表面缺陷(近表面)最大检测灵敏度验证作用；

⑸在具体的设计过程中，考虑到如果试块质量过大，将给现场工作带来不变，且不易携带，故最大声程设计到180mm。经过试验测定，对于检测最大声程范围超过180mm的瓷瓶，声程每增加10mm，可适当增益2-3dB可保证检测灵敏度。

本发明上述各实施例的高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测用参考试块，至少具有以下特点：

⑴本试块在满足瓷瓶超声相控阵检测各项应具有功能的基础上，优化设计，将内部和表面及近表面缺陷检测仪器调整的规则反射体合成到一个试块上，并布置在同一轴线上，仪器调整时，内部缺陷与表面及近表面同时显示，操作步骤简易；

⑵本试块采用月牙槽反射体作为表面及近表面缺陷检测基准灵敏度，更符合真实裂纹中部深、两端浅的特征；

⑵本发明试块不设置模拟瓷瓶弧面，通过实测表格或补偿曲线进行弧度补偿；克服了在现场实际检测工作中多种规格瓷瓶需采用多种规格试块，分别进行仪器调整的缺点。

试块实物照片见图5；采用本发明试块进行仪器调整时人工缺陷反射信号显示见图6。

本发明上述各实施例的高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测用参考试块，至少具有以下有益效果：

⑴针对瓷瓶超声相控阵检测设计、制作了专用参考试块，包括检测扫描速度、扫描灵敏度调整，缺陷评判，角度补偿粗调和验证等多项功能；

⑵采用铝合金作为试块材料，使得试块重量大大减轻，便于现场工作时携带；

⑶仪器对内部缺陷和表面及近表面缺陷的扫查灵敏度调整无需分步进行，反射信号可同步显示在仪器屏幕，大大提高了检测工作效率。

参考文献：

【1】田新民，曾庆立，瓷瓶断裂原因及防护措施【J】，东北电力技术，2002.23(4；)21-22。

【2】蒋云，王维东，蔡红生，《支柱瓷绝缘子及瓷套超声波检测》【M】，2009；159。

【3】蒋云，王维东，蔡红生，《支柱瓷绝缘子及瓷套超声波检测》【M】，2010；104。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测专用参考试块，其特征在于，采用φ1mm通孔和5mm深月牙槽人工反射体作为检测基准灵敏度调整依据；

所述试块如摘要附图所示分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区三个区域。

2.根据权利要求1所述的高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测专用参考试块，其特征在于，在试块Ⅰ区设置8个φ1mm通孔，声束从试块本体上下两面分别入射，距探测面垂直深度范围为30-180mm，间距10mm；用于超声相控阵纵波检测瓷瓶内部缺陷时检测灵敏度调整和DAC曲线制作；

在试块Ⅰ区上、下两检测面分别设置一个模拟裂纹的月牙槽，槽长度30mm,宽度为0.4±0.02mm，最大深度5±0.02mm；作为表面及近表面缺陷检测灵敏度调整和DAC曲线制作时的参考反射体。

3.根据权利要求1所述的高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测专用参考试块，其特征在于，在试块Ⅱ区设有9个φ1mm通孔，呈1/4圆周分布，半径为50mm，用于相控阵检测角度补偿验证测试，也用于作为现场临时角度增益补偿曲线制作依据。

4.根据权利要求1所述的高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测用参考试块，其特征在于，在试块Ⅲ区设置有2个月牙槽，宽度为0.4±0.02mm，最大深度分别为3±0.02mm和4±0.02mm，作为实际检测时表面及近表面缺陷反射对比依据；也能够起到检测系统表面及近表面缺陷最大检测灵敏度验证作用。

5.根据权利要求1所述的高压支柱瓷绝缘子超声相控阵检测用参考试块，其特征在于，试块Ⅰ区将深度5mm月牙槽和8个φ1mm通孔布置在同一轴线上，仪器调整时，表面及近表面缺陷人工反射体同时显示，一次完成调试的特点。