支柱绝缘子及瓷套是发電(diàn)厂和变電(diàn)站运行的重要组成设备，起着支撑导線(xiàn)和绝缘作用(yòng)，由于支柱绝缘子是高温烧结成的電(diàn)瓷产品，如果在制作过程中配方不当，工艺流程中原料混合不均匀，均易形成瓷件内部缺陷，由于没有(yǒu)固有(yǒu)的形变能(néng)且韧性极低，在長(cháng)期承受运行中的机械负荷，以及大风、雨雪(xuě)等，从而使附加应力增大，若支柱绝缘子存在微小(xiǎo)缺陷，就可(kě)能(néng)造成破坏。因此，為(wèi)确保北京**電(diàn)网的**运行，北京*****先生、华海恒辉赵继珍先生共同协作，开展了对支柱绝缘子的超声探伤检测研究，制定了《北京**瓷瓶工艺的研究》，对防止运行中突然断裂具有(yǒu)重要意义。
1.1支柱绝缘子及瓷套的组织特点
成品绝缘子及瓷套是采用(yòng)白瓷、金具和水泥等多(duō)种材料组合而成的，瓷體(tǐ)主要由粘土長(cháng)石石英等铝硅酸盐原件混合配制，加工成一定形状后，在高温下烧结成的无机绝缘材料，瓷表面复盖了一层玻璃质平滑薄层釉。
陶瓷一般是通过将粉未原料成型，烧结而成的。经过这些工艺所制得的陶瓷，是由于许多(duō)微晶聚集的多(duō)晶體(tǐ)构成，这就不可(kě)避免的存在着晶界。晶界不仅在陶瓷烧结过程中起着重要作用(yòng)，而且还对烧结體(tǐ)物(wù)理(lǐ)、化學(xué)性能(néng)有(yǒu)很(hěn)大影响。
陶瓷的微观结构如图1（a）所示，是由微晶、晶界、晶界析出物(wù)、晶界气孔、晶粒内析出物(wù)、晶粒内气孔等构成的。构成陶瓷主成分(fēn)的微晶尺寸，一般由1微米至几十微米，结晶轴方是任意的，微晶直径与原料颗粒直径、杂质、烧结条件有(yǒu)关。陶瓷晶界有(yǒu)位错、空孔等晶格缺陷和晶格畸变存在。因而杂质容易集中，形成图1（b）、（c）、（d）所示的晶界偏析层、层状析出物(wù)等。
1.2晶界偏析层一般将在晶界由偏析的杂质离子所形成的层称為(wèi)晶界偏析层。晶界偏析层厚度由20埃至1微米。在晶界，因為(wèi)形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超过一般固溶界限的固溶。所以，可(kě)以发现与结晶内部晶相明显不同的物(wù)质。
1.3层状析出物(wù)在含有(yǒu)杂质特别多(duō)而超过固溶界限时，杂质作為(wèi)另外的结晶相在晶界析出。这种析出物(wù)有(yǒu)层状和粒状之分(fēn)。层状析出物(wù)通常由液相烧结所造成。晶界析出物(wù)的溶点比陶瓷的烧结时温度低，产生液相烧结。在液相的浸润性良好时，完全浸透微晶晶界，各个微晶被液相包围，形成层状偏析层。 （a）陶瓷的典型微观结构：（b）晶界偏析层；（c）层状析出物(wù)；（d）粒状析出物(wù) 1.4粒状析出物(wù)杂质的量超过结晶固溶量，其熔点比烧结温度高时，杂质呈粒状在晶界析出。MgO作為(wèi)添加剂可(kě)用(yòng)于透明氧化铝陶瓷，但如添加量较多(duō)，则会在晶界析出MgAL2O4，从而降低透光性。由此可(kě)以看出陶瓷材料的特点是显微组织复杂且不均匀。 传统检测方法存在的问题和本课题研究方向
2.1传统方法中有(yǒu)采用(yòng)爬波等进行支柱绝缘子探伤的报导，从实际需要检测的部位分(fēn)析：
1.由于支柱绝缘子与瓷套重点探测的部位恰為(wèi)铸铁法兰与瓷體(tǐ)相交附近的區(qū)域，该區(qū)域的显著特点是水平跨距较小(xiǎo)，约為(wèi)15mm～50mm。此处一般有(yǒu)砂层覆盖，当扣除探头无法放置的砂层过渡區(qū)后，串连式爬波探头需要的*小(xiǎo)跨距至少為(wèi)20mm，由于探头表面积大，因此需要瓷體(tǐ)无变形无砂粒平稳面积较大，否则将导致接触**，影响缺陷定量。
爬波虽对近表面缺陷有(yǒu)检出能(néng)力，但对支柱绝缘子内部缺陷以及瓷套的内壁裂纹均无法检出，因此，不能(néng)依此对被检工件作**评价。
当采用(yòng)爬波检查发现了缺陷信号，难于确定缺陷的性质。
2.2亦有(yǒu)采用(yòng)纵横波等进行支柱绝缘子探伤的介绍，因受检测位置影响，仅可(kě)供部分(fēn)瓷件的个别部位检查，无法做到**有(yǒu)效检验。且至今未见有(yǒu)关于专用(yòng)标准试块，探头的研制，裂纹的定性、定量、定位的工艺方法研究以及在役带電(diàn)检查方面的介绍。
2．2．1國(guó)内外亦有(yǒu)采用(yòng)红外線(xiàn)，紫外線(xiàn)，激光等对绝缘子进行带電(diàn)巡查的介绍，它们对瓷绝缘子串和支柱绝缘子的上部能(néng)见部分(fēn)可(kě)能(néng)有(yǒu)效，原因之一是上部的感应電(diàn)压高，但因受绝缘子表面的污秽程度，负荷、检测位置、辐射角度，方向、距离，天气，大气吸收，以及仪器等因素的综合影响，还不能(néng)使他(tā)们成為(wèi)独立的无损检测方法应用(yòng)于支柱绝缘子的检测。而本课题的研究重点是探测支柱绝缘子与瓷套埋藏在沿圆周铸铁法兰内侧或与瓷體(tǐ)相交的砂层下的裂纹，实践证明采用(yòng)红外線(xiàn)，紫外線(xiàn)，激光等方法无法检测到这一部位。
2.3本课题的研究方向
2.3.1研制2.5 MHZ-超-微型并联式爬波探头。希望解决所有(yǒu)支柱绝缘子以及瓷套（外壁）裂纹的有(yǒu)效检测。
2.3.2采用(yòng)数字式超声探伤仪对瓷套及支柱绝缘子试块模拟裂纹试块群进行测试，寻找出规律。
3.支柱绝缘子及瓷套超声波探伤工艺研究
3.1 支柱绝缘子及瓷套超声波探伤系列试块研制
3.1.1试块的选用(yòng)
支柱绝缘子的检验必须借助于试块来测定专用(yòng)探头的入射点和折射角等边。超声波探伤试块的合理(lǐ)与否，直接关系到测试结果的准确性。
钢质（JYZ）绝缘子及瓷套系列试块
用(yòng)20＃钢制作，按不同直径厚度支柱绝缘子及瓷套探伤的需要在试块上加工不同深度的ф1×25横孔，以及不同深度的線(xiàn)切槽（模拟裂纹）
图1JYZ-1型试块适用(yòng)于Φ80、Φ100及相近直径的支柱绝缘子， 瓷套的校对测定
图2 JYZ-2型试块适用(yòng)于 Φ120、Φ140mm及相近直径的支柱绝缘子及瓷套的校对测定。
图3JYZ-3型试块适用(yòng)于 Φ140、Φ160及相近直径的支柱绝缘子与瓷套的校对测定。
3.1.1.2支柱绝缘子系列试块
采用(yòng)Φ80、Φ100、Φ120、Φ140、Φ160mm五种规格的在役支柱绝缘子设计并加工出模拟裂纹试块群（切割裂纹）见图4至图8。在取得数千例实验数据的基础上，对支柱绝缘子进行合理(lǐ)的探伤分(fēn)类。
由图4至图7可(kě)以看出支柱绝缘子的需要检测的部位是靠近铸铁法兰的末裙下，与铸铁结合处。
变压器与電(diàn)流電(diàn)压互感器、耦合電(diàn)容器等瓷套的直径与壁厚如图8所示，由于它的开裂范围是位于瓷套的下部内壁或外壁，因此检查瓷套时要考虑内外壁均应检测。
支柱绝缘子插入法兰是采用(yòng)水泥和砂浆将其牢固的粘接在一起，因此在结合处（即在放置超声波探头进行扫查的探测面上附有(yǒu)坚固且附着力很(hěn)强的水泥砂浆區(qū)，从图4-7可(kě)以看出它们占有(yǒu)的宽度為(wèi)5-15mm不等，一般為(wèi)10mm左右，根据实测估算，已经占据了有(yǒu)效探测面的1/3-1/4.（这也是串联式爬波探头移动距离受阻的主要原因）。而且在探伤时是无法**的。
3.2.7支柱绝缘子及瓷套超声波爬波探头的研制 國(guó)内一些单位在爬波探伤研究方面做了很(hěn)多(duō)工作，并且已经运用(yòng)于支柱绝缘子的表面裂纹探伤，但由于采用(yòng)的為(wèi)串联式探头，體(tǐ)积偏大，导致部分(fēn)支柱绝缘子及瓷套应该检查的部位无法放置探头，因而不能(néng)做到100%检验。
虽然爬波仅仅对表面和近表面缺陷有(yǒu)效，但对工程量较大的普查检验说来，仍不失為(wèi)是一种快速的检验方法，為(wèi)此，我们研制出微型并联式爬波探头解决了體(tǐ)积偏大这一难题。
微型并联式爬波专用(yòng)探头的型貌及设计数据见下图
频率：2.5MHz 晶片尺寸：7 mm×10 mm×2
3.3 支柱绝缘子及瓷套的模拟裂纹试验
采用(yòng)入射角5o-8o，2.5MHZ,5MHZ二种频率的纵波斜探头，以及爬波探头，五台不同型号的超声波探伤仪，实测支柱绝缘子试块及瓷套试块的内外壁模拟裂纹。
采用(yòng)2.5MHZ,5MHZβl為(wèi)10.5.o-12o纵波斜入射探头及五种不同型号仪器，部分(fēn)支柱绝缘子试块群模拟裂纹缺陷实测情况见表3、4、5、6、7
采用(yòng)2.5MHZ,5MHZβl為(wèi)=16o-19.5o纵波斜入射探头对瓷套内壁模拟裂纹缺陷情况见表8、9、10、11、12、13
采用(yòng)并联式爬波探头对瓷套外壁模拟裂纹缺陷实测情况见表14、15
采用(yòng)并联式爬波探头对支柱绝缘子模拟裂纹缺陷实测情况见表16、17
从测试结果看：当模拟裂纹深度≤2mm时，采用(yòng)5MHZ探头将导致分(fēn)辨率下降，当模拟裂纹≥2mm时，采用(yòng)5MHZ探头，此时的缺陷与底波的分(fēn)辨率明显优于2.5MHZ探头。
平均分(fēn)辨率>14db，裂纹反射波高度比φ1×25横孔波幅高度平均约高7db 。
3.3.1测试结果比较分(fēn)析：
由于EPOCHIⅢ(2300)及USM25DAC数字式仪器对爬波的识别能(néng)力较差，因此，瓷套外壁及支柱绝缘子的模拟裂纹测试采用(yòng)了模拟式ST-7型以及HS611型数字式探伤仪测定，测试结果表明，裂纹反射波高比深度1×25模拟裂纹波幅高度平均约高：ST-7；瓷套外壁為(wèi)20db，支柱绝缘子為(wèi)13db，HS611；瓷套外壁為(wèi)23db，支柱绝缘子為(wèi)23db
3.3.2波高比较系指裂纹反射波高度比Φ1×25横孔或深度1×25模拟裂纹波幅高度平均约高
3.3.3从试验结果可(kě)以看，当采用(yòng)纵波斜入射方法检测时，裂纹与底波间的分(fēn)辨率应是裂纹检出的关键，而EPOCHIⅢ(2300)及USM25DAC数字式仪器分(fēn)辨率显然低于其他(tā)仪器2db -4 db。
当改变频率时，可(kě)以看出5MHZ比2.5MHZ分(fēn)辨率高约2 db-4db。因此，应根据晶粒度选择探头频率。在可(kě)能(néng)的情况下，应尽可(kě)能(néng)选择较高频率，以提高缺陷的分(fēn)辨率。、
应根据晶粒度选择探头频率，裂纹与底波间的分(fēn)辨率应是裂纹检出的关健。判定缺陷的当量则根据Φ1横孔或深度1.0mm反射高度与缺陷反射波高度进行比较。
3.3.4采用(yòng)爬波测定表面或近表面裂纹深度、
将探头置于与被探工件直径相近的JYZ试块的园弧面，对不同深度的模拟裂纹进行测试发现，当模拟裂纹深度8mm时，反射波高随模拟裂纹深度增加而增高，当模拟裂纹深度8mm时，反射波高随模拟裂纹深度增加而平稳下降，结果表明模拟裂纹在深度為(wèi)1至6mm时反射波基本呈線(xiàn)性。测试情况见表18。
裂纹深度与波高关系曲線(xiàn)
3.3.5支柱绝缘子的探伤工艺方法研究
在役支柱绝缘子的检测重点范围确定：
支柱瓷體(tǐ)插入部分(fēn)均约20mm，法兰端面的水泥砂浆胶结區(qū)，是在役支柱绝缘子重点检查的部位。
支柱绝缘子的几种型式
平直型：如图 13 所示，支柱绝缘子二侧铸铁法兰和**裙之间的有(yǒu)效跨距约為(wèi)20mm～50mm，从图13可(kě)知探头折射角选择10o～12o，此时的折射角完全可(kě)以满足沿周向转动轴向扫查结合处及插入部分(fēn)的范围。
小(xiǎo)角度锥體(tǐ)型如图14所示，θ角一般為(wèi)5o～6o，支柱绝缘子铸铁法兰和末裙间的距离约為(wèi)17 mm ～55mm，探头折射角范围应為(wèi)9°～11o
瓷套特点是空腹，且常规壁厚一般為(wèi)20mm～50mm，由于探测面水平跨距相对较大，因此，外圆周表面裂纹等缺陷可(kě)以采用(yòng)爬波检测，而内壁缺陷应根据水平跨距的变化采用(yòng)折射角為(wèi)16o～19.5o的纵斜波探头检查。
1． 纵波斜探头入射点的测定。
将探头置于试块曲面，移动探头找出圆弧*强反射波，此时探头与试块刻度对应处即為(wèi)探头入射点。
纵波斜探头折射角的测定
将探头置于试块曲面，找出深40mmΦ1 mm横孔*强反射波，调整為(wèi)80%波高，可(kě)以计算出纵波斜探头折射角。
3．纵波斜入射扫描速度及探伤灵敏度的测定。
将探头置于试块曲面，找出与被检瓷件直径或厚度相近的Φ1mm横孔*强反射波调整為(wèi)80%波高衰减4-6db即為(wèi)探伤灵敏度。扫描速度调整為(wèi)比例1：1或者1：2。
4．爬波探头扫描速度及探伤灵敏度的确定
将探头置于相近试块曲面找出距探头前沿15mm，深1mm模拟裂纹反射波*强时调整為(wèi)80%波高衰减10db即為(wèi)探伤灵敏度，扫描速度调整為(wèi)比例1：1或者2：1。
3.3.7支柱绝缘子直径与探测面水平跨距的确定
平直型和小(xiǎo)角度的支柱绝缘子以及瓷套的内壁缺陷的水平跨距可(kě)由图11查出直径或壁厚、水平距离以及所采用(yòng)的专用(yòng)探头的折射角度，大角度的支柱绝缘子则应1：1作图核定折射角度。
3.3.8探头频率的选取：
实测证明，采用(yòng)纵波斜入射方法时，支柱绝缘子在下述三种情况下应采用(yòng)2.5MHZ的检测频率。
支柱绝缘子检测位置的直径>160mm。
5.缺陷的定位定量
5.1 缺陷的定位：
支柱绝缘子易断裂的部位是应力集中的铸铁法兰与瓷體(tǐ)的结合部，应该说它是有(yǒu)规律的，从作图法以及模拟裂纹实测均证实了缺陷波的落点均位于底波前。见图17
瓷套管外壁缺陷波的落点位置特别，它们的特点是缺陷波前无杂波，见图18
图17 支柱绝缘子模拟缺陷裂纹图18爬波检查瓷套管外
反射波形态壁深1mm模拟裂纹波形态
从图16和图17可(kě)以看出当模拟裂纹深度為(wèi)1mm时，缺陷的反射讯号已相当强烈。
5.2 缺陷的判别：
5.2.1采用(yòng)纵波斜入射探伤扫查时会出现三种情况，分(fēn)析如下：
**种情况是 没有(yǒu)缺陷波，仅有(yǒu)孤立的底波，无附着杂波，波
幅清晰，声压高。判定无裂纹。
**种情况是当探头沿园周转动时，底波附近无缺陷部位可(kě)能(néng)出现类似缺陷的较强反射波群，此时除底波反射当量较强外，其它杂波起伏不定，移动探头此起彼伏，无指示長(cháng)度，变化较大，反射当量偏低，属较明显的点状缺陷反射波，实测证明属瓷件表面波纹或水泥胶结的砂粒透入波。系制造厂将支柱瓷绝缘子插入铸铁法兰时在园周填充灌注的水泥胶与砂粒，这些胶合的砂粒作為(wèi)过渡加强部分(fēn)环绕在铸铁法兰与瓷體(tǐ)的交接面上，而此处正是裂纹形成的區(qū)域（见图12），因此，在超声波扫查时，必须将此波与裂纹波區(qū)分(fēn)开来。搜索到缺陷波时应尽可(kě)能(néng)与底波同呈，因為(wèi)同呈时分(fēn)辨率*高，容易辩认。
第三种情况是缺陷波与底波同呈时，二波信号比<6db，即缺陷波信号低于底波信号，且缺陷波指示長(cháng)度<10mm时应判定為(wèi)表面损伤。>10mm时可(kě)判定為(wèi)裂纹。
缺陷波与底波同呈时，二波信号比基本相等，且指示長(cháng)度<10mm时判定為(wèi)点状缺陷，指示長(cháng)度>10mm时应判定為(wèi)裂纹。
缺陷波与底波同呈时，二波信号比>6db，既缺陷波信号强于底波信号，且指示長(cháng)度>10mm时应判定為(wèi)裂纹。
5.2.2采用(yòng)爬波检查外壁缺陷时，由于采用(yòng)TR探头，显示屏始脉冲后基本无杂波，缺陷信号容易识别。指示長(cháng)度易测定。扫查时会出现两种情况，分(fēn)析如下：
**种情况是外壁缺陷信号≤深度1.0mm模拟裂纹反射波高，此时应测定其指示長(cháng)度，当指示長(cháng)度≥10mm时应判定為(wèi)裂纹，<10mm时应判定為(wèi)表面损伤。
**种情况是当缺陷反射波高>深度1mm模拟裂纹反射波高时，当指示長(cháng)度≥5mm应判定為(wèi)裂纹。
爬波检查外壁缺陷判定為(wèi)裂纹时，应采用(yòng)纵波斜入射探头进行验证。以便*终确定缺陷性质。
探测中如发现支柱绝缘子及瓷套内部缺陷，应采用(yòng)与缺陷深度相近的JYZ系列试块作当量比较。
6．在役支柱绝缘子及瓷套进行带電(diàn)探伤的试验研究
带電(diàn)进行支柱绝缘子及瓷套探伤，能(néng)有(yǒu)效地早期发现瓷件内部裂纹，从而提前预防事故的发生，是状态检修的一项新(xīn)突破，对電(diàn)厂、变電(diàn)所避雷器、支柱绝缘子等因瓷件断裂造成停電(diàn)事故提供了有(yǒu)效的预防手段。
6.1试验措施的制定：
6.2试验前的准备：天气良好的情况下，准备绝缘梯，穿戴绝缘鞋及绝缘手套，试验前先测量检测位置的感应電(diàn)压，当感应電(diàn)压达到要求时，方可(kě)进行带電(diàn)操作。（感应電(diàn)压的普遍范围以及试验总结见鉴定资料5）。检测时应采用(yòng)棉纱或卫生纸，将被检部位擦拭干净，涂上耦合剂，测试结束时，应将被检部位擦拭干净。
6.4 仪器适应性情况试验
由于在没有(yǒu)任何先例的情况下进行带電(diàn)测试，因此无法断定仪器对高压電(diàn)场的适应情况，因此我们组织了五台具有(yǒu)代表性的超声波探伤仪进入现场试验，实测证明五台仪器性能(néng)稳定，反射波形不抖动，与没有(yǒu)高压電(diàn)场试验时状态基本相同。因此可(kě)以认為(wèi)采用(yòng)普通超声波探伤仪完全可(kě)以进行有(yǒu)效检验。
另外由于被探支柱绝缘子及瓷套与超声波探头的接触面较為(wèi)光滑，且观察时又(yòu)以底波波高為(wèi)基准，因此探头移动速度可(kě)以较快，但实际测试发现由于EPOCHIⅢ(2300)及USM25DAC数字式仪数字式超声波探伤仪采样速度较慢，回波时间反应滞后，缺陷波不能(néng)及时出现，有(yǒu)可(kě)能(néng)造成漏检，因此建议在检验中如采用(yòng)上述两种超声波探伤仪时，应适当放慢探头移动速度。
6.5 测试情况：
详见《220kV升压站支柱绝缘子及瓷套超声波检测报告》
7. 总结：
课题组设计了多(duō)种模拟裂纹试块在进行大量的模拟测试和比对测试的基础上，完成了该项工艺方法研究. |