升压站金属部件检测技术专题

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王中亚,2015.7,1,金属监督是机组安全运行的基础，锅炉及汽轮机金属部件的监督历来受到重视，然金属监督的工作范围不应仅仅局限于此，一些与厂效益有关的设备部件也应适当的予以关注，例如升压站的支柱绝缘子、线夹等也有进行监督的意义所在。,本专题就铜铝钎焊线夹、支柱绝缘子的检测进行了简要介绍，以期抛砖引玉，与大家进行交流。,2,一,.,铜铝钎焊设备线夹超声波检测技术,3,1,引言,1.1,铜铝钎焊线夹,变电站设备中广泛采用铜铝钎焊设备线夹连接输电导线和设备接线端子，主要目的是减轻电化学腐蚀。,输电导线多为铝质导线，设备接线端子为铜质设备线夹。若直接将输电导线铝质设备线夹与设备端子的铜质设备线夹进行连接，运行中会在铜铝结合面产生电化学腐蚀，导致设备线夹松动，接触电阻增大，接触部位发热、烧损，发生设备事故，影响电网设备的安全运行。所以，常在铝质设备线夹的表面采用钎焊方法覆上一层薄铜片进行过渡，以减轻电化学腐蚀。,4,铜铝钎焊设备线夹照片,5,1.2,质量监督情况,铜铝钎焊线夹的质量主要由铜铝结合质量（粘合率）决定，检测主要针对铜铝结合面（钎缝）进行。,（,1,）制造阶段：通常采用破坏性剥离法抽检，抽检数量有限，难以对每批线夹钎缝进行评价。,（,2,）运行阶段：仅采用目视和红外线检测发热量。,总的来说，铜铝钎焊设备线夹的质量监督情况是,基本不检，缺少有效的无损检测方法,。,6,采用超声波方法进行,铜铝钎焊线夹的检测,是一种可行的办法,，此工艺方法在现行的国家和行业标准、规程中均未涉及，因此，此检测方法具有,一定,的创新性。,7,2.1,钎焊,钎焊是将钎料熔化后填满间隙，并与母材金属之间发生溶解、扩散等冶金作用的金属焊接方法。,钎焊焊缝质量的优劣受焊接温度、钎料质量、钎焊区表面洁净程度及操作方法等因素的影响。若工艺不当，钎焊过程中除了会出现脆性相，溶蚀，腐蚀等缺陷，还会产生钎缝不连续，称之为脱粘类缺陷。脱粘类缺陷主要分为完全空气脱粘缺陷和机械贴合缺陷。,2,铜铝钎焊线夹的结构特点,8,2.2,结构特点,铝质基材厚度：,6mm-12mm,；,铜质薄片厚度：,0.3mm-0.8mm,；,钎焊层厚度约为,0.1mm-0.3mm,。,钎缝区可分为焊接完好区、完全空气脱粘区和机械贴合区,三类,。,焊接完好区,的钎料与母材发生原子间结合，钎焊区无缝隙，无气孔、杂质，有一定的结合强度。,完全空气脱粘区,的结合面与钎料未连接，存在空气间隙,，有夹渣物存在。,机械贴合区,的接合面与钎料为机械结合，母材与钎料未发生原子间结合，虽然接触面贴合，但无结合强度。,将完全空气脱粘区和机械贴合区,定义为,缺陷,。,9,10,超声波检测是利用探头向受检工件内发射超声波，超声波在工件中沿一定方向传播，遇到异质界面时会产生反射，探头接收到反射回波，根据反射回波来判断工件内部的缺陷状况。超声波检测对面状缺陷检出能力高，利用这一特性，铜铝钎焊设备线夹的超声波检测理论上可行。,3,铜铝钎焊线夹的超声波检测特点,11,焊接完好区,：,超声波直接穿透,焊,缝，产生底面回波，,和很弱的铜,-,铝,界面回波,信号,。,完全空气脱粘区,：铜铝界面处发,生全反射，产生很强的铜,-,气,（或铝,-,气）,界面回波信号,，底波消失,；,机械贴合区,：界面处部分发生反射，部分发生透射,，同时产生铜,-,铝界面回波和工件底波；,12,4.1,多次反射法,探头置于铜片侧表面,，缺陷回波特征是从左到右回波间距相等，且波高逐渐降低的林状界面波。,因在一次底波声程范围内超声波发生多次界面反射，称为多次反射法。,4,铜铝钎焊设备线夹超声波检测方法,13,4.2,一次底波法,探头置于铝质基材侧表面,，,缺陷回波特征是一次底波前出现一个较强的界面回波，底波弱于界面波甚至消失。,此法主要以一次底波作为参考依据，称为一次底波法。,14,5.1,探头,经过多次试验确定，选用带延迟块的单晶窄脉冲直探头，探头频率为,15MHz,，晶片尺寸为,4-6mm,。探头频率高，有助于提高分辨率。,5,铜铝钎焊设备线夹超声波检测工艺,15,采用常规直探头和双晶探头，利用界面反射波与底面反射波声压差判断线夹钎焊层结合质量的方法是不可行的。其原因为：一是铜片及钎焊层的厚度很薄，约为,1mm,，超声波始波宽度较大，很难识别此处的近距离缺陷信号；二是,1mm,左右的界面波均在盲区内，普通直探头的探伤盲区较大，发现近表面缺陷能力差，且较薄的铜及钎焊层均在近场区内，近场区内存在声压极大值和极小值，易引起误判；三是双晶探头在该区域不能,有效,聚焦。所以，用普通直探头或双晶探头,难以,进行线夹钎焊层结合质量的检测，选择合适的探头是关键。,16,采用增加延迟技术的高频窄脉冲直探头,(,图,1),，使得铜,铝,钎焊界面产生的界面波和工件底波易于分辨，解决了这一难题。,图,1,带延迟块高频直探头测试示意图,17,5.2,检测要求,一般从复层表面（铜侧）进行检测，当需要时可从基层表面（铝侧）进行检测。,检测表面不得有影响检测的氧化皮、油污及锈蚀等其他污物，,必要时进行修磨。,应保证探头与检测面耦合良好,，耦合剂采用机油或无腐蚀、透声性能好的耦合剂。,扫查速度应不超过,50 mm,s,。,18,5.3,扫描时基线比例的调整,将钎焊完好部位第一次反射,底,波调整到水平时基线满刻度的,70,80,处。,5.4,检测灵敏度,探头置于钎焊完好部位，将,一次,底波调整至满屏,80%,波高，以此为,基准,灵敏度。,19,6.1,缺陷识别,（一）探头置于基板（铝）检测的典型波形：,a. 钎焊完好区,：,6,缺陷评定及验收,20,（一）探头置于基板（铝）检测的典型波形：,b. 完全空气脱粘区,（,缺陷,）：,21,（一）探头置于基板（铝）检测的典型波形：,c.,机械贴合区（,缺陷,）：,22,（二）探头置于复板（铜）检测的典型波形：,a.,钎焊完好区：,23,（二）探头置于复板（铜）检测的典型波形：,b.完全空气脱粘区,（,缺陷,）：,24,（二）探头置于复板（铜）检测的典型波形：,c.,机械贴合区（,缺陷,）：,25,6.2,缺陷面积的测定,从基板（铝）一侧检测时，采用底波法确定缺陷的界限，缺陷面积从探头中心算起。,从复板（铜）一侧检测时，采用多次反射法确定缺陷的界限，缺陷面积从探头中心算起。,26,6.3,验收规则,铜铝结合面边缘存在开口性缺陷的线夹判定为不合格。,缺陷总面积大于铜铝总结合面积,25%,的线夹判定为不合格。,按照,GB/T 2314-2008,电力金具通用技术条件,规定，钎焊工艺制造的铜铝过渡金具及冷轧的铜铝过渡复合片铜与铝表面的复合面积应不小于总接触面的,75%,，即粘合率不小于,75%,。若线夹钎缝结合面的粘合率未达到,75%,，即可判断产品不合格。,27,6.4,注意事项,方法的检测分辨力为,3mm,，小于,3mm,的缺陷不可探；,方法的粘合率检测误差小于,2%,；,为便于缺陷定量，,对于检测到的点状小缺陷统一按,3mm,处理，面积约等于,7mm,2,。,优先,从,复板（,铜,）,表面进行检测，信号易于识别，能大大提高检测效率。,缺陷面积测量有手工测量和仪器自动测量两种。,28,本节提出的铜铝钎焊线夹检测方法在探头和试样研制的基础上，解决了薄铜片与铝质基材钎焊无法有效检测的难点，经试验及现场检测证实，该技术检测结果准确可靠，检测效率较高，适用于现场检测。,7,结束语,29,二,.,支柱瓷绝缘子及瓷套超声波检测,30,1,支柱瓷绝缘子的结构型式,支柱瓷绝缘子及瓷套由法兰、胶装线、瓷瓶和伞裙组成，瓷绝缘体主要起绝缘、支撑、保护作用。金属附件一般用铸铁低碳钢、铝及合金等到制成，起机械固定、连接、导体（如瓷套内导体）作用，而胶合体的作用是将绝缘体和金属附件胶合起来。目前，广泛使用的胶合体为高标号水泥。为了增强胶合剂强度，一般在绝缘体的两端也就是金属附件连接部分进行滚花或作上沙处理。电站和变电所用支柱绝缘子一般为实心棒形支柱。所有绝缘子均采用单柱式结构。,31,支柱瓷绝缘子的结构型式,32,支柱绝缘子胶装部分上砂结构,33,瓷件的胶装部分采用圆柱体上砂结构，采用喷砂工艺在瓷两端喷上较粗的沙砾，以增加铁瓷结合面的接触面积，胶装处均匀涂以防水密封胶。绝缘子用法兰其材料为机械强度高的球墨铸铁，表面镀鋅，胶合剂为高标号硅酸盐水泥，绝缘子瓷件表面一般为棕釉。,目前在役的支柱瓷绝缘子大多为平直型，外径一般为,80mm,250 mm,。,34,2.,瓷套的结构型式,瓷套由法兰、胶装线、瓷套和伞裙组成与上、下金属附件用水泥胶合剂胶装而成,瓷件表面上棕釉。,35,3.,支柱瓷绝缘子及瓷套常见缺陷瓷套断裂特点,从对不同地区高压支柱瓷绝缘子断裂和裂纹事故统计分析发现，国内支柱瓷绝缘子断裂的基本特点是约,95%,以上发生在铸铁法兰口与瓷体相交附近的区域，由于法兰口与瓷体的结合部位受力最大，这个区域是支柱瓷绝缘子及瓷套检测的重点。支柱瓷绝缘子断裂都是脆性断裂。该区域的显著特点是可供放置探头进行移动的位置极窄，去除探头无法放置的 上砂过渡区，一般有效约为,10 mm,50mm,。,36,37,支柱瓷绝缘子及瓷套的常见缺陷大致分为制造缺陷、工艺性缺陷和运行缺陷三类，主要表现为：,（,1,）制造缺陷是指瓷件在制造过程中形成的缺陷，主要有气孔、裂纹、疏松，晶界偏析层、层状或粒状析出物、烧块和夹杂等，它主要分布在瓷件内部，如果发生在铸铁法兰口与瓷体相交附近的区域，因此处受力最大，该区域应该是支柱瓷绝缘子及瓷套检测的重点。,38,（,2,）工艺性缺陷是指支柱瓷绝缘子及瓷套在安装、维护检修中不当产生的缺陷，主要有表面碰损、胶装缺陷、局部附加应力增大造成的裂纹等；,（,3,）运行缺陷是指支柱瓷绝缘子及瓷套在服役中产生的缺陷，主要有内部微裂纹以及近垂直于轴向和瓷件表面的裂纹等。,39,该区域的显著特点是可供放置探头进行移动的位置极窄，去除探头无法放置的上砂过渡区，一般有效移动距离约为,10 mm,50mm,。,40,4.,支柱瓷绝缘子及瓷套的超声波检测,4.1,专用探头研制,小角度纵波斜探头、并联式爬波探头及双晶横波斜探头,41,小角度纵波斜探头与并联式爬波探头的弧面：,100,、,120,、,140,、,160,、,180,200,、,220 mm,以及平面,8,种规格,.,42, 220,的探头与,120,瓷试块,120,的探头与,120,瓷试块,两类探头移动时要求保持与检测面的良好吻合，应选用与试件曲面相匹配的探头。一般可在支柱瓷绝缘子直径变化,20mm,范围内选用一种规格弧度的探头，但仅允许曲率半径大的探头探测曲面半径小一档的试件（一档,20mm,范围内）。,43,选择小角度纵波单晶斜探头。在移动范围许可的情况下，宜选择较大角度折射角探头，探头的选择见表,1,。,推荐使用的小角度纵波探头,支柱瓷绝缘子规格,80,120,120,160,160,200,200,探头晶片尺寸,(mm,mm),8,10,8,10,8,10,8,10,探头频率（,MHZ）,5,5,5,2.5,探头纵波折射角（,）,18,15,18,12,15,10,12,8,44,爬波探头,根据支柱绝缘子及瓷套的允许移动水平距离，晶片尺寸可选,10,12,2,、,8,10,2,，,6,10,2,。,探头信噪比控制水平,探测距离（,mm）,10,20,30,40,50,杂波高度（,%）,0,0,2,5,6,1.,探测距离是指爬波探头前沿距校准试块上模拟裂纹的距离；,2.,杂波高度是指校准试块上深度,5mm,的模拟裂纹,80%,波高时的杂波高度。,45,双晶横波斜探头,探头频率为,2.5MHZ,晶片尺寸选用,8mm10mm2,K,值为,0.7,0.75,，焦距为,20,、,40mm,等，分为,160,、,180,、,200,、,220,、和平面五种探头。,46,4.2,专用标准试块,瓷支柱绝缘子及瓷套检验中探伤灵敏度确定，需要首先找寻与被探件基本相同声速的材料作为标准试块。,2A12,铝合金易加工、耐磨，其声速为,635050 m/s,，与支柱绝缘子及瓷套声速接近，适于制作标准试块。,47,JYZ-BX,校对试块,48,目前支柱瓷绝缘子及瓷套的声速范围在,6000m/s,6700m/s,如此大的声速变化导致定位定量困难,因此检测前需要测定工件声速，进行适当的灵敏度补偿修正。,测定方法,:,用外卡测出被测支柱绝缘子的直径，准确量出直径（测量点厚度）,按照仪器要求正确输入,采用,5P10mm,探头自卡尺测试点进行实测找出一次底波回波，调整到闸门范围内，提高灵敏度再找出二次底波回波,80%,波高,仪器将自动进行声速测试并读出声速值。,4.3.,声速测定,49,4.4,检测方法,爬波法：主要用于支柱瓷绝缘子及瓷套法兰结合部位的表面及近表面缺陷检测。,小角度纵波法：主要用于支柱瓷绝缘子的内部缺陷检测。,横波法：主要用于瓷套内部及内壁缺陷检测。,法兰结合部位裂纹类缺陷危害最大，因此一般主要使用爬波法检测，小角度纵波法及横波法作为辅助检测。,50,谢 谢！,51,