支柱絕緣子及瓷套是發(fā)電廠和變電站運行的重要組成設備，起著支撐導線和絕緣作用，由于支柱絕緣子是高溫燒結成的電瓷產(chǎn)品，如果在制作過程中配方不當，工藝流程中原料混合不均勻，均易形成瓷件內(nèi)部缺陷，由于沒有固有的形變能且韌性極低，在長期承受運行中的機械負荷，以及大風、雨雪等，從而使附加應力增大，若支柱絕緣子存在微小缺陷，就可能造成破壞。因此，為確保北京**電網(wǎng)的**運行，北京*****先生、華海恒輝趙繼珍先生共同協(xié)作，開展了對支柱絕緣子的超聲探傷檢測研究，制定了《北京**瓷瓶工藝的研究》，對防止運行中突然斷裂具有重要意義。
1.1支柱絕緣子及瓷套的組織特點
成品絕緣子及瓷套是采用白瓷、金具和水泥等多種材料組合而成的，瓷體主要由粘土長石石英等鋁硅酸鹽原件混合配制，加工成一定形狀后，在高溫下燒結成的無機絕緣材料，瓷表面復蓋了一層玻璃質(zhì)平滑薄層釉。
陶瓷一般是通過將粉未原料成型，燒結而成的。經(jīng)過這些工藝所制得的陶瓷，是由于許多微晶聚集的多晶體構成，這就不可避免的存在著晶界。晶界不僅在陶瓷燒結過程中起著重要作用，而且還對燒結體物理、化學性能有很大影響。
陶瓷的微觀結構如圖1（a）所示，是由微晶、晶界、晶界析出物、晶界氣孔、晶粒內(nèi)析出物、晶粒內(nèi)氣孔等構成的。構成陶瓷主成分的微晶尺寸，一般由1微米至幾十微米，結晶軸方是任意的，微晶直徑與原料顆粒直徑、雜質(zhì)、燒結條件有關。陶瓷晶界有位錯、空孔等晶格缺陷和晶格畸變存在。因而雜質(zhì)容易集中，形成圖1（b）、（c）、（d）所示的晶界偏析層、層狀析出物等。
1.2晶界偏析層一般將在晶界由偏析的雜質(zhì)離子所形成的層稱為晶界偏析層。晶界偏析層厚度由20埃至1微米。在晶界，因為形成遠遠超過一般固溶界限的固溶。所以，可以發(fā)現(xiàn)與結晶內(nèi)部晶相明顯不同的物質(zhì)。
1.3層狀析出物在含有雜質(zhì)特別多而超過固溶界限時，雜質(zhì)作為另外的結晶相在晶界析出。這種析出物有層狀和粒狀之分。層狀析出物通常由液相燒結所造成。晶界析出物的溶點比陶瓷的燒結時溫度低，產(chǎn)生液相燒結。在液相的浸潤性良好時，完全浸透微晶晶界，各個微晶被液相包圍，形成層狀偏析層。

（a）陶瓷的典型微觀結構：（b）晶界偏析層；（c）層狀析出物；（d）粒狀析出物

1.4粒狀析出物雜質(zhì)的量超過結晶固溶量，其熔點比燒結溫度高時，雜質(zhì)呈粒狀在晶界析出。MgO作為添加劑可用于透明氧化鋁陶瓷，但如添加量較多，則會在晶界析出MgAL2O4，從而降低透光性。由此可以看出陶瓷材料的特點是顯微組織復雜且不均勻。

傳統(tǒng)檢測方法存在的問題和本課題研究方向
2.1傳統(tǒng)方法中有采用爬波等進行支柱絕緣子探傷的報導，從實際需要檢測的部位分析：
1.由于支柱絕緣子與瓷套重點探測的部位恰為鑄鐵法蘭與瓷體相交附近的區(qū)域，該區(qū)域的顯著特點是水平跨距較小，約為15mm～50mm。此處一般有砂層覆蓋，當扣除探頭無法放置的砂層過渡區(qū)后，串連式爬波探頭需要的*小跨距至少為20mm，由于探頭表面積大，因此需要瓷體無變形無砂粒平穩(wěn)面積較大，否則將導致接觸**，影響缺陷定量。
爬波雖對近表面缺陷有檢出能力，但對支柱絕緣子內(nèi)部缺陷以及瓷套的內(nèi)壁裂紋均無法檢出，因此，不能依此對被檢工件作**評價。
當采用爬波檢查發(fā)現(xiàn)了缺陷信號，難于確定缺陷的性質(zhì)。
2.2亦有采用縱橫波等進行支柱絕緣子探傷的介紹，因受檢測位置影響，僅可供部分瓷件的個別部位檢查，無法做到**有效檢驗。且至今未見有關于專用標準試塊，探頭的研制，裂紋的定性、定量、定位的工藝方法研究以及在役帶電檢查方面的介紹。
2．2．1國內(nèi)外亦有采用紅外線，紫外線，激光等對絕緣子進行帶電巡查的介紹，它們對瓷絕緣子串和支柱絕緣子的上部能見部分可能有效，原因之一是上部的感應電壓高，但因受絕緣子表面的污穢程度，負荷、檢測位置、輻射角度，方向、距離，天氣，大氣吸收，以及儀器等因素的綜合影響，還不能使他們成為獨立的無損檢測方法應用于支柱絕緣子的檢測。而本課題的研究重點是探測支柱絕緣子與瓷套埋藏在沿圓周鑄鐵法蘭內(nèi)側(cè)或與瓷體相交的砂層下的裂紋，實踐證明采用紅外線，紫外線，激光等方法無法檢測到這一部位。
2.3本課題的研究方向
2.3.1研制2.5 MHZ-超-微型并聯(lián)式爬波探頭。希望解決所有支柱絕緣子以及瓷套（外壁）裂紋的有效檢測。
2.3.2采用數(shù)字式超聲探傷儀對瓷套及支柱絕緣子試塊模擬裂紋試塊群進行測試，尋找出規(guī)律。
3.支柱絕緣子及瓷套超聲波探傷工藝研究
3.1 支柱絕緣子及瓷套超聲波探傷系列試塊研制
3.1.1試塊的選用
支柱絕緣子的檢驗必須借助于試塊來測定專用探頭的入射點和折射角等邊。超聲波探傷試塊的合理與否，直接關系到測試結果的準確性。
鋼質(zhì)（JYZ）絕緣子及瓷套系列試塊
用20＃鋼制作，按不同直徑厚度支柱絕緣子及瓷套探傷的需要在試塊上加工不同深度的ф1×25橫孔，以及不同深度的線切槽（模擬裂紋）
圖1JYZ-1型試塊適用于Φ80、Φ100及相近直徑的支柱絕緣子，

瓷套的校對測定
圖2 JYZ-2型試塊適用于 Φ120、Φ140mm及相近直徑的支柱絕緣子及瓷套的校對測定。
圖3JYZ-3型試塊適用于 Φ140、Φ160及相近直徑的支柱絕緣子與瓷套的校對測定。
3.1.1.2支柱絕緣子系列試塊
采用Φ80、Φ100、Φ120、Φ140、Φ160mm五種規(guī)格的在役支柱絕緣子設計并加工出模擬裂紋試塊群（切割裂紋）見圖4至圖8。在取得數(shù)千例實驗數(shù)據(jù)的基礎上，對支柱絕緣子進行合理的探傷分類。
由圖4至圖7可以看出支柱絕緣子的需要檢測的部位是靠近鑄鐵法蘭的末裙下，與鑄鐵結合處。
變壓器與電流電壓互感器、耦合電容器等瓷套的直徑與壁厚如圖8所示，由于它的開裂范圍是位于瓷套的下部內(nèi)壁或外壁，因此檢查瓷套時要考慮內(nèi)外壁均應檢測。
支柱絕緣子插入法蘭是采用水泥和砂漿將其牢固的粘接在一起，因此在結合處（即在放置超聲波探頭進行掃查的探測面上附有堅固且附著力很強的水泥砂漿區(qū)，從圖4-7可以看出它們占有的寬度為5-15mm不等，一般為10mm左右，根據(jù)實測估算，已經(jīng)占據(jù)了有效探測面的1/3-1/4.（這也是串聯(lián)式爬波探頭移動距離受阻的主要原因）。而且在探傷時是無法**的。
3.2.7支柱絕緣子及瓷套超聲波爬波探頭的研制

國內(nèi)一些單位在爬波探傷研究方面做了很多工作，并且已經(jīng)運用于支柱絕緣子的表面裂紋探傷，但由于采用的為串聯(lián)式探頭，體積偏大，導致部分支柱絕緣子及瓷套應該檢查的部位無法放置探頭，因而不能做到100%檢驗。
雖然爬波僅僅對表面和近表面缺陷有效，但對工程量較大的普查檢驗說來，仍不失為是一種快速的檢驗方法，為此，我們研制出微型并聯(lián)式爬波探頭解決了體積偏大這一難題。
微型并聯(lián)式爬波專用探頭的型貌及設計數(shù)據(jù)見下圖
頻率：2.5MHz 晶片尺寸：7 mm×10 mm×2
3.3 支柱絕緣子及瓷套的模擬裂紋試驗
采用入射角5o-8o，2.5MHZ,5MHZ二種頻率的縱波斜探頭，以及爬波探頭，五臺不同型號的超聲波探傷儀，實測支柱絕緣子試塊及瓷套試塊的內(nèi)外壁模擬裂紋。
采用2.5MHZ,5MHZβl為10.5.o-12o縱波斜入射探頭及五種不同型號儀器，部分支柱絕緣子試塊群模擬裂紋缺陷實測情況見表3、4、5、6、7
采用2.5MHZ,5MHZβl為=16o-19.5o縱波斜入射探頭對瓷套內(nèi)壁模擬裂紋缺陷情況見表8、9、10、11、12、13
采用并聯(lián)式爬波探頭對瓷套外壁模擬裂紋缺陷實測情況見表14、15
采用并聯(lián)式爬波探頭對支柱絕緣子模擬裂紋缺陷實測情況見表16、17
從測試結果看：當模擬裂紋深度≤2mm時，采用5MHZ探頭將導致分辨率下降，當模擬裂紋≥2mm時，采用5MHZ探頭，此時的缺陷與底波的分辨率明顯優(yōu)于2.5MHZ探頭。
平均分辨率>14db，裂紋反射波高度比φ1×25橫孔波幅高度平均約高7db 。
3.3.1測試結果比較分析：
由于EPOCHIⅢ(2300)及USM25DAC數(shù)字式儀器對爬波的識別能力較差，因此，瓷套外壁及支柱絕緣子的模擬裂紋測試采用了模擬式ST-7型以及HS611型數(shù)字式探傷儀測定，測試結果表明，裂紋反射波高比深度1×25模擬裂紋波幅高度平均約高：ST-7；瓷套外壁為20db，支柱絕緣子為13db，HS611；瓷套外壁為23db，支柱絕緣子為23db
3.3.2波高比較系指裂紋反射波高度比Φ1×25橫孔或深度1×25模擬裂紋波幅高度平均約高
3.3.3從試驗結果可以看，當采用縱波斜入射方法檢測時，裂紋與底波間的分辨率應是裂紋檢出的關鍵，而EPOCHIⅢ(2300)及USM25DAC數(shù)字式儀器分辨率顯然低于其他儀器2db -4 db。
當改變頻率時，可以看出5MHZ比2.5MHZ分辨率高約2 db-4db。因此，應根據(jù)晶粒度選擇探頭頻率。在可能的情況下，應盡可能選擇較高頻率，以提高缺陷的分辨率。、
應根據(jù)晶粒度選擇探頭頻率，裂紋與底波間的分辨率應是裂紋檢出的關健。判定缺陷的當量則根據(jù)Φ1橫孔或深度1.0mm反射高度與缺陷反射波高度進行比較。
3.3.4采用爬波測定表面或近表面裂紋深度、
將探頭置于與被探工件直徑相近的JYZ試塊的園弧面，對不同深度的模擬裂紋進行測試發(fā)現(xiàn)，當模擬裂紋深度8mm時，反射波高隨模擬裂紋深度增加而增高，當模擬裂紋深度8mm時，反射波高隨模擬裂紋深度增加而平穩(wěn)下降，結果表明模擬裂紋在深度為1至6mm時反射波基本呈線性。測試情況見表18。
裂紋深度與波高關系曲線
3.3.5支柱絕緣子的探傷工藝方法研究
在役支柱絕緣子的檢測重點范圍確定：
支柱瓷體插入部分均約20mm，法蘭端面的水泥砂漿膠結區(qū)，是在役支柱絕緣子重點檢查的部位。
支柱絕緣子的幾種型式
平直型：如圖 13 所示，支柱絕緣子二側(cè)鑄鐵法蘭和**裙之間的有效跨距約為20mm～50mm，從圖13可知探頭折射角選擇10o～12o，此時的折射角完全可以滿足沿周向轉(zhuǎn)動軸向掃查結合處及插入部分的范圍。
小角度錐體型如圖14所示，θ角一般為5o～6o，支柱絕緣子鑄鐵法蘭和末裙間的距離約為17 mm ～55mm，探頭折射角范圍應為9°～11o
瓷套特點是空腹，且常規(guī)壁厚一般為20mm～50mm，由于探測面水平跨距相對較大，因此，外圓周表面裂紋等缺陷可以采用爬波檢測，而內(nèi)壁缺陷應根據(jù)水平跨距的變化采用折射角為16o～19.5o的縱斜波探頭檢查。
1． 縱波斜探頭入射點的測定。
將探頭置于試塊曲面，移動探頭找出圓弧*強反射波，此時探頭與試塊刻度對應處即為探頭入射點。
縱波斜探頭折射角的測定
將探頭置于試塊曲面，找出深40mmΦ1 mm橫孔*強反射波，調(diào)整為80%波高，可以計算出縱波斜探頭折射角。
3．縱波斜入射掃描速度及探傷靈敏度的測定。
將探頭置于試塊曲面，找出與被檢瓷件直徑或厚度相近的Φ1mm橫孔*強反射波調(diào)整為80%波高衰減4-6db即為探傷靈敏度。掃描速度調(diào)整為比例1：1或者1：2。
4．爬波探頭掃描速度及探傷靈敏度的確定
將探頭置于相近試塊曲面找出距探頭前沿15mm，深1mm模擬裂紋反射波*強時調(diào)整為80%波高衰減10db即為探傷靈敏度，掃描速度調(diào)整為比例1：1或者2：1。
3.3.7支柱絕緣子直徑與探測面水平跨距的確定
平直型和小角度的支柱絕緣子以及瓷套的內(nèi)壁缺陷的水平跨距可由圖11查出直徑或壁厚、水平距離以及所采用的專用探頭的折射角度，大角度的支柱絕緣子則應1：1作圖核定折射角度。
3.3.8探頭頻率的選?。?br> 實測證明，采用縱波斜入射方法時，支柱絕緣子在下述三種情況下應采用2.5MHZ的檢測頻率。
支柱絕緣子檢測位置的直徑>160mm。
5.缺陷的定位定量
5.1 缺陷的定位：
支柱絕緣子易斷裂的部位是應力集中的鑄鐵法蘭與瓷體的結合部，應該說它是有規(guī)律的，從作圖法以及模擬裂紋實測均證實了缺陷波的落點均位于底波前。見圖17
瓷套管外壁缺陷波的落點位置特別，它們的特點是缺陷波前無雜波，見圖18
圖17 支柱絕緣子模擬缺陷裂紋圖18爬波檢查瓷套管外
反射波形態(tài)壁深1mm模擬裂紋波形態(tài)
從圖16和圖17可以看出當模擬裂紋深度為1mm時，缺陷的反射訊號已相當強烈。
5.2 缺陷的判別：
5.2.1采用縱波斜入射探傷掃查時會出現(xiàn)三種情況，分析如下：
**種情況是 沒有缺陷波，僅有孤立的底波，無附著雜波，波
幅清晰，聲壓高。判定無裂紋。
**種情況是當探頭沿園周轉(zhuǎn)動時，底波附近無缺陷部位可能出現(xiàn)類似缺陷的較強反射波群，此時除底波反射當量較強外，其它雜波起伏不定，移動探頭此起彼伏，無指示長度，變化較大，反射當量偏低，屬較明顯的點狀缺陷反射波，實測證明屬瓷件表面波紋或水泥膠結的砂粒透入波。系制造廠將支柱瓷絕緣子插入鑄鐵法蘭時在園周填充灌注的水泥膠與砂粒，這些膠合的砂粒作為過渡加強部分環(huán)繞在鑄鐵法蘭與瓷體的交接面上，而此處正是裂紋形成的區(qū)域（見圖12），因此，在超聲波掃查時，必須將此波與裂紋波區(qū)分開來。搜索到缺陷波時應盡可能與底波同呈，因為同呈時分辨率*高，容易辯認。
第三種情況是缺陷波與底波同呈時，二波信號比<6db，即缺陷波信號低于底波信號，且缺陷波指示長度<10mm時應判定為表面損傷。>10mm時可判定為裂紋。
缺陷波與底波同呈時，二波信號比基本相等，且指示長度<10mm時判定為點狀缺陷，指示長度>10mm時應判定為裂紋。
缺陷波與底波同呈時，二波信號比>6db，既缺陷波信號強于底波信號，且指示長度>10mm時應判定為裂紋。
5.2.2采用爬波檢查外壁缺陷時，由于采用TR探頭，顯示屏始脈沖后基本無雜波，缺陷信號容易識別。指示長度易測定。掃查時會出現(xiàn)兩種情況，分析如下：
**種情況是外壁缺陷信號≤深度1.0mm模擬裂紋反射波高，此時應測定其指示長度，當指示長度≥10mm時應判定為裂紋，<10mm時應判定為表面損傷。
**種情況是當缺陷反射波高>深度1mm模擬裂紋反射波高時，當指示長度≥5mm應判定為裂紋。
爬波檢查外壁缺陷判定為裂紋時，應采用縱波斜入射探頭進行驗證。以便*終確定缺陷性質(zhì)。
探測中如發(fā)現(xiàn)支柱絕緣子及瓷套內(nèi)部缺陷，應采用與缺陷深度相近的JYZ系列試塊作當量比較。
6．在役支柱絕緣子及瓷套進行帶電探傷的試驗研究
帶電進行支柱絕緣子及瓷套探傷，能有效地早期發(fā)現(xiàn)瓷件內(nèi)部裂紋，從而提前預防事故的發(fā)生，是狀態(tài)檢修的一項新突破，對電廠、變電所避雷器、支柱絕緣子等因瓷件斷裂造成停電事故提供了有效的預防手段。
6.1試驗措施的制定：
6.2試驗前的準備：天氣良好的情況下，準備絕緣梯，穿戴絕緣鞋及絕緣手套，試驗前先測量檢測位置的感應電壓，當感應電壓達到要求時，方可進行帶電操作。（感應電壓的普遍范圍以及試驗總結見鑒定資料5）。檢測時應采用棉紗或衛(wèi)生紙，將被檢部位擦拭干凈，涂上耦合劑，測試結束時，應將被檢部位擦拭干凈。
6.4 儀器適應性情況試驗
由于在沒有任何先例的情況下進行帶電測試，因此無法斷定儀器對高壓電場的適應情況，因此我們組織了五臺具有代表性的超聲波探傷儀進入現(xiàn)場試驗，實測證明五臺儀器性能穩(wěn)定，反射波形不抖動，與沒有高壓電場試驗時狀態(tài)基本相同。因此可以認為采用普通超聲波探傷儀完全可以進行有效檢驗。
另外由于被探支柱絕緣子及瓷套與超聲波探頭的接觸面較為光滑，且觀察時又以底波波高為基準，因此探頭移動速度可以較快，但實際測試發(fā)現(xiàn)由于EPOCHIⅢ(2300)及USM25DAC數(shù)字式儀數(shù)字式超聲波探傷儀采樣速度較慢，回波時間反應滯后，缺陷波不能及時出現(xiàn)，有可能造成漏檢，因此建議在檢驗中如采用上述兩種超聲波探傷儀時，應適當放慢探頭移動速度。
6.5 測試情況：
詳見《220kV升壓站支柱絕緣子及瓷套超聲波檢測報告》
7. 總結：
課題組設計了多種模擬裂紋試塊在進行大量的模擬測試和比對測試的基礎上，完成了該項工藝方法研究.