壓接缺陷低輻射射線檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)及功能驗(yàn)證

　　摘要：針對(duì)耐張線夾壓接缺陷缺乏有效便捷檢測(cè)手段的問題，開發(fā)了一套輕量化、低輻射數(shù)字射線檢測(cè)儀 HNDR。為了實(shí)現(xiàn) HNDR 的輕量化，設(shè)計(jì)了專用微型射線機(jī);進(jìn)行了射線機(jī)管套輻射屏蔽層、輻射防護(hù)腔以及操作側(cè)外殼防護(hù)層三道遞進(jìn)式輻射防護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了 40cm 范圍內(nèi)輻射劑量 140nGy/h，遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的公眾豁免劑量，滿足無防護(hù)操作要求。特制缺陷檢測(cè)證明本研究開發(fā)的 HNDR 能夠滿足耐張線夾壓接缺陷的檢測(cè)需求，能準(zhǔn)確判斷鋁絞線壓接區(qū)、鋼芯壓接區(qū)和防滑槽壓接區(qū)的壓制質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞：X 射線檢測(cè)儀;低輻射;輻射防護(hù)設(shè)計(jì);耐張線夾

　　潘勇; 葉中飛; 伍川; 柴延偉， 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 發(fā)表時(shí)間：2021-11-23

　　1 引言

　　耐張線夾是將導(dǎo)/地線與鐵塔、絕緣子等連接在一起，組成堅(jiān)強(qiáng)輸電網(wǎng)絡(luò)，對(duì)導(dǎo)/地線起到夾持和固定作用的重要部件，壓縮型耐張線夾是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的耐張金具。

　　壓縮型耐張線夾通過液壓實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)線的連接，壓接工藝對(duì)其質(zhì)量有顯著影響。耐張線夾承受導(dǎo)線拉力的同時(shí)，又作為導(dǎo)電體起導(dǎo)流作用，作為輸電裝備中的關(guān)鍵部件，對(duì)質(zhì)量要求高，缺陷容忍度低;壓接工藝控制不當(dāng)，造成缺陷，極易引起事故 [1,2,3]。例如，2013 年 6 月 18 日，某 500kV 輸電線路由于壓接位置不正確，導(dǎo)致局部過載，引發(fā)斷線[4];2015 年 11 月 25 日，某 220kV 輸電線路由于施工時(shí)耐張線夾防滑槽處壓入深度不夠，運(yùn)行過程中雙分裂導(dǎo)線中的一根從耐張線夾中脫出，造成相間放電跳閘。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓接結(jié)構(gòu)的缺陷，對(duì)保障供電安全意義重大。

　　為了確保輸電線路的安全運(yùn)行，常用的檢測(cè)手段有人工巡視、直升機(jī)巡檢[5,6]、紅外探測(cè)[7,8]以及近年來發(fā)展起來的無人機(jī)巡檢及檢修機(jī)器人[9]等。人工巡檢效率低下，直升機(jī)巡檢和無人機(jī)巡檢技術(shù)解決了效率低下的問題，但是人工巡視、直升機(jī)巡檢和無人機(jī)巡檢均只能識(shí)別耐張線夾的外部缺陷，對(duì)內(nèi)部缺陷無能為力;而壓接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了其主要結(jié)構(gòu)特征均“隱藏”在內(nèi)部，外觀正常的壓接結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可能存在嚴(yán)重的缺陷。紅外探測(cè)能夠識(shí)別運(yùn)行過程中耐張線夾的過熱問題，但難以明確發(fā)熱的具體原因及存在的缺陷類型。這就導(dǎo)致了常規(guī)的檢測(cè)手段在事故發(fā)生之前，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，運(yùn)維工作無法做到 “防范于未然”。

　　韓國(guó)棟[10]、王瑋[11]等從理論上分析了 X 射線檢測(cè)技術(shù)在耐張線夾壓接缺陷檢測(cè)中的可行性，并通過模擬缺陷的形式論證了 X 射線檢測(cè)對(duì)各種不同壓接缺陷的識(shí)別能力，結(jié)果表明 X 射線檢測(cè)能夠有效的識(shí)別耐張線夾等壓接結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)手段的不足。但是目前能夠用于耐張線夾檢測(cè)的 X 射線設(shè)備有兩個(gè)缺點(diǎn)：1)重量大，不利于現(xiàn)場(chǎng)上塔檢測(cè); 2)輻射劑量大，安全隱患高[12]。這兩個(gè)缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了 X 射線在耐張線夾檢測(cè)中的推廣應(yīng)用。因此，開發(fā)輕量化低劑量 X 射線檢測(cè)儀對(duì)推動(dòng)壓接結(jié)構(gòu)缺陷的檢出至關(guān)重要。

　　本研究根據(jù)輕量化、低輻射的要求開發(fā)了低劑量數(shù)字射線檢測(cè)儀，單人能夠攜帶上塔，距離設(shè)備 40cm，輻射劑量滿足國(guó)標(biāo)要求;本論文的研究成果提供了耐張線夾缺陷檢測(cè)的手段、提高檢測(cè)效率，可有效指導(dǎo)輸電線路的運(yùn)維檢修工作。

　　2 低劑量數(shù)字射線檢測(cè)儀開發(fā)

　　輸電線路 X 射線檢測(cè)設(shè)備主要包括高頻恒壓膠片式、高頻恒壓面陣式、脈沖式以及 CR 檢測(cè)設(shè)備。這幾種設(shè)備均由于輻射量大，不能實(shí)現(xiàn)近距離操作;并且高頻恒壓膠片式和 CR 檢測(cè)還不能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。本研究根據(jù)上述不足，開發(fā)了新型低劑量數(shù)字射線檢測(cè)儀 HNDR，實(shí)現(xiàn)了輕量化、低輻射的目的。

　　為了上述目標(biāo)，需要減小射線源和面陣探測(cè)器的體積，并且滿足檢測(cè)的需求，因此項(xiàng)目組根據(jù)工程需要，自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一套微型 X 射線源，能夠?qū)崿F(xiàn)壓接結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的清晰檢測(cè);為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的低輻射，并且保證輕量化，對(duì)設(shè)備整體的輻射防護(hù)進(jìn)行了專業(yè)設(shè)計(jì)。

　　2.1 X 射線機(jī)設(shè)計(jì)

　　(1)電壓設(shè)計(jì)

　　射線機(jī)電壓設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則是能夠穿透待檢物，并且保持高分辨率[13]。當(dāng)待檢物的密度差別較小時(shí)，在保證足以穿透的前提下，宜選擇能量低射線源可獲得較高密度分辨;當(dāng)檢測(cè)對(duì)象尺寸較大、密度或由相差很大的材料組成時(shí)，宜選擇能量高、強(qiáng)度較大的射線源可提高信噪比和檢測(cè)效率[ 14]。耐張線夾的組成材料為鋁和鋼，鋁的密度為 2.7×103 kg/m3，鋼的密度為 7.9×103 kg/m3，二者密度差別較大，因此宜選擇能量高、強(qiáng)度較大的射線源。

　　國(guó)內(nèi)靈州-紹興特高壓直流工程用的 JL/G3A-1250/70 是目前輸電線路應(yīng)用的最大截面的導(dǎo)線，射線機(jī)只要能穿透 JL/G3A-1250/70 耐張接頭，就能夠滿足檢測(cè)需求，由圖 1 所示的耐張線夾典型設(shè)計(jì)圖紙可以看出鋁管的外徑為 80mm，防滑槽頂部直徑為 47mm，防滑槽底部直徑為 42mm。

　　檢測(cè)過程中射線需要穿透的最大厚度位于虛線框內(nèi)的防滑槽處，檢測(cè)時(shí)為了能夠清楚顯示防滑槽位置是否實(shí)現(xiàn)合格壓接，射線需要穿透防滑槽底部即可。圖 2 所示為防滑槽處截面示意圖，射線需要穿透的防滑槽底部長(zhǎng)度由圖中的紅線標(biāo)出，計(jì)算可得此處的等效鋼厚度可為 d3+(d1+d2)/3≈40mm(注：鋁由于密度是鋼的約 1/3，因此計(jì)算等效厚度時(shí)鋁管的厚度取 1/3)。

　　圖 3 所示為 X 射線能量與穿透等效鋼厚度的關(guān)系圖，由圖中可知要穿透 40mm 的等效厚度，需要的射線能量約為 120kV，為了提高信噪比和檢測(cè)效率，本研究開發(fā)的低劑量數(shù)字射線檢測(cè)儀的電壓設(shè)計(jì)為 130kV。

　　(2)陽(yáng)極靶設(shè)計(jì)

　　陽(yáng)極靶材的選擇主要考慮 X 射線光子的產(chǎn)生效率，通常硬 X 射線發(fā)生器的靶材為 W 材質(zhì)，軟 X 射線靶材材質(zhì)為 Cu 材質(zhì)。在同樣速度和數(shù)目的電子轟擊下，不同物質(zhì)做成的靶所輻射的 X 射線的光子總能量近似與 Z 2成正比，本研究為了產(chǎn)生更多的 X 射線光子，陽(yáng)極靶材選擇了原子序數(shù)更高的 Au。因此相比 W，Au 能夠?qū)μ岣邫z測(cè)過程的清晰度、提高信噪比有幫助。同時(shí)由于低劑量數(shù)字射線檢測(cè)儀的的功率較低，在工作過程中陽(yáng)極靶的損耗較小，10μm 左右的 Au 層便能滿足長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行需求，因此只需要在 Cu 質(zhì)陽(yáng)極座上濺射 Au 膜即可實(shí)現(xiàn)，不會(huì)增加成本。

　　陰陽(yáng)極之間的距離影響陰極燈絲和陽(yáng)極靶之間的高壓電場(chǎng)分布，從而影響陰極發(fā)射的電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而影響焦點(diǎn)的大小，距離過近會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)放大，影響射線源的分辨率;距離過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致射線機(jī)的尺寸過大。最終，經(jīng)過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，確定可陰陽(yáng)極之間的間距為 12mm。

　　(3)供電設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)射線檢測(cè)設(shè)備由于需要外接發(fā)電機(jī)，因此在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用極其不方便，為了克服這一缺點(diǎn)，HNDR 使用 24V 蓄電池供電，蓄電池集成在設(shè)備的電池包中，每次充電可以實(shí)現(xiàn) 100 次曝光。

　　2.2 輻射防護(hù)設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)近距離操作，將輻射劑量控制在國(guó)標(biāo)規(guī)定以下，本項(xiàng)目研發(fā)的 HNDR 低劑量數(shù)字射線檢測(cè)儀進(jìn)行了三級(jí)輻射防護(hù)設(shè)計(jì)。如圖 4 所示，三級(jí)防護(hù)的位置分別設(shè)計(jì)在 X 射線機(jī)、輻射隔離腔以及操作側(cè)外殼處。

　　第一層防護(hù)：第一層防護(hù)設(shè)置在射線源的射線管套處。如圖 5a 所示射線源的整體結(jié)構(gòu)是“球管”包裹在射線管管套內(nèi)，管套內(nèi)充滿變壓器油起到高壓絕緣和冷卻散熱的作用。如圖 5b[15]所示，“球管”陰極發(fā)射的電子轟擊到陽(yáng)極靶材之后，會(huì)向各個(gè)方向發(fā)射 X 射線，其中窗口方向的射線光子量最大，由窗口處發(fā)射的射線為檢測(cè)需要的有效射線光子。

　　射線管的管套設(shè)置有一窗口和“球管”窗口對(duì)接，作為射線的出口。如圖 5a 所示，為了吸收不必要的散射線，降低輻射，HNDR 的射線管管套內(nèi)，除窗口位置外均涂覆了鉛層，保證射線只能從窗口處發(fā)射，避免其他方位的散射線，降低輻射。

　　第二層防護(hù)：HNDR 的第二層防護(hù)通過在射線源上方射線傳播的方向布置輻射防護(hù)腔實(shí)現(xiàn)。如圖 6 所示，輻射防護(hù)腔呈倒四棱錐形，其下部與射線管套的窗口相連，其上部設(shè)置有發(fā)射孔。

　　X 射線由射線管套窗口發(fā)出后，繼續(xù)以錐束傳播，距離射線窗口越遠(yuǎn)，射線束的覆蓋范圍越大，射線錐束的角度和陽(yáng)極靶的傾角、射線源窗口的大小以及射線管套的長(zhǎng)度有關(guān)，HNDR 的射線束由射線管套窗口發(fā)射后，錐角約為 80o。

　　探測(cè)器和射線管套窗口之間的距離以及探測(cè)器的大小決定了探測(cè)器能夠接收到的射線的范圍。對(duì)于 HNDR 而言探測(cè)器能夠接受 30o 錐角范圍內(nèi)的射線，錐角大于 30o 的射線，超出了探測(cè)器的范圍，對(duì)于檢測(cè)而言是無效射線，因此可以錐角大于 30o的射線進(jìn)行過濾以減少輻射。

　　如圖 6，①倒四棱錐輻射防護(hù)腔的錐角為 85o，角度略大于射線束錐角，這樣保證由射線套窗口發(fā)射的射線均在輻射防護(hù)腔的包裹中;②輻射防護(hù)腔上部預(yù)留的發(fā)射孔和射線套窗口構(gòu)成錐角為 30o的倒圓錐的上下底面;③輻射防護(hù)腔的內(nèi)壁涂覆有鉛層，以保證射線只能通過輻射防護(hù)腔的發(fā)射孔繼續(xù)傳播，經(jīng)過待檢工件到達(dá)探測(cè)器。

　　第三層防護(hù)：X 射線由輻射防護(hù)腔中發(fā)射之后進(jìn)入檢測(cè)腔與耐張線夾等待檢工件相互作用，在與待檢工件相互作用的過程中，會(huì)發(fā)生康普頓散射，產(chǎn)生散射線。為了吸收散射線，在靠近操作側(cè)的外殼內(nèi)涂覆鉛層，吸收散射線，形成第三道防護(hù)。

　　2.3 其他輔助設(shè)計(jì)

　　射線源設(shè)計(jì)加上合適探測(cè)器的選取實(shí)現(xiàn)了 HNDR 的輕量化，三層遞進(jìn)式的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 HNDR 的低輻射特性，完成了最基本的設(shè)計(jì)需求。為了滿足安全、便捷施工的需要 HNDR 還進(jìn)行了一些輔助的設(shè)計(jì)。

　　(1)通訊設(shè)計(jì)

　　HNDR 包含有專門的通訊包實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：①遠(yuǎn)距離一鍵式實(shí)現(xiàn)射線源的開、關(guān)，使任何人員都能夠完成檢測(cè)工作; ②檢測(cè)結(jié)果同步傳輸功能，耐張線夾、接續(xù)管等連接金具為了幾十甚至上百米的塔上，同步傳輸功能是檢測(cè)結(jié)果能夠?qū)嵤﹤鬏數(shù)剿录夹g(shù)人員處，現(xiàn)場(chǎng)判斷連接金具的質(zhì)量。

　　(2)導(dǎo)槽設(shè)計(jì)

　　耐張線夾、直線接續(xù)管等連接金具位于導(dǎo)線上，為了讓 HNDR 射線檢測(cè)裝置能夠方便固定在待檢區(qū)域，項(xiàng)目組為 HNDR 設(shè)計(jì)了仿形導(dǎo)槽，實(shí)現(xiàn)懸掛和定位。

　　3 低劑量 X 射線檢測(cè)儀功能驗(yàn)證

　　HNDR 射線檢測(cè)裝置采用集成化設(shè)計(jì)，射線源、探測(cè)器以及控制系統(tǒng)全部集成在小于 300×300×700mm 的體積內(nèi)，消除了傳統(tǒng)射線設(shè)備部件過多，攜帶不便、組裝復(fù)雜的問題，總重量控制在 15kg 左右。圖 7 所示為本研究開發(fā)的 HNDR 低劑量數(shù)字射線檢測(cè)儀照片，其內(nèi)部主要元件的結(jié)構(gòu)圖如圖 4。為了驗(yàn)證 HNDR 是否能夠完成耐張線夾缺陷的檢測(cè)，并且達(dá)到低輻射的目的，本研究設(shè)計(jì)了各種特制缺陷，以進(jìn)行檢測(cè)效果和輻射劑量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

　　3.1 檢測(cè)效果驗(yàn)證

　　圖 8 所示為耐張線夾的典型結(jié)構(gòu)圖，在檢測(cè)中需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域有 3 個(gè)(在圖中用虛線框標(biāo)出)，從右至左分別為鋁絞線壓接區(qū)、鋼芯壓接區(qū)和防滑槽壓接區(qū)。為了驗(yàn)證 HNDR 是否能夠完成耐張線夾缺陷檢測(cè)，以 JL/G1A-300/40 鋼芯鋁絞線和 NY-300/40 耐張線夾組成的壓接接頭為對(duì)象，分別在圖 8 所示的三個(gè)區(qū)域預(yù)制缺陷，用 HNDR 進(jìn)行檢測(cè)，觀察檢測(cè)效果。

　　(1)鋁絞線壓接區(qū)域(區(qū)域 1)檢測(cè)效果驗(yàn)證

　　分別在鋁絞線壓接區(qū)域利用不同的壓力對(duì)進(jìn)行不同寬度的壓接，利用 HNDR 進(jìn)行成像，驗(yàn)證 HNDR 是否能夠準(zhǔn)確識(shí)別壓接區(qū)域，及不同壓力下壓接區(qū)域尺寸的變化。判斷能否完成區(qū)域 1 的檢測(cè)有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：①準(zhǔn)確識(shí)別壓接區(qū)域; ②識(shí)別不同壓接工藝壓接結(jié)果的差別。

　　分別以 10MPa 和 40MPa 壓力對(duì)圖 8 所示區(qū)域 1 的局部區(qū)域進(jìn)行壓接，其檢測(cè)結(jié)果如圖 9 所示，壓接區(qū)域以虛框線標(biāo)出。由圖中可看出，HNDR 拍攝的照片能夠準(zhǔn)確識(shí)別壓接區(qū)域;圖 9b 清楚顯示 40MPa 壓力壓接，壓接區(qū)域鋼芯鋁絞線的直徑明顯小于未壓接區(qū)域;而 10MPa 壓接時(shí)鋼芯鋁絞線的直徑變化很小(見圖 9a)。這表明 HNDR 能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，能對(duì)區(qū)域 1 進(jìn)行有效檢測(cè)。

　　(2)鋼芯壓接區(qū)域(區(qū)域 2)檢測(cè)效果驗(yàn)證

　　判斷 HNDR 能否完成鋼芯壓接區(qū)域的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是：① 能否準(zhǔn)確反映鋼芯穿管深度;②能否識(shí)別鋼芯的壓接區(qū)域。圖 10 為利用 HNDR 對(duì)鋼芯壓接區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果，圖 10a 為整個(gè)鋼芯只是穿管入鋼錨內(nèi)部而未進(jìn)行壓接，由虛線中的放大圖可以看出，檢測(cè)結(jié)果能夠清晰的識(shí)別鋼芯與鋼管的邊界，表明 HNDR 能夠識(shí)別壓接不良鋼芯與鋼管結(jié)合不佳的問題;圖 10b 為穿管深度和壓接區(qū)域均不夠的樣品，檢測(cè)結(jié)果能夠準(zhǔn)確的判斷穿管的深度以及壓接的界線。這表明 HNDR 能夠?qū)崿F(xiàn)鋼芯壓接區(qū)域檢測(cè)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，能對(duì)區(qū)域 2 進(jìn)行有效檢測(cè)。

　　(3)防滑槽區(qū)域(區(qū)域 3)檢測(cè)效果驗(yàn)證

　　防滑槽區(qū)域的檢測(cè)需要判斷每個(gè)凹槽內(nèi)部是否填滿鋁合金，是否存在防滑槽漏壓、欠壓的情況。圖11為利用HNDR 進(jìn)行的防滑槽位置的檢測(cè)，圖 11a 為完全漏壓缺陷、11b 為左上防滑槽欠壓、圖 11c 為防滑槽處壓接位置錯(cuò)誤導(dǎo)致的凹槽未填滿。HNDR 能夠有效識(shí)別防滑槽壓接的各種典型缺陷，滿足檢測(cè)要求。除了能夠檢測(cè)耐張線夾、接續(xù)管等連接金具以外， HNDR 還可以用來對(duì)電纜的內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，能夠清楚的顯示橡膠護(hù)套內(nèi)部的金屬鎧裝以及銅芯(見圖 12)。

　　3.2 低輻射功能驗(yàn)證

　　為了確定 HNDR 的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)是否合理，對(duì) HNDR 工作過程中，其操作側(cè)的輻射劑量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。如圖 13 所示，根據(jù)國(guó)標(biāo)的要求，公眾豁免劑量為 1000nGy/h，而經(jīng)過三道輻射防護(hù)之后，HNDR 在工作過程中距離其 40cm 處的射線輻射劑量?jī)H為 140nGy/h，遠(yuǎn)低于豁免劑量，符合國(guó)標(biāo)要求，真正實(shí)現(xiàn)了無需防護(hù)的近距離操作。

　　綜上所述，HNDR 整機(jī)供電，不需要外接電源;能夠遠(yuǎn)程控制操作，檢測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)距離同步傳輸;輻射設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備工作過程中的輻射，能夠近距離無防護(hù)操作;能夠滿足耐張線夾、接續(xù)管等輸電線路連接金具的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要。

　　4 結(jié)論

　　根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)論如下：

　　(1)針對(duì)耐張線夾檢測(cè)開發(fā)了一種低輻射射線檢測(cè)儀 HNDR，不需要外接電源，能夠遠(yuǎn)程控制操作，檢測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)距離同步傳輸;

　　(2)為了輕量化需求，為 HNDR 開發(fā)了專用微型射線機(jī)，射線機(jī)最高電壓 130kV，采用 Au 陽(yáng)極靶，陰陽(yáng)極之間的間距為 12mm;

　　(3)對(duì) HNDR 進(jìn)行了三層遞進(jìn)式輻射防護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn) 40cm 范圍內(nèi)輻射劑量 140nGy/h;

　　(4)對(duì) HNDR 進(jìn)行了檢測(cè)功能驗(yàn)證，證明其能夠滿足耐張線夾典型缺陷的檢測(cè)需求。