前言
支柱绝缘子及瓷套是发电厂和变电站运行的重要组成设备，起着支撑导线和绝缘作用，由于是高温烧结成的电瓷产品，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，由于没有固有的形变能且韧性极低，长期承受运行中的机械负荷，使附加应力增大，若支柱绝缘子存在微小缺陷，就可能造成破坏。电网公司《72.5KV及以上电压等级支柱绝缘子技术规定》（电网生技[2005]174号）的要求，开展对支柱绝缘子及瓷套无损检测，
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白瓷、金具和水泥等多种材料组合而成的，瓷体主要由粘土长石石英等铝硅酸盐原料混合配制，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，是由于许多微晶聚集的多晶体构成，这就不可避免的存在着晶界。晶界不仅在陶瓷烧结过程中起着重要作用，而且还对烧结体物理、化学性能有很大影响。
陶瓷的微观结构如图1（a）所示，是由微晶、晶界、晶界析出物、晶界气孔、晶粒内析出物、晶粒内气孔等构成的。构成陶瓷主成分的微晶尺寸，一般由1微米至几十微米，结晶轴方向是任意的，微晶直径与原料颗粒直径、杂质、烧结条件有关。陶瓷晶界有位错、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、层状析出物等。
1.1 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为晶界偏析层。晶界偏析层厚度由20埃至1微米。在晶界，因为形成远远过一般固溶界限的固溶。所以，可以发现与结晶内部晶相明显不同的物质。
1.2 层状析出物 在含有杂质特别多而过固溶界限时，杂质作为另外的结晶相在晶界析出。这种析出物有层状和粒状之分。层状析出物通常由液相烧结所造成。晶界析出物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。
图1
（a）陶瓷的典型微观结构：（b）晶界偏析层；（c）层状析出物；（d）粒状析出物
1.3 粒状析出物杂质的量过结晶固溶量，其熔点比烧结温度高时，杂质呈粒状在晶界析出。由此可以看出陶瓷材料的特点是显微组织复杂且不均匀。
2．支柱绝缘子及瓷套易发生裂纹的部位
在役支柱绝缘子及瓷套大都在法兰处折断，原因在于支柱绝缘子是高温烧结成的瓷件，如果在制作过程中配方不当，工艺流程中原料混合不均，易形成瓷件内部缺陷，由于没有固有的形变能且韧性极低，在长期承受运行中的机械负荷，以及风、雨等，从而使末裙与法兰交界处附加应力增大，若瓷体内或者近表面存在微小缺陷，就可能造成破坏。见图2。据统计，断裂部位95%以上均为法兰口内3mm与瓷体相交附近的区域，该区域的显著特点是裙根距砂层边缘距离短，扣除探头无法放置的砂层过渡区，一般有效宽度约为10～30mm。瓷套一般为20～40 mm≥500KV瓷套，约为20～60 mm。
图2A支柱绝缘子需要检测的部位 图2B瓷套需要检测的部位
3．工艺方法的关键技术
3.1 研制并联式爬波探头
爬波是折射角为90°的压缩纵波，对表面的粗糙度不敏感，将爬波探头的入射角α固定在临界角，根据探测距离选择适当的晶片面积，组成并联式结构探头，爬波仅对距表面下深度1～9mm内缺陷有效
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爬波探头型貌见图3。
图3 爬波探头对应连接示意图
探头连线应按照图示
与仪器面板上符号应对应连接。
通常采用晶片尺寸8×10×2探头，分为φ120、φ140、φ160、φ180、φ200、φ220φ240以及平面8种规格跨距小时可以采用6×10×2探头。
3.2 研制纵波斜探头
由于爬波仅对支柱绝缘子表面下1～8mm内的裂纹有效，对支柱绝缘子表面8mm以下的心部缺陷无法检测，因此必须寻找探头在极小的移动范围内能有效地扫查到内部缺陷的有效方法，同时还要考虑不同直径，不同配方及窑次烧结的不同晶粒度等因素对探伤灵敏度的影响，因此需要找出适应上述条件的佳频率及合适的探头折射角范围。
研制的入射角分别为6°～10°纵波斜探头，频率5MHZ，晶片直径8×10mm，上述探头的折射角见表1。
| 探头标称入射角 | 6º | 8º | 10º |
| 纵波折射角 βL | 12º | 19.5º | 22º |
探头的一般入射角度为6°～10°，根据受检部位的宽度，位置极小一般采用入射角6°探头，根据跨距的变化也可需采用8°～10°探头。探头进行瓷套内壁检查。探头弧面划分为φ120、φ140、φ160、φ180、φ200、φ220、φ240以及平面等8种规格。
爬波与纵波斜入射探伤中都必须考虑加工探头弧面，以确保探头移动时良好吻合，一般可在支柱绝缘子直径变化20mm范围内确定一种弧度规格探头即直径大的探头可以探测直径小1挡的瓷件.例如: Φ180mm的探头可以用于检测Φ160mm的支柱绝缘子。支柱绝缘子及瓷套直径大于Φ240mm时可以采用平面探头。
3.3研制横波双晶斜探头
瓷套内部和内壁探伤需采用横波双晶斜探头，研制入射角为28°～28.5°纵波斜探头，频率5MHZ，晶片尺寸为8×10×2 mm，并考虑加工探头弧面，以确保探头移动时良好吻合，根据瓷套直径变化范围，确定规格为Φ200、Φ240、Φ300和平面探头。
3.4研制铝质对比试块，
检验必须依据标准声速试块调整扫描速度和探伤灵敏度，以及支柱绝缘子及瓷套的声速比较，缺陷的当量比较，研制系列对比试块，可供测定。试块的合理与否，直接关系到测试结果的准确性。陶瓷在原料配方、烧接工艺方面存在差异，至使每个支柱绝缘子的不同部位声速均不相同，支柱绝缘子及瓷套具有不同的晶粒度，晶粒度的大小和均匀直接影响反射波位移量及反射声压。试验证明每个支柱绝缘子的声速均不同，任何方法对支柱绝缘子的声速测定都必须寻找一个晶粒度均匀且内部无缺陷的支柱绝缘子，实际上是困难的。既使找到，因为它不是标准声速，无法与被探瓷件作声速准确比较，由于支柱绝缘子及瓷套的外径不断变化，也不可能制造大量不同直径的瓷柱试块，因此探头与瓷瓶间的声吻合不良造成声损失大，结果不准确。因此采用与高强瓷支柱绝缘子及瓷套声速接近的合金铝作为对比试块材料，声速为6350 m/s为标准声速。见图4。
图4便携式JYZ-BX试块的形状与规格
试块制作要求
便携式JYZ-BX试块是在一块试块上加工出120mm、140mm、160mm、180mm、200mm、220mm、240mm共计七个弧面和一个平面，每个面配置了2mm模拟裂纹以及深度为40mm的Φ1mm横通孔满足了在现场对所有直径的支柱绝缘子及瓷套探伤对试块的要求。
3.3.2 钢试块中Φ1mm横通孔与同距离支柱绝缘子Φ1mm横通孔间关系
试验条件：66#（高强瓷支柱绝缘子）65#（中强瓷）
CTS-22型仪器采用纵波探头5pΦ10
CTS-22型仪器，JYZ-2试块深120mmΦ1mm横通孔80%波高42db
CTS-22型仪器，JYZ-2试块深100mmΦ1mm横通孔80%波高44db
CTS-22型仪器，JYZ-2试块深40mmΦ1mm横通孔80%波高50db
HS-612仪器，采用纵波斜探头5p6°
HS-612仪器，JYZ-2试块深120mmΦ1mm横通孔80%波高70db
HS-612仪器，JYZ-2试块深100mmΦ1mm横通孔80%波高67db
HS-612仪器，JYZ-2试块深40mmΦ1mm横通孔80%波高62db
| 仪 器 | 651#距孔120 mm | 661#距孔120mm | 651#距孔100mm | 652#距孔100mm | 661#距孔100mm | 662#距孔100mm | 651#4距孔40mm | 661#4距孔40mm |
| CTS-22 | 36 db | 48 db | 38 db | 32 db | 44 db | 42 db | 48 db | 54 db |
| HS-612 | 70db | 74 db | 68 db | 66 db | 59 db | 74 db | 62 db | 56 db |
试验结果表明，数据比较分散。其原因主要因瓷孔在加工中的筒壁边缘粉碎和粒状崩落造成的孔壁不圆滑所至，但还是可以看出，钢中Φ1mm横通孔与同距离瓷Φ1mm横通孔两孔反射声压相近。可作评价参考。
3.5支柱绝缘子及瓷套声速测定:
对不同批次不同尺寸的支柱绝缘子及瓷套需作声速测定，以确定其供货的强度范围。
支柱绝缘子：首先应该确定的是基准尺寸，可用卡尺量出被测支柱绝缘子的直径，采用5PΦ10或2.5PΦ12直探头找到两次回波，调整到闸门范围内，仪器将自动进行声速测试并读出声速值。
瓷套：采用5PΦ10直探头在JYZ—BX试块平面深度20mmΦ1mm横通孔调整扫描速度后实际测出瓷套壁厚。
4．工艺方法试验
将探头置于被探试件，对不同深度的模拟裂纹进行测试发现，当模拟裂纹深度＜6mm时，反射波高随模拟裂纹深度增加而增高，当模拟裂纹深度＞6mm时，反射波高随模拟裂纹深度增加而平稳下降(见图6)，结果表明模拟裂纹在深度为1～6mm时反射波基本呈线性。图13为用UFD-Z6E型支柱瓷绝缘子及瓷套数字式超声波探伤仪和ST-7型模拟式超声波探伤仪测试情况。
4.1 探头折射角的测定：
纵波斜入射探头扫查到支柱绝缘子对称侧时关键是探伤面的宽度，在水平位移范围允许的情况下，尽可能增大折射角度，选择的较大折射角目的在于，增加底波与裂纹波之间的间距，提高分辨能力。
探头参数测定见图7。
图7JYZ-BX便携式试块探头参数测定
4.2 纵波斜探头入射点的测定
移动探头找出圆弧强反射波，此时探头与试块上0刻度对应处即为探头入射点。
4.3 纵波斜探头折射角的测定
找出深40mmΦ1 mm横通孔强反射波，调整为80%波高，计算出纵波斜探头折射角。
4.4 纵波斜入射扫描速度调整
找出与被检瓷件直径或厚度相近的Φ1mm横通孔强反射波调整为80%波高。扫描速度调整为比例1：1或者1：2。
当采用JYZ-BX试块时，应找出深40mm，Φ1mm横通孔强反射波调整为80%波高。扫描速度调整为比例1：1或1：2。
4.5纵波斜入射探伤灵敏度的确定
采用5MHZ及入射角6º探头，例：外径值为120mm时，在JYZ—BX试块深度40mmφ1孔80%波高时为50db，则按照公式应在此基础上增益(120—40)/10=8 db，即50+8=58db，即为探伤灵敏度）30㎜挡为实测值。
不同外径高强瓷支柱绝缘子探伤灵敏度见表2。
| 瓷件厚度或直径（㎜） | 30 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 | 140 | 160 | 180 | 200 | 220 | 240 |
| Φ1孔灵敏度（dB） | 48 | 50 | 52 | 54 | 56 | 58 | 60 | 62 | 64 | 66 | 68 | 70 |
4.6纵波斜入射探伤缺陷情况
4.6.1如仪器显示仅有孤立底波，无附着杂波，波幅清晰，应判定无缺陷。
4.6.2如瓷支柱绝缘子及瓷套内部如存在晶粒粗大时，探头移动时会出现此起彼伏的草状反射波（一般波高＜30%屏幕高度），稍微移动探头反射波立即下降或消失，而缺陷波一般比较稳定，此时应判定为晶粒反射波。
如瓷支柱瓷绝缘子及瓷套内部存在晶界偏析层、层状析出物、粒状析出物，气孔、裂纹等缺陷，底波前会出现点状或丛状反射波，底波也可能因此降低，应判定为缺陷波。
4.6.3如移动探头，缺陷波连续存在，应采用半波高度法确定缺陷的指示长度。 4.7纵波斜入射探伤结果的评定
4.7.1点状缺陷
缺陷波与相近声程Φ1mm横通孔进行当量比较，缺陷波如≥Φ1mm横通孔当量，判定为不合格。
缺陷波＜Φ1mm横通孔当量，但内部缺陷波呈现为多个(≥2点)或丛状(＞3点)反射波，判定为不合格。
4.7.3裂纹缺陷
缺陷波＜Φ1mm横通孔当量，缺陷指示长度＞5mm时，判定为不合格。
4.7.4采用纵波斜入射探头测定内部缺陷
探头沿支柱绝缘子扫查一周，可能出现如下几种情况。
图1支柱绝缘子内部无缺陷仅见对称面 图2 内部点状缺陷反射波波高＜Φ1
清晰底波应判定合格。 横孔当量，且≤2点应判定合格。
图3内部缺陷呈现为多个(≥2点)反射波缺 图4 内部缺陷呈现丛状(＞3点)反射波，张
陷波高＞Φ1横孔当量应判定为不合格。 底波已被遮挡而消失应判定为不合格。
4.8爬波探伤灵敏度的确定
采用JYZ-BX铝试块，将探头置于试块，找出距探头前沿30mm深度2mm模拟裂纹的强反射波，调整至80％波高，衰减10dB～12dB。，即为高强瓷探伤灵敏度。(探伤部位如已涂刷防水胶应确定探伤灵敏度后再增益5dB～6dB)
根据支柱瓷绝缘子和瓷套外壁裂纹应用爬波探伤方法原理，在示波屏上绘制了一条距离波幅曲线，开启仪器调出爬波探伤通道，即可进行实际探伤。
4.9爬波探伤时表面缺陷情况
4.9.1如瓷支柱瓷绝缘子及瓷套被检部位的表面存在气孔、烧结形成的凹坑或裂纹时，会出现点状或丛状反射波，此时应与仪器预置的距离波幅曲线进行比较，波高出曲线的应为缺陷波。
4.9.2爬波探伤时探伤距离过30～40mm的后段易出现草状反射波，一般应避免在此区域观察缺陷。
4.10爬波探伤结果的评定
凡位于曲线上方的缺陷波，均判定为不合格。
4.1.1爬波探头检测支柱绝缘子缺陷示意图
无缺陷时示波屏基本无波 裂纹距探头35mm处 裂纹距探头15mm处1mm裂纹反射波型 1mm裂纹反射波型
4.1.2爬波检测瓷套表面缺陷示意图
瓷套外壁无缺陷时波型 瓷套外壁发现缺陷时波型.
4.8采用横波双晶斜探头检验瓷套内部和内壁缺陷
根据瓷套壁厚，将闸门移至壁厚范围，将探头置于被检查部位，沿圆周移动探头.可能出现如下2种情况：
这里
图6 5PK0.7探头检测A4瓷套 图7 5PK0.7探头检测A4 瓷套F发现内壁缺
未发现内壁缺陷波 陷波应测定指示长度
5．讨论：
通过对各种规格裂纹反射波特点的分析，在对徐州、天生港、襄樊等发电厂升压站进行了普查检验发现了大量支柱绝缘子裂纹。及时更换，避免了断裂。并对一批500KV～220KV变电站如电网公司500KV常州政平换流站、500KV徐州三堡变电站，如检查中发现政平换流站5053A相编号1和三堡变电站5333线5011号刀闸支柱绝缘子裂纹，在结工艺方法的基础上完成了江苏电力公司企业标准Q/GDW-10-394-2008瓷支柱绝缘子及瓷套超声波检验技术导则的编写.
结：由此可见，超声波探伤在电力绝缘子检测里应用具有现实的意义，更具有它的适宜性。为电力行业解决绝缘子问题提供了方法和技术。
