壓接缺陷低輻射射線檢測裝置設計及功能驗證

　　摘要：針對耐張線夾壓接缺陷缺乏有效便捷檢測手段的問題，開發了一套輕量化、低輻射數字射線檢測儀 HNDR。為了實現 HNDR 的輕量化，設計了專用微型射線機;進行了射線機管套輻射屏蔽層、輻射防護腔以及操作側外殼防護層三道遞進式輻射防護設計，實現了 40cm 范圍內輻射劑量 140nGy/h，遠低于國標規定的公眾豁免劑量，滿足無防護操作要求。特制缺陷檢測證明本研究開發的 HNDR 能夠滿足耐張線夾壓接缺陷的檢測需求，能準確判斷鋁絞線壓接區、鋼芯壓接區和防滑槽壓接區的壓制質量。

　　關鍵詞：X 射線檢測儀;低輻射;輻射防護設計;耐張線夾

　　潘勇; 葉中飛; 伍川; 柴延偉， 機械設計與制造 發表時間：2021-11-23

　　1 引言

　　耐張線夾是將導/地線與鐵塔、絕緣子等連接在一起，組成堅強輸電網絡，對導/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內外應用最為廣泛的耐張金具。

　　壓縮型耐張線夾通過液壓實現與導線的連接，壓接工藝對其質量有顯著影響。耐張線夾承受導線拉力的同時，又作為導電體起導流作用，作為輸電裝備中的關鍵部件，對質量要求高，缺陷容忍度低;壓接工藝控制不當，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，導致局部過載，引發斷線[4];2015 年 11 月 25 日，某 220kV 輸電線路由于施工時耐張線夾防滑槽處壓入深度不夠，運行過程中雙分裂導線中的一根從耐張線夾中脫出，造成相間放電跳閘。因此，及時發現壓接結構的缺陷，對保障供電安全意義重大。

　　為了確保輸電線路的安全運行，常用的檢測手段有人工巡視、直升機巡檢[5,6]、紅外探測[7,8]以及近年來發展起來的無人機巡檢及檢修機器人[9]等。人工巡檢效率低下，直升機巡檢和無人機巡檢技術解決了效率低下的問題，但是人工巡視、直升機巡檢和無人機巡檢均只能識別耐張線夾的外部缺陷，對內部缺陷無能為力;而壓接結構的特點決定了其主要結構特征均“隱藏”在內部，外觀正常的壓接結構，內部可能存在嚴重的缺陷。紅外探測能夠識別運行過程中耐張線夾的過熱問題，但難以明確發熱的具體原因及存在的缺陷類型。這就導致了常規的檢測手段在事故發生之前，不能及時發現隱患，運維工作無法做到 “防范于未然”。

　　韓國棟[10]、王瑋[11]等從理論上分析了 X 射線檢測技術在耐張線夾壓接缺陷檢測中的可行性，并通過模擬缺陷的形式論證了 X 射線檢測對各種不同壓接缺陷的識別能力，結果表明 X 射線檢測能夠有效的識別耐張線夾等壓接結構的內部缺陷，可以彌補傳統檢測手段的不足。但是目前能夠用于耐張線夾檢測的 X 射線設備有兩個缺點：1)重量大，不利于現場上塔檢測; 2)輻射劑量大，安全隱患高[12]。這兩個缺點嚴重阻礙了 X 射線在耐張線夾檢測中的推廣應用。因此，開發輕量化低劑量 X 射線檢測儀對推動壓接結構缺陷的檢出至關重要。

　　本研究根據輕量化、低輻射的要求開發了低劑量數字射線檢測儀，單人能夠攜帶上塔，距離設備 40cm，輻射劑量滿足國標要求;本論文的研究成果提供了耐張線夾缺陷檢測的手段、提高檢測效率，可有效指導輸電線路的運維檢修工作。

　　2 低劑量數字射線檢測儀開發

　　輸電線路 X 射線檢測設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 檢測設備。這幾種設備均由于輻射量大，不能實現近距離操作;并且高頻恒壓膠片式和 CR 檢測還不能實現檢測結果的實時顯示。本研究根據上述不足，開發了新型低劑量數字射線檢測儀 HNDR，實現了輕量化、低輻射的目的。

　　為了上述目標，需要減小射線源和面陣探測器的體積，并且滿足檢測的需求，因此項目組根據工程需要，自主設計研發了一套微型 X 射線源，能夠實現壓接結構內部缺陷的清晰檢測;為了實現檢測設備的低輻射，并且保證輕量化，對設備整體的輻射防護進行了專業設計。

　　2.1 X 射線機設計

　　(1)電壓設計

　　射線機電壓設計的指導原則是能夠穿透待檢物，并且保持高分辨率[13]。當待檢物的密度差別較小時，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;當檢測對象尺寸較大、密度或由相差很大的材料組成時，宜選擇能量高、強度較大的射線源可提高信噪比和檢測效率[ 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、強度較大的射線源。

　　國內靈州-紹興特高壓直流工程用的 JL/G3A-1250/70 是目前輸電線路應用的最大截面的導線，射線機只要能穿透 JL/G3A-1250/70 耐張接頭，就能夠滿足檢測需求，由圖 1 所示的耐張線夾典型設計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。

　　檢測過程中射線需要穿透的最大厚度位于虛線框內的防滑槽處，檢測時為了能夠清楚顯示防滑槽位置是否實現合格壓接，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度由圖中的紅線標出，計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，因此計算等效厚度時鋁管的厚度取 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效率，本研究開發的低劑量數字射線檢測儀的電壓設計為 130kV。

　　(2)陽極靶設計

　　陽極靶材的選擇主要考慮 X 射線光子的產生效率，通常硬 X 射線發生器的靶材為 W 材質，軟 X 射線靶材材質為 Cu 材質。在同樣速度和數目的電子轟擊下，不同物質做成的靶所輻射的 X 射線的光子總能量近似與 Z 2成正比，本研究為了產生更多的 X 射線光子，陽極靶材選擇了原子序數更高的 Au。因此相比 W，Au 能夠對提高檢測過程的清晰度、提高信噪比有幫助。同時由于低劑量數字射線檢測儀的的功率較低，在工作過程中陽極靶的損耗較小，10μm 左右的 Au 層便能滿足長時間的運行需求，因此只需要在 Cu 質陽極座上濺射 Au 膜即可實現，不會增加成本。

　　陰陽極之間的距離影響陰極燈絲和陽極靶之間的高壓電場分布，從而影響陰極發射的電子的運動軌跡，從而影響焦點的大小，距離過近會導致焦點放大，影響射線源的分辨率;距離過長會導致射線機的尺寸過大。最終，經過理論計算和實驗，確定可陰陽極之間的間距為 12mm。

　　(3)供電設計

　　傳統射線檢測設備由于需要外接發電機，因此在現場應用極其不方便，為了克服這一缺點，HNDR 使用 24V 蓄電池供電，蓄電池集成在設備的電池包中，每次充電可以實現 100 次曝光。

　　2.2 輻射防護設計

　　為了實現近距離操作，將輻射劑量控制在國標規定以下，本項目研發的 HNDR 低劑量數字射線檢測儀進行了三級輻射防護設計。如圖 4 所示，三級防護的位置分別設計在 X 射線機、輻射隔離腔以及操作側外殼處。

　　第一層防護：第一層防護設置在射線源的射線管套處。如圖 5a 所示射線源的整體結構是“球管”包裹在射線管管套內，管套內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”陰極發射的電子轟擊到陽極靶材之后，會向各個方向發射 X 射線，其中窗口方向的射線光子量最大，由窗口處發射的射線為檢測需要的有效射線光子。

　　射線管的管套設置有一窗口和“球管”窗口對接，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，除窗口位置外均涂覆了鉛層，保證射線只能從窗口處發射，避免其他方位的散射線，降低輻射。

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

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

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

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

　　第三層防護：X 射線由輻射防護腔中發射之后進入檢測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，會發生康普頓散射，產生散射線。為了吸收散射線，在靠近操作側的外殼內涂覆鉛層，吸收散射線，形成第三道防護。

　　2.3 其他輔助設計

　　射線源設計加上合適探測器的選取實現了 HNDR 的輕量化，三層遞進式的輻射防護設計實現了 HNDR 的低輻射特性，完成了最基本的設計需求。為了滿足安全、便捷施工的需要 HNDR 還進行了一些輔助的設計。

　　(1)通訊設計

　　HNDR 包含有專門的通訊包實現兩個功能：①遠距離一鍵式實現射線源的開、關，使任何人員都能夠完成檢測工作; ②檢測結果同步傳輸功能，耐張線夾、接續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結果能夠實施傳輸到塔下技術人員處，現場判斷連接金具的質量。

　　(2)導槽設計

　　耐張線夾、直線接續管等連接金具位于導線上，為了讓 HNDR 射線檢測裝置能夠方便固定在待檢區域，項目組為 HNDR 設計了仿形導槽，實現懸掛和定位。

　　3 低劑量 X 射線檢測儀功能驗證

　　HNDR 射線檢測裝置采用集成化設計，射線源、探測器以及控制系統全部集成在小于 300×300×700mm 的體積內，消除了傳統射線設備部件過多，攜帶不便、組裝復雜的問題，總重量控制在 15kg 左右。圖 7 所示為本研究開發的 HNDR 低劑量數字射線檢測儀照片，其內部主要元件的結構圖如圖 4。為了驗證 HNDR 是否能夠完成耐張線夾缺陷的檢測，并且達到低輻射的目的，本研究設計了各種特制缺陷，以進行檢測效果和輻射劑量驗證實驗。

　　3.1 檢測效果驗證

　　圖 8 所示為耐張線夾的典型結構圖，在檢測中需要重點關注的區域有 3 個(在圖中用虛線框標出)，從右至左分別為鋁絞線壓接區、鋼芯壓接區和防滑槽壓接區。為了驗證 HNDR 是否能夠完成耐張線夾缺陷檢測，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象，分別在圖 8 所示的三個區域預制缺陷，用 HNDR 進行檢測，觀察檢測效果。

　　(1)鋁絞線壓接區域(區域 1)檢測效果驗證

　　分別在鋁絞線壓接區域利用不同的壓力對進行不同寬度的壓接，利用 HNDR 進行成像，驗證 HNDR 是否能夠準確識別壓接區域，及不同壓力下壓接區域尺寸的變化。判斷能否完成區域 1 的檢測有兩個標準：①準確識別壓接區域; ②識別不同壓接工藝壓接結果的差別。

　　分別以 10MPa 和 40MPa 壓力對圖 8 所示區域 1 的局部區域進行壓接，其檢測結果如圖 9 所示，壓接區域以虛框線標出。由圖中可看出，HNDR 拍攝的照片能夠準確識別壓接區域;圖 9b 清楚顯示 40MPa 壓力壓接，壓接區域鋼芯鋁絞線的直徑明顯小于未壓接區域;而 10MPa 壓接時鋼芯鋁絞線的直徑變化很小(見圖 9a)。這表明 HNDR 能夠實現檢測的兩個標準，能對區域 1 進行有效檢測。

　　(2)鋼芯壓接區域(區域 2)檢測效果驗證

　　判斷 HNDR 能否完成鋼芯壓接區域的檢測標準是：① 能否準確反映鋼芯穿管深度;②能否識別鋼芯的壓接區域。圖 10 為利用 HNDR 對鋼芯壓接區域進行檢測的結果，圖 10a 為整個鋼芯只是穿管入鋼錨內部而未進行壓接，由虛線中的放大圖可以看出，檢測結果能夠清晰的識別鋼芯與鋼管的邊界，表明 HNDR 能夠識別壓接不良鋼芯與鋼管結合不佳的問題;圖 10b 為穿管深度和壓接區域均不夠的樣品，檢測結果能夠準確的判斷穿管的深度以及壓接的界線。這表明 HNDR 能夠實現鋼芯壓接區域檢測的兩個標準，能對區域 2 進行有效檢測。

　　(3)防滑槽區域(區域 3)檢測效果驗證

　　防滑槽區域的檢測需要判斷每個凹槽內部是否填滿鋁合金，是否存在防滑槽漏壓、欠壓的情況。圖11為利用HNDR 進行的防滑槽位置的檢測，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誤導致的凹槽未填滿。HNDR 能夠有效識別防滑槽壓接的各種典型缺陷，滿足檢測要求。除了能夠檢測耐張線夾、接續管等連接金具以外， HNDR 還可以用來對電纜的內部質量進行檢測，能夠清楚的顯示橡膠護套內部的金屬鎧裝以及銅芯(見圖 12)。

　　3.2 低輻射功能驗證

　　為了確定 HNDR 的輻射防護設計是否合理，對 HNDR 工作過程中，其操作側的輻射劑量進行了現場檢測。如圖 13 所示，根據國標的要求，公眾豁免劑量為 1000nGy/h，而經過三道輻射防護之后，HNDR 在工作過程中距離其 40cm 處的射線輻射劑量僅為 140nGy/h，遠低于豁免劑量，符合國標要求，真正實現了無需防護的近距離操作。

　　綜上所述，HNDR 整機供電，不需要外接電源;能夠遠程控制操作，檢測結果遠距離同步傳輸;輻射設計實現了設備工作過程中的輻射，能夠近距離無防護操作;能夠滿足耐張線夾、接續管等輸電線路連接金具的現場檢測需要。

　　4 結論

　　根據研究結果，結論如下：

　　(1)針對耐張線夾檢測開發了一種低輻射射線檢測儀 HNDR，不需要外接電源，能夠遠程控制操作，檢測結果遠距離同步傳輸;

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

　　(3)對 HNDR 進行了三層遞進式輻射防護設計，實現 40cm 范圍內輻射劑量 140nGy/h;

　　(4)對 HNDR 進行了檢測功能驗證，證明其能夠滿足耐張線夾典型缺陷的檢測需求。