X射线成像技术在耐张线夹质量检测中的应用

周正思，李阳林，饶斌斌，胡 京，毛瑞鹏

（1.国网江西省电力有限公司上饶供电分公司，江西 上饶 334000；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

我国架空输电线路中，导线终端的连接以及耐张段导线的固定方式大多采用耐张线夹。耐张线夹由铝管和钢锚组成，钢锚用来连接和锚固钢芯，铝管用来连接导线的铝线部分，利用压力对铝管和钢锚进行压接塑型，使得导线和线夹结合成一个整体，这样可承担导线及避雷线的全部张力，并起到通流的作用[1-2]。

耐张线夹安装后不能拆卸，其压接质量与现场操作人员、操作流程、压接环境有很大的关系。若耐张线夹在压接过程中出现质量问题，往往由于线路设计安全系数较高，绝大多数的压接缺陷在施工完毕后不会立刻出现，但在投运后遭遇舞动、长期微风振动等情况下，容易发生线夹断裂从而引起掉线故障，影响线路安全运行。如2016年8月，某220 kV线路由于耐张线夹压接质量问题引起线路脱落，导致京广高铁设备故障，造成高铁延误长达两个多小时，造成了较大的社会影响。

因此，开展输电线路耐张线夹质量检测技术研究显得尤为有必要，通过检测提前发现耐张线夹的压接质量问题，及时进行消缺处理，可有效避免由于压接质量问题而引起的输电线路运行事故，保证输电线路安全稳定运行[3-5]。

1 常见输电线路耐张线夹检测技术

由于耐张线夹具有独特的结构特点，在压接过程中容易受工艺水平和操作等因素的影响，从而影响耐张线夹的性能、结构完整性及使用寿命。因此，合适的检测方法对耐张线夹内部状态的掌握至关重要。目前，耐张线夹的检测一般有以下几种方法：外观尺寸检测、握力实验、超声检测和电磁检测[6-7]。

外观尺寸检测即直接通过标尺测量压接后的耐张线夹，该方法不会损伤耐张线夹，但这种测量只能检测出压紧后耐张线夹压接是否到位，无法检测耐张线夹的内部压接情况。

握力实验是针对输电导线和耐张线夹的实际情况，制作压接样品，进行实验室的破坏性检测。握力实验虽然可直接检测出耐张线夹外部和内部实际状态，但只能采取抽检的方法，检测一个耐张线夹，这不能代表每一耐张线夹的实际状态。同时，对于导线和耐张线夹来说，握力实验也是一种损耗。

超声检测是一种基于测厚原理的现场无损快速检测方法，采用超声波测厚检测装置对耐张线夹压接后铝套管厚度进行检测，间接反映压接后耐张线夹铝套管和钢锚的相对位置，从而判断是否存在压接定位缺陷，该方法仅能检测防滑槽位置，对其他种类缺陷无法有限检测。

电磁检测技术是利用电磁线圈激励交变磁场，通过测量磁场强度或磁场强度变化率来进行工件截面变化的检测方法。可用于确定钢锚的边沿从而确定防滑槽的位置。优点是设备轻便，图像直观。缺点是只能检测防滑槽定位缺陷，其余缺陷类型无法检测。

2 X射线检测技术原理

X射线检测技术从最初的胶片射线照相技术，经过近100年的发展，已形成了由X射线照相、X射线实时成像、X射线层析成像等构成的比较完整的X射线检测技术体系[8]。X射线检测技术不仅不受被检测耐张线夹材料的影响，同时适用于检测耐张线夹中大部分的缺陷，如压接不到位、钢锚弯曲、铝管出现裂痕等，且不受缺陷所在位置的影响。近年来发展迅速的工业CT检测技术更是适用于对耐张线夹的检测，并可与CAD、CAM等制造技术结合而形成所谓的逆向工程[9]。这些优势都是其他无损检测技术所不具备的，因此，X射线技术是检测耐张线夹最理想的方法。

X射线检测是根据X射线在穿透不同材料、同一材料不同厚度时会有一定的差别，当密度相差越大、厚度相差越大时，X射线的穿透能力就差别越大。利用X射线这个物理特性可把一个器件内部不同材料和厚度不同的结构区分开来，这是X射线成像的基础。X射线照射物质后的强度与物质的密度、厚度以及射线光量子的能量有关[10]。根据光学第三定律：

式中：I为衰减后的X射线强度；I0为X射线的起始强度；为材料吸收X射线系数；为X射线透过材料厚度。

根据公式（1）可推出X射线通过大小的间隙，其衰减强度为：当X射线穿过不同材料时，根据公式（1）可推算出衰减强度为：

耐张线夹的两个部件铝套管和钢锚管主要是由钢和铝组成，当与导线压接时，主要的压接是在钢锚与外部铝管、导线钢芯与锚管、外部铝管和铝绞线三个部位，在X射线对压接后的线夹进行检测时，钢芯插入钢锚到位，那么X射线穿透距离为x铝管＋x钢锚＋x钢铰线，则穿透后强度为：

当钢绞线插入钢锚没到位时，其穿透距离为x铝管＋x钢锚，则穿透后强度为：

取射线源射出0.25 MeV的射线时，μ钢芯0.8，钢芯直径取0.75 cm，则可知

由此可知，当射线源射出合适的射线能量，钢芯完全插入和钢芯未完全插入有着明显的区别。因此，采用X射线对耐张线夹进行无损检测其内部压接质量是可行的。

3 X成像技术在耐张线夹检测中应用

由于耐张线夹一经压接就会直接安装在耐张塔上，因此要求检测装置同时适用地面和高空作业。检测装置应由X射线机、成像板和软件成像系统组成。X射线发射仪能够发出足够能量的X射线，分辨出耐张线夹内部铝和钢的状态；成像板能够接收X射线的成像并且能够存储一定数量的成像数据；软件成像系统通过软件信息处理和图像重建技术将耐张线夹内包状态以图形的形式重现出来，其应用示意图如图1所示。

图1 X射线技术在耐张线夹检测中的应用

X射线检测耐张线夹的操作流程图如图2所示。检测人员需要根据现场情况综合分析本次检测设备的基本情况（高度、材料等）以及检测点设置情况，将仪器放在合适的检测位置并且保证所有的连线正确，必须要在检测现场放置警戒线和防辐射标语；启动所有装置电源后，要对对检测参数（如X射线源的管电压、管电流等）进行估算，同时根据厂家提供的设备参数，配置对应的X射线机、成像板等设备；打开X射线机发出射线，调整曝光电源以及时间，图像通过软件处理后，判断是否需要重新检测[11]。

图2 X射线技术检测耐张线夹操作流程图

4 典型耐张线夹缺陷识别技术

利用X射线检测耐张线夹压接状态时，在耐张线夹分别选取A、B、C三个区域进行检测，其中，A区可检测钢锚与铝套管压接情况，B区可检测芯线与锚管或芯线接续管压接位置，C区可检测出外部铝管和绞线或中间套管压接位置[12]，如图3所示。

图3 耐张线夹压接区域及检测位置示意图

4.1 A区典型缺陷

在图4（a）椭圆圈内可清楚看到耐张线夹的钢锚两个凹槽压接状态，规程要求液压机将钢锚和铝管压接时，要求将两个凹槽都压接到位[13]。如果凹槽少压一个，这可能导致耐张线夹握力不足，需要尽快补压；如果存在两个凹槽都没有施压，或者凹槽压接后仍留有间隙，且对边距复核后不满足要求，则需要立即补压。如果钢锚压接不符合工艺要求，也会直接影响导线的承拉力，长期运行后易引起掉线故障。

在图4（b）椭圆中，可清楚分辨钢锚与铝管压接状态，钢锚靠近凹槽一部分铝管非压接区域被压接，不是正常压接状态[14]。非压接区域被压接主要是铝绞线画印不规范或者是钢管实测不准引起，这也是铝管压接时最容易引起的问题。但是图像中铝管和锚管未见损伤，则可不做处理，如果铝管和锚管有损伤，则需重新压接。

图4 A区典型缺陷图谱（a）钢锚凹槽施压部分不足（b）铝管非压接区域被压接

4.2 B区典型缺陷

在如图5（a）所示椭圆圈内可清楚分辨钢锚尾部状态，钢锚靠近铝绞线部位压接呈现喇叭口形状。这是由于施压顺序有错误，从钢锚凹槽处向尾端施压，施压后钢锚向尾端伸长，另一方面考虑到定位引流板与挂环的预偏角，要先在钢锚凹槽施压，导致钢锚伸长空间不大，引起钢锚尾端隆起呈喇叭口，严重时会导致钢锚受损[15]。

在如图5（b）所示，椭圆圈内可清楚分辨钢锚呈现水平状态，在靠近凹槽一端钢锚有明显的弯曲现象。造成这种现象的有三种原因：一是由于钢锚在压接时，钢芯在穿管时没有理直，导致钢锚在施压前就有弯曲应力；二是由于钢芯自身的重力以及导线的扭绞力，在施压过程中，钢锚没有水平放置，这样会导致钢芯的轴线和钢锚轴线没有重合；三是施压在非压区域，钢锚在压模两侧受力不平衡，导致钢锚施压后弯曲。在对钢锚施压后，要求钢锚弯曲程度不能超过钢锚长度的2%[16]。弯曲的钢锚会增加弯曲应力，弯曲应力的增加容易增加钢锚断裂的概率。

在如图5（c）所示，椭圆圈内可清楚分辨钢锚的周边状态，在钢锚周围有半椭圆状的灰影，这是由于压模的误差造成毛刺飞边。由于钢锚在施压过程中相邻各模之间受力不一致，造成钢锚表面不平整。在钢锚穿管之前没有除去毛刺飞边，这样的钢锚压接工艺粗糙，施压后进行尺寸检测时极易出现误差，无法判断钢锚的压接是否到位，这样对导线的握力就没法确保。另外，钢模自身存在变形或钢模不匹配也会造成施压面不平整，也能导致钢锚出现毛刺飞边。

在如图5（d）所示，椭圆形中，可清楚看到钢锚所在位置，肉眼通过辨别两边的明暗可清楚知道钢芯插入深度不足，钢锚和钢芯空压在15%~30%之间，不符合规程要求。锚管腔体内空隙或者漏压比例在15%以内，对钢芯握力才能满足；当空隙或者漏压比例在15%~30%时，钢锚对钢芯的握紧力不足，需要停电重压；当空隙或者漏压比例在30%以上[17]，钢锚对钢芯握力严重不足，导致导线整体拉力值不能达到要求，需要立即重压。

图5 B区典型缺陷图谱（a）钢锚尾部喇叭口：（b）钢锚弯曲状态；（c）钢锚毛刺现象；（d）钢芯插入钢锚尺寸不足

4.3 C区典型缺陷

在如图6（a）所示的椭圆形中，可清楚看到钢锚端口的位置状态，钢锚口与铝绞线没有明显的间隙，会导致钢锚和铝绞线有初始应力，影响钢管强度。规程要求耐压管在施压完成后，钢锚尾端与铝绞线之间的空隙大约要有约10 mm的间隙。当间隙小于10 mm，可能是在对铝管进行压接时，铝绞线因受压伸长而顶碰钢锚，导致初始应力增加，从而影响铝管的强度；间隙大于10 mm，导致铝管非压区域变长，对应的铝管压接区域减少，会引起导线握力下降。在C区多压的典型缺陷图谱如图6（b）所示，其成因和处理建议与A区多压相似，详见4.1。

图6 C区典型缺陷图谱（a）钢锚口与铝绞线过近（b）铝管非压接区域被压接

5 结语

目前，从现场运行的实际情况来看，因输电线路的耐张线夹压接质量问题而引起的输电线路故障时有发生，外观尺寸检测和握力实验只能对耐张线夹部分性能进行判断，不能精确和全面检测出耐张线夹的压接状态。因此，需要一种更直观、便捷、有效的手段对耐张线夹进行无损检测。通过本文的分析，X射线数字成像技术是实现耐张线夹质量检测的最有效手段，并提出了详细的应用方案。文中在现场实际检测出来的大量影像资料的基础上，分类整理出了耐张线夹在A区、B区、C区的常见故障类型，对架空输电线路耐张线夹质量检测有一定的参考与指导意义。