X射线探测在输电线路碳纤维导线中的应用

徐志伟, 陆桂来，朱 波，王永伟，曹伟伟

(1.扬州浩辰电力设计有限公司，江苏 扬州 225000； 2.中国能源建设集团南京线路器材有限公司，南京 210000； 3.山东大学 材料科学与工程学院, 济南 250061； 4.天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300160)

0 引 言

碳纤维复合芯导线具有强度高、重量轻、无污染、跨距大等优点。在输电线路中使用碳纤维复合芯导线，可使铁塔跨距增大、高度降低、结构更趋紧凑并减少线路走廊用地。对于有增容需求的旧线路改造，使用碳纤维复合芯导线代替旧导线，既不用增加土地占用，又缩短了施工周期，节省线路综合造价。由于碳纤维的优异物理和机械性能主要体现在纤维方向上，而在径向上略显薄弱，因此由其制成的导线在抗剪切、抗压及抗扭转方面较之金属有一定差异。这就使得导线在芯棒生产加工和绞线、金具压接以及挂线施工过程中,如果未严格按照规范要求操作，尤其是当生产和施工人员未接触过专业培训，还是按传统钢芯铝绞线的生产和挂线模式进行操作时,易导致内部芯棒受损。因外层铝绞线的存在，操作人员很难直观地发现。如果受损的导线直接挂网，将会存在很大的安全隐患，从而产生巨大的经济损失。

随着碳纤维导线在国内大面积的普及，减少芯棒受损并对架线导线进行实时、有效的性能评估已经成为研究重点，无损检测技术的应用倍受广大科研人员的关注。X射线检测技术可以透过表层铝导体获得内层芯棒图像，以此来判别芯棒的受损情况，对保障碳纤维复合芯导线的安全可靠运行具有重大的工程意义。

1 X射线无损检测的特点及原理

1.1 X射线无损检测

X射线具有极强的穿透能力，X射线在穿越被测工件过程中，其射线能量逐渐较少。相比一般的破坏性检测手段而言，X射线无损检测具有如下优点：

1)检测无损伤。采用X射线检测无需“解剖”工件，同时，X射线穿透工件也不会对材料的使用性能造成影响。

2)全覆盖。可以根据需要对被测对象进行全面或者局部检测，在检测过程中也可以翻转移动被测对象进行360°全方位检测。

1.2 X射线无损检测的原理

X射线无损检测数字化受到越来越多的关注，在新产品开发、新技术的应用研究中日益广泛应用。X射线照相基本原理如图1所示[1]，X射线机发射X射线，X射线穿透工件，由图像设备持续不断地获得工件的内部图像，经过计算机对视频信号进行处理，最终可以显示工件的内部结构和缺陷状态[2]。目前该技术已经用于医疗、航天、汽车等众多行业。

图1 X射线照相原理图

2 检测设备的选择

X射线无损检测可以分为高能工业CT、平面CT和便携式X射线成像机等。高能工业CT采用功能强大的高频恒压X射线源、数字成像探测器以及高精度机械检测平台，可以准确显示被检测工件的CT断层及三维图像，并且具备二维实时成像功能，具有性价比高、图像清晰、检测速度快、检测精准等诸多优越性，广泛用于航空、军事、IT、机械、铸造、汽车等行业的无损检测中[3-6]。平面CT是对板状结构内部质量状态与结构信息进行检测的专用工具，可用于PCB板、BGA、集成芯片等板状结构的高分辨成像的质量评定与分析。重构出扫描区三维断层图像，实现对板状结构检测器件及板状电器器件制造缺陷的空间定位，实现对板状电器部件及元器件电路图的CAD 设计。这两种设备具备成像精确的优点，可以轻易观察产品的缺陷情况，但是，这两种设备体积庞大且沉重，携带十分不便，使用时需要接入标准供电电源，设备运行时辐射较大，不适宜长期使用[7-8]。

X射线探伤仪轻便易携带且功能齐全，可满足户外复杂施工工况的需要。并且，便携式X射线探伤仪辐射剂量小，能够保证使用者的长期生命安全。便携式X射线探伤仪可以连续输出被测工件的内部图像，将其显示在监视器上，同时也可以使用多种远程传输方式采集、存储、观测、查询图像，避免了设备运行过程中对使用者的辐射伤害。

3 检测效果分析

碳纤维材料是一种X射线穿透性能良好的新材料，在X射线探伤仪探测下，碳纤维材料与铝丝的对比性不明显，同时碳纤维复合芯导线的铝层厚度较高，并且便携式探测仪自身功率偏小，这些均会减小芯棒的显像效果，如果直接采用X射线探伤仪对碳纤维复合芯导线进行无损探伤，得到的图像如图2(a)所示。可以看出碳纤维芯棒和铝线的分层效果并不理想，即便在高功率X射线的探测下，也仅能模糊看出灰暗的整体图像，难以分辨出铝线的内侧情况。这是由于铝导线的遮挡导致检测的图像不能分层显示，不能起到检测的目的。

基于上述问题，在碳纤维复合芯棒的加工过程中，在环氧树脂体系中加入一定浓度的特殊显影剂，然后将碳纤维和玻纤纤维在环氧树脂胶槽中充分浸透，通过特制的加热模具控制芯棒的直径，最后经过高温加热炉固化成型。加入了显影剂的芯棒在X射线下有良好的显影效果，并且不影响芯棒的使用性能，可用于新建线路和增容改造线路。如图2(b)所示，改性后芯棒在X射线下的效果较明显。如图3所示，在保证芯棒性能的基础上，改性浓度越高，其改性效果越明显。由图4可以看出，在X射线下，经过显像剂处理后的碳纤维复合芯棒可以在内外衬管内表现出很好的显影效果，这有利于判断在金具安装过程中的芯棒的损伤情况。碳纤维复合芯导线在户外长期运行过程中，其最为薄弱的地方是金具和碳纤维芯棒相接触的附近区域。

除使用显影剂外亦可选用密度高于铝的金属网复合在导线芯外以提高其显影效果。如图5所示，可清晰看到中部的损坏情况。

图2 碳纤维导线改性前后X射线检测图像对比

图3 不同浓度改性树脂效果图(中间浓度最高)

图4 内外衬管的芯棒检测图像

图5 导线中的芯棒破坏情况

4 结 语

通过对X射线无损检测理论的工程应用，解决了架空线路碳纤维复合芯导线和金具质量现场检测的难点。在碳纤维复合芯棒中加入显像剂，并开展了试验研究，为X射线检测技术应用于碳纤维导线施工提供了有力支撑，为碳纤维导线及金具安装的缺陷预防提供了技术保障，对于碳纤维导线的安全运行有重要的工程意义。