黄建明实战案例专栏 | 【案例89】巧用你的涡流技术之四:高压电缆检测

文章来源:微信公众号:航空无损检测
巧用你的涡流技术之 4高压电缆检测

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很可惜我们成功的涡流检测高压电缆方法没有给我们公司带来重大的利益。但是得到了客户的赞赏和信任,之后我们用相控阵和超声波检测风扇螺栓时他们首选我们公司的服务了。



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本系列专栏案例均在夏紀真老师的网站发布过,经作者本人修改和补充后,由本公众号发布,以满足当下年轻人互联网浏览习惯

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实战案例专栏案例89


2009年香港某公司的工程师来电问我有什么NDT方法检测高压电缆?因为他们的高压电缆发生了断缆事故。


我问他可否先提供高压电缆的断口图片和实物给我看看,他马上将图片电邮给我(见图1),第二天他与其他几个同事到我公司并带来断口的实物和高压电缆的结构图给我看,大家一同讨论分析如何检测其他正在使用中的高压电缆。


(图 1 电缆中心呈黑色,我最初以为是「核裂」)


(高压电缆英文名是Contact Cable 1500V直流电,在香港无论是电车、轻铁、火车都是一样的纯紫铜材料和结构形状)


当我看到这些资料和实物后,我就开始思考了。

思考分析


初我从图片中看到的是电缆中心呈黑色的芯,好像是一个硬化的「肿瘤」。


地铁、轻铁、火车和高铁的路轨都一样,在长期受压载荷下,路轨材料若有不纯正的杂质存在,就会在该部位逐步形成硬化的肿瘤(核裂),最后而断裂。


这也像人体长期精神压力下也会得癌症一样。


这种硬化的「肿瘤」在火车路轨是常见的,它有一个专门名字叫「核裂」,它是可以用超声波检测出来的。


那么现在这个纯紫铜像葫芦似的高压电缆能否用超声波检测呢?


我们拿起实物用超声波探头试验,发现接触面太小,形状不规则,声波衰减大,而且现场是仰位,无法将耦合液涂上去保证有良好的耦合状况,只好放弃超声波方法。


再详细分析断口时,可惜断口只能看到挂在吊杆的一端,另一端在断裂后掉落下来时, 碰撞到地面其他硬物,已经被完全破坏了断口的形貌。面目全非,无法对照,增加分析判断的困难。


我建议他们用涡流方法进行检测,工程师问我:“如果在电缆中心有个10μm的小裂纹,涡流方法能检测出来吗?”


我说:“10μm对涡流检测来说是超小的缺陷了,而且在中心位置,更何况是导电高的纯铜就更难检测出来了,如果它是没有扩展的「死裂纹」,我保证看不到;但是如果它是一个有扩展的「生裂纹」,我保证看得到,而且不管它有多小。因为「生裂纹」它会造成电缆局部组织产生硬化,硬化时也会影响电缆局部表面的电导率有明显的变化,涡流检测是对电导率变化最敏感,通过检测电导率就可以间接地找出裂纹来,涡流检测应该是最有效的方法了。”


(后来金相专家通过解剖用电子显微镜分析,电缆中心黑色芯是电缆在最后断裂时因为有电流通过,瞬间断路造成的电弧「烧焦」。不是我之前判断的「核裂」,这个案例也提醒我们只从图片和外表看问题有时并不是准确的。)


回想往事


20多年前我曾经失败过一次,什么原因呢?


1. 经验不足;

2. 客户只提供一个新的未经使用的电缆,我们也不了解实际情况;

3. 探头设计错误;


经验是需要时间累积的,没有见过和没有做过的事就不会有经验的,这很正常。


时我们按照客户提供的新电缆形状做探头,分别是前后左右四个对称的点探头组合,组成两个差动式接线形式,用双频四信道仪器(MIZ-17型),照新电缆的形状做成圆底形探头,在实验室标准 0.2mm、0.5mm线切割槽能清楚分辨。


可是真实使用过的电缆却是平底的,而且随着使用时间的增加逐渐磨平减薄,我们的圆形探头就远离了接触电缆面,灵敏度大打折扣,左右两侧又被积碳阻挡无法靠近,肉眼看到的裂纹都无法有效检测出来,客户与我都不满意,所以就放弃了(见图2新旧电缆的形状对比)。


(图 2 新旧电缆的横切面形状对比)


现在旧事重提,我的同事有意地看着我说:“您还敢再做吗?”


我开始的时候也是不想做的,因为以前失败过。


可是这次与客户面对面地拿着已断裂的实物,我看到电缆的接触面是平的,我就问他们为什么原本是葫芦圆形的电缆,怎么会是平的?


他们告诉我说电缆一挂上去在碳刷的磨擦下很快就平了,只是开始的时候磨损快些然后慢慢磨损,正常可用30年,只要挂上去几天就肯定有个平面出现。


听他们这样说我就有信心了,我设计探头呈V型的开口,这样就可以无论是新装上去的磨损少的电缆还是使用很长时间的磨损多的电缆,我都能保证探头全接触在电缆中心的平面位置上,而且缺陷出现一定是在中心的平面位置


探头的制作


高压电缆有悬吊挂夹和专用的电缆接头夹悬挂在半空,我们的探头就不能用线圈穿过式探头了,只能在电缆下面有限制性地进行探伤,所幸的是缺陷出现的位置正是这个碳刷接触的平面位置,所以要制作的探头必须避开悬吊挂夹和电缆接头夹


我们用尼龙块加工成长方形,上侧做成开口V型槽,槽底是12mm宽的平底(略大于电缆的宽度),最初时我只是钻一个孔,装上一个点探头,用绝对式接线方法,经过试验发现接触面稍有变化就产生信号漂移很不稳定 (见图3) 。


(图 3 一个点探头的绝对式接线法模拟试验)


后改成在中心位置钻直径3.2mm的两个孔,前后间隔4mm,分别装入两个用直径1mm磁棒绕成直径3mm的点探头,接线型式改成为差动式,背面钻一大孔方便接线,焊接完成后用泥胶灌注填平,在尾钻孔相通探头引线并装上接线插座,为了防止探头磨损,在槽底的前后端藏入两块不锈钢(见图4)。


图 4 两个点探头的差动式接线法模拟试验


取了几条已经用过的高压电缆,在其表面用电火花线切割几条不同深度的线槽,分别是:0.2mm、0.5mm和1.0mm(见图5)。


(图 5 标准试块和专用电缆接线夹)

(图 6 最后使用的特殊探头)


现场实战


们选用EEC39RFT型涡流探伤仪全程记录,在实验室试验成功后,我们在地铁公司的安排下,晚上收工后进行第一次现场检测,他们用电池驱动的高压电缆维修工程车载着我们来进行检测,我们站在高压电缆维修工程车上层平台上,被检电缆的高度略高过我的头,我们就用双手托住探头接触电缆,用手扫瞄电缆,只能一段一段的扫瞄,后来发现我们双手托住探头,工程车开动行走形成「自动扫瞄」检测,这样就快多了,检测的效果也很好,当晚发现了几处因为电弧烧伤痕迹和受折弯曲之后工人强行扭直的位置有明显的信号,陪同我们前去观察的金相专家说弯曲扭过的位置有残余应力,残余应力涡流会有反应的,他建议地铁公司把这几处切割下来,给他拿回去看看金相组织。


人们非常熟练地将我们标志有信号的位置切割下来,并且马上更换一段新的电缆上去,打磨平滑与旧电缆一样高度,用专用电缆接头夹具扣紧连接。


用工程车行走进行扫瞄,速度控制通过对讲机与司机配合能控制在有效的扫瞄速度范围,大约每秒 400-600mm。


差动式探头很稳定效果很好。


可是我们两人轮流用双手托住探头扫瞄,双手臂酸痛难忍,而且电缆上堆积碳粉和灰尘在扫瞄的过程中被探头刮下,搞得我们满睑灰尘连眼睛也无法睁开,真是太辛苦了,第一晚只能一小段,这要是长期做肯定受不了。


(图7用双手持探头工程车开动扫瞄 (时间一长双臂酸痛难忍))


怎么办?下星期还继续做。


我看到香港电车的吊臂碳刷是用弹簧拉住的,全程可以保证向上托住而且可以自动导向。


参照它的形式来做肯定没问题,可是我没有那么多的时间了,我们也不肯定是否长期做,正在这时突然给我想出一个简单的好方法,我找到两条不同直径的管,大管长度约1.5米高度,管上端插入一个500mm长可以任意调节的杆(家居用来擦窗清洁的伸缩杆)。


(图 9 用带弹簧的金属管托住探头全自动扫瞄(轻轻松松))

后买一条长12英吋的弹簧塞入管的下端,再将直径较小的插入压缩弹簧。


在大管外壁机加工两对称的贯穿管壁的槽长度约为130mm,内管钻通孔插入销钉,在小管的上端装置个钢铁盒子,可以把探头固定上去,这样它就可以自动在0-130mm范围伸缩了,正好是电缆的高度范围。


操作就很简单舒适的了,上到工程车上选择的中间位置坐下,将钢管调节到略高于电缆的高度,然后垂直对准高压电缆把探头压低,然后松手靠弹簧的自动压力就紧紧地把探头贴在电缆上了。


当晚还间中下着小雨,我们就把仪器搬到工程车下层避雨,上层手持钢管的同事穿着雨衣带上眼罩坐好保持钢管垂直就行了。


效果太好了,轻轻松松而且效率高了很多,无论是金相专家还是地铁的工程师看到这状况都很满意,要求我们选择不同的位置检测,再重复又重复地检测之前发现有问题的位置,都能得到可靠可重复的结果,很稳定而且扫瞄速度加快到每秒1000mm 都没问题。


(图 10 典型的电弧烧伤图片头)

(图 11 典型的电弧烧伤图片)


后我们圆满地完成了高压电缆的抽查工作,只是发现有几处表面有电弧烧伤,未见任何危险性的裂纹。


经过金相专家分析以及电缆厂家的建议已经使用28年的电缆也该全面更换了。即然全部更新就不做检测了


很可惜我们成功的涡流检测高压电缆方法没有给我们公司带来重大的利益。但是得到了客户的赞赏和信任,之后我们用相控阵和超声波检测风扇螺栓时他们首选我们公司的服务了。


我相信其他国家和地区如果有这方面需要时我们肯定是优先考虑的公司了,因为我们已经有了实践经验。


关于作者



黄建明长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 


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