压接缺陷低辐射射线检测装置设计及功能验证

　　摘要：针对耐张线夹压接缺陷缺乏有效便捷检测手段的问题，开发了一套轻量化、低辐射数字射线检测仪 HNDR。为了实现 HNDR 的轻量化，设计了专用微型射线机;进行了射线机管套辐射屏蔽层、辐射防护腔以及操作侧外壳防护层三道递进式辐射防护设计，实现了 40cm 范围内辐射剂量 140nGy/h，远低于国标规定的公众豁免剂量，满足无防护操作要求。特制缺陷检测证明本研究开发的 HNDR 能够满足耐张线夹压接缺陷的检测需求，能准确判断铝绞线压接区、钢芯压接区和防滑槽压接区的压制质量。

　　关键词：X 射线检测仪;低辐射;辐射防护设计;耐张线夹

　　潘勇; 叶中飞; 伍川; 柴延伟， 机械设计与制造 发表时间：2021-11-23

　　1 引言

　　耐张线夹是将导/地线与铁塔、绝缘子等连接在一起，组成坚强输电网络，对导/地线起到夹持和固定作用的重要部件，压缩型耐张线夹是目前国内外应用最为广泛的耐张金具。

　　压缩型耐张线夹通过液压实现与导线的连接，压接工艺对其质量有显著影响。耐张线夹承受导线拉力的同时，又作为导电体起导流作用，作为输电装备中的关键部件，对质量要求高，缺陷容忍度低;压接工艺控制不当，造成缺陷，极易引起事故 [1,2,3]。例如，2013 年 6 月 18 日，某 500kV 输电线路由于压接位置不正确，导致局部过载，引发断线[4];2015 年 11 月 25 日，某 220kV 输电线路由于施工时耐张线夹防滑槽处压入深度不够，运行过程中双分裂导线中的一根从耐张线夹中脱出，造成相间放电跳闸。因此，及时发现压接结构的缺陷，对保障供电安全意义重大。

　　为了确保输电线路的安全运行，常用的检测手段有人工巡视、直升机巡检[5,6]、红外探测[7,8]以及近年来发展起来的无人机巡检及检修机器人[9]等。人工巡检效率低下，直升机巡检和无人机巡检技术解决了效率低下的问题，但是人工巡视、直升机巡检和无人机巡检均只能识别耐张线夹的外部缺陷，对内部缺陷无能为力;而压接结构的特点决定了其主要结构特征均“隐藏”在内部，外观正常的压接结构，内部可能存在严重的缺陷。红外探测能够识别运行过程中耐张线夹的过热问题，但难以明确发热的具体原因及存在的缺陷类型。这就导致了常规的检测手段在事故发生之前，不能及时发现隐患，运维工作无法做到 “防范于未然”。

　　韩国栋[10]、王玮[11]等从理论上分析了 X 射线检测技术在耐张线夹压接缺陷检测中的可行性，并通过模拟缺陷的形式论证了 X 射线检测对各种不同压接缺陷的识别能力，结果表明 X 射线检测能够有效的识别耐张线夹等压接结构的内部缺陷，可以弥补传统检测手段的不足。但是目前能够用于耐张线夹检测的 X 射线设备有两个缺点：1)重量大，不利于现场上塔检测; 2)辐射剂量大，安全隐患高[12]。这两个缺点严重阻碍了 X 射线在耐张线夹检测中的推广应用。因此，开发轻量化低剂量 X 射线检测仪对推动压接结构缺陷的检出至关重要。

　　本研究根据轻量化、低辐射的要求开发了低剂量数字射线检测仪，单人能够携带上塔，距离设备 40cm，辐射剂量满足国标要求;本论文的研究成果提供了耐张线夹缺陷检测的手段、提高检测效率，可有效指导输电线路的运维检修工作。

　　2 低剂量数字射线检测仪开发

　　输电线路 X 射线检测设备主要包括高频恒压胶片式、高频恒压面阵式、脉冲式以及 CR 检测设备。这几种设备均由于辐射量大，不能实现近距离操作;并且高频恒压胶片式和 CR 检测还不能实现检测结果的实时显示。本研究根据上述不足，开发了新型低剂量数字射线检测仪 HNDR，实现了轻量化、低辐射的目的。

　　为了上述目标，需要减小射线源和面阵探测器的体积，并且满足检测的需求，因此项目组根据工程需要，自主设计研发了一套微型 X 射线源，能够实现压接结构内部缺陷的清晰检测;为了实现检测设备的低辐射，并且保证轻量化，对设备整体的辐射防护进行了专业设计。

　　2.1 X 射线机设计

　　(1)电压设计

　　射线机电压设计的指导原则是能够穿透待检物，并且保持高分辨率[13]。当待检物的密度差别较小时，在保证足以穿透的前提下，宜选择能量低射线源可获得较高密度分辨;当检测对象尺寸较大、密度或由相差很大的材料组成时，宜选择能量高、强度较大的射线源可提高信噪比和检测效率[ 14]。耐张线夹的组成材料为铝和钢，铝的密度为 2.7×103 kg/m3，钢的密度为 7.9×103 kg/m3，二者密度差别较大，因此宜选择能量高、强度较大的射线源。

　　国内灵州-绍兴特高压直流工程用的 JL/G3A-1250/70 是目前输电线路应用的最大截面的导线，射线机只要能穿透 JL/G3A-1250/70 耐张接头，就能够满足检测需求，由图 1 所示的耐张线夹典型设计图纸可以看出铝管的外径为 80mm，防滑槽顶部直径为 47mm，防滑槽底部直径为 42mm。

　　检测过程中射线需要穿透的最大厚度位于虚线框内的防滑槽处，检测时为了能够清楚显示防滑槽位置是否实现合格压接，射线需要穿透防滑槽底部即可。图 2 所示为防滑槽处截面示意图，射线需要穿透的防滑槽底部长度由图中的红线标出，计算可得此处的等效钢厚度可为 d3+(d1+d2)/3≈40mm(注：铝由于密度是钢的约 1/3，因此计算等效厚度时铝管的厚度取 1/3)。

　　图 3 所示为 X 射线能量与穿透等效钢厚度的关系图，由图中可知要穿透 40mm 的等效厚度，需要的射线能量约为 120kV，为了提高信噪比和检测效率，本研究开发的低剂量数字射线检测仪的电压设计为 130kV。

　　(2)阳极靶设计

　　阳极靶材的选择主要考虑 X 射线光子的产生效率，通常硬 X 射线发生器的靶材为 W 材质，软 X 射线靶材材质为 Cu 材质。在同样速度和数目的电子轰击下，不同物质做成的靶所辐射的 X 射线的光子总能量近似与 Z 2成正比，本研究为了产生更多的 X 射线光子，阳极靶材选择了原子序数更高的 Au。因此相比 W，Au 能够对提高检测过程的清晰度、提高信噪比有帮助。同时由于低剂量数字射线检测仪的的功率较低，在工作过程中阳极靶的损耗较小，10μm 左右的 Au 层便能满足长时间的运行需求，因此只需要在 Cu 质阳极座上溅射 Au 膜即可实现，不会增加成本。

　　阴阳极之间的距离影响阴极灯丝和阳极靶之间的高压电场分布，从而影响阴极发射的电子的运动轨迹，从而影响焦点的大小，距离过近会导致焦点放大，影响射线源的分辨率;距离过长会导致射线机的尺寸过大。最终，经过理论计算和实验，确定可阴阳极之间的间距为 12mm。

　　(3)供电设计

　　传统射线检测设备由于需要外接发电机，因此在现场应用极其不方便，为了克服这一缺点，HNDR 使用 24V 蓄电池供电，蓄电池集成在设备的电池包中，每次充电可以实现 100 次曝光。

　　2.2 辐射防护设计

　　为了实现近距离操作，将辐射剂量控制在国标规定以下，本项目研发的 HNDR 低剂量数字射线检测仪进行了三级辐射防护设计。如图 4 所示，三级防护的位置分别设计在 X 射线机、辐射隔离腔以及操作侧外壳处。

　　第一层防护：第一层防护设置在射线源的射线管套处。如图 5a 所示射线源的整体结构是“球管”包裹在射线管管套内，管套内充满变压器油起到高压绝缘和冷却散热的作用。如图 5b[15]所示，“球管”阴极发射的电子轰击到阳极靶材之后，会向各个方向发射 X 射线，其中窗口方向的射线光子量最大，由窗口处发射的射线为检测需要的有效射线光子。

　　射线管的管套设置有一窗口和“球管”窗口对接，作为射线的出口。如图 5a 所示，为了吸收不必要的散射线，降低辐射，HNDR 的射线管管套内，除窗口位置外均涂覆了铅层，保证射线只能从窗口处发射，避免其他方位的散射线，降低辐射。

　　第二层防护：HNDR 的第二层防护通过在射线源上方射线传播的方向布置辐射防护腔实现。如图 6 所示，辐射防护腔呈倒四棱锥形，其下部与射线管套的窗口相连，其上部设置有发射孔。

　　X 射线由射线管套窗口发出后，继续以锥束传播，距离射线窗口越远，射线束的覆盖范围越大，射线锥束的角度和阳极靶的倾角、射线源窗口的大小以及射线管套的长度有关，HNDR 的射线束由射线管套窗口发射后，锥角约为 80o。

　　探测器和射线管套窗口之间的距离以及探测器的大小决定了探测器能够接收到的射线的范围。对于 HNDR 而言探测器能够接受 30o 锥角范围内的射线，锥角大于 30o 的射线，超出了探测器的范围，对于检测而言是无效射线，因此可以锥角大于 30o的射线进行过滤以减少辐射。

　　如图 6，①倒四棱锥辐射防护腔的锥角为 85o，角度略大于射线束锥角，这样保证由射线套窗口发射的射线均在辐射防护腔的包裹中;②辐射防护腔上部预留的发射孔和射线套窗口构成锥角为 30o的倒圆锥的上下底面;③辐射防护腔的内壁涂覆有铅层，以保证射线只能通过辐射防护腔的发射孔继续传播，经过待检工件到达探测器。

　　第三层防护：X 射线由辐射防护腔中发射之后进入检测腔与耐张线夹等待检工件相互作用，在与待检工件相互作用的过程中，会发生康普顿散射，产生散射线。为了吸收散射线，在靠近操作侧的外壳内涂覆铅层，吸收散射线，形成第三道防护。

　　2.3 其他辅助设计

　　射线源设计加上合适探测器的选取实现了 HNDR 的轻量化，三层递进式的辐射防护设计实现了 HNDR 的低辐射特性，完成了最基本的设计需求。为了满足安全、便捷施工的需要 HNDR 还进行了一些辅助的设计。

　　(1)通讯设计

　　HNDR 包含有专门的通讯包实现两个功能：①远距离一键式实现射线源的开、关，使任何人员都能够完成检测工作; ②检测结果同步传输功能，耐张线夹、接续管等连接金具为了几十甚至上百米的塔上，同步传输功能是检测结果能够实施传输到塔下技术人员处，现场判断连接金具的质量。

　　(2)导槽设计

　　耐张线夹、直线接续管等连接金具位于导线上，为了让 HNDR 射线检测装置能够方便固定在待检区域，项目组为 HNDR 设计了仿形导槽，实现悬挂和定位。

　　3 低剂量 X 射线检测仪功能验证

　　HNDR 射线检测装置采用集成化设计，射线源、探测器以及控制系统全部集成在小于 300×300×700mm 的体积内，消除了传统射线设备部件过多，携带不便、组装复杂的问题，总重量控制在 15kg 左右。图 7 所示为本研究开发的 HNDR 低剂量数字射线检测仪照片，其内部主要元件的结构图如图 4。为了验证 HNDR 是否能够完成耐张线夹缺陷的检测，并且达到低辐射的目的，本研究设计了各种特制缺陷，以进行检测效果和辐射剂量验证实验。

　　3.1 检测效果验证

　　图 8 所示为耐张线夹的典型结构图，在检测中需要重点关注的区域有 3 个(在图中用虚线框标出)，从右至左分别为铝绞线压接区、钢芯压接区和防滑槽压接区。为了验证 HNDR 是否能够完成耐张线夹缺陷检测，以 JL/G1A-300/40 钢芯铝绞线和 NY-300/40 耐张线夹组成的压接接头为对象，分别在图 8 所示的三个区域预制缺陷，用 HNDR 进行检测，观察检测效果。

　　(1)铝绞线压接区域(区域 1)检测效果验证

　　分别在铝绞线压接区域利用不同的压力对进行不同宽度的压接，利用 HNDR 进行成像，验证 HNDR 是否能够准确识别压接区域，及不同压力下压接区域尺寸的变化。判断能否完成区域 1 的检测有两个标准：①准确识别压接区域; ②识别不同压接工艺压接结果的差别。

　　分别以 10MPa 和 40MPa 压力对图 8 所示区域 1 的局部区域进行压接，其检测结果如图 9 所示，压接区域以虚框线标出。由图中可看出，HNDR 拍摄的照片能够准确识别压接区域;图 9b 清楚显示 40MPa 压力压接，压接区域钢芯铝绞线的直径明显小于未压接区域;而 10MPa 压接时钢芯铝绞线的直径变化很小(见图 9a)。这表明 HNDR 能够实现检测的两个标准，能对区域 1 进行有效检测。

　　(2)钢芯压接区域(区域 2)检测效果验证

　　判断 HNDR 能否完成钢芯压接区域的检测标准是：① 能否准确反映钢芯穿管深度;②能否识别钢芯的压接区域。图 10 为利用 HNDR 对钢芯压接区域进行检测的结果，图 10a 为整个钢芯只是穿管入钢锚内部而未进行压接，由虚线中的放大图可以看出，检测结果能够清晰的识别钢芯与钢管的边界，表明 HNDR 能够识别压接不良钢芯与钢管结合不佳的问题;图 10b 为穿管深度和压接区域均不够的样品，检测结果能够准确的判断穿管的深度以及压接的界线。这表明 HNDR 能够实现钢芯压接区域检测的两个标准，能对区域 2 进行有效检测。

　　(3)防滑槽区域(区域 3)检测效果验证

　　防滑槽区域的检测需要判断每个凹槽内部是否填满铝合金，是否存在防滑槽漏压、欠压的情况。图11为利用HNDR 进行的防滑槽位置的检测，图 11a 为完全漏压缺陷、11b 为左上防滑槽欠压、图 11c 为防滑槽处压接位置错误导致的凹槽未填满。HNDR 能够有效识别防滑槽压接的各种典型缺陷，满足检测要求。除了能够检测耐张线夹、接续管等连接金具以外， HNDR 还可以用来对电缆的内部质量进行检测，能够清楚的显示橡胶护套内部的金属铠装以及铜芯(见图 12)。

　　3.2 低辐射功能验证

　　为了确定 HNDR 的辐射防护设计是否合理，对 HNDR 工作过程中，其操作侧的辐射剂量进行了现场检测。如图 13 所示，根据国标的要求，公众豁免剂量为 1000nGy/h，而经过三道辐射防护之后，HNDR 在工作过程中距离其 40cm 处的射线辐射剂量仅为 140nGy/h，远低于豁免剂量，符合国标要求，真正实现了无需防护的近距离操作。

　　综上所述，HNDR 整机供电，不需要外接电源;能够远程控制操作，检测结果远距离同步传输;辐射设计实现了设备工作过程中的辐射，能够近距离无防护操作;能够满足耐张线夹、接续管等输电线路连接金具的现场检测需要。

　　4 结论

　　根据研究结果，结论如下：

　　(1)针对耐张线夹检测开发了一种低辐射射线检测仪 HNDR，不需要外接电源，能够远程控制操作，检测结果远距离同步传输;

　　(2)为了轻量化需求，为 HNDR 开发了专用微型射线机，射线机最高电压 130kV，采用 Au 阳极靶，阴阳极之间的间距为 12mm;

　　(3)对 HNDR 进行了三层递进式辐射防护设计，实现 40cm 范围内辐射剂量 140nGy/h;

　　(4)对 HNDR 进行了检测功能验证，证明其能够满足耐张线夹典型缺陷的检测需求。