電磁超聲技術在變電站GIS管道裂紋檢測中的應用研究

王 偉，潘曉明，張永生

(蘇州供電公司，江蘇蘇州 215004)

為了節約土地，現在越來越多的變電站使用GIS設備。這些GIS管道工作于高壓狀態下且受到各種侵蝕，容易出現裂紋，嚴重影響GIS的安全運行。對于GIS管道外部的細小裂紋，在造成GIS內部氣體泄漏之前，無法用放射法或壓力檢測法等檢測，但這些裂紋對GIS的安全運行構成巨大威脅。利用電磁超聲導波對GIS管道進行檢測，可以發現其微小裂紋，從而及時采取補救措施。電磁超聲導波檢測法是利用電磁感應的方法直接在被檢測管道內激發超聲導波，無需任何耦合劑，這是其相對于壓電超聲法的優點之一。該方法不需要與被檢測體接觸，所以不需對管道外壁清洗或做其他處理，可以適用于高壓管道的在線檢測[1]。可見，利用電磁超聲導波檢測變電站GIS管道的裂紋缺陷是一種有應用前景的檢測技術。

1電磁超聲原理

根據磁致伸縮效應原理，既然磁場能夠引起鐵磁性材料微觀結構的變形，若對鐵磁性材料施加交變磁場，交變磁場就會使其周期性變形，而微觀結構的變形就使其產生振動，振動就可以激發出聲波。因此，可以對鐵磁性材料施加高頻交變磁場，使其周期性伸縮振動，從而激發出超聲波。本文根據這一原理設計電磁超聲換能器 （EMAT）[2]，利用EMAT在鐵磁性材料中激發超聲波。同時，鐵磁性材料的伸縮振動，會使其微觀磁疇周圍磁場產生變化，這就是磁致伸縮逆效應。根據磁致伸縮逆效應可以接收超聲波信號。

2電磁超聲換能器設計

EMAT由三部分組成：偏置磁場、彎曲線圈和被檢測體。偏置磁場為EMAT提供合適的工作點，使其電-聲轉換效率達到最高。文中用U型電磁鐵產生偏置磁場，電磁鐵線圈為1 000匝，負載電流可達10 A，通過調節線圈中的電流就可以控制偏置磁場的強度。被檢測體是EMAT的一部分，因為超聲波是在被檢測體內激發的。文中被檢測體為長1 000 mm，直徑500 mm，壁厚10 mm的鋼管道，用來代替GIS管道。彎曲線圈用來激發和接收電磁超聲信號。在彎曲線圈中通入高頻電流，高頻電流在管道壁感應出高頻磁場，引起管道局部的微觀振動，從而激發出超聲波。彎曲線圈設計時需滿足以下相位匹配條件[3]：式中：f為超聲波的頻率；v為超聲波在管道壁中的傳播速度；d為線圈相鄰兩導線的中心距離。

滿足相位匹配條件的線圈能使EMAT效率達到最高，相同電流激勵下接收的信號幅值最高。接收線圈和發射線圈的結構相同，如圖1所示。

圖1彎曲線圈結構

只要改變彎曲線圈和U型電磁鐵的相對位置，即可利用EMAT激發出不同模式的超聲導波，這也是電磁超聲的一個重要優點。文中需要采用SH0模式導波[4]，其EMAT結構如圖2所示。

3電磁超聲裂紋檢測實驗研究

EMAT轉換效率較低，激勵脈沖電流需要30 A以上，文中使用自行研制的脈沖電源作為EMAT的激勵電路，激勵電壓的波形如圖3所示。另外，EMAT接收信號微弱，信噪比低，需要設計信號放大器及濾波電路將有用信號提取出來。

4結束語

本文研究了利用電磁超聲導波來檢測變電站GIS管道的裂紋缺陷，并通過實驗驗證了該方法的有效性。由實驗結果可知，分析EMAT所接收的電磁超聲信號，就可以準確判斷裂紋的位置。由于目前該項研究還處于初級階段，對裂紋進行定量分析還有待進一步研究。

[1]張永生，黃松嶺，趙 偉，等.基于電磁超聲的鋼板裂紋檢測

系統[J].無損檢測，2009，42（4）：275-280.

[2]張志剛，闕沛文，雷華明.蘭姆波的電磁超聲磁致伸縮式激勵及其特性[J].上海交通大學學報，2006，40（1）：133-137.

[3]ALERS G A,BURNS L R.EMAT Designs for Special Applications[J].Materials Evaluation,1987,45：1184-1189.

[4]朱定偉，張春雷，黃建沖.電站管道超聲導波檢測的模式選擇[J].廣東電力，2007，20（5）：16-20.