電磁超聲高溫測厚原理及應用案例

齊水寶，高會棟，徐延穩(wěn)，鄭 凱

（1.上海優(yōu)博檢測科技有限公司，上海 201203；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，南京 210003）

近年來，無損檢測行業(yè)新技術(shù)發(fā)展迅猛，各類檢測技術(shù)各具優(yōu)劣。然而針對高溫材料檢測方面的技術(shù)相對較少，目前較為常規(guī)的高溫材料的檢測方法有超聲（UT）、射線（RT）等。射線由于受到安全性和穿透能力等方面的制約，其現(xiàn)場的實際應用受到了較大的限制。在超聲檢測方面的通常做法是將傳統(tǒng)的壓電超聲探頭配合高溫耦合劑來實現(xiàn)檢測。由于耦合劑在高溫條件下不穩(wěn)定，容易導致壓電超聲儀器讀數(shù)不穩(wěn)定甚至錯誤；另外，對于溫度在300℃以上的在役管道檢測，傳統(tǒng)的壓電探頭幾乎無法獲取準確讀數(shù)，迫切需要一種先進、可靠的技術(shù)來解決高溫管道不停車現(xiàn)場檢測中的問題。電磁超聲以其非接觸、無需耦合、材料表面要求低、安全、可靠、便捷等獨特優(yōu)勢而成為高溫材料檢測的一種理想的技術(shù)方案。

在國外，電磁超聲傳感器（EMAT）用于測厚已有近30年的歷史［1－2］。電磁超聲在檢測過程中支持探頭與待測試塊非接觸；同時EMAT可以產(chǎn)生所有用于檢測的聲波模式，其激發(fā)橫波［3］和各種導波的優(yōu)勢遠勝于傳統(tǒng)的壓電超聲換能器。早期的EMAT也存在一些難以避免的局限，如激發(fā)效率較傳統(tǒng)壓電換能器低、檢測材料限于導電材料、對信號處理的要求高等。最近，由于受到電子和材料科學發(fā)展的推動，EMAT克服了上述技術(shù)困難，作為一種先進的無損檢測技術(shù)被廣泛用于金屬材料的檢

測［4－5］。

國內(nèi)電磁超聲的研究和應用較晚，最早在冶金行業(yè)中鋼板的導波［6］、體波［7］探傷上有一些應用。最近一些高校和科研機構(gòu)在具體的檢測項目驅(qū)動下，將電磁超聲應用在鋼軌、列車車輪、鋼板等的在線或離線檢測中［8－9］。但是，電磁超聲在高溫管道檢測方面的應用報道仍然較少，并沒有一個較好的評估標準。鑒于此，筆者采用美國Innerspec公司提供的電磁超聲測厚儀，介紹了電磁超聲測厚原理和現(xiàn)場高溫管道測厚應用，為業(yè)界認識高溫電磁超聲測厚的特點提供數(shù)據(jù)資源和實踐經(jīng)驗。

1 電磁超聲檢測原理

EMAT的基本原理是利用電磁效應來產(chǎn)生聲波。具體是在通電線圈外附加磁體，改變線圈與磁體的構(gòu)造來產(chǎn)生不同類型和模式的聲波。EMAT探頭由磁體和線圈構(gòu)成，磁場、高頻電場、導電或?qū)Т蓬悪z測材料、檢測材料接近探頭等為EMAT技術(shù)的基本要素，測厚探頭的基本構(gòu)造見圖1（a）。圖1（b）為電磁超聲產(chǎn)生的基本原理，即將EMAT探頭置于待測材料上，超聲波頻率的交流電J0傳入EMAT線圈，通電線圈會在導電材料內(nèi)感應出電流，即為通常所說的渦流J0。由于集膚效應，渦流分布于材料的表面，渦流在外加磁場B0的作用下產(chǎn)生洛侖茲力fl，引起被測材料的局部振動而形成彈性波［10］；接收聲波的原理即為上述的逆過程。另外，當被測材料具有導磁性時，材料晶格還會受到磁致伸縮力fms和磁化力fm的作用。材料中磁疇的磁化強度矢量會受外磁場的影響而發(fā)生改變，磁化過程中各磁疇間的界限發(fā)生移動，產(chǎn)生機械形變，即為磁致伸縮效應。磁致伸縮力、磁化力和洛侖茲力相互耦合，進而加強了聲波的激發(fā)效率。

圖1 電磁超聲原理圖

2 電磁超聲測厚算法和信號處理

電磁超聲換能效率低，接收到的超聲信號幅度較小，并且對環(huán)境噪聲較為敏感，信噪比小，因此，電磁超聲的信號處理和算法對于準確的厚度測量尤為重要。美國Innerspec公司手持式高溫測厚儀采用了先進的SCF濾波算法（信號相關(guān)算法）和AC（自相關(guān)）厚度計算算法，解決了EMAT聲信號信噪比低、測厚誤讀等問題。

信號自相關(guān)算法對所獲得的A掃描信號做自相關(guān)處理后得到回波間聲時，進而算出厚度。自相關(guān)算法不受回波幅度的影響，并且不依賴于第一次或第二次回波來得出讀數(shù)，同時該算法得到的結(jié)果具備較好的重復性。圖2為自相關(guān)算法計算的實例，圖2（a）可見，由于材料的各項異性等的影響，圖中并未出現(xiàn)第一次回波，如果按照傳統(tǒng)的過零點檢測或峰值檢測，讀數(shù)將會出現(xiàn)錯誤。圖中閘門用于選定有效的回波信號，便于準確地得到測量結(jié)果。圖2（b）可見，一次回波被補齊，大信號和小信號均有被放大的趨勢。圖2（c）可見，多次回波信號連續(xù)出現(xiàn)，信號幅度呈遞減趨勢，這樣將有利于得出回波間聲時，進而準確得到測厚結(jié)果。

圖3為檢波結(jié)果，可見，信號相位信息保存完好，同時整體包絡檢波結(jié)果可靠。

3 溫度補償

聲波在溫度差異較大的材料中傳播時，聲速會隨材料溫度發(fā)生改變，即同種材料，不同的溫度下聲速值不是恒定的。其具體的對應關(guān)系如下所示：

圖2 聲回波信號自相關(guān)處理

圖3 A掃描信號檢波結(jié)果

式中：vNew，v0，TNew，T0分別為材料溫度變化后聲速、材料起始參考溫度下聲速、變化后溫度和起始參考溫度。該式源自ASTM標準，為經(jīng)驗公式。

圖4和5分別為電磁超聲測厚儀聲時及聲速隨溫度變化情況的儀器測量結(jié)果和計算結(jié)果。可以看出，儀器測量結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合較好。因此電磁超聲儀器在經(jīng)過溫度校準后結(jié)果理想，可以很好地符合理論結(jié)果。

圖4 聲時－溫度變化曲線

圖5 聲速－溫度變化曲線

4 電磁超聲現(xiàn)場使用實例

石油、石化、電廠高溫管道數(shù)量眾多，出于經(jīng)濟效益或非人力可控因素考慮，很多管道的檢測需要在高溫不停產(chǎn)的情況下進行。非接觸、無需耦合的電磁超聲技術(shù)為高溫材料檢測提供了基礎(chǔ)。以下介紹采用美國Innerspec公司生產(chǎn)的電磁超聲檢測儀temate?PowerBox－H（簡稱PBH）在球墨鑄鐵廠、石化廠高溫管道檢測的案例。

4.1 球墨鑄鐵管測厚

圖6為球墨鑄鐵管檢測的現(xiàn)場使用圖。被檢測材料為鑄鐵管，管徑為1 000mm，管溫度為150℃。檢測人員手持主機和探頭直接進行檢測，無需涂耦合劑和打磨管道等過程。球墨鑄鐵表面為一層凸起的小球，非常粗糙，同時強度高，材料具有比較嚴重的各向異性。由于表面粗糙，傳統(tǒng)的壓電超聲在檢測前必須經(jīng)過打磨后涂上耦合劑才能進行檢測，而高溫耦合劑不僅價格昂貴而且結(jié)果不穩(wěn)定。圖7為采用PBH設(shè)備檢測球墨鑄鐵管的部分A掃描數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為檢波模式下的結(jié)果。四幅圖片為儀器設(shè)置相同且同種類型管的檢測結(jié)果。可以看出，材料激發(fā)超聲效率的偏差較大，由于受到材質(zhì)影響，回波中產(chǎn)生了高頻雜波成分，但是整體上信噪比可觀，可以準確有效地識別回波并清楚地顯示讀數(shù)。檢測結(jié)果的具體評估見圖8。

圖6 球墨鑄鐵管EMAT現(xiàn)場測厚系統(tǒng)

圖7 PBH儀器檢波模式下A掃描部分數(shù)據(jù)圖

圖8 游標卡尺和EMAT對球墨鑄鐵管測厚結(jié)果

圖8可見，游標卡尺與EMAT檢測結(jié)果存在一定的偏差，這與卡尺測量位置和EMAT測量位置偏移、探頭呈面型覆蓋等都有一定的關(guān)系，但測量誤差可以滿足工廠要求。

4.2 高溫減壓渣油管測厚

圖9為PBH在東北某石化廠高溫減壓渣油管線蒸汽管不停產(chǎn)在役檢測情況。該蒸汽管道流體溫度在650℃以上，外壁溫度由紅外測溫儀探測約為475℃。該石化廠減壓渣管的管徑范圍為400～700mm，管對接的彎頭處是管的連接點，相對容易出現(xiàn)壁厚減薄。在某管線的彎頭處測量了101個點的壁厚，耗時不到2小時，部分檢測結(jié)果見圖10和11。由圖可見，檢測所得A掃描信號完好，回波清晰可辨，數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定。在彎頭的不同位置，超聲檢測表現(xiàn)各異，當管道曲率較大時，彎頭頂點處聲能量比較容易散射；同時減壓渣油管道的焊縫主要分布在彎頭處，焊縫的散射和吸收也較為嚴重，尤其是焊縫出現(xiàn)未焊透、未融合、氣孔、腐蝕等質(zhì)量問題時，幾乎無法獲得回波信號。EMAT的測量為高溫管道的腐蝕評估提供了間接依據(jù)，其關(guān)聯(lián)性還有待大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)來印證和完善。

圖9 EMAT高溫減壓渣油線蒸汽管測厚系統(tǒng)

圖10 管徑600mm的管壁測厚A掃描顯示

圖10 管徑400mm的管壁測厚A掃描顯示

5 結(jié)語

EMAT作為一種超聲檢測新技術(shù)，具備超聲檢測的全部優(yōu)勢，如安全、單面檢測、檢測效率高等。并且EMAT可以便捷地激發(fā)用于超聲檢測的全部聲波模式，是一種完備的檢測方式。同時，EMAT作為一種非接觸檢測的重要技術(shù)，具備在惡劣環(huán)境下實施檢測的優(yōu)勢，如高／低溫環(huán)境檢測、透過油漆層／氧化層檢測等。然而，由于EMAT為一種新型的無損檢測技術(shù)，并且存在一定的技術(shù)壁壘，以及用戶對該技術(shù)缺乏了解和認知，限制了EMAT技術(shù)在國內(nèi)無損檢測行業(yè)的應用。隨著EMAT技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，EMAT技術(shù)將會更多地得到應用，解決一系列目前檢測界無法解決的難題。

［1］ Kawashima K.Theory and numerical calculations of the acoustic field produced in metal by an electromagnetic ultrasonic transducer［J］.J Soc Am，1976（60）：1089－1099.

［2］ Maxfield B W，F(xiàn)ortunko C M.The design and use of electro－magnetic－acoustic wave transducers（EMATs）［J］.Mater Eval，1983，41（12）：1399－1408.

［3］ Thompson R B.Generation of horizontally polarized shear waves in ferromagnetic materials using magnetostrictively coupled meander－coil electromagnetic acoustic transducers［J］.Appl Phys Lett，1979（34）：175－177.

［4］ 高會棟.電磁超聲技術(shù)在焊縫檢測中的應用［J］.無損檢測，2010，32（11）：850－856.

［5］ Gao H，Lopez B.Development of single channel and phased array EMATs for austenitic weld inspection［J］.Materials Evaluation，2010，68（7）：821－827.

［6］ 張廣純，陸原，李希英，等.電磁超聲自動探傷技術(shù)：中國，CN102220X［P］.1993.

［7］ 蘇勁，張廣純，梁杰寧，等.電磁超聲探傷裝置：中國，CN2090061［P］.1991.

［8］ 王浩，王黎，等.車輪電磁超聲探傷技術(shù)的研究［J］.中國測試技術(shù)，2006，32（2）：66－70.

［9］ 馮劍釗，米武軍，王淑娟.基于電磁超聲的火車車輪裂紋檢測系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005（11）：27－29.

［10］ Thompson R B.Physical principles of measurement with EMAT transducers［J］.Physical Acoustics，1990（19）：157－200.