電磁超聲在石油管材檢測技術中的研究與分析

余國民，衛　棟，祝光輝，田新新

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室　西安　陜西　710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司　北京　 100101；3.長慶蘇里格南作業公司　西安　陜西　710018)

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·試驗研究·

電磁超聲在石油管材檢測技術中的研究與分析

余國民1,2，衛棟1,2，祝光輝3，田新新1,2

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室西安陜西710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司北京 100101；3.長慶蘇里格南作業公司西安陜西710018)

摘要：簡述了電磁超聲檢測技術的基本原理，闡述了電磁超聲檢測的兩個重要組成部分高頻線圈和磁鐵的優化設計、檢測方法和效果，實際舉例電磁超聲檢測技術在石油管行業板材和管材檢測效果，同時說明了該檢測方法的優勢和局限性，檢測結果表明該方法可有效應用于板材和管材的檢測，可靠性、準確度和檢測效率能達到傳統的自動超聲檢測水平，實踐證明應用效果顯著。它是一種可靠的新型無損檢測方法，該技術將逐漸在石油管行業領域廣泛應用。

關鍵詞：電磁超聲；高頻線圈；磁鐵；檢測

0引言

電磁超聲檢測技術(EMAT)是20世紀70年代發展起來的一種無損檢測新技術，由于該技術是一種無需耦合劑、能直接在導體中激發和接收超聲波，使得超聲波探傷的應用擴展到高溫、高速和在線檢測等領域，是無損檢測的發展前沿技術之一，引起了各方面研究人員廣泛關注。進入21 世紀后, 電磁超聲技術已逐步進入工業應用階段。國內知名廠家如寶鋼、天鋼、華菱鋼鐵等廠家生產的石油管材(板材、管材、棒材、線材等)產品已經普遍應用了電磁超聲檢測技術，實踐證明應用效果顯著，產生了明顯的經濟效益和社會效益。

1電磁超聲(EMAT)原理

電磁超聲主要以磁致伸縮效應和洛侖茲力為理論基礎, 直接在被檢物體內產生超聲波[1]。在鐵磁性材料中, 磁致伸縮效應機制尤為重要, 特別是在弱磁化狀態下, 更是影響EMAT效率的主導因素,設計了基于磁致伸縮效應的換能器。當鐵磁性材料在外磁場中被磁化時, 其長度或體積發生微小變化的現象被稱為磁致伸縮效應。根據這一原理, 對鐵磁性材料施加交變磁場, 使得其周期性伸縮振動, 從而激發超聲波。同時, 鐵磁性材料的伸縮振動, 會引起周圍磁場發生變化, 即磁致伸縮逆效應。根據此原理可以接收電磁超聲信號，如圖1所示。

圖1　EMAT原理圖[2]

3EMAT優化設計

EMAT 主要由三部分組成:

1) 高頻線圈：用于產生高頻激發磁場。

2)磁鐵：用來提供外磁場, 它可以是直流電磁鐵、永久磁鐵、交流電磁鐵或脈沖電磁鐵。

3) 工件：是EMAT的一部分, 這是與壓電超聲換能器的基本區別。工件必須是電導體或磁導體。EMAT的工作原理( 即激發與接收超聲波的機理)與洛侖茲力、磁致伸縮力和磁性力相關。三種力都與磁場有關, 缺陷波幅值最大時電磁鐵磁化強度為最佳磁化強度。確定最佳磁化強度可提高檢測靈敏度。

3.1線圈設計

結構形式最為簡單的EMAT線圈為置于恒定磁場中通過交變電流的一根直導線。實踐證明這種簡單的EMAT在實際應用中效率低，只能在導體中產生圓柱狀徑向輻射的剪切橫波, 而這種無方向的體波在無損檢測和評估中效果不佳。為提高線圈的轉換效率,人們開始采用各種形式的螺旋線圈,包括蛇形/回形/呂形等。根據外加恒定磁場方向的不同, 可產生縱波或橫波。圖2為產生在金屬導體中沿一定方向傳播的超聲波或沿金屬表面傳播的表面波或板波。

圖2　生成一個方向發射Lamb波的EMAT[3]

線圈優化設計實驗EMAT線圈設計的原則: ①每個換能器都有自己的中心頻率, 而且由導線寬度及導線之間的間隔決定,滿足關系式b=λ/2; ②換能器的幾何形狀直接反映激發出的超聲表面波的響應; ③換能器的頻帶寬度取決于線圈匝數,兩者互為倒數關系; ④換能器所激發的聲表面波強度不僅取決于導線長度h,而且取決于線圈匝數。導線長度h越長,線圈匝數越多, 激發的聲表面波越強。

線圈的尺寸設計如圖3所示。

圖3　EMAT優化線圈尺寸

實驗數據：以頻率f=500 kHz，周期T=1/f=2 μs，表面波在鋼中的傳播速度Cr=2 964 m/s， 可求出表面波的波長λ=Cr/f=5.93 mm。由上面的推導可知，為使表面波聲強最大，圖3中應取b=λ/2=2.96 mm，取a=2 mm,d=0.07 mm (扁平導線的厚度)。令n=8,由△ω/ω0=1/n，計算出了換能器的頻帶寬度，即信號頻率的范圍為468.75～531.25 kHz，以印刷電路板方式制作線圈激發的聲波強度最高。實踐證明采用蛇形線圈(印刷電路板)作為EMAT的線圈形式，成功產生了只沿一個方向傳輸的板波(圖2),在同等條件下，其聲波傳播強度比排線型和導線型線圈高出40%～60%。目前蛇形線圈已廣泛應用于電磁超聲的發射和接收過程中。它主要用于產生表面波、板波及具有一定傳播角度的體波。為使超聲波在固體媒質中匯成一條直線并沿一特定方向傳播。

常用的EMAT線圈制作技術有四種，分別是排線、印刷電路、薄膜和導線技術[4]。采用印刷電路技術可降低線圈的導體電阻。各種EMAT 線圈制作方法的比較如表1所示。

3.2磁鐵設計

為在介質表面和近表層形成強的偏轉磁場，需要采用高強的磁鐵。理論上認為既可采用永磁鐵又可采用電磁鐵。但需注意的是，雖然使用永磁鐵可使結構緊湊，但會受到溫度和磁場強度的限制。實驗結果表明采用交流磁場磁化工件只需要較小的電流即可產生較大的磁場,如圖4 所示。

表1　各種EMAT線圈制作方法對比[4]

圖4　采用磁鐵組提供偏轉磁場的EMAT

磁鐵優化設計實驗磁鐵選擇原則: ①永磁材料雖然可以提供很強的磁場，但用在聲場測試中表現出的缺點是它的磁場強度不可變化。此外永磁鐵的使用比較不方便，它在鐵磁性工件上移動時需要頻繁的斷磁，而實現斷磁又需要一套復雜的機械結構，使用斷磁法需依靠人力的操作, 不僅費力，還容易損壞測量線圈。 ②直流電磁鐵是在磁化線圈中通以直流電，在超聲激發和探測中使用直流電磁鐵提供磁偏場，其優點是產生的磁場穩定，給檢測帶來的干擾小, 但直流磁場對試件磁化效率較低，往往在線圈中通入很大的電流還不能滿足測試的需求, 特別是在對工件進行磁化時更是如此。③使用交流磁場磁化檢測試件時，只需在磁化線圈中施加較小的電流,即可在試件表面產生較大的磁場，產生超聲波的效率比直流電磁鐵高得多。為此采用交流電磁鐵作為偏置激磁場效果最佳[5]。

表2為通以相同電流時永磁鐵、直流電磁鐵、交流電磁鐵產生聲波幅值比較。

表2　永磁鐵、直流電磁鐵/交流電磁鐵產生超聲波幅值比較

上述證明了，采用交流磁場磁化工件只需要較小的電流即可產生較大的磁場。EMAT設備基本上都采用交流電磁鐵。

4實際應用介紹

目前國產的板材、管材電磁超聲探傷設備動態靈敏度可達Ф2 mm平底孔當量，能夠采用鋼管直線前進-探頭原地跟蹤檢測，鋼管螺旋前進-探頭原地跟蹤檢測、鋼管原地旋轉-探頭直線移動跟蹤檢測、鋼板直線前進-探頭原地跟蹤檢測等多種掃查方式，可有效的檢測出黑色金屬中如白點、夾雜、裂紋、縮孔等自然缺陷，板材上、下表面及內部的各種缺陷(包括重皮、折疊、孔洞、分層等)以及鋼管包括焊縫內外表面及內部的各種縱向缺陷，包括重皮、折疊、孔洞、未焊透等自然缺陷。滿足管材、板材相關標準的要求，檢測靈敏度可精確到鋼管壁厚5%的人工刻槽。

4.1板材

在石油管材行業，制造HFW、SAWH、SWAL鋼管用的卷板或鋼板，通常采用鋼帶或管體超聲波縱波多通道梳狀或擺動掃查分層探傷，根據技術標準要求檢測板材25%～50%的覆蓋面積范圍，同時板材兩邊緣25mm范圍必須100%探傷，甚至某些嚴格的項目，例如福建海西天然氣管線明確要求板材100%探傷。在這種情況下，采用上述超聲探傷方法無法做到，且選用探頭個數由于受多通道設備各通道耦合狀態、通道增益的一致性、閘門位置及寬度的設置、邊探探頭位置跟蹤、探頭直徑和間距決定的探傷覆蓋率等因素的影響, 對厚度6mm～ 20 mm的制管板材, 上下表面探傷盲區至少各為1.5mm，對板材的重皮、折疊等近表面缺陷無法檢出, 結疤、壓坑、孔洞等外觀缺陷, 因縱波探傷的覆蓋率、耦合等因素影響也無法100% 檢出。且對于壓電超聲縱波水耦合探傷,水量太小, 耦合不良, 影響探傷結果。水量大，不易風干, 影響焊接質量。而電磁超聲(EMAT)正好可以解決上述問題。

國內的玉龍制管廠采用電磁超聲探傷方法排除了耦合水的不利影響, 實現了板材沿厚度和寬度方向的100% 覆蓋, 提高了自然缺陷的檢出率。

工廠在生產Ф610 mm×8.8 mm(L415MB)規格SAWH鋼管，板材尺寸為8.8 mm×1350 mm，在一張長1 000 mm的板材中間位置，刻一平底孔(Ф6 mm平底孔，深度4.4 mm)進行靈敏度校驗，校驗結果如圖5所示，平底孔回波調至80%波高作為基準靈敏度進行檢測，對出現高于80%的波高位置進行復查確認。同時為了驗證電磁超聲檢測技術的可靠性，在上述板材上刻了一人工槽(長10 mm，寬1 mm，深2 mm)，在上述相同靈敏度基準的條件下，其結果顯示人工槽回波信號明顯，脈沖尖銳，幾乎與邊緣脈沖有相同的能量回波，如圖6所示。由此可以認為電磁檢測技術對于開口小且具有一定深度的缺陷具有更高的檢測能力。在實際應用中證明了電磁超聲在對板材檢測時，不僅可以檢測出分層缺陷，對其他類型的裂紋類，開口類缺陷也能檢出。

圖5　Ф6 mm平底孔缺陷回波

圖6　人工槽缺陷回波

4.2管材

在石油管材行業，電磁超聲多見用于無縫鋼管檢測、油套管檢測。下面筆者介紹在國內某無縫鋼管廠用電磁超聲技術檢測無縫鋼管實例。

圖7　管材檢測示意圖

對120支Ф323.9 mm×12.7 mm-L245MB規格無縫鋼管進行電磁超聲檢測，圖7為管材檢測示意圖，檢測時，將電磁超聲探頭放置與被測工件上，選擇與被檢鋼管同規格同壁厚樣管，管徑為323.9 mm，壁厚為12.7 mm，外壁人工刻槽，槽深度為壁厚的5%，寬度為1 mm，長度20 mm。調整過程如下，首先設置脈沖串相位和脈沖串的頻率，觀察示波器，看到回波后，調整脈沖串個數，是得到的回波波形與始波之間有一定的距離差，以保證缺陷波的正常顯示為最佳，經過反復實驗調節后得到較為合適的無缺陷波形如圖8所示，有缺陷波形如圖9所示。其中采用脈沖周期個數為9，頻率選擇880 kHz，觸發相位選擇140°，圖8與之相比較，可以明顯看出在始波的一次回波之間有一缺陷波，并且一次回波幅值變小，通過轉動檢測鋼管，使得電磁超聲探頭到軸向裂紋的聲程最短。表3為檢測數據結果說明電磁超聲(EMAT)檢測結果與超聲/磁粉檢測結果一致，表明了電磁超聲(EMAT)檢測的可靠性和準確性。

5電磁超聲(EMAT)法在石油管行業檢測的特點與局限性

EMAT法在石油管行業目前主要應用于規則材質產品的檢測，如HFW(高頻焊管)、SAWH(螺旋縫埋弧焊管)、SWAL(直縫埋弧焊管)用的卷板或鋼板的檢測、無縫管(SML)厚度分選/缺陷檢測、油井管材缺陷檢測等方面，這主要是基于EMAT法比自動超聲檢測效率高，可靠性好。然而鋼管焊縫檢測還是以RT/UT為主。

5.1電磁超聲(EMAT)的特點

1)無需任何耦合劑

EMAT的能量轉換是在工件表面的趨膚層內直接進行的[6], 因而可將趨膚層看成是壓電晶片。由于趨膚層是工件的表面層, 所以EMAT所產生的超聲波就不需要任何耦合介質[7]。

2)可產生各類波形

EMAT在檢測的過程中, 在滿足一定的激發條件時, 則會產生表面波、SH波和LAMB波。如改變激勵電信號頻率使之滿足式(1)要求：f=nC/λsinθ(1)式中，其中n為任意整數，C為聲速，f為信號頻率，λ為波長，θ為向工件內側斜輻射角(但其幅度也隨之下降)； 在其它條件不變的前提下, 只要改變電信號頻率, 就可以改變聲的輻射角θ。EMAT的這一特點可以在不變更換能器的情況下, 實現各類波形的自由選擇。

圖8　無缺陷時EMAT檢測信號(采樣點，單位：個)

圖9　有缺陷時EMAT檢測信號(采樣點，單位：個)

數量缺陷類型EMAT檢測報警/結果其他檢測方法驗證/結果備注2支外劃傷報警/不合格MT/不合格修磨后合格1支內表面劃傷報警/不合格UT/不合格判廢3支外表面凸包報警/不合格目視/不合格修磨后合格1支裂紋報警/不合格UT/不合格切除

3)對被檢工件表面質量要求不高

EMAT不需要與聲波在其中傳播的材料接觸, 就可向其發射和接收返回的超聲波。因此對被探工件表面不要求特殊清理, 較粗糙的表面也可直接探傷。

5.2電磁超聲(EMAT)的局限性

長期的生產實踐證明對于15 mm以下的板材、管材的電磁超聲(EMAT)檢測速度可達40 mm/min，且檢測效率高，可靠性好。

目前在石油管行業，由于受設備承載能力和埋弧焊接方法多道焊接的限制和制約，國內生產HFW鋼管壁厚最大可達16 mm(X70M)，生產SAWH鋼管壁厚最高可達22.4 mm(X80M)，生產SAWL鋼管壁厚最高可達38.4 mm(X80M)生產SML鋼管厚度不受限，但石油管行業用于輸油氣的無縫鋼管厚度普遍在5.6～16 mm范圍。

為驗證電磁超聲(EMAT)對一定厚度以上的板材和管材的裂紋檢測準確率、精度問題，進行了如下實驗驗證。

檢測設備：營口北方檢測公司(MAIII-G型)；

板材尺寸：長×寬×厚度：L×1 500 mm×20 mm(X70M)；

板材人工缺陷：沿板材軋制方向，在靠近板材兩邊緣10 mm范圍內，每隔50 mm軋制方向距離，在板材的上下表面用刻槽機分別刻出不同深度的Ф6 mm平底孔，深度分別為1 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm；

管材尺寸：Ф660 mm×20 mm(X70M)-SAWL鋼管

管材人工缺陷：圖10為板材與管材人工缺陷圖，在鋼管內外表面沿縱向間隔50mm刻出相同長度(10 mm)不同深度的人工裂紋，人工裂紋深度分別為1 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm；

圖10　板材與管材人工缺陷圖

靈敏度調節：以20 m/min檢測速度為基準，板材以10 mm深的Ф6 mm平底孔反射波高調節滿幅度的100%作為合格極限，管材以N5刻槽為反射波高調節滿幅度的100%作為合格極限，調節發射頻率和磁化電流，使人工反射波形最佳，調節報警閘門的前沿緊靠始波后沿。

實驗結果證明：

1)20 m/min的檢測速度下，板材內外表面所有Ф6 mm平底孔能夠100%有效檢測出來，管材內外表面所有刻槽能夠100%有效檢測出來。

2)檢測速度提高到30 m/min時，板材內外表面所有Ф6 mm平底孔仍然能夠100%有效檢測出來，管材內表面1 mm深、2 mm深刻槽波高不足50%，有漏檢的可能。

3)當速度提高到40 m/min時，板材和管材大部分人工缺陷已經無反射波高。

上述實驗說明了對于超過一定壁厚的板材和管材，特別是超過15mm以上壁厚的產品，隨著檢測距離的增加，靈敏度下降明顯，靈敏度動態調節特別重要(靜態靈敏度不能作為調節基準)，此時應該要考慮到電磁超聲自動探傷裝置(設備能力)能發現最小缺陷的能力及校驗基準。

6電磁超聲(EMAT)法在石油管行業檢測的優勢和存在的技術問題

6.1電磁超聲(EMAT)的優勢

1)檢測速度快[8]

板材自動超聲檢測速度大約在15～20 m/min范圍，管材自動超聲檢測速度大約在10 m/min以內，而電磁超聲(EMAT)檢測速度可達到40 m/min(根據壁厚和設備自身能力調節)。

2)聲波傳播距離遠

電磁超聲(EMAT)在板材和管材中激發的超聲波，可繞工件傳播幾周甚至十幾周。在進行鋼管或鋼棒的縱向缺陷檢測時, 探頭與工件可靈活運動, 使探傷設備的機械結構相對簡單。

3)所用通道與探頭的數量少

在實現同樣功能的前提下, EMAT探傷設備所選用的通道數和探頭數少于自動超聲檢測。特別在板材EMAT探傷設備上就更為明顯, 自動超聲檢測要進行板面的探傷需要幾十個通道及探頭, 而EMAT則只需要4個通道及相應數量探頭就可對板材進行100%覆蓋檢測，這是自動超聲檢測無法完成的。

4)發現自然缺陷的能力強

EMAT對于鋼管表面存在的折疊、重皮、孔洞等不易檢出的缺陷都能準確發現，而超聲檢測顯然不能做到。

6.2電磁超聲(EMAT)存在的技術問題

1)目前在石油管材行業，電磁超聲(EMAT)還不能用于焊縫自動動態檢測，但可用于局部靜態檢測，這主要是基于焊縫余高以及焊縫的不規則形狀使得EMAT對信號產生噪聲干擾排除困難，特別是在動態檢測時，信噪比差。當板材探傷崗位設置在鋼管成型水壓后與焊縫超聲探傷工序合并，板材及焊縫邊緣25 mm范圍的母材分層探傷無法進行。

2)國內有關電磁超聲(EMAT)的相關標準較少，主要還是參照ASTM E816、E1774等國際標準，這也是制約電磁超聲(EMAT)在石油管行業推廣應用的原因之一。

3) 電磁超聲(EMAT)對一些形狀復雜的石油管材產品檢測困難，如彎管、三通、帶涂層的管件等產品。

4) 電磁超聲(EMAT)元器件壽命短及互換性差，探頭、線圈設計緊湊，實際使用容易接觸不良，造成雜波或無波問題，來回調節困難。

5) 干擾性大：特別是連續工作時，設備臺架附屬物體上料、下料、旋轉均有變頻器參與工作，容易造成干擾雜波。無法與靜態工作時相比較。

7現狀與未來發展方向

國內電磁超聲檢測由于起步較晚，與歐美等業發達國家相比還存在很大差距。在電磁超聲無損檢測領域中, 需運用不同的分析方法建立精確物理模型， 更深入地認識EMAT的物理過程，特別是洛倫茲力與磁致伸縮力的共同作用機理研究，提高和完善對信號的接收和處理能力，更大程度地減小噪聲干擾。電磁超聲技術與其他技術的融合運用，也是無損檢測的重要發展方向。隨著我國工業的高速發展，電磁超聲無損檢測技術不受聲波條件和接觸界面的限制，可用于接觸式超聲檢測技術難以解決的一些實際問題，相信EMAT逐漸成為無損檢測領域的一種主流技術，將來廣泛應用于石油管材行業。

參 考 文 獻

[1] 任吉林. 電磁檢測[M].北京: 機械工業出版社. 2000.

[2] 唐彥林. 電磁超聲在板材探傷中的應用[J].焊管,2005,28(6):44-45.

[3] 張廣純. 電磁聲技術的進展與應用[J].無損檢測,1990, 12( 4) : 103- 105.

[4] 張勇，陳強，孫振國，等. 用于無損檢測的電磁聲換能器研究進展[J].無損檢測,2004.6:275-277.

[5] 高松巍，李冰，刑燕好. 電磁超聲在鋼管探傷中的應用[J].沈陽工業大學學報,2009.10:582-585.

[6] Licht H. Eni beitrag zur beruhrungslosen anregung von plattenwellen[J].Acoustics, 1972, 27( 2) : 131.

[7] Hirotsugu Ogi, Masahiko Hirao, Toshihiro Ohtani. Line- focusing of ultrasonic SV wave by electromagnetic acoustic transducer[ J].Journal of the Acoustical Society of America, 1998, 103( 5) : 2411- 2415.

[8] Hirotsugu Ogi, Masahiko Hirao, Toshihiro Ohtani. Line- focusing electromagnetic acoustic transducers for the detection of slit defects[ J].IEEE Tran Ultrasonics, Febroelectrics,and Ferquency Control, 1999, 46( 2) : 341- 366.

Research and Analysis on the Detection Technology for Petroleum Tubular Goods Material of Electromagnetic Acoustic Transducer Technology

YU Guomin1，2,WEI Dong12,ZHU Guanghui3,TIAN Xinxin12

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′anShaanxi710077,China；2.BeijingLongshineOilTubularTechnologyCo.Ltd,Beijing100101,China；3.ChangqingSouthBranchOperation，Co.Ltd，Xi′an，Shaanxi710018,China)

Abstract：This article described the theory of electromagnetic acoustic transducer technology , it explained the two important parts of the high-frequency coil electromagnetic acoustic transducer and electromagnet in connection with the optimization design,test method and effect, it illustrated with examples of detecting effectiveness for the petroleum tubular goods material. Moreover it shows that advantages and limitations for this method. Test results show that the method has been applicable to the petroleum tubular goods material. the reliability, accuracy and detection efficiency are better than the AUT. It is a new-style NDT method. It considers that electromagnetic acoustic transducer technology will be widely used in petroleum industry.

Key words：electromagnetic acoustic transducer(EMAT)；gigh-frequency coil；electromagnet；detection

(收稿日期：2015-01-04編輯：葛明君)

中圖法分類號：TG115.28

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)02-0028-07

第一作者簡介：余國民，男，1980年生，大學本科，工程師，主要從事油氣輸送管與油井管駐廠監造與無損檢測技術工作。E-mail：yuguomin36@163.com