高提離距離的橫波電磁超聲檢測技術研究

黃賢濱，趙揚，巨陽，宋江峰，陳建偉，郭銳，南鋼洋，王啟武

(1．中石化青島安全工程研究院，山東 青島 266000；2．齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院激光研究所無損檢測平臺，山東 濟南 250103；3.名古屋大學機械學院，日本 名古屋 4648603)

管道在石油煉化廠區油氣輸運過程中發揮著巨大的作用，長時間高壓、高速流動的石油和天然氣攜帶的雜質會對管道產生沖刷腐蝕，造成管道內壁減薄[1-3]。目前，隨著能源工業的迅猛增長，對服役于煉化廠區的管道質量及安全提出了更高的要求。因此，如果能夠以無損檢測的方式，提供一種有效的管道壁厚實時檢測技術，對于確保管道的安全服役具有重要意義。當前已經應用于管道厚度的檢測技術主要有超聲波測厚法、電阻法和電化學阻抗譜等，這些方法有各自的優勢和局限性[4-6]。電磁超聲(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)技術因具有無需聲耦合劑以及不受被檢材料表面粗糙度限制等優點，結合數據高速采集和無線傳輸技術，正成為石化設備在線檢測的熱門技術方法。

國外電磁超聲技術工業已進入應用階段，如德國Nordiinkraft公司的EMAT設備的測厚分辨率為0.01 mm，可實現720 ℃的高溫金屬管道測量[7]。國內對電磁超聲的研究起步較晚，段偉亮等[8]結合FPGA和SOPC技術研制了分辨率可達 0.1 mm的電磁超聲測厚儀。楊理踐等[9]研究了測厚信號幅度與各參數之間的關系，通過設置匹配的參數，結合小波函數，獲得了高精度的電磁超聲測厚信號，測量精度達到了0.06 mm。但是，當電磁超聲檢測系統應用于煉化廠區等特殊環境時，需要滿足國家防爆標準，其中最為關鍵的技術問題是確保電磁超聲傳感器能夠在較高的提離距離下工作，以滿足傳感器外殼的防爆設計要求。目前，采用單脈沖電磁超聲回波檢測技術，其提離距離大于3 mm時，信噪比已無法滿足檢測要求[10-11]。本文針對這一技術難題，通過磁鐵聚焦和線圈優化設計，研制了一套無線傳輸且最大提離距離為6 mm的電磁超聲檢測系統。

1 理論方法

圖1 EMAT超聲橫波檢測原理示意圖Fig.1 Schematic illustration of EMAT ultrasonic transverse wavetesting principle

電磁超聲激勵橫波效率高于縱波，且橫波波速約為縱波波速的一半，因此利用橫波可以檢測厚度較薄的材料。本文設計了自發自收垂直入射式的電磁超聲橫波系統檢測材料厚度，EMAT超聲橫波檢測原理如圖1所示。

圖1線圈中通以交變電流I，磁感應強度B滿足：

(1)

其中，μ是介質的磁導率

(2)

在導電體表面上空有交變磁場H。由于趨膚效應，透入導電體內磁場會呈指數衰減，因此只會在導體表面產生電渦流，其密度為：

J(z,t)=×H(z,t)。

(3)

圖2 電磁超聲橫波檢測系統Fig.2 Electromagnetic ultrasonic transverse wave detection system

本文采用的是蝶形線圈設計，產生的渦流密度方向平行于導體表面，因此在垂直向下的靜磁場作用下，會受到洛倫茲力的作用。

F(z,t)=J(z,t)×(B0+B)，

(4)

其中，B0為靜磁場磁感應強度。其中電子通過與晶格碰撞使導體表面受力，成為超聲波的聲源。根據矢量定理，電子受到的洛倫茲力方向平行于導體表面。在平行于磁場方向上的超聲波，傳播方向和質點振動方向垂直，因此所產生的超聲波為橫波。

2 檢測系統

本文所設計的電磁超聲檢測系統見圖2。EMAT激勵接收電路激勵EMAT傳感器在被測試樣中產生超聲波，超聲回波再被EMAT傳感器接收，經數據采集板卡進行模數轉換和簡單數據處理后，通過有線或無線網絡發送給上位機。上位機接收采樣數據并運行測厚算法，顯示采樣數據和厚度數據，并可以進行聲速標定和數據保存等操作。

對于電磁超聲傳感器，本文采用釹鐵硼 (NdFeB)永磁鐵來提供外加磁場，為確保檢測區域的靈敏度，采用聚焦式組合磁鐵結構。圖3中給出了聚焦式與普通式磁鐵結構磁場強度的有限元模擬結果，對比發現聚焦式磁鐵可以將磁場強度集中于檢測區域，這種設計有利于提高檢測信號的信噪比。

在檢測線圈設計方面，采用蝶形線圈的設計方式(圖4)，這種設計的優點是可以自消除線圈回路中產生的電噪聲，然后利用PCB技術制備所設計的帶有覆銅屏蔽層的橫波電磁超聲檢測線圈，這些設計均有利于提高檢測信號的信噪比。

圖4 蝶形電磁超聲檢測線圈示意圖Fig.4 Schematic diagram of butterfly electromagnetic ultrasonic testing coil

3 實驗結果

利用該系統首先在提離距離依次為1 mm～6 mm范圍進行CB-I型標準試塊標稱22 mm厚度區進行檢測，檢測波形如圖5所示，從波形上可以清楚地發現，在提離距離增大至6 mm時，仍能有效地檢測出材料厚度，且檢測精度小于0.05 mm，能夠滿足煉化廠區的管道厚度檢測需求，從實驗上首次證明了高提離距離下(≥5 mm)橫波實時檢測金屬材料厚度的可能性。

然后，用該系統首先在提離距離依次為3 mm～6 mm范圍，對厚度為12.16 mm的煉化所用管道進行檢測，檢測波形如圖6所示，檢測結果為12.18 mm，檢測精度小于0.05 mm。

圖5 不同提離距離下CB-I型標準試塊厚度的電磁超聲檢測結果Fig.5 Electromagnetic ultrasonic testing results of CB-I type standard test blocks thickness at different lift off distances

圖6 不同提離距離下管道厚度的電磁超聲檢測結果Fig.6 Electromagnetic ultrasonic testing results of pipe thickness at different lift off distances

4 結語

電磁超聲檢測技術以其無接觸性和較強的環境適應性在無損檢測領域顯示出強大生命力，特別是用于金屬材料厚度的檢測。本文通過磁鐵的聚焦設計和線圈的優化設計，研制了具有高提離距離的電磁超聲檢測系統。通過系統的實驗證明了高提離距離下(≥5 mm)橫波實時檢測金屬材料厚度的可能性，當提離距離增大至6 mm時，厚度檢測精度小于0.05 mm，該條件能夠滿足煉化廠區的管道厚度檢測需求。本文的研究結果為電磁超聲檢測技術通過防爆設計和認證提供了可能，有望應用于煉化廠區管道壁厚在線檢測。

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