鋼板超聲自動檢測技術中PET 與EMAT 的對比研究

張曉欽，吳海虹

（江蘇沙鋼集團有限公司，江蘇 張家港 215625）

近年來隨著鋼鐵行業的蓬勃發展，各大鋼廠都在不斷地優化產品結構，通過提高產品品質來贏得市場，其中寬厚板及中厚板產品在橋梁、船舶、石油管道等領域中得到廣泛應用，因這些行業領域的特殊性，對于鋼板的內部質量要求極高，而超聲波無損檢測作為鋼板內部質量的主要檢測手段，尤其是超聲波在線自動檢測，對于大批量生產，高精度要求的鋼板都可以滿足其檢測需求，可以通過全方位系統的檢測來確保產品品質。

1 基本技術原理

1.1 PET 檢測原理

PET 的基本技術原理是利用壓電晶片的正負壓電效應通過產生交變電場引起晶體機械形變而形成機械波（聲波），是電能與聲能相互轉換的過程。一般通過電路激發產生超聲波，超聲波在工作邊角和缺陷處反射，發射信號被儀器接收實現缺陷檢測（圖1）。

圖1 PET 基本技術原理

1.2 EMAT 檢測原理

當通以高變電流的導線（線圈）置于工件表面時，工件表面會產生渦流磁場，渦流磁場與外磁場發生靜磁場相互作用就會產生洛倫茲力。在洛倫茲力作用下工件內部會產生高頻振動，這是形成超聲波的動力源，由于上述過程是可逆的，因此從工件邊角處或缺陷處反射回來的超聲波在外磁場作用下形成渦流，渦流磁場引起導線（線圈）兩端電壓發生變化（圖2），這一變化信號被設備接收即可以實現缺陷檢測。

圖2 EMAT 基本技術原理

2 PET 與EMAT 檢測對比

以江蘇沙鋼集團鋼板總廠寬厚板車間的在線探傷儀為例：5 000 mm 寬厚板生產線使用的NDT 公司壓電式鋼板在線自動探傷儀（圖3），3 500 mm 中厚板生產線使用的NK 公司電磁式鋼板在線自動探傷儀（圖4）。

圖3 HP-B2/L2-TR 型PET 式自動在線檢測設備-江蘇沙鋼集團（2010 年）

圖4 EMAT-PL-3500 式自動在線檢測設備-江蘇沙鋼集團（2016 年）

2.1 適用范圍

兩種技術都是利用超聲波的發射與接收來完成檢測，原理上是互通的，只是EMAT 的超聲波是在工件表面產生，所以對于非鐵磁性的材料無法檢測，而PET 檢測則無此限制。

為了保證超聲波有效穿透被檢工件，PETT 檢測需要大量的耦合水來完成超聲波的傳輸，對檢測工件表面要求較高，不允許存在油污、油漆或氧化鐵皮，否則會形成大量的偽缺陷，嚴重影響檢測結果判定。EMAT 檢測無需耦合劑，對工件表面無特殊要求，即使存在油污、油漆或大面積氧化鐵皮，也不會受到干擾，可以準確檢測出缺陷。且無水耦合可以保證工件表面不會銹蝕，對于一些高要求的軍工類、航天類產品，無水檢測的必須項也可以滿足。

2.2 檢測能力

PET 檢測的工件參數范圍為：厚度6～50 mm，溫度0～85℃；EMAT 檢測的工件參數范圍為：厚度6～150 mm，溫度-20～650℃。EMAT 在檢測能力上遠超PET，對于厚規格的高溫鋼板無需冷卻即可探傷。這對于在線生產過程壓縮有著積極的推動作用。以沙鋼集團為例，超過40 mm 厚度的鋼板，冷卻至50℃以下需要3 h 左右，之后才可通過在線檢測，若采用EAMT 式探傷儀，即可縮短檢測等待時間3 h，提高單位時間生產效率。

鋼板的驗收標準一般參考FBH 5 mm，兩種檢測技術均可達到FBH 3mm 級別的檢測靈敏度，完全可以滿足鋼板的檢測驗收要求。不過PET 式采用的是縱波檢測，而EMAT 式采用的是橫波檢測，在靈敏度上EMAT是優于PET 的，但信號強度上卻不如PET 式。

兩種技術的檢測盲區均可縮減至下表2 mm 范圍內，完全滿足日常檢測需求。但PET 檢測采用的是T1/R3一發三收式探頭，其焦距中心的菱形場區范圍檢測靈敏度較高，其他位置的靈敏度則相對較低，提高靈敏度雖然會緩解此問題，但也可能導致過度評判，將合格缺陷拒收。EMAT 是通過重疊線圈產生均勻聲場，全厚度重疊覆蓋，能比較準確地給各個缺陷定量，但缺陷的定位不如PET 精確。通過濾波技術，將未超標缺陷不予顯示，可提高檢測畫面的清晰度，降低誤判率。

2.3 缺陷評估

兩者都是利用探頭的DGS 或DAC 曲線自動校準靈敏度，通過各種深度和孔徑的平底孔和平底槽來做動態校準，利用各自的軟件評估系統對缺陷進行評估，并以C掃描形式呈現檢測結果。

PET 檢測在檢測瓢曲鋼板時，如果探頭支架未能調整到位，探頭則無法完全與板面耦合，傾斜角度達到1°時，底波將完全消失，導致缺陷漏檢或形成線形的偽缺陷，檢測圖形非常模糊，且無法通過系統自動評估。EMAT 檢測在檢測瓢曲鋼板時，由于超聲波是在工件表面產生，會一直垂直于表面發射，所以即使探頭與鋼板接觸面的傾斜角度達到5°（實際測試中最大偏轉角度可以接近90°），也可以順利完成檢測，檢測圖形較為清晰，自動評估準確率較高（圖5）。

圖5 PET 與EMAT 檢測時傾角對波幅的影響比較

2.4 設備維護

PET 檢測主要的維護項在于探頭及支架，探頭需定期調節水膜厚度，調節難度較大，水膜厚度大于0.3 mm則會降低檢測靈敏度，水膜厚度小于0.3 mm 則會加劇探頭磨損；支架的保養和調節若不到位，會直接影響探頭的接觸角度和檢測結果。

EMAT 檢測由于探頭與鋼板不直接接觸，而是通過壓縮空氣形成0.1～0.7 mm 的空氣膜，調節簡單，探頭磨損大幅降低。但探頭磁場系統受外界環境影響大，探頭排布緊密，不易拆卸更換。

3 結束語

壓電式的自動檢測裝置，技術成熟，應用范圍廣，但也存在溫度限制因素多，表面耦合要求高，誤信號較多等缺點，在實際生產中制約著產品的檢驗及判定工作。EMAT 電磁超聲檢測技術，早期一直處于測試階段，直至2006 年，由Nordinkraft 公司研制的第1 臺在線電磁超聲探傷儀在東京制鐵集團投入應用，雖然目前市場普及率遠不及壓電式（PET）探傷儀，但其優越的技術已經在工業化應用領域表現出了可觀的發展前景。在檢測技術運用方面EMAT 相比PET 具備大厚度、高溫度、無水耦合、低表面質量及板型要求等優勢，但EMAT 檢測對缺陷的定位不夠精確，設備維護成本相對較高，在系統軟件等方面還需進一步完善。