電磁超聲橫波的管道剩余厚度檢測研究

張 爽

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

管道是一種常見的輸送液體或氣體介質(zhì)的方式，在人們的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著重要作用，其完好率將直接影響生產(chǎn)和生活的安全與穩(wěn)定。隨著使用時(shí)間的增長，管道不可避免會(huì)出現(xiàn)腐蝕、變形、裂紋等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起管道的泄漏，造成經(jīng)濟(jì)損失。如果管道輸送的是易燃、易爆介質(zhì)，還會(huì)引發(fā)一系列的安全問題。因此，對管道的剩余壁厚進(jìn)行檢測十分必要。剩余壁厚是反眏管道運(yùn)行狀態(tài)的重要性能指標(biāo)，不僅能幫助工作人員判斷管道的是否需要更換，還能避免因管道泄漏引起的安全問題。

1 電磁超聲橫波測厚原理

EMAT（Electro Magnetic Acoustic Transducer，電磁超聲傳感器）主要包含永磁體和激勵(lì)線圈兩部分，其中永磁體的作用是提供靜態(tài)的偏置磁場、激勵(lì)線圈的作用是產(chǎn)生一個(gè)高頻渦流，在不同偏置磁場與不同渦流的組合下可以產(chǎn)生體波、表面波、導(dǎo)波等形態(tài)各異的超聲波。大量研究實(shí)驗(yàn)表明，橫波在穿透邊界時(shí)所產(chǎn)生的變化最小，因此成為厚度測量方面的首選聲波類型。

圖1 是一種常見的橫波發(fā)生裝置，也稱為電磁超聲波換能器。永磁體所產(chǎn)生的偏置磁場垂直于物體表面，而激勵(lì)線圈通電后會(huì)在偏置磁場的作用下形成洛倫茲力，在洛倫茲力的作用下金屬物體表面發(fā)生振動(dòng)從而產(chǎn)生超聲波（圖2）。將電磁超聲激勵(lì)過程逆轉(zhuǎn)即可得到超聲波接收裝置，EMAT 用于鋁制管道探測時(shí)，電磁波是由洛倫茲力產(chǎn)生的。由于鋁屬于非磁性材料，因此磁力作用對探測結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。

圖1 橫波電磁超聲換能器示意

圖2 橫波電磁超聲有限元仿真模型

2 換能器優(yōu)化與測試

2.1 電磁超聲換能器的仿真與優(yōu)化

雖然橫波電磁超聲在測量管道的壁厚中有很多優(yōu)勢，但也存在一些不足，如能量交換率低、信號(hào)較弱等。事實(shí)證明，永磁體與激勵(lì)線圈參數(shù)的優(yōu)化可以改善橫波電磁超聲測量的效果，達(dá)到管道剩余壁厚測量的需求。本文通過有限元仿真軟件對電磁超聲換能器進(jìn)行建模，并采取正向優(yōu)化的方式優(yōu)化參數(shù)；適當(dāng)優(yōu)化激勵(lì)線圈的參數(shù)可以提高信號(hào)強(qiáng)度，提高超聲波信號(hào)的信噪比。

在此類研究中，國內(nèi)學(xué)者已做出許多貢獻(xiàn)，研究表明改變激勵(lì)線圈與被測物體的距離d，可以改變超聲波信號(hào)的強(qiáng)度，這就說明應(yīng)該在滿足使用需求的前提下，盡量縮短激勵(lì)線圈與被測物體的距離，以獲得更強(qiáng)的超聲波信號(hào)。永磁體的體積與激勵(lì)線圈的大小沒有固定的配對關(guān)系，留給研究人員的調(diào)整范圍較大。因此，本文將針對激勵(lì)線圈的主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將激勵(lì)線圈大小、線圈與永磁體的距離及永磁體的體積設(shè)為常數(shù)，將激勵(lì)線圈與被測物體的距離設(shè)為變化參數(shù)，將線圈匝數(shù)cn、線圈寬度ω 和線圈間距l(xiāng) 作為主要優(yōu)化對象。

有限元分析模型如圖2 所示，為提高計(jì)算效率，模型中鋁制管道僅包含被探測部分，管道直徑200 mm、厚度為5 mm。

橫波電磁超聲檢測系統(tǒng)中，接收線圈所接收到的信號(hào)較弱，僅達(dá)到幾百微伏特量級(jí)，給信號(hào)的處理造成較大困難。而且接收到的信號(hào)中包含較多的干擾信號(hào)，進(jìn)一步增加了信號(hào)處理的難度。干擾信號(hào)主要包括電路噪聲和其他超聲波干擾兩種。

為了獲得較高的測量精度，不僅需要接收信號(hào)達(dá)到較高的強(qiáng)度，還需要接收信號(hào)具有較高的信噪比，這就需要進(jìn)一步提高橫波信號(hào)的準(zhǔn)確度。仿真軟件的分析結(jié)果顯示，回波信號(hào)強(qiáng)度低，信噪比無法達(dá)到要求。為了提高回波信號(hào)的強(qiáng)度和信噪比，首先對信噪比參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過分析可知，當(dāng)激勵(lì)線圈的匝數(shù)減少后，超聲波信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步下降，并且管道外形為圓形，無法完全貼合激勵(lì)線圈，因此應(yīng)提高超聲波信號(hào)的方向性，對其進(jìn)行有限元分析。

將管道壁厚中心作為基點(diǎn)，繪制橫波傳播能量曲線，當(dāng)線寬和間距較大時(shí)能夠獲得較好的聲波指向性，聲波能量集中于基點(diǎn)附近，聲波信號(hào)的信噪比較高。經(jīng)過幾次仿真試驗(yàn)，最終確定線圈的匝數(shù)為8 匝、寬度為0.6 mm、間距為1.2 mm（圖3）。這時(shí)的仿真分析結(jié)果顯示，聲波信號(hào)主要集中在基點(diǎn)附近，并且獲得了較好的能量密度，聲波信號(hào)的傳播情況良好，具有較強(qiáng)的可實(shí)施性。由于關(guān)閉內(nèi)的超聲波信號(hào)指向性和強(qiáng)度均滿足了使用要求，聲波信號(hào)主要集中于激勵(lì)線圈中心處，所得到的測量結(jié)果即為基點(diǎn)處的管道壁厚。

圖3 電磁超聲激勵(lì)用PCB 螺旋線線圈

2.2 橫波電磁超聲測厚系統(tǒng)測試

電磁超聲信號(hào)一般將其制定為正弦信號(hào)，這種正弦信號(hào)是采用矩形調(diào)制解調(diào)得到的，可以通過添加不同的調(diào)制信號(hào)對回波峰值進(jìn)行調(diào)整，也會(huì)影響回波的信噪比。這是因?yàn)椴扇〔煌{(diào)制信號(hào)時(shí)，信號(hào)函數(shù)的帶寬不同，選擇窄帶寬激勵(lì)信號(hào)時(shí)可以有效提高超聲波信號(hào)的信噪比。

本次試驗(yàn)所使用的設(shè)備是根據(jù)仿真結(jié)果制造的自研設(shè)備——高功率電磁超聲波橫波檢測裝置（圖4）。該裝置主要包括激勵(lì)源與換能器兩部分，經(jīng)過系統(tǒng)匹配測試后，并沒有得到完美的匹配結(jié)果，實(shí)際工況下激勵(lì)線圈的電壓峰值為726 V、電流峰值為18.15 A、最大功率13 kW。被測試對象為一截直徑200 mm、壁厚5 mm 的鋁制管道，永磁體位于激勵(lì)線圈之上，高功率電磁超聲波橫波檢測裝置所使用的材料、尺寸均與有限元分析軟件中的設(shè)置相同。

圖4 管道剩余厚度測試系統(tǒng)

2.3 結(jié)果分析

經(jīng)過一系列的測試，高功率電磁超聲波橫波檢測裝置在鋁制管道剩余壁厚的探測中取得了較好效果，探測精度達(dá)到預(yù)期，探測前無需對管道表面進(jìn)行處理，對使用環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。不過因?yàn)榫€圈的阻抗測量誤差和電容元件的制造誤差，系統(tǒng)存在感抗過強(qiáng)、大功率輸出時(shí)存在信號(hào)失真的情況。當(dāng)超聲波信號(hào)考核后，受系統(tǒng)運(yùn)算能力的限制，會(huì)產(chǎn)生約10 μs 的卡頓，使回波信號(hào)的分離和計(jì)算變得困難。此外，本次研究中測量結(jié)果的驗(yàn)證依賴于電子游標(biāo)卡尺的精度，只能測量到0.01 mm 的精度等級(jí)，無法確定該檢測裝置是否能夠超過這一精度等級(jí)。經(jīng)多次測量與檢測裝置的結(jié)果比較，也存在一定的不確定性。

3 結(jié)論

本文針對當(dāng)前使用的管道剩余厚度電磁超聲橫波檢測裝置存在的一些問題進(jìn)行了研究，通過激勵(lì)線圈的優(yōu)化進(jìn)一步提高了超聲波信號(hào)的指向性、強(qiáng)度和信噪比，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

（1）對線圈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，聲波信號(hào)更加集中，可以滿足厚度測量的需求。通過添加不同的調(diào)制信號(hào)對回波峰值進(jìn)行調(diào)整可以影響回波的信噪比，選擇窄帶寬激勵(lì)信號(hào)時(shí)，可以有效提高超聲波信號(hào)的信噪比。

（2）實(shí)際工況下激勵(lì)線圈的電壓峰值為726 V，電流峰值為18.15 A，最大功率13 kW。對直徑200 mm、壁厚為5 mm 的鋁制管道進(jìn)行剩余厚度檢測時(shí)，精度可以達(dá)到0.01 mm 的等級(jí)。