電磁超聲探傷技術及其在無縫鋼管檢測中的應用

本文介紹了電磁超聲無縫鋼管檢測的基本原理，分析了電磁超聲探傷的特點與技術優勢，并將電磁超聲探傷技術與幾種常規無損探傷技術進行比較。最后簡要概述了電磁超聲探傷技術的發展情況，以及該技術在鋼管探傷領域的應用。

電磁超聲（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＡｃｏｕｓｔｉｃＴｒａｎｓ－ｄｕｃｅｒ，以下簡稱ＥＭＡＴ）是無縫鋼管無損檢測領域出現的新技術，該技術利用電磁耦合方法激勵和接受超聲波實現對管材的檢測。與傳統的超聲檢測技術相比，它具有不需要耦合劑、檢測精度高、適于非接觸檢測以及容易激發各種超聲波形等優點。在石油工業無縫鋼管生產中，電磁超聲檢測技術得到了越來越多的應用。其缺點為換能效率低，信號微弱，需要在檢測中加以克服?？偨Y和分析電磁超聲檢測的原理和特點，可進一步提高該技術在鋼管電磁超聲中的應用效果。

１電磁超聲檢測原理

１．１鋼管電磁超聲產生原理

當把高頻電流加到靠近鋼管表面的線圈上時，在鋼管表面將會感應出相應頻率的渦流。若同時在鋼管表面上加一個磁場，那么渦流在磁場作用下就會產生一個與渦流頻率相同的力，即羅侖茲力，它在鋼管內傳播就形成了聲波。由于此效應具有可逆性，反射回來的聲波在外磁場作用下也會產生渦流。渦流磁場使線圈端電壓發生變化，作用信號被檢測。

鋼管ＥＭＡＴ的物理結構由高頻線圈、磁鐵和工件三部分組成，如圖１所示。高頻線圈，用于產生高頻激發磁場；磁鐵，用來提供外加磁場，它可以是永久磁鐵或直流電磁鐵，也可以是交流電磁鐵或脈沖電磁鐵；工件，即檢測對象，它是ＥＭＡＴ的一部分（簡稱ＥＭＡＴ三要素）。無縫鋼管的材質必須具有導電性或鐵磁性，或導電性和鐵磁性都具有。ＥＭＡＴ作為一種超聲發生器，它的基本原理是圍繞著ＥＭＡＴ三要素展開的。當置于鋼管表面上的高頻線圈通過高頻電流時，它要在工件的趨膚層內產生渦流，（或感應磁場，相當于電動機的轉子）此渦流在外加磁場（相當于電機定子磁場）的作用下，也會像電動機那樣受到機械力的作用，而產生高頻振動，形成了超聲波波源。在接收超聲波時，如同發電機的轉子在定子的磁場中旋轉，會在轉子中產生感應電流一樣，鋼管表面的振蕩也會在外加磁場力的作用下，在高頻線圈中感應出電壓而被儀器接收。因此，存在于上述機制中的這些相互作用就構成了檢測的全過程。

１．２電磁超聲的激發與接收

放在固定磁場中的線圈，當線圈內電流的方向改變時，線圈各部分的受力方向也將改變，而同一導體線圈放在不同取向的磁場中時，則線圈的受力方向也將發生變化。根據這一原理可在鋼管中激發出超聲縱波和橫波。

如圖２所示，為鋼管中激發超聲縱波的示意圖。渦流線圈貼于鋼管表面，磁鐵如圖放置，此時金屬內的磁力線平行于金屬表面。當線圈內通過高頻電流時，將在鋼管表面感應出渦流，且渦流平面與磁力線平行，在磁場作用下，渦流上將受一個力的作用。某一時刻的方向如圖所示方向向上，半個周期后將受一個向下的力，這樣，質點受交變力的作用，因此在作用力方向上產生一個彈性波。由于振動方向和波的傳播方向一致，此波為超聲縱波。

如圖３所示，為激發橫波的示意圖。磁力線垂直于鋼管表面，當貼附于鋼管表面的渦流線圈通以交變電流時，將在鋼管表面感應出渦流，在外磁場作用下，渦流受力方向平行于鋼管表面。某一時刻的方向如圖２所示，方向向右，半個周期后質點將受一個向左的力。這樣，質點在交變力的作用下產生一個與作用力方向相垂直的彈性波。由于質點振動方向和彈性波傳播方向垂直，此波為超聲橫波。

２鋼管電磁超聲探傷設備

２．１鋼管管體ＥＭＡＴ探傷設備

針對現場的不同情況以及檢測標準要求的不同ＥＭＡＴ鋼管探傷設備主要分成三種形式：

①鋼管直線前進，兩個探頭沿管體周向１２０°布置，隨動跟蹤檢測。此種方法可連續檢測鋼管的縱向缺陷。

②鋼管螺旋前進，縱、橫向各兩組探頭分別沿著管體周向布置，探頭各自對管體進行隨動跟蹤檢測。此種方法可連續檢測鋼管的縱、橫向缺陷。

③鋼管原地旋轉，縱、橫向各兩組探頭在拖動小車的驅動下，直線前進，對管體表面進行螺旋式掃查。此種方法也可以連續檢測鋼管的縱、橫向缺陷。

２．２管端ＥＭＡＴ探傷設備

兩臺探傷主機分別布置在鋼管橫向移動裝置兩邊，鋼管在固定位置原地旋轉，縱、橫向探頭沿管體直線前進對管端進行螺旋式掃查。既可實現管端的縱橫向缺陷的連續檢測。

３電磁超聲探傷的特點

３．１電磁超聲技術與這幾種檢測技術相比較，具有的優點

３．１．１無需任何耦合劑

ＥＭＡＴ的能量轉換，是在鋼管表面的趨膚層內直接進行的。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。

３．１．２靈活地產生各類波形

ＥＭＡＴ在檢測過程中，在滿足一定的激發條件時，則會產生表面波、ＳＨ波和Ｌａｍｂ波。我們就可以在不變更換能器的情況下，實現波模的自由選擇。

３．１．３對被探鋼管表面質量要求不高

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。因此對被探鋼管表面不要求特殊清理，較粗糙的表面也可直接探傷。

３．１．４檢測速度快

傳統的壓電超聲的檢測速度，一般都在１０ｍ／ｍｉｎ左右，而ＥＭＡＴ可達到４０ｍ／ｍｉｎ，甚至更快。

３．１．５聲波傳播距離遠

ＥＭＡＴ在鋼管或鋼棒中激發的超聲波，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，探頭與工件都不用旋轉，使探傷設備的機械結構相對簡單。

３．１．６發現自然缺陷的能力強

用戶反饋回來的信息就足以證明了這種說法的可信度，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。電磁超聲探傷優點很多，但是也存在一定的局限性，目前只在自動化生產線上使用，沒有便攜型設備；對于分層和測厚的檢測還不夠成熟。

３．２電磁超聲波的缺點

電磁超聲波探傷對缺陷的顯示不直觀，探傷技術難度大，容易受到主、客觀因素的影響，以及探傷結果不便保存等，使超聲波探傷也有其局限性。鋼管的電磁超聲探傷方法也存在一些不容忽視的缺點。

①轉換效率低，接收到的電磁超聲信號幅值小，與傳統超聲方法相比，電磁超聲探頭的靈敏度比一般的壓電超聲探頭要低４０至１００ｄＢ，而且隨著所采用電磁聲信號頻率的升高，靈敏度會進一步下降；②對周圍環境噪聲敏感度高，接收的回波信號常被淹沒在噪聲信號中；③輻射模式（ＲａｄｌａｔｉｏｎＰａｔｔｅｍ）較寬，能量不集中隨著ＥＭＡＴ性能的不斷提高，以ＥＭＡＴ為核心的電磁超聲技術已逐步成為無損檢測領域中的主流技術。

由于電磁超聲探傷效率較低，設計多級放大衰減和濾波的硬件電路以及后續的軟件數據處理來提高系統的信噪比都是必須的。

４電磁超聲探傷技術與常見的鋼管探傷技術的比較

目前石油工業無縫鋼管探傷最常用的檢測方法主要有渦流檢測法（ＥｄｄｙＣｕｒｒｅｎｔＴｅｓｔｉｎｇ）、漏磁檢測法（ＭａｇｎｅｔｉｃＦｌｕｘＬｅａｋａｇｅＴｅｓｔｉｎｇ）、超聲波檢測法（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇ）等［７］，這些檢測技術都可以在線檢測出管材上存在的各種缺陷，為無縫鋼管產品的質量控制及管道的合理維護提供了科學的依據，但這些技術都有各自的優缺點。

４．１渦流檢測法

渦流檢測適用于各種導電材料制成的無縫鋼管，但在鐵磁性材料中的穿透力較弱。但由于渦流主要分布在導電材料的表面附近，因此它比較適合用于表面缺陷和近表面缺陷的檢測，即對被測鋼管的壁厚和外徑有一定的要求。渦流檢測能夠非接觸進行，并可以進行高溫探傷，但鋼管的渦流探傷只能對檢測結果進行定性分析，不能根據缺陷信號的幅度分析出缺陷的深度和形狀。

４． ２漏磁檢測法

漏磁檢測技術被大量地用于鋼管檢測，是一種目前常用的、成熟的檢測方法，可以同時檢測內外壁缺陷，檢測時不需要耦合劑，易于實現自動化檢測。但漏磁法只適用于鐵磁性材料的檢測。因為該技術在進行檢測時，要求管壁達到完全磁性飽和，因此檢測精度與管壁厚度有關，厚度越大，內壁檢測精度越低，其使用范圍通常為管壁厚度不超過１２ｍｍ。如果被檢測的管壁太厚，干擾因素就會比較多，且小而深的管壁缺陷處的漏磁信號要比形狀平滑但很嚴重的缺陷處的信號大的多，檢測數據往往需要經過校驗才能使用。

４．３超聲波檢測法

常規超聲波探傷主要用來探測鋼管內外表面及其內部的縱向缺陷，根據用戶需要也可探測橫向缺陷，該檢測方法靈敏度相對較高。目前，超聲檢測廣泛采用的是傳統的壓電式超聲檢測技術，以壓電晶體作為換能器激發出超聲波，在超聲探頭和被檢工件之間要使用耦合劑（油脂、軟膏、水等），可以使聲能達到較好的傳輸。但仍具有一定的局限性，且需要選擇合適的耦合劑。

５結束語

電磁超聲探傷是無損檢測方法的一種，已廣泛用于鋼管行業。優點是靈敏度高、穿透力強、輕便、效率高、成本低，對人體無害。電磁超聲探傷結合了電磁激發不需要接觸的優點和超聲波檢測靈敏度高的優點，科研實現無縫鋼管檢測更高效、更準確、更可靠。隨著電磁超聲探傷機理的不斷完善，加之其他探傷方法無與倫比的優勢，將可能成為管材管體和管端的主要探傷手段。