基于電磁超聲斜入射SV波的厚壁管道裂紋檢測系統(tǒng)

蘇日亮，康 磊，馮劍釗，王淑娟，翟國富

（哈爾濱工業(yè)大學 軍用電器研究所，哈爾濱 150001）

管道檢測技術對于保障管道安全至關重要，其檢測方式主要包括漏磁法和超聲法。漏磁法對裂紋缺陷敏感性較低，壓電超聲技術因嚴重依賴于聲耦合劑而在輸氣管道中應用受限。電磁超聲換能器（Electromagnetic Acoustic Transducer，簡 稱EMAT）是一種非接觸型超聲發(fā)射／接收系統(tǒng)。該技術因無需聲耦合劑、能夠方便地產(chǎn)生多種類型超聲波等諸多優(yōu)勢而將超聲無損檢測擴展到了高溫、高速、在線等諸多領域。我國油氣管道迅猛發(fā)展，尤其是西氣東輸二線等多條大型管線的建設，對高壓厚壁管道在線檢測提出了極為迫切的需求。

2002年，PII公司與德國研究機構(gòu)合作研制出基于電磁超聲技術的輸氣管道在線檢測器EmatScan CD。該檢測器利用EMAT 易于激發(fā)導波的特點，通過特制的大功率電磁超聲探頭在管壁內(nèi)部激發(fā)SH 導波。研究表明，這種沿管道周向傳播的SH 導波對管道任意位置（包括內(nèi)壁和外壁）的軸向裂紋缺陷均具有較高的靈敏度。2007 年，ROSEN 公司也成功研制出基于電磁超聲的管道檢測器RoCD2。該檢測器將電磁超聲反射法和透射法相結(jié)合，能夠同時檢測出管道裂紋、腐蝕、凹坑以及保 護 層 脫 落 等 缺 陷［1－3］。但EmatScan CD 及RoCD2的檢測壁厚均＜20mm。

隨著長輸管道的大量建設，電磁超聲管道檢測技術也逐漸引起我國研究者的關注。2005年，雷華明在Ludwig和Dai等人研究基礎上分析了電磁超聲換能器的機理及其在管道檢測中的應用［4］。2008年，鄭華介紹了電磁超聲技術在制管業(yè)中的應用，其中利用兩個EMAT 探頭對20 mm 厚鋼板進行檢驗［5］。2009年，清華大學的張永生等人對鋼板進行了裂紋檢測，但其檢測壁厚僅為8mm［6］。

為了對管道裂紋進行高速檢測，檢測系統(tǒng)必須具備實時、精確的檢測能力。DSP 資源豐富，不僅可以實現(xiàn)對檢測系統(tǒng)的準確控制，而且還可實現(xiàn)對電磁超聲信號的高速分析與處理。筆者利用數(shù)字信號處理器（DSP）控制管道裂紋檢測系統(tǒng)在管道內(nèi)激發(fā)電磁超聲斜入射SV 波（Angled Shear Vertical Wave），可以實現(xiàn)對厚壁管道裂紋的有效檢測。

1 電磁超聲斜入射SV波檢測原理

1.1 斜入射SV 波的激發(fā)原理

斜入射SV 波是一種較為常用的裂紋檢測方法。其產(chǎn)生原理如圖1所示。該體波由曲折線圈產(chǎn)生。線圈的每條導線均為一個超聲振源，且這些振源會因頻率相同而發(fā)生干涉。通過控制振源間距d以及聲波頻率f，各振源就會相互疊加而產(chǎn)生兩束斜向發(fā)射的SV 波。斜向入射的角度θ為［7－8］：

圖1 斜入射SV 波激發(fā)原理示意圖

1.2 厚壁管道裂紋檢測原理

通常，管道中的裂紋主要沿管道軸向分布，垂直管壁入射的體波因裂紋反射面積較小而對該缺陷敏感度較差。利用電磁超聲技術可直接在被測管道中產(chǎn)生與管道表面成一定角度入射的體波，即斜入射SV 波。斜入射SV 波對管道的分層、夾雜、孔形以及細小的裂紋等缺陷均較為敏感。其檢測示意圖如圖2所示。由于發(fā)射干擾導致的盲區(qū)較大，單次反射的裂紋回波可能進入發(fā)射干擾的盲區(qū)里，無法判斷裂紋缺陷是否存在。因此可以通過接收裂紋回波的多次反射來判斷裂紋的有無。斜入射SV 波在遇到裂紋時傳播的距離l為：

式中n為斜入射SV 波在管道中反射的次數(shù)；l1為聲波單次反射的距離；h為管道的壁厚；θ為斜入射SV 波的入射角度。

圖2 厚壁管道裂紋檢測示意圖

2 總體方案設計

基于電磁超聲的厚壁管道裂紋檢測系統(tǒng)硬件總體框圖如圖3所示。主控核心是DSP，外部設備包括了超聲發(fā)射／接收電路、數(shù)據(jù)采集電路等幾部分。該系統(tǒng)的主要工作過程如下：由DSP產(chǎn)生的脈沖信號控制發(fā)射電路在發(fā)射線圈上產(chǎn)生高頻交變電流；交變電流在管道內(nèi)部產(chǎn)生渦流；渦流在外部靜磁場的作用下產(chǎn)生高頻振動，從而產(chǎn)生電磁超聲斜入射SV 波；聲波在傳播過程中如果遇到裂紋缺陷，會發(fā)生衰減和反射；接收的回波信號經(jīng)過DSP 內(nèi)部AD采集之后進行信號處理，最后將處理結(jié)果經(jīng)過串口發(fā)送給上位機進行顯示。

圖3 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

EMAT 探頭工作于收發(fā)一體方式，同時承擔發(fā)射、接收電磁超聲的功能。通過檢測有無回波和回波幅值大小可以判斷裂紋缺陷的相關信息。Cawley，Alleyne等人研究發(fā)現(xiàn)，當管道半徑是壁厚的10倍以上時，管道的聲學特性與相同厚度的鋼板相近［9］。因此，筆者將先對21mm 厚管道裂紋進行檢測，隨后對35mm 厚的鋼板進行研究，再將研究成果推廣于實際的管道檢測中。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 基于DSP的控制和接口電路設計

DSP控制電路主要完成發(fā)射電路的控制，接收信號的采集、處理，并通過串口與上位機通信。考慮到系統(tǒng)中要求信號處理的運算速度快、實時性高，同時還需完成對1 MHz的電磁超聲信號進行實時采集，因此設計采用TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理器作為主控芯片。

TMS320F2812芯片是32 位定點的在控制領域中專用數(shù)字信號處理器，具有精度高、速度快、集成度高等特點。芯片內(nèi)含128k×16bit閃存，運算速度為150MIPS，自帶16路12位高速AD，可以滿足檢測需要。該處理器的大容量FLASH 存儲空間適用于低功耗、高性能的控制系統(tǒng)，足以滿足一般算法需求。TMS320F2812 的接口電路如圖4 所示，主要包括復位電路、時鐘電路、串口通信電路和外擴存儲電路等。

圖4 TMS320F2812接口電路

3.2 發(fā)射電路設計

EMAT 換能效率較低，為了獲得較高的發(fā)射功率，發(fā)射電路采用D 類功率放大器結(jié)構(gòu)［10］進行設計。試驗測得，在1 MHz的高頻環(huán)境下，與發(fā)射線圈串聯(lián)的0.15Ω 采樣電阻兩端的電壓峰峰值約為20V?？捎嬎愕冒l(fā)射電流達130A。電壓采樣波形如圖5所示。

圖5 采樣電阻兩端的電壓信號

3.3 接收電路設計

接收部分采用低噪聲的多級放大電路對接收回波進行放大。EMAT 發(fā)射電路在工作時會產(chǎn)生強大的電磁干擾，可以對高增益高靈敏度的接收電路產(chǎn)生破壞性的影響。因此，必須對放大電路的輸入之前加入限幅電路。由于接收到的回波信號僅為幾百微伏，需要將信號放大上萬倍才能達到AD 采集的要求。此時接收電路很容易振蕩，為了防止振蕩，需要注意以下幾個問題：

（1）單級放大電路的放大倍數(shù)應適中；

（2）放大電路的正負電源之間需加濾波電容，防止電源波動對放大電路的影響；

（3）檢測系統(tǒng)應與管道保持良好電氣接觸。

圖6是在21mm 厚管道中接收到的裂紋回波信號。

圖6 21mm 厚管道裂紋缺陷回波信號

4 系統(tǒng)軟件設計

TMS320F2812 在系統(tǒng)中實現(xiàn)的功能包括發(fā)射電路的控制、AD 數(shù)據(jù)采集、微弱信號檢測、裂紋判斷和串口、通信等功能。主程序流程圖如圖7 所示。

上位機界面采用Lab－Windows／CVI軟件設計。通過上位機界面顯示信號處理后的裂紋回波信號，同時顯示裂紋的位置。

圖7 主程序流程圖

5 調(diào)試結(jié)果及分析

為了能對各種取向的裂紋都有較高的靈敏度，選擇入射角度為45°的電磁超聲斜入射SV 波對管道裂紋進行檢測。首先對21mm 厚管道外表面中電火花加工的裂缺陷紋進行試驗，裂紋長30mm，寬0.5mm，深2mm。斜入射SV 波在遇到裂紋缺陷時在管道內(nèi)經(jīng)過兩次反射，其傳播距離為l＝2×21／cos45°＝59.40mm，實測斜入射SV 波傳播距離為61.55mm，相對誤差為3.6%。為了進一步驗證裂紋檢測的正確性，還對35mm 厚鋼板的裂紋進行了檢測，裂紋長35 mm，寬0.5mm，深2mm。檢測結(jié)果如表1所示。經(jīng)過DSP處理后上傳給上位機的波形如圖8所示。

表1 35mm 厚鋼板裂紋檢測結(jié)果

從表1 可以看出，測試的相對誤差最大為3.6%，能夠?qū)崿F(xiàn)對厚壁管道的裂紋檢測。

6 結(jié)論

將電磁超聲技術與DSP應用技術相結(jié)合，制定了基于電磁超聲的厚壁管道裂紋檢測方案。同時設計了基于電磁超聲的厚壁管道檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以激發(fā)和接收電磁超聲斜入射SV波，克服了傳統(tǒng)壓電超聲需要耦合劑的缺點，能夠在壁厚為35mm以下的管道中檢測出深度超過2mm 的管道裂紋缺陷，實現(xiàn)了對厚壁管道的裂紋有效檢測。

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