電磁超聲技術(shù)在變電站GIS管道裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用研究

王 偉，潘曉明，張永生

(蘇州供電公司，江蘇蘇州 215004)

為了節(jié)約土地，現(xiàn)在越來越多的變電站使用GIS設(shè)備。這些GIS管道工作于高壓狀態(tài)下且受到各種侵蝕，容易出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重影響GIS的安全運(yùn)行。對(duì)于GIS管道外部的細(xì)小裂紋，在造成GIS內(nèi)部氣體泄漏之前，無法用放射法或壓力檢測(cè)法等檢測(cè)，但這些裂紋對(duì)GIS的安全運(yùn)行構(gòu)成巨大威脅。利用電磁超聲導(dǎo)波對(duì)GIS管道進(jìn)行檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)其微小裂紋，從而及時(shí)采取補(bǔ)救措施。電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)法是利用電磁感應(yīng)的方法直接在被檢測(cè)管道內(nèi)激發(fā)超聲導(dǎo)波，無需任何耦合劑，這是其相對(duì)于壓電超聲法的優(yōu)點(diǎn)之一。該方法不需要與被檢測(cè)體接觸，所以不需對(duì)管道外壁清洗或做其他處理，可以適用于高壓管道的在線檢測(cè)[1]?？梢?，利用電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)變電站GIS管道的裂紋缺陷是一種有應(yīng)用前景的檢測(cè)技術(shù)。

1電磁超聲原理

根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)原理，既然磁場(chǎng)能夠引起鐵磁性材料微觀結(jié)構(gòu)的變形，若對(duì)鐵磁性材料施加交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)就會(huì)使其周期性變形，而微觀結(jié)構(gòu)的變形就使其產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)就可以激發(fā)出聲波。因此，可以對(duì)鐵磁性材料施加高頻交變磁場(chǎng)，使其周期性伸縮振動(dòng)，從而激發(fā)出超聲波。本文根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)電磁超聲換能器 （EMAT）[2]，利用EMAT在鐵磁性材料中激發(fā)超聲波。同時(shí)，鐵磁性材料的伸縮振動(dòng)，會(huì)使其微觀磁疇周圍磁場(chǎng)產(chǎn)生變化，這就是磁致伸縮逆效應(yīng)。根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng)可以接收超聲波信號(hào)。

2電磁超聲換能器設(shè)計(jì)

EMAT由三部分組成：偏置磁場(chǎng)、彎曲線圈和被檢測(cè)體。偏置磁場(chǎng)為EMAT提供合適的工作點(diǎn)，使其電-聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高。文中用U型電磁鐵產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，電磁鐵線圈為1 000匝，負(fù)載電流可達(dá)10 A，通過調(diào)節(jié)線圈中的電流就可以控制偏置磁場(chǎng)的強(qiáng)度。被檢測(cè)體是EMAT的一部分，因?yàn)槌暡ㄊ窃诒粰z測(cè)體內(nèi)激發(fā)的。文中被檢測(cè)體為長1 000 mm，直徑500 mm，壁厚10 mm的鋼管道，用來代替GIS管道。彎曲線圈用來激發(fā)和接收電磁超聲信號(hào)。在彎曲線圈中通入高頻電流，高頻電流在管道壁感應(yīng)出高頻磁場(chǎng)，引起管道局部的微觀振動(dòng)，從而激發(fā)出超聲波。彎曲線圈設(shè)計(jì)時(shí)需滿足以下相位匹配條件[3]：式中：f為超聲波的頻率；v為超聲波在管道壁中的傳播速度；d為線圈相鄰兩導(dǎo)線的中心距離。

滿足相位匹配條件的線圈能使EMAT效率達(dá)到最高，相同電流激勵(lì)下接收的信號(hào)幅值最高。接收線圈和發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)相同，如圖1所示。

圖1彎曲線圈結(jié)構(gòu)

只要改變彎曲線圈和U型電磁鐵的相對(duì)位置，即可利用EMAT激發(fā)出不同模式的超聲導(dǎo)波，這也是電磁超聲的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。文中需要采用SH0模式導(dǎo)波[4]，其EMAT結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3電磁超聲裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

EMAT轉(zhuǎn)換效率較低，激勵(lì)脈沖電流需要30 A以上，文中使用自行研制的脈沖電源作為EMAT的激勵(lì)電路，激勵(lì)電壓的波形如圖3所示。另外，EMAT接收信號(hào)微弱，信噪比低，需要設(shè)計(jì)信號(hào)放大器及濾波電路將有用信號(hào)提取出來。

4結(jié)束語

本文研究了利用電磁超聲導(dǎo)波來檢測(cè)變電站GIS管道的裂紋缺陷，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，分析EMAT所接收的電磁超聲信號(hào)，就可以準(zhǔn)確判斷裂紋的位置。由于目前該項(xiàng)研究還處于初級(jí)階段，對(duì)裂紋進(jìn)行定量分析還有待進(jìn)一步研究。

[1]張永生，黃松嶺，趙 偉，等.基于電磁超聲的鋼板裂紋檢測(cè)

系統(tǒng)[J].無損檢測(cè)，2009，42（4）：275-280.

[2]張志剛，闕沛文，雷華明.蘭姆波的電磁超聲磁致伸縮式激勵(lì)及其特性[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（1）：133-137.

[3]ALERS G A,BURNS L R.EMAT Designs for Special Applications[J].Materials Evaluation,1987,45：1184-1189.

[4]朱定偉，張春雷，黃建沖.電站管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)的模式選擇[J].廣東電力，2007，20（5）：16-20.