基于電磁超聲的金屬管道腐蝕檢測儀的研制

錢宏亮，王艷斌，閆重強，郭振東，段 凱，李 濤

（中電科信息產(chǎn)業(yè)有限公司，鄭州 450047）

管道運輸是現(xiàn)代交通運輸?shù)闹匾\輸手段，已在石化、冶煉、電力、食品和造紙業(yè)等領(lǐng)域大量使用。目前，無論是長距離的介質(zhì)管道，還是工廠內(nèi)部的短程介質(zhì)管道，絕大部分是鋼制金屬管道，具有操作溫度高、工況復(fù)雜、管道分布密集、介質(zhì)有腐蝕性等特點。鋼管在長期服役過程中，由于化學(xué)、物理或電化學(xué)作用造成金屬的破壞或者變質(zhì)的腐蝕現(xiàn)象非常普遍。因此，使用先進的檢測和監(jiān)控技術(shù)及設(shè)備，及早發(fā)現(xiàn)管道腐蝕失效，消除安全隱患，預(yù)防安全事故。

金屬管道的常見腐蝕形態(tài)有孔蝕、腐蝕破裂、脫層腐蝕、全面腐蝕、晶間腐蝕等。針對各種腐蝕形態(tài)，目前的檢測監(jiān)測技術(shù)主要有超聲波測厚法、超聲導(dǎo)播技術(shù)、漏磁通法、渦流檢測技術(shù)、電阻法、線性極化法、電化學(xué)阻抗譜、場圖像技術(shù)、電化學(xué)噪聲技術(shù)等。每種檢測技術(shù)都有其固有的優(yōu)缺點和適用范圍。比較而言，超聲檢測技術(shù)是通過檢測管道壁厚的變化或材料的不連續(xù)性來發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷的，具備檢測結(jié)果直觀，測量精度高，檢測速度快，可在管道內(nèi)外檢測以及易于使用等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)的在線和離線的管道腐蝕檢測設(shè)備中。但是，傳統(tǒng)的壓電超聲檢測技術(shù)，檢測時需要介質(zhì)耦合，對檢測面的表面粗糙度（Ra）有較高的要求，且難以應(yīng)用于高溫環(huán)境下的檢測和輸氣管道內(nèi)部檢測。近年來，逐漸成熟的電磁超聲（EMA）檢測技術(shù)，從檢測原理上解決了上述問題，對于金屬材質(zhì)管道或密封罐體，除了可以完成普通壓電超聲的檢測任務(wù)外，還可以實現(xiàn)壓電超聲難以完成的高溫檢測任務(wù)。

國外將電磁超聲技術(shù)應(yīng)用于金屬管道腐蝕檢測的典型公司有烏克蘭SSE 公司，其EMA 設(shè)備的測厚精度為0.1mm，配備高溫電磁超聲探頭，可應(yīng)用于600 ℃的高溫金屬管道測量；美國泛美公司是在常規(guī)超聲測厚儀的基礎(chǔ)上，配備電磁超聲探頭，實現(xiàn)高溫測量，測量精度為0.25 mm；德國Nordinkraft公司，其EMA設(shè)備的測厚分辨率為0.01 mm，可實現(xiàn)720 ℃的高溫金屬管道測量；美國Innerspec公司的Temate PowerBox H（PBH）是一款多功能的電磁超聲檢測儀，具備直入射測厚、探傷功能，斜入射探傷，表面波及導(dǎo)波檢測功能，其高溫電磁超聲探頭在配備冷卻裝置后，可長期檢測1 000℃的高溫管件。國內(nèi)尚無類似PBH 這樣的多功能電磁超聲檢測儀和面向金屬管道腐蝕檢測的缺陷評估軟件。因此，研制基于電磁超聲的金屬管道腐蝕檢測儀，對于提高我國電磁超聲檢測設(shè)備的水平和滿足管道運輸行業(yè)的高溫檢測需求，具有重要的實用價值和社會意義。

1 金屬管道腐蝕的電磁超聲檢測方法

電磁超聲與傳統(tǒng)的壓電超聲同屬于超聲范疇，EMA激勵超聲波的原理是：將線圈置于導(dǎo)電金屬表面上，在線圈中加載高壓脈沖，激勵產(chǎn)生一個交變的電磁場，導(dǎo)致被測物體表面層內(nèi)感應(yīng)出渦流。如果同時在線圈上施加穩(wěn)定磁場，就會與金屬內(nèi)部渦流相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力，被測物體的質(zhì)點在力的作用下產(chǎn)生沿被測件輻射或沿表面?zhèn)鞑サ某暡?。電磁超聲的接收是激發(fā)的逆過程，當(dāng)被測物體表面有超聲投射時，質(zhì)點發(fā)生位移，晶格在偏置磁場的作用下受力，產(chǎn)生交變電流，導(dǎo)致被測導(dǎo)體的表層出現(xiàn)交變的磁場，交變磁場漏出導(dǎo)電體，使配置在導(dǎo)電體表面上的檢測線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其頻率與接收到的超聲波有相同的頻率，其幅值與反射波的能量相關(guān)。在電磁超聲檢測中，被測物體是電磁超聲傳感器的一部分，必須是電導(dǎo)體或磁導(dǎo)體。若被測物體是鐵磁性材料，除洛侖茲力外，還受到磁致伸縮力的作用。

電磁超聲探頭（EMAT）由磁鐵、發(fā)射接收線圈、試件三部分構(gòu)成。與壓電探頭比較，使用EMAT 進行管道壁腐蝕檢測，有很多優(yōu)點：①不需要耦合劑，適合高溫檢測及輸氣介質(zhì)管道內(nèi)的爬行檢測。②非接觸測量，檢測時受涂層、污染物，粗糙表面的影響很小。③發(fā)現(xiàn)自然缺陷的能力強，能檢測出鋼管表面存在的裂紋、孔洞等不易檢出的缺陷。④在鋼管中激發(fā)的超聲導(dǎo)波，傳播距離遠，在進行鋼管的縱向缺陷檢測時，探頭與工件無需旋轉(zhuǎn)。⑤測量厚度時，EMAT 采用橫波，縱向分辨力要比壓電探頭高出一倍。

EMAT 使用不同的線圈、磁場和激勵頻率，可產(chǎn)生各種類型的超聲波［1］。對于金屬管道的腐蝕檢測，主要采用體波測厚方法和表面波缺陷檢測方法。

儀器設(shè)計的體波測厚使用EMAT，使永磁體產(chǎn)生垂直靜態(tài)偏置磁場，線圈為螺旋結(jié)構(gòu)，頻率為2.5 MHz，可在金屬管壁內(nèi)激發(fā)垂直入射的橫波。檢測時，通過檢測超聲波在管壁中傳播時間（T），計算出管壁厚度（H），比較厚度的變化，即可判斷管道的腐蝕情況，如圖1所示。

圖1 電磁超聲探頭檢測管壁腐蝕模擬圖

表面波探傷EMAT 使用永磁體產(chǎn)生垂直靜態(tài)偏置磁場，線圈為曲折結(jié)構(gòu)，頻率為1.5 MHz，可檢測金屬管壁內(nèi)外表面及亞表面的腐蝕缺陷。當(dāng)管壁沒有不連續(xù)性時，EMAT 發(fā)射的表面波，繞管壁一周，只有一個回波；若在傳播路徑上有缺陷或焊縫，會有多個反射波，其缺陷判定和定位方法與壓電超聲表面波探傷方法相同，如圖2所示。亦可以將探頭旋轉(zhuǎn)90°，使表面波沿徑向傳播，便于發(fā)現(xiàn)周向延伸的缺陷。將探頭置于內(nèi)壁，就可以用同樣的方法，檢測內(nèi)壁缺陷。

圖2 電磁超聲波探頭表面波檢測模擬圖

2 金屬管道腐蝕檢測儀的設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)組成

電磁超聲金屬管道腐蝕檢測儀與壓電超聲檢測儀的區(qū)別在于探頭不同，缺陷分析軟件不同，發(fā)射接收電路有些區(qū)別，其他則基本相同。系統(tǒng)主要有電磁超聲探頭（EMAT）、發(fā)射接收電路、模擬信號處理電路、數(shù)字信號處理電路、人機界面（HMI）和腐蝕檢測軟件包等組成。其原理框圖如圖3所示。

圖3 電磁超聲金屬管道腐蝕檢測系統(tǒng)

在圖3中，人機界面為基于Windows XPe的嵌入式終端，內(nèi)置腐蝕分析軟件包。數(shù)據(jù)采集和處理電路通過USB 接口與HMI通訊，由FPGA、MCU和A／D 變換電路完成。猝發(fā)波電路接收數(shù)字處理電路的觸發(fā)信號，并按設(shè)定的脈沖個數(shù)和頻率產(chǎn)生猝發(fā)信號，該信號經(jīng)過隔離驅(qū)動后，經(jīng)變壓器升壓，形成高壓大功率的線圈驅(qū)動信號，用以驅(qū)動EMAT的激勵線圈。不同頻率的線圈需要不同的調(diào)諧匹配電路，以達到最大的功率輸出和比較純凈的正弦波。激勵線圈和接收線圈可以是同一個線圈，也可以分離。分離的線圈接收靈敏度稍低一些，但是接收電路可以與高壓脈沖隔離，減少始脈沖寬度。單個線圈的EMAT 為自發(fā)自收式探頭，不存在兩個線圈結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)不一致的問題，使用的較多。接收線圈接收的微弱電壓信號，經(jīng)過阻抗匹配，經(jīng)保護和驅(qū)動，進入模擬信號處理電路。其放大倍數(shù)受主機的控制，并可在人機界面中設(shè)置。

2.2 硬件電路設(shè)計

電磁超聲金屬管道腐蝕檢測儀電路中，猝發(fā)波發(fā)生器電路、升壓變換和驅(qū)動電路與一般的壓電超聲區(qū)別較大。

2.2.1 猝發(fā)波發(fā)生器

猝發(fā)波發(fā)生器使用可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 猝發(fā)波發(fā)生器電路圖

FPGA 內(nèi)部通過PLL產(chǎn)生100 MHz的時鐘信號，作為全局時鐘源，提供給A／D 轉(zhuǎn)換、地址信號產(chǎn)生、猝發(fā)波發(fā)生器等電路使用，該時鐘源經(jīng)過可預(yù)置分頻器分頻，產(chǎn)生EMAT 激勵所需的頻率信號（Sf）。Sf進入高電平脈寬計數(shù)器后，在每個上升沿使計數(shù)器輸出高電平，同時開始對100MHz的時鐘源計數(shù)，計數(shù)到預(yù)設(shè)值后，使輸出變低，這樣就可以產(chǎn)生高電平脈寬可調(diào)的與Sf同頻的周期信號。延時計數(shù)器用于產(chǎn)生同頻的相較于第一路有一定時延的另一路猝發(fā)波。該時延以10ns為單位，根據(jù)預(yù)置的計數(shù)值產(chǎn)生延時。方法是：在延時計數(shù)器中有兩個寄存器，第一個寄存器為延時數(shù)寄存器，第二個為脈寬寄存器，每到Sf信號上升沿，開始計數(shù)，計數(shù)到指定的延時數(shù)后，使計數(shù)器輸出高電平；之后，開始對脈寬計數(shù)，達到脈寬計數(shù)值后，使計數(shù)器輸出低電平。這樣就產(chǎn)生了與第一路同頻的，具有死區(qū)時間控制的第二路信號。為了實現(xiàn)指定數(shù)目的猝發(fā)波，在每個觸發(fā)信號上升沿，使脈沖數(shù)計數(shù)器輸出為高電平，同時對延時計數(shù)器輸出的脈沖開始計數(shù)，計數(shù)到設(shè)定的脈沖數(shù)后，使脈沖數(shù)計數(shù)器輸出為低電平。該信號與上述兩路信號作邏輯與運算，即可產(chǎn)生設(shè)定頻率和指定數(shù)目的猝發(fā)波。該猝發(fā)波發(fā)生器使用Verilog HDL語言實現(xiàn)，除1.5MHz和2.5MHz的頻率外，還可以按需要產(chǎn)生其他頻率的猝發(fā)波。

2.2.2 驅(qū)動電路和升壓變換

驅(qū)動電路采用高壓高速MOS器件和全橋逆變技術(shù)來產(chǎn)生所需的大電流脈沖波，該脈沖波經(jīng)變壓器升壓后，經(jīng)調(diào)諧匹配電路，與EMAT 線圈連接，用以激發(fā)電磁超聲。原理圖如圖5所示。

圖5 驅(qū)動電路圖

圖5 中，猝發(fā)波發(fā)生器產(chǎn)生的兩路猝發(fā)波（BurstA、BurstB）經(jīng)光電隔離后用于驅(qū)動高壓MOS管，Q1 和Q4 受控于BurstA，Q2 和Q3 受控于BurstB。當(dāng)BurstA 的猝發(fā)脈沖到來時，Q2 和Q3截止，Q1和Q4同時導(dǎo)通，電流經(jīng)R16、Q1、R7、T1原邊、R6、Q4、R1驅(qū)動變壓器T1，導(dǎo)致變壓器副邊上產(chǎn)生相應(yīng)的高壓大電流脈沖；當(dāng)BurstB的猝發(fā)脈沖到來時，則在變壓器上產(chǎn)生反向的大電流脈沖。結(jié)果，在變壓器的副邊輸出與觸發(fā)波同頻的高壓脈沖。試驗時，Q1、Q4 與Q2、Q3 同時導(dǎo)通會導(dǎo)致MOS管的損壞，為了避免它們同時導(dǎo)通，需設(shè)置合適的死區(qū)延時。為此，使用R16（自恢復(fù)限流電阻）進行限流，使用R1檢流，當(dāng)有超過設(shè)定閾值的電流通過R1時，比較器向FPGA 輸出高電平，用于阻止猝發(fā)波的發(fā)生，同時向主機提供故障信號。變壓器T1升壓后的副邊輸出，經(jīng)過調(diào)諧匹配電路，整形為正弦猝發(fā)波，輸出到EMAT。

調(diào)諧電路主要是根據(jù)不同的探頭頻率，使用合適的電容值與探頭線圈并聯(lián)使之諧振，使能量輸出達到最佳，并使輸出波形更接近正弦。

2.2.3 接收電路

接收電路與壓電探傷儀的接收電路基本相同，區(qū)別在于EMAT 線圈相當(dāng)于微弱的感性電壓源，前級匹配非常重要。經(jīng)過多種比較試驗，使用變壓器進行耦合匹配，取得了較好的效果，如圖6所示。

圖6 接收電路圖

圖6中，探頭信號經(jīng)過變壓器匹配，二極管限幅保護后，進入放大電路。ADI公司的AD 603是一款寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度的壓控VGA 放大器。電路采用兩片AD603作為主放大器，第一片的增益變化范圍為－11dB到＋31dB，帶寬90MHz，第二片的增益變化范圍為9dB 到＋51dB，帶寬9MHz。兩片級聯(lián)可實現(xiàn)的增益范圍為－2dB 到＋82dB。增益控制使用MCU 自帶的DAC輸出電壓并聯(lián)控制。試驗測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增益超過72dB時，噪聲較大，易產(chǎn)生自激震蕩。因此，電路的實際放大倍數(shù)可達到4000倍，輸入靈敏度約為200μV，結(jié)合數(shù)字信號處理，能滿足腐蝕缺陷的檢測要求。

2.2.4 數(shù)字信號處理

放大后的信號，進入A／D 變換。儀器采用8位100 MHz的AD 變換芯片AD9283；在100 MHz采樣時，在鋼管中可以實現(xiàn)0.016 mm 的厚度測量分辨率，完全滿足腐蝕厚度測量和缺陷檢測要求。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，進入FPGA 進行數(shù)字信號處理。本儀器選擇Altera公司的EP4CE22器件。FPGA內(nèi)包括數(shù)字帶通濾波、平均值濾波、檢波、報警處理電路等。除報警處理電路外，其他電路均為通用的數(shù)字處理電路，可以由FPGA 開發(fā)工具直接生成。報警電路主要對波形的相位、幅度、寬度等特征進行相關(guān)分析，剔除干擾雜波后，對越過設(shè)定報警門限的波形數(shù)據(jù)加入緩存并記錄缺陷位置，最后通過USB接口送入主機。數(shù)字信號處理原理如圖7所示。

圖7 數(shù)字信號處理原理框圖

經(jīng)數(shù)字信號處理后，工頻干擾和浪涌干擾被有效剔除，高頻隨機噪聲被衰減20dB 左右。要進一步增加數(shù)字信號的處理效果，需要容量更大的FPGA 器件。

2.3 軟件設(shè)計

電磁超聲金屬管道腐蝕檢測儀是基于Windows XPe系統(tǒng)的，開發(fā)工具采用微軟的Visual studio軟件。檢測軟件設(shè)計為三層體系結(jié)構(gòu)：底層的USB接口硬件驅(qū)動和通訊軟件、中間層的數(shù)據(jù)分析和處理軟件、頂層的人機交互界面及檢測結(jié)果存儲軟件。

USB接口的硬件驅(qū)動功能包括USB 設(shè)備的檢測、枚舉、判定，讀寫測試、狀態(tài)檢測等功能。采用的USB接口芯片F(xiàn)T232H 帶有核心驅(qū)動程序，并提供有SDK 庫，可以直接調(diào)用提供的函數(shù)實現(xiàn)上述功能，無需研究USB 協(xié)議。USB 通訊軟件完成主機與FPGA 和MCU 的數(shù)據(jù)交換，主要功能包括向MCU 和FPGA 傳輸控制命令和讀取檢測數(shù)據(jù)，使用多線程技術(shù)實現(xiàn)。

發(fā)送線程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括：觸發(fā)模式、周期，猝發(fā)波參數(shù)，A／D變換頻率，采集長度，帶通濾波、檢波、增益和抑制參數(shù)，閘門、報警參數(shù)等。接收線程用于讀取回波數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)，需要很高的讀取速度。為此在FPGA中設(shè)置4kB的FIFO，與USB芯片的FIFO膠結(jié)。實測讀取速度可達到20MB／s以上。

數(shù)據(jù)分析和處理軟件主要包括：數(shù)據(jù)緩存，A掃描數(shù)據(jù)處理，B掃描數(shù)據(jù)處理，C 掃描數(shù)據(jù)處理，腐蝕評價等。

A掃描數(shù)據(jù)處理流程：聲速設(shè)定，溫度補償；體波模式下的厚度計算，腐蝕深度計算；表面波模式下周向檢測時的周長計算，缺陷位置距探頭位置的弧長計算，根據(jù)波幅計算缺陷的當(dāng)量大小。其算法可以采用壓電超聲中的厚度計算方法及缺陷當(dāng)量計算方法。

B掃描數(shù)據(jù)處理流程：掃描步長測量，腐蝕位置及大小計算，徑向和周向缺陷分布數(shù)據(jù)表的生成；掃描步長可通過外觸發(fā)模式測量，每個外觸發(fā)脈沖對應(yīng)一個固定的間距，該間距可由編碼器、光柵尺產(chǎn)生，也可由步進電機或伺服電機反饋的位置信號生成。若為內(nèi)觸發(fā)時，可以設(shè)定一個與掃查速度接近的默認值替代之。B 掃描的數(shù)據(jù)處理依賴A 掃描的處理結(jié)果。

C掃描數(shù)據(jù)處理流程：根據(jù)管件或罐體的預(yù)知形狀和幾何尺寸及B 掃描處理結(jié)果，生成腐蝕分布的三視圖數(shù)據(jù)，計算出最大腐蝕缺陷的面積，位置，最薄壁厚的位置、腐蝕深度。

腐蝕評價：管道使用安全性要綜合分析的因素主要有C掃描處理結(jié)果，材料的理化性能，應(yīng)力分析尺寸，管道使用環(huán)境，工況要求［2］。上述要素中，除現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)外，其他因素都可通過數(shù)據(jù)庫預(yù)存，在分析處理時直接調(diào)用。儀器采用腐蝕管道最小壁厚測量和安全評價方法［3］，文獻［3］中已有較明晰的描述，這里不再重復(fù)。

人機交互界面軟件包括工班參數(shù)，工件參數(shù)，儀器參數(shù)，評價標準參數(shù)等；顯示的內(nèi)容包括管道的壁厚，缺陷深度，位置，大小，A、B、C 掃描視圖等；存儲軟件用于記錄上述各項內(nèi)容到數(shù)據(jù)庫中或參數(shù)文件中，同時還具備檢測報告生成功能。

3 測試結(jié)果

為了檢測電磁超聲金屬管道腐蝕檢測儀所能達到的技術(shù)指標，使用壓電超聲的檢測方法和試塊對儀器進行測試。

首先使用試塊在厚度3～200mm 范圍內(nèi)對比檢測，在小于80mm 時，檢測誤差不超過0.05mm；在厚度80～200mm 時，檢測誤差不超過0.2mm。其次對平底孔進行測試，可以發(fā)現(xiàn)50mm 厚度范圍內(nèi)2mm人工平底孔缺陷。最后使用表面波進行檢測，可以發(fā)現(xiàn)距探頭100mm 處的小孔。

從檢測結(jié)果來看，對2mm 人工平底孔缺陷的檢出，還需要提高信噪比。這可以通過采用增大發(fā)射功率，提高放大電路的信噪比，使用容量更大的FPGA等方法，以增加數(shù)字濾波節(jié)數(shù)和平均次數(shù)來解決。

4 結(jié)論

電磁超聲金屬管道腐蝕檢測儀的脈沖發(fā)射電壓為1 300V，脈沖個數(shù)在1～10范圍內(nèi)可調(diào)，脈沖頻率在500kHz～5MHz范圍內(nèi)可調(diào)，檢測重復(fù)頻率可以達到1 000Hz，其厚度和缺陷檢測滿足金屬管道腐蝕檢測的要求。

對于低溫冰凍場所和高于100 ℃的高溫管道檢測，電磁超聲金屬管道腐蝕檢測儀具有壓電超聲不可比擬的優(yōu)勢；與自動化掃查裝置配合后，還可實現(xiàn)管道外及管道內(nèi)的自動化腐蝕檢測。

［1］美國無損檢測學(xué)會.美國無損檢測手冊 超聲卷（上冊）［M］.上海：世界圖書出版社，1996：499.

［2］劉穎，廖柯熹，劉長林，等.含腐蝕缺陷管道的剩余強度評價方法［J］.天然氣與石油，2008，26（2）：41－44.

［3］翁永基，盧綺敏.腐蝕管道最小壁厚測量和安全評價方法［J］.油氣儲運，2003，22（12）：40－43.