高提離距離的橫波電磁超聲檢測技術(shù)研究

黃賢濱，趙揚(yáng)，巨陽，宋江峰，陳建偉，郭銳，南鋼洋，王啟武

(1．中石化青島安全工程研究院，山東 青島 266000；2．齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院激光研究所無損檢測平臺，山東 濟(jì)南 250103；3.名古屋大學(xué)機(jī)械學(xué)院，日本 名古屋 4648603)

管道在石油煉化廠區(qū)油氣輸運(yùn)過程中發(fā)揮著巨大的作用，長時間高壓、高速流動的石油和天然氣攜帶的雜質(zhì)會對管道產(chǎn)生沖刷腐蝕，造成管道內(nèi)壁減薄[1-3]。目前，隨著能源工業(yè)的迅猛增長，對服役于煉化廠區(qū)的管道質(zhì)量及安全提出了更高的要求。因此，如果能夠以無損檢測的方式，提供一種有效的管道壁厚實(shí)時檢測技術(shù)，對于確保管道的安全服役具有重要意義。當(dāng)前已經(jīng)應(yīng)用于管道厚度的檢測技術(shù)主要有超聲波測厚法、電阻法和電化學(xué)阻抗譜等，這些方法有各自的優(yōu)勢和局限性[4-6]。電磁超聲(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)技術(shù)因具有無需聲耦合劑以及不受被檢材料表面粗糙度限制等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)高速采集和無線傳輸技術(shù)，正成為石化設(shè)備在線檢測的熱門技術(shù)方法。

國外電磁超聲技術(shù)工業(yè)已進(jìn)入應(yīng)用階段，如德國Nordiinkraft公司的EMAT設(shè)備的測厚分辨率為0.01 mm，可實(shí)現(xiàn)720 ℃的高溫金屬管道測量[7]。國內(nèi)對電磁超聲的研究起步較晚，段偉亮等[8]結(jié)合FPGA和SOPC技術(shù)研制了分辨率可達(dá) 0.1 mm的電磁超聲測厚儀。楊理踐等[9]研究了測厚信號幅度與各參數(shù)之間的關(guān)系，通過設(shè)置匹配的參數(shù)，結(jié)合小波函數(shù)，獲得了高精度的電磁超聲測厚信號，測量精度達(dá)到了0.06 mm。但是，當(dāng)電磁超聲檢測系統(tǒng)應(yīng)用于煉化廠區(qū)等特殊環(huán)境時，需要滿足國家防爆標(biāo)準(zhǔn)，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)問題是確保電磁超聲傳感器能夠在較高的提離距離下工作，以滿足傳感器外殼的防爆設(shè)計(jì)要求。目前，采用單脈沖電磁超聲回波檢測技術(shù)，其提離距離大于3 mm時，信噪比已無法滿足檢測要求[10-11]。本文針對這一技術(shù)難題，通過磁鐵聚焦和線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了一套無線傳輸且最大提離距離為6 mm的電磁超聲檢測系統(tǒng)。

1 理論方法

圖1 EMAT超聲橫波檢測原理示意圖Fig.1 Schematic illustration of EMAT ultrasonic transverse wavetesting principle

電磁超聲激勵橫波效率高于縱波，且橫波波速約為縱波波速的一半，因此利用橫波可以檢測厚度較薄的材料。本文設(shè)計(jì)了自發(fā)自收垂直入射式的電磁超聲橫波系統(tǒng)檢測材料厚度，EMAT超聲橫波檢測原理如圖1所示。

圖1線圈中通以交變電流I，磁感應(yīng)強(qiáng)度B滿足：

(1)

其中，μ是介質(zhì)的磁導(dǎo)率

(2)

在導(dǎo)電體表面上空有交變磁場H。由于趨膚效應(yīng)，透入導(dǎo)電體內(nèi)磁場會呈指數(shù)衰減，因此只會在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，其密度為：

J(z,t)=×H(z,t)。

(3)

圖2 電磁超聲橫波檢測系統(tǒng)Fig.2 Electromagnetic ultrasonic transverse wave detection system

本文采用的是蝶形線圈設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的渦流密度方向平行于導(dǎo)體表面，因此在垂直向下的靜磁場作用下，會受到洛倫茲力的作用。

F(z,t)=J(z,t)×(B0+B)，

(4)

其中，B0為靜磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度。其中電子通過與晶格碰撞使導(dǎo)體表面受力，成為超聲波的聲源。根據(jù)矢量定理，電子受到的洛倫茲力方向平行于導(dǎo)體表面。在平行于磁場方向上的超聲波，傳播方向和質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直，因此所產(chǎn)生的超聲波為橫波。

2 檢測系統(tǒng)

本文所設(shè)計(jì)的電磁超聲檢測系統(tǒng)見圖2。EMAT激勵接收電路激勵EMAT傳感器在被測試樣中產(chǎn)生超聲波，超聲回波再被EMAT傳感器接收，經(jīng)數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和簡單數(shù)據(jù)處理后，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)接收采樣數(shù)據(jù)并運(yùn)行測厚算法，顯示采樣數(shù)據(jù)和厚度數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)行聲速標(biāo)定和數(shù)據(jù)保存等操作。

對于電磁超聲傳感器，本文采用釹鐵硼 (NdFeB)永磁鐵來提供外加磁場，為確保檢測區(qū)域的靈敏度，采用聚焦式組合磁鐵結(jié)構(gòu)。圖3中給出了聚焦式與普通式磁鐵結(jié)構(gòu)磁場強(qiáng)度的有限元模擬結(jié)果，對比發(fā)現(xiàn)聚焦式磁鐵可以將磁場強(qiáng)度集中于檢測區(qū)域，這種設(shè)計(jì)有利于提高檢測信號的信噪比。

在檢測線圈設(shè)計(jì)方面，采用蝶形線圈的設(shè)計(jì)方式(圖4)，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以自消除線圈回路中產(chǎn)生的電噪聲，然后利用PCB技術(shù)制備所設(shè)計(jì)的帶有覆銅屏蔽層的橫波電磁超聲檢測線圈，這些設(shè)計(jì)均有利于提高檢測信號的信噪比。

圖4 蝶形電磁超聲檢測線圈示意圖Fig.4 Schematic diagram of butterfly electromagnetic ultrasonic testing coil

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用該系統(tǒng)首先在提離距離依次為1 mm～6 mm范圍進(jìn)行CB-I型標(biāo)準(zhǔn)試塊標(biāo)稱22 mm厚度區(qū)進(jìn)行檢測，檢測波形如圖5所示，從波形上可以清楚地發(fā)現(xiàn)，在提離距離增大至6 mm時，仍能有效地檢測出材料厚度，且檢測精度小于0.05 mm，能夠滿足煉化廠區(qū)的管道厚度檢測需求，從實(shí)驗(yàn)上首次證明了高提離距離下(≥5 mm)橫波實(shí)時檢測金屬材料厚度的可能性。

然后，用該系統(tǒng)首先在提離距離依次為3 mm～6 mm范圍，對厚度為12.16 mm的煉化所用管道進(jìn)行檢測，檢測波形如圖6所示，檢測結(jié)果為12.18 mm，檢測精度小于0.05 mm。

圖5 不同提離距離下CB-I型標(biāo)準(zhǔn)試塊厚度的電磁超聲檢測結(jié)果Fig.5 Electromagnetic ultrasonic testing results of CB-I type standard test blocks thickness at different lift off distances

圖6 不同提離距離下管道厚度的電磁超聲檢測結(jié)果Fig.6 Electromagnetic ultrasonic testing results of pipe thickness at different lift off distances

4 結(jié)語

電磁超聲檢測技術(shù)以其無接觸性和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性在無損檢測領(lǐng)域顯示出強(qiáng)大生命力，特別是用于金屬材料厚度的檢測。本文通過磁鐵的聚焦設(shè)計(jì)和線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了具有高提離距離的電磁超聲檢測系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)證明了高提離距離下(≥5 mm)橫波實(shí)時檢測金屬材料厚度的可能性，當(dāng)提離距離增大至6 mm時，厚度檢測精度小于0.05 mm，該條件能夠滿足煉化廠區(qū)的管道厚度檢測需求。本文的研究結(jié)果為電磁超聲檢測技術(shù)通過防爆設(shè)計(jì)和認(rèn)證提供了可能，有望應(yīng)用于煉化廠區(qū)管道壁厚在線檢測。

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