摘 要： 电磁超声检测技术是近年蓬勃兴起的先进无损检测方法,该项技术具有不需要使用耦合剂、检测效率高、可实现在线监测等显着优势,同时通过采用不同构型的电磁超声换能器,可实现多种超声波型的激发和接收,极大丰富了电磁超声检测技术的应用场景。同时,作为新兴的先进检测技术,电磁超声检测技术还存在诸如换能器换能效率不高、对粗晶材料检测效果不佳等问题需要进一步研究和发展。
关键词： 电磁超声; EMAT; 应用;
Abstract： electromagnetic ultrasonic testing technology is an advanced non-destructive testing method which is booming in recent years.This technology has the advantages of no coupling agent,high detection efficiency and online monitoring.At the same time,through the use of electromagnetic ultrasonic transducer with different configurations,it can realize multiple ultrasonic excitation and reception,which greatly enriches the application scenarios of electromagnetic ultrasonic testing technology.At the same time,as a new advanced detection technology,electromagnetic ultrasonic testing technology still has some problems,such as low energy conversion efficiency of transducer and poor detection effect on coarse-grained materials,which needs further research and development.
Keyword： electromagnetic ultrasound; EMAT; application;
1 、电磁超声检测技术原理
电磁超声检测技术是通过电磁超声换能器(Electromagn etic Acoustic Transducer,EMAT)激发和接收超声波的先进无损检测方法,EMAT是实现电磁超声检测的关键部分。励磁器、线圈和待检件是构成EMAT的三个重要组成部件。其中,励磁器提供外加磁场,可以采用永磁铁或电磁铁。永磁铁体积较小;电磁铁去磁速度较快,一般分为直流电磁铁和交流电磁铁。线圈内加载高频交流电,用以在待检件中产生涡电流,线圈的排布方式有蛇形、回形及吕形等。待检试件是EMAT不可或缺的组成部分,其必须是电导体或磁导体,这也就明确了电磁场超声检测的应用范围。铜、铝等非铁磁性导电材料中,电磁超声主要由电磁感应产生洛伦兹力作用产生,铁、钢、钴等铁磁性材料中的电磁超声一般由洛伦兹力、磁力和磁致伸缩原理共同作用产生。
非铁磁性导电材料电磁超声检测的基本过程是:待检试件与线圈放置于外加磁场中,线圈中加载高频电流后,线圈周围会感生出动态感应磁场,感应磁场会进一步在待检试件中感生出电涡流。处于外加磁场中的待检试件表面由于存在感生电涡流,试件内的微粒受到洛伦兹力会发生高频振动而产生超声波,并在工件内传播,此过程即完成超声波的发射过程。微粒的振动方向与传播方向确定了超声波的类型。电磁超声的接收阶段,反射声波会使试件内部微粒发生振动,从而引起磁场的扰动,进而会在线圈中感生出电压信号,实现检测信号的接收。
图1 电磁超声检测技术原理
铁磁性导电材料电磁超声检测过程除了受到洛伦兹力的影响,还受到磁力和磁致伸缩效应的影响。洛伦兹力和磁力体现为力的变化,磁致伸缩应变则体现为质点的振动幅度。在能量转化的角度体现为电磁场与弹性场间的能量传递:洛伦兹力、磁力和磁致伸缩应变三种机理的耦合。三种机理的数学表达式如下:
式(1)是洛伦兹力的表达式,其中为电磁感应产生交变磁场在待检件中形成的涡电流密度,单位A/m2;是外加磁场在待检件中的磁感应强度,单位T,和符合左手定则判定。式(2)是磁力表达式,其中M是在外加磁场作用下待检件的磁化强度,单位T;H是外加磁场强度,单位A/m;式(3)是磁致伸缩应变表达式,其中是恒定磁场柔度矩阵;是待检件的所受内应力,单位N/m2;D为待检件的压磁应变系数。
根据EMAT中外加磁场的不同情况,EMAT可大致分为以下几类:均匀静态磁场EMAT,非均匀静态磁场EMAT,空间周期静态磁场EMAT。均匀静态磁场EMAT中,在洛伦兹力作用下产生横波,在磁致伸缩效应下产生水平剪切波。非均匀静态磁场EMAT中,由于不同位置的磁场分布不一致,EMAT所激发超声波类型由外加磁场在待检件的分布决定。空间周期静态磁场EMAT的磁场由一系列周期排列的磁铁产生,易激发出水平剪切波。
2 、技术优势
由电磁超声检测的基本原理可知,电磁超声波的发射和接收不需要通过耦合剂进行传播,从而使得检测过程中不需要使用传统压电超声必须使用的耦合剂。同时,电磁超声在检测过程中对待检件表面是否涂有油漆并无要求,这可以免去大量的油漆打磨及恢复的时间,极大的提升了现场检测的效率,并降低待检设备使用单位的运维成本。
对于消防管线、输油输气管线等数量较多、长度较长的管线,传统的检测方法实施效率较低,往往需要较长的检测工期。电磁超声由于能够激发出沿管道表面传播的导波,在导波反射式扫查模式下,电磁超声探头沿待检管件扫查一周,探头所发射的导波在直管及弯管段的有效检查距离超过10m,体现了极高的现场检测效率。在衰减式扫查时,电磁超声探头沿管道轴向扫查,所激发的的导波可沿管道周向传播,实现对管道周向腐蚀等缺陷的检测。
对于高温部件,传统压电超声往往需要使用高温探头和高温耦合剂,成本高、效率慢、可重复性差。在电磁超声检测过程中,EMAT的线圈不需要直接接触待检件,为保护载流线圈,一般在探头前部加装一定厚度的保护层。保护层可采用耐热、隔热材料,可以有效隔离待检件与EMAT探头之间的热传导,从而使得电磁超声可以直接对高温管线进行检测,实现在不使用费用昂贵的高温耦合剂条件下的高效检测,且检测结果具有良好的的可重复性。同时,由于耐高温的特点,在特殊情况下可以在焊接完成、焊缝尚未冷却的时候实施快速检测。
3 、存在的不足
基于电磁超声检测技术发射-接收超声波的原理,EMAT的换能效率比传统压电超声低,其所收到的超声波信号幅值较小,甚至可能出现有效幅值被噪声信号淹没的情况,此时往往需要增大发射功率,但也带来线圈容易发热的问题。
为保护EMAT探头,一般需要在探头前端安装特定的保护层,此保护层的厚度对电磁超声检测有直接影响。一般将保护层厚度及保护层到待检件表面的距离之和称为提离距离。当提离距离过大时,EMAT在待检件中激发的超声波较弱,造成检测信号较差。以电磁超声实施测厚为例,有研究表明,提离距离不宜大于1mm,否则测厚数据会严重失真。为获得良好的检测效果,保护层厚度不宜过大,且检测时需尽量将探头靠近待检件表面。因此,在对高温部件进行不间断的连续电磁超声监测时,可能会出现由于探头无法及时散热而影响检测效果的情况。
电磁超声检测技术对金属部件的检测原理,其本质依然是超声波,只是超声波的激发-接收方式与常规压电超声有本质的区别。所以,电磁超声检测还是存在传统压电超声的一些不足之处。其对奥氏体不锈钢等粗晶材料的检测效果尚需进一步提升。作为一种新兴的检测技术,电磁超声检测技术对焊缝的检测灵敏度还有提升空间。
在进行长距离管线的腐蚀检测时,电磁超声激发的导波仅能沿着直管段及弯管段传播,其无法通过三通、锥形段、法兰、阀门等物项,对此类物项还需补充其它检测方法。
4 、应用展望
根据电磁超声检测的技术特点,其激发的导波能够沿着管线表面传播,可应用于大批量、长距离管线的腐蚀检测,且检测过程不需要使用耦合剂,不需要打磨油漆等附着物,实现高效快速检测。对高温部件的测厚检测是电磁超声检测技术的另一个重要应用领域。测厚时应用的是电磁超声所激发的体波进行检测。由于可以在高温环境下进行检测,故无需等待机组停机、设备停运,就可以对关注区域进行在线检测,极大的提高了业主的设备管理水平,确保在用设备安全可靠运行。同时,电磁超声测厚技术还可以广泛的应用于不同金属板材测厚、钢板测厚、焊缝检测、铁轨踏面等不同结构部件的检测。基于超声波声弹性理论,电磁超声检测技术还可以用于焊接残余应力的测量和在役螺栓轴力测量等。
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