電磁超聲高溫測(cè)厚原理及應(yīng)用案例

齊水寶，高會(huì)棟，徐延穩(wěn)，鄭 凱

（1.上海優(yōu)博檢測(cè)科技有限公司，上海 201203；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，南京 210003）

近年來(lái)，無(wú)損檢測(cè)行業(yè)新技術(shù)發(fā)展迅猛，各類(lèi)檢測(cè)技術(shù)各具優(yōu)劣。然而針對(duì)高溫材料檢測(cè)方面的技術(shù)相對(duì)較少，目前較為常規(guī)的高溫材料的檢測(cè)方法有超聲（UT）、射線(xiàn)（RT）等。射線(xiàn)由于受到安全性和穿透能力等方面的制約，其現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用受到了較大的限制。在超聲檢測(cè)方面的通常做法是將傳統(tǒng)的壓電超聲探頭配合高溫耦合劑來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。由于耦合劑在高溫條件下不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致壓電超聲儀器讀數(shù)不穩(wěn)定甚至錯(cuò)誤；另外，對(duì)于溫度在300℃以上的在役管道檢測(cè)，傳統(tǒng)的壓電探頭幾乎無(wú)法獲取準(zhǔn)確讀數(shù)，迫切需要一種先進(jìn)、可靠的技術(shù)來(lái)解決高溫管道不停車(chē)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的問(wèn)題。電磁超聲以其非接觸、無(wú)需耦合、材料表面要求低、安全、可靠、便捷等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而成為高溫材料檢測(cè)的一種理想的技術(shù)方案。

在國(guó)外，電磁超聲傳感器（EMAT）用于測(cè)厚已有近30年的歷史［1－2］。電磁超聲在檢測(cè)過(guò)程中支持探頭與待測(cè)試塊非接觸；同時(shí)EMAT可以產(chǎn)生所有用于檢測(cè)的聲波模式，其激發(fā)橫波［3］和各種導(dǎo)波的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)的壓電超聲換能器。早期的EMAT也存在一些難以避免的局限，如激發(fā)效率較傳統(tǒng)壓電換能器低、檢測(cè)材料限于導(dǎo)電材料、對(duì)信號(hào)處理的要求高等。最近，由于受到電子和材料科學(xué)發(fā)展的推動(dòng)，EMAT克服了上述技術(shù)困難，作為一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)被廣泛用于金屬材料的檢

測(cè)［4－5］。

國(guó)內(nèi)電磁超聲的研究和應(yīng)用較晚，最早在冶金行業(yè)中鋼板的導(dǎo)波［6］、體波［7］探傷上有一些應(yīng)用。最近一些高校和科研機(jī)構(gòu)在具體的檢測(cè)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下，將電磁超聲應(yīng)用在鋼軌、列車(chē)車(chē)輪、鋼板等的在線(xiàn)或離線(xiàn)檢測(cè)中［8－9］。但是，電磁超聲在高溫管道檢測(cè)方面的應(yīng)用報(bào)道仍然較少，并沒(méi)有一個(gè)較好的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，筆者采用美國(guó)Innerspec公司提供的電磁超聲測(cè)厚儀，介紹了電磁超聲測(cè)厚原理和現(xiàn)場(chǎng)高溫管道測(cè)厚應(yīng)用，為業(yè)界認(rèn)識(shí)高溫電磁超聲測(cè)厚的特點(diǎn)提供數(shù)據(jù)資源和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 電磁超聲檢測(cè)原理

EMAT的基本原理是利用電磁效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生聲波。具體是在通電線(xiàn)圈外附加磁體，改變線(xiàn)圈與磁體的構(gòu)造來(lái)產(chǎn)生不同類(lèi)型和模式的聲波。EMAT探頭由磁體和線(xiàn)圈構(gòu)成，磁場(chǎng)、高頻電場(chǎng)、導(dǎo)電或?qū)Т蓬?lèi)檢測(cè)材料、檢測(cè)材料接近探頭等為EMAT技術(shù)的基本要素，測(cè)厚探頭的基本構(gòu)造見(jiàn)圖1（a）。圖1（b）為電磁超聲產(chǎn)生的基本原理，即將EMAT探頭置于待測(cè)材料上，超聲波頻率的交流電J0傳入EMAT線(xiàn)圈，通電線(xiàn)圈會(huì)在導(dǎo)電材料內(nèi)感應(yīng)出電流，即為通常所說(shuō)的渦流J0。由于集膚效應(yīng)，渦流分布于材料的表面，渦流在外加磁場(chǎng)B0的作用下產(chǎn)生洛侖茲力fl，引起被測(cè)材料的局部振動(dòng)而形成彈性波［10］；接收聲波的原理即為上述的逆過(guò)程。另外，當(dāng)被測(cè)材料具有導(dǎo)磁性時(shí)，材料晶格還會(huì)受到磁致伸縮力fms和磁化力fm的作用。材料中磁疇的磁化強(qiáng)度矢量會(huì)受外磁場(chǎng)的影響而發(fā)生改變，磁化過(guò)程中各磁疇間的界限發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械形變，即為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮力、磁化力和洛侖茲力相互耦合，進(jìn)而加強(qiáng)了聲波的激發(fā)效率。

圖1 電磁超聲原理圖

2 電磁超聲測(cè)厚算法和信號(hào)處理

電磁超聲換能效率低，接收到的超聲信號(hào)幅度較小，并且對(duì)環(huán)境噪聲較為敏感，信噪比小，因此，電磁超聲的信號(hào)處理和算法對(duì)于準(zhǔn)確的厚度測(cè)量尤為重要。美國(guó)Innerspec公司手持式高溫測(cè)厚儀采用了先進(jìn)的SCF濾波算法（信號(hào)相關(guān)算法）和AC（自相關(guān)）厚度計(jì)算算法，解決了EMAT聲信號(hào)信噪比低、測(cè)厚誤讀等問(wèn)題。

信號(hào)自相關(guān)算法對(duì)所獲得的A掃描信號(hào)做自相關(guān)處理后得到回波間聲時(shí)，進(jìn)而算出厚度。自相關(guān)算法不受回波幅度的影響，并且不依賴(lài)于第一次或第二次回波來(lái)得出讀數(shù)，同時(shí)該算法得到的結(jié)果具備較好的重復(fù)性。圖2為自相關(guān)算法計(jì)算的實(shí)例，圖2（a）可見(jiàn)，由于材料的各項(xiàng)異性等的影響，圖中并未出現(xiàn)第一次回波，如果按照傳統(tǒng)的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)或峰值檢測(cè)，讀數(shù)將會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。圖中閘門(mén)用于選定有效的回波信號(hào)，便于準(zhǔn)確地得到測(cè)量結(jié)果。圖2（b）可見(jiàn)，一次回波被補(bǔ)齊，大信號(hào)和小信號(hào)均有被放大的趨勢(shì)。圖2（c）可見(jiàn)，多次回波信號(hào)連續(xù)出現(xiàn)，信號(hào)幅度呈遞減趨勢(shì)，這樣將有利于得出回波間聲時(shí)，進(jìn)而準(zhǔn)確得到測(cè)厚結(jié)果。

圖3為檢波結(jié)果，可見(jiàn)，信號(hào)相位信息保存完好，同時(shí)整體包絡(luò)檢波結(jié)果可靠。

3 溫度補(bǔ)償

聲波在溫度差異較大的材料中傳播時(shí)，聲速會(huì)隨材料溫度發(fā)生改變，即同種材料，不同的溫度下聲速值不是恒定的。其具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下所示：

圖2 聲回波信號(hào)自相關(guān)處理

圖3 A掃描信號(hào)檢波結(jié)果

式中：vNew，v0，TNew，T0分別為材料溫度變化后聲速、材料起始參考溫度下聲速、變化后溫度和起始參考溫度。該式源自ASTM標(biāo)準(zhǔn)，為經(jīng)驗(yàn)公式。

圖4和5分別為電磁超聲測(cè)厚儀聲時(shí)及聲速隨溫度變化情況的儀器測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，儀器測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好。因此電磁超聲儀器在經(jīng)過(guò)溫度校準(zhǔn)后結(jié)果理想，可以很好地符合理論結(jié)果。

圖4 聲時(shí)－溫度變化曲線(xiàn)

圖5 聲速－溫度變化曲線(xiàn)

4 電磁超聲現(xiàn)場(chǎng)使用實(shí)例

石油、石化、電廠(chǎng)高溫管道數(shù)量眾多，出于經(jīng)濟(jì)效益或非人力可控因素考慮，很多管道的檢測(cè)需要在高溫不停產(chǎn)的情況下進(jìn)行。非接觸、無(wú)需耦合的電磁超聲技術(shù)為高溫材料檢測(cè)提供了基礎(chǔ)。以下介紹采用美國(guó)Innerspec公司生產(chǎn)的電磁超聲檢測(cè)儀temate?PowerBox－H（簡(jiǎn)稱(chēng)PBH）在球墨鑄鐵廠(chǎng)、石化廠(chǎng)高溫管道檢測(cè)的案例。

4.1 球墨鑄鐵管測(cè)厚

圖6為球墨鑄鐵管檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)使用圖。被檢測(cè)材料為鑄鐵管，管徑為1 000mm，管溫度為150℃。檢測(cè)人員手持主機(jī)和探頭直接進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)需涂耦合劑和打磨管道等過(guò)程。球墨鑄鐵表面為一層凸起的小球，非常粗糙，同時(shí)強(qiáng)度高，材料具有比較嚴(yán)重的各向異性。由于表面粗糙，傳統(tǒng)的壓電超聲在檢測(cè)前必須經(jīng)過(guò)打磨后涂上耦合劑才能進(jìn)行檢測(cè)，而高溫耦合劑不僅價(jià)格昂貴而且結(jié)果不穩(wěn)定。圖7為采用PBH設(shè)備檢測(cè)球墨鑄鐵管的部分A掃描數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為檢波模式下的結(jié)果。四幅圖片為儀器設(shè)置相同且同種類(lèi)型管的檢測(cè)結(jié)果?？梢钥闯觯牧霞ぐl(fā)超聲效率的偏差較大，由于受到材質(zhì)影響，回波中產(chǎn)生了高頻雜波成分，但是整體上信噪比可觀，可以準(zhǔn)確有效地識(shí)別回波并清楚地顯示讀數(shù)。檢測(cè)結(jié)果的具體評(píng)估見(jiàn)圖8。

圖6 球墨鑄鐵管EMAT現(xiàn)場(chǎng)測(cè)厚系統(tǒng)

圖7 PBH儀器檢波模式下A掃描部分?jǐn)?shù)據(jù)圖

圖8 游標(biāo)卡尺和EMAT對(duì)球墨鑄鐵管測(cè)厚結(jié)果

圖8可見(jiàn)，游標(biāo)卡尺與EMAT檢測(cè)結(jié)果存在一定的偏差，這與卡尺測(cè)量位置和EMAT測(cè)量位置偏移、探頭呈面型覆蓋等都有一定的關(guān)系，但測(cè)量誤差可以滿(mǎn)足工廠(chǎng)要求。

4.2 高溫減壓渣油管測(cè)厚

圖9為PBH在東北某石化廠(chǎng)高溫減壓渣油管線(xiàn)蒸汽管不停產(chǎn)在役檢測(cè)情況。該蒸汽管道流體溫度在650℃以上，外壁溫度由紅外測(cè)溫儀探測(cè)約為475℃。該石化廠(chǎng)減壓渣管的管徑范圍為400～700mm，管對(duì)接的彎頭處是管的連接點(diǎn)，相對(duì)容易出現(xiàn)壁厚減薄。在某管線(xiàn)的彎頭處測(cè)量了101個(gè)點(diǎn)的壁厚，耗時(shí)不到2小時(shí)，部分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖10和11。由圖可見(jiàn)，檢測(cè)所得A掃描信號(hào)完好，回波清晰可辨，數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定。在彎頭的不同位置，超聲檢測(cè)表現(xiàn)各異，當(dāng)管道曲率較大時(shí)，彎頭頂點(diǎn)處聲能量比較容易散射；同時(shí)減壓渣油管道的焊縫主要分布在彎頭處，焊縫的散射和吸收也較為嚴(yán)重，尤其是焊縫出現(xiàn)未焊透、未融合、氣孔、腐蝕等質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，幾乎無(wú)法獲得回波信號(hào)。EMAT的測(cè)量為高溫管道的腐蝕評(píng)估提供了間接依據(jù)，其關(guān)聯(lián)性還有待大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)印證和完善。

圖9 EMAT高溫減壓渣油線(xiàn)蒸汽管測(cè)厚系統(tǒng)

圖10 管徑600mm的管壁測(cè)厚A掃描顯示

圖10 管徑400mm的管壁測(cè)厚A掃描顯示

5 結(jié)語(yǔ)

EMAT作為一種超聲檢測(cè)新技術(shù)，具備超聲檢測(cè)的全部?jī)?yōu)勢(shì)，如安全、單面檢測(cè)、檢測(cè)效率高等。并且EMAT可以便捷地激發(fā)用于超聲檢測(cè)的全部聲波模式，是一種完備的檢測(cè)方式。同時(shí)，EMAT作為一種非接觸檢測(cè)的重要技術(shù)，具備在惡劣環(huán)境下實(shí)施檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，如高／低溫環(huán)境檢測(cè)、透過(guò)油漆層／氧化層檢測(cè)等。然而，由于EMAT為一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，并且存在一定的技術(shù)壁壘，以及用戶(hù)對(duì)該技術(shù)缺乏了解和認(rèn)知，限制了EMAT技術(shù)在國(guó)內(nèi)無(wú)損檢測(cè)行業(yè)的應(yīng)用。隨著EMAT技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，EMAT技術(shù)將會(huì)更多地得到應(yīng)用，解決一系列目前檢測(cè)界無(wú)法解決的難題。

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