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电磁超声探伤技术及其在无缝钢管检测中的应用

来源:至德钢业 日期:2020-06-06 17:44:56 人气:81

本文介绍了电磁超声无缝钢管检测的基本原理,分析了电磁超声探伤的特点与技术优势,并将电磁超声探伤技术与几种常规无损探伤技术进行比较。最后简要概述了电磁超声探伤技术的发展情况,以及该技术在钢管探伤领域的应用。

电磁超声(ElectromagneticAcousticTrans-ducer,以下简称EMAT)是无缝钢管无损检测领域出现的新技术,该技术利用电磁耦合方法激励和接受超声波实现对管材的检测。与传统的超声检测技术相比,它具有不需要耦合剂、检测精度高、适于非接触检测以及容易激发各种超声波形等优点。在石油工业无缝钢管生产中,电磁超声检测技术得到了越来越多的应用。其缺点为换能效率低,信号微弱,需要在检测中加以克服。总结和分析电磁超声检测的原理和特点,可进一步提高该技术在钢管电磁超声中的应用效果。

1电磁超声检测原理

1.1钢管电磁超声产生原理

当把高频电流加到靠近钢管表面的线圈上时,在钢管表面将会感应出相应频率的涡流。若同时在钢管表面上加一个磁场,那么涡流在磁场作用下就会产生一个与涡流频率相同的力,即罗仑兹力,它在钢管内传播就形成了声波。由于此效应具有可逆性,反射回来的声波在外磁场作用下也会产生涡流。涡流磁场使线圈端电压发生变化,作用信号被检测。

钢管EMAT的物理结构由高频线圈、磁铁和工件三部分组成,如图1所示。高频线圈,用于产生高频激发磁场;磁铁,用来提供外加磁场,它可以是永久磁铁或直流电磁铁,也可以是交流电磁铁或脉冲电磁铁;工件,即检测对象,它是EMAT的一部分(简称EMAT三要素)。无缝钢管的材质必须具有导电性或铁磁性,或导电性和铁磁性都具有。EMAT作为一种超声发生器,它的基本原理是围绕着EMAT三要素展开的。当置于钢管表面上的高频线圈通过高频电流时,它要在工件的趋肤层内产生涡流,(或感应磁场,相当于电动机的转子)此涡流在外加磁场(相当于电机定子磁场)的作用下,也会像电动机那样受到机械力的作用,而产生高频振动,形成了超声波波源。在接收超声波时,如同发电机的转子在定子的磁场中旋转,会在转子中产生感应电流一样,钢管表面的振荡也会在外加磁场力的作用下,在高频线圈中感应出电压而被仪器接收。因此,存在于上述机制中的这些相互作用就构成了检测的全过程。

1.2电磁超声的激发与接收

放在固定磁场中的线圈,当线圈内电流的方向改变时,线圈各部分的受力方向也将改变,而同一导体线圈放在不同取向的磁场中时,则线圈的受力方向也将发生变化。根据这一原理可在钢管中激发出超声纵波和横波。

如图2所示,为钢管中激发超声纵波的示意图。涡流线圈贴于钢管表面,磁铁如图放置,此时金属内的磁力线平行于金属表面。当线圈内通过高频电流时,将在钢管表面感应出涡流,且涡流平面与磁力线平行,在磁场作用下,涡流上将受一个力的作用。某一时刻的方向如图所示方向向上,半个周期后将受一个向下的力,这样,质点受交变力的作用,因此在作用力方向上产生一个弹性波。由于振动方向和波的传播方向一致,此波为超声纵波。

如图3所示,为激发横波的示意图。磁力线垂直于钢管表面,当贴附于钢管表面的涡流线圈通以交变电流时,将在钢管表面感应出涡流,在外磁场作用下,涡流受力方向平行于钢管表面。某一时刻的方向如图2所示,方向向右,半个周期后质点将受一个向左的力。这样,质点在交变力的作用下产生一个与作用力方向相垂直的弹性波。由于质点振动方向和弹性波传播方向垂直,此波为超声横波。

2钢管电磁超声探伤设备

2.1钢管管体EMAT探伤设备

针对现场的不同情况以及检测标准要求的不同EMAT钢管探伤设备主要分成三种形式:

①钢管直线前进,两个探头沿管体周向120°布置,随动跟踪检测。此种方法可连续检测钢管的纵向缺陷。

②钢管螺旋前进,纵、横向各两组探头分别沿着管体周向布置,探头各自对管体进行随动跟踪检测。此种方法可连续检测钢管的纵、横向缺陷。

③钢管原地旋转,纵、横向各两组探头在拖动小车的驱动下,直线前进,对管体表面进行螺旋式扫查。此种方法也可以连续检测钢管的纵、横向缺陷。

2.2管端EMAT探伤设备

两台探伤主机分别布置在钢管横向移动装置两边,钢管在固定位置原地旋转,纵、横向探头沿管体直线前进对管端进行螺旋式扫查。既可实现管端的纵横向缺陷的连续检测。

3电磁超声探伤的特点

3.1电磁超声技术与这几种检测技术相比较,具有的优点

3.1.1无需任何耦合剂

EMAT的能量转换,是在钢管表面的趋肤层内直接进行的。因而可将趋肤层看成是压电晶片,由于趋肤层是工件的表面层,所以,EMAT所产生的超声波就不需要任何耦合介质。

3.1.2灵活地产生各类波形

EMAT在检测过程中,在满足一定的激发条件时,则会产生表面波、SH波和Lamb波。我们就可以在不变更换能器的情况下,实现波模的自由选择。

3.1.3对被探钢管表面质量要求不高

EMAT不需要与声波在其中传播的材料接触,就可向其发射和接收返回的超声波。因此对被探钢管表面不要求特殊清理,较粗糙的表面也可直接探伤。

3.1.4检测速度快

传统的压电超声的检测速度,一般都在10m/min左右,而EMAT可达到40m/min,甚至更快。

3.1.5声波传播距离远

EMAT在钢管或钢棒中激发的超声波,可绕工件传播几周甚至十几周。在进行钢管或钢棒的纵向缺陷检测时,探头与工件都不用旋转,使探伤设备的机械结构相对简单。

3.1.6发现自然缺陷的能力强

用户反馈回来的信息就足以证明了这种说法的可信度,EMAT对于钢管表面存在的折叠、重皮、孔洞等不易检出的缺陷都能准确发现。电磁超声探伤优点很多,但是也存在一定的局限性,目前只在自动化生产线上使用,没有便携型设备;对于分层和测厚的检测还不够成熟。

3.2电磁超声波的缺点

电磁超声波探伤对缺陷的显示不直观,探伤技术难度大,容易受到主、客观因素的影响,以及探伤结果不便保存等,使超声波探伤也有其局限性。钢管的电磁超声探伤方法也存在一些不容忽视的缺点。

①转换效率低,接收到的电磁超声信号幅值小,与传统超声方法相比,电磁超声探头的灵敏度比一般的压电超声探头要低40至100dB,而且随着所采用电磁声信号频率的升高,灵敏度会进一步下降;②对周围环境噪声敏感度高,接收的回波信号常被淹没在噪声信号中;③辐射模式(RadlationPattem)较宽,能量不集中随着EMAT性能的不断提高,以EMAT为核心的电磁超声技术已逐步成为无损检测领域中的主流技术。

由于电磁超声探伤效率较低,设计多级放大衰减和滤波的硬件电路以及后续的软件数据处理来提高系统的信噪比都是必须的。

4电磁超声探伤技术与常见的钢管探伤技术的比较

目前石油工业无缝钢管探伤最常用的检测方法主要有涡流检测法(EddyCurrentTesting)、漏磁检测法(MagneticFluxLeakageTesting)、超声波检测法(UltrasonicTesting)等[7],这些检测技术都可以在线检测出管材上存在的各种缺陷,为无缝钢管产品的质量控制及管道的合理维护提供了科学的依据,但这些技术都有各自的优缺点。

4.1涡流检测法

涡流检测适用于各种导电材料制成的无缝钢管,但在铁磁性材料中的穿透力较弱。但由于涡流主要分布在导电材料的表面附近,因此它比较适合用于表面缺陷和近表面缺陷的检测,即对被测钢管的壁厚和外径有一定的要求。涡流检测能够非接触进行,并可以进行高温探伤,但钢管的涡流探伤只能对检测结果进行定性分析,不能根据缺陷信号的幅度分析出缺陷的深度和形状。

4. 2漏磁检测法

漏磁检测技术被大量地用于钢管检测,是一种目前常用的、成熟的检测方法,可以同时检测内外壁缺陷,检测时不需要耦合剂,易于实现自动化检测。但漏磁法只适用于铁磁性材料的检测。因为该技术在进行检测时,要求管壁达到完全磁性饱和,因此检测精度与管壁厚度有关,厚度越大,内壁检测精度越低,其使用范围通常为管壁厚度不超过12mm。如果被检测的管壁太厚,干扰因素就会比较多,且小而深的管壁缺陷处的漏磁信号要比形状平滑但很严重的缺陷处的信号大的多,检测数据往往需要经过校验才能使用。

4.3超声波检测法

常规超声波探伤主要用来探测钢管内外表面及其内部的纵向缺陷,根据用户需要也可探测横向缺陷,该检测方法灵敏度相对较高。目前,超声检测广泛采用的是传统的压电式超声检测技术,以压电晶体作为换能器激发出超声波,在超声探头和被检工件之间要使用耦合剂(油脂、软膏、水等),可以使声能达到较好的传输。但仍具有一定的局限性,且需要选择合适的耦合剂。

5结束语

电磁超声探伤是无损检测方法的一种,已广泛用于钢管行业。优点是灵敏度高、穿透力强、轻便、效率高、成本低,对人体无害。电磁超声探伤结合了电磁激发不需要接触的优点和超声波检测灵敏度高的优点,科研实现无缝钢管检测更高效、更准确、更可靠。随着电磁超声探伤机理的不断完善,加之其他探伤方法无与伦比的优势,将可能成为管材管体和管端的主要探伤手段。

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