電磁超聲檢測技術(shù)的利弊及應(yīng)用展望,聲學(xué)論文

電磁超聲檢測技術(shù)的利弊及應(yīng)用展望,聲學(xué)論文摘要：電磁超聲檢測技術(shù)是近年蓬勃興起的先進(jìn)無損檢測方式方法,該項(xiàng)技術(shù)具有不需要使用耦合劑、檢測效率高、可實(shí)如今線監(jiān)測等顯著優(yōu)勢,同時(shí)通過采用不同構(gòu)型的電磁超聲換能器,可實(shí)現(xiàn)多種超聲波型的激發(fā)和接收,極大豐富了電磁超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用場景。同時(shí),作為新興的先進(jìn)檢測技術(shù),電磁超聲檢測技術(shù)還存在諸如換能器換能效率不高、對粗晶材料檢測效果不佳等問題需要進(jìn)一步研究和發(fā)展。本文關(guān)鍵詞語：電磁超聲;EMAT;應(yīng)用;Abstract：electromagneticultrasonictestingtechnologyisanadvancednon-destructivetestingmethodwhichisboominginrecentyears.Thistechnologyhastheadvantagesofnocouplingagent,highdetectionefficiencyandonlinemonitoring.Atthesametime,throughtheuseofelectromagneticultrasonictransducerwithdifferentconfigurations,itcanrealizemultipleultrasonicexcitationandreception,whichgreatlyenrichestheapplicationscenariosofelectromagneticultrasonictestingtechnology.Atthesametime,asanewadvanceddetectiontechnology,electromagneticultrasonictestingtechnologystillhassomeproblems,suchaslowenergyconversionefficiencyoftransducerandpoordetectioneffectoncoarse-grainedmaterials,whichneedsfurtherresearchanddevelopment.Keyword：electromagneticultrasound;EMAT;application;1、電磁超聲檢測技術(shù)原理電磁超聲檢測技術(shù)是通過電磁超聲換能器(ElectromagneticAcousticTransducer,EMAT)激發(fā)和接收超聲波的先進(jìn)無損檢測方式方法,EMAT是實(shí)現(xiàn)電磁超聲檢測的關(guān)鍵部分。勵(lì)磁器、線圈和待檢件是構(gòu)成EMAT的三個(gè)重要組成部件。華而不實(shí),勵(lì)磁器提供外加磁場,能夠采用永磁鐵或電磁鐵。永磁鐵體積較小;電磁鐵去磁速度較快,一般分為直流電磁鐵和溝通電磁鐵。線圈內(nèi)加載高頻溝通電,用以在待檢件中產(chǎn)生渦電流,線圈的排布方式有蛇形、回形及呂形等。待檢試件是EMAT不可或缺的組成部分,其必須是電導(dǎo)體或磁導(dǎo)體,這也就明確了電磁場超聲檢測的應(yīng)用范圍。銅、鋁等非鐵磁性導(dǎo)電材料中,電磁超聲主要由電磁感應(yīng)產(chǎn)生洛倫茲力作用產(chǎn)生,鐵、鋼、鈷等鐵磁性材料中的電磁超聲一般由洛倫茲力、磁力和磁致伸縮原理共同作用產(chǎn)生。非鐵磁性導(dǎo)電材料電磁超聲檢測的基本經(jīng)過是:待檢試件與線圈放置于外加磁場中,線圈中加載高頻電流后,線圈周圍會(huì)感生出動(dòng)態(tài)感應(yīng)磁場,感應(yīng)磁場會(huì)進(jìn)一步在待檢試件中感生出電渦流。處于外加磁場中的待檢試件外表由于存在感生電渦流,試件內(nèi)的微粒遭到洛倫茲力會(huì)發(fā)生高頻振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波,并在工件內(nèi)傳播,此經(jīng)過即完成超聲波的發(fā)射經(jīng)過。微粒的振動(dòng)方向與傳播方向確定了超聲波的類型。電磁超聲的接收階段,反射聲波會(huì)使試件內(nèi)部微粒發(fā)生振動(dòng),進(jìn)而引起磁場的擾動(dòng),進(jìn)而會(huì)在線圈中感生出電壓信號,實(shí)現(xiàn)檢測信號的接收。圖1電磁超聲檢測技術(shù)原理鐵磁性導(dǎo)電材料電磁超聲檢測經(jīng)過除了遭到洛倫茲力的影響,還遭到磁力和磁致伸縮效應(yīng)的影響。洛倫茲力和磁力具體表現(xiàn)出為力的變化,磁致伸縮應(yīng)變則具體表現(xiàn)出為質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)幅度。在能量轉(zhuǎn)化的角度具體表現(xiàn)出為電磁場與彈性場間的能量傳遞:洛倫茲力、磁力和磁致伸縮應(yīng)變?nèi)N機(jī)理的耦合。三種機(jī)理的數(shù)學(xué)表示出式如下:式(1)是洛倫茲力的表示出式,華而不實(shí)為電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變磁場在待檢件中構(gòu)成的渦電流密度,單位A/m2;是外加磁場在待檢件中的磁感應(yīng)強(qiáng)度,單位T,和符合左手定則斷定。式(2)是磁力表示出式,華而不實(shí)M是在外加磁場作用下待檢件的磁化強(qiáng)度,單位T;H是外加磁場強(qiáng)度,單位A/m;式(3)是磁致伸縮應(yīng)變表示出式,華而不實(shí)是恒定磁場柔度矩陣;是待檢件的所受內(nèi)應(yīng)力,單位N/m2;D為待檢件的壓磁應(yīng)變系數(shù)。根據(jù)EMAT中外加磁場的不同情況,EMAT可大致分為下面幾類:均勻靜態(tài)磁場EMAT,非均勻靜態(tài)磁場EMAT,空間周期靜態(tài)磁場EMAT。均勻靜態(tài)磁場EMAT中,在洛倫茲力作用下產(chǎn)生橫波,在磁致伸縮效應(yīng)下產(chǎn)生水平剪切波。非均勻靜態(tài)磁場EMAT中,由于不同位置的磁場分布不一致,EMAT所激發(fā)超聲波類型由外加磁場在待檢件的分布決定。空間周期靜態(tài)磁場EMAT的磁場由一系列周期排列的磁鐵產(chǎn)生,易激發(fā)出水平剪切波。2、技術(shù)優(yōu)勢由電磁超聲檢測的基本原理可知,電磁超聲波的發(fā)射和接收不需要通過耦合劑進(jìn)行傳播,進(jìn)而使得檢測經(jīng)過中不需要使用傳統(tǒng)壓電超聲必須使用的耦合劑。同時(shí),電磁超聲在檢測經(jīng)過中對待檢件外表能否涂有油漆并無要求,這能夠免去大量的油漆打磨及恢復(fù)的時(shí)間,極大的提升了現(xiàn)場檢測的效率,并降低待檢設(shè)備使用單位的運(yùn)維成本。對于消防管線、輸油輸氣管線等數(shù)量較多、長度較長的管線,傳統(tǒng)的檢測方式方法施行效率較低,往往需要較長的檢測工期。電磁超聲由于能夠激發(fā)出沿管道外表傳播的導(dǎo)波,在導(dǎo)波反射式掃查形式下,電磁超聲探頭沿待檢管件掃查一周,探頭所發(fā)射的導(dǎo)波在直管及彎管段的有效檢查距離超過10m,具體表現(xiàn)出了極高的現(xiàn)場檢測效率。在衰減式掃查時(shí),電磁超聲探頭沿管道軸向掃查,所激發(fā)的的導(dǎo)波可沿管道周向傳播,實(shí)現(xiàn)對管道周向腐蝕等缺陷的檢測。對于高溫部件,傳統(tǒng)壓電超聲往往需要使用高溫探頭和高溫耦合劑,成本高、效率慢、可重復(fù)性差。在電磁超聲檢測經(jīng)過中,EMAT的線圈不需要直接接觸待檢件,為保衛(wèi)載流線圈,一般在探頭前部加裝一定厚度的保衛(wèi)層。保衛(wèi)層可采用耐熱、隔熱材料,能夠有效隔離待檢件與EMAT探頭之間的熱傳導(dǎo),進(jìn)而使得電磁超聲能夠直接對高溫管線進(jìn)行檢測,實(shí)如今不使用費(fèi)用昂貴的高溫耦合劑條件下的高效檢測,且檢測結(jié)果具有良好的的可重復(fù)性。同時(shí),由于耐高溫的特點(diǎn),在特殊情況下能夠在焊接完成、焊縫尚未冷卻的時(shí)候施行快速檢測。3、存在的缺乏基于電磁超聲檢測技術(shù)發(fā)射-接收超聲波的原理,EMAT的換能效率比傳統(tǒng)壓電超聲低,其所收到的超聲波信號幅值較小,甚至可能出現(xiàn)有效幅值被噪聲信號淹沒的情況,此時(shí)往往需要增大發(fā)射功率,但也帶來線圈容易發(fā)熱的問題。為保衛(wèi)EMAT探頭,一般需要在探頭前端安裝特定的保衛(wèi)層,此保衛(wèi)層的厚度對電磁超聲檢測有直接影響。一般將保衛(wèi)層厚度及保衛(wèi)層到待檢件外表的距離之和稱為提離距離。當(dāng)提離距離過大時(shí),EMAT在待檢件中激發(fā)的超聲波較弱,造成檢測信號較差。以電磁超聲施行測厚為例,有研究表示清楚,提離距離不宜大于1mm,否則測厚數(shù)據(jù)會(huì)嚴(yán)重失真。為獲得良好的檢測效果,保衛(wèi)層厚度不宜過大,且檢測時(shí)需盡量將探頭靠近待檢件外表。因而,在對高溫部件進(jìn)行不間斷的連續(xù)電磁超聲監(jiān)測時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)由于探頭無法及時(shí)散熱而影響檢測效果的情況。電磁超聲檢測技術(shù)對金屬部件的檢測原理,其本質(zhì)仍然是超聲波,只是超聲波的激發(fā)-接收方式與常規(guī)壓電超聲有本質(zhì)的區(qū)別。所以,電磁超聲檢測還是存在傳統(tǒng)壓電超聲的一些缺乏之處。其對奧氏體不銹鋼等粗晶材料的檢測效果尚需進(jìn)一步提升。作為一種新興的檢測技術(shù),電磁超聲檢測技術(shù)對焊縫的檢測靈敏度還有提升空間。在進(jìn)行長距離管線的腐蝕檢測時(shí),電磁超聲激發(fā)的導(dǎo)波僅能沿著直管段及彎管段傳播,其無法通過三通、錐形段、法蘭、閥門等物項(xiàng),對此類物項(xiàng)還需補(bǔ)充其它檢測方式方法。4、應(yīng)用瞻望根據(jù)電磁超聲檢測的技術(shù)特點(diǎn),其激發(fā)的導(dǎo)波能夠沿著管線外表傳播,可應(yīng)用于大批量、長距離管線的腐蝕檢測,且檢測經(jīng)過不需要使用耦合劑,不需要打磨油漆等附著物,實(shí)現(xiàn)高效快速檢測。對高溫部件的測厚檢測是電磁超聲檢測技術(shù)的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。測厚時(shí)應(yīng)用的是電磁超聲所激發(fā)的體波進(jìn)行檢測。由于能夠在高溫環(huán)境下進(jìn)行檢測,故無需等待機(jī)組停機(jī)、設(shè)備停運(yùn),就能夠?qū)﹃P(guān)注區(qū)域進(jìn)行在線檢測,極大的提高了業(yè)主的設(shè)備管理水平,確保在用設(shè)備安全可靠運(yùn)行。同時(shí),電磁超聲測厚技術(shù)還能夠廣泛的應(yīng)用于不同金屬板材測厚、鋼板測厚、焊縫檢測、鐵軌踏面等不同構(gòu)造部件的檢測?；诔暡晱椥岳碚?電磁超聲檢測技術(shù)還能夠用于焊接殘存余留應(yīng)力的測量和在役螺栓軸力測量等。以下為參考文獻(xiàn)[1]丁秀莉,武新軍,等.電磁超聲傳感器工作原理與構(gòu)型[J].無損檢測,2021.37(1):96-100.[2]陳鵬,韓德來,等.電磁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