第四節(jié) 電磁超聲

本文格式為Word版，下載可任意編輯——第四節(jié)電磁超聲

鋼管精整線中管端電磁超聲介紹

第四節(jié)電磁超聲（簡稱：EMA）：

一、電磁超聲探傷簡介：

我們國家的電磁聲技術(shù)是從二十世紀(jì)六十末開始進(jìn)行研究和開發(fā)的，通過近30多年的不懈努力，在電磁換能器的設(shè)計(jì)，儀器與換能器的匹配等關(guān)鍵環(huán)節(jié)上都取得了重大突破。所謂EMAT技術(shù)，實(shí)質(zhì)上就是電磁超聲換能器技術(shù)，壓電超聲換能器是靠壓電晶片的壓電效應(yīng)發(fā)射和接收超聲波的，而電磁換能器（國際上尋常用英文縮寫EMAT稱之）則是靠電磁效應(yīng)發(fā)射和接收超聲波的，由此可見要了解電磁聲，首先就要了解電磁聲換能器（EMAT），這是把握電磁聲技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電磁聲換能器的工作機(jī)制大致有三種，①羅侖茲力機(jī)制；②磁滯伸縮機(jī)制；③磁性力機(jī)制。

羅侖茲力機(jī)制是指：在金屬表面電磁超聲與傳統(tǒng)的壓電超聲的本質(zhì)區(qū)別是換能器不同，趨膚深度層內(nèi)感生渦流，在外磁場作用下產(chǎn)生的羅侖茲力所激發(fā)的超聲振動及其反過程。

磁滯伸縮力機(jī)制是指鐵磁性材料在線圈的高頻磁場及外磁場共同作用下產(chǎn)生的宏觀形變所激發(fā)的超聲振動及其反過程。

磁性力機(jī)制是指鐵磁性材料中的磁偶極子在不均勻磁場中所受的磁性力（宛如磁粉在磁場中受到的磁性力一樣）所激發(fā)的超聲振動及其反過程。

總之，這三種力的機(jī)制都是微觀的物理過程，在宏觀上可將之比喻為電動機(jī)——發(fā)電機(jī)的工作過程，而EMAT的接收類似于發(fā)電機(jī)的工作過程。而實(shí)際使用中，將這三種力的機(jī)制應(yīng)用于EMAT，畢竟哪個占優(yōu)勢，則要由外磁場的大小，外磁場與高頻線圈的配置方式及頻率等因素來決定。EMAT的物理結(jié)構(gòu)如下圖所示。

EMAT主要由三部分組成（見下圖2.11）：1：高頻線圈，用于產(chǎn)生高頻感應(yīng)磁場；2：磁鐵，用來提供外磁場，可以是直流電磁鐵、永久磁鐵、交流電磁

鋼管精整線中管端電磁超聲介紹

平磁場形式，圖（B）稱作垂直磁場形式。一般前者以羅侖茲力或磁性力機(jī)制為主，后者以磁滯伸縮力機(jī)制為主。

EMAT的工作過程可簡述如下：當(dāng)置于電導(dǎo)體或磁導(dǎo)體上的高頻線圈①通過高頻電流時，它要在工件③的趨膚層內(nèi)產(chǎn)生渦流（或高頻感應(yīng)磁場）。此渦流相當(dāng)于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子，渦流在磁場（相當(dāng)于電動機(jī)的定子磁場）作用下，也會象電動機(jī)那樣受到機(jī)械力的作用，而產(chǎn)生高頻振動，這就是超聲振動源，因而可將趨膚層看成超聲晶片，由于趨膚層是工件的表面層，所以EMAT所產(chǎn)生的超聲就不需要耦合介質(zhì)，這就避開了壓電超聲換能器的最大弊端。

EMAT的接收過程就象發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，在定子的磁場中旋轉(zhuǎn)，會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感生電流一樣，當(dāng)超聲波射到EMAT的高頻線圈下的工件表面上時，聲振動也會在外磁場作用下，在高頻線圈中感應(yīng)出電勢而被一起接收。

我們知道壓電超聲換能器是在晶片上進(jìn)行的，因此它必需用傳聲流體作聲耦合介質(zhì)，才能將聲波傳入被檢工件中，而EMAT則是電磁效應(yīng)直接在被檢工件表面的趨膚層內(nèi)換能的，所以它不需要聲耦合介質(zhì)，也使EMAT具有一系列壓電超聲所無法取代的特點(diǎn)，EMAT的主要特點(diǎn)（與壓電超聲相比較）：

1.由于聲耦合介質(zhì)在粗糙表面上難以實(shí)現(xiàn)均勻的聲耦合層，帶氧化皮工件

的表面氧化皮傳聲很困難，因此必需清除氧化皮并打磨工件后，才能進(jìn)行壓電超聲檢測，而EMAT則不要求清理工件表面便可直接檢測。

2.在水浸壓電超聲檢測中，作為耦合劑的水，往往含有塵埃和氣泡，會嚴(yán)

重干擾檢測時的信噪比，在溫度較低的環(huán)境中甚至無法實(shí)施檢測而EMAT則無此弊端。

3.在水浸壓電超聲檢測設(shè)備中，被檢工件例如在鋼管中傳播的聲波很快被

水衰減掉，所以必需旋轉(zhuǎn)工件或探頭，這就會使聲耦合不穩(wěn)定，介面波游動及產(chǎn)生電火花干擾等等。因此設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性難以保證。而EMAT則可在管中很簡單地激發(fā)出幾周乃至幾十周的聲波，這就無需旋轉(zhuǎn)管或探頭即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的縱向檢測。

4.壓電超聲檢測速度難以達(dá)到20米/分以上，其原因是聲耦合在較高速度

下不穩(wěn)定，而EMAT則可在20米/分以上的速度下檢測甚至可達(dá)到40米/分。

如此種種，壓電超聲在大量方面自受到限制，而EMA探傷則在各個方面彌補(bǔ)了壓電超聲的不足?？梢灶A(yù)言，在不久的將來，EMA探傷將逐步取代壓電超聲探傷，在無損檢測的領(lǐng)域內(nèi)占有一席重要之地。

二、設(shè)備及工藝簡介：

管端電磁超聲探傷設(shè)備是光管線其次道工序，在線檢測的設(shè)備由于有延時等因素在檢測的鋼管端部都有一部分不能被穩(wěn)定的檢測。所以有必要再由管端電磁超聲探傷設(shè)備對鋼管端部詳細(xì)檢測。負(fù)責(zé)對平頭無縫鋼管管端部分的缺陷進(jìn)行檢測和評價，下面簡述一下其工藝過程。

兩臺管端電磁超聲探傷設(shè)備，分列在步進(jìn)式臺架兩邊，而每臺管端電磁超聲

鋼管精整線中管端電磁超聲介紹

探傷設(shè)備上的兩組探頭（橫向、縱向）在管端上部管體縱向依次布置，鋼管在步進(jìn)式臺架上，按設(shè)定的間隔移動，進(jìn)入管端探傷區(qū)。托輥按探傷工藝設(shè)定的速度驅(qū)動鋼管原地回轉(zhuǎn)，兩探頭同時移動，根據(jù)光電開關(guān)的指令，依次落下對管端的有效長度進(jìn)行螺旋式掃查，并同時對管端的狀況進(jìn)行檢測、記錄、分類、噴標(biāo)記，探傷終止，探頭依次抬起，并在原地等待，托輥落下。

鋼管在步進(jìn)式輸送機(jī)構(gòu)的托動下，移動一個工位進(jìn)入對齊輥道。將鋼管送到另一邊對齊后，再移動一個工位進(jìn)入另一端的探傷區(qū)，重復(fù)上述的探傷過程，即完成了鋼管兩端的檢測。當(dāng)另一根鋼管又進(jìn)入探傷區(qū)時，原地等待的探頭同時落下，對管端的有效長度繼續(xù)進(jìn)行螺旋式掃查，掃查完成時，探頭依次抬起，并回到起始位置等待，鋼管在步進(jìn)式輸送機(jī)構(gòu)的拖動下，進(jìn)入下一個工位。如此循環(huán)即完成了鋼管端部的連續(xù)檢測。

根據(jù)現(xiàn)場使用人員的建議，采用雙示波管同時將縱、橫兩方向的探傷波形顯示在屏幕上，便利觀測與調(diào)整。針對不同的管徑對EMAT電磁聲換能器配以一致曲率的保護(hù)體，使電磁鐵能夠可靠地與管體表面接觸，配以一致曲率的探頭，通過高彈性海綿體的作用使探頭始終貼合在管體表面上以保證探傷靈敏度，且探頭無需人工調(diào)整。每套換能器由縱向、橫向兩部分構(gòu)成。其中探頭上的耐磨塊材質(zhì)為Cr12，保護(hù)體上的耐磨板材質(zhì)為65Mn。以下為換能器規(guī)格型號清單（表

2.6）：

表2.6

信號發(fā)射接受裝置主要由盒體、變壓器、電子線路及元件等部分組成。可完成對探頭能量的發(fā)射及將接收到的信號進(jìn)行前級放大，并將放大后的信號送出。然后主要由工控機(jī)、打印機(jī)及相應(yīng)的硬軟件組成完成數(shù)據(jù)記錄、存儲、傳輸，并可根據(jù)需要對檢測結(jié)果進(jìn)行記錄整理、打印。噴標(biāo)機(jī)構(gòu)可根據(jù)儀器的指令在鋼管有傷處適時噴上標(biāo)記。其中監(jiān)控畫面應(yīng)能顯示PLC程序并提供監(jiān)控PLC程序光盤，原理框圖如下（如圖2.12）：

鋼管精整線中管端電磁超聲介紹

由于各種在線生產(chǎn)的探傷設(shè)備都會存在盲區(qū)（即鋼管剛進(jìn)入探傷設(shè)備內(nèi)部由于磁場不穩(wěn)定或探頭落下的延時所造成的管端未檢測區(qū)域），而且人工檢測不會發(fā)現(xiàn)鋼管壁厚內(nèi)部的缺陷。故使用管端電磁超聲專門檢測鋼管端部區(qū)域以保證下面的倒棱、接箍等工序。

管端探傷設(shè)備檢測出帶缺陷的鋼管做好標(biāo)記后被剔除到出口輥道旁的廢料臺架上，操作人員應(yīng)及時確認(rèn)鋼管缺陷，假使發(fā)現(xiàn)是由于設(shè)備誤報原因引起的剔除管是無缺陷的鋼管應(yīng)及時調(diào)整設(shè)備參數(shù)重新校驗(yàn)，復(fù)探剔除管及時拯救其中合格的鋼管；當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷可以修磨或在可再切的范圍內(nèi)時，應(yīng)修磨挽救或及時聯(lián)系當(dāng)班班長再切處理后復(fù)探以拯救可以跟隊(duì)的鋼管，對不能再切的鋼管做好標(biāo)記和記錄與班長聯(lián)系另做處理。

三、管端探傷所需樣管：

校驗(yàn)管端探傷設(shè)備所用樣管根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)制作，樣管上的人工刻槽缺陷基本可以有三種：N5、N10、N12.5。其中數(shù)值代表公稱壁厚的百分比，譬如N5代表公稱壁厚的5%。數(shù)值越小即探傷標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)格。除了依照API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對不同的管材進(jìn)行探傷外，尋常根據(jù)用戶要求選用樣管的標(biāo)準(zhǔn)。但管端探傷所用的樣管比較短在1米左右

為適應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，樣管材料應(yīng)當(dāng)是從我廠自己軋制的鋼管未經(jīng)過加工自然合格的鐵磁性鋼管中挑揀出來的，選出來制作樣管的材料要詳細(xì)記錄其出處，譬如：爐號、鋼種、鋼級、規(guī)格和批號等，特別鋼種的鋼管由于電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的差異會需要專門另外制作樣管。經(jīng)過加工制作好的樣管要由具有計(jì)量資格的第三方測量合格后出據(jù)合格證書，每根樣管都有自己的名稱標(biāo)注出樣管的規(guī)格和刻槽標(biāo)準(zhǔn)等要素，樣管需要定期由第三方檢查并剔除人工缺陷超標(biāo)的樣管以保證校驗(yàn)設(shè)備的確鑿性和可信性。

樣管按規(guī)格存放在樣管架上，使用油漆或標(biāo)簽在樣管邊緣明顯的地方標(biāo)明名稱、規(guī)格和刻槽標(biāo)準(zhǔn)便于操作人員查找使用。樣管架應(yīng)盡量放置在探傷生產(chǎn)線附近避免遠(yuǎn)距離吊運(yùn)可能會造成的事故并便利及時使用，同時樣管架應(yīng)當(dāng)放置于枯燥、清白的場所避免樣管被污染生銹或內(nèi)部積存鐵屑等雜物影響校驗(yàn)效果。

探傷操作人員應(yīng)精心使用樣管，保證樣管的使用壽命。操作人員一旦發(fā)現(xiàn)樣管有異常狀況應(yīng)馬上通知有關(guān)人員及時補(bǔ)充避免影響正常生產(chǎn)。

鋼管精整線中管端電磁超聲介紹

四、設(shè)備的主要參數(shù)如下：

1.設(shè)備構(gòu)成：

⑴二通道EMA電磁聲探傷儀；

⑵EMAT電磁聲換能器；

⑶探傷主機(jī)；

⑷磁化電源系統(tǒng)；

⑸電控系統(tǒng)（操作臺、穩(wěn)壓電源）：

⑹氣路系統(tǒng)；

⑺其它（易損件、備用探頭等）

⑻輔助裝置（步進(jìn)式臺架、回轉(zhuǎn)托輥、直線V型輥道等）

2.二通道EMA電磁聲探傷儀主要指標(biāo)：

⑴工作頻率：300KHz—1.2MHz；

⑵重復(fù)頻率：50Hz（單路）；

⑶發(fā)射脈沖串：1—9個；

⑷前放增益：50dB；

⑸衰減器：90dB；

⑹高放增益：60dB；

⑺相關(guān)控制數(shù)：0—99；

⑻最大激磁電流：10A；

⑼使用電源：220V；

⑽掃描線性：≤1%；

⑾垂直線性：2%；

⑿動態(tài)范圍：30dB；

⒀靈敏度余量：40dB；

⒁信噪比：≥10dB；

⒂整機(jī)功率：＜2200W（包括激磁）。

3.主要技術(shù)參數(shù)：

可檢鋼管外徑：Φ48.0（Φ32.0）—Φ168.3mm；

可檢鋼管壁厚：3.2（2.5）—22.2mm；

鋼管長度：6—15m；

最大鋼管重量：950kg；

鋼管直線度：＜2.0/1000；

鋼管橢圓度：≤1%

鋼管外徑精度：1%；

鋼管溫度：室溫；

盲區(qū)：縱向無；橫向≤5mm；

剩磁：≤5高斯；

探傷最大鋼管壁厚時的內(nèi)外壁缺陷靈敏度差：當(dāng)壁厚≤15mm時，≤4dB；

鋼管精整線中管端電磁超聲介紹

當(dāng)壁厚＞15mm時，≤6dB；

探傷速度：≤8m/min，檢測周期：每支≤8秒；

生產(chǎn)能力：≥278支/小時。

管端電磁超聲探傷主機(jī)主要有立柱、懸臂梁、直線往復(fù)驅(qū)動裝置、探頭起落裝置、隨動機(jī)構(gòu)、拖鏈等部分組成?？筛鶕?jù)電控系統(tǒng)的指令適時的抬起與落下探頭，完成管端的定尺檢測，可根據(jù)管徑的變化快速的調(diào)整換能器與管體之間的相對位置，滿足各種管端探傷需要