電磁超聲檢測技術的應用

李望，吳長青，趙煒煒，桂華，錢坤

(1.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江杭州，310003；2.浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室，浙江杭州，311121；3淮浙煤電有限責任公司鳳臺發電分公司，安徽淮南，232000)

1 電磁超聲檢測技術原理

電磁超聲檢測技術是通過電磁超聲換能器（Electromagn etic Acoustic Transducer，EMAT）激發和接收超聲波的先進無損檢測方法，EMAT是實現電磁超聲檢測的關鍵部分。勵磁器、線圈和待檢件是構成EMAT的三個重要組成部件。其中，勵磁器提供外加磁場，可以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交流電磁鐵。線圈內加載高頻交流電，用以在待檢件中產生渦電流，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，其必須是電導體或磁導體，這也就明確了電磁場超聲檢測的應用范圍。銅、鋁等非鐵磁性導電材料中，電磁超聲主要由電磁感應產生洛倫茲力作用產生，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生。

非鐵磁性導電材料電磁超聲檢測的基本過程是：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，線圈周圍會感生出動態感應磁場，感應磁場會進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表面由于存在感生電渦流，試件內的微粒受到洛倫茲力會發生高頻振動而產生超聲波，并在工件內傳播，此過程即完成超聲波的發射過程。微粒的振動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，反射聲波會使試件內部微粒發生振動，從而引起磁場的擾動，進而會在線圈中感生出電壓信號，實現檢測信號的接收。

圖1 電磁超聲檢測技術原理

鐵磁性導電材料電磁超聲檢測過程除了受到洛倫茲力的影響，還受到磁力和磁致伸縮效應的影響。洛倫茲力和磁力體現為力的變化，磁致伸縮應變則體現為質點的振動幅度。在能量轉化的角度體現為電磁場與彈性場間的能量傳遞：洛倫茲力、磁力和磁致伸縮應變三種機理的耦合。三種機理的數學表達式如下：

式（1）是洛倫茲力的表達式，其中Je為電磁感應產生交變磁場在待檢件中形成的渦電流密度，單位A/m2；B0是外加磁場在待檢件中的磁感應強度，單位T，Je和B0符合左手定則判定。式（2）是磁力表達式，其中M是在外加磁場作用下待檢件的磁化強度，單位T；H是外加磁場強度，單位A/m；式（3）是磁致伸縮應變表達式，其中SH是恒定磁場柔度矩陣；σ是待檢件的所受內應力，單位N/m2；D為待檢件的壓磁應變系數。

根據EMAT中外加磁場的不同情況，EMAT可大致分為以下幾類：均勻靜態磁場EMAT，非均勻靜態磁場EMAT，空間周期靜態磁場EMAT。均勻靜態磁場EMAT中，在洛倫茲力作用下產生橫波，在磁致伸縮效應下產生水平剪切波。非均勻靜態磁場EMAT中，由于不同位置的磁場分布不一致，EMAT所激發超聲波類型由外加磁場在待檢件的分布決定?？臻g周期靜態磁場EMAT的磁場由一系列周期排列的磁鐵產生，易激發出水平剪切波。

2 技術優勢

由電磁超聲檢測的基本原理可知，電磁超聲波的發射和接收不需要通過耦合劑進行傳播，從而使得檢測過程中不需要使用傳統壓電超聲必須使用的耦合劑。同時，電磁超聲在檢測過程中對待檢件表面是否涂有油漆并無要求，這可以免去大量的油漆打磨及恢復的時間，極大的提升了現場檢測的效率，并降低待檢設備使用單位的運維成本。

對于消防管線、輸油輸氣管線等數量較多、長度較長的管線，傳統的檢測方法實施效率較低，往往需要較長的檢測工期。電磁超聲由于能夠激發出沿管道表面傳播的導波，在導波反射式掃查模式下，電磁超聲探頭沿待檢管件掃查一周，探頭所發射的導波在直管及彎管段的有效檢查距離超過10m，體現了極高的現場檢測效率。在衰減式掃查時，電磁超聲探頭沿管道軸向掃查，所激發的的導波可沿管道周向傳播，實現對管道周向腐蝕等缺陷的檢測。

對于高溫部件，傳統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、可重復性差。在電磁超聲檢測過程中，EMAT的線圈不需要直接接觸待檢件，為保護載流線圈，一般在探頭前部加裝一定厚度的保護層。保護層可采用耐熱、隔熱材料，可以有效隔離待檢件與EMAT探頭之間的熱傳導，從而使得電磁超聲可以直接對高溫管線進行檢測，實現在不使用費用昂貴的高溫耦合劑條件下的高效檢測，且檢測結果具有良好的的可重復性。同時，由于耐高溫的特點，在特殊情況下可以在焊接完成、焊縫尚未冷卻的時候實施快速檢測。

3 存在的不足

基于電磁超聲檢測技術發射-接收超聲波的原理，EMAT的換能效率比傳統壓電超聲低，其所收到的超聲波信號幅值較小，甚至可能出現有效幅值被噪聲信號淹沒的情況，此時往往需要增大發射功率，但也帶來線圈容易發熱的問題。

為保護EMAT探頭，一般需要在探頭前端安裝特定的保護層，此保護層的厚度對電磁超聲檢測有直接影響。一般將保護層厚度及保護層到待檢件表面的距離之和稱為提離距離。當提離距離過大時，EMAT在待檢件中激發的超聲波較弱，造成檢測信號較差。以電磁超聲實施測厚為例，有研究表明，提離距離不宜大于1mm，否則測厚數據會嚴重失真。為獲得良好的檢測效果，保護層厚度不宜過大，且檢測時需盡量將探頭靠近待檢件表面。因此，在對高溫部件進行不間斷的連續電磁超聲監測時，可能會出現由于探頭無法及時散熱而影響檢測效果的情況。

電磁超聲檢測技術對金屬部件的檢測原理，其本質依然是超聲波，只是超聲波的激發-接收方式與常規壓電超聲有本質的區別。所以，電磁超聲檢測還是存在傳統壓電超聲的一些不足之處。其對奧氏體不銹鋼等粗晶材料的檢測效果尚需進一步提升。作為一種新興的檢測技術，電磁超聲檢測技術對焊縫的檢測靈敏度還有提升空間。

在進行長距離管線的腐蝕檢測時，電磁超聲激發的導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，對此類物項還需補充其它檢測方法。

4 應用展望

根據電磁超聲檢測的技術特點，其激發的導波能夠沿著管線表面傳播，可應用于大批量、長距離管線的腐蝕檢測，且檢測過程不需要使用耦合劑，不需要打磨油漆等附著物，實現高效快速檢測。對高溫部件的測厚檢測是電磁超聲檢測技術的另一個重要應用領域。測厚時應用的是電磁超聲所激發的體波進行檢測。由于可以在高溫環境下進行檢測，故無需等待機組停機、設備停運，就可以對關注區域進行在線檢測，極大的提高了業主的設備管理水平，確保在用設備安全可靠運行。同時，電磁超聲測厚技術還可以廣泛的應用于不同金屬板材測厚、鋼板測厚、焊縫檢測、鐵軌踏面等不同結構部件的檢測?；诔暡晱椥岳碚摚姶懦暀z測技術還可以用于焊接殘余應力的測量和在役螺栓軸力測量等。