電磁超聲橫波的管道剩余厚度檢測研究

張 爽

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

管道是一種常見的輸送液體或氣體介質的方式，在人們的生產和生活中發揮著重要作用，其完好率將直接影響生產和生活的安全與穩定。隨著使用時間的增長，管道不可避免會出現腐蝕、變形、裂紋等缺陷，嚴重時會引起管道的泄漏，造成經濟損失。如果管道輸送的是易燃、易爆介質，還會引發一系列的安全問題。因此，對管道的剩余壁厚進行檢測十分必要。剩余壁厚是反眏管道運行狀態的重要性能指標，不僅能幫助工作人員判斷管道的是否需要更換，還能避免因管道泄漏引起的安全問題。

1 電磁超聲橫波測厚原理

EMAT（Electro Magnetic Acoustic Transducer，電磁超聲傳感器）主要包含永磁體和激勵線圈兩部分，其中永磁體的作用是提供靜態的偏置磁場、激勵線圈的作用是產生一個高頻渦流，在不同偏置磁場與不同渦流的組合下可以產生體波、表面波、導波等形態各異的超聲波。大量研究實驗表明，橫波在穿透邊界時所產生的變化最小，因此成為厚度測量方面的首選聲波類型。

圖1 是一種常見的橫波發生裝置，也稱為電磁超聲波換能器。永磁體所產生的偏置磁場垂直于物體表面，而激勵線圈通電后會在偏置磁場的作用下形成洛倫茲力，在洛倫茲力的作用下金屬物體表面發生振動從而產生超聲波（圖2）。將電磁超聲激勵過程逆轉即可得到超聲波接收裝置，EMAT 用于鋁制管道探測時，電磁波是由洛倫茲力產生的。由于鋁屬于非磁性材料，因此磁力作用對探測結果的影響可以忽略不計。

圖1 橫波電磁超聲換能器示意

圖2 橫波電磁超聲有限元仿真模型

2 換能器優化與測試

2.1 電磁超聲換能器的仿真與優化

雖然橫波電磁超聲在測量管道的壁厚中有很多優勢，但也存在一些不足，如能量交換率低、信號較弱等。事實證明，永磁體與激勵線圈參數的優化可以改善橫波電磁超聲測量的效果，達到管道剩余壁厚測量的需求。本文通過有限元仿真軟件對電磁超聲換能器進行建模，并采取正向優化的方式優化參數；適當優化激勵線圈的參數可以提高信號強度，提高超聲波信號的信噪比。

在此類研究中，國內學者已做出許多貢獻，研究表明改變激勵線圈與被測物體的距離d，可以改變超聲波信號的強度，這就說明應該在滿足使用需求的前提下，盡量縮短激勵線圈與被測物體的距離，以獲得更強的超聲波信號。永磁體的體積與激勵線圈的大小沒有固定的配對關系，留給研究人員的調整范圍較大。因此，本文將針對激勵線圈的主要參數進行優化，將激勵線圈大小、線圈與永磁體的距離及永磁體的體積設為常數，將激勵線圈與被測物體的距離設為變化參數，將線圈匝數cn、線圈寬度ω 和線圈間距l 作為主要優化對象。

有限元分析模型如圖2 所示，為提高計算效率，模型中鋁制管道僅包含被探測部分，管道直徑200 mm、厚度為5 mm。

橫波電磁超聲檢測系統中，接收線圈所接收到的信號較弱，僅達到幾百微伏特量級，給信號的處理造成較大困難。而且接收到的信號中包含較多的干擾信號，進一步增加了信號處理的難度。干擾信號主要包括電路噪聲和其他超聲波干擾兩種。

為了獲得較高的測量精度，不僅需要接收信號達到較高的強度，還需要接收信號具有較高的信噪比，這就需要進一步提高橫波信號的準確度。仿真軟件的分析結果顯示，回波信號強度低，信噪比無法達到要求。為了提高回波信號的強度和信噪比，首先對信噪比參數進行優化。通過分析可知，當激勵線圈的匝數減少后，超聲波信號的強度會進一步下降，并且管道外形為圓形，無法完全貼合激勵線圈，因此應提高超聲波信號的方向性，對其進行有限元分析。

將管道壁厚中心作為基點，繪制橫波傳播能量曲線，當線寬和間距較大時能夠獲得較好的聲波指向性，聲波能量集中于基點附近，聲波信號的信噪比較高。經過幾次仿真試驗，最終確定線圈的匝數為8 匝、寬度為0.6 mm、間距為1.2 mm（圖3）。這時的仿真分析結果顯示，聲波信號主要集中在基點附近，并且獲得了較好的能量密度，聲波信號的傳播情況良好，具有較強的可實施性。由于關閉內的超聲波信號指向性和強度均滿足了使用要求，聲波信號主要集中于激勵線圈中心處，所得到的測量結果即為基點處的管道壁厚。

圖3 電磁超聲激勵用PCB 螺旋線線圈

2.2 橫波電磁超聲測厚系統測試

電磁超聲信號一般將其制定為正弦信號，這種正弦信號是采用矩形調制解調得到的，可以通過添加不同的調制信號對回波峰值進行調整，也會影響回波的信噪比。這是因為采取不同調制信號時，信號函數的帶寬不同，選擇窄帶寬激勵信號時可以有效提高超聲波信號的信噪比。

本次試驗所使用的設備是根據仿真結果制造的自研設備——高功率電磁超聲波橫波檢測裝置（圖4）。該裝置主要包括激勵源與換能器兩部分，經過系統匹配測試后，并沒有得到完美的匹配結果，實際工況下激勵線圈的電壓峰值為726 V、電流峰值為18.15 A、最大功率13 kW。被測試對象為一截直徑200 mm、壁厚5 mm 的鋁制管道，永磁體位于激勵線圈之上，高功率電磁超聲波橫波檢測裝置所使用的材料、尺寸均與有限元分析軟件中的設置相同。

圖4 管道剩余厚度測試系統

2.3 結果分析

經過一系列的測試，高功率電磁超聲波橫波檢測裝置在鋁制管道剩余壁厚的探測中取得了較好效果，探測精度達到預期，探測前無需對管道表面進行處理，對使用環境的適應性強。不過因為線圈的阻抗測量誤差和電容元件的制造誤差，系統存在感抗過強、大功率輸出時存在信號失真的情況。當超聲波信號考核后，受系統運算能力的限制，會產生約10 μs 的卡頓，使回波信號的分離和計算變得困難。此外，本次研究中測量結果的驗證依賴于電子游標卡尺的精度，只能測量到0.01 mm 的精度等級，無法確定該檢測裝置是否能夠超過這一精度等級。經多次測量與檢測裝置的結果比較，也存在一定的不確定性。

3 結論

本文針對當前使用的管道剩余厚度電磁超聲橫波檢測裝置存在的一些問題進行了研究，通過激勵線圈的優化進一步提高了超聲波信號的指向性、強度和信噪比，并通過現場試驗，主要結論如下：

（1）對線圈參數進行優化后，聲波信號更加集中，可以滿足厚度測量的需求。通過添加不同的調制信號對回波峰值進行調整可以影響回波的信噪比，選擇窄帶寬激勵信號時，可以有效提高超聲波信號的信噪比。

（2）實際工況下激勵線圈的電壓峰值為726 V，電流峰值為18.15 A，最大功率13 kW。對直徑200 mm、壁厚為5 mm 的鋁制管道進行剩余厚度檢測時，精度可以達到0.01 mm 的等級。