王 偉，潘曉明，張永生

(蘇州供電公司，江蘇蘇州 215004)

為了節(jié)約土地，現(xiàn)在越來越多的變電站使用GIS設(shè)備。這些GIS管道工作于高壓狀態(tài)下且受到各種侵蝕，容易出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重影響GIS的安全運行。對于GIS管道外部的細(xì)小裂紋，在造成GIS內(nèi)部氣體泄漏之前，無法用放射法或壓力檢測法等檢測，但這些裂紋對GIS的安全運行構(gòu)成巨大威脅。利用電磁超聲導(dǎo)波對GIS管道進(jìn)行檢測，可以發(fā)現(xiàn)其微小裂紋，從而及時采取補救措施。電磁超聲導(dǎo)波檢測法是利用電磁感應(yīng)的方法直接在被檢測管道內(nèi)激發(fā)超聲導(dǎo)波，無需任何耦合劑，這是其相對于壓電超聲法的優(yōu)點之一。該方法不需要與被檢測體接觸，所以不需對管道外壁清洗或做其他處理，可以適用于高壓管道的在線檢測[1]。可見，利用電磁超聲導(dǎo)波檢測變電站GIS管道的裂紋缺陷是一種有應(yīng)用前景的檢測技術(shù)。

1電磁超聲原理

根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)原理，既然磁場能夠引起鐵磁性材料微觀結(jié)構(gòu)的變形，若對鐵磁性材料施加交變磁場，交變磁場就會使其周期性變形，而微觀結(jié)構(gòu)的變形就使其產(chǎn)生振動，振動就可以激發(fā)出聲波。因此，可以對鐵磁性材料施加高頻交變磁場，使其周期性伸縮振動，從而激發(fā)出超聲波。本文根據(jù)這一原理設(shè)計電磁超聲換能器 （EMAT）[2]，利用EMAT在鐵磁性材料中激發(fā)超聲波。同時，鐵磁性材料的伸縮振動，會使其微觀磁疇周圍磁場產(chǎn)生變化，這就是磁致伸縮逆效應(yīng)。根據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng)可以接收超聲波信號。

2電磁超聲換能器設(shè)計

EMAT由三部分組成：偏置磁場、彎曲線圈和被檢測體。偏置磁場為EMAT提供合適的工作點，使其電-聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高。文中用U型電磁鐵產(chǎn)生偏置磁場，電磁鐵線圈為1 000匝，負(fù)載電流可達(dá)10 A，通過調(diào)節(jié)線圈中的電流就可以控制偏置磁場的強(qiáng)度。被檢測體是EMAT的一部分，因為超聲波是在被檢測體內(nèi)激發(fā)的。文中被檢測體為長1 000 mm，直徑500 mm，壁厚10 mm的鋼管道，用來代替GIS管道。彎曲線圈用來激發(fā)和接收電磁超聲信號。在彎曲線圈中通入高頻電流，高頻電流在管道壁感應(yīng)出高頻磁場，引起管道局部的微觀振動，從而激發(fā)出超聲波。彎曲線圈設(shè)計時需滿足以下相位匹配條件[3]：式中：f為超聲波的頻率；v為超聲波在管道壁中的傳播速度；d為線圈相鄰兩導(dǎo)線的中心距離。

滿足相位匹配條件的線圈能使EMAT效率達(dá)到最高，相同電流激勵下接收的信號幅值最高。接收線圈和發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)相同，如圖1所示。

圖1彎曲線圈結(jié)構(gòu)

只要改變彎曲線圈和U型電磁鐵的相對位置，即可利用EMAT激發(fā)出不同模式的超聲導(dǎo)波，這也是電磁超聲的一個重要優(yōu)點。文中需要采用SH0模式導(dǎo)波[4]，其EMAT結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3電磁超聲裂紋檢測實驗研究

EMAT轉(zhuǎn)換效率較低，激勵脈沖電流需要30 A以上，文中使用自行研制的脈沖電源作為EMAT的激勵電路，激勵電壓的波形如圖3所示。另外，EMAT接收信號微弱，信噪比低，需要設(shè)計信號放大器及濾波電路將有用信號提取出來。

4結(jié)束語

本文研究了利用電磁超聲導(dǎo)波來檢測變電站GIS管道的裂紋缺陷，并通過實驗驗證了該方法的有效性。由實驗結(jié)果可知，分析EMAT所接收的電磁超聲信號，就可以準(zhǔn)確判斷裂紋的位置。由于目前該項研究還處于初級階段，對裂紋進(jìn)行定量分析還有待進(jìn)一步研究。

[1]張永生，黃松嶺，趙 偉，等.基于電磁超聲的鋼板裂紋檢測

系統(tǒng)[J].無損檢測，2009，42（4）：275-280.

[2]張志剛，闕沛文，雷華明.蘭姆波的電磁超聲磁致伸縮式激勵及其特性[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2006，40（1）：133-137.

[3]ALERS G A,BURNS L R.EMAT Designs for Special Applications[J].Materials Evaluation,1987,45：1184-1189.

[4]朱定偉，張春雷，黃建沖.電站管道超聲導(dǎo)波檢測的模式選擇[J].廣東電力，2007，20（5）：16-20.