余國民，李 黎，楊 釗

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

電磁超聲檢測技術(shù)（EMAT）無需耦合劑，能直接在導(dǎo)體中激發(fā)和接收超聲波，使超聲探傷的應(yīng)用擴(kuò)展到高溫、高速和在線檢測等領(lǐng)域，因而是無損檢測的發(fā)展前沿技術(shù)之一。

1 EMAT原理

電磁超聲是基于磁致伸縮效應(yīng)和洛侖茲力，直接在被檢物體內(nèi)產(chǎn)生超聲波。在鐵磁性材料中，磁致伸縮效應(yīng)機(jī)制尤為重要，特別是在弱磁化狀態(tài)下，更是影響EMAT 效率的主導(dǎo)因素。當(dāng)鐵磁性材料在外磁場中被磁化時，其長度或體積發(fā)生微小變化的現(xiàn)象被稱為磁致伸縮效應(yīng)。根據(jù)這一原理，對鐵磁性材料施加交變磁場，使得其周期性伸縮振動，從而激發(fā)超聲波［1］。同時，鐵磁性材料的伸縮振動，會引起周圍磁場發(fā)生變化，即磁致伸縮逆效應(yīng)。根據(jù)此原理可以接收電磁超聲信號［2］。

2 EMAT優(yōu)化設(shè)計

2.1 組成

（1）高頻線圈：用于產(chǎn)生高頻激發(fā)磁場，即產(chǎn)生脈沖磁場。

（2）磁鐵：用來提供外磁場（偏置磁場），它可以是直流電磁鐵、永久磁鐵、交流電磁鐵或脈沖電磁鐵。

（3）工件：是EMAT 的一部分。工件必須是電導(dǎo)體或磁導(dǎo)體。EMAT 的工作原理（即激發(fā)與接收超聲波的機(jī)理）與洛侖茲力、磁致伸縮力和磁性力相關(guān)。三種力都與磁場有關(guān)，缺陷波幅值最大時電磁鐵磁化強(qiáng)度為最佳磁化強(qiáng)度。確定最佳磁化強(qiáng)度可提高檢測靈敏度。

2.2 線圈設(shè)計

結(jié)構(gòu)形式最為簡單的EMAT 線圈為置于恒定磁場中通過交變電流的一根直導(dǎo)線。實踐證明這種簡單的EMAT 線圈在實際應(yīng)用中效率低，只能在導(dǎo)體中產(chǎn)生圓柱狀徑向輻射的剪切橫波，而這種無方向的體波在無損檢測中效果不佳。為提高線圈的轉(zhuǎn)換效率，采用各種形式的螺旋線圈，包括蛇形、回形、呂形等。根據(jù)外加恒定磁場方向的不同，可產(chǎn)生縱波或橫波。即金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的沿一定方向傳播的超聲波或沿金屬表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ɑ虬宀?，如圖1所示［3］。

圖1 生成一個方向發(fā)射Lamb波的EMAT

EMAT 線圈設(shè)計的原則：①每個換能器都有自己的中心頻率，而且由導(dǎo)線寬度及導(dǎo)線之間的間隔決定，滿足關(guān)系式b＝λ／2。②換能器的幾何形狀直接反映激發(fā)出的超聲波的響應(yīng)。③換能器的頻帶寬度取決于線圈匝數(shù)，兩者互為倒數(shù)關(guān)系。④換能器所激發(fā)的聲波強(qiáng)度不僅取決于導(dǎo)線長度h，而且取決于線圈匝數(shù)。導(dǎo)線長度h越長，線圈匝數(shù)越多，激發(fā)的聲波越強(qiáng)。一個產(chǎn)生表面波的EMAT線圈的尺寸設(shè)計如圖2所示［4］。

圖2 EMAT 優(yōu)化線圈尺寸

試驗數(shù)據(jù)：以頻率f＝500kHz，周期T＝1／f＝2μs，表面波在鋼中的傳播速度Cr＝2 964m／s，可求出表面波的波長λ＝Cr／f＝5.93mm。為使表面波聲強(qiáng)最大，圖3中應(yīng)取b＝λ／2＝2.96mm，取a＝2mm，d＝0.07mm（扁平導(dǎo)線的厚度）.令n＝8，由Δω／ω0＝1／n，計算出了換能器的頻帶寬度，即信號頻率的范圍為468.75～531.25kHz，以印刷電路板方式制作線圈激發(fā)的聲波強(qiáng)度最高。實踐證明采用蛇形線圈（印刷電路板）作為EMAT 的線圈形式，成功產(chǎn)生了只沿一個方向傳輸?shù)陌宀ǎ▓D2），在同等條件下，其聲波傳播強(qiáng)度比排線型和導(dǎo)線型線圈高出40%～60%。目前蛇形線圈已廣泛應(yīng)用于電磁超聲的發(fā)射和接收過程中，主要用于產(chǎn)生表面波、板波及具有一定傳播角度的體波，可以使超聲波在固體媒質(zhì)中匯成一條直線并沿一特定方向傳播。

常用的EMAT 線圈制作技術(shù)有四種，分別是排線、印刷電路、薄膜和導(dǎo)線技術(shù)。采用印刷電路技術(shù)可降低線圈的導(dǎo)體電阻。各種EMAT 線圈制作方法比較結(jié)果如表1所示［5］。

表1 各種EMAT線圈制作方法對比

2.3 磁鐵設(shè)計

為在介質(zhì)表面和近表層形成強(qiáng)的偏轉(zhuǎn)磁場，需要采用高強(qiáng)的磁鐵。理論上認(rèn)為既可采用永磁鐵又可采用電磁鐵，但需注意的是，雖然使用永磁鐵可使結(jié)構(gòu)緊湊，但會受到溫度和磁場強(qiáng)度的限制。試驗結(jié)果表明采用交流磁場磁化工件只需要較小的電流即可產(chǎn)生較大的磁場，如圖3所示。

圖3 采用磁鐵組提供偏轉(zhuǎn)磁場的EMAT

磁鐵選擇原則：①永磁材料雖然可以提供很強(qiáng)的磁場，但用在聲場測試中它的磁場強(qiáng)度不可變化。此外永磁鐵的使用比較不方便，它在鐵磁性工件上移動時需要頻繁的斷磁，而實現(xiàn)斷磁又需要一套復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用斷磁法需依靠人力的操作，不僅費力，還容易損壞測量線圈。②直流電磁鐵是在磁化線圈中通以直流電，在超聲激發(fā)和探測中使用直流電磁鐵提供磁偏場，其優(yōu)點是產(chǎn)生的磁場穩(wěn)定，給檢測帶來的干擾小，但直流磁場對試件磁化效率較低，往往在線圈中通入很大的電流還不能滿足測試的需求，特別是在對工件進(jìn)行磁化時更是如此。③使用交流磁場磁化檢測試件時，只需在磁化線圈中施加較小的電流，即可在試件表面產(chǎn)生較大的磁場，產(chǎn)生超聲波的效率比直流電磁鐵高得多。故采用交流電磁鐵作為偏置磁場效果最佳，表2為通以相同電流時永磁鐵、直流電磁鐵、交流電磁鐵產(chǎn)生的聲波幅值對比。

表2 永磁鐵、直流電磁鐵／交流電磁鐵產(chǎn)生超聲波幅值比較［5］

由表2可知，采用交流磁場磁化工件只需要較小的電流即可產(chǎn)生較大的磁場。EMAT 設(shè)備基本上都采用交流電磁鐵。

3 實際應(yīng)用

目前國產(chǎn)的板材、管材電磁超聲探傷設(shè)備動態(tài)靈敏度可達(dá)φ2mm 平底孔當(dāng)量，能夠采用鋼管直線前進(jìn)—探頭原地跟蹤檢測，鋼管螺旋前進(jìn)—探頭原地跟蹤檢測、鋼管原地旋轉(zhuǎn)—探頭直線移動跟蹤檢測、鋼板直線前進(jìn)—探頭原地跟蹤檢測等多種掃查方式，可有效的檢測出黑色金屬中如白點、夾雜、裂紋、縮孔等自然缺陷，板材上、下表面及內(nèi)部的各種缺陷（包括重皮、折疊、孔洞、分層等）以及鋼管包括焊縫內(nèi)外表面及內(nèi)部的各種縱向缺陷，包括重皮、折疊、孔洞、未焊透等自然缺陷。滿足管材、板材相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，檢測靈敏度可精確到鋼管壁厚5%的人工刻槽。

3.1 板材中的應(yīng)用

在石油管材行業(yè)，制造HFW（高頻焊管）、SAWH（螺旋縫埋弧焊管）、SWAL（直縫埋弧焊管）鋼管用的卷板或鋼板，通常采用鋼帶或管體超聲波縱波多通道梳狀或擺動掃查分層探傷，根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求檢測板材25%～50%的覆蓋面積范圍，同時板材兩邊緣25mm 范圍必須100%探傷，甚至某些嚴(yán)格的項目，例如福建海西天然氣管線明確要求板材100%探傷。在這種情況下，采用超聲探傷方法無法做到，且選用探頭個數(shù)由于受多通道設(shè)備各通道耦合狀態(tài)、通道增益的一致性、閘門位置及寬度的設(shè)置、邊探探頭位置跟蹤、探頭直徑和間距決定的探傷覆蓋率等因素的影響，對厚度6～20mm 的制管板材，上下表面探傷盲區(qū)至少各為1.5mm，對板材的重皮、折疊等近表面缺陷無法檢出，結(jié)疤、壓坑、孔洞等外觀缺陷，因縱波探傷的覆蓋率、耦合等因素影響也無法100% 檢出。且對于壓電超聲縱波水耦合探傷，水量太小，耦合不良，影響探傷結(jié)果。而水量大，不易風(fēng)干，影響焊接質(zhì)量。而EMAT 正好可以解決上述問題。

國內(nèi)的玉龍制管廠采用電磁超聲探傷方法排除了耦合水的不利影響，實現(xiàn)了板材沿厚度和寬度方向的100% 覆蓋，提高了自然缺陷的檢出率。

工廠在生產(chǎn)φ610mm×8.8mm（L415MB）規(guī)格SAWH 鋼管，板材尺寸為8.8mm×1 350mm，在一張長1 000mm的板材中間位置刻一平底孔（φ6mm，深度4.4mm）進(jìn)行靈敏度校驗，校驗結(jié)果如圖4所示，平底孔回波調(diào)至80%波高作為基準(zhǔn)靈敏度進(jìn)行檢測，對出現(xiàn)高于80%的波高位置進(jìn)行復(fù)查確認(rèn)。同時為了驗證電磁超聲檢測技術(shù)的可靠性，在上述板材上刻了一人工槽（長10 mm，寬1mm，深2mm），在上述相同靈敏度基準(zhǔn)的條件下，其結(jié)果顯示人工槽回波信號明顯，脈沖尖銳，幾乎與邊緣脈沖有相同的能量回波，如圖5所示。由此可以認(rèn)為電磁檢測技術(shù)對于開口小且具有一定深度的缺陷具有更高的檢測能力。在實際應(yīng)用中證明了電磁超聲在對板材檢測時，不僅可以檢測出分層缺陷，開口類缺陷也能檢出。

圖4 φ6mm 平底孔缺陷回波

圖5 人工槽缺陷回波

3.2 管材中的應(yīng)用

在石油管材行業(yè)，電磁超聲多用于無縫鋼管檢測、油套管檢測。筆者介紹了在國內(nèi)某無縫鋼管廠用電磁超聲技術(shù)檢測無縫鋼管實例。

圖6 管材檢測示意

對120支φ323.9mm×12.7mm（L245MB）規(guī)格無縫鋼管進(jìn)行電磁超聲檢測，如圖6所示將電磁超聲探頭放置于被測工件上，選擇與被檢鋼管同規(guī)格同壁厚樣管，管徑為323.9mm，壁厚為12.7mm，外壁人工刻槽，槽深度為壁厚的5%，寬度為1mm，長度為20mm。調(diào)整過程如下，首先設(shè)置脈沖串相位和脈沖串的頻率，觀察示波器，看到回波后，調(diào)整脈沖串個數(shù)，得到的回波與始波之間有一定的距離差，為了保證缺陷波正常顯示，經(jīng)過反復(fù)試驗調(diào)節(jié)示波器后得到較為合適的無缺陷波如圖7所示，有缺陷波形如圖8所示［6－7］。其中采用脈沖周期個數(shù)為9，頻率選擇880kHz，觸發(fā)相位選擇1400，圖7與圖8相比較，可以明顯看出在始波的一次回波之間有一缺陷波，并且一次回波幅值變小，通過轉(zhuǎn)動檢測鋼管，使得電磁超聲探頭到軸向裂紋的聲程最短。表3說明電磁超聲檢測結(jié)果與超聲／磁粉檢測結(jié)果一致，表明了電磁超聲檢測的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖7 無缺陷時EMAT 檢測信號（采樣點）

圖8 有缺陷時EMAT 檢測信號（采樣點）

表3 120支φ323.9mm×12.7mm 無縫鋼管檢測結(jié)果

4 EMAT法在石油管行業(yè)檢測的特點與局限性

EMAT 法在石油管行業(yè)目前主要應(yīng)用于HFW（高頻焊管）、SAWH（螺旋縫埋弧焊管）、SWAL（直縫埋弧焊管）用的卷板或鋼板的檢測、（SML）無縫管厚度分選／缺陷檢測、油井管材缺陷檢測等方面，這主要是基于EMAT 法比自動超聲檢測效率高，可靠性好。然而鋼管焊縫檢測還是以RT（射線檢測）／UT（超聲檢測）為主。

4.1 電磁超聲檢測的特點

4.1.1 無需任何耦合劑

EMAT 的能量轉(zhuǎn)換是在工件表面的趨膚層內(nèi)直接進(jìn)行的，因而可將趨膚層看成是壓電晶片，由于趨膚層是工件的表面層，所以EMAT 所產(chǎn)生的超聲波就不需要任何耦合介質(zhì)。

4.1.2 可產(chǎn)生各類波形

EMAT 在檢測的過程中，在滿足一定的激發(fā)條件時，會產(chǎn)生表面波、SH 波（板波）和LAMB波。如改變激勵電信號頻率使之滿足式（1）要求：

式中：n為任意整數(shù)；c為聲速；f為信號頻率；λ為波長；θ為向工件內(nèi)側(cè)斜輻射角。

在其它條件不變的前提下，只要改變電信號頻率，就可以改變聲的輻射角θ。EMAT 的這一特點可以在不變更換能器的情況下，實現(xiàn)各類波形的自由選擇。

4.1.3 對被檢工件表面質(zhì)量要求不高

EMAT 不需與材料接觸，就可向其發(fā)射和接收超聲波。因此對被探工件表面不要求特殊清理，較粗糙的表面也可直接探傷。

4.2 電磁超聲檢測的局限性

對于15mm 以下的板材、管材的電磁超聲檢測速度可達(dá)40mm／min，且檢測效率高，可靠性好。

目前在石油管行業(yè)，由于受設(shè)備承載能力和埋弧焊接方法多的限制，國內(nèi)生產(chǎn)HFW 鋼管壁厚最大可達(dá)16mm（X70M），生產(chǎn)SAWH 鋼管壁厚最高可達(dá)22.4mm（X80M），生產(chǎn)SAWL 鋼管壁厚最高可達(dá)38.4 mm（X80M），生產(chǎn)SML 鋼管厚度不受限，但石油管行業(yè)用于輸油氣的無縫鋼管厚度普遍在5.6～16mm 范圍。

為說明電磁超聲檢測對一定厚度以上的板材和管材的裂紋檢測準(zhǔn)確率、精度問題，進(jìn)行了試驗。檢測設(shè)備：營口北方檢測公司（MAIII－G 型）；板材尺寸：（長×寬×厚度）L×1 500 mm×20mm（X70M）；板材人工缺陷：沿板材軋制方向，在靠近板材兩邊緣10mm 范圍內(nèi)，每隔50mm 軋制方向距離，在板材的上下表面用刻槽機(jī)分別刻出不同深度的φ6 mm 平底孔，深度分別為1，2，4，6，8，10mm；管材尺 寸：φ660 mm×20 mm（X70M）－SAWL鋼管；管材人工缺陷：在鋼管內(nèi)外表面沿縱向間隔50mm 刻出相同長度（10 mm）不同深度的人工裂紋人工裂紋深度分別為1，2，4，6，8，10mm，如圖9所示。

圖9 板材與管材人工缺陷

靈敏度調(diào)節(jié)：以20m／min檢測速度為基準(zhǔn)，板材以10mm 深的φ6mm 平底孔反射波高調(diào)節(jié)滿幅度的100%作為合格極限，管材以N5刻槽為反射波高調(diào)節(jié)滿幅度的100%作為合格極限，調(diào)節(jié)發(fā)射頻率和磁化電流，使人工反射波形最佳，調(diào)節(jié)報警閘門的前沿緊靠始波后沿。實踐結(jié)果表明：

（1）20m／min的檢測速度下，板材內(nèi)外表面所有φ6mm 平底孔能夠100%有效檢測出來，管材內(nèi)外表面所有刻槽能夠100%有效檢測出來。

（2）檢測速度提高到30m／min時，板材內(nèi)外表面所有φ6mm 平底孔仍然能夠100%有效檢測出來，管材內(nèi)表面1 mm 深、2 mm 深刻槽波高不足50%，有漏檢的可能。

（3）當(dāng)速度提高到40m／min時，板材和管材大部分人工缺陷已經(jīng)無反射波高。

試驗說明了對于超過一定壁厚的板材和管材，特別是超過15mm 以上壁厚的產(chǎn)品，隨著檢測距離的增加，靈敏度下降明顯，靈敏度動態(tài)調(diào)節(jié)至關(guān)重要，此時應(yīng)該要考慮到電磁超聲自動探傷裝置能發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力及校驗基準(zhǔn)。

5 電磁超聲法在石油管行業(yè)檢測的優(yōu)勢和存在的技術(shù)問題

5.1 電磁超聲檢測的優(yōu)勢

5.1.1 檢測速度快

板材自動超聲檢測速度范圍大約在15～20m／min，管材自動超聲檢測速度范圍大約在10 m／min 以內(nèi)，而電磁超聲檢測速度可達(dá)到40m／min（根據(jù)壁厚和設(shè)備自身能力調(diào)節(jié)）［8］。

5.1.2 聲波傳播距離遠(yuǎn)

電磁超聲在板材和管材中激發(fā)的超聲波，可繞工件傳播幾周甚至十幾周。在進(jìn)行鋼管或鋼棒的縱向缺陷檢測時，探頭與工件可靈活移動，使探傷設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單。

5.1.3 所用通道與探頭的數(shù)量少

在實現(xiàn)同樣功能的前提下，EMAT 探傷設(shè)備所選用的通道數(shù)和探頭數(shù)少于自動超聲檢測。特別在板材EMAT 探傷設(shè)備上就更為明顯，自動超聲檢測要進(jìn)行板面的探傷需要幾十個通道及探頭，而EMAT 只需要4個通道及相應(yīng)數(shù)量探頭就可對板材進(jìn)行100%覆蓋檢測，這是自動超聲檢測無法完成的。

5.1.4 發(fā)現(xiàn)自然缺陷的能力強(qiáng)

EMAT 對于鋼管表面存在的折疊、重皮、孔洞等不易檢出的缺陷都能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)，而超聲檢測不能檢測出。

5.2 電磁超聲檢測存在的技術(shù)問題

（1）目前在石油管材行業(yè)，電磁超聲檢測還不能用于焊縫自動動態(tài)檢測，但可用于局部靜態(tài)檢測，這主要是基于焊縫余高以及焊縫的不規(guī)則形狀使得EMAT 對信號產(chǎn)生噪聲干擾，特別是在動態(tài)檢測時，信噪比差。當(dāng)板材探傷工序設(shè)置在鋼管成型水壓后與焊縫超聲探傷工序合并，板材及焊縫邊緣25mm 范圍的母材分層無法進(jìn)行探傷。

（2）國內(nèi)有關(guān)電磁超聲的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少，主要還是參照 ASTM E816《利用電磁聲換能器（EMAT）技術(shù)進(jìn)行超聲檢查的標(biāo)準(zhǔn)方法》、E1774《電磁超聲換能器標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則》等國際標(biāo)準(zhǔn)，這也是制約電磁超聲在石油管行業(yè)推廣應(yīng)用的原因之一。

（3）電磁超聲對一些形狀復(fù)雜的石油管材產(chǎn)品檢測困難，如彎管、三通、帶涂層的管件等產(chǎn)品。

（4）電磁超聲檢測用元器件壽命短及互換性差，探頭、線圈設(shè)計緊湊，實際使用時容易接觸不良，造成雜波或無波問題，來回調(diào)節(jié)困難。

（5）干擾性大：特別是連續(xù)工作時，設(shè)備臺架附屬物體上料、下料、旋轉(zhuǎn)均有變頻器參與工作，容易造成干擾雜波。無法與靜態(tài)工作時相比較。

6 結(jié)語

國內(nèi)電磁超聲檢測由于起步較晚，與歐美發(fā)達(dá)國家相比還存在很大差距。在電磁超聲無損檢測領(lǐng)域中，需運用不同的方法建立精確物理模型，更深入地認(rèn)識EMAT 的物理過程，特別是分析洛倫茲力與磁致伸縮力的共同作用機(jī)理，提高和完善對信號的接收和處理能力，更大程度地減小噪聲干擾。電磁超聲技術(shù)與其他技術(shù)的融合運用，也是無損檢測的重要發(fā)展方向。由于電磁超聲無損檢測技術(shù)不受聲波條件和接觸界面的限制，可用于接觸式超聲檢測技術(shù)難以解決的一些實際問題。

［1］任吉林.電磁檢測［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］唐彥林.電磁超聲在板材探傷中的應(yīng)用［J］.焊管，2005，28（6）：44－45.

［3］張廣純.電磁聲技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用［J］.無損檢測，1990，12（4）：103－105.

［4］高松巍，李冰，刑燕好.電磁超聲在鋼管探傷中的應(yīng)用［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009（10）：582－585.

［5］張勇，陳強(qiáng)，孫振國，等.用于無損檢測的電磁聲換能器研究進(jìn)展［J］.無損檢測，2004，26（6）：275－277.

［6］LICHT H.Eni beitrag zur beruhrungslosen anregung von plattenwellen［J］.Acoustics，1972，27（2）：131－134.

［7］OGI H，HIRAO M，OHTANI T.Line－focusing of ultrasonic SV wave by electromagnetic acoustic transducer［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1998，103（5）：2411－2415.

［8］OGI H，HIRAO M，OHTANI T.Line－focusing electromagnetic acoustic transducers for the detection of slit defects［J］.IEEE Tran Ultrasonics，F(xiàn)ebroelectrics，and Ferquency Control，1999，46（2）：341－366.