余國(guó)民，衛(wèi)　棟，祝光輝，田新新

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　西安　陜西　710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司　北京　 100101；3.長(zhǎng)慶蘇里格南作業(yè)公司　西安　陜西　710018)

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·試驗(yàn)研究·

電磁超聲在石油管材檢測(cè)技術(shù)中的研究與分析

余國(guó)民1,2，衛(wèi)棟1,2，祝光輝3，田新新1,2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西安陜西710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司北京 100101；3.長(zhǎng)慶蘇里格南作業(yè)公司西安陜西710018)

摘要：簡(jiǎn)述了電磁超聲檢測(cè)技術(shù)的基本原理，闡述了電磁超聲檢測(cè)的兩個(gè)重要組成部分高頻線圈和磁鐵的優(yōu)化設(shè)計(jì)、檢測(cè)方法和效果，實(shí)際舉例電磁超聲檢測(cè)技術(shù)在石油管行業(yè)板材和管材檢測(cè)效果，同時(shí)說明了該檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)和局限性，檢測(cè)結(jié)果表明該方法可有效應(yīng)用于板材和管材的檢測(cè)，可靠性、準(zhǔn)確度和檢測(cè)效率能達(dá)到傳統(tǒng)的自動(dòng)超聲檢測(cè)水平，實(shí)踐證明應(yīng)用效果顯著。它是一種可靠的新型無損檢測(cè)方法，該技術(shù)將逐漸在石油管行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電磁超聲；高頻線圈；磁鐵；檢測(cè)

0引言

電磁超聲檢測(cè)技術(shù)(EMAT)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種無損檢測(cè)新技術(shù)，由于該技術(shù)是一種無需耦合劑、能直接在導(dǎo)體中激發(fā)和接收超聲波，使得超聲波探傷的應(yīng)用擴(kuò)展到高溫、高速和在線檢測(cè)等領(lǐng)域，是無損檢測(cè)的發(fā)展前沿技術(shù)之一，引起了各方面研究人員廣泛關(guān)注。進(jìn)入21 世紀(jì)后, 電磁超聲技術(shù)已逐步進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)知名廠家如寶鋼、天鋼、華菱鋼鐵等廠家生產(chǎn)的石油管材(板材、管材、棒材、線材等)產(chǎn)品已經(jīng)普遍應(yīng)用了電磁超聲檢測(cè)技術(shù)，實(shí)踐證明應(yīng)用效果顯著，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1電磁超聲(EMAT)原理

電磁超聲主要以磁致伸縮效應(yīng)和洛侖茲力為理論基礎(chǔ), 直接在被檢物體內(nèi)產(chǎn)生超聲波[1]。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,設(shè)計(jì)了基于磁致伸縮效應(yīng)的換能器。當(dāng)鐵磁性材料在外磁場(chǎng)中被磁化時(shí), 其長(zhǎng)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(duì)鐵磁性材料施加交變磁場(chǎng), 使得其周期性伸縮振動(dòng), 從而激發(fā)超聲波。同時(shí), 鐵磁性材料的伸縮振動(dòng), 會(huì)引起周圍磁場(chǎng)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(hào)，如圖1所示。

圖1　EMAT原理圖[2]

3EMAT優(yōu)化設(shè)計(jì)

EMAT 主要由三部分組成:

1) 高頻線圈：用于產(chǎn)生高頻激發(fā)磁場(chǎng)。

2)磁鐵：用來提供外磁場(chǎng), 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, 這是與壓電超聲換能器的基本區(qū)別。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(chǎng)有關(guān), 缺陷波幅值最大時(shí)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(cè)靈敏度。

3.1線圈設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)形式最為簡(jiǎn)單的EMAT線圈為置于恒定磁場(chǎng)中通過交變電流的一根直導(dǎo)線。實(shí)踐證明這種簡(jiǎn)單的EMAT在實(shí)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(cè)和評(píng)估中效果不佳。為提高線圈的轉(zhuǎn)換效率,人們開始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(chǎng)方向的不同, 可產(chǎn)生縱波或橫波。圖2為產(chǎn)生在金屬導(dǎo)體中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ā?/p>

圖2　生成一個(gè)方向發(fā)射Lamb波的EMAT[3]

線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)EMAT線圈設(shè)計(jì)的原則: ①每個(gè)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)出的超聲表面波的響應(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)的聲表面波強(qiáng)度不僅取決于導(dǎo)線長(zhǎng)度h,而且取決于線圈匝數(shù)。導(dǎo)線長(zhǎng)度h越長(zhǎng),線圈匝數(shù)越多, 激發(fā)的聲表面波越強(qiáng)。

線圈的尺寸設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　EMAT優(yōu)化線圈尺寸

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：以頻率f=500 kHz，周期T=1/f=2 μs，表面波在鋼中的傳播速度Cr=2 964 m/s， 可求出表面波的波長(zhǎng)λ=Cr/f=5.93 mm。由上面的推導(dǎo)可知，為使表面波聲強(qiáng)最大，圖3中應(yīng)取b=λ/2=2.96 mm，取a=2 mm,d=0.07 mm (扁平導(dǎo)線的厚度)。令n=8,由△ω/ω0=1/n，計(jì)算出了換能器的頻帶寬度，即信號(hào)頻率的范圍為468.75～531.25 kHz，以印刷電路板方式制作線圈激發(fā)的聲波強(qiáng)度最高。實(shí)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(gè)方向傳輸?shù)陌宀?圖2),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。它主要用于產(chǎn)生表面波、板波及具有一定傳播角度的體波。為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)[4]。采用印刷電路技術(shù)可降低線圈的導(dǎo)體電阻。各種EMAT 線圈制作方法的比較如表1所示。

3.2磁鐵設(shè)計(jì)

為在介質(zhì)表面和近表層形成強(qiáng)的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，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(huì)受到溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的限制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用交流磁場(chǎng)磁化工件只需要較小的電流即可產(chǎn)生較大的磁場(chǎng),如圖4 所示。

表1　各種EMAT線圈制作方法對(duì)比[4]

圖4　采用磁鐵組提供偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的EMAT

磁鐵優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)磁鐵選擇原則: ①永磁材料雖然可以提供很強(qiáng)的磁場(chǎng)，但用在聲場(chǎng)測(cè)試中表現(xiàn)出的缺點(diǎn)是它的磁場(chǎng)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(dòng)時(shí)需要頻繁的斷磁，而實(shí)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(fèi)力，還容易損壞測(cè)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(cè)中使用直流電磁鐵提供磁偏場(chǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的磁場(chǎng)穩(wěn)定，給檢測(cè)帶來的干擾小, 但直流磁場(chǎng)對(duì)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(cè)試的需求, 特別是在對(duì)工件進(jìn)行磁化時(shí)更是如此。③使用交流磁場(chǎng)磁化檢測(cè)試件時(shí)，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(chǎng)，產(chǎn)生超聲波的效率比直流電磁鐵高得多。為此采用交流電磁鐵作為偏置激磁場(chǎng)效果最佳[5]。

表2為通以相同電流時(shí)永磁鐵、直流電磁鐵、交流電磁鐵產(chǎn)生聲波幅值比較。

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

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

4實(shí)際應(yīng)用介紹

目前國(guó)產(chǎn)的板材、管材電磁超聲探傷設(shè)備動(dòng)態(tài)靈敏度可達(dá)Ф2 mm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(cè)，鋼管螺旋前進(jìn)-探頭原地跟蹤檢測(cè)、鋼管原地旋轉(zhuǎn)-探頭直線移動(dòng)跟蹤檢測(cè)、鋼板直線前進(jìn)-探頭原地跟蹤檢測(cè)等多種掃查方式，可有效的檢測(cè)出黑色金屬中如白點(diǎn)、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(cè)靈敏度可精確到鋼管壁厚5%的人工刻槽。

4.1板材

在石油管材行業(yè)，制造HFW、SAWH、SWAL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(dòng)掃查分層探傷，根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求檢測(cè)板材25%～50%的覆蓋面積范圍，同時(shí)板材兩邊緣25mm范圍必須100%探傷，甚至某些嚴(yán)格的項(xiàng)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，采用上述超聲探傷方法無法做到，且選用探頭個(gè)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(duì)厚度6mm～ 20 mm的制管板材, 上下表面探傷盲區(qū)至少各為1.5mm，對(duì)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(duì)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。水量大，不易風(fēng)干, 影響焊接質(zhì)量。而電磁超聲(EMAT)正好可以解決上述問題。

國(guó)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(shí)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)Ф610 mm×8.8 mm(L415MB)規(guī)格SAWH鋼管，板材尺寸為8.8 mm×1350 mm，在一張長(zhǎng)1 000 mm的板材中間位置，刻一平底孔(Ф6 mm平底孔，深度4.4 mm)進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果如圖5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(cè)，對(duì)出現(xiàn)高于80%的波高位置進(jìn)行復(fù)查確認(rèn)。同時(shí)為了驗(yàn)證電磁超聲檢測(cè)技術(shù)的可靠性，在上述板材上刻了一人工槽(長(zhǎng)10 mm，寬1 mm，深2 mm)，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(hào)明顯，脈沖尖銳，幾乎與邊緣脈沖有相同的能量回波，如圖6所示。由此可以認(rèn)為電磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)于開口小且具有一定深度的缺陷具有更高的檢測(cè)能力。在實(shí)際應(yīng)用中證明了電磁超聲在對(duì)板材檢測(cè)時(shí)，不僅可以檢測(cè)出分層缺陷，對(duì)其他類型的裂紋類，開口類缺陷也能檢出。

圖5　Ф6 mm平底孔缺陷回波

圖6　人工槽缺陷回波

4.2管材

在石油管材行業(yè)，電磁超聲多見用于無縫鋼管檢測(cè)、油套管檢測(cè)。下面筆者介紹在國(guó)內(nèi)某無縫鋼管廠用電磁超聲技術(shù)檢測(cè)無縫鋼管實(shí)例。

圖7　管材檢測(cè)示意圖

對(duì)120支Ф323.9 mm×12.7 mm-L245MB規(guī)格無縫鋼管進(jìn)行電磁超聲檢測(cè)，圖7為管材檢測(cè)示意圖，檢測(cè)時(shí)，將電磁超聲探頭放置與被測(cè)工件上，選擇與被檢鋼管同規(guī)格同壁厚樣管，管徑為323.9 mm，壁厚為12.7 mm，外壁人工刻槽，槽深度為壁厚的5%，寬度為1 mm，長(zhǎng)度20 mm。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(gè)數(shù)，是得到的回波波形與始波之間有一定的距離差，以保證缺陷波的正常顯示為最佳，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)后得到較為合適的無缺陷波形如圖8所示，有缺陷波形如圖9所示。其中采用脈沖周期個(gè)數(shù)為9，頻率選擇880 kHz，觸發(fā)相位選擇140°，圖8與之相比較，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(dòng)檢測(cè)鋼管，使得電磁超聲探頭到軸向裂紋的聲程最短。表3為檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果說明電磁超聲(EMAT)檢測(cè)結(jié)果與超聲/磁粉檢測(cè)結(jié)果一致，表明了電磁超聲(EMAT)檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性。

5電磁超聲(EMAT)法在石油管行業(yè)檢測(cè)的特點(diǎn)與局限性

EMAT法在石油管行業(yè)目前主要應(yīng)用于規(guī)則材質(zhì)產(chǎn)品的檢測(cè)，如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(cè)、無縫管(SML)厚度分選/缺陷檢測(cè)、油井管材缺陷檢測(cè)等方面，這主要是基于EMAT法比自動(dòng)超聲檢測(cè)效率高，可靠性好。然而鋼管焊縫檢測(cè)還是以RT/UT為主。

5.1電磁超聲(EMAT)的特點(diǎn)

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[6], 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)[7]。

2)可產(chǎn)生各類波形

EMAT在檢測(cè)的過程中, 在滿足一定的激發(fā)條件時(shí), 則會(huì)產(chǎn)生表面波、SH波和LAMB波。如改變激勵(lì)電信號(hào)頻率使之滿足式(1)要求：f=nC/λsinθ(1)式中，其中n為任意整數(shù)，C為聲速，f為信號(hào)頻率，λ為波長(zhǎng)，θ為向工件內(nèi)側(cè)斜輻射角(但其幅度也隨之下降)； 在其它條件不變的前提下, 只要改變電信號(hào)頻率, 就可以改變聲的輻射角θ。EMAT的這一特點(diǎn)可以在不變更換能器的情況下, 實(shí)現(xiàn)各類波形的自由選擇。

圖8　無缺陷時(shí)EMAT檢測(cè)信號(hào)(采樣點(diǎn)，單位：個(gè))

圖9　有缺陷時(shí)EMAT檢測(cè)信號(hào)(采樣點(diǎn)，單位：個(gè))

數(shù)量缺陷類型EMAT檢測(cè)報(bào)警/結(jié)果其他檢測(cè)方法驗(yàn)證/結(jié)果備注2支外劃傷報(bào)警/不合格MT/不合格修磨后合格1支內(nèi)表面劃傷報(bào)警/不合格UT/不合格判廢3支外表面凸包報(bào)警/不合格目視/不合格修磨后合格1支裂紋報(bào)警/不合格UT/不合格切除

3)對(duì)被檢工件表面質(zhì)量要求不高

EMAT不需要與聲波在其中傳播的材料接觸, 就可向其發(fā)射和接收返回的超聲波。因此對(duì)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。

5.2電磁超聲(EMAT)的局限性

長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐證明對(duì)于15 mm以下的板材、管材的電磁超聲(EMAT)檢測(cè)速度可達(dá)40 mm/min，且檢測(cè)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道焊接的限制和制約，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)HFW鋼管壁厚最大可達(dá)16 mm(X70M)，生產(chǎn)SAWH鋼管壁厚最高可達(dá)22.4 mm(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5.6～16 mm范圍。

為驗(yàn)證電磁超聲(EMAT)對(duì)一定厚度以上的板材和管材的裂紋檢測(cè)準(zhǔn)確率、精度問題，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

檢測(cè)設(shè)備：營(yíng)口北方檢測(cè)公司(MAIII-G型)；

板材尺寸：長(zhǎng)×寬×厚度：L×1 500 mm×20 mm(X70M)；

板材人工缺陷：沿板材軋制方向，在靠近板材兩邊緣10 mm范圍內(nèi)，每隔50 mm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Ф6 mm平底孔，深度分別為1 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm；

管材尺寸：Ф660 mm×20 mm(X70M)-SAWL鋼管

管材人工缺陷：圖10為板材與管材人工缺陷圖，在鋼管內(nèi)外表面沿縱向間隔50mm刻出相同長(zhǎng)度(10 mm)不同深度的人工裂紋，人工裂紋深度分別為1 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm；

圖10　板材與管材人工缺陷圖

靈敏度調(diào)節(jié)：以20 m/min檢測(cè)速度為基準(zhǔn)，板材以10 mm深的Ф6 mm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(bào)警閘門的前沿緊靠始波后沿。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：

1)20 m/min的檢測(cè)速度下，板材內(nèi)外表面所有Ф6 mm平底孔能夠100%有效檢測(cè)出來，管材內(nèi)外表面所有刻槽能夠100%有效檢測(cè)出來。

2)檢測(cè)速度提高到30 m/min時(shí)，板材內(nèi)外表面所有Ф6 mm平底孔仍然能夠100%有效檢測(cè)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40 m/min時(shí)，板材和管材大部分人工缺陷已經(jīng)無反射波高。

上述實(shí)驗(yàn)說明了對(duì)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(cè)距離的增加，靈敏度下降明顯，靈敏度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特別重要(靜態(tài)靈敏度不能作為調(diào)節(jié)基準(zhǔn))，此時(shí)應(yīng)該要考慮到電磁超聲自動(dòng)探傷裝置(設(shè)備能力)能發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力及校驗(yàn)基準(zhǔn)。

6電磁超聲(EMAT)法在石油管行業(yè)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)和存在的技術(shù)問題

6.1電磁超聲(EMAT)的優(yōu)勢(shì)

1)檢測(cè)速度快[8]

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

2)聲波傳播距離遠(yuǎn)

電磁超聲(EMAT)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(cè)時(shí), 探頭與工件可靈活運(yùn)動(dòng), 使探傷設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

3)所用通道與探頭的數(shù)量少

在實(shí)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(dòng)超聲檢測(cè)。特別在板材EMAT探傷設(shè)備上就更為明顯, 自動(dòng)超聲檢測(cè)要進(jìn)行板面的探傷需要幾十個(gè)通道及探頭, 而EMAT則只需要4個(gè)通道及相應(yīng)數(shù)量探頭就可對(duì)板材進(jìn)行100%覆蓋檢測(cè)，這是自動(dòng)超聲檢測(cè)無法完成的。

4)發(fā)現(xiàn)自然缺陷的能力強(qiáng)

EMAT對(duì)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(cè)顯然不能做到。

6.2電磁超聲(EMAT)存在的技術(shù)問題

1)目前在石油管材行業(yè)，電磁超聲(EMAT)還不能用于焊縫自動(dòng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，但可用于局部靜態(tài)檢測(cè)，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(duì)信號(hào)產(chǎn)生噪聲干擾排除困難，特別是在動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，信噪比差。當(dāng)板材探傷崗位設(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25 mm范圍的母材分層探傷無法進(jìn)行。

2)國(guó)內(nèi)有關(guān)電磁超聲(EMAT)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少，主要還是參照ASTM E816、E1774等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，這也是制約電磁超聲(EMAT)在石油管行業(yè)推廣應(yīng)用的原因之一。

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

4) 電磁超聲(EMAT)元器件壽命短及互換性差，探頭、線圈設(shè)計(jì)緊湊，實(shí)際使用容易接觸不良，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(shí)，設(shè)備臺(tái)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(shí)相比較。

7現(xiàn)狀與未來發(fā)展方向

國(guó)內(nèi)電磁超聲檢測(cè)由于起步較晚，與歐美等業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在很大差距。在電磁超聲無損檢測(cè)領(lǐng)域中, 需運(yùn)用不同的分析方法建立精確物理模型， 更深入地認(rèn)識(shí)EMAT的物理過程，特別是洛倫茲力與磁致伸縮力的共同作用機(jī)理研究，提高和完善對(duì)信號(hào)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(yùn)用，也是無損檢測(cè)的重要發(fā)展方向。隨著我國(guó)工業(yè)的高速發(fā)展，電磁超聲無損檢測(cè)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(cè)技術(shù)難以解決的一些實(shí)際問題，相信EMAT逐漸成為無損檢測(cè)領(lǐng)域的一種主流技術(shù)，將來廣泛應(yīng)用于石油管材行業(yè)。

參 考 文 獻(xiàn)

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Research and Analysis on the Detection Technology for Petroleum Tubular Goods Material of Electromagnetic Acoustic Transducer Technology

YU Guomin1，2,WEI Dong12,ZHU Guanghui3,TIAN Xinxin12

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′anShaanxi710077,China；2.BeijingLongshineOilTubularTechnologyCo.Ltd,Beijing100101,China；3.ChangqingSouthBranchOperation，Co.Ltd，Xi′an，Shaanxi710018,China)

Abstract：This article described the theory of electromagnetic acoustic transducer technology , it explained the two important parts of the high-frequency coil electromagnetic acoustic transducer and electromagnet in connection with the optimization design,test method and effect, it illustrated with examples of detecting effectiveness for the petroleum tubular goods material. Moreover it shows that advantages and limitations for this method. Test results show that the method has been applicable to the petroleum tubular goods material. the reliability, accuracy and detection efficiency are better than the AUT. It is a new-style NDT method. It considers that electromagnetic acoustic transducer technology will be widely used in petroleum industry.

Key words：electromagnetic acoustic transducer(EMAT)；gigh-frequency coil；electromagnet；detection

(收稿日期：2015-01-04編輯：葛明君)

中圖法分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)02-0028-07

第一作者簡(jiǎn)介：余國(guó)民，男，1980年生，大學(xué)本科，工程師，主要從事油氣輸送管與油井管駐廠監(jiān)造與無損檢測(cè)技術(shù)工作。E-mail：yuguomin36@163.com