葉至靈，韓贊東

(清華大學機械工程系，北京 100086)

0 引言

無損檢測廣泛應用于結構健康監(jiān)測。對于埋地金屬管道的監(jiān)測，剩余壁厚是重要的管道可靠性指標[1]。

傳統(tǒng)的壓電超聲檢測方法需要耦合劑，不適合用來做埋地管道內檢測[2]。在“管道豬”上常用的漏磁檢測方法，攜帶設備龐大、所需驅動力強，受到檢測速度[3]、磁化狀態(tài)等多種因素影響，信號定量分析困難[4]，在燃氣管道中難以應用。電磁超聲因為其無需耦合、能夠產生多種聲波的特性，適合作為管道內檢測手段[5]。其中，橫波電磁超聲換能器能夠精確測量金屬材料的厚度[6]。

但是在實際測量任務中，由于燃氣管道的腐蝕多為外表面腐蝕，且腐蝕深度不均勻，不能簡單視作平板的測厚。在掃查的過程中，希望能夠得到探頭在各個位置時中心位置對應的剩余厚度，但腐蝕形成的斜面會對測量結果造成影響。為此，本文通過理論分析、模擬仿真和實驗測試的方式，研究了電磁超聲換能器在腐蝕斜面產生和傳播橫波的過程，更好地理解和處理接收的回波信號，從而減小測量的誤差。

1 電磁超聲斜面檢測方法

1.1 電磁超聲測厚原理

電磁超聲傳感器一般由永磁體和線圈組成。永磁體提供偏置磁場，線圈中通高頻電流從而在試件表面激發(fā)高頻渦流。通過不同方向的偏置磁場和不同形狀的線圈組合，能夠產生體波、表面波、導波等不同類型的聲波[7]。

圖1 橫波電磁超聲傳感器結構示意圖

一般用橫波電磁超聲傳感器來檢測厚度，典型橫波電磁超聲傳感器如圖1所示。橫波電磁超聲換能器由永磁體和螺旋線圈組成。永磁體產生的偏置磁場方向和試件表面垂直，通入環(huán)形線圈的高頻信號在試件表面感應出渦流，在垂直于試件表面的偏置磁場作用下產生洛倫茲力，使得試件表面振動而發(fā)出超聲波。對于鐵磁性材料、偏置磁場垂直偏置情況下的橫波電磁超聲，主要是洛倫茲力發(fā)聲機制的結果，磁致伸縮效應可以忽略不計[8]。

平行和垂直于試件表面的洛倫茲力大小可以簡化為[5]：

(1)

當線圈尺寸小于永磁體，渦流產生區(qū)域B0x較小，所以此類傳感器產生的縱波能量不到橫波的1/10，在檢測中可以忽略縱波的影響。

超聲波在試件中傳播，在底面反射，回波引起的應變在金屬試件中產生動態(tài)電場，從而被EMAT線圈接收到。橫波電磁超聲通過測量始波和回波的時差確定被測件的厚度。聲波傳播的距離是平板厚度的2倍。因此，平板金屬試件的厚度d可以表示為

d=v·Δt/2

(2)

式中：v為材料中聲速；Δt為測量時差。

1.2 電磁超聲斜面測厚方法

在進行斜面檢測時，由于檢測面和底面不平行以及線圈尺寸大小的影響，導致聲波實際傳播的距離不能簡單確定為探頭中心對應厚度的2倍。

斜面檢測時橫波的傳播路徑如圖2所示。探頭的直徑為D，斜面的傾角θ，以探頭中心對應表面位置為原點O建立坐標軸，探頭中心位置對應的斜面厚度為h，稱為中心厚度。

圖2 斜面檢測聲波信號傳播示意圖

探頭產生的橫波向下傳播到達斜面后發(fā)生反射，部分聲波回到線圈。由于反射縱波的能量較小且反射角更大，因此只分析反射橫波?？紤]兩個特殊位置的入射波：入射點為A1的回波位置在線圈左邊緣A2，入射點在右邊緣B1的回波位置在B2。對于x位置入射的橫波來說，回波的位置為x-(h-x·tanθ)·tan2θ，要求能檢測到回波，則需要滿足B2點在線圈范圍內，即：

(3)

同時可以解出A1的位置為

(4)

假設表面聲源均勻分布，可以得到一個平均聲波傳播距離l的估計公式:

(5)

hc=(1-tanθ2)htest

(6)

考慮到連續(xù)測量過程中，tanθ≈ Δhtest/Δx，則

(7)

可以從式(7)得知，在所給的小傾角的條件下，測量的厚度偏大。

2 電磁超聲斜面測厚仿真

針對電磁超聲換能的仿真，近年來主要使用有限元方法[8-13]。本文主要通過基于COMSOL多物理場實現的二維參數化模型，進行快速的仿真分析。

2.1 模型及參數

圖3 斜面電磁超聲測厚COMSOL模型示意圖

通過COMSOL對橫波電磁超聲換能過程進行仿真。模型結構示意如圖3所示。模型由帶斜面缺陷的試件、螺旋線圈、永磁體和空氣域組成。探頭直徑D=20 mm，與缺陷同寬，線圈匝數為5，導線間距為1 mm，提離距離為1 mm，試件厚度H=8 mm。線圈激勵函數為頻率4 MHz的經過漢寧調制的正弦脈沖信號。在二維平面內，線圈左右兩側所通過的電流時刻相反。

模型通過COMSOL的磁場無電流模塊計算靜磁場分布，通過磁場模塊計算渦流電場分布，通過固體力學模塊得到聲場分布。

通過對缺陷深度hd進行參數化掃描，分析線圈中的回波的情況。

2.2 模型驗證

以缺陷深度hd=2 mm為例，如圖4所示，EMAT主要產生的橫波在斜面反射之后沿著與豎直方程成一定角度回傳。

圖4 t=3.000 μs時儲能密度云圖

在各個缺陷深度下，線圈所接收的回波可以用兩側線圈的平均感應電流密度表示，如圖5所示。

仿真中發(fā)現：

(1)當缺陷深度較淺時(hd=0.5 mm)，所得回波和平板回波區(qū)別不大；隨著缺陷深度增大，線圈右側部分的回波被左側線圈接收，而兩部分產生聲波相位相反，造成回波形態(tài)發(fā)生變化，如圖5(a)所示。

(2)當缺陷深度繼續(xù)加深時，缺陷回波減弱，峰值前移，對應著所測的厚度變小。

當檢測到回波時，取回波的最大值的時間作為回波到時，計算和始波發(fā)送時間的時差。并且依據式(6)進行修正。計算結果如表1所示。其中當缺陷深度hd=3 mm時，回波已經難以分辨，不計入結果中。

如表1所示，仿真結果計算的厚度(hd>0.5 mm)

(a)hd=0.5、1.5 mm

(b)hd=2.0、2.5、3.0 mm圖5 不同缺陷深度下線圈接收回波

表1 仿真得到厚度關系 mm

要大于中心厚度；通過修正能夠一定程度上提高精度，缺陷深度越大，即斜面越陡，誤差越大，修正效果越好。

3 實驗與結果分析

為了驗證腐蝕斜面仿真的結果，設計了如圖6所示的腐蝕斜面檢測實驗。兩個斜面的傾角的正切值tanθ1=0.06，tanθ2=0.075。使用ETG-100測厚儀進行實驗，基本只能檢測到一次回波。2個斜面的測量結果如圖7所示。

圖6 腐蝕斜面實驗示意圖

(a)傾角為θ1的斜面

(b)傾角為θ2的斜面圖7 腐蝕斜面厚度測量結果

實驗可以觀察到：

(1)測量值比實際值略大，與仿真所預期一致；

(2)斜面傾角越大，誤差越大，經過式(7)修正，略接近實際值。傾角小時，測量準確，如圖7(a)所示，不需要進行修正。傾角大時，修正效果更明顯。

4 結論

對于腐蝕斜面的橫波電磁超聲厚度檢測問題，提出了一個分析模型，發(fā)現按照時差法測得的厚度比探頭中心位置對應的斜面厚度要大，并給出了修正的公式。通過COMSOL仿真驗證了分析模型的對于誤差計算的趨勢：隨著斜面傾角增大，測量的誤差增大，并能過通過修正公式提高精度。最后在鋼板的腐蝕斜面缺陷上驗證了仿真的結論：在傾角小的斜面上測量的中心厚度基本準確，傾角大的斜面上測量厚度偏大，可以進行修正。

同時，發(fā)現提出的分析模型由于理想化的假設存在一定的局限性，修正的效果不明顯。另外，實際腐蝕情況比較復雜，仍待后續(xù)的研究確定對于橫波電磁超聲測厚的影響。