文 | 李展鵬1, 汪開燦2, 許弄2

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 電子與電器可靠性研究所 2.零聲科技（蘇州）有限公司 

摘要：電磁超聲技術(shù)是-種新型的超聲無損檢測技術(shù) ， 相比千常規(guī)的壓電超聲技術(shù)具有非接觸 、 無須耦合劑的特點(diǎn) ， 在高 溫 、 高速自動化檢測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。 本文從在線檢測 自動化以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測3個(gè)方面 ， 梳理了目前國內(nèi)電磁 超聲技術(shù)的應(yīng)用情況。 

關(guān)鍵詞： 腐蝕檢測，高溫檢測，健康監(jiān)測，電磁超聲

1 引言

超聲檢測技術(shù) （UT）是-種重要的工業(yè)無損檢測技術(shù)。 廣泛應(yīng)用于線材板材 管道以及壓力容器等重要工業(yè)對 象的生產(chǎn)制造 現(xiàn)場安裝和服役過程的質(zhì)量安全檢測當(dāng)中。 按照超聲波的產(chǎn)生方式來分類 ， 主流的超聲檢測技術(shù)主要包 括壓電超聲技術(shù) 電磁超聲技術(shù)空氣耦合技術(shù)和激光超 聲技術(shù)。 其中 ， 壓電超聲技術(shù)應(yīng)用最為廣泛 ， 可以對金屬材 料和非金屬材料進(jìn)行檢測。 目前國內(nèi)已經(jīng)有大噩成熟的設(shè)備 在現(xiàn)場中使用 ， 發(fā)揮著重要的作用。

然而 ， 壓電超聲技術(shù)通常需要液態(tài)耦合劑 需要對丁件 表面進(jìn)行打磨 ， 屬千接觸式檢測。 由千耦合劑的揮發(fā) ， 使得 壓電超聲技術(shù)難以應(yīng)用千高溫場景下的檢測 如 化工廠中 高溫管道的不停機(jī)腐蝕檢測等。此外使用過程中表面打磨 ， 涂抹耦合劑降低了檢測效率。 

電磁超聲技術(shù)腐千非接觸式測量 ， 檢測過程中無須使用 耦合劑 探頭與試件的距離可高達(dá)數(shù)毫米。 由千避免了探頭 與試件的直接接觸 ， 在高溫檢測中避免了探頭溫升導(dǎo)致的損 壞 而在自動化檢測中則降低了探頭與工件的碰撞幾率。 此 外 隨著脈沖功率技術(shù)數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展 ， 基千電 磁超聲技術(shù)的常規(guī)檢測設(shè)備也開始涌現(xiàn) 在常溫 、 人工便攜 式檢測方面與壓電超聲設(shè)備形成競爭態(tài)勢。 特別是在高溫管 道腐蝕 裂紋檢測方面 ， 非接觸測量的特點(diǎn)使得電磁超聲設(shè)

2 電磁超聲換能器原理

電磁超聲技術(shù)的核心是電磁超聲 換能器（EI ectro magnet I c acoustic transducer, E MA T） 。EMAT通常由永磁體 、 線圈以 及被測試件本身構(gòu)成 ， 如圖1所示為典型的體波測厚傳感器 示意圖。 鐵磁性材料中 EMAT共有三種作用機(jī)理 洛倫茲 力機(jī)理磁化力機(jī)理和磁致伸縮機(jī)理

EMAT通過洛倫茲力機(jī)理作用的原理如匼1所示。 當(dāng) EMAT線圈中通以高頻交變電流時(shí) 由千電磁感應(yīng)作用 ， 金 屬試件表面會感應(yīng)出同頻渦流。 渦流在受靜磁場作用下會產(chǎn) 生洛倫茲力。 洛倫茲力帶動粒子的交變振動 ， 這種振動以波 的形式傳播即產(chǎn)生了超聲波。 由此可見 電磁超聲技術(shù)是- 種直接在試件表面激發(fā)超聲波的技術(shù) 試件本身就是聲源 ， 因此使用時(shí)無需耦合劑。 這一點(diǎn)與壓電超聲技術(shù)首先從探頭 中產(chǎn)生超聲波 然后通過耦合劑把聲波傳遞到試件內(nèi)部有本質(zhì)的不同。

圖1電磁超聲換能器基本原理 

EMAT接收超聲波的過程與上述過程相反。 當(dāng)超聲波發(fā) 射至試件表面時(shí) ， 由千質(zhì)點(diǎn)振動而切割磁感線 ， 金黑表面產(chǎn) 生感應(yīng)電動勢 ， 進(jìn)而產(chǎn)生渦流。 而渦流產(chǎn)生的交變磁場被 EMAT線圈拾獲 ， 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?完成超聲波的接收。

3 電磁超聲技術(shù)國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀 

 3 . 1 在線檢測應(yīng)用現(xiàn)狀

 超聲測厚是對二件的腐蝕檢測的常用手段 。 粗糙表面帶油漆層 高溫工件宜采用電磁超聲技術(shù)進(jìn)行腐蝕檢測 。 適用千高溫（1 oo~soo 0c） 檢測是 電磁超聲技術(shù)的- 大特色。目前國內(nèi)以哈工大北二大沈工大武漢中科中國特檢院等為代表 自主開發(fā)的電磁超聲檢測儀器已經(jīng)具備800 °C以下金屈厚度檢測能力 ， 部分產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平[2-9] 。電站鍋爐的水冷壁管 在潮濕 、 燃燒的環(huán)境下容易產(chǎn)生凹凸不平的腐蝕坑 ， 而且往往會在外表面凝結(jié)-層厚厚的垢壓電超聲通常需要打磨處理 ， 而電磁超聲具備不打磨測厚能力。石化企業(yè)壓力管道具有操作溫度高工況復(fù)雜 、 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高檢測需求多檢測周期短架空管道多管道分布密集以及介質(zhì)多樣化且具有很強(qiáng)的腐蝕性等特點(diǎn) 。 在長期服役中， 山千腐蝕 沖刷減薄等管道內(nèi)部潛在的缺陷致使管道破損失效 ， 工業(yè)事故頻繁發(fā)生 ， 不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失 ， 而且對社會和環(huán)境也帶來了嚴(yán)蜇的后果 。 常規(guī)技術(shù)通常難以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)在線檢測 而電磁超聲傳感器能夠耐受 soo0c以下高溫 ， 解決了石油化丁管道不停機(jī)在線檢測難題 。

圖2電磁超聲在線檢測應(yīng)用· 石油管道不停機(jī)在線檢測、 高溫鑄管生產(chǎn)質(zhì)量檢測

3. 2 自動化檢測應(yīng)用現(xiàn)狀

非接觸 無須耦合劑的特點(diǎn)使得電磁超聲技術(shù)非常適合用于自動化檢測場呆 。 應(yīng)用電磁超聲技術(shù)的自動化檢測包括 由機(jī)器人搭載EMAT的可移動自動化檢測平臺， 將EMAT安裝在生產(chǎn)線上的固定自動化檢測平臺 。早在1990年前后 ， 北京鋼鐵總院的研究工作者就已經(jīng)將電磁超聲技術(shù)應(yīng)用千鋼板和鋼棒的自動化檢測 ， 實(shí)現(xiàn)了不清除氣化皮的高速自動化探傷 為鋼廠帶來了可觀的效益[10] 。 僅有少數(shù)單位具備定制化電磁超聲自動檢測設(shè)備的能力。部分鋼廠引進(jìn)國外設(shè)備 ， 價(jià)格和維護(hù)成本極高 。

對千諸如大型儲罐、 核電管道等高空 高溫 、 輻射或人類不可 達(dá)的其他作業(yè)環(huán)境 ， 移動式檢測平臺是有效的解決方案 。 通過設(shè)計(jì)帶有磁力輪的爬行機(jī)器人 并搭載EMAT對數(shù)十米高的儲罐進(jìn)行檢測是當(dāng)前的研究熱點(diǎn) 。 此外 在管道內(nèi)部檢測方面 ， 國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出名為 管道豬 的自動化檢測設(shè)備 。 該設(shè)備通過搭載漏磁探頭或EMAT 在管道內(nèi)部爬行可以對管道進(jìn)行全面的檢測 。

圖3電磁超盧自動化檢測系統(tǒng)：某鋼廠電磁超聲自動化檢測系統(tǒng) 、 帶載EMAT的爬壁機(jī)器人

3 . 3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用現(xiàn)狀

《中國無損檢測2025科技發(fā)展戰(zhàn)略重點(diǎn)〉將 基于物 聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的無損檢測與監(jiān)測技術(shù)行業(yè)性應(yīng)用 列為重點(diǎn) 方向該技術(shù)是指將先進(jìn)的傳感器長期甚至永久性地安裝在 工件上（儲罐、 管道、 大型鋼結(jié)構(gòu)等）持續(xù)地獲取被測對象 的狀態(tài)信息（腐蝕厚度、 裂紋狀態(tài)等） ， 并將這些信息進(jìn)行 整合 處理出關(guān)千結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、 剩余壽命等深層次信息。

圖4結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)示意圖 

同樣地 ， 電磁超聲技術(shù)的優(yōu)勢在千能夠應(yīng)用千高溫場景下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 ， 如 化工廠的高溫運(yùn)輸管道和熱變換爐 鍋爐廠的高溫爐等 。 南京鍋爐壓力容器 檢驗(yàn)研究院 ， 研發(fā)了-種高溫承壓設(shè)備健康系統(tǒng) 利用電磁超聲技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測熱 變換爐的剩余厚度以評估設(shè)備的的損傷態(tài)勢 預(yù)計(jì)剩余壽命 。 此外 ， 國內(nèi)企業(yè)研 發(fā)的高溫腐蝕監(jiān)測系統(tǒng) ， 采用電磁超聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對高溫二件的非侵入式測蛋 ， 最高測量溫度為300°c, 單個(gè)模塊能夠持續(xù)二作3-5年 ， 系統(tǒng)接入模塊數(shù)量不受 限制 。 該系統(tǒng)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ， 檢測人員足不出戶便能實(shí)時(shí)監(jiān)測危險(xiǎn)環(huán)境 下的設(shè)備安全狀態(tài) 。

4結(jié)論與展望

電磁超聲技術(shù)在高溫 高速自動化檢測領(lǐng)域具有足夠的技術(shù)優(yōu)勢在常規(guī)在 役設(shè)備檢測上具備很大的應(yīng)用潛力 。 電磁超聲自動化檢測技術(shù)和在線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是近年來興起的技術(shù) 隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù) 的結(jié)合 ， 發(fā)展迅猛 。 隨看電磁超聲技術(shù) 的不斷發(fā)展 ， 必將提升我國工業(yè)檢測水 平 提高工業(yè)設(shè)備運(yùn)營安全 。 

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