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电磁超声检测
电磁超声检测&
&电磁超声检测&也称为&涡流&声检测&(英文缩写EMAT)，是一项新的检测手段，它属于非接触超声检测，可方便地在被检测工作中激发出各种形式的超声波，实时有效地检测金属的表面及内部缺陷，而且电磁超声对各种不同钢材的导磁率比较敏感，以及对钢材组织比晶粒度更敏感的特点可用于钢材分选。
1. 电磁超声检测技术已经广泛应用于各种锻件、钢棒、钢板、钢管(包括无缝钢管、石油大管、焊管等)的手动、半自动和全自动无损检测以及火车轮的动态检查、火车车轮踏 面及轧辊的表面及近表面探伤等众多领域，特别是可以用在高温状态下金属坯料的非接触在线自动化超声检测(如轧钢生产线上的在线高温自动化超声检测)，这是 &电磁超声检测&拥有的特殊优势。
2. 电磁超声检测还可用于金属监察结构的胶接质量(例如未粘合、分层等)以及导电层压制品或例如硼纤维或石墨纤维增强的复合材料，金属复合板等的未粘合等缺陷的检测，这主要是利用试件振动时的机械阻抗变化为依据的。
3. EMAT的能量置换是在工件表面层内直接进行，可以将工件表面层看成是压电晶片，因此 EMAT所产生的声场波就不需要任何耦合介质，探头可以不与被 检测的试件接触就可向其发射和接收超声波，对被探测工件的表面不需要特殊清理，对较粗糙的表面也可直接进行检测，因此对粗糙黑皮表面特别是对于高温探伤十分有利。
EMAT在检测的过程中，在满足一定的激发条件时，能够激发出表面波、SH波和Lamb波。如果改变激励电信号频率使之满足下式要求：f=nc/2Lsin&(n为任意整数)，式中：C为声速、f为电信号的频率；L为1/2波长，则超声波以倾斜角&向工件内侧斜辐射(但其幅度也随之下降)，变即在其它不变的下，改变电信号的频率就可以改变超声波的辐射角&，从而可以在不变更换能器的情况下，实现超声波模式的自由选择，灵活产生各种波形，可适当选择磁场和涡流的不同方向组合产生不同形式的超声纵波和超声横波用于各种要求的探伤。
EMAT也是利用它所激发的超声波按一般的反射法检测，其主要特点还包括检测速度快(手动探伤速度可达5米/分，自动化检测速度最高可达到钢板30米/分钟、钢管40米/分钟)超声波传播距离远，(在钢管或钢棒中激发的超声波可绕工件传播几周甚至十几周。在进行钢管或钢棒的纵向缺陷检测时，探头与工件都不用旋转，使得检测设备的机械结构相对简单，所用通道与探头的数量少，例如在板材的自动化超声波检测时，压电换在型超声波检测设备要进行板面的探伤需要几十甚至上百个通道及探头，而EMAT只需要四个通道及相应数量探头就可以了)，以及调整操作简便、可靠性高等，适合实施在线自动化检测，发展前景非常广阔。
EMAT的缺点是检测对象必须是导电介质(以便建立涡流场)，需要有参考标准作为评定依据，而且其方法的实施还受到试件几何形状与尺寸等的限制，还必须指出该方法的检测灵敏度和常规的超声检测相比是相对较低的，因此使其推广应用受到了限制。
2.电磁超声检测技术依据的物理基础
电磁超声检测技术激励超声波的原理基于电动力学法，我们通常称之为涡流&声或者电磁&超声法：将通有高频脉冲电流的激磁线圈置于导电金属表面上，线圈产生的交变磁场作用于在金属表面层内感应出频率相同、方向相反的涡流 &它是由运动着的带电质点的，此涡流与同时施加在试件上的另一处加恒定磁场(如永久磁铁或直流电磁铁)相互作用，则金属中的带电质点在磁场中流动时受到垂直于磁场方向和质点运动方向的力&洛仑兹(Lorentz)力的作用而发生位移，使涡流进入的体积元发生振动，从而激发出与涡流频率相同的超声波，形成了超声波波源，视作用力的分力方向(水平分量与垂直分量)可以同时激发出纵波与横波，其与通往交变电流的频率相同，改变高频脉冲电流的频率即可改变电磁超声波的频率。这种方法又称重叠磁场法。
接收超声波是上述过程的逆过程，即工件中的超声反射回波导致质点在恒定磁场中振动，就会产生感应电流，使配置在导电工件表面上的检测线圈中有感应电势产生，即可作为接收信号，其频率与接收到的超声波有相同的频率，其大小则随磁场的增大而增加。接收信号被仪器接收、放大并显示，达到检测金属材料中有无缺陷的目的，同样可以按压电超声检测的方法判定缺陷的大小、性质。
如图la所示，在磁铁极靴之间旋转激励线圈(线圈绕组闭合在表面以外的无磁场空间)，在它的绕组中电流都是同向的，磁铁所产生的磁感应强度 B平行于表面，作用在涡流因子g的体积元上的F垂直向下，因此在线圈绕组平面之下的现有将发射出纵波以。
在图1b中，线圈旋转在极靴之下，因而在垂直于表面的磁场中产生了涡流，这时的作用力平行于表面，因而产生了垂直穿透表面的横波。这时线圈绕组也同样必须在表面以外的无磁场空间闭合。如果激励线圈排列得足够紧，则在上述任一情况下才能产生具有通常方向图形的超声波束。
具体的电磁----声换能器结构如图2所示：利用直流线圈和铁芯产生外加恒磁场，利用激磁线圈在导电体中产生涡流，利用检测线圈产生的感应电势作为接收信号。这种结构的换能器将在导电工件中激发出超声波用于检测。
3.电磁超声检测设备的基本构成
实际应用中的电磁超声检测设备基本由三部分(简称EMAT三要素)组成：
(1) 用于产生高频激发磁场的高频线圈；
(2) 用来提供上加磁场的磁铁，它可以是户外磁铁或直流电磁铁，也可以是交流电磁铁或脉冲电磁铁；
(3) 作为检测对象的工件，它是EMAT的一部分。工件的材质必须具有导电性或铁磁性，或导电性和铁磁性都具有。
EMAT作为一种超声发生器，它的基本原理是围绕着EMAT三要素展开的。
实际应用的电磁超声探伤设备的主要组成部分包括：
(1) 大功率探伤仪：同步、放大、显示、主放大器增益100dB，动态范围不小于30 dB。
(2) 高压发射器：采用7.5KV高压直流供电，发射电流峰值可达400~450A，发射由闸流管和电容器组成电容放大系统，发射线圈和电感电容组成调谐系统，能产生很高的电压峰值波形。
(3) 探头：直流电磁铁或永久磁铁产生恒定磁场作为外磁场。探头系统中装有三级放大的宽频带前置放大器、发射和接收用的屏蔽电缆。发射线圈(多考虑低电阻、大电流)和接收线圈(倾向多匝数有利于提高灵敏度)，周围有金属框架保护。线圈的外形尺寸(长、宽)、绕制匝数、绕制方式都对灵敏度有较大影响，对于不同的磁极头、线圈尺寸有最佳值。探头表面有保护膜以防止破碎氧化皮进入探头中，减少杂乱噪声。
图3示出典型的电磁超声探伤仪的基本原理方框图。
电磁超声探伤设备种类已经有管体电磁超声探伤设备、管端电磁超声探伤设备、钢质无缝气瓶电磁超声探伤设备、板材电磁超声探伤设备、在线高频焊管焊缝电磁超声探伤设备、高频焊管电磁超声探伤设备、管材电磁超声探伤设备等。
电磁超声探伤设备的动态灵敏度可达&P2mm平底孔当量，能够采用钢管直线前进&探头原地跟踪检测、钢管螺旋前进&探头原地跟踪检测、钢管原地旋转&探头直线移动跟踪检测钢板直线前进&探头原地跟踪检测等多种扫查方式，可有效的检出黑皮钢材中如缩管、白点、夹杂、内裂等自然缺陷、钢板上，下表面及内部的各种缺陷(包括重皮、折叠、孔洞、夹层等)以及钢管(包括焊缝)内外表面及内部的各种纵向缺陷，包括重皮、孔洞、未焊透等自然缺陷。满足管材、板材相关标准要求。检测灵敏度最高可精确到钢管壁厚5%的人工凹槽。适用于碳素钢、低合金钢、合金结构钢等轧制与调质状态的管线管高中压锅炉管、液体管、液压支柱管、气瓶、油套管等。
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3秒自动关闭窗口钢管无损检测技术的应用和探讨
（宝钢股份宝钢分公司钢管厂）
摘要：本文介绍了无损检测技术在钢管厂的应用情况，针对现场一些问题，包括检测标准，检测设备的调整，对比试样的制作等进行分析和探讨。
关键词：检测标准；设备调整；对比试样
根据生产方式的差异，钢管分为无缝钢管和焊接钢管。宝钢股份宝钢分公司钢管厂目前有无缝钢管厂、ERW焊管厂、UOE焊管厂，生产的产品有锅炉管、油井管、管线管等，这些产品需要进行无损检测。其中，高压锅炉管进行涡流、超声波检测；油井管进行超声波、漏磁、涡流检测，管端进行磁粉检测；管线管进行涡流和超声波检测；ERW焊管进行板材超声波检测、在线超声波检测、离线焊缝检测、管端超声波检测、超声波管体检测；UOE焊管进行超声波检测和射线检测。在钢管厂应用的几种检测方法中，超声波检测是最重要的一种，本文着重介绍超声波检测中遇到的一些问题，包括检测标准，检测设备的调整，对比试样的制作等进行分析和探讨。
1. 检测标准
钢管厂的产品有输送管、结构管、高压锅炉管、低中压锅炉管、管线管、油井管、钻杆。高压锅炉管产品执行ASME标准的，要求按照ASTM E213超声波检测；执行GB5310标准的，要求按照GB/T 5777超声波检测。管线管产品执行API SPEC 5L标准的，要求按照ASTM E213超声波检测；管线管产品执行ISO 3183-3标准的，要求按照ISO 9303超声波检测纵向缺陷，按照ISO 9305超声波检测横向缺陷，按照ISO 10543超声波检测厚度，按照ISO 10124超声波检测分层缺欠，按照ISO 11496超声波检测管端分层缺欠。
在以上标准中，ISO 9303和ISO 9305的主要内容在GB/T 5777中可以找到。
检测纵向缺陷示意图
检测横向缺陷示意图
钢管厂接触较少的标准是ISO 10543和ISO 10124。
ISO 10543标准适用于检测外径大于和等于25.4毫米，最小壁厚2.6毫米的钢管。标准说明：测厚时，不要求管子表面100%扫查，除非产品标准有要求或用户和制造商协商；使用相同的超声波探头可以按照ISO 10124检测分层缺欠。检测时，扫查螺距不应大于150毫米。自动检测系统应能区分合格和可疑管子，并有自动报警和标记系统。使用相同规格的钢管加工对比试样，壁厚公差±0.05毫米或±0.2%之间取大者。设备对壁厚的检测精度±0.1毫米或±2%之间取大者。用对比试样校验设备的间隔时间应小于4小时。检测时没有报警的管子为合格品。报警管子为可疑品，应进行标记或再次检测，还可以将报警超标部分切除。
ISO 10124标准适用于检测外径大于30毫米的钢管。最小壁厚没有规定，但是小于5毫米壁厚的钢管检测和确定分层尺寸会有困难。使用超声脉冲反射法检测分层缺欠，超声波束垂直钢管表面，探头最大长度30毫米，最低频率2MHz。对比试样采用平底孔、正方形、矩形刻槽校验设备，尺寸为周向宽度或直径6毫米，深度为壁厚的1/4到1/2，最大10毫米。用对比试样校验设备的间隔时间应小于4小时，或检测10支钢管后，取时间长者。检测时没有报警的管子为合格品。报警管子为可疑品，可再次检测，采用手动、半自动、自动扫查确定分层的范围，还可以将可疑部分切除。国家标准GB/T 2修改采用ISO 10124标准。
2. 检测设备
无缝钢管厂有五套超声波自动检测设备，其中四套为探头旋转式检测系统，能够检测钢管纵向缺陷、横向缺陷、分层缺欠、钢管壁厚，一套为钢管旋转式检测系统，主要检测钻杆焊缝的横向缺陷。
探头旋转式检测系统中，两套为德国KRAUTKRAMER公司制造的ROT180检测设备。采用探头旋转，钢管直线前进的检测方式，纵波检测钢管壁厚和分层缺欠，横波检测纵向缺陷、横向缺陷。每台ROT180检测设备有18只探头，装在四个插件中，四个插件在旋转体的一个截面上，互相呈90度布置。每个插件安装两只检测纵向缺陷的探头，两只探头发射的声束从管子圆周上相反方向入射到钢管内部，每个插件上有两只检测横向缺陷的探头，两只探头发射的声束沿管子轴线上相反方向入射到钢管内部，测厚探头有两只，分别装在呈180度布置的两个插件上，另两个插件则没有测厚探头。钢管横向检测示意图见图3，钢管纵向检测示意图见图4，钢管测厚检测示意图见图5。
钢管横向检测示意图
图4 钢管纵向检测示意图
钢管测厚检测示意图
3. 对比试样的制作
按照检测标准的要求，在对比试样钢管上加工纵向、横向缺陷、分层、测厚基准。 纵向缺陷为平行于管轴的槽，机械加工。横向缺陷为垂直于管轴的槽，电蚀加工。分层缺欠为平行于管轴的槽，机械加工。测厚基准为管周向的圆环，机械加工。
钢管横向缺陷和分层缺欠的示意图分别见图6、图7。
钢管横向缺陷示意图
分层缺欠示意图
在钢管自动超声波检测过程中，采用的是当量比较的方法，即把缺陷回波的幅度与标准人工伤的回波幅度比较的方法来判定缺陷。如果钢管缺陷回波幅度比标准人工伤低，则认为是合格管，如果缺陷回波幅度比标准人工伤高，则认为是有缺陷钢管。因此对比试样钢管上的标准人工伤的精度将直接影响到判伤的准确性。
标准人工伤的刻槽方式有两种，一种是锯片刻槽，矩形槽的底面是平的，另一种刻槽方式为电蚀加工，槽是U形的，底面有一定圆弧。无论采用哪一种方式，都要求槽的中心线与管材中心线要尽量重合。如果不重合或刻槽发生偏斜，则会严重影响判伤的准确性和现场的调试。如果用人工刻槽两侧的回波幅度来衡量刻槽垂直度，一般要求≤2dB。
4. 设备调整
4.1 周向灵敏度差的调整
ROT180检测设备的主机部分由探头旋转体和钢管夹紧定心装置组成。定心装置安装在一个平台上，前后一共有四组夹紧轮。更换钢管规格时，探头旋转体可以移出平台，以便根据钢管的外径安装相应尺寸的水耦合板和导向衬套。图8为检测平台示意图。
检测平台示意图
探头旋转式超声波检测设备工作时，探头旋转轨迹的圆心和钢管的圆心存在偏差，即同心度偏差，造成钢管圆周方向上各点和检测探头的距离发生变化，声束入射角和折射角变化，探头接收到的信号随之变化，圆周方向上的灵敏度产生波动，对检测的可靠性而言，这种波动越小越好。现场造成同心度偏差的原因主要有：旋转体前后定心轮之间同心度偏差，定心轮和旋转探头之间的同心度偏差，钢管弯曲引起同心度偏差。
超声波检测前，需要对设备的同心度进行测试和调整，以减小周向灵敏度差。
将调试样管放置在探头主机和夹轮装置中间，用超声波测厚探头对准调试样管，使钢管表面的界面反射波信号在探伤仪器上显示出来，旋转探头主机，观察界面波在仪器时间轴上的变化范围，可以检测探伤设备的同心度。探头信号检测同心度示意图见图9。
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