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电磁共振超声波检测理论及技术在钢管全息探伤中应用

[点击数:2089    更新时间:2014年08月25日]
1 简介
天津钢管集团三园公司为进一步提高钢管探伤能力,从德国引进一套电磁超声波探伤检测设备,型号为EMATEST-TU-720,用于钢管的管体探伤检测。此探伤设备由如下三套独立的检测系统组成:1/ 纵向缺陷检测系统用于检测纵向缺陷 (包括一个14通道的电磁超声探头);2/横向缺陷检测系统用于检测横向缺陷 (包括一个8通道的电磁超声探头);3/测厚和分层缺陷检测系统  (包括一个16通道的电磁超声探头)。整套设备能够自动实现检测功能:外表面纵向缺陷;外表面横向缺陷;内表面纵向缺陷;内表面横向缺陷;分层缺陷及壁厚度测量。
 
 
2        电磁超声波探伤设备在钢管探伤中的优势
(1)无需任何耦合剂
    EMAT的能量转换,是在钢管表面的趋肤层内直接进行的。因而可将趋肤层看成是压电晶片,由于趋肤层是钢管的表面层,所以,EMAT所产生的超声波就不需要任何耦合介质
(2)灵活地产生各类波形
    EMAT在检测的过程中,在满足一定的激发条件时,则会产生表面波、SH波和LAMB波。如改变激励电信号频率使之满足下式要求:
                        f=nC/2Lsinθ(n为任意整数)
                        式中C=声速;f=电信号频率;L=1/2波长
    则声波便以倾斜角θ向工件内侧斜辐射(但其幅度也随之下降),也就是说,在其它条件不变的前题下,只要改变电信号频率,就可以改变声的辐射角θ,这是EMAT的又一特点。由于这一特点的存在,就可以在不变更换能器的情况下,实现波模的自由选择。
(3)对被探钢管表面质量要求不高
    EMAT不需要与声波在其中传播的材料接触,就可向其发射和接收返回的超声波。因此对被探钢管表面不要求特殊清理,较粗糙的表面也可直接探伤。
(4)检测速度快
    传统的压电超声的检测速度难以达到一个新的水平0.4/秒(国产设备),而EMAT可达到1米/S,到1.2~1.5米/秒。
(5)声波传播距离远
    EMAT在钢管中激发的超声波,可绕工件传播几周甚至十几周。在进行钢管纵向缺陷检测时,探头或钢管不用旋转,使探伤设备的机械结构相对简单。 
(6)发现自然缺陷的能力强
    EMAT对于钢管表面存在的折叠、重皮、孔洞等不易检出的缺陷都能准确发现。 
    同时,德国生产的这套电磁超声波探伤检测设备具有如下特点:1/无接触式检测,高可靠性,管表面100%覆盖测量; 2/高达10DB信噪比和优越的抗噪音干扰能力;3/检测结果具有可靠性和重现性;4/可实现可靠并高精确度的壁厚检测,动态精度达到0.05mm;5/即使是距离表面非常近的分层缺陷也可以被检测出来;6/检测不同直径的钢管不需要用样管校正,系统可以自动快速调整探头。
 
 
3    电磁超声检测原理
 
超声波缺陷检测原理是基于一个众所周知的物理原理。目前所采用的是使用一个叫做EMAT的现代成熟技术—一种非接触式的电磁超声波探头。这种电磁超声探头能够不需要任何耦合介质而产生以及接受超声波,也就是说超声探伤过程中不需要任何介质作为耦合剂。
通过改变工作频率我们可以方便地改变产生的波的类型,通过这种方式可以准确发现缺陷的具体位置,如瑞利波对于钢管外表面的缺陷非常敏感,SV波对内外表面的缺陷都非常敏感。波束控制(电子控制)原理在上图中进行了表述,所以,每个EMAT都能够发射和接收这两种波:瑞利波和SV波。它的工作模式可以通过电子控制切换,达到每秒5千次的切换。
基于这一原理,EMAT探头可以被用于探伤检测。EMAT将电磁能转换为SV波或表面弹性波的能量并且在缺陷处将波反向传回。这种双重转换是为了实现在不需要转动探头机械的情况下以一种非常可靠和智能的方法检测出内部和外部(以及亚表面)的缺陷。
表面缺陷检测系统EMAT的线圈是一个特殊的锯齿形的电子线圈。穿过线圈的电流脉冲在管表面产生同样形状的各自的涡流。基于一个众所周知的物理现象(称为洛伦茨效应),特殊的涡流分布将部分涡流能转换成弹性波的能量(称为瑞利波或SV波)。这种波在材料内部或沿着表面传播(沿钢管轴向传播的波,可以检测横向缺陷,沿钢管周向传播的波,可以检测纵向缺陷)。

 
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