本文介紹了電磁超聲無(wú)縫鋼管檢測(cè)的基本原理，分析了電磁超聲探傷的特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并將電磁超聲探傷技術(shù)與幾種常規(guī)無(wú)損探傷技術(shù)進(jìn)行比較。最后簡(jiǎn)要概述了電磁超聲探傷技術(shù)的發(fā)展情況，以及該技術(shù)在鋼管探傷領(lǐng)域的應(yīng)用。

電磁超聲（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＡｃｏｕｓｔｉｃＴｒａｎｓ－ｄｕｃｅｒ，以下簡(jiǎn)稱ＥＭＡＴ）是無(wú)縫鋼管無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)，該技術(shù)利用電磁耦合方法激勵(lì)和接受超聲波實(shí)現(xiàn)對(duì)管材的檢測(cè)。與傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)相比，它具有不需要耦合劑、檢測(cè)精度高、適于非接觸檢測(cè)以及容易激發(fā)各種超聲波形等優(yōu)點(diǎn)。在石油工業(yè)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中，電磁超聲檢測(cè)技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。其缺點(diǎn)為換能效率低，信號(hào)微弱，需要在檢測(cè)中加以克服。總結(jié)和分析電磁超聲檢測(cè)的原理和特點(diǎn)，可進(jìn)一步提高該技術(shù)在鋼管電磁超聲中的應(yīng)用效果。

１電磁超聲檢測(cè)原理

１．１鋼管電磁超聲產(chǎn)生原理

當(dāng)把高頻電流加到靠近鋼管表面的線圈上時(shí)，在鋼管表面將會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)頻率的渦流。若同時(shí)在鋼管表面上加一個(gè)磁場(chǎng)，那么渦流在磁場(chǎng)作用下就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與渦流頻率相同的力，即羅侖茲力，它在鋼管內(nèi)傳播就形成了聲波。由于此效應(yīng)具有可逆性，反射回來(lái)的聲波在外磁場(chǎng)作用下也會(huì)產(chǎn)生渦流。渦流磁場(chǎng)使線圈端電壓發(fā)生變化，作用信號(hào)被檢測(cè)。

鋼管ＥＭＡＴ的物理結(jié)構(gòu)由高頻線圈、磁鐵和工件三部分組成，如圖１所示。高頻線圈，用于產(chǎn)生高頻激發(fā)磁場(chǎng)；磁鐵，用來(lái)提供外加磁場(chǎng)，它可以是永久磁鐵或直流電磁鐵，也可以是交流電磁鐵或脈沖電磁鐵；工件，即檢測(cè)對(duì)象，它是ＥＭＡＴ的一部分（簡(jiǎn)稱ＥＭＡＴ三要素）。無(wú)縫鋼管的材質(zhì)必須具有導(dǎo)電性或鐵磁性，或?qū)щ娦院丸F磁性都具有。ＥＭＡＴ作為一種超聲發(fā)生器，它的基本原理是圍繞著ＥＭＡＴ三要素展開(kāi)的。當(dāng)置于鋼管表面上的高頻線圈通過(guò)高頻電流時(shí)，它要在工件的趨膚層內(nèi)產(chǎn)生渦流，（或感應(yīng)磁場(chǎng)，相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子）此渦流在外加磁場(chǎng)（相當(dāng)于電機(jī)定子磁場(chǎng)）的作用下，也會(huì)像電動(dòng)機(jī)那樣受到機(jī)械力的作用，而產(chǎn)生高頻振動(dòng)，形成了超聲波波源。在接收超聲波時(shí)，如同發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在定子的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流一樣，鋼管表面的振蕩也會(huì)在外加磁場(chǎng)力的作用下，在高頻線圈中感應(yīng)出電壓而被儀器接收。因此，存在于上述機(jī)制中的這些相互作用就構(gòu)成了檢測(cè)的全過(guò)程。

１．２電磁超聲的激發(fā)與接收

放在固定磁場(chǎng)中的線圈，當(dāng)線圈內(nèi)電流的方向改變時(shí)，線圈各部分的受力方向也將改變，而同一導(dǎo)體線圈放在不同取向的磁場(chǎng)中時(shí)，則線圈的受力方向也將發(fā)生變化。根據(jù)這一原理可在鋼管中激發(fā)出超聲縱波和橫波。

如圖２所示，為鋼管中激發(fā)超聲縱波的示意圖。渦流線圈貼于鋼管表面，磁鐵如圖放置，此時(shí)金屬內(nèi)的磁力線平行于金屬表面。當(dāng)線圈內(nèi)通過(guò)高頻電流時(shí)，將在鋼管表面感應(yīng)出渦流，且渦流平面與磁力線平行，在磁場(chǎng)作用下，渦流上將受一個(gè)力的作用。某一時(shí)刻的方向如圖所示方向向上，半個(gè)周期后將受一個(gè)向下的力，這樣，質(zhì)點(diǎn)受交變力的作用，因此在作用力方向上產(chǎn)生一個(gè)彈性波。由于振動(dòng)方向和波的傳播方向一致，此波為超聲縱波。

如圖３所示，為激發(fā)橫波的示意圖。磁力線垂直于鋼管表面，當(dāng)貼附于鋼管表面的渦流線圈通以交變電流時(shí)，將在鋼管表面感應(yīng)出渦流，在外磁場(chǎng)作用下，渦流受力方向平行于鋼管表面。某一時(shí)刻的方向如圖２所示，方向向右，半個(gè)周期后質(zhì)點(diǎn)將受一個(gè)向左的力。這樣，質(zhì)點(diǎn)在交變力的作用下產(chǎn)生一個(gè)與作用力方向相垂直的彈性波。由于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和彈性波傳播方向垂直，此波為超聲橫波。

２鋼管電磁超聲探傷設(shè)備

２．１鋼管管體ＥＭＡＴ探傷設(shè)備

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的不同情況以及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求的不同ＥＭＡＴ鋼管探傷設(shè)備主要分成三種形式：

①鋼管直線前進(jìn)，兩個(gè)探頭沿管體周向１２０°布置，隨動(dòng)跟蹤檢測(cè)。此種方法可連續(xù)檢測(cè)鋼管的縱向缺陷。

②鋼管螺旋前進(jìn)，縱、橫向各兩組探頭分別沿著管體周向布置，探頭各自對(duì)管體進(jìn)行隨動(dòng)跟蹤檢測(cè)。此種方法可連續(xù)檢測(cè)鋼管的縱、橫向缺陷。

③鋼管原地旋轉(zhuǎn)，縱、橫向各兩組探頭在拖動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)下，直線前進(jìn)，對(duì)管體表面進(jìn)行螺旋式掃查。此種方法也可以連續(xù)檢測(cè)鋼管的縱、橫向缺陷。

２．２管端ＥＭＡＴ探傷設(shè)備

兩臺(tái)探傷主機(jī)分別布置在鋼管橫向移動(dòng)裝置兩邊，鋼管在固定位置原地旋轉(zhuǎn)，縱、橫向探頭沿管體直線前進(jìn)對(duì)管端進(jìn)行螺旋式掃查。既可實(shí)現(xiàn)管端的縱橫向缺陷的連續(xù)檢測(cè)。

３電磁超聲探傷的特點(diǎn)

３．１電磁超聲技術(shù)與這幾種檢測(cè)技術(shù)相比較，具有的優(yōu)點(diǎn)

３．１．１無(wú)需任何耦合劑

ＥＭＡＴ的能量轉(zhuǎn)換，是在鋼管表面的趨膚層內(nèi)直接進(jìn)行的。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)。

３．１．２靈活地產(chǎn)生各類波形

ＥＭＡＴ在檢測(cè)過(guò)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。我們就可以在不變更換能器的情況下，實(shí)現(xiàn)波模的自由選擇。

３．１．３對(duì)被探鋼管表面質(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)被探鋼管表面不要求特殊清理，較粗糙的表面也可直接探傷。

３．１．４檢測(cè)速度快

傳統(tǒng)的壓電超聲的檢測(cè)速度，一般都在１０ｍ／ｍｉｎ左右，而ＥＭＡＴ可達(dá)到４０ｍ／ｍｉｎ，甚至更快。

３．１．５聲波傳播距離遠(yuǎn)

ＥＭＡＴ在鋼管或鋼棒中激發(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)，探頭與工件都不用旋轉(zhuǎn)，使探傷設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

３．１．６發(fā)現(xiàn)自然缺陷的能力強(qiáng)

用戶反饋回來(lái)的信息就足以證明了這種說(shuō)法的可信度，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)。電磁超聲探傷優(yōu)點(diǎn)很多，但是也存在一定的局限性，目前只在自動(dòng)化生產(chǎn)線上使用，沒(méi)有便攜型設(shè)備；對(duì)于分層和測(cè)厚的檢測(cè)還不夠成熟。

３．２電磁超聲波的缺點(diǎn)

電磁超聲波探傷對(duì)缺陷的顯示不直觀，探傷技術(shù)難度大，容易受到主、客觀因素的影響，以及探傷結(jié)果不便保存等，使超聲波探傷也有其局限性。鋼管的電磁超聲探傷方法也存在一些不容忽視的缺點(diǎn)。

①轉(zhuǎn)換效率低，接收到的電磁超聲信號(hào)幅值小，與傳統(tǒng)超聲方法相比，電磁超聲探頭的靈敏度比一般的壓電超聲探頭要低４０至１００ｄＢ，而且隨著所采用電磁聲信號(hào)頻率的升高，靈敏度會(huì)進(jìn)一步下降；②對(duì)周圍環(huán)境噪聲敏感度高，接收的回波信號(hào)常被淹沒(méi)在噪聲信號(hào)中；③輻射模式（ＲａｄｌａｔｉｏｎＰａｔｔｅｍ）較寬，能量不集中隨著ＥＭＡＴ性能的不斷提高，以ＥＭＡＴ為核心的電磁超聲技術(shù)已逐步成為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的主流技術(shù)。

由于電磁超聲探傷效率較低，設(shè)計(jì)多級(jí)放大衰減和濾波的硬件電路以及后續(xù)的軟件數(shù)據(jù)處理來(lái)提高系統(tǒng)的信噪比都是必須的。

４電磁超聲探傷技術(shù)與常見(jiàn)的鋼管探傷技術(shù)的比較

目前石油工業(yè)無(wú)縫鋼管探傷最常用的檢測(cè)方法主要有渦流檢測(cè)法（ＥｄｄｙＣｕｒｒｅｎｔＴｅｓｔｉｎｇ）、漏磁檢測(cè)法（ＭａｇｎｅｔｉｃＦｌｕｘＬｅａｋａｇｅＴｅｓｔｉｎｇ）、超聲波檢測(cè)法（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇ）等［７］，這些檢測(cè)技術(shù)都可以在線檢測(cè)出管材上存在的各種缺陷，為無(wú)縫鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量控制及管道的合理維護(hù)提供了科學(xué)的依據(jù)，但這些技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

４．１渦流檢測(cè)法

渦流檢測(cè)適用于各種導(dǎo)電材料制成的無(wú)縫鋼管，但在鐵磁性材料中的穿透力較弱。但由于渦流主要分布在導(dǎo)電材料的表面附近，因此它比較適合用于表面缺陷和近表面缺陷的檢測(cè)，即對(duì)被測(cè)鋼管的壁厚和外徑有一定的要求。渦流檢測(cè)能夠非接觸進(jìn)行，并可以進(jìn)行高溫探傷，但鋼管的渦流探傷只能對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行定性分析，不能根據(jù)缺陷信號(hào)的幅度分析出缺陷的深度和形狀。

４． ２漏磁檢測(cè)法

漏磁檢測(cè)技術(shù)被大量地用于鋼管檢測(cè)，是一種目前常用的、成熟的檢測(cè)方法，可以同時(shí)檢測(cè)內(nèi)外壁缺陷，檢測(cè)時(shí)不需要耦合劑，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。但漏磁法只適用于鐵磁性材料的檢測(cè)。因?yàn)樵摷夹g(shù)在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要求管壁達(dá)到完全磁性飽和，因此檢測(cè)精度與管壁厚度有關(guān)，厚度越大，內(nèi)壁檢測(cè)精度越低，其使用范圍通常為管壁厚度不超過(guò)１２ｍｍ。如果被檢測(cè)的管壁太厚，干擾因素就會(huì)比較多，且小而深的管壁缺陷處的漏磁信號(hào)要比形狀平滑但很嚴(yán)重的缺陷處的信號(hào)大的多，檢測(cè)數(shù)據(jù)往往需要經(jīng)過(guò)校驗(yàn)才能使用。

４．３超聲波檢測(cè)法

常規(guī)超聲波探傷主要用來(lái)探測(cè)鋼管內(nèi)外表面及其內(nèi)部的縱向缺陷，根據(jù)用戶需要也可探測(cè)橫向缺陷，該檢測(cè)方法靈敏度相對(duì)較高。目前，超聲檢測(cè)廣泛采用的是傳統(tǒng)的壓電式超聲檢測(cè)技術(shù)，以壓電晶體作為換能器激發(fā)出超聲波，在超聲探頭和被檢工件之間要使用耦合劑（油脂、軟膏、水等），可以使聲能達(dá)到較好的傳輸。但仍具有一定的局限性，且需要選擇合適的耦合劑。

５結(jié)束語(yǔ)

電磁超聲探傷是無(wú)損檢測(cè)方法的一種，已廣泛用于鋼管行業(yè)。優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、穿透力強(qiáng)、輕便、效率高、成本低，對(duì)人體無(wú)害。電磁超聲探傷結(jié)合了電磁激發(fā)不需要接觸的優(yōu)點(diǎn)和超聲波檢測(cè)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，科研實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鋼管檢測(cè)更高效、更準(zhǔn)確、更可靠。隨著電磁超聲探傷機(jī)理的不斷完善，加之其他探傷方法無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，將可能成為管材管體和管端的主要探傷手段。