Page 49 - 无损检测2023年第十期

李孟奇, 等:

基于 S构型内检式 EMAT 的管道裂纹电磁超声螺旋导波定量检测

超声导波检测因具有传播路径衰减小、 传播距离远、 曲线, 提高了螺旋焊缝检测率。杨理践等 [ 9 ] 研究了
缺陷检出率高及适用于不可达区域等优点, 在管道 超声导波的传播过程和频散特性, 得到了兰姆波多
检测中得到了广泛应用 [ 1 ] 。作为一种超声导波检测 模态的识别方法。赵继辰等 [ 10 ] 构建了螺旋波纹管
方法, 轴对称超声导波检测已经得到了深入研究并 计算模型, 模拟超声导波在螺旋波纹管中的传播特

大量应用于管道的无损检测。 性, 得到频率为240kHz的轴向导波螺旋波纹管可
金属管道在加工、 焊接、 服役过程中, 其内部可 实现环向缺陷检测的结论, 实现了螺旋波纹管中缺
能出现应力集中区域, 进而在这些区域中形成裂纹, 陷的识别和定位。
且以斜向裂纹居多。目前代表性的超声导波检测方 鉴于电磁超声螺旋导波检测的优势, 在分析管
法, 如 L ( 0 , 2 ) 模态、 T ( 0 , 1 ) 模态等轴对称超声导波 道螺旋导波传播规律及检测机理的基础上, 提出 S
对管道斜向裂纹的检测能力较差, 无法实现裂纹的 构型内检式 EMAT , 以实现对金属管道斜向裂纹的
分类与定量评价, 未能满足实际检测需求。为突破 电磁超声螺旋导波检测。建立有限元仿真模型, 研
金属管道斜向裂纹超声导波检测瓶颈, 非轴对称超声 究了管道不同走向裂纹对螺旋导波的影响规律, 分
导波检测方法是有力手段之一, 有望作为轴对称导波 析检测信号特性; 搭建试验系统, 制备了 S 构型内
检测的补充, 进一步提高管道斜向裂纹超声导波检测 检式 EMAT 并开展研究, 对仿真所得分析结论进
能力, 更精准地获取裂纹的位置和尺寸等信息。现有 行验证, 进一步确认所提 EMAT 在金属管道斜向
研究表明 , 管道螺旋导波检测是一种有效的非轴对 裂纹电磁超声螺旋导波检测中的可行性及有效性。
[ 2 ]
称超声导波检测方法, 其采用的螺旋导波实质上是一 1 S构型内检式 EMAT 检测机理
种兰姆波在曲面上的传播形式, 由于管道结构的周向
封闭性, 波前会反复交叉重叠, 波束、 波矢与管道轴线 为实现电磁超声导波沿管道螺旋传播, 需基于
电磁超声换能原理, 对影响波传播方向的相关因素
成一定角度, 使导波沿着管道轴向成一定角度传播,
继而形成管道螺旋导波。 进行分析。电磁超声导波换能器工作时, 涡流线圈
对于管道螺旋导波的激发与接收, 除采用压电 通有高频激励电流而激发线圈磁场, 根据法拉第电
换能器以外, 亦可通过电磁超声换能器( EMAT ) 来 磁感应定律, 线圈磁场于管道内部感应出交变电磁
实现。相比于压电换能器, EMAT 具有无需耦合 场( 包括管道内部的磁场及涡流), 感应涡流在交变
剂、 检测灵敏度高、 适用温度范围广等优势, 鉴于这 磁场和静态偏置磁场作用下, 在管道近表面产生周
些优势, 国内外学者对管道螺旋导波 EMAT 展开 期性收缩和拉伸的洛伦兹力, 这种周期性收缩和拉
了系列研究。 THOMPSON 等 [ 3 ] 研究了采用电磁 伸的机械力带动管道中的质点产生高频振动, 形成
超声换能器在天然气管道上产生反对称模态兰姆波 超声导波。超声导波的传播方向由磁场方向和涡
的可行性。 BRATH 等 [ 4-5 ] 采用 EMAT 在管道中激 流方向共同决定, 由于内检式换能器普遍采用的
永磁体所提供的偏置磁场方向一般为轴向或周向
励接收 A0模态或 S0模态螺旋导波进行层析成像。
THRING 等 [ 6-7 ] 通过控制多激励线圈组合, 实现了 ( 无法提供斜向磁场), 故只能通过改变涡流线圈
换能器法线及其偏移方向一定范围内的缺陷检测。 来控制管道内感应涡流方向, 从而进一步调控导
ZHANG 等 [ 8 ] 采用螺旋磁致伸缩贴片换能器激励和 波的传播方向。基于以上分析和已有研究 [ 11 ] , 提
接收单一扭转模态导波, 分析了扭转模态弯曲波与 出了基于管道径向励磁的 S构型内检式 EMAT ,
螺旋角的传播关系, 得到管道轴线与螺旋角度频散 其结构如图1所示。

图1 S构型内检式 EMAT 结构示意

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2023年 第45卷 第10期
无损检测