電磁超聲檢測技術的利弊及應用展望,聲學論文摘要：電磁超聲檢測技術是近年蓬勃興起的先進無損檢測方式方法,該項技術具有不需要使用耦合劑、檢測效率高、可實如今線監(jiān)測等顯著優(yōu)勢,同時通過采用不同構型的電磁超聲換能器,可實現(xiàn)多種超聲波型的激發(fā)和接收,極大豐富了電磁超聲檢測技術的應用場景。同時,作為新興的先進檢測技術,電磁超聲檢測技術還存在諸如換能器換能效率不高、對粗晶材料檢測效果不佳等問題需要進一步研究和發(fā)展。本文關鍵詞語：電磁超聲;EMAT;應用;Abstract：electromagneticultrasonictestingtechnologyisanadvancednon-destructivetestingmethodwhichisboominginrecentyears.Thistechnologyhastheadvantagesofnocouplingagent,highdetectionefficiencyandonlinemonitoring.Atthesametime,throughtheuseofelectromagneticultrasonictransducerwithdifferentconfigurations,itcanrealizemultipleultrasonicexcitationandreception,whichgreatlyenrichestheapplicationscenariosofelectromagneticultrasonictestingtechnology.Atthesametime,asanewadvanceddetectiontechnology,electromagneticultrasonictestingtechnologystillhassomeproblems,suchaslowenergyconversionefficiencyoftransducerandpoordetectioneffectoncoarse-grainedmaterials,whichneedsfurtherresearchanddevelopment.Keyword：electromagneticultrasound;EMAT;application;1、電磁超聲檢測技術原理電磁超聲檢測技術是通過電磁超聲換能器(ElectromagneticAcousticTransducer,EMAT)激發(fā)和接收超聲波的先進無損檢測方式方法,EMAT是實現(xiàn)電磁超聲檢測的關鍵部分。勵磁器、線圈和待檢件是構成EMAT的三個重要組成部件。華而不實,勵磁器提供外加磁場,能夠采用永磁鐵或電磁鐵。永磁鐵體積較小;電磁鐵去磁速度較快,一般分為直流電磁鐵和溝通電磁鐵。線圈內(nèi)加載高頻溝通電,用以在待檢件中產(chǎn)生渦電流,線圈的排布方式有蛇形、回形及呂形等。待檢試件是EMAT不可或缺的組成部分,其必須是電導體或磁導體,這也就明確了電磁場超聲檢測的應用范圍。銅、鋁等非鐵磁性導電材料中,電磁超聲主要由電磁感應產(chǎn)生洛倫茲力作用產(chǎn)生,鐵、鋼、鈷等鐵磁性材料中的電磁超聲一般由洛倫茲力、磁力和磁致伸縮原理共同作用產(chǎn)生。非鐵磁性導電材料電磁超聲檢測的基本經(jīng)過是:待檢試件與線圈放置于外加磁場中,線圈中加載高頻電流后,線圈周圍會感生出動態(tài)感應磁場,感應磁場會進一步在待檢試件中感生出電渦流。處于外加磁場中的待檢試件外表由于存在感生電渦流,試件內(nèi)的微粒遭到洛倫茲力會發(fā)生高頻振動而產(chǎn)生超聲波,并在工件內(nèi)傳播,此經(jīng)過即完成超聲波的發(fā)射經(jīng)過。微粒的振動方向與傳播方向確定了超聲波的類型。電磁超聲的接收階段,反射聲波會使試件內(nèi)部微粒發(fā)生振動,進而引起磁場的擾動,進而會在線圈中感生出電壓信號,實現(xiàn)檢測信號的接收。圖1電磁超聲檢測技術原理鐵磁性導電材料電磁超聲檢測經(jīng)過除了遭到洛倫茲力的影響,還遭到磁力和磁致伸縮效應的影響。洛倫茲力和磁力具體表現(xiàn)出為力的變化,磁致伸縮應變則具體表現(xiàn)出為質(zhì)點的振動幅度。在能量轉(zhuǎn)化的角度具體表現(xiàn)出為電磁場與彈性場間的能量傳遞:洛倫茲力、磁力和磁致伸縮應變?nèi)N機理的耦合。三種機理的數(shù)學表示出式如下:式(1)是洛倫茲力的表示出式,華而不實為電磁感應產(chǎn)生交變磁場在待檢件中構成的渦電流密度,單位A/m2;是外加磁場在待檢件中的磁感應強度,單位T,和符合左手定則斷定。式(2)是磁力表示出式,華而不實M是在外加磁場作用下待檢件的磁化強度,單位T;H是外加磁場強度,單位A/m;式(3)是磁致伸縮應變表示出式,華而不實是恒定磁場柔度矩陣;是待檢件的所受內(nèi)應力,單位N/m2;D為待檢件的壓磁應變系數(shù)。根據(jù)EMAT中外加磁場的不同情況,EMAT可大致分為下面幾類:均勻靜態(tài)磁場EMAT,非均勻靜態(tài)磁場EMAT,空間周期靜態(tài)磁場EMAT。均勻靜態(tài)磁場EMAT中,在洛倫茲力作用下產(chǎn)生橫波,在磁致伸縮效應下產(chǎn)生水平剪切波。非均勻靜態(tài)磁場EMAT中,由于不同位置的磁場分布不一致,EMAT所激發(fā)超聲波類型由外加磁場在待檢件的分布決定。空間周期靜態(tài)磁場EMAT的磁場由一系列周期排列的磁鐵產(chǎn)生,易激發(fā)出水平剪切波。2、技術優(yōu)勢由電磁超聲檢測的基本原理可知,電磁超聲波的發(fā)射和接收不需要通過耦合劑進行傳播,進而使得檢測經(jīng)過中不需要使用傳統(tǒng)壓電超聲必須使用的耦合劑。同時,電磁超聲在檢測經(jīng)過中對待檢件外表能否涂有油漆并無要求,這能夠免去大量的油漆打磨及恢復的時間,極大的提升了現(xiàn)場檢測的效率,并降低待檢設備使用單位的運維成本。對于消防管線、輸油輸氣管線等數(shù)量較多、長度較長的管線,傳統(tǒng)的檢測方式方法施行效率較低,往往需要較長的檢測工期。電磁超聲由于能夠激發(fā)出沿管道外表傳播的導波,在導波反射式掃查形式下,電磁超聲探頭沿待檢管件掃查一周,探頭所發(fā)射的導波在直管及彎管段的有效檢查距離超過10m,具體表現(xiàn)出了極高的現(xiàn)場檢測效率。在衰減式掃查時,電磁超聲探頭沿管道軸向掃查,所激發(fā)的的導波可沿管道周向傳播,實現(xiàn)對管道周向腐蝕等缺陷的檢測。對于高溫部件,傳統(tǒng)壓電超聲往往需要使用高溫探頭和高溫耦合劑,成本高、效率慢、可重復性差。在電磁超聲檢測經(jīng)過中,EMAT的線圈不需要直接接觸待檢件,為保衛(wèi)載流線圈,一般在探頭前部加裝一定厚度的保衛(wèi)層。保衛(wèi)層可采用耐熱、隔熱材料,能夠有效隔離待檢件與EMAT探頭之間的熱傳導,進而使得電磁超聲能夠直接對高溫管線進行檢測,實如今不使用費用昂貴的高溫耦合劑條件下的高效檢測,且檢測結果具有良好的的可重復性。同時,由于耐高溫的特點,在特殊情況下能夠在焊接完成、焊縫尚未冷卻的時候施行快速檢測。3、存在的缺乏基于電磁超聲檢測技術發(fā)射-接收超聲波的原理,EMAT的換能效率比傳統(tǒng)壓電超聲低,其所收到的超聲波信號幅值較小,甚至可能出現(xiàn)有效幅值被噪聲信號淹沒的情況,此時往往需要增大發(fā)射功率,但也帶來線圈容易發(fā)熱的問題。為保衛(wèi)EMAT探頭,一般需要在探頭前端安裝特定的保衛(wèi)層,此保衛(wèi)層的厚度對電磁超聲檢測有直接影響。一般將保衛(wèi)層厚度及保衛(wèi)層到待檢件外表的距離之和稱為提離距離。當提離距離過大時,EMAT在待檢件中激發(fā)的超聲波較弱,造成檢測信號較差。以電磁超聲施行測厚為例,有研究表示清楚,提離距離不宜大于1mm,否則測厚數(shù)據(jù)會嚴重失真。為獲得良好的檢測效果,保衛(wèi)層厚度不宜過大,且檢測時需盡量將探頭靠近待檢件外表。因而,在對高溫部件進行不間斷的連續(xù)電磁超聲監(jiān)測時,可能會出現(xiàn)由于探頭無法及時散熱而影響檢測效果的情況。電磁超聲檢測技術對金屬部件的檢測原理,其本質(zhì)仍然是超聲波,只是超聲波的激發(fā)-接收方式與常規(guī)壓電超聲有本質(zhì)的區(qū)別。所以,電磁超聲檢測還是存在傳統(tǒng)壓電超聲的一些缺乏之處。其對奧氏體不銹鋼等粗晶材料的檢測效果尚需進一步提升。作為一種新興的檢測技術,電磁超聲檢測技術對焊縫的檢測靈敏度還有提升空間。在進行長距離管線的腐蝕檢測時,電磁超聲激發(fā)的導波僅能沿著直管段及彎管段傳播,其無法通過三通、錐形段、法蘭、閥門等物項,對此類物項還需補充其它檢測方式方法。4、應用瞻望根據(jù)電磁超聲檢測的技術特點,其激發(fā)的導波能夠沿著管線外表傳播,可應用于大批量、長距離管線的腐蝕檢測,且檢測經(jīng)過不需要使用耦合劑,不需要打磨油漆等附著物,實現(xiàn)高效快速檢測。對高溫部件的測厚檢測是電磁超聲檢測技術的另一個重要應用領域。測厚時應用的是電磁超聲所激發(fā)的體波進行檢測。由于能夠在高溫環(huán)境下進行檢測,故無需等待機組停機、設備停運,就能夠?qū)﹃P注區(qū)域進行在線檢測,極大的提高了業(yè)主的設備管理水平,確保在用設備安全可靠運行。同時,電磁超聲測厚技術還能夠廣泛的應用于不同金屬板材測厚、鋼板測厚、焊縫檢測、鐵軌踏面等不同構造部件的檢測。基于超聲波聲彈性理論,電磁超聲檢測技術還能夠用于焊接殘存余留應力的測量和在役螺栓軸力測量等。以下為參考文獻[1]丁秀莉,武新軍,等.電磁超聲傳感器工作原理與構型[J].無損檢測,2021.37(1):96-100.[2]陳鵬,韓德來,等.電磁超聲檢測技術的研究進展[J].理論與方式方法,2020.31(10):18-21.[3]WANGY,KANGY,WUX.Theoreticalandexperimentalstudyongenerationoflongitudinalguidedwavesincircularpipesbaseonmagnetotrictiveeffect[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,2005,41(10):174-179.[4]周正干,黃鳳英,等.超外差接收相敏檢波在電磁超聲檢測中的應用[J].北京航空航天大學學報,2018,37(3):253-258.[5]OGIH,HIRAOM,OHTANIF.Flawdetectionbyline-focusingelectromagneticacoustictransducers[C].IEEEUltrasonicSymposium,1997:507-510.[6]朱紅秀,吳淼,等.電磁超聲傳感器機理的理論研究[J].無損檢測,2005,27(5):231-2