电磁超声检测技术在石油管行业板材和管材检测中的应用

余国民，李 黎，杨 钊

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101）

电磁超声检测技术（EMAT）无需耦合剂，能直接在导体中激发和接收超声波，使超声探伤的应用扩展到高温、高速和在线检测等领域，因而是无损检测的发展前沿技术之一。

1 EMAT原理

电磁超声是基于磁致伸缩效应和洛仑兹力，直接在被检物体内产生超声波。在铁磁性材料中，磁致伸缩效应机制尤为重要，特别是在弱磁化状态下，更是影响EMAT 效率的主导因素。当铁磁性材料在外磁场中被磁化时，其长度或体积发生微小变化的现象被称为磁致伸缩效应。根据这一原理，对铁磁性材料施加交变磁场，使得其周期性伸缩振动，从而激发超声波［1］。同时，铁磁性材料的伸缩振动，会引起周围磁场发生变化，即磁致伸缩逆效应。根据此原理可以接收电磁超声信号［2］。

2 EMAT优化设计

2.1 组成

（1）高频线圈：用于产生高频激发磁场，即产生脉冲磁场。

（2）磁铁：用来提供外磁场（偏置磁场），它可以是直流电磁铁、永久磁铁、交流电磁铁或脉冲电磁铁。

（3）工件：是EMAT 的一部分。工件必须是电导体或磁导体。EMAT 的工作原理（即激发与接收超声波的机理）与洛仑兹力、磁致伸缩力和磁性力相关。三种力都与磁场有关，缺陷波幅值最大时电磁铁磁化强度为最佳磁化强度。确定最佳磁化强度可提高检测灵敏度。

2.2 线圈设计

结构形式最为简单的EMAT 线圈为置于恒定磁场中通过交变电流的一根直导线。实践证明这种简单的EMAT 线圈在实际应用中效率低，只能在导体中产生圆柱状径向辐射的剪切横波，而这种无方向的体波在无损检测中效果不佳。为提高线圈的转换效率，采用各种形式的螺旋线圈，包括蛇形、回形、吕形等。根据外加恒定磁场方向的不同，可产生纵波或横波。即金属导体中产生的沿一定方向传播的超声波或沿金属表面传播的表面波或板波，如图1所示［3］。

图1 生成一个方向发射Lamb波的EMAT

EMAT 线圈设计的原则：①每个换能器都有自己的中心频率，而且由导线宽度及导线之间的间隔决定，满足关系式b＝λ／2。②换能器的几何形状直接反映激发出的超声波的响应。③换能器的频带宽度取决于线圈匝数，两者互为倒数关系。④换能器所激发的声波强度不仅取决于导线长度h，而且取决于线圈匝数。导线长度h越长，线圈匝数越多，激发的声波越强。一个产生表面波的EMAT线圈的尺寸设计如图2所示［4］。

图2 EMAT 优化线圈尺寸

试验数据：以频率f＝500kHz，周期T＝1／f＝2μs，表面波在钢中的传播速度Cr＝2 964m／s，可求出表面波的波长λ＝Cr／f＝5.93mm。为使表面波声强最大，图3中应取b＝λ／2＝2.96mm，取a＝2mm，d＝0.07mm（扁平导线的厚度）.令n＝8，由Δω／ω0＝1／n，计算出了换能器的频带宽度，即信号频率的范围为468.75～531.25kHz，以印刷电路板方式制作线圈激发的声波强度最高。实践证明采用蛇形线圈（印刷电路板）作为EMAT 的线圈形式，成功产生了只沿一个方向传输的板波（图2），在同等条件下，其声波传播强度比排线型和导线型线圈高出40%～60%。目前蛇形线圈已广泛应用于电磁超声的发射和接收过程中，主要用于产生表面波、板波及具有一定传播角度的体波，可以使超声波在固体媒质中汇成一条直线并沿一特定方向传播。

常用的EMAT 线圈制作技术有四种，分别是排线、印刷电路、薄膜和导线技术。采用印刷电路技术可降低线圈的导体电阻。各种EMAT 线圈制作方法比较结果如表1所示［5］。

表1 各种EMAT线圈制作方法对比

2.3 磁铁设计

为在介质表面和近表层形成强的偏转磁场，需要采用高强的磁铁。理论上认为既可采用永磁铁又可采用电磁铁，但需注意的是，虽然使用永磁铁可使结构紧凑，但会受到温度和磁场强度的限制。试验结果表明采用交流磁场磁化工件只需要较小的电流即可产生较大的磁场，如图3所示。

图3 采用磁铁组提供偏转磁场的EMAT

磁铁选择原则：①永磁材料虽然可以提供很强的磁场，但用在声场测试中它的磁场强度不可变化。此外永磁铁的使用比较不方便，它在铁磁性工件上移动时需要频繁的断磁，而实现断磁又需要一套复杂的机械结构，使用断磁法需依靠人力的操作，不仅费力，还容易损坏测量线圈。②直流电磁铁是在磁化线圈中通以直流电，在超声激发和探测中使用直流电磁铁提供磁偏场，其优点是产生的磁场稳定，给检测带来的干扰小，但直流磁场对试件磁化效率较低，往往在线圈中通入很大的电流还不能满足测试的需求，特别是在对工件进行磁化时更是如此。③使用交流磁场磁化检测试件时，只需在磁化线圈中施加较小的电流，即可在试件表面产生较大的磁场，产生超声波的效率比直流电磁铁高得多。故采用交流电磁铁作为偏置磁场效果最佳，表2为通以相同电流时永磁铁、直流电磁铁、交流电磁铁产生的声波幅值对比。

表2 永磁铁、直流电磁铁／交流电磁铁产生超声波幅值比较［5］

由表2可知，采用交流磁场磁化工件只需要较小的电流即可产生较大的磁场。EMAT 设备基本上都采用交流电磁铁。

3 实际应用

目前国产的板材、管材电磁超声探伤设备动态灵敏度可达φ2mm 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，可有效的检测出黑色金属中如白点、夹杂、裂纹、缩孔等自然缺陷，板材上、下表面及内部的各种缺陷（包括重皮、折叠、孔洞、分层等）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、折叠、孔洞、未焊透等自然缺陷。满足管材、板材相关标准的要求，检测灵敏度可精确到钢管壁厚5%的人工刻槽。

3.1 板材中的应用

在石油管材行业，制造HFW（高频焊管）、SAWH（螺旋缝埋弧焊管）、SWAL（直缝埋弧焊管）钢管用的卷板或钢板，通常采用钢带或管体超声波纵波多通道梳状或摆动扫查分层探伤，根据技术标准要求检测板材25%～50%的覆盖面积范围，同时板材两边缘25mm 范围必须100%探伤，甚至某些严格的项目，例如福建海西天然气管线明确要求板材100%探伤。在这种情况下，采用超声探伤方法无法做到，且选用探头个数由于受多通道设备各通道耦合状态、通道增益的一致性、闸门位置及宽度的设置、边探探头位置跟踪、探头直径和间距决定的探伤覆盖率等因素的影响，对厚度6～20mm 的制管板材，上下表面探伤盲区至少各为1.5mm，对板材的重皮、折叠等近表面缺陷无法检出，结疤、压坑、孔洞等外观缺陷，因纵波探伤的覆盖率、耦合等因素影响也无法100% 检出。且对于压电超声纵波水耦合探伤，水量太小，耦合不良，影响探伤结果。而水量大，不易风干，影响焊接质量。而EMAT 正好可以解决上述问题。

国内的玉龙制管厂采用电磁超声探伤方法排除了耦合水的不利影响，实现了板材沿厚度和宽度方向的100% 覆盖，提高了自然缺陷的检出率。

工厂在生产φ610mm×8.8mm（L415MB）规格SAWH 钢管，板材尺寸为8.8mm×1 350mm，在一张长1 000mm的板材中间位置刻一平底孔（φ6mm，深度4.4mm）进行灵敏度校验，校验结果如图4所示，平底孔回波调至80%波高作为基准灵敏度进行检测，对出现高于80%的波高位置进行复查确认。同时为了验证电磁超声检测技术的可靠性，在上述板材上刻了一人工槽（长10 mm，宽1mm，深2mm），在上述相同灵敏度基准的条件下，其结果显示人工槽回波信号明显，脉冲尖锐，几乎与边缘脉冲有相同的能量回波，如图5所示。由此可以认为电磁检测技术对于开口小且具有一定深度的缺陷具有更高的检测能力。在实际应用中证明了电磁超声在对板材检测时，不仅可以检测出分层缺陷，开口类缺陷也能检出。

图4 φ6mm 平底孔缺陷回波

图5 人工槽缺陷回波

3.2 管材中的应用

在石油管材行业，电磁超声多用于无缝钢管检测、油套管检测。笔者介绍了在国内某无缝钢管厂用电磁超声技术检测无缝钢管实例。

图6 管材检测示意

对120支φ323.9mm×12.7mm（L245MB）规格无缝钢管进行电磁超声检测，如图6所示将电磁超声探头放置于被测工件上，选择与被检钢管同规格同壁厚样管，管径为323.9mm，壁厚为12.7mm，外壁人工刻槽，槽深度为壁厚的5%，宽度为1mm，长度为20mm。调整过程如下，首先设置脉冲串相位和脉冲串的频率，观察示波器，看到回波后，调整脉冲串个数，得到的回波与始波之间有一定的距离差，为了保证缺陷波正常显示，经过反复试验调节示波器后得到较为合适的无缺陷波如图7所示，有缺陷波形如图8所示［6－7］。其中采用脉冲周期个数为9，频率选择880kHz，触发相位选择1400，图7与图8相比较，可以明显看出在始波的一次回波之间有一缺陷波，并且一次回波幅值变小，通过转动检测钢管，使得电磁超声探头到轴向裂纹的声程最短。表3说明电磁超声检测结果与超声／磁粉检测结果一致，表明了电磁超声检测的可靠性和准确性。

图7 无缺陷时EMAT 检测信号（采样点）

图8 有缺陷时EMAT 检测信号（采样点）

表3 120支φ323.9mm×12.7mm 无缝钢管检测结果

4 EMAT法在石油管行业检测的特点与局限性

EMAT 法在石油管行业目前主要应用于HFW（高频焊管）、SAWH（螺旋缝埋弧焊管）、SWAL（直缝埋弧焊管）用的卷板或钢板的检测、（SML）无缝管厚度分选／缺陷检测、油井管材缺陷检测等方面，这主要是基于EMAT 法比自动超声检测效率高，可靠性好。然而钢管焊缝检测还是以RT（射线检测）／UT（超声检测）为主。

4.1 电磁超声检测的特点

4.1.1 无需任何耦合剂

EMAT 的能量转换是在工件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，由于趋肤层是工件的表面层，所以EMAT 所产生的超声波就不需要任何耦合介质。

4.1.2 可产生各类波形

EMAT 在检测的过程中，在满足一定的激发条件时，会产生表面波、SH 波（板波）和LAMB波。如改变激励电信号频率使之满足式（1）要求：

式中：n为任意整数；c为声速；f为信号频率；λ为波长；θ为向工件内侧斜辐射角。

在其它条件不变的前提下，只要改变电信号频率，就可以改变声的辐射角θ。EMAT 的这一特点可以在不变更换能器的情况下，实现各类波形的自由选择。

4.1.3 对被检工件表面质量要求不高

EMAT 不需与材料接触，就可向其发射和接收超声波。因此对被探工件表面不要求特殊清理，较粗糙的表面也可直接探伤。

4.2 电磁超声检测的局限性

对于15mm 以下的板材、管材的电磁超声检测速度可达40mm／min，且检测效率高，可靠性好。

目前在石油管行业，由于受设备承载能力和埋弧焊接方法多的限制，国内生产HFW 钢管壁厚最大可达16mm（X70M），生产SAWH 钢管壁厚最高可达22.4mm（X80M），生产SAWL 钢管壁厚最高可达38.4 mm（X80M），生产SML 钢管厚度不受限，但石油管行业用于输油气的无缝钢管厚度普遍在5.6～16mm 范围。

为说明电磁超声检测对一定厚度以上的板材和管材的裂纹检测准确率、精度问题，进行了试验。检测设备：营口北方检测公司（MAIII－G 型）；板材尺寸：（长×宽×厚度）L×1 500 mm×20mm（X70M）；板材人工缺陷：沿板材轧制方向，在靠近板材两边缘10mm 范围内，每隔50mm 轧制方向距离，在板材的上下表面用刻槽机分别刻出不同深度的φ6 mm 平底孔，深度分别为1，2，4，6，8，10mm；管材尺 寸：φ660 mm×20 mm（X70M）－SAWL钢管；管材人工缺陷：在钢管内外表面沿纵向间隔50mm 刻出相同长度（10 mm）不同深度的人工裂纹人工裂纹深度分别为1，2，4，6，8，10mm，如图9所示。

图9 板材与管材人工缺陷

灵敏度调节：以20m／min检测速度为基准，板材以10mm 深的φ6mm 平底孔反射波高调节满幅度的100%作为合格极限，管材以N5刻槽为反射波高调节满幅度的100%作为合格极限，调节发射频率和磁化电流，使人工反射波形最佳，调节报警闸门的前沿紧靠始波后沿。实践结果表明：

（1）20m／min的检测速度下，板材内外表面所有φ6mm 平底孔能够100%有效检测出来，管材内外表面所有刻槽能够100%有效检测出来。

（2）检测速度提高到30m／min时，板材内外表面所有φ6mm 平底孔仍然能够100%有效检测出来，管材内表面1 mm 深、2 mm 深刻槽波高不足50%，有漏检的可能。

（3）当速度提高到40m／min时，板材和管材大部分人工缺陷已经无反射波高。

试验说明了对于超过一定壁厚的板材和管材，特别是超过15mm 以上壁厚的产品，随着检测距离的增加，灵敏度下降明显，灵敏度动态调节至关重要，此时应该要考虑到电磁超声自动探伤装置能发现最小缺陷的能力及校验基准。

5 电磁超声法在石油管行业检测的优势和存在的技术问题

5.1 电磁超声检测的优势

5.1.1 检测速度快

板材自动超声检测速度范围大约在15～20m／min，管材自动超声检测速度范围大约在10 m／min 以内，而电磁超声检测速度可达到40m／min（根据壁厚和设备自身能力调节）［8］。

5.1.2 声波传播距离远

电磁超声在板材和管材中激发的超声波，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，探头与工件可灵活移动，使探伤设备的机械结构相对简单。

5.1.3 所用通道与探头的数量少

在实现同样功能的前提下，EMAT 探伤设备所选用的通道数和探头数少于自动超声检测。特别在板材EMAT 探伤设备上就更为明显，自动超声检测要进行板面的探伤需要几十个通道及探头，而EMAT 只需要4个通道及相应数量探头就可对板材进行100%覆盖检测，这是自动超声检测无法完成的。

5.1.4 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，而超声检测不能检测出。

5.2 电磁超声检测存在的技术问题

（1）目前在石油管材行业，电磁超声检测还不能用于焊缝自动动态检测，但可用于局部静态检测，这主要是基于焊缝余高以及焊缝的不规则形状使得EMAT 对信号产生噪声干扰，特别是在动态检测时，信噪比差。当板材探伤工序设置在钢管成型水压后与焊缝超声探伤工序合并，板材及焊缝边缘25mm 范围的母材分层无法进行探伤。

（2）国内有关电磁超声的相关标准较少，主要还是参照 ASTM E816《利用电磁声换能器（EMAT）技术进行超声检查的标准方法》、E1774《电磁超声换能器标准导则》等国际标准，这也是制约电磁超声在石油管行业推广应用的原因之一。

（3）电磁超声对一些形状复杂的石油管材产品检测困难，如弯管、三通、带涂层的管件等产品。

（4）电磁超声检测用元器件寿命短及互换性差，探头、线圈设计紧凑，实际使用时容易接触不良，造成杂波或无波问题，来回调节困难。

（5）干扰性大：特别是连续工作时，设备台架附属物体上料、下料、旋转均有变频器参与工作，容易造成干扰杂波。无法与静态工作时相比较。

6 结语

国内电磁超声检测由于起步较晚，与欧美发达国家相比还存在很大差距。在电磁超声无损检测领域中，需运用不同的方法建立精确物理模型，更深入地认识EMAT 的物理过程，特别是分析洛伦兹力与磁致伸缩力的共同作用机理，提高和完善对信号的接收和处理能力，更大程度地减小噪声干扰。电磁超声技术与其他技术的融合运用，也是无损检测的重要发展方向。由于电磁超声无损检测技术不受声波条件和接触界面的限制，可用于接触式超声检测技术难以解决的一些实际问题。

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