燃气管道腐蚀缺陷电磁超声检测方法

叶至灵，韩赞东

(清华大学机械工程系，北京 100086)

0 引言

无损检测广泛应用于结构健康监测。对于埋地金属管道的监测，剩余壁厚是重要的管道可靠性指标[1]。

传统的压电超声检测方法需要耦合剂，不适合用来做埋地管道内检测[2]。在“管道猪”上常用的漏磁检测方法，携带设备庞大、所需驱动力强，受到检测速度[3]、磁化状态等多种因素影响，信号定量分析困难[4]，在燃气管道中难以应用。电磁超声因为其无需耦合、能够产生多种声波的特性，适合作为管道内检测手段[5]。其中，横波电磁超声换能器能够精确测量金属材料的厚度[6]。

但是在实际测量任务中，由于燃气管道的腐蚀多为外表面腐蚀，且腐蚀深度不均匀，不能简单视作平板的测厚。在扫查的过程中，希望能够得到探头在各个位置时中心位置对应的剩余厚度，但腐蚀形成的斜面会对测量结果造成影响。为此，本文通过理论分析、模拟仿真和实验测试的方式，研究了电磁超声换能器在腐蚀斜面产生和传播横波的过程，更好地理解和处理接收的回波信号，从而减小测量的误差。

1 电磁超声斜面检测方法

1.1 电磁超声测厚原理

电磁超声传感器一般由永磁体和线圈组成。永磁体提供偏置磁场，线圈中通高频电流从而在试件表面激发高频涡流。通过不同方向的偏置磁场和不同形状的线圈组合，能够产生体波、表面波、导波等不同类型的声波[7]。

图1 横波电磁超声传感器结构示意图

一般用横波电磁超声传感器来检测厚度，典型横波电磁超声传感器如图1所示。横波电磁超声换能器由永磁体和螺旋线圈组成。永磁体产生的偏置磁场方向和试件表面垂直，通入环形线圈的高频信号在试件表面感应出涡流，在垂直于试件表面的偏置磁场作用下产生洛伦兹力，使得试件表面振动而发出超声波。对于铁磁性材料、偏置磁场垂直偏置情况下的横波电磁超声，主要是洛伦兹力发声机制的结果，磁致伸缩效应可以忽略不计[8]。

平行和垂直于试件表面的洛伦兹力大小可以简化为[5]：

(1)

当线圈尺寸小于永磁体，涡流产生区域B0x较小，所以此类传感器产生的纵波能量不到横波的1/10，在检测中可以忽略纵波的影响。

超声波在试件中传播，在底面反射，回波引起的应变在金属试件中产生动态电场，从而被EMAT线圈接收到。横波电磁超声通过测量始波和回波的时差确定被测件的厚度。声波传播的距离是平板厚度的2倍。因此，平板金属试件的厚度d可以表示为

d=v·Δt/2

(2)

式中：v为材料中声速；Δt为测量时差。

1.2 电磁超声斜面测厚方法

在进行斜面检测时，由于检测面和底面不平行以及线圈尺寸大小的影响，导致声波实际传播的距离不能简单确定为探头中心对应厚度的2倍。

斜面检测时横波的传播路径如图2所示。探头的直径为D，斜面的倾角θ，以探头中心对应表面位置为原点O建立坐标轴，探头中心位置对应的斜面厚度为h，称为中心厚度。

图2 斜面检测声波信号传播示意图

探头产生的横波向下传播到达斜面后发生反射，部分声波回到线圈。由于反射纵波的能量较小且反射角更大，因此只分析反射横波。考虑两个特殊位置的入射波：入射点为A1的回波位置在线圈左边缘A2，入射点在右边缘B1的回波位置在B2。对于x位置入射的横波来说，回波的位置为x-(h-x·tanθ)·tan2θ，要求能检测到回波，则需要满足B2点在线圈范围内，即：

(3)

同时可以解出A1的位置为

(4)

假设表面声源均匀分布，可以得到一个平均声波传播距离l的估计公式:

(5)

hc=(1-tanθ2)htest

(6)

考虑到连续测量过程中，tanθ≈ Δhtest/Δx，则

(7)

可以从式(7)得知，在所给的小倾角的条件下，测量的厚度偏大。

2 电磁超声斜面测厚仿真

针对电磁超声换能的仿真，近年来主要使用有限元方法[8-13]。本文主要通过基于COMSOL多物理场实现的二维参数化模型，进行快速的仿真分析。

2.1 模型及参数

图3 斜面电磁超声测厚COMSOL模型示意图

通过COMSOL对横波电磁超声换能过程进行仿真。模型结构示意如图3所示。模型由带斜面缺陷的试件、螺旋线圈、永磁体和空气域组成。探头直径D=20 mm，与缺陷同宽，线圈匝数为5，导线间距为1 mm，提离距离为1 mm，试件厚度H=8 mm。线圈激励函数为频率4 MHz的经过汉宁调制的正弦脉冲信号。在二维平面内，线圈左右两侧所通过的电流时刻相反。

模型通过COMSOL的磁场无电流模块计算静磁场分布，通过磁场模块计算涡流电场分布，通过固体力学模块得到声场分布。

通过对缺陷深度hd进行参数化扫描，分析线圈中的回波的情况。

2.2 模型验证

以缺陷深度hd=2 mm为例，如图4所示，EMAT主要产生的横波在斜面反射之后沿着与竖直方程成一定角度回传。

图4 t=3.000 μs时储能密度云图

在各个缺陷深度下，线圈所接收的回波可以用两侧线圈的平均感应电流密度表示，如图5所示。

仿真中发现：

(1)当缺陷深度较浅时(hd=0.5 mm)，所得回波和平板回波区别不大；随着缺陷深度增大，线圈右侧部分的回波被左侧线圈接收，而两部分产生声波相位相反，造成回波形态发生变化，如图5(a)所示。

(2)当缺陷深度继续加深时，缺陷回波减弱，峰值前移，对应着所测的厚度变小。

当检测到回波时，取回波的最大值的时间作为回波到时，计算和始波发送时间的时差。并且依据式(6)进行修正。计算结果如表1所示。其中当缺陷深度hd=3 mm时，回波已经难以分辨，不计入结果中。

如表1所示，仿真结果计算的厚度(hd>0.5 mm)

(a)hd=0.5、1.5 mm

(b)hd=2.0、2.5、3.0 mm图5 不同缺陷深度下线圈接收回波

表1 仿真得到厚度关系 mm

要大于中心厚度；通过修正能够一定程度上提高精度，缺陷深度越大，即斜面越陡，误差越大，修正效果越好。

3 实验与结果分析

为了验证腐蚀斜面仿真的结果，设计了如图6所示的腐蚀斜面检测实验。两个斜面的倾角的正切值tanθ1=0.06，tanθ2=0.075。使用ETG-100测厚仪进行实验，基本只能检测到一次回波。2个斜面的测量结果如图7所示。

图6 腐蚀斜面实验示意图

(a)倾角为θ1的斜面

(b)倾角为θ2的斜面图7 腐蚀斜面厚度测量结果

实验可以观察到：

(1)测量值比实际值略大，与仿真所预期一致；

(2)斜面倾角越大，误差越大，经过式(7)修正，略接近实际值。倾角小时，测量准确，如图7(a)所示，不需要进行修正。倾角大时，修正效果更明显。

4 结论

对于腐蚀斜面的横波电磁超声厚度检测问题，提出了一个分析模型，发现按照时差法测得的厚度比探头中心位置对应的斜面厚度要大，并给出了修正的公式。通过COMSOL仿真验证了分析模型的对于误差计算的趋势：随着斜面倾角增大，测量的误差增大，并能过通过修正公式提高精度。最后在钢板的腐蚀斜面缺陷上验证了仿真的结论：在倾角小的斜面上测量的中心厚度基本准确，倾角大的斜面上测量厚度偏大，可以进行修正。

同时，发现提出的分析模型由于理想化的假设存在一定的局限性，修正的效果不明显。另外，实际腐蚀情况比较复杂，仍待后续的研究确定对于横波电磁超声测厚的影响。