文 | 李展鵬1, 汪開(kāi)燦2, 許弄2

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 電子與電器可靠性研究所 2.零聲科技（蘇州）有限公司 

摘要：電磁超聲技術(shù)是-種新型的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù) ， 相比千常規(guī)的壓電超聲技術(shù)具有非接觸 、 無(wú)須耦合劑的特點(diǎn) ， 在高 溫 、 高速自動(dòng)化檢測(cè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。 本文從在線(xiàn)檢測(cè) 自動(dòng)化以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)3個(gè)方面 ， 梳理了目前國(guó)內(nèi)電磁 超聲技術(shù)的應(yīng)用情況。 

關(guān)鍵詞： 腐蝕檢測(cè)，高溫檢測(cè)，健康監(jiān)測(cè)，電磁超聲

1 引言

超聲檢測(cè)技術(shù) （UT）是-種重要的工業(yè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。 廣泛應(yīng)用于線(xiàn)材板材 管道以及壓力容器等重要工業(yè)對(duì) 象的生產(chǎn)制造 現(xiàn)場(chǎng)安裝和服役過(guò)程的質(zhì)量安全檢測(cè)當(dāng)中。 按照超聲波的產(chǎn)生方式來(lái)分類(lèi) ， 主流的超聲檢測(cè)技術(shù)主要包 括壓電超聲技術(shù) 電磁超聲技術(shù)空氣耦合技術(shù)和激光超 聲技術(shù)。 其中 ， 壓電超聲技術(shù)應(yīng)用最為廣泛 ， 可以對(duì)金屬材 料和非金屬材料進(jìn)行檢測(cè)。 目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有大噩成熟的設(shè)備 在現(xiàn)場(chǎng)中使用 ， 發(fā)揮著重要的作用。

然而 ， 壓電超聲技術(shù)通常需要液態(tài)耦合劑 需要對(duì)丁件 表面進(jìn)行打磨 ， 屬千接觸式檢測(cè)。 由千耦合劑的揮發(fā) ， 使得 壓電超聲技術(shù)難以應(yīng)用千高溫場(chǎng)景下的檢測(cè) 如 化工廠(chǎng)中 高溫管道的不停機(jī)腐蝕檢測(cè)等。此外使用過(guò)程中表面打磨 ， 涂抹耦合劑降低了檢測(cè)效率。 

電磁超聲技術(shù)腐千非接觸式測(cè)量 ， 檢測(cè)過(guò)程中無(wú)須使用 耦合劑 探頭與試件的距離可高達(dá)數(shù)毫米。 由千避免了探頭 與試件的直接接觸 ， 在高溫檢測(cè)中避免了探頭溫升導(dǎo)致的損 壞 而在自動(dòng)化檢測(cè)中則降低了探頭與工件的碰撞幾率。 此 外 隨著脈沖功率技術(shù)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展 ， 基千電 磁超聲技術(shù)的常規(guī)檢測(cè)設(shè)備也開(kāi)始涌現(xiàn) 在常溫 、 人工便攜 式檢測(cè)方面與壓電超聲設(shè)備形成競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。 特別是在高溫管 道腐蝕 裂紋檢測(cè)方面 ， 非接觸測(cè)量的特點(diǎn)使得電磁超聲設(shè)

2 電磁超聲換能器原理

電磁超聲技術(shù)的核心是電磁超聲 換能器（EI ectro magnet I c acoustic transducer, E MA T） 。EMAT通常由永磁體 、 線(xiàn)圈以 及被測(cè)試件本身構(gòu)成 ， 如圖1所示為典型的體波測(cè)厚傳感器 示意圖。 鐵磁性材料中 EMAT共有三種作用機(jī)理 洛倫茲 力機(jī)理磁化力機(jī)理和磁致伸縮機(jī)理

EMAT通過(guò)洛倫茲力機(jī)理作用的原理如匼1所示。 當(dāng) EMAT線(xiàn)圈中通以高頻交變電流時(shí) 由千電磁感應(yīng)作用 ， 金 屬試件表面會(huì)感應(yīng)出同頻渦流。 渦流在受靜磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn) 生洛倫茲力。 洛倫茲力帶動(dòng)粒子的交變振動(dòng) ， 這種振動(dòng)以波 的形式傳播即產(chǎn)生了超聲波。 由此可見(jiàn) 電磁超聲技術(shù)是- 種直接在試件表面激發(fā)超聲波的技術(shù) 試件本身就是聲源 ， 因此使用時(shí)無(wú)需耦合劑。 這一點(diǎn)與壓電超聲技術(shù)首先從探頭 中產(chǎn)生超聲波 然后通過(guò)耦合劑把聲波傳遞到試件內(nèi)部有本質(zhì)的不同。

圖1電磁超聲換能器基本原理 

EMAT接收超聲波的過(guò)程與上述過(guò)程相反。 當(dāng)超聲波發(fā) 射至試件表面時(shí) ， 由千質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)而切割磁感線(xiàn) ， 金黑表面產(chǎn) 生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ， 進(jìn)而產(chǎn)生渦流。 而渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)被 EMAT線(xiàn)圈拾獲 ， 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 完成超聲波的接收。

3 電磁超聲技術(shù)國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀 

 3 . 1 在線(xiàn)檢測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀

 超聲測(cè)厚是對(duì)二件的腐蝕檢測(cè)的常用手段 。 粗糙表面帶油漆層 高溫工件宜采用電磁超聲技術(shù)進(jìn)行腐蝕檢測(cè) 。 適用千高溫（1 oo~soo 0c） 檢測(cè)是 電磁超聲技術(shù)的- 大特色。目前國(guó)內(nèi)以哈工大北二大沈工大武漢中科中國(guó)特檢院等為代表 自主開(kāi)發(fā)的電磁超聲檢測(cè)儀器已經(jīng)具備800 °C以下金屈厚度檢測(cè)能力 ， 部分產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[2-9] 。電站鍋爐的水冷壁管 在潮濕 、 燃燒的環(huán)境下容易產(chǎn)生凹凸不平的腐蝕坑 ， 而且往往會(huì)在外表面凝結(jié)-層厚厚的垢壓電超聲通常需要打磨處理 ， 而電磁超聲具備不打磨測(cè)厚能力。石化企業(yè)壓力管道具有操作溫度高工況復(fù)雜 、 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高檢測(cè)需求多檢測(cè)周期短架空管道多管道分布密集以及介質(zhì)多樣化且具有很強(qiáng)的腐蝕性等特點(diǎn) 。 在長(zhǎng)期服役中， 山千腐蝕 沖刷減薄等管道內(nèi)部潛在的缺陷致使管道破損失效 ， 工業(yè)事故頻繁發(fā)生 ， 不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失 ， 而且對(duì)社會(huì)和環(huán)境也帶來(lái)了嚴(yán)蜇的后果 。 常規(guī)技術(shù)通常難以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)在線(xiàn)檢測(cè) 而電磁超聲傳感器能夠耐受 soo0c以下高溫 ， 解決了石油化丁管道不停機(jī)在線(xiàn)檢測(cè)難題 。

圖2電磁超聲在線(xiàn)檢測(cè)應(yīng)用· 石油管道不停機(jī)在線(xiàn)檢測(cè)、 高溫鑄管生產(chǎn)質(zhì)量檢測(cè)

3. 2 自動(dòng)化檢測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀

非接觸 無(wú)須耦合劑的特點(diǎn)使得電磁超聲技術(shù)非常適合用于自動(dòng)化檢測(cè)場(chǎng)呆 。 應(yīng)用電磁超聲技術(shù)的自動(dòng)化檢測(cè)包括 由機(jī)器人搭載EMAT的可移動(dòng)自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)， 將EMAT安裝在生產(chǎn)線(xiàn)上的固定自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái) 。早在1990年前后 ， 北京鋼鐵總院的研究工作者就已經(jīng)將電磁超聲技術(shù)應(yīng)用千鋼板和鋼棒的自動(dòng)化檢測(cè) ， 實(shí)現(xiàn)了不清除氣化皮的高速自動(dòng)化探傷 為鋼廠(chǎng)帶來(lái)了可觀(guān)的效益[10] 。 僅有少數(shù)單位具備定制化電磁超聲自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的能力。部分鋼廠(chǎng)引進(jìn)國(guó)外設(shè)備 ， 價(jià)格和維護(hù)成本極高 。

對(duì)千諸如大型儲(chǔ)罐、 核電管道等高空 高溫 、 輻射或人類(lèi)不可 達(dá)的其他作業(yè)環(huán)境 ， 移動(dòng)式檢測(cè)平臺(tái)是有效的解決方案 。 通過(guò)設(shè)計(jì)帶有磁力輪的爬行機(jī)器人 并搭載EMAT對(duì)數(shù)十米高的儲(chǔ)罐進(jìn)行檢測(cè)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn) 。 此外 在管道內(nèi)部檢測(cè)方面 ， 國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出名為 管道豬 的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備 。 該設(shè)備通過(guò)搭載漏磁探頭或EMAT 在管道內(nèi)部爬行可以對(duì)管道進(jìn)行全面的檢測(cè) 。

圖3電磁超盧自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)：某鋼廠(chǎng)電磁超聲自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng) 、 帶載EMAT的爬壁機(jī)器人

3 . 3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀

《中國(guó)無(wú)損檢測(cè)2025科技發(fā)展戰(zhàn)略重點(diǎn)〉將 基于物 聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的無(wú)損檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)行業(yè)性應(yīng)用 列為重點(diǎn) 方向該技術(shù)是指將先進(jìn)的傳感器長(zhǎng)期甚至永久性地安裝在 工件上（儲(chǔ)罐、 管道、 大型鋼結(jié)構(gòu)等）持續(xù)地獲取被測(cè)對(duì)象 的狀態(tài)信息（腐蝕厚度、 裂紋狀態(tài)等） ， 并將這些信息進(jìn)行 整合 處理出關(guān)千結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、 剩余壽命等深層次信息。

圖4結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖 

同樣地 ， 電磁超聲技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在千能夠應(yīng)用千高溫場(chǎng)景下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) ， 如 化工廠(chǎng)的高溫運(yùn)輸管道和熱變換爐 鍋爐廠(chǎng)的高溫爐等 。 南京鍋爐壓力容器 檢驗(yàn)研究院 ， 研發(fā)了-種高溫承壓設(shè)備健康系統(tǒng) 利用電磁超聲技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱 變換爐的剩余厚度以評(píng)估設(shè)備的的損傷態(tài)勢(shì) 預(yù)計(jì)剩余壽命 。 此外 ， 國(guó)內(nèi)企業(yè)研 發(fā)的高溫腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng) ， 采用電磁超聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫二件的非侵入式測(cè)蛋 ， 最高測(cè)量溫度為300°c, 單個(gè)模塊能夠持續(xù)二作3-5年 ， 系統(tǒng)接入模塊數(shù)量不受 限制 。 該系統(tǒng)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ， 檢測(cè)人員足不出戶(hù)便能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)環(huán)境 下的設(shè)備安全狀態(tài) 。

4結(jié)論與展望

電磁超聲技術(shù)在高溫 高速自動(dòng)化檢測(cè)領(lǐng)域具有足夠的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在常規(guī)在 役設(shè)備檢測(cè)上具備很大的應(yīng)用潛力 。 電磁超聲自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)和在線(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年來(lái)興起的技術(shù) 隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù) 的結(jié)合 ， 發(fā)展迅猛 。 隨看電磁超聲技術(shù) 的不斷發(fā)展 ， 必將提升我國(guó)工業(yè)檢測(cè)水 平 提高工業(yè)設(shè)備運(yùn)營(yíng)安全 。 

參考文獻(xiàn)： 

[1]王淑娟， 康磊， 翟國(guó)富。 電磁超聲換能器的研究進(jìn)展 綜述［J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2006, 5, 47-50. 

[2] 業(yè)成，文耀華，張伯君，姜君，季堯杰，雒相 .一 種高溫承壓設(shè)備健康監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì) [J].化學(xué)工程與裝 備，2020（02），176-178. 

[3] 徐科。 高溫鑄壞表面在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 [A]. 中國(guó)金屬學(xué)會(huì)。 2014年全國(guó)煉鋼-連鑄生產(chǎn)技術(shù)會(huì)論文 集[C]. 中國(guó)金屬學(xué)會(huì)：中國(guó)金屈學(xué)會(huì)， 2014,6. 

[4] 劉會(huì)，彬鄭陽(yáng)， 王鋒淮， 等。 溫度對(duì)奧氏體不銹鋼 材料電磁超聲檢測(cè)的影響研究［J]. 測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)， 2018, 32（04）， 329-334. 

[5]F. Hernandez-Valle, S. Dixon. Preliminary Tests to Design an EMAT with Pulsed Electromagnet for High Temperature[J]. Ultrasonic Flaw Detection for Technicians, 2011, 53（2）， 96-99. 

[6]Y. Iizukal, Y. Awajiya. High Sensitivity EMAT System usi頂r Chirp Pulse Compression and Its Application to Crater End Det礎(chǔ)on in Continuous Ca的咄J]. Journal of Physics, Conference Series, 2014, 1-4. 

[7]S .E. Burrows, Y. Fan, S. Dixon. H昢 temperature thickness measurements of stainless steel and low car切n steel using electromagnetic acou的C transducers[J]. NDT&E International, 2014, 68, 73-77. 

[8]K. Mar團(tuán)， C. 巨ang, M. Abbas, et al. Electromagnetic Acoustic Transducers Applied to High Temperature Plates for Potential Use in the Solar Thermal Industry[J]. Renewable Energy, 2015, 5, 1715-1734. 

[9]K. Maria, T. Gan, W. Balachandran, et al. High Temperature Shear Horizontal Electromagnetic Acoustic Transducer for Guided Wave lnspection[J]. Sensors, 2016, 16（4）， 582-598. 

[10]張廣純。電磁聲技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用 [J].無(wú)損檢 測(cè)，1990, 12（04）， 103-105+ 111.