黄贤滨，赵扬，巨阳，宋江峰，陈建伟，郭锐，南钢洋，王启武

(1．中石化青岛安全工程研究院，山东 青岛 266000；2．齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院激光研究所无损检测平台，山东 济南 250103；3.名古屋大学机械学院，日本 名古屋 4648603)

管道在石油炼化厂区油气输运过程中发挥着巨大的作用，长时间高压、高速流动的石油和天然气携带的杂质会对管道产生冲刷腐蚀，造成管道内壁减薄[1-3]。目前，随着能源工业的迅猛增长，对服役于炼化厂区的管道质量及安全提出了更高的要求。因此，如果能够以无损检测的方式，提供一种有效的管道壁厚实时检测技术，对于确保管道的安全服役具有重要意义。当前已经应用于管道厚度的检测技术主要有超声波测厚法、电阻法和电化学阻抗谱等，这些方法有各自的优势和局限性[4-6]。电磁超声(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)技术因具有无需声耦合剂以及不受被检材料表面粗糙度限制等优点，结合数据高速采集和无线传输技术，正成为石化设备在线检测的热门技术方法。

国外电磁超声技术工业已进入应用阶段，如德国Nordiinkraft公司的EMAT设备的测厚分辨率为0.01 mm，可实现720 ℃的高温金属管道测量[7]。国内对电磁超声的研究起步较晚，段伟亮等[8]结合FPGA和SOPC技术研制了分辨率可达 0.1 mm的电磁超声测厚仪。杨理践等[9]研究了测厚信号幅度与各参数之间的关系，通过设置匹配的参数，结合小波函数，获得了高精度的电磁超声测厚信号，测量精度达到了0.06 mm。但是，当电磁超声检测系统应用于炼化厂区等特殊环境时，需要满足国家防爆标准，其中最为关键的技术问题是确保电磁超声传感器能够在较高的提离距离下工作，以满足传感器外壳的防爆设计要求。目前，采用单脉冲电磁超声回波检测技术，其提离距离大于3 mm时，信噪比已无法满足检测要求[10-11]。本文针对这一技术难题，通过磁铁聚焦和线圈优化设计，研制了一套无线传输且最大提离距离为6 mm的电磁超声检测系统。

1 理论方法

图1 EMAT超声横波检测原理示意图Fig.1 Schematic illustration of EMAT ultrasonic transverse wavetesting principle

电磁超声激励横波效率高于纵波，且横波波速约为纵波波速的一半，因此利用横波可以检测厚度较薄的材料。本文设计了自发自收垂直入射式的电磁超声横波系统检测材料厚度，EMAT超声横波检测原理如图1所示。

图1线圈中通以交变电流I，磁感应强度B满足：

(1)

其中，μ是介质的磁导率

(2)

在导电体表面上空有交变磁场H。由于趋肤效应，透入导电体内磁场会呈指数衰减，因此只会在导体表面产生电涡流，其密度为：

J(z,t)=×H(z,t)。

(3)

图2 电磁超声横波检测系统Fig.2 Electromagnetic ultrasonic transverse wave detection system

本文采用的是蝶形线圈设计，产生的涡流密度方向平行于导体表面，因此在垂直向下的静磁场作用下，会受到洛伦兹力的作用。

F(z,t)=J(z,t)×(B0+B)，

(4)

其中，B0为静磁场磁感应强度。其中电子通过与晶格碰撞使导体表面受力，成为超声波的声源。根据矢量定理，电子受到的洛伦兹力方向平行于导体表面。在平行于磁场方向上的超声波，传播方向和质点振动方向垂直，因此所产生的超声波为横波。

2 检测系统

本文所设计的电磁超声检测系统见图2。EMAT激励接收电路激励EMAT传感器在被测试样中产生超声波，超声回波再被EMAT传感器接收，经数据采集板卡进行模数转换和简单数据处理后，通过有线或无线网络发送给上位机。上位机接收采样数据并运行测厚算法，显示采样数据和厚度数据，并可以进行声速标定和数据保存等操作。

对于电磁超声传感器，本文采用钕铁硼 (NdFeB)永磁铁来提供外加磁场，为确保检测区域的灵敏度，采用聚焦式组合磁铁结构。图3中给出了聚焦式与普通式磁铁结构磁场强度的有限元模拟结果，对比发现聚焦式磁铁可以将磁场强度集中于检测区域，这种设计有利于提高检测信号的信噪比。

在检测线圈设计方面，采用蝶形线圈的设计方式(图4)，这种设计的优点是可以自消除线圈回路中产生的电噪声，然后利用PCB技术制备所设计的带有覆铜屏蔽层的横波电磁超声检测线圈，这些设计均有利于提高检测信号的信噪比。

图4 蝶形电磁超声检测线圈示意图Fig.4 Schematic diagram of butterfly electromagnetic ultrasonic testing coil

3 实验结果

利用该系统首先在提离距离依次为1 mm～6 mm范围进行CB-I型标准试块标称22 mm厚度区进行检测，检测波形如图5所示，从波形上可以清楚地发现，在提离距离增大至6 mm时，仍能有效地检测出材料厚度，且检测精度小于0.05 mm，能够满足炼化厂区的管道厚度检测需求，从实验上首次证明了高提离距离下(≥5 mm)横波实时检测金属材料厚度的可能性。

然后，用该系统首先在提离距离依次为3 mm～6 mm范围，对厚度为12.16 mm的炼化所用管道进行检测，检测波形如图6所示，检测结果为12.18 mm，检测精度小于0.05 mm。

图5 不同提离距离下CB-I型标准试块厚度的电磁超声检测结果Fig.5 Electromagnetic ultrasonic testing results of CB-I type standard test blocks thickness at different lift off distances

图6 不同提离距离下管道厚度的电磁超声检测结果Fig.6 Electromagnetic ultrasonic testing results of pipe thickness at different lift off distances

4 结语

电磁超声检测技术以其无接触性和较强的环境适应性在无损检测领域显示出强大生命力，特别是用于金属材料厚度的检测。本文通过磁铁的聚焦设计和线圈的优化设计，研制了具有高提离距离的电磁超声检测系统。通过系统的实验证明了高提离距离下(≥5 mm)横波实时检测金属材料厚度的可能性，当提离距离增大至6 mm时，厚度检测精度小于0.05 mm，该条件能够满足炼化厂区的管道厚度检测需求。本文的研究结果为电磁超声检测技术通过防爆设计和认证提供了可能，有望应用于炼化厂区管道壁厚在线检测。

参考文献：

[1]XU Y Z,HUANG Y,WANG X N,et al.Experimental study on pipeline internal corrosion based on a new kind of electrical resistance sensor [J].Sensors and Actuators B-Chemical,2014,224:37-47.

[2]HUANG Y,YNUZE X,WANG X,et al.Study of the pipeline inner corrosion monitoring technique based on ring pair electrical resistance sensor [J].Journal of Mechanical Engineering,2015,51(24): 15-22.

[3]HUANG Y,XU Y,LI B,et al.Novel electrical resistance method to measure underdeposit corrosion and its inhibition in pipeline steels [J].British Corrosion Journal,2016,51(3): 211-222.

[4]王文杰,邱于兵,金名惠.X70钢在库尔勒土壤中腐蚀初期的电化学阻抗谱特征 [J].材料保护,2007,40(12):18-21.

[5]钱宏亮,黄新超,郭振东,等.在用工业管道壁厚超声检测技术 [J].新型工业化，2016,6(12):53-58.

[6]钱宏亮,王艳斌,闫重强,等.基于电磁超声的金属管道腐蚀检测仪的研制 [J].无损检测,2015,35(6):24-32.

[7]孙峥,李永虔,杨金旭,等.管道内检测电磁超声在线测厚装置[J].中国测试,2017,43(2):69-72.

[8]段伟亮，康磊，张晓辉，等．基于FPGA的电磁超声测厚仪 [J]．仪表技术与传感器，2010(4)：14-16．

[9]杨理践，臧慧，高松巍.电磁超声换能器在金属板厚度检测中的优化 [J].沈阳工业大学学报,2013,35(5):535-540.

[10]PETCHER P A,POTTER M D G,DIXON S.A new electromagnetic acoustic transducer (EMAT) design for operation on rail[J].NDT & E International,2014,65(3):1-7.

[11]CONG M,WU X,QIAN C.A longitudinal mode electromagnetic acoustic transducer (EMAT) based on a permanent magnet chain for pipe inspection[J].Sensors,2016,16(5): 740.