电磁超声横波的管道剩余厚度检测研究

张 爽

（中国石油大庆石化公司热电厂，黑龙江大庆 163000）

0 引言

管道是一种常见的输送液体或气体介质的方式，在人们的生产和生活中发挥着重要作用，其完好率将直接影响生产和生活的安全与稳定。随着使用时间的增长，管道不可避免会出现腐蚀、变形、裂纹等缺陷，严重时会引起管道的泄漏，造成经济损失。如果管道输送的是易燃、易爆介质，还会引发一系列的安全问题。因此，对管道的剩余壁厚进行检测十分必要。剩余壁厚是反眏管道运行状态的重要性能指标，不仅能帮助工作人员判断管道的是否需要更换，还能避免因管道泄漏引起的安全问题。

1 电磁超声横波测厚原理

EMAT（Electro Magnetic Acoustic Transducer，电磁超声传感器）主要包含永磁体和激励线圈两部分，其中永磁体的作用是提供静态的偏置磁场、激励线圈的作用是产生一个高频涡流，在不同偏置磁场与不同涡流的组合下可以产生体波、表面波、导波等形态各异的超声波。大量研究实验表明，横波在穿透边界时所产生的变化最小，因此成为厚度测量方面的首选声波类型。

图1 是一种常见的横波发生装置，也称为电磁超声波换能器。永磁体所产生的偏置磁场垂直于物体表面，而激励线圈通电后会在偏置磁场的作用下形成洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下金属物体表面发生振动从而产生超声波（图2）。将电磁超声激励过程逆转即可得到超声波接收装置，EMAT 用于铝制管道探测时，电磁波是由洛伦兹力产生的。由于铝属于非磁性材料，因此磁力作用对探测结果的影响可以忽略不计。

图1 横波电磁超声换能器示意

图2 横波电磁超声有限元仿真模型

2 换能器优化与测试

2.1 电磁超声换能器的仿真与优化

虽然横波电磁超声在测量管道的壁厚中有很多优势，但也存在一些不足，如能量交换率低、信号较弱等。事实证明，永磁体与激励线圈参数的优化可以改善横波电磁超声测量的效果，达到管道剩余壁厚测量的需求。本文通过有限元仿真软件对电磁超声换能器进行建模，并采取正向优化的方式优化参数；适当优化激励线圈的参数可以提高信号强度，提高超声波信号的信噪比。

在此类研究中，国内学者已做出许多贡献，研究表明改变激励线圈与被测物体的距离d，可以改变超声波信号的强度，这就说明应该在满足使用需求的前提下，尽量缩短激励线圈与被测物体的距离，以获得更强的超声波信号。永磁体的体积与激励线圈的大小没有固定的配对关系，留给研究人员的调整范围较大。因此，本文将针对激励线圈的主要参数进行优化，将激励线圈大小、线圈与永磁体的距离及永磁体的体积设为常数，将激励线圈与被测物体的距离设为变化参数，将线圈匝数cn、线圈宽度ω 和线圈间距l 作为主要优化对象。

有限元分析模型如图2 所示，为提高计算效率，模型中铝制管道仅包含被探测部分，管道直径200 mm、厚度为5 mm。

横波电磁超声检测系统中，接收线圈所接收到的信号较弱，仅达到几百微伏特量级，给信号的处理造成较大困难。而且接收到的信号中包含较多的干扰信号，进一步增加了信号处理的难度。干扰信号主要包括电路噪声和其他超声波干扰两种。

为了获得较高的测量精度，不仅需要接收信号达到较高的强度，还需要接收信号具有较高的信噪比，这就需要进一步提高横波信号的准确度。仿真软件的分析结果显示，回波信号强度低，信噪比无法达到要求。为了提高回波信号的强度和信噪比，首先对信噪比参数进行优化。通过分析可知，当激励线圈的匝数减少后，超声波信号的强度会进一步下降，并且管道外形为圆形，无法完全贴合激励线圈，因此应提高超声波信号的方向性，对其进行有限元分析。

将管道壁厚中心作为基点，绘制横波传播能量曲线，当线宽和间距较大时能够获得较好的声波指向性，声波能量集中于基点附近，声波信号的信噪比较高。经过几次仿真试验，最终确定线圈的匝数为8 匝、宽度为0.6 mm、间距为1.2 mm（图3）。这时的仿真分析结果显示，声波信号主要集中在基点附近，并且获得了较好的能量密度，声波信号的传播情况良好，具有较强的可实施性。由于关闭内的超声波信号指向性和强度均满足了使用要求，声波信号主要集中于激励线圈中心处，所得到的测量结果即为基点处的管道壁厚。

图3 电磁超声激励用PCB 螺旋线线圈

2.2 横波电磁超声测厚系统测试

电磁超声信号一般将其制定为正弦信号，这种正弦信号是采用矩形调制解调得到的，可以通过添加不同的调制信号对回波峰值进行调整，也会影响回波的信噪比。这是因为采取不同调制信号时，信号函数的带宽不同，选择窄带宽激励信号时可以有效提高超声波信号的信噪比。

本次试验所使用的设备是根据仿真结果制造的自研设备——高功率电磁超声波横波检测装置（图4）。该装置主要包括激励源与换能器两部分，经过系统匹配测试后，并没有得到完美的匹配结果，实际工况下激励线圈的电压峰值为726 V、电流峰值为18.15 A、最大功率13 kW。被测试对象为一截直径200 mm、壁厚5 mm 的铝制管道，永磁体位于激励线圈之上，高功率电磁超声波横波检测装置所使用的材料、尺寸均与有限元分析软件中的设置相同。

图4 管道剩余厚度测试系统

2.3 结果分析

经过一系列的测试，高功率电磁超声波横波检测装置在铝制管道剩余壁厚的探测中取得了较好效果，探测精度达到预期，探测前无需对管道表面进行处理，对使用环境的适应性强。不过因为线圈的阻抗测量误差和电容元件的制造误差，系统存在感抗过强、大功率输出时存在信号失真的情况。当超声波信号考核后，受系统运算能力的限制，会产生约10 μs 的卡顿，使回波信号的分离和计算变得困难。此外，本次研究中测量结果的验证依赖于电子游标卡尺的精度，只能测量到0.01 mm 的精度等级，无法确定该检测装置是否能够超过这一精度等级。经多次测量与检测装置的结果比较，也存在一定的不确定性。

3 结论

本文针对当前使用的管道剩余厚度电磁超声横波检测装置存在的一些问题进行了研究，通过激励线圈的优化进一步提高了超声波信号的指向性、强度和信噪比，并通过现场试验，主要结论如下：

（1）对线圈参数进行优化后，声波信号更加集中，可以满足厚度测量的需求。通过添加不同的调制信号对回波峰值进行调整可以影响回波的信噪比，选择窄带宽激励信号时，可以有效提高超声波信号的信噪比。

（2）实际工况下激励线圈的电压峰值为726 V，电流峰值为18.15 A，最大功率13 kW。对直径200 mm、壁厚为5 mm 的铝制管道进行剩余厚度检测时，精度可以达到0.01 mm 的等级。