基于電磁超聲橫波的管道剩余厚度檢測

徐立軍 劉福祿 丁一清 李正勇 謝躍東

(1. 北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院, 北京 100083; 2. 北京航空航天大學 沈元學院, 北京 100083;3. 上海航天動力技術研究所, 上海 200000)

管道作為石油、天然氣、燃氣等液體和氣體的主要輸送方式,在人們的日常生活和工業生產中承載著關鍵性工作,其服役狀態直接影響著能源運輸和生產生活的安全、穩定。 隨著服役時間的增加,在役管道不可避免地會出現裂紋、腐蝕等缺陷,嚴重的缺陷會直接導致管道泄露等事故,進而造成重大的經濟損失。 管道剩余壁厚的及時檢測可以避免因腐蝕造成管道泄漏事故,同時管道剩余壁厚是管道可靠性的重要指標之一。

在實際的管道檢測過程中,管道的腐蝕多發生在外表面,且具有腐蝕殘留、工作環境惡劣等特點。 電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)具有非接觸、無需耦合劑、對被檢測表面光潔度無嚴格要求并能夠產生多種聲波模態等特性,適合用于管道剩余壁厚的在線檢測。電磁超聲相較于壓電超聲測厚具有更好的環境適用性,無需對被測管道進行表面清潔處理,避免因高低溫等惡劣情況造成耦合劑失效導致壓電超聲無法使用,同時電磁超聲移動更加靈活。 EMAT測厚是利用洛倫茲力機制、磁致伸縮機制和磁化力機制在被檢測對象內部激發并接收超聲波信號,根據聲波波速和傳播時間計算出被檢測部件的厚度。 電磁超聲系統中換能器線圈和磁鐵的形狀、大小與位置設置靈活,可以激發多種類型的超聲波,但由于在金屬管道中橫波的波速約為縱波的一半,且波模態穩定,成為最適合作為回波法測量剩余厚度的聲波類型。 利用電磁超聲測厚,國內外研究人員開展了很多研究工作。 Asano 和Yoshida[1]應用電磁超聲共振技術,設計了一種測量鋼板表面氧化膜厚度的電磁超聲換能器;Hobbis和Aruleswaran[2]使用英國華威大學開發的寬帶EMAT 系統對厚度范圍在0.28 ～2.8 mm 之間的鋁合金樣品進行了靜態測量,實驗的標準偏差小于等于0. 08 μm;Parra-Raad 等[3]設計了一款新型EMAT 結構,通過2 個彼此正交的線圈在金屬材料中激發出2 個正交極化的剪切波,這使EMAT 同時進行厚度測量和裂紋檢測成為了可能。 國內許多高校均開展了電磁超聲測厚方面的研究,哈爾濱工程大學的王相豪[4]研制了快速精確測量的EMAT 測厚系統,實現了對標準鋼塊的厚度測量,測量精度為0.5 mm;浙江大學的唐志峰等[5]設計了一款具有定點超聲測厚功能的復合式電磁超聲設備,實現了鋼管測厚誤差小于0.1 mm;哈爾濱工業大學的孫崢等[6]研制了一種用于管道內檢測的EMAT 在線測厚裝置,實現了8 ～35 mm 范圍內的在役管道厚度測量。 目前,針對管道電磁超聲測厚裝置和聲波在管道壁內聲束輻射的研究較少。

本文主要研究基于電磁超聲橫波模態的管道壁厚測量方法及其換能器激勵線圈優化設計,并利用自研的電磁超聲系統實現了對鋁制管道剩余厚度的精確測量。 利用有限元模擬仿真的方法分析了螺旋線圈參數對橫波在鋁制管道傳播的影響,以回波信號信噪比為主要參考因素制作電磁超聲換能器。 根據管道壁內橫波聲束輻射指向性驗證了系統可行性,實現了鋁制管道剩余壁厚誤差小于0.2%的精確測量。

1 電磁超聲橫波測厚原理

EMAT 一般由永磁體和激勵線圈組成。 永磁體提供偏置磁場,激勵線圈搭載高頻電流從而在試件表面激發高頻渦流場。 通過不同方向的偏置磁場和不同形狀的線圈組合,能夠產生體波、表面波、導波等不同類型的聲波[7]。 在試件厚度測量過程中,橫波在結構件邊界處不存在模式轉換且波速較慢,因此成為廣泛采用的聲波類型。 典型的橫波電磁超聲換能器如圖1 所示,橫波電磁超聲換能器由永磁體和螺旋形激勵線圈組成。 永磁體產生方向垂直于試件表面的偏置磁場,流過螺旋形激勵線圈的高頻電流在試件表面感應出渦流場,在垂直偏置磁場作用下產生洛倫茲力,使得試件表面晶粒形變帶動相鄰質點振動成為超聲波波源。 電磁超聲的接收過程是電磁超聲激勵的逆過程。 對于非鐵磁性的鋁制材料,在垂直偏置磁場作用下的橫波電磁超聲主要是由洛倫茲力產生的,磁致伸縮力和磁性力可以忽略不計[8]。

圖1 典型的橫波電磁超聲換能器示意圖Fig.1 Schematic diagram of a typical shear wave electromagnetic acoustic transducer

電磁超聲的換能過程涉及到靜態磁場、脈沖渦流場和固體力學場等多種物理場的耦合。 永磁體產生的偏置磁場為靜態磁場,沒有電流的產生,即J=0,為

式中:EE為渦流的電場強度。

同時,激勵線圈中高頻電流在試件表面感應出渦流密度JE為

式中:σm為被測試件的電導率。

在偏置磁場和激勵線圈作用下,被測試件中產生的洛倫茲力FL為

在非鐵磁性的鋁材料中,洛倫茲力FL是由靜態磁場B和被測試件內部渦流感生的交變磁場Bj,m共同作用產生的。 電磁超聲接收過程是其產生的逆過程:聲波在傳播過程中遇到聲阻抗不同的地方會發生反射,當聲波經過反射再次回到試件上表面時,試件中帶電粒子的運動在外部靜磁場作用下會形成動態電流[9]。 回波渦流密度為

式中:J′E為試件中渦流密度;ν為與磁場B相互作用的粒子速度。

動態電流在導體周圍產生交變磁場,該磁場被換能器中螺旋線圈接收,產生電壓回波信號。橫波電磁超聲通過測量超聲始波和回波或2 次回波之間的時間差確定試件的厚度。 回波傳播路程為試件厚度的2 倍,因此試件厚度h為

式中:νm為試件中聲速;Δt為回波時間間隔。

2 換能器優化與測試

2.1 電磁超聲換能器的仿真與優化

橫波電磁超聲測量管道剩余壁厚雖然具有精度高、非接觸、不易受測試環境影響等優點,但是其能量交換效率低下、接收信號微弱[10-11]等缺點不能忽視。 通過對超聲換能器參數優化可以在一定程度上改善電磁超聲測量的不足,使之滿足剩余厚度測量系統的檢測要求。 利用有限元仿真軟件對測量系統進行建模并利用正交化試驗思想優化仿真參數設計。 對換能器激勵線圈參數進行優化可以提高系統性能,提高橫波回波電壓信號的峰峰值和信噪比。 超聲換能器參數優化中,國內外的許多學者已經進行了廣泛的研究得到改變線圈提離距離d對回波信號幅值的影響,即在系統可制作范圍內,應盡量減小線圈提離距離[12-13];同時,換能器中永磁體的尺寸與線圈的尺寸不存在嚴格固定比例關系,可以根據線圈做調整[9,14]。因此,本文系統換能器優化過程中充分考慮工藝情況和應用場景,將線圈參數中的提離距離、永磁體尺寸和永磁體與線圈的間距設為固定值,不予討論研究。 對于線圈中的其他參數,如線圈匝數(cn)、線圈寬度(ω)和線圈間距(l)作為主要的優化參數。

根據現實參照和使用環境,將EMAT 優化參數設置如表1 所示。 其他參數根據實際制作情況分別設置:線圈提離高度為0.112 5 mm(PCB 印刷電路中阻焊層厚度為0.012 5 mm,絕緣膠帶厚度為0.1 mm);線圈厚度采用1 盎司銅箔的PCB印刷電路標準為0.035 mm(1 盎司=28.350 g);線圈與永磁體的距離為0.9 mm(PCB 印刷電路板材厚度為0.8 mm,絕緣膠帶厚度為0.1 mm);永磁體采用半徑為20 mm、高為20 mm 的圓柱形磁鐵,材料為NdFeB(N54)。

表1 電磁超聲換能器參數優化范圍Table 1 Electromagnetic acoustic tranolucer parameter optimization range

有限元仿真的幾何模型如圖2 所示。 為節省計算資源,將完整鋁制管道截取90°,即周向四分之一管道作為檢測剩余厚度的模型,管道外直徑為200 mm,厚度為5 mm。

圖2 橫波電磁超聲有限元仿真模型Fig.2 Shear wave electromagnetic acoustic finite element simulation model

根據需要優化的換能器參數設計了一個正交陣列(L9(34)),如表2 所示,利用有限元仿真軟件對正交測試陣列進行仿真,并記錄仿真中回波電壓信號中的峰峰值和信噪比。 為了表征離散化的程度并評估各個因子對測試結果的影響程度,需要對正交試驗的結果進行極差分析,其計算的過程為[15]

表2 橫波電磁超聲換能器參數正交測試陣列Table 2 Shear wave electromagnetic acoustic transducer parameter orthogonal test array

式中:yxi為含有參數因子x的第i次測試結果,x因子為需要優化的參數;m為參數因子x在水平N的測試次數,N=1,2,3;n為測試總數;KxN為該水平下參數因子x試驗結果的平均水平;Rx為參數因子x對實驗結果的影響程度。

根據有限元法仿真結果得到平均值KxN和影響程度Rx的結果,如表3 所示。 可得到,對于回波電壓信號的峰峰值有Rcn＞Rl＞Rω,而對于信噪比存在Rω＞Rcn≈Rl。 隨著線圈匝數的增加回波信號峰峰值逐漸減小,信噪比下降;線圈寬度對峰峰值的影響可以忽略,但信噪比隨其增加而增加;線圈間距與線圈匝數對回波峰峰值及信噪比的影響情況相同。

表3 正交試驗結果分析Table 3 Analysis of orthogonal experiment results

回波式橫波電磁超聲測厚系統中,螺旋形線圈接收到的回波電壓仿真結果如圖3 所示,電壓信號微弱,通常為幾十至幾百微伏量級,對于檢測系統的接收是困難的。 同時,在回波電壓信號中通常夾雜著反射縱波和其他波模態的干擾及電路噪聲的影響。

圖3 橫波電磁超聲回波電壓信號Fig.3 Shear wave electromagnetic acoustic echo voltage signal

測量系統要求回波電壓信號不僅具有較高的幅值還應有足夠的信噪比來提高接收系統中反射橫波電壓信號的時間準確性。 在仿真中可以看到回波電壓信號幅值較小,信噪比較低,為保證接收處理系統對回波信號的時間處理精度,優先保證信噪比參數。 同時考慮到較少的線圈匝數會激勵出較少的渦流,造成電磁超聲信號能量微弱影響檢測性能。 在此基礎上考慮到被測管道為圓形與PCB 印刷電路板上的線圈不能完全貼合,針對此情況對超聲傳播過程中的聲束指向性進行仿真,結果如圖4 所示。

圖4 橫波在管道壁中聲束輻射圖Fig.4 Schematic of beam radiation of shear wave in pipe wall

以管道壁厚截面的中心弧線為參考,將橫波傳播中參考線處聲波能量做曲線,如圖5 所示。當線寬較寬、線間距較大時雖然聲波能量較小,但聲波指向性更好、發散角小,能量更多集中在激勵線圈的中心路徑上,得到的回波電壓信號信噪比更高。 經過以上仿真分析,最終決定使用線圈匝數為8,寬度為0.6 mm,間距為1.2 mm 的PCB 印刷電路板線圈,并對其進行了相應制作,如圖6 所示。 通過有限元仿真看到使用的激勵線圈所產生的橫波在管道內傳播路徑主要集中在中心位置,在其反射的過程中能量較為集中,與平板中傳播情況基本相同,可忽略管道弧形對測量產生的影響,證實方案的可行性。 由管壁超聲的傳播路徑和指向性可以得到,該傳感器的管壁剩余厚度測量區域為傳感器中心區域覆蓋處的管道厚度。

圖5 橫波在管道壁中聲波指向性圖Fig.5 Energy distribution of shear wave in acoustic directivity of pipe wall

圖6 電磁超聲激勵用PCB 螺旋線線圈Fig.6 Spiral PCB coil for electromagnetic acoustic excitation

2.2 橫波電磁超聲測厚系統測試

橫波電磁超聲激勵信號一般采用具有一定占空比的正弦脈沖信號,從信號處理角度來說,其實質是加了零次冪的矩形窗的正弦調制信號。 添加不同窗函數調制下的激勵信號會對回波電壓信號的峰峰值和信噪比產生顯著影響。 因為不同的調制窗函數會有不同的帶寬,所以應盡量選擇窄帶脈沖激勵以實現最大化信噪比[16]。 測試系統采用的是與有限元仿真一樣的帶有海明窗調制的脈沖激勵正弦電流信號為

式中:信號頻率f為3.5 MHz;脈沖周期數n為5。換能器中線圈激勵信號如圖7 所示。

圖7 電磁超聲脈沖激勵信號Fig.7 Electromagnetic acoustic pulse excitation signal

試驗測試系統采用自研的高功率脈沖激勵源和接收器,如圖8 所示,大功率激勵源與換能器中激勵線圈經過阻抗匹配之后相連接,由于匹配不完美問題,實際測量中激勵線圈端激勵電壓峰峰值為726 V,流經線圈的電流峰峰值為18.15 A,峰峰功率為13 kW。 將換能器放置在外徑為200 mm、壁厚為5 mm 的鋁制管道外表面,將永磁體放置在激勵和接收線圈之上,永磁體尺寸、材料及牌號與仿真設置完全一致。 換能器中,將與激勵線圈相同規格的接收線圈放置在激勵線圈上方,經過阻抗匹配之后與接收端電路相連接,經過限幅、濾波、60 dB 的放大和數據處理之后得到回波信號如圖9 所示。

圖8 管道剩余厚度測試系統Fig.8 Pipeline residual thickness test system

在處理完成后的回波電壓信號(見圖9)可以明顯看到管道剩余厚度的2 次回波電壓信號,根據2 次回波電壓的時間間隔可以計算所測量的管道剩余厚度。 鋁材質中的橫波傳播速度[17]為

圖9 橫波電磁超聲實際回波電壓信號Fig.9 Actual echo voltage signal of shear wave electromagnetic acoustic

式中:G為鋁材質的剪切模量;ρ為鋁材質密度;E為鋁材質彈性模量;ν為鋁材質泊松比。 對于鋁材質而言,E=7.0 ×1010Pa,ρ=2 700 kg/m3,μ=0.33,故有νs=3.122 ×103m/s。

根據多次測量數據平均可得到2 次回波之間的時間間隔為3.24 μs,根據計算得出的橫波聲速可得到管道剩余厚度為5.057 mm,這與用電子游標卡尺多次測量得到的厚度5. 05 mm 誤差為0.007 mm。 同時對標稱外直徑為200 mm,壁厚為10 mm 的鋁制管道進行同樣操作的壁厚檢測,得到2 次回波之間的平均時間間隔為6.49 μs,計算管道壁厚為10.131 mm,與用電子游標卡尺多次測量的厚度10.12 mm 誤差為0.011 mm。

2.3 結果分析

在測試系統中,由于線圈復阻抗測量誤差、阻抗匹配計算的數據截斷和匹配感容器件的制造誤差造成了阻抗匹配后的阻抗還存在感抗,進而引起大功率激勵源輸出信號的拖尾現象。 同時,超聲激勵時接收電路會進入飽和狀態,受限于系統中運算放大器的過載恢復時間限制,會造成激勵過后存在約10 μs 恢復時間。 在此時間內的回波信號淹沒在飽和輸出中,難以通過數據處理的手段分離和計算。

由于電子游標卡尺的測量分辨率限制,因此在多次測量后只能精確到0.01 mm,在與橫波電磁超聲測量的厚度進行誤差比較時,存在數據的不準確性。

3 結 論

本文根據管道剩余厚度檢測的應用需求,設計了基于電磁超聲橫波的管道剩余厚度檢測系統,主要結論如下:

1) 針對測量對象將系統中換能器線圈參數進行優化,并仿真橫波在管壁中聲束輻射指向性驗證了換能器受弧形管壁影響較小,滿足厚度測量的可行性。

2) 針對換能器線圈匝數和線圈寬度分別為回波信號峰峰值和信噪比的最大影響因子,設計了滿足系統檢測需求的換能器并利用自研電磁超聲系統實現了誤差小于0.2%的高精度管道剩余壁厚測量。