CN113189201A - 一种基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统，属于无损检测技术领域。高频交流电传入线圈，在待测无缝钢管内感应出电流，即为通常所说的涡电流。由于集肤效应，涡电流分布于待测无缝钢管表面。待测无缝钢管中磁畴的磁化强度矢量会受外磁场影响而发生改变，磁化过程中磁畴间界限发生移动，产生机械变形，即为磁致伸缩效应。磁致伸缩力和洛仑兹力相互耦合，进而加强了声波激发。可以一次性同时检测无缝钢管横向缺陷和纵向缺陷；电磁超声换能器发射的SV波为双向发射波；检测过程中不需要耦合剂，解决了无缝钢管中斜向缺陷难以检测的问题。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统。
背景技术
无缝钢管应用于油气集输管线、海底管线以及城市油气管网，无缝钢管一般以热轧工艺制造，与焊接钢管相比，无缝钢管因管体组织与性能分布连续性好、使用可靠性高、产品钢种及壁厚适应范围大，故在安全级别要求较高、使用条件相对特殊或产品径壁比数值偏低等情形下，无缝钢管优势明显。
无缝钢管是通过穿孔法和高速挤压法得到，穿孔法是用穿孔机穿孔，同时用轧棍滚轧，最后用芯棒轧管机定径压延平整成型，高速挤压法是在挤压机中直接挤压成型，这种方法加工的无缝钢管尺寸精度高，无缝钢管中主要缺陷有裂纹、折叠、分层和夹杂等。对于厚壁大口径管也可由钢锭经锻造、轧制等工艺加工而成，锻轧管常见缺陷与锻件类似，一般为裂纹、白点、重皮等。
通常应用压电超声检测方法检测无缝钢管中的缺陷，由于无缝钢管成型特点，需要非接触、高温、快速和自动化检测，近年来广泛研究电磁超声检测也能很好解决这一问题，与常规压电晶片的超声波检测相比，电磁超声检测具有非接触检测、高温监测、容易实现自动化检测、检测速度快、检测灵敏度高等特点，该方法在无缝钢管自动检测中得到较好的应用。但是现有技术依然无法用于检测无缝钢管的斜向缺陷。因此，设计一种检测无缝钢管斜向缺陷电磁超声换能器是非常必要。
发明内容
为了克服上述现有技术中，无缝钢管斜向缺陷(纵向和横向)无法检测的缺点，本发明的目的在于提供一种基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统，无缝钢管斜向缺陷检测系统包括电磁超声换能器、声波激发单元和声波接收单元；
电磁超声换能器包括磁体和线圈，线圈位于磁体的底部或内部；
声波激发单元是基于高频交流电通入线圈后，在磁体的磁场作用下，激发出使无缝钢管表面晶格振动的声波；
声波接收单元是当声波遇到斜向缺陷沿原路反射时，用于接收原路反射的声波。
优选地，电磁超声换能器位于待测无缝钢管的表面。
优选地，声波激发单元激发出的声波为SV波。
优选地，SV波在待测无缝钢管中传播时，传播角度为32°～44°。
优选地，声波激发单元激发出的声波为双向发射波。
优选地，所述线圈为回折型线圈。
优选地，所述磁体为永磁铁或电磁铁。
优选地，磁体的形状为倒U形，倒U形磁体内的两端分别为磁体的两极；
线圈安装在倒U形磁体的开口端，且线圈的两端分别与磁体的两极连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测方法，将电磁超声换能器(EMAT)置于待测无缝钢管上，高频交流电Io传入EMAT线圈，在待测无缝钢管内感应出电流，即涡电流Je。由于集肤效应，涡电流分布于待测无缝钢管的表面。涡电流在外加磁场Bo作用下产生洛仑兹力f1，引起待测无缝钢管晶格振动而形成弹性波；此时，电磁超声换能器悬浮在待测无缝钢管的表面。接收声波原理即为上述逆过程。另外，当待测无缝钢管具有导磁性时，待测无缝钢管晶格还会受到磁致伸缩力fms作用。待测无缝钢管中磁畴的磁化强度矢量会受外磁场影响而发生改变，磁化过程中磁畴间界限发生移动，产生机械变形，即为磁致伸缩效应。磁致伸缩力和洛仑兹力相互耦合，进而加强了声波激发。SV波约以β角在无缝钢管内部传播同时产生侧面纵向波可以沿着无缝钢管的上下两个表面传播，这些波能够被表面或亚表面的缺陷反射并重新转换成SV波，可以一次性同时检测无缝钢管的纵向和横向缺陷；电磁超声换能器发射的SV波和侧面纵向波都是双向发射；检测过程中不需要耦合剂，解决了无缝钢管中斜向缺陷无法检测的问题。
进一步地，电磁超声换能器包括能够提供稳恒磁场的永久磁铁或电磁铁及用于产生高频激发磁场的金属线圈。金属线圈位于待测无缝钢管表面的稳恒磁场中，当线圈内通入交变电流时，待测无缝钢管表面根据变压器原理感应出电流，电流在磁场中受洛仑兹力的作用产生振荡应力波，形成超声波波源。
附图说明
图1为电磁超声换能器产生SV波的线圈与磁铁构造示意图；
图2为电磁超声换能器产生双向SV波与侧面纵向波传输示意图；
其中：1-磁体；2-线圈；3-凹槽；4-待测无缝钢管；5-电磁超声换能器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
一种基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统，电磁超声换能器5包括磁体1和线圈2，线圈2位于磁体1的底部或内部，如图1所示；
无缝钢管斜向缺陷检测系统包括声波激发单元和声波接收单元。
声波激发单元是基于高频交流电通入线圈1后，在磁体1的磁场作用下，激发使无缝钢管表面晶格振动的声波；
声波接收单元是当声波遇到斜向缺陷时进行反射，接收斜向缺陷处反射的声波。
实施例2
除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
如图2所示，电磁超声换能器5位于待测无缝钢管4的表面。声波激发单元激发出的声波为SV波。且激发单元发射出的声波均为双向波。
实施例3
除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
所述线圈2为回折型线圈。所述磁体1为永磁铁或电磁铁。磁体1的形状为倒U形，底部开设有凹槽3，倒U形磁体1内的两端(即凹槽3的两端)分别为磁体1的两极；线圈2安装在倒U形磁体1的开口端，且线圈2的两端分别与磁体1的两极连接。
本发明的基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统的工作原理为：
在无缝钢管中SV波(无缝钢管中质点振动方向与板面垂直横波)传播角度β与超声波长、线圈间距和线径等相关，一次波角度大约控制在32°～44°的范围内，如图2所示，可以检测出内部缺陷的A点和B点之间区域以及A’点和B’点之间区域为30mm～40mm(6dB区域)。应用电磁超声检测技术可以非常方便的保持β角不变，而不需要考虑换能器倾斜角或者无缝钢管几何形状的变化。相反，一般压电超声换能器就不能实现这种功能，因为压电超声波波束一些微倾斜或者无缝钢管形状的变化(这些变化在实际中无法避免)其倾斜角度就有较大变化。
这种电磁超声换能器可以检测无缝钢管中斜向缺陷，也可以提高检测中的可靠性。电磁超声换能器发射的SV波可以有效地检测无缝钢管内部缺陷且电磁超声换能器发射均为双向发射。本发明系统解决了无缝钢管斜向缺陷(纵向和横向)的非接触、高温、快速和自动化检测问题。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统，其特征在于，无缝钢管斜向缺陷检测系统包括电磁超声换能器、声波激发单元和声波接收单元；
电磁超声换能器包括磁体(1)和线圈(2)，线圈(2)位于磁体(1)的底部或内部；
声波激发单元是基于高频交流电通入线圈(1)后，在磁体(1)的磁场作用下，激发出使无缝钢管表面晶格振动的声波；
声波接收单元是当声波遇到斜向缺陷沿原路反射时，用于接收原路反射的声波。
2.根据权利要求1所述的基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统，其特征在于，电磁超声换能器位于待测无缝钢管的表面。
3.根据权利要求1所述的基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统，其特征在于，声波激发单元激发出的声波为SV波。
4.根据权利要求3所述的基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统，其特征在于，SV波在待测无缝钢管中传播时，传播角度为32°～44°。
5.根据权利要求1所述的基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统，其特征在于，声波激发单元激发出的声波为双向发射波。
6.根据权利要求1所述的基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统，其特征在于，所述线圈(2)为回折型线圈。
7.根据权利要求1所述的基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统，其特征在于，所述磁体(1)为永磁铁或电磁铁。
8.根据权利要求1所述的基于电磁超声换能器的无缝钢管斜向缺陷检测系统，其特征在于，磁体(1)的形状为倒U形，倒U形磁体(1)内的两端分别为磁体(1)的两极；
线圈(2)安装在倒U形磁体的开口端，且线圈(2)的两端分别与磁体(1)的两极连接。
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