CN117233263A - 用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置 - Google Patents

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周进节
胡洋
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Abstract

本发明涉及超声无损检测技术领域，具体为用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置，其为了解决现有的单个阵元传感器和环形阵列传感器均无法对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测的问题，故提供了一种新的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置，包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈以及压于跑道型线圈上部的两组阵列永磁体，每组阵列永磁体均包括多个并排布置的磁块，三个跑道型线圈呈一字型并排布置且互连，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块的磁极均交替布置。本发明中的传感器能对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测。

Description

用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置
技术领域
本发明涉及超声无损检测技术领域，特别涉及电磁超声传感器技术领域，具体为用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置。
背景技术
管道运输在石油、化工、电力等行业的发展及运营过程中起着重要的作用。在铺设厂区管道时，为便于运输且节省空间，需利用支撑支架将管道架设在一定高度的位置，同时，为防止流体对管道造成的冲击与振动，并预防管道下垂或倒塌，增强管道系统运输的稳定性、可靠性，在役管道需每隔一定距离设置支撑支架，并将支撑支架与管道外壁焊接在一起。在生产运营时，因流体冲刷、介质腐蚀、内部高压等原因，管道的被支撑支架遮挡住的区域极易出现腐蚀、穿孔、开裂等缺陷，为避免管道上的缺陷对工业生产、社会安全造成危害，需对管道进行定期检测维护。
电磁超声传感器由于具有非接触、无需打磨、易于激发多种振动模式的优点而被广泛应用于金属管道检测中。现有的单个阵元传感器激励出的导波能量较弱，无法对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测。现有的由多个阵元传感器组成的环形阵列传感器激励出的导波能量沿管道周向均布，导致声束角极大（可达360°）、能量分散、信号幅值小，经过支撑支架后其信号幅值又被减弱，造成有用信号不明显，易被当成杂波处理，从而引起检测结果的误判；其次，环形阵列传感器只能判断出缺陷的轴向位置，而无法确定缺陷的周向位置，导致缺陷定位不准；同时，由于工厂设备排布密集，管道周围可能会被其它管道或阀门遮挡住，导致无法安装环形阵列传感器；另外，环形阵列传感器需要较多个阵元传感器，导致制造成本偏高，故目前也暂无合适的技术能对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测。
发明内容
本发明为了解决现有的单个阵元传感器和环形阵列传感器均无法对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测的问题，故提供了一种新的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：
用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈以及压于跑道型线圈上部且与跑道型线圈相适配的两组阵列永磁体，两组阵列永磁体沿跑道型线圈的横向方向并排布置，每组阵列永磁体均包括多个沿跑道型线圈的纵向方向并排布置的磁块，三个跑道型线圈沿跑道型线圈的横向方向呈一字型并排布置且互连后构成T模态导波发射线圈，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块的磁极均交替布置。
原理说明：三个阵元传感器的每个阵元传感器中的阵列永磁体的磁感线均沿着y方向形成静态磁场，阵列永磁体的磁场在上下方向中交替存在，将电流通入阵列永磁体下的跑道型线圈，跑道型线圈周围会产生z方向的动态磁场，管道由于受到动态磁场的影响，在靠近跑道型线圈处的管道集肤深度内会产生涡流，跑道型线圈两边的涡流方向相反，管道在静态磁场、动态磁场与涡流的共同影响下，便会在圆周方向形成方向一致的洛伦兹力FL，在洛伦兹力FL的作用下，沿管道的圆周方向上的每个横截面都保持不变，并围绕管道圆心旋转，而沿管道轴线方向的位移为零，以这种方式传播的模态称为扭转模态，即T模态。本发明采用的三个阵元传感器的洛伦兹力FL干涉叠加，产生更强的导波能量，同时三个阵元传感器依旧保持了较窄的声束角度，相较于单个阵元传感器约18°的声束角，三个阵元传感器仅增大了2°，使得激励的导波能量主要集中在三个阵元传感器的中心轴线位置，激励的信号幅值增大了两倍，极大地提高了激发能量。
用于管道轴向检测缺陷的装置，包括两个窄声束电磁超声传感器、上位机、电磁超声检测仪，两个窄声束电磁超声传感器分别为窄声束电磁超声激励传感器、窄声束电磁超声接收传感器，窄声束电磁超声激励传感器、窄声束电磁超声接收传感器均包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈以及压于跑道型线圈上部且与跑道型线圈相适配的两组阵列永磁体，两组阵列永磁体沿跑道型线圈的横向方向并排布置，每组阵列永磁体均包括多个沿跑道型线圈的纵向方向并排布置的磁块，三个跑道型线圈沿跑道型线圈的横向方向呈一字型并排布置且互连后构成T模态导波发射线圈，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块的磁极均交替布置，窄声束电磁超声激励传感器与窄声束电磁超声接收传感器在使用时沿跑道型线圈的纵向方向呈一字型布置，窄声束电磁超声激励传感器与电磁超声检测仪的激励端口连接，窄声束电磁超声接收传感器与电磁超声检测仪的接收端口连接，电磁超声检测仪的通讯端口与上位机连接，上位机用于给电磁超声检测仪发送命令信号（命令信号为激发频率、激发周期、激发电压、接收增益等参数）以及接收、存储电磁超声检测仪发送的数字信号并将该数字信号转化为时域信号图。
使用时，将窄声束电磁超声激励传感器与窄声束电磁超声接收传感器呈一字型吸附于管道外壁的某一位置且其跑道型线圈的纵向方向与管道轴向的布置方向一致。检测时，电磁超声检测仪激发窄声束电磁超声激励传感器，在管道中产生T模态超声导波，然后窄声束电磁超声接收传感器再接收检测回波，经电磁超声检测仪进行放大、滤波处理后离散化为数字信号，再将该数字信号传输至上位机，上位机将该数字信号转化为时域信号图，通过时域信号图来判断轴向检测的缺陷信息，当对该位置对应的轴向缺陷检测完成后，再同时转动窄声束电磁超声激励传感器、窄声束电磁超声接收传感器至另一位置，对该位置对应的轴向缺陷进行检测，直至完成对管道的包括被支撑支架遮挡的所有缺陷的轴向检测。该种检测方法能相对准确地快速判断出管道缺陷的周向及轴向位置。
本发明所产生的有益效果如下：采用本发明中的窄声束电磁超声传感器进行管道轴向检测，保持了较窄的声束角度，激励的导波能量主要集中在传感器的中心轴线位置，使得激励的信号幅值相对于单阵元传感器增大了两倍，可对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测；同时，该传感器适用场合广，即使管道周围被其它管道或阀门遮挡住，该传感器仍可对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测；其次，该传感器的制造成本相比环形阵列传感器的制造成本要低；另外，该传感器能快速且准确地判断出管道缺陷的轴向及周向位置。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，表示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中所述的窄声束电磁超声传感器；
图2为本发明中所述的窄声束电磁超声传感器的激励原理；
图3为本发明中所述的窄声束电磁超声传感器的使用结构示意图；
图4为单个阵元传感器的声场能量分布规律图；
图5为二个阵元传感器的声场能量分布规律图；
图6为本发明中所述的窄声束电磁超声传感器的声场能量分布规律图；
图7为四个阵元传感器的声场能量分布规律图；
图8为五个阵元传感器的声场能量分布规律图；
图9为六个阵元传感器的声场能量分布规律图；
图10为本发明中所述的窄声束电磁超声传感器检测的时域信号图。图中：1-管道，2-窄声束电磁超声激励传感器，3—窄声束电磁超声接收传感器，4—支撑支架，5—缺陷，6—上壳体，7—下壳体，8—跑道型线圈，9—磁块，10—压条，11—总接线端口，1101—直达波，1102—焊缝回波，1103—支撑回波，1104—缺陷回波。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
如图1所示，用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈8以及压于跑道型线圈8上部且与跑道型线圈8相适配的两组阵列永磁体，两组阵列永磁体沿跑道型线圈8的横向方向并排布置，每组阵列永磁体均包括多个沿跑道型线圈8的纵向方向并排布置的磁块9，三个跑道型线圈8沿跑道型线圈8的横向方向呈一字型并排布置且互连后构成T模态导波发射线圈，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块9的磁极均交替布置。
如图2所示，三个阵元传感器的每个阵元传感器中的阵列永磁体的磁感线均沿着y方向形成静态磁场，阵列永磁体的磁场在上下方向中交替存在，将电流通入阵列永磁体下的跑道型线圈8，跑道型线圈8周围会产生z方向的动态磁场，管道1由于受到动态磁场的影响，在靠近跑道型线圈8处的管道1集肤深度内会产生涡流，跑道型线圈8两边的涡流方向相反，管道1在静态磁场、动态磁场与涡流的共同影响下，便会在圆周方向形成方向一致的洛伦兹力FL，在洛伦兹力FL的作用下，沿管道1的圆周方向上的每个横截面都保持不变，并围绕管道1圆心旋转，而沿管道1轴线方向的位移为零，以这种方式传播的模态称为扭转模态，即T模态。本发明采用的三个阵元传感器的洛伦兹力FL干涉叠加，产生更强的导波能量，同时三个阵元传感器依旧保持了较窄的声束角度，相较于单个阵元传感器约18°的声束角，三个阵元传感器仅增大了2°，使得激励的导波能量主要集中在三个阵元传感器的中心轴线位置，激励的信号幅值增大了两倍，极大地提高了激发能量。
具体实施时，三个跑道型线圈8互连后接于总接线端口11，方便使用时与电磁超声检测仪连接。
具体实施时，该电磁超声传感器还包括用于固定放置三个阵元传感器的方形壳体，方形壳体的底壁为与管道1外壁相适配的金属薄壳体，便于阵列永磁体能透过方形壳体的底壁吸附于管道1外壁，跑道型线圈8的纵向布置方向与管道1的轴向方向平行，方形壳体上设有便于将总接线端口11置于方形壳体外部的穿线孔，使其结构规范化为一个整体。
具体实施时，方形壳体包括其开口向下的桶体状的上壳体6、其开口向上的桶体状的下壳体7，下壳体7的底壁为与管道1外壁相适配的弧面，上壳体6的顶壁的下表面的位于四个侧壁内侧的部分均垂直固定有用于将三个阵元传感器压紧于上壳体6与下壳体7之间的压条10，上壳体6的四个角上均设有上连接孔，下壳体7的四个角上均设有下连接孔，紧定螺栓穿过上连接孔、下连接孔后拧于紧定螺母实现上壳体6与下壳体7的固定连接，结构具体化、规范化。
本具体实施方式中，磁块9为钕铁硼材料。磁块9的剩余磁通密度为1.4T，磁块9的长×宽×高为10mm×3mm×10mm。每个跑道型线圈8的匝数为30匝。
用于管道轴向检测缺陷的装置，包括两个窄声束电磁超声传感器、上位机、电磁超声检测仪，两个窄声束电磁超声传感器分别为窄声束电磁超声激励传感器2、窄声束电磁超声接收传感器3，窄声束电磁超声激励传感器2、窄声束电磁超声接收传感器3均包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈8以及压于跑道型线圈8上部且与跑道型线圈8相适配的两组阵列永磁体，两组阵列永磁体沿跑道型线圈8的横向方向并排布置，每组阵列永磁体均包括多个沿跑道型线圈8的纵向方向并排布置的磁块9，三个跑道型线圈8沿跑道型线圈8的横向方向呈一字型并排布置且互连后构成T模态导波发射线圈，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块9的磁极均交替布置，窄声束电磁超声激励传感器2与窄声束电磁超声接收传感器3在使用时沿跑道型线圈8的纵向方向呈一字型布置，窄声束电磁超声激励传感器2与电磁超声检测仪的激励端口连接，窄声束电磁超声接收传感器与电磁超声检测仪的接收端口连接，电磁超声检测仪的通讯端口与上位机连接，上位机用于给电磁超声检测仪发送命令信号（命令信号为激发频率、激发周期、激发电压、接收增益等参数）以及接收、存储电磁超声检测仪发送的数字信号并将该数字信号转化为时域信号图。
使用时，如图3所示，将窄声束电磁超声激励传感器2与窄声束电磁超声接收传感器3呈一字型吸附于管道1外壁的某一位置且其跑道型线圈8的纵向方向与管道1轴向的布置方向一致。检测时，电磁超声检测仪激发窄声束电磁超声激励传感器2，在管道1中产生T模态超声导波，然后窄声束电磁超声接收传感器3再接收检测回波，经电磁超声检测仪进行放大、滤波处理后离散化为数字信号后将该数字信号传输至上位机，上位机将该数字信号转化为时域信号图，通过时域信号图来判断轴向检测的缺陷5信息，当对该位置对应的轴向缺陷5检测完成后，然后再同时旋转窄声束电磁超声激励传感器2、窄声束电磁超声接收传感器3至另一位置，对该位置对应的轴向缺陷5进行检测，直至完成对管道2的包括被支撑支架遮挡的所有缺陷5的轴向检测。该种检测方法能相对准确地快速判断出管道1上缺陷5的周向及轴向位置。
具体实施时，三个跑道型线圈8相互串联连接后接于总接线端口11，方便使用时与电磁超声检测仪连接。
具体实施时，该电磁超声传感器还包括用于固定放置三个阵元传感器的方形壳体，方形壳体的底壁为与管道1外壁相适配的金属薄壳体，便于阵列永磁体能透过方形壳体的底壁吸附于管道1外壁，跑道型线圈8的纵向布置方向与管道1的轴向方向平行，方形壳体上设有便于将总接线端口11置于方形壳体外部的穿线孔，使其结构规范化为一个整体。
具体实施时，方形壳体包括其开口向下的桶体状的上壳体6、其开口向上的桶体状的下壳体7，下壳体7的底壁为与管道1外壁相适配的弧面，上壳体6的顶壁的下表面的位于四个侧壁内侧的部分均垂直固定有用于将三个阵元传感器压紧于上壳体6与下壳体7之间的压条10，上壳体6的四个角上均设有上连接孔，下壳体7的四个角上均设有下连接孔，紧定螺栓穿过上连接孔、下连接孔后拧于紧定螺母实现上壳体6与下壳体7的固定连接，结构具体化、规范化。
本具体实施方式中，磁块9为钕铁硼材料。磁块9的剩余磁通密度为1.4T，磁块9的长×宽×高为10mm×3mm×10mm。每个跑道型线圈8的匝数为30匝。
为更好地验证本发明的窄声束电磁超声传感器即三个阵元传感器相比于其它数量的阵元传感器在进行管道1轴向检测缺陷5的优越性，特绘制一、二、三、四、五、六个阵元传感器的声场能量分布规律图，如图4至9所示，从图4至9中可看出，按激励的导波总能量分析，阵元数量越多激励的导波总能量越大，按声束角度分析，阵元数量越多，声束角度越大，但单从传感器的中心轴线激励的导波能量分析，本发明的窄声束电磁超声传感器即三个阵元传感器的中心轴线激励的导波能量最大，这也意味着进行轴向检测缺陷5时的信号幅值最大，缺陷检测的分辨率及精度最高。
如图10所示为本发明的窄声束电磁超声传感器即三个阵元传感器对管道1（管道1的外径为165mm，厚度为3mm，长度为600mm）的被支撑支架4遮挡区域内的缺陷5进行检测的时域信号波形图，从图中可清晰地分辨出直达波1101、焊缝回波1102、支撑回波1103以及缺陷回波1104。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。

Claims (10)

1.用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，其特征在于，包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈（8）以及压于跑道型线圈（8）上部且与跑道型线圈（8）相适配的两组阵列永磁体，两组阵列永磁体沿跑道型线圈（8）的横向方向并排布置，每组阵列永磁体均包括多个沿跑道型线圈（8）的纵向方向并排布置的磁块（9），三个跑道型线圈（8）沿跑道型线圈（8）的横向方向呈一字型并排布置且互连构成T模态导波发射线圈，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块（9）的磁极均交替布置。
2.根据权利要求1所述的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，其特征在于，三个跑道型线圈（8）互连后接于总接线端口（11）。
3.根据权利要求2所述的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，其特征在于，该电磁超声传感器还包括用于固定放置三个阵元传感器的方形壳体，方形壳体的底壁为与管道（1）外壁相适配的金属薄壳体，跑道型线圈（8）的纵向布置方向与管道（1）的轴向方向平行，方形壳体上设有便于将总接线端口（11）置于方形壳体外部的穿线孔。
4.根据权利要求3所述的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，其特征在于，方形壳体包括其开口向下的桶体状的上壳体（6）、其开口向上的桶体状的下壳体（7），下壳体（7）的底壁为与管道（1）外壁相适配的弧面，上壳体（6）的顶壁的下表面的位于四个侧壁内侧的部分均垂直固定有用于将三个阵元传感器压紧于上壳体（6）与下壳体（7）之间的压条（10），上壳体（6）的四个角上均设有上连接孔，下壳体（7）的四个角上均设有下连接孔，紧定螺栓穿过上连接孔、下连接孔后拧于紧定螺母实现上壳体（6）与下壳体（7）的固定连接。
5.根据权利要求4所述的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，其特征在于，磁块（9）为钕铁硼材料，磁块（9）的剩余磁通密度为1.4T，磁块（9）的长×宽×高为10mm×3mm×10mm，每个跑道型线圈（8）的匝数为30匝。
6.用于管道轴向检测缺陷的装置，其特征在于，包括两个窄声束电磁超声传感器、上位机、电磁超声检测仪，两个窄声束电磁超声传感器分别为窄声束电磁超声激励传感器（2）、窄声束电磁超声接收传感器（3），窄声束电磁超声激励传感器（2）、窄声束电磁超声接收传感器（3）均包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈（8）以及压于跑道型线圈（8）上部且与跑道型线圈（8）相适配的两组阵列永磁体，两组阵列永磁体沿跑道型线圈（8）的横向方向并排布置，每组阵列永磁体均包括多个沿跑道型线圈（8）的纵向方向并排布置的磁块（9），三个跑道型线圈（8）沿跑道型线圈（8）的横向方向呈一字型并排布置且互连构成T模态导波发射线圈，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块（9）的磁极均交替布置，窄声束电磁超声激励传感器（2）与窄声束电磁超声接收传感器（3）在使用时沿跑道型线圈（8）的纵向方向呈一字型布置，窄声束电磁超声激励传感器（2）与电磁超声检测仪的激励端口连接，窄声束电磁超声接收传感器（3）与电磁超声检测仪的接收端口连接，电磁超声检测仪的通讯端口与上位机连接，上位机用于给电磁超声检测仪发送命令信号以及接收、存储电磁超声检测仪发送的数字信号并将该数字信号转化为时域信号图。
7.根据权利要求6所述的用于管道轴向检测缺陷的装置，其特征在于，三个跑道型线圈（8）互连后接于总接线端口（11）。
8.根据权利要求7所述的用于管道轴向检测缺陷的装置，其特征在于，该电磁超声传感器还包括用于固定放置三个阵元传感器的方形壳体，方形壳体的底壁为与管道（1）外壁相适配的金属薄壳体，跑道型线圈（8）的纵向布置方向与管道（1）的轴向方向平行，方形壳体上设有便于将总接线端口（11）置于方形壳体外部的穿线孔。
9.根据权利要求8所述的用于管道轴向检测缺陷的装置，其特征在于，方形壳体包括其开口向下的桶体状的上壳体（6）、其开口向上的桶体状的下壳体（7），下壳体（7）的底壁为与管道（1）外壁相适配的弧面，上壳体（6）的顶壁的下表面的位于四个侧壁内侧的部分均垂直固定有用于将三个阵元传感器压紧于上壳体（6）与下壳体（7）之间的压条（10），上壳体（6）的四个角上均设有上连接孔，下壳体（7）的四个角上均设有下连接孔，紧定螺栓穿过上连接孔、下连接孔后拧于紧定螺母实现上壳体（6）与下壳体（7）的固定连接。
10.根据权利要求9所述的用于管道轴向检测缺陷的装置，其特征在于，磁块（9）为钕铁硼材料，磁块（9）的剩余磁通密度为1.4T，磁块（9）的长×宽×高为10mm×3mm×10mm，每个跑道型线圈（8）的匝数为30匝。
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