文 | 李展鵬1, 汪開燦2, 許弄2

1.哈爾濱工業大學， 電子與電器可靠性研究所 2.零聲科技（蘇州）有限公司 

摘要：電磁超聲技術是-種新型的超聲無損檢測技術 ， 相比千常規的壓電超聲技術具有非接觸 、 無須耦合劑的特點 ， 在高 溫 、 高速自動化檢測領域具有良好的應用前景。 本文從在線檢測 自動化以及結構健康監測3個方面 ， 梳理了目前國內電磁 超聲技術的應用情況。 

關鍵詞： 腐蝕檢測，高溫檢測，健康監測，電磁超聲

1 引言

超聲檢測技術 （UT）是-種重要的工業無損檢測技術。 廣泛應用于線材板材 管道以及壓力容器等重要工業對 象的生產制造 現場安裝和服役過程的質量安全檢測當中。 按照超聲波的產生方式來分類 ， 主流的超聲檢測技術主要包 括壓電超聲技術 電磁超聲技術空氣耦合技術和激光超 聲技術。 其中 ， 壓電超聲技術應用最為廣泛 ， 可以對金屬材 料和非金屬材料進行檢測。 目前國內已經有大噩成熟的設備 在現場中使用 ， 發揮著重要的作用。

然而 ， 壓電超聲技術通常需要液態耦合劑 需要對丁件 表面進行打磨 ， 屬千接觸式檢測。 由千耦合劑的揮發 ， 使得 壓電超聲技術難以應用千高溫場景下的檢測 如 化工廠中 高溫管道的不停機腐蝕檢測等。此外使用過程中表面打磨 ， 涂抹耦合劑降低了檢測效率。 

電磁超聲技術腐千非接觸式測量 ， 檢測過程中無須使用 耦合劑 探頭與試件的距離可高達數毫米。 由千避免了探頭 與試件的直接接觸 ， 在高溫檢測中避免了探頭溫升導致的損 壞 而在自動化檢測中則降低了探頭與工件的碰撞幾率。 此 外 隨著脈沖功率技術數字信號處理技術的發展 ， 基千電 磁超聲技術的常規檢測設備也開始涌現 在常溫 、 人工便攜 式檢測方面與壓電超聲設備形成競爭態勢。 特別是在高溫管 道腐蝕 裂紋檢測方面 ， 非接觸測量的特點使得電磁超聲設

2 電磁超聲換能器原理

電磁超聲技術的核心是電磁超聲 換能器（EI ectro magnet I c acoustic transducer, E MA T） 。EMAT通常由永磁體 、 線圈以 及被測試件本身構成 ， 如圖1所示為典型的體波測厚傳感器 示意圖。 鐵磁性材料中 EMAT共有三種作用機理 洛倫茲 力機理磁化力機理和磁致伸縮機理

EMAT通過洛倫茲力機理作用的原理如匼1所示。 當 EMAT線圈中通以高頻交變電流時 由千電磁感應作用 ， 金 屬試件表面會感應出同頻渦流。 渦流在受靜磁場作用下會產 生洛倫茲力。 洛倫茲力帶動粒子的交變振動 ， 這種振動以波 的形式傳播即產生了超聲波。 由此可見 電磁超聲技術是- 種直接在試件表面激發超聲波的技術 試件本身就是聲源 ， 因此使用時無需耦合劑。 這一點與壓電超聲技術首先從探頭 中產生超聲波 然后通過耦合劑把聲波傳遞到試件內部有本質的不同。

圖1電磁超聲換能器基本原理 

EMAT接收超聲波的過程與上述過程相反。 當超聲波發 射至試件表面時 ， 由千質點振動而切割磁感線 ， 金黑表面產 生感應電動勢 ， 進而產生渦流。 而渦流產生的交變磁場被 EMAT線圈拾獲 ， 轉變為電信號 完成超聲波的接收。

3 電磁超聲技術國內應用現狀 

 3 . 1 在線檢測應用現狀

 超聲測厚是對二件的腐蝕檢測的常用手段 。 粗糙表面帶油漆層 高溫工件宜采用電磁超聲技術進行腐蝕檢測 。 適用千高溫（1 oo~soo 0c） 檢測是 電磁超聲技術的- 大特色。目前國內以哈工大北二大沈工大武漢中科中國特檢院等為代表 自主開發的電磁超聲檢測儀器已經具備800 °C以下金屈厚度檢測能力 ， 部分產品技術指標已經達到國際先進水平[2-9] 。電站鍋爐的水冷壁管 在潮濕 、 燃燒的環境下容易產生凹凸不平的腐蝕坑 ， 而且往往會在外表面凝結-層厚厚的垢壓電超聲通常需要打磨處理 ， 而電磁超聲具備不打磨測厚能力。石化企業壓力管道具有操作溫度高工況復雜 、 運行風險高檢測需求多檢測周期短架空管道多管道分布密集以及介質多樣化且具有很強的腐蝕性等特點 。 在長期服役中， 山千腐蝕 沖刷減薄等管道內部潛在的缺陷致使管道破損失效 ， 工業事故頻繁發生 ， 不僅造成巨大的經濟損失 ， 而且對社會和環境也帶來了嚴蜇的后果 。 常規技術通常難以實現不停機在線檢測 而電磁超聲傳感器能夠耐受 soo0c以下高溫 ， 解決了石油化丁管道不停機在線檢測難題 。

圖2電磁超聲在線檢測應用· 石油管道不停機在線檢測、 高溫鑄管生產質量檢測

3. 2 自動化檢測應用現狀

非接觸 無須耦合劑的特點使得電磁超聲技術非常適合用于自動化檢測場呆 。 應用電磁超聲技術的自動化檢測包括 由機器人搭載EMAT的可移動自動化檢測平臺， 將EMAT安裝在生產線上的固定自動化檢測平臺 。早在1990年前后 ， 北京鋼鐵總院的研究工作者就已經將電磁超聲技術應用千鋼板和鋼棒的自動化檢測 ， 實現了不清除氣化皮的高速自動化探傷 為鋼廠帶來了可觀的效益[10] 。 僅有少數單位具備定制化電磁超聲自動檢測設備的能力。部分鋼廠引進國外設備 ， 價格和維護成本極高 。

對千諸如大型儲罐、 核電管道等高空 高溫 、 輻射或人類不可 達的其他作業環境 ， 移動式檢測平臺是有效的解決方案 。 通過設計帶有磁力輪的爬行機器人 并搭載EMAT對數十米高的儲罐進行檢測是當前的研究熱點 。 此外 在管道內部檢測方面 ， 國內已經開發出名為 管道豬 的自動化檢測設備 。 該設備通過搭載漏磁探頭或EMAT 在管道內部爬行可以對管道進行全面的檢測 。

圖3電磁超盧自動化檢測系統：某鋼廠電磁超聲自動化檢測系統 、 帶載EMAT的爬壁機器人

3 . 3 結構健康監測應用現狀

《中國無損檢測2025科技發展戰略重點〉將 基于物 聯網和大數據的無損檢測與監測技術行業性應用 列為重點 方向該技術是指將先進的傳感器長期甚至永久性地安裝在 工件上（儲罐、 管道、 大型鋼結構等）持續地獲取被測對象 的狀態信息（腐蝕厚度、 裂紋狀態等） ， 并將這些信息進行 整合 處理出關千結構健康狀態、 剩余壽命等深層次信息。

圖4結構健康監測系統示意圖 

同樣地 ， 電磁超聲技術的優勢在千能夠應用千高溫場景下的結構健康監測 ， 如 化工廠的高溫運輸管道和熱變換爐 鍋爐廠的高溫爐等 。 南京鍋爐壓力容器 檢驗研究院 ， 研發了-種高溫承壓設備健康系統 利用電磁超聲技術實時監測熱 變換爐的剩余厚度以評估設備的的損傷態勢 預計剩余壽命 。 此外 ， 國內企業研 發的高溫腐蝕監測系統 ， 采用電磁超聲技術實現了對高溫二件的非侵入式測蛋 ， 最高測量溫度為300°c, 單個模塊能夠持續二作3-5年 ， 系統接入模塊數量不受 限制 。 該系統采用先進的物聯網技術 ， 檢測人員足不出戶便能實時監測危險環境 下的設備安全狀態 。

4結論與展望

電磁超聲技術在高溫 高速自動化檢測領域具有足夠的技術優勢在常規在 役設備檢測上具備很大的應用潛力 。 電磁超聲自動化檢測技術和在線結構健康監測技術是近年來興起的技術 隨著工業物聯網 大數據和人工智能技術 的結合 ， 發展迅猛 。 隨看電磁超聲技術 的不斷發展 ， 必將提升我國工業檢測水 平 提高工業設備運營安全 。 

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