CN108931577A - 一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统及方法。本发明解决了现有检测技术无法实现油气输送用钢板100％检测及检测速度慢、效率低的问题。本发明油气输送用钢板电磁超声自动检测系统，包括多个EMAT换能器和对比试块；多个EMAT换能器分为主体换能器组和两组边部换能器组，两组边部换能器组分别位于主体换能器组的两侧；主体换能器组和两组边部换能器组的EMAT换能器均为两排，两排EMAT换能器错位排列，并且两排对应的EMAT换能器保持至少10％的重合；主体换能器组两侧最边缘的EMAT换能器与相应的边部换能器组的EMAT换能器保持至少10％的重合；对比试块上加工有人工反射体，人工反射体包括多个平底孔、多个矩形平底槽和至少一个斜槽。

Description

一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统及方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统及方法。

背景技术

随着油气输送管线的输送压力、钢级的不断提高，油气输送用钢板的要求也在不断提高，例如深海管线、大管径高钢级厚壁管线要求使用的钢板需进行100％的超声检测。钢板是由板坯扎制而成，钢板中常见缺陷有分层、折叠、夹渣(杂)、疏松、偏析、白点和裂纹等。钢板内部缺陷对于油气输送用钢板有重要的影响，如分层缺陷部位的有效壁厚减少，会使该部位的物理、机械性能下降，而且缺陷部位金属组织的不连续性也将使产品在使用中出现疲劳甚至失效，严重影响产品的使用性能。钢板边部的分层、夹渣(杂)等缺陷对后续的焊接质量影响较大。

目前我国油气输送用钢板检测以压电超声为主，实现100％检测较难，且需要以水作耦合剂。

与常规压电超声检测相比，电磁超声(Electromagnetic acoustic transducer简称EMAT)检测具有非接触非耦合剂检测、实现高温检测、易实现自动化检测、检测速度快、检测效率高等优点。通过改变探头结构和频率，可以方便地激发出多种波模的超声波。因此，油气输送用钢板电磁超声自动检测方法在无损检测领域具有广阔发展前景。结合SH波检测技术，应用电磁超声技术有望解决油气输送用钢板100％检测、高速、高效、自动化检测问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统及方法，解决了现有检测技术无法实现油气输送用钢板100％检测及检测速度慢、效率低的问题。

本发明解决上述问题的技术方案是，一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统，其特殊之处在于：

包括多个EMAT换能器和对比试块；

所述多个EMAT换能器分为主体换能器组和两组边部换能器组，两组边部换能器组分别位于主体换能器组的两侧；主体换能器组和两组边部换能器组的EMAT换能器均为两排，两排EMAT换能器错位排列，并且两排对应的EMAT换能器保持至少10％的重合；所述主体换能器组两侧最边缘的EMAT换能器与相应的边部换能器组的EMAT换能器保持至少10％的重合；所述对比试块包括钢板，钢板上定位、定量加工人工反射体，所述人工反射体包括多个平底孔、多个矩形平底槽和至少一个斜槽。

所述斜槽为线切割槽。

进一步地，上述EMAT换能器选取垂直磁场、双螺旋线圈、产生SH波的EMAT换能器。

进一步地，上述对比试块外形尺寸与待测油气输送用钢板尺寸相同。

进一步地，为了便于运输或人工缺陷的加工，在两块钢板进行加工人工反射体，再将两块钢板焊接形成对比试块。

进一步地，上述多个平底孔分别设置在对比试块中部及四周边部距离板材边缘25mm处；其设置在板材中部的平底孔为三组，孔径3mm的一组，其埋藏深度分别为1.5mm、8.25mm、16.5mm、24.75mm和31.8mm，用于测试检测系统和电磁超声换能器检测能力；孔径为6mm的一组，其埋藏深度分别为1.5mm、8.25mm、16.5mm、24.75mm和31.8mm的平底孔，用于制作距离波幅曲线，评定不同深度缺陷的当量大小；孔径为50mm的一组，埋藏深度为16.5mm，用于模拟板材中的分层缺陷；所述多个矩形平底槽设置在对比试块中部，宽度×长度：40mm×80mm，埋藏深度分别为8.25mm、16.5mm和24.75mm，横向与纵向各设置一半，用于模拟板材中的折叠、白点等缺陷；所述斜槽设置在对比试块中部且贯通板材宽度方向，其宽度6mm，埋深分别为8.25mm、16.5mm和24.75mm，用于测试电磁超声换能器扫查覆盖率和系统动态检测能力及可靠性。

进一步地，上述孔径为50mm的平底孔的数量为4个。

另外，本发明还提出一种上述油气输送用钢板电磁超声自动检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)扫描对比试块，测试系统的检测能力：

利用深度为1/4T、2/4T和3/4T以及距离上下表面深度分别L_上和L_下的第一平底孔，测试系统的检测能力；

利用深度为1/4T、2/4T和3/4T以及距离上下表面深度分别L_上和L_下的第二平底孔制作距离波幅曲线，评定不同深度缺陷的当量大小；

利用对比试块厚度中部多个第三平底孔，模拟钢板中分层缺陷；

利用深度为1/4T、2/4T和3/4T的80mm×40mm的矩形平底槽，模拟板材中折叠、白点缺陷；

利用系统扫查前进方向上覆盖整个板材宽度且深度为1/4T、2/4T和3/4T的斜槽，测试系统扫查覆盖率和系统动态检测能力及可靠性；

2)多个EMAT换能器对待测钢板进行扫描，获得扫描波形图；其中，T为对比试块的厚度，所述L_上＝1.5mm,L_下＝1.2mm；

3)自动评定：

3.1)设置第一闸门，其起点位于始波1mm处，终点位于一次底波1mm处，其高度为灵敏度60％波高；设置第二闸门，其起点位于一次底波前1mm处，终点位于一次底波后1mm处，其高度为灵敏度60％波高；

3.2)根据步骤1)中的测试结果进行EMAT钢板自动检测、自动记录和自动评定。

进一步地，上述步骤1)中，第一平底孔的直径为3mm；第二平底孔的直径为6mm；第三平底孔的直径为50mm；矩形平底槽尺寸为80mm×40mm。

进一步地，上述步骤3.2)的自动评定具体为：通过C扫描的水平刻度与垂直刻度确定钢板中缺陷位置，再结合A扫描得出缺陷当量值，对缺陷进行自动评定。

本发明的优点：

1、本发明油气输送用钢板电磁超声检测系统及方法，利用电磁超声检测原理产生声波，通过换能器波模选择与排列布置、对比试块设计与人工缺陷选取和检测闸门设置，可以自动检测评定结果，实现远程评价，实现油气输送用钢板100％检测，提高了检测速度和检测效率。

2、本发明油气输送用钢板电磁超声检测系统及方法，利用电磁超声检测原理产生声波，通过换能器波模选择与排列布置、对比试块设计与人工缺陷选取和检测闸门设置，可以自动显示检测结果与记录，实现检测结果永久保存和可追溯性，减小人为因数的影响。

附图说明

图1为电磁超声产生的原理图；

图2为SH横波用于检测分层缺陷示意图；

图3为本发明中EMAT换能器的排列与布置图；

图4为可旋转磁场的EMAT换能器；

图5为图4可旋转磁场的EMAT换能器转动后的视图；

图6为自动检测用对比试块；

图7为钢板检测的A扫描显示波形；

图8为不同深度与孔径的平底孔试块；

图9为利用不同深度平底孔制作距离波幅曲线。

其中，1-永久磁铁；2-交流电线圈；3-待测油气输送用钢板；4、6-检测缺陷闸门；5、7-监测底波闸门；10-EMAT换能器；11-对比试块；T₁为始波；B1为一次底波；B2为二次底波；d为平底孔直径；T为对比试块厚度。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

随着油气输送钢管在陆地管线及深海管线(如中国石油的西气东输一、二和三线管道工程、中俄东线天然气管道工程、中海石油的南海荔湾3-1项目和黄岩项目等)的广泛应用，如海底管线用钢管的管体母材自动超声检测的扫查率要求100％扫查，陆地管线的管体母材自动超声检测扫查率要求50％扫查，而现有的压电晶片的自动超声受到极大限制，如检测设备的通道数(目前压电自动超声可以达到200通道，而EMAT可以达到800通道，)限制，压电自动超声需要耦合剂，而EMAT为非耦合检测等。

EMAT基本原理是利用电磁效应来产生超声波。具体是在通电线圈外附加磁体，改变线圈与磁体的构造来产生不同类型和模式的声波。EMAT换能器10由永久磁铁1和交流电线圈2构成，磁场、高频电场、导电或导磁类检测材料、检测材料接近换能器等为EMAT技术的基本要素。图1为电磁超声产生的基本原理，将EMAT换能器10置于待检测材料上，超声波频率的交流电Jo传入EMAT线圈，通过线圈会在导电材料内感应出电流，即为通常所说的涡流Je。由于集肤效应，涡流分布于材料的表面，涡流在外加磁场Bo的作用下产生洛仑兹力f1，引起被检测材料的局部振动而形成弹性波；接收声波的原理即为上述的逆过程。另外，当被检测材料具有导磁性时，材料晶格还会受到磁致伸缩力fms和磁化力fm的作用。材料中磁畴的磁化强度矢量会受外磁场的影响而发生改变，磁化过程中磁畴间的界限发生移动，产生机械变形，即为磁致伸缩效应。磁致伸缩力、磁化力和洛仑兹力相互耦合，进而加强了声波的激发效应。其中，Bo为外加磁场；Jo为交流电；Je为涡流；f1为洛仑兹力；fms为磁致伸缩力；fm为磁化力。

一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统，

包括多个EMAT换能器10和对比试块11；

所述多个EMAT换能器10分为主体换能器组和两组边部换能器组，两组边部换能器组分别位于主体换能器组的两侧；主体换能器组和两组边部换能器组的EMAT换能器10均为两排，两排EMAT换能器10错位排列，并且两排对应的EMAT换能器10保持至少10％的重合；所述主体换能器组两侧最边缘的EMAT换能器与相应的边部换能器组的EMAT换能器保持至少10％的重合；所述对比试块11包括钢板，钢板上定位、定量加工人工反射体，所述人工反射体包括多个平底孔、多个矩形平底槽和至少一个斜槽。

换能器波模选择和布置方式如下：

EMAT在检测的过程中，在满足一定激发条件时，则会产生表面波、SH波和LAMB波等，如改变激励电信号频率使之满足下式要求：

f＝nC/2Lsinθ(n为任意整数)，

式中C为声速，f为电信号频率，L为1/2波长。

声波以倾斜角θ向工件内侧斜辐射(其幅度也随之下降)，也就是说，在其它条件不变的前题下，只要改变电信号频率，就可以改变声波的辐射角θ，这是EMAT换能器10的又一特点。由于这一特点的存在，就可以在不变更换能器的情况下，实现波模的自由选择。

采用EMAT换能器10，激发垂直入射的SH波检测钢板分层缺陷，激发钢板表面成45°SV波检测纵向和横向裂纹缺陷。垂直入射SH波检测分层缺陷将获得比纵波更高的纵向分辨率，并且电磁超声直接在钢板内激发和接收超声波，在动态条件下，声束角度和灵敏度更加稳定,并大大拓展了检测温度适应范围和提高检测速度。垂直入射SH波的EMAT换能器10采用垂直于钢板表面的垂直磁场与双螺旋线圈组成；45°SV波检测探头采用平行于钢板表面的偏磁场，双相回折线圈(或回折线圈)组成，根据线圈的空间频率调整超声激发频率控制超声波的角度。

针对钢板本身存在的缺陷，一般要求仅检测出钢板中分层等平行于表面的缺陷，即应用垂直法检测即声波应垂直于被检测表面。我们选取垂直磁场、双螺旋线圈设计如图2所示的EMAT换能器10，产生SH波。

钢板电磁超声自动检测采用钢板输送通过检测设备的检测形式。主要由主体换能器组和两组边部换能器组。主体换能器组覆盖检测钢板中间区域，边探换能器组检测跟踪覆盖钢板边缘区域(如图3所示)。每个换能器阵列采用两排错位排列，并且换能器间保持10％左右的重复覆盖，实现对检测区域100％覆盖扫查。

要实现钢板全覆盖扫查，扫查整个钢板需要数量较多的换能器，由于诸多换能器与被检测钢板吸引力过大，使换能器与钢板难以分离。因此，设计了可旋转永久磁铁1(磁场)的特殊EMAT换能器(如图4、图5所示)，公开号为CN107607626A的专利文献已经公开了特殊EMAT换能器，使换能器与钢板在检测过程中容易分离，解决了诸多换能器与待测油气输送用钢板3难以分离的问题。

对比试块11设计与人工反射体选择方式如下：

对比试块11中设置一些人工缺陷，人工缺陷为人工反射体，钢板常用的人工反射体有平底孔、矩形平底槽和其他形式线切割槽等，主要用于模拟板材中的分层、折叠、白点等缺陷。这些人工缺陷用于测定电磁超声换能器的上表面和下表面分辨率；调节检测比例和检测范围；测定距离波幅曲线；调节检测灵敏度；进行缺陷的定量评定；验证扫查覆盖率和系统动态检测能力及可靠性等。

设计的对比试块11外形尺寸按照使用油气输送钢管最大规格Φ1219×33mm应设计为6000mm×3700mm×33mm(长×宽×厚)的钢板，对比试块11中的人工缺陷选择Φ3mm/Φ6mm/Φ50mm不同深度的平底孔、40mm×80mm不同深度的矩形平底槽和宽度为6mm不同深度覆盖板材宽度的斜槽。图6为设计的油气输送用钢板对比试块11及人工缺陷图，具体如下：

a、在对比试块11中部设计孔径3mm，埋藏深度分别为1.5mm(电磁超声换能器上表面分辨率)、8.25mm、16.5mm、24.75mm和31.8mm(电磁超声换能器下表面分辨率)的1组平底孔，用于测试检测系统和电磁超声换能器检测能力；

b、在对比试块11四周边部距离板材边缘25mm(主要取决于电磁超声换能器宽度，使用电磁超声换能器宽度为50mm)及板材中部设计孔径6mm，埋藏深度分别为1.5mm(电磁超声换能器上表面分辨率)、8.25mm、16.5mm、24.75mm和31.8mm(电磁超声换能器下表面分辨率)的5组平底孔，用于制作距离波幅曲线，评定不同深度缺陷的当量大小；

c、在对比试块11中部设计孔径50mm，埋藏深度为16.5mm的4个平底孔，用于模拟板材中的分层缺陷；

d、在对比试块11中部设计宽度×长度：40mm×80mm，埋藏深度分别为8.25mm、16.5mm和24.75mm的2组矩形平底槽，用于模拟板材中的折叠、白点等缺陷；

e、在对比试块11中设计贯通板材宽度方向的宽度6mm，埋深分别为8.25mm、16.5mm和24.75mm，长度斜向贯通板材宽度的斜槽，用于测试电磁超声换能器扫查覆盖率和系统动态检测能力及可靠性。

f、设计的对比试块11中，位于对比试块11长度中间位置的一条虚线可以将对比试块11沿虚线切成2块，主要是为了便于运输或人工缺陷的加工，制作完成后再将对比试块11焊接在一起即可。

图6中：

1、A1～A5为Ф6mm平底孔，A6为Ф3mm平底孔，埋深为1.2mm；B1～B5为Ф6mm平底孔，B6为Ф3mm平底孔，埋深为1/4T；C1～C5为Ф6mm平底孔，C6为Ф3mm平底孔，埋深为1/2T；D1～D5为Ф6mm平底孔，D6为Ф3mm平底孔，埋深为3/4T；E1～E5为Ф6mm平底孔，E6为Ф3mm平底孔，埋深为1.5mm。

2、F为80mm×40mm×1/4T矩形平底槽；G为80mm×40mm×1/2T矩形平底槽；H为80mm×40mm×3/4T矩形平底槽。

3、I为Φ50mm平底孔，埋深为1/2T。

4、JKL、MNO为斜槽，JKL宽度为6mm，JK深度为1/4T，JK长度为2/3JKL，KL深度为2/4T，KL长度为1/3JKL；MNO宽度为6mm，MN深度为2/4T，MN长度为1/3MNO，NO深度为3/4T，NO长度为2/3MNO。

5、对比试块11上也可以加工其他人工缺陷。

6、对比试块可以分为两个部分制作加工再焊接在一起，以便于加工或运输等。

一种上述油气输送用钢板电磁超声自动检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)扫描对比试块，测试系统的检测能力(如图8和图9所示)：

利用深度为1/4T、2/4T和3/4T以及距离上下表面深度分别L_上和L_下的第一平底孔，测试系统的检测能力；

利用深度为1/4T、2/4T和3/4T以及距离上下表面深度分别L_上和L_下的第二平底孔制作距离波幅曲线，评定不同深度缺陷的当量大小；

利用对比试块11中部多个第三平底孔，模拟钢板中分层缺陷；

利用深度为1/4T、2/4T和3/4T的80mm×40mm的矩形平底槽，模拟板材中折叠、白点缺陷；

利用系统扫查前进方向上覆盖整个板材宽度且深度为1/4T、2/4T和3/4T的斜槽，测试系统扫查覆盖率和系统动态检测能力及可靠性；其中，T为对比试块的厚度，所述L_上＝1.5mm,L_下＝1.2mm；

2)多个EMAT换能器10对待测钢板进行扫描，获得扫描波形图；

3)自动评定：

3.1)双闸门的设置，在进行钢板EMAT检测时波形如图7所示，显示出缺陷波形和底波，利用检测缺陷闸门4、检测缺陷闸门6、监测底波闸门5、监测底波闸门7对缺陷波和底波进行监控，可以实现自动记录功能。通常将一次闸门缺陷波的闸门宽度设置在始波与一次底波之间，闸门起点在始波约1mm之后，闸门终点在一次底波约1mm之前。闸门高度设置为灵敏度60％波高处；将二次闸门底波宽度起点设置在一次底波前约1mm处，闸门终点设置在一次底波后约1mm处，这样就设置了双闸门。

3.2)根据步骤1)中的测试结果进行EMAT钢板自动检测、自动记录和自动评定。

通过以上EMAT产生、波模选择、换能器排列布置、对比试块11设计、检测闸门设置和自动评定系统研究，制作如图6所示自动检测用动态对比试块11进行验证，扫查出对比试块11自动记录扫查图，此图与设计的自动检测用动态对比试块11中人工缺陷得到了很好对应关系，达到了预期效果。C扫描通过水平刻度与垂直刻度能很好确定钢板中缺陷位置，显示出缺陷形状和分布，再结合A扫描得出缺陷当量值，从而对缺陷进行自动评定。

Claims (9)

1.一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统，其特征在于：

包括多个EMAT换能器(10)和对比试块(11)；

所述多个EMAT换能器(10)分为主体换能器组和两组边部换能器组，两组边部换能器组分别位于主体换能器组的两侧；主体换能器组和两组边部换能器组的EMAT换能器(10)均为两排，两排EMAT换能器(10)错位排列，并且两排对应的EMAT换能器(10)保持至少10％的重合；所述主体换能器组两侧最边缘的EMAT换能器与相应的边部换能器组的EMAT换能器保持至少10％的重合；

所述对比试块(11)包括钢板，钢板上定位、定量加工人工反射体，所述人工反射体包括多个平底孔、多个矩形平底槽和至少一个斜槽。

2.根据权利要求1所述的一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统，其特征在于：所述EMAT换能器(10)选取垂直磁场、双螺旋线圈、产生SH波的EMAT换能器。

3.根据权利要求1或2所述的一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统，其特征在于：所述对比试块(11)外形尺寸与待测油气输送用钢板(3)尺寸相同。

4.根据权利要求1或2所述的一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统，其特征在于：所述对比试块(11)采用两块钢板焊接而成。

5.根据权利要求1所述的一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统，其特征在于：所述多个平底孔分别设置在对比试块(11)中部及四周边部距离板材边缘25mm处；其设置在板材中部的平底孔为三组，孔径3mm的一组，其埋藏深度分别为1.5mm、8.25mm、16.5mm、24.75mm和31.8mm；

孔径为6mm的一组，其埋藏深度分别为1.5mm、8.25mm、16.5mm、24.75mm和31.8mm的平底孔；孔径为50mm的一组，埋藏深度为16.5mm；

所述多个矩形平底槽设置在对比试块(11)中部，宽度×长度：40mm×80mm，埋藏深度分别为8.25mm、16.5mm和24.75mm，横向与纵向各设置一半；

所述斜槽设置在对比试块(11)中部且贯通板材宽度方向，其宽度6mm，埋深分别为8.25mm、16.5mm和24.75mm。

6.根据权利要求5所述的一种油气输送用钢板电磁超声自动检测系统，其特征在于：所述孔径为50mm的平底孔的数量为4个。

7.一种油气输送用钢板电磁超声自动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)扫描对比试块，测试系统的检测能力：

利用深度为1/4T、2/4T和3/4T以及距离上下表面深度分别L_上和L_下的第一平底孔，测试系统的检测能力；

利用深度为1/4T、2/4T和3/4T以及距离上下表面深度分别L_上和L_下的第二平底孔制作距离波幅曲线，评定不同深度缺陷的当量大小；

利用对比试块(11)中部多个第三平底孔，模拟钢板中分层缺陷；

利用深度为1/4T、2/4T和3/4T的80mm×40mm的矩形平底槽，模拟板材中折叠、白点缺陷；

利用系统扫查前进方向上覆盖整个板材宽度且深度为1/4T、2/4T和3/4T的斜槽，测试系统扫查覆盖率和系统动态检测能力及可靠性；其中，T为对比试块的厚度，所述L_上＝1.5mm,L_下＝1.2mm；

2)多个EMAT换能器(10)对待测钢板进行扫描，获得扫描波形图；

3)自动评定：

3.1)设置第一闸门，其起点位于始波1mm处，终点位于一次底波1mm处，其高度为灵敏度60％波高；设置第二闸门，其起点位于一次底波前1mm处，终点位于一次底波后1mm处，其高度为灵敏度60％波高；

3.2)根据步骤1)中的测试结果进行EMAT钢板自动检测、自动记录和自动评定。

8.根据权利要求7所述一种油气输送用钢板电磁超声自动检测方法，其特征在于：步骤1)中，第一平底孔的直径为3mm；第二平底孔的直径为6mm；第三平底孔的直径为50mm；矩形平底槽尺寸为80mm×40mm。

9.根据权利要求8所述一种油气输送用钢板电磁超声自动检测方法，其特征在于：步骤3.2)的自动评定具体为：通过C扫描的水平刻度与垂直刻度确定钢板中缺陷位置，再结合A扫描得出缺陷当量值，对缺陷进行自动评定。