中厚板 EMAT 無損探傷的特點(diǎn)及應(yīng)用前景

1.  概述

中厚板在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展、社會(huì)生產(chǎn)生活水平的提高，
客戶對鋼板內(nèi)部質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格。超聲波探傷作為一種重要的無損檢測技術(shù)，是目前對
中厚板內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測判定的主要手段。根據(jù)使用方式的不同，超聲波探傷分為人工手動(dòng)探傷
和自動(dòng)探傷，特別是在線自動(dòng)探傷裝置具有檢測速度快、效率高以及占用生產(chǎn)場地少等明顯優(yōu)點(diǎn)，
已成為近年國內(nèi)外新建現(xiàn)代化中厚板廠的首要選擇。
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國外自上世紀(jì)六十年代末期便開始了自動(dòng)超聲波探傷技術(shù)的研發(fā)，七十年代中后期開始廣泛
應(yīng)用。目前在國內(nèi)外中厚板生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)已投入運(yùn)行自動(dòng)超聲波探傷裝置中，應(yīng)用*廣、數(shù)量*多
的是以壓電效應(yīng)為原理的自動(dòng)探傷裝置(即 PET 自動(dòng)探傷裝置)。國內(nèi)自寶鋼 5m 厚板廠 2002 年
成功引進(jìn)壓電式在線自動(dòng)超聲波探傷裝置以來，近年來新建的中厚板廠紛紛仿效。但壓電式超聲
波探傷裝置在使用過程中存在可探傷鋼板溫度范圍窄、探傷過程需消耗大量耦合水、探傷過程較
易受干擾出現(xiàn)誤判等問題，促使技術(shù)人員不斷尋求更適宜于中厚板的無損檢測新方式。
EMAT  探傷技術(shù)，即利用電磁超聲波進(jìn)行無損檢測的技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和磁性
材料技術(shù)的進(jìn)步，得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)已走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。在俄羅斯、烏克蘭、
土耳其和日本等地的中厚板廠已成功投產(chǎn)多余套 EMAT 自動(dòng)探傷裝置。這些 EMAT 自動(dòng)探傷裝
置的成功運(yùn)行，顯示出 EMAT 探傷技術(shù)在工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域可觀的發(fā)展前景。

2.  EMAT 探傷技術(shù)的基本原理

EMAT  探傷技術(shù)的核心是電磁超聲換能器(Electromagnetic  Acoustic  Transducer，簡稱
EMAT)。EMAT  是一種新型的超聲波發(fā)射和接收裝置。與傳統(tǒng)的壓電超聲換能器(Piezoelectric
Acoustic Transducer，簡稱 PET)靠壓電晶片的壓電效應(yīng)來發(fā)射和接收超聲波不同，EMAT 利用
電磁效應(yīng)發(fā)射和接收超聲波。
EMAT  的主要組成部分有三個(gè)：一是用于提供穩(wěn)恒磁場的永久磁鐵或電磁鐵，二是用于產(chǎn)
生高頻激發(fā)磁場的金屬線圈，三是被檢測工件。金屬線圈位于被檢測材料表面的穩(wěn)恒磁場中，當(dāng)
線圈內(nèi)通入交變電流時(shí)，被檢材料表面根據(jù)變壓器原理感應(yīng)出電流，電流在磁場中受洛侖茲力的
作用產(chǎn)生振蕩應(yīng)力波，形成超聲波波源。在接收超聲波時(shí)，導(dǎo)體表面在磁場中振蕩而在線圈中感
應(yīng)出電壓，上述轉(zhuǎn)換過程都是在材料的電磁趨膚層內(nèi)進(jìn)行的。從  EMAT  線圈接受來的信號(hào)電壓
通過低噪前置放大器放大并被發(fā)往信號(hào)處理部分，在那里信號(hào)被進(jìn)一步放大、過濾并發(fā)往波形數(shù)
字化電路。計(jì)算機(jī)測量信號(hào)到達(dá)時(shí)間和數(shù)字化信號(hào)的振幅且可計(jì)算鋼板的厚度，而這一過程在一
個(gè)設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)不斷的進(jìn)行以重復(fù)掃描并在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行顯示。
EMAT  不需要任何耦合介質(zhì)、不需要與被檢材料接觸就可向其中發(fā)射和接收超聲波，是一
種重復(fù)性很好的非接觸式超聲波發(fā)射和接收系統(tǒng)，但就其原理而言，電磁超聲檢測的對象必須是
能夠產(chǎn)生電磁聲波的材料。
圖 1 所示為自動(dòng)化的中厚板 EMAT 自動(dòng)探傷裝置簡易原理圖。這種超聲波探傷儀采用脈沖
反射式技術(shù)，是按照超聲波在兩個(gè)不同聲阻抗介質(zhì)的界面上將發(fā)生反射、反射能量的大小取決于
兩種介質(zhì)聲阻抗的差異大小以及界面的取向和大小的原理來設(shè)計(jì)的。通常，鋼板的內(nèi)部缺陷主要
包括分層、縮松、孔洞、夾雜、白點(diǎn)、氣泡、內(nèi)裂、偏析及嚴(yán)重粗晶等。如圖 1 所示，鋼板表面
產(chǎn)生的電磁超聲波在向鋼板內(nèi)部傳播的過程中當(dāng)遇到缺陷時(shí)，形成缺陷反射波，與板底反射波一
起被接收裝置捕捉并在回波器上以波形圖的形式顯示出來，據(jù)此可分析缺陷在鋼板內(nèi)的不同位置
和大小。
穩(wěn)恒磁場的方向、金屬線圈的幾何形狀以及脈沖電流的頻率共同決定產(chǎn)生的電磁超聲波的種
類。在磁場和線圈的不同組合模式下，EMAT 可產(chǎn)生縱波、橫波、表面波(也稱瑞利波)  和板波(也
稱蘭姆波)。值得指出的是，傳統(tǒng)的壓電超聲換能器因?yàn)楸仨毑捎盟�等耦合介質(zhì)，而液體和氣體
不能傳播橫波，所以壓電式超聲波探傷儀只能采用縱波，而  EMAT  探傷儀則可采用性能更優(yōu)的
檢測橫波。
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3.  中厚板 EMAT 自動(dòng)探傷裝置的技術(shù)特點(diǎn)

中厚板  EMAT  自動(dòng)探傷裝置分為在線和離線兩種布置形式，均可實(shí)現(xiàn)全板面探傷。在線
EMAT 探傷裝置采用鋼板本體探傷和邊部探傷相結(jié)合的復(fù)合探傷方式。探傷過程中，鋼板沿輥道
運(yùn)行，探傷裝置在原有位置保持固定。離線探傷裝置探傷過程中鋼板靜止，探頭在鋼板上表面沿
預(yù)定的軌跡移動(dòng)。
圖  2  所示為俄羅斯北方鋼鐵公司的在線  EMAT  自動(dòng)探傷裝置，其檢測的鋼板規(guī)格：寬度
1600~4800mm，厚度 10~50mm，長度 8~30m。

3.1   EMAT 自動(dòng)探傷裝置的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

探傷裝置由探傷裝置本體、探頭、檢測儀表設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、檢測過程控制系統(tǒng)
和輔助裝置組成。本文在此重點(diǎn)介紹探傷裝置本體以及探頭。

3.1.1  探傷裝置本體

目前國內(nèi)外已投產(chǎn)的 EMAT 自動(dòng)探傷裝置全部采用上置式結(jié)構(gòu)，即探傷裝置設(shè)置在鋼板運(yùn)
輸輥道上方。檢測探頭布置在一組探傷小車上，在線探傷裝置的探傷小車可沿橫跨輥道的鋼結(jié)構(gòu)
軌道運(yùn)行，從在線的工作工位可進(jìn)入輥道旁的維修工位。
檢測系統(tǒng)一般包括兩個(gè)部分，即板體檢測系統(tǒng)和縱向邊部檢測系統(tǒng)。此外，有極少數(shù)鋼廠設(shè)
有橫向邊部檢測系統(tǒng)。板體檢測系統(tǒng)一般包含兩排水平  EMAT  探頭組，兩排探頭以交叉形式布
置可獲得 100%探傷覆蓋率。根據(jù)板寬的不同，其板體探頭數(shù)量亦不同，以 5m 板寬為例，每排
設(shè) 39 個(gè)共 78 個(gè)探頭。邊部檢測系統(tǒng)有 2 組共 4 個(gè)探頭。每個(gè)探頭均可通過汽缸單獨(dú)升降，同
時(shí)可在一定范圍內(nèi)前后和左右微調(diào)，有利于針對不同的板形隨動(dòng)檢測。

3.1.2  探頭

 3.1.3  電氣及控制系統(tǒng)

4.1.3  EMAT 探傷速度快

在線 EMAT 自動(dòng)探傷裝置檢測鋼板的速度可達(dá)到 2m/s，PET 自動(dòng)探傷裝置檢測鋼板的*大
速度為 1m/s。
當(dāng)鋼板通過速度過快時(shí)，PET 探頭與鋼板表面之間會(huì)形成氣泡使耦合失效。而 EMAT 探傷
裝置沒有這方面的限制，可大大提高檢測速度，從而提高了探傷設(shè)備的生產(chǎn)效率。例如，EMAT
自動(dòng)探傷裝置針對 24m 長鋼板的一個(gè)探傷周期僅為 34s，而 PET 自動(dòng)探傷裝置檢測 12m 長的鋼
板的一個(gè)探傷周期就需要 40s。

4.1.4  EMAT 抗干擾性強(qiáng)

探傷裝置在工作過程中，可能會(huì)受到噪音、電磁、鋼板表面氧化鐵皮等雜物、探頭傾角隨機(jī)
偏離等各種干擾。
探傷過程中的噪音主要包括鋼板沿運(yùn)輸輥道運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的廣譜噪音，以及耦合水產(chǎn)生的混
響。EMAT 探傷裝置產(chǎn)生的橫波對前者不敏感，PET 探傷裝置的信號(hào)系統(tǒng)如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，也能夠
對這種廣譜噪音進(jìn)行處理，使其不影響探傷結(jié)果。后者只存在于  PET  探傷裝置的探傷過程中，
很可能導(dǎo)致誤判等錯(cuò)誤。所以必須要求探頭進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)、有良好的耦合水水質(zhì)和穩(wěn)定的供水
系統(tǒng)。
以 EMAT 和 PET 為基礎(chǔ)的探傷裝置都可以通過先進(jìn)的電子設(shè)備和信號(hào)處理系統(tǒng)，消除電磁
對探傷結(jié)果的干擾。
對 PET 探頭來說，鋼板表面的油漬、氧化鐵皮等雜物都會(huì)影響耦合效果和*終探傷結(jié)果。
此外，由于生產(chǎn)過程中鋼板外形的不穩(wěn)定性，使得經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行之后，PET 探頭表面的塑
料保護(hù)膜會(huì)有不同程度的磨損，以及探傷過程中探頭的隨機(jī)偏離，這些因素都會(huì)影響探頭與鋼板
表面的垂直度。而 PET 探頭與鋼板表面的傾角偏離 2~3º，就會(huì)造成鋼板中聲場的重大失真，缺
陷很容易失檢。對  EMAT  探頭來說，就不存在上述的問題。根據(jù)電磁效應(yīng)的原理，即使在探頭
與鋼板形成一定傾角的情況下，仍能保證超聲波發(fā)射和接收的方向垂直于鋼板表面。而探頭與鋼
板之間的氣墊層以及探頭外層的特殊陶瓷都能對探頭起到較好的保護(hù)作用。
如圖 3 所示，同等條件下，當(dāng)探頭相對原設(shè)定位置的傾角從 0º增加到 1º的過程中，EMAT
探頭發(fā)射的超聲波波幅保持不變，而 PET 探頭的波幅則下降 25dB。

4.1.5  EMAT 產(chǎn)生的聲波場更均勻

4.2   EMAT 探傷裝置的局限性

電磁超聲波產(chǎn)生的特點(diǎn)決定了 EMAT 探傷裝置的使用特性。EMAT 探傷裝置只能應(yīng)用于導(dǎo)
體和鐵磁性材料，對于不銹鋼中厚板，目前的  EMAT  探傷設(shè)備只能通過在對側(cè)墊普通鋼板的方
法，形成電磁場，從而對較薄的不銹鋼板進(jìn)行探傷。對一定厚度以上的不銹鋼板還無法實(shí)現(xiàn)電磁
超聲波探傷。
鋼板經(jīng)過電磁探傷后，會(huì)形成一定的滲磁效果，但與目前中厚板廠廣泛使用的電磁吸盤吊車
的滲磁影響相比，電磁探傷造成的滲磁程度較輕�？蓪τ谀承�對滲磁量有特殊要求的鋼板而言，
經(jīng)過電磁探傷后的成品板出廠前需進(jìn)行消磁處理。
由于電磁超聲波信號(hào)處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，EMAT探傷裝置需配備龐大的電氣系統(tǒng)，這使得EMAT
探傷儀更適合大型工業(yè)探測應(yīng)用，不適用于手動(dòng)探傷方式。
與 PET 探傷裝置相比，EMAT 所需的壓縮空氣耗量略大，一般對于探測*大板寬 4.9m 的
EMAT裝置，*大耗氣量達(dá)到40m /min，因而往往需要額外增加空氣壓縮機(jī)或儲(chǔ)氣罐來滿足其
用氣要求。

5.  結(jié)語

綜上所述，中厚板  EMAT  自動(dòng)探傷裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)中厚板  100%全板面的全自動(dòng)化和高
速檢測，檢測時(shí)還不需要耦合介質(zhì)，具備遠(yuǎn)程檢測和惡劣工作條件的檢測以及高溫下及表面粗糙
不平等工況下檢測等優(yōu)勢。
EMAT  自動(dòng)探傷裝置在國外鋼廠的成功應(yīng)用，已經(jīng)引起了國內(nèi)中厚板行業(yè)很多*技術(shù)人
員的關(guān)注。為更好的對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測控制，國內(nèi)湘潭鋼鐵公司的 5m 厚板項(xiàng)目已決定率先引
進(jìn)和使用該產(chǎn)品�？梢灶A(yù)見的是，未來  EMAT  探傷裝置的優(yōu)越性將會(huì)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，從
而改變國內(nèi)目前已形成的 PET 自動(dòng)探傷裝置在中厚板行業(yè)的壟斷局面。
但是，由于目前國內(nèi)中厚板行業(yè)執(zhí)行的超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)(GB2970-2002  和  GB11259-1999)
僅適用于壓電式超聲波探傷，而對于采用  EMAT  方式進(jìn)行中厚板產(chǎn)品的探傷檢測方法、對比試
塊、檢驗(yàn)儀器和設(shè)備、檢驗(yàn)條件與程序、缺陷的測試與評定、鋼板的質(zhì)量分級、檢驗(yàn)報(bào)告以及操
作人員培訓(xùn)等都沒有正式的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，尚待相關(guān)部門和工程技術(shù)人員盡快予以制定和完善。

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