電磁超聲換能器機(jī)理研究及其在管道檢測中的應(yīng)用探索.pdf

1、石油天然氣的管道輸送在國民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的戰(zhàn)略地位，其基本要求是保證其安全、高效地運(yùn)行，因而需要定期或不定期地對在役管道進(jìn)行檢測以評價(jià)其安全性。工業(yè)發(fā)達(dá)國家均非常重視油氣管道檢測技術(shù)的研究和開發(fā)。目前我國在役管道約二萬公里，隨著我國海上油氣資源的開發(fā)及“西氣東輸”工程的投資，管道檢測技術(shù)的需求將變得越來越迫切。 目前世界各國已研制出漏磁法、超聲法、渦流法、電磁超聲、X射線等不同原理的管道無損檢測器，并配以先進(jìn)的信號處理和數(shù)據(jù)

2、存貯系統(tǒng)，可以檢測管道壁厚變化、腐蝕坑、裂紋及所承受的應(yīng)力等，并進(jìn)行缺陷的大地定位。這些檢測方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同特點(diǎn)的檢測。其中電磁超聲技術(shù)以其精度高、不需要耦合劑、非接觸、適合于高溫檢測、移動檢測和相控陣操作，以及容易激發(fā)各種超聲波型等優(yōu)點(diǎn)，正越來越受到人們的關(guān)注和重視。其缺點(diǎn)為換能效率低，信號微弱，這是檢測中要克服的主要困難之一。 電磁超聲換能器(ElectromagneticAcoustic/UltrasonicTr

3、ansducer,EMAT)的理論基礎(chǔ)主要是兩種效應(yīng)，一種是洛倫茲力，另一種是磁致伸縮。當(dāng)一載有交變激勵(lì)電流的線圈靠近被測金屬表面時(shí)，將在金屬內(nèi)感應(yīng)出渦流，若此時(shí)存在一個(gè)靜態(tài)偏置磁場，由于洛倫茲機(jī)制將在金屬中產(chǎn)生交變的作用力，這種變化的力將激發(fā)出超聲波。基于磁致伸縮機(jī)制的EMAT僅適用鐵磁質(zhì)或磁性材料的檢測。同時(shí)EMAT為一個(gè)可逆的換能器，它可用來接收超聲波。 論文在回顧多年來EMAT技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，對

4、EMAT的電-聲換能機(jī)理進(jìn)行了探討，根據(jù)EMAT的作用過程，將一個(gè)完整的EMAT分為三個(gè)關(guān)聯(lián)的場：電磁場、作用力場和超聲波場，根據(jù)媒質(zhì)磁化的Ampère模型和系統(tǒng)動量定律，推導(dǎo)了與EMAT有關(guān)的電磁場方程和彈性動力學(xué)方程式，給出了EMAT系統(tǒng)的動能力表達(dá)式，同時(shí)還推導(dǎo)了EMAT的電磁和應(yīng)力邊界條件。 論文采用殘數(shù)加權(quán)有限元方法對電動力學(xué)方程及彈性動力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值求解，仿真了檢測試樣中脈沖電渦流的分布。同時(shí)將這些求解得到的電渦流

5、分布與彈性動力學(xué)方程式相耦合，仿真得到了各向同性線性媒質(zhì)中的瞬態(tài)超聲波。為了減小編程的復(fù)雜度和程序計(jì)算時(shí)間，文中采用有限元和有限時(shí)間步的計(jì)算方法求解二維場中電動力學(xué)和聲學(xué)波動方程。在分析仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上討論了材料特性、結(jié)構(gòu)參數(shù)等對EMAT性能影響，研究了考慮源電流分均勻分布的EMAT有限元算法。同時(shí)，文中還對磁致伸縮產(chǎn)生超聲進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，推導(dǎo)了產(chǎn)生Lamb波的與磁致伸縮力有關(guān)的磁致伸縮應(yīng)變系數(shù)的計(jì)算方法，分析了偏置磁場的幅值及加磁方向

6、對EMAT性能的影響。結(jié)果表明，在鐵磁材料檢測中偏置磁場的方向和幅值會極大地影響所產(chǎn)生的超聲波的幅度，這一點(diǎn)在隨后的實(shí)驗(yàn)研究中加以驗(yàn)證。 在前述理論分析的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了EMAT的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及相應(yīng)的電路，制作了實(shí)驗(yàn)用的EMAT換能器，并從電路原理的角度分析了EMAT的等效電路模型，給出了EMAT的阻抗測量和匹配方法，特別是傳輸線變壓器在EMAT阻抗匹配中有應(yīng)用。在鋼板和不同管徑的鋼管上進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，分析了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，驗(yàn)證了EM