文 | 李展鹏1, 汪开灿2, 许弄2

1.哈尔滨工业大学， 电子与电器可靠性研究所 2.零声科技（苏州）有限公司 

摘要：电磁超声技术是-种新型的超声无损检测技术 ， 相比千常规的压电超声技术具有非接触 、 无须耦合剂的特点 ， 在高 温 、 高速自动化检测领域具有良好的应用前景。 本文从在线检测 自动化以及结构健康监测3个方面 ， 梳理了目前国内电磁 超声技术的应用情况。 

关键词： 腐蚀检测，高温检测，健康监测，电磁超声

1 引言

超声检测技术 （UT）是-种重要的工业无损检测技术。 广泛应用于线材板材 管道以及压力容器等重要工业对 象的生产制造 现场安装和服役过程的质量安全检测当中。 按照超声波的产生方式来分类 ， 主流的超声检测技术主要包 括压电超声技术 电磁超声技术空气耦合技术和激光超 声技术。 其中 ， 压电超声技术应用最为广泛 ， 可以对金属材 料和非金属材料进行检测。 目前国内已经有大噩成熟的设备 在现场中使用 ， 发挥着重要的作用。

然而 ， 压电超声技术通常需要液态耦合剂 需要对丁件 表面进行打磨 ， 属千接触式检测。 由千耦合剂的挥发 ， 使得 压电超声技术难以应用千高温场景下的检测 如 化工厂中 高温管道的不停机腐蚀检测等。此外使用过程中表面打磨 ， 涂抹耦合剂降低了检测效率。 

电磁超声技术腐千非接触式测量 ， 检测过程中无须使用 耦合剂 探头与试件的距离可高达数毫米。 由千避免了探头 与试件的直接接触 ， 在高温检测中避免了探头温升导致的损 坏 而在自动化检测中则降低了探头与工件的碰撞几率。 此 外 随着脉冲功率技术数字信号处理技术的发展 ， 基千电 磁超声技术的常规检测设备也开始涌现 在常温 、 人工便携 式检测方面与压电超声设备形成竞争态势。 特别是在高温管 道腐蚀 裂纹检测方面 ， 非接触测量的特点使得电磁超声设

2 电磁超声换能器原理

电磁超声技术的核心是电磁超声 换能器（EI ectro magnet I c acoustic transducer, E MA T） 。EMAT通常由永磁体 、 线圈以 及被测试件本身构成 ， 如图1所示为典型的体波测厚传感器 示意图。 铁磁性材料中 EMAT共有三种作用机理 洛伦兹 力机理磁化力机理和磁致伸缩机理

EMAT通过洛伦兹力机理作用的原理如匼1所示。 当 EMAT线圈中通以高频交变电流时 由千电磁感应作用 ， 金 属试件表面会感应出同频涡流。 涡流在受静磁场作用下会产 生洛伦兹力。 洛伦兹力带动粒子的交变振动 ， 这种振动以波 的形式传播即产生了超声波。 由此可见 电磁超声技术是- 种直接在试件表面激发超声波的技术 试件本身就是声源 ， 因此使用时无需耦合剂。 这一点与压电超声技术首先从探头 中产生超声波 然后通过耦合剂把声波传递到试件内部有本质的不同。

图1电磁超声换能器基本原理 

EMAT接收超声波的过程与上述过程相反。 当超声波发 射至试件表面时 ， 由千质点振动而切割磁感线 ， 金黑表面产 生感应电动势 ， 进而产生涡流。 而涡流产生的交变磁场被 EMAT线圈拾获 ， 转变为电信号 完成超声波的接收。

3 电磁超声技术国内应用现状 

 3 . 1 在线检测应用现状

 超声测厚是对二件的腐蚀检测的常用手段 。 粗糙表面带油漆层 高温工件宜采用电磁超声技术进行腐蚀检测 。 适用千高温（1 oo~soo 0c） 检测是 电磁超声技术的- 大特色。目前国内以哈工大北二大沈工大武汉中科中国特检院等为代表 自主开发的电磁超声检测仪器已经具备800 °C以下金屈厚度检测能力 ， 部分产品技术指标已经达到国际先进水平[2-9] 。电站锅炉的水冷壁管 在潮湿 、 燃烧的环境下容易产生凹凸不平的腐蚀坑 ， 而且往往会在外表面凝结-层厚厚的垢压电超声通常需要打磨处理 ， 而电磁超声具备不打磨测厚能力。石化企业压力管道具有操作温度高工况复杂 、 运行风险高检测需求多检测周期短架空管道多管道分布密集以及介质多样化且具有很强的腐蚀性等特点 。 在长期服役中， 山千腐蚀 冲刷减薄等管道内部潜在的缺陷致使管道破损失效 ， 工业事故频繁发生 ， 不仅造成巨大的经济损失 ， 而且对社会和环境也带来了严蜇的后果 。 常规技术通常难以实现不停机在线检测 而电磁超声传感器能够耐受 soo0c以下高温 ， 解决了石油化丁管道不停机在线检测难题 。

图2电磁超声在线检测应用· 石油管道不停机在线检测、 高温铸管生产质量检测

3. 2 自动化检测应用现状

非接触 无须耦合剂的特点使得电磁超声技术非常适合用于自动化检测场呆 。 应用电磁超声技术的自动化检测包括 由机器人搭载EMAT的可移动自动化检测平台， 将EMAT安装在生产线上的固定自动化检测平台 。早在1990年前后 ， 北京钢铁总院的研究工作者就已经将电磁超声技术应用千钢板和钢棒的自动化检测 ， 实现了不清除气化皮的高速自动化探伤 为钢厂带来了可观的效益[10] 。 仅有少数单位具备定制化电磁超声自动检测设备的能力。部分钢厂引进国外设备 ， 价格和维护成本极高 。

对千诸如大型储罐、 核电管道等高空 高温 、 辐射或人类不可 达的其他作业环境 ， 移动式检测平台是有效的解决方案 。 通过设计带有磁力轮的爬行机器人 并搭载EMAT对数十米高的储罐进行检测是当前的研究热点 。 此外 在管道内部检测方面 ， 国内已经开发出名为 管道猪 的自动化检测设备 。 该设备通过搭载漏磁探头或EMAT 在管道内部爬行可以对管道进行全面的检测 。

图3电磁超卢自动化检测系统：某钢厂电磁超声自动化检测系统 、 带载EMAT的爬壁机器人

3 . 3 结构健康监测应用现状

《中国无损检测2025科技发展战略重点〉将 基于物 联网和大数据的无损检测与监测技术行业性应用 列为重点 方向该技术是指将先进的传感器长期甚至永久性地安装在 工件上（储罐、 管道、 大型钢结构等）持续地获取被测对象 的状态信息（腐蚀厚度、 裂纹状态等） ， 并将这些信息进行 整合 处理出关千结构健康状态、 剩余寿命等深层次信息。

图4结构健康监测系统示意图 

同样地 ， 电磁超声技术的优势在千能够应用千高温场景下的结构健康监测 ， 如 化工厂的高温运输管道和热变换炉 锅炉厂的高温炉等 。 南京锅炉压力容器 检验研究院 ， 研发了-种高温承压设备健康系统 利用电磁超声技术实时监测热 变换炉的剩余厚度以评估设备的的损伤态势 预计剩余寿命 。 此外 ， 国内企业研 发的高温腐蚀监测系统 ， 采用电磁超声技术实现了对高温二件的非侵入式测蛋 ， 最高测量温度为300°c, 单个模块能够持续二作3-5年 ， 系统接入模块数量不受 限制 。 该系统采用先进的物联网技术 ， 检测人员足不出户便能实时监测危险环境 下的设备安全状态 。

4结论与展望

电磁超声技术在高温 高速自动化检测领域具有足够的技术优势在常规在 役设备检测上具备很大的应用潜力 。 电磁超声自动化检测技术和在线结构健康监测技术是近年来兴起的技术 随着工业物联网 大数据和人工智能技术 的结合 ， 发展迅猛 。 随看电磁超声技术 的不断发展 ， 必将提升我国工业检测水 平 提高工业设备运营安全 。 

参考文献： 

[1]王淑娟， 康磊， 翟国富。 电磁超声换能器的研究进展 综述［J]. 仪表技术与传感器， 2006, 5, 47-50. 

[2] 业成，文耀华，张伯君，姜君，季尧杰，雒相 .一 种高温承压设备健康监测装置的设计 [J].化学工程与装 备，2020（02），176-178. 

[3] 徐科。 高温铸坏表面在线检测技术的开发与应用 [A]. 中国金属学会。 2014年全国炼钢-连铸生产技术会论文 集[C]. 中国金属学会：中国金屈学会， 2014,6. 

[4] 刘会，彬郑阳， 王锋淮， 等。 温度对奥氏体不锈钢 材料电磁超声检测的影响研究［J]. 测试技术学报， 2018, 32（04）， 329-334. 

[5]F. Hernandez-Valle, S. Dixon. Preliminary Tests to Design an EMAT with Pulsed Electromagnet for High Temperature[J]. Ultrasonic Flaw Detection for Technicians, 2011, 53（2）， 96-99. 

[6]Y. Iizukal, Y. Awajiya. High Sensitivity EMAT System usi顶r Chirp Pulse Compression and Its Application to Crater End Det础on in Continuous Ca的咄J]. Journal of Physics, Conference Series, 2014, 1-4. 

[7]S .E. Burrows, Y. Fan, S. Dixon. H昢 temperature thickness measurements of stainless steel and low car切n steel using electromagnetic acou的C transducers[J]. NDT&E International, 2014, 68, 73-77. 

[8]K. Mar团， C. 巨ang, M. Abbas, et al. Electromagnetic Acoustic Transducers Applied to High Temperature Plates for Potential Use in the Solar Thermal Industry[J]. Renewable Energy, 2015, 5, 1715-1734. 

[9]K. Maria, T. Gan, W. Balachandran, et al. High Temperature Shear Horizontal Electromagnetic Acoustic Transducer for Guided Wave lnspection[J]. Sensors, 2016, 16（4）， 582-598. 

[10]张广纯。电磁声技术的进展与应用 [J].无损检 测，1990, 12（04）， 103-105+ 111.