一种管道缺陷检测的电磁超声探伤方法及装置与流程

本发明涉及电磁超声导波检测技术设置领域，具体涉及一种管道缺陷的电磁超声检测方法及装置，可用于各类金属管道缺陷和裂纹的无损检测。

背景技术：

金属管道广泛应用于石油、化工、天然气、核电等工业生产以及热力、输水等日常生活中。受内部介质、应力集中等众多因素的影响，金属管道容易产生腐蚀、裂纹等缺陷，导致油、气、水等泄漏，不但会带来环境污染，甚至引发安全事故。所以，进行金属管道状态的无损检测和评估具有实际工程价值。

超声导波检测技术属于新兴的无损检测技术，通过单点激励即可实现长距离检测，而且检测速度快，使用方便。利用常规压电探头的导波检测系统进行管道检测，需要使用液体耦合剂，而且对管道表面要求较高。因此，利用电磁超声导波检测装置，可在一定提离范围内实现非接触式的导波检测。

中国专利cn201810331494公开了圆形管道外检测电磁超声探伤换能器结构，包括固定板、磁铁、保护筒、线圈；磁铁为周向三等分组合成的空心圆柱状的磁铁，保护筒位于磁铁环形内部并与磁铁内壁紧贴，保护筒内设有环形的线圈，线圈的导线为等间距蛇形排列，相邻导线的电流方向相反。对线圈通以交变电流，在工件近表面内部形成涡流；磁铁产生偏置磁场，在偏置磁场的作用下，交变涡流受到交变洛伦兹力；涡流质点在交变洛伦兹力的作用下，形成机械振动，产生超声波进而对管道有无损伤的判定。

中国专利cn201810395271公开了一种管用柔性电磁超声导波传感器及检测方法，该传感器由一跑道型脉冲偏置磁场线圈、一回折型电磁超声激励线圈、一回折型电磁超声接收线圈和柔性保护层组成。首先将传感器系于被测管道壁一周，通过在偏置磁场线圈中通入矩形脉冲电流产生脉冲偏置磁场，在电磁超声激励线圈中通入大功率射频电流，实现超声导波的非接触激发和接收。

中国专利cn104122330b公开了一种基于电磁超声纵向导波的管道缺陷检测方法，包括设置多个与管道同轴布置的环形磁铁，在管道表面上的产生径向静态磁场；在各环线磁铁阵列的两侧同轴套设螺线管线圈，使得待检测管道中产生周向感应涡流；在周向感应涡流和径向静态磁场的共同作用下，从而激励出纵向模态导波。该发明中需要使用多组永磁铁，而且多个螺线管线圈之间电流方向不同，产生的涡流易互扰。

但目前用于管道缺陷检测的电磁超声探伤装置主要存在两个方面的不足。第一，采用刚性磁铁提供偏置磁场，探头体积大；第二，所激励的涡流方向均是交替分布，相邻涡流方向相反，易造成互扰，影响超声波激励效果。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种管道缺陷的电磁超声检测方法与装置。该装置和方法利用多个直流线圈交错通以直流电流时，产生沿管道方向交替分布的径向静磁场；再利用多个交流线圈产生方向一致的周向涡流；其中，周向涡流与径向静磁场作用产生轴向交变洛伦兹力。利用方向交替分布的轴向交变洛伦兹力，沿管道方向激励出电磁超声纵向导波。该方法与装置中，所使用的多个交流线圈所产生的周向涡流方向均一致，避免了现有方法中利用蛇形线圈（回折线圈）产生交替分布的涡流。

本发明的一个目的是提供一种管道缺陷的电磁超声检测方法，该方法包括：

在待测金属管道上套设有多个交流线圈；多个交流线圈1均与待测金属管道同轴分布，并且等间距均匀排列；多个交流线圈之间同向串联或同向并联，用于在待测金属管道中产生方向一致的周向涡流。

在待测金属管道上套设有多个直流线圈，多个直流线圈均与待测金属管道同轴分布，并且等间距均匀排列；多个直流线圈之间，按所排列的顺序依次反相串联或绕向相反，这样可以使任意相邻的两个直流线圈极性相反。

对多个直流线圈同时施加直流电流；由于任意相邻的两个直流线圈极性相反，则根据环形线圈的静态磁场分布规律，相邻两个直流线圈之间区域为径向静态磁场，且径向静态磁场的方向沿管道交替分布。

再对多个交流线圈同时施加脉冲正弦激励，在待测管道中产生方向一致的周向涡流。

该方向一致的周向涡流与方向交替分布的径向静态磁场发生作用，在相邻两个直流线圈之间区域的管道产生方向交替分布的轴向交变洛伦兹力；

本发明中，将相邻的两个交流线圈的中心间距等于所激励超声波波长的1/2，相邻的两个直流线圈的中心间距也等于所激励超声波波长的1/2；并且交流线圈与直流线圈均匀交替分布。这样，方向交替分布的轴向交变洛伦兹力满足超声波相长干涉的匹配关系，从而在管壁激励出该波长的电磁超声纵向导波。

所激发的纵向导波沿管壁向待测金属管道两端传播，若遇到缺陷会产生回波，该回波会被交流线圈重新拾取。通过对回波强度及返回时间的分析，可以对待测金属管道内缺陷的大小及位置进行评估。

该方法可以用于从管道外部检测缺陷。此时，交流线圈和直流线圈的内径大于待测金属管道外径，多个交流线圈和直流线圈均可等距地套设于待测金属管道之外。

该方法也可以用于从管道内部检测缺陷。此时，交流线圈和直流线圈的外径小于待测金属管道内径，多个交流线圈和直流线圈均可等距地嵌入在待测金属管道之内。

本发明的另一个目的是提供一种管道缺陷的电磁超声检测装置，用于套设在管道外部检测缺陷（简称外置装置），该外置装置包括：交流线圈、直流线圈、外壳、内骨架、接线器，其中，

外壳为中空圆柱壳体，交流线圈、直流线圈、内骨架、接线器均装配于外壳内部；在具体安装上，外壳可以采用两个半圆柱壳体相互套接而成，也可以采用在一个端面处设置圆形盖板。在外壳的两端，均设有圆形开口；待测金属管道可通过圆形开口从壳体的中心穿过。

内骨架为绝缘材料的圆柱管体，其内径略大于待测金属管道外径，且同轴套设于金属管道外表面；

在内骨架上均匀地开有多个环形的线槽；线槽之间的中心间距为所激发超声波波长的1/4。

直流线圈有多个，其匝数相同，分别绕制在线槽内；每间隔一个线槽绕制一个直流线圈，使相邻的两个直流线圈的中心间距等于所激励超声波波长的1/2。

交流线圈有多个，其匝数相同，分别绕制直流线圈之间的空线槽内，使相邻的两个交流线圈的中心间距也等于所激励超声波波长的1/2。

接线器固定在内骨架上，用于对线槽内的线圈进行电路连接，其中，所有交流线圈同向串联或同向并联；而相邻两个直流线圈之间反相串联，这样可以使任意相邻的两个直流线圈的极性相反。

该外置装置工作时，对直流线圈先通以直流电流，产生静态磁场从外部对待测管道进行磁化。在相邻两个直流线圈之间区域为径向静态磁场，且径向静态磁场的方向沿管道交替分布；

再对交流线圈通以脉冲正弦激励，产生方向一致的周向涡流；该周向涡流在径向静态磁场的作用下，在管壁产生方向交替分布的轴向交变洛伦兹力，从而激励出电磁超声纵向导波。本发明的外置装置可以设置为自发自收模式，当所述纵向导波沿管道轴线向管道两端传输，若遇到缺陷会产生回波，该回波会被交流线圈重新拾取。本发明的外置装置也可以设置为一发一收模式，在待测金属管道上再套设另一台外置装置，用于接收电磁超声纵向导波。通过对拾取的超声波强度及作用时间的分析，可以对待测金属管道内缺陷的大小及位置进行评估。

本发明的又一个目的是提供一种管道缺陷的电磁超声检测装置，用于设置在管道内部检测缺陷（简称内置装置）。该内置装置包括：交流线圈、直流线圈、接线器、盖板、外套、抽送杆、内芯，其中，

外套为绝缘材料的中空薄壁圆柱管，其外径略小于待测金属管道内径，可灵活嵌入待测金属管道中。

抽送杆为长杆，与外套的一个端面相连，用于将该内置装置沿轴向方向送入待测管道内部。

盖板设置在外套的另一个端面，用于对外套形成封闭安装。

内芯为绝缘材料的圆柱管体，内芯的外径小于外套内径，且同轴嵌入外套中；在内芯上均匀地开有多个环形的线槽；线槽之间的中心间距为所激发超声波波长的1/4。

直流线圈有多个，其匝数相同，分别绕制在线槽内；每间隔一个线槽绕制一个直流线圈，使相邻的两个直流线圈的中心间距等于所激励超声波波长的1/2。

交流线圈有多个，其匝数相同，分别绕制直流线圈之间的线槽内，使相邻的两个交流线圈的中心间距也等于所激励超声波波长的1/2。

接线器固定在外套或内芯上，用于对线槽内的线圈进行电路连接，其中，所有交流线圈同向串联或同向并联；而相邻两个直流线圈之间反相串联，这样可以使任意相邻的两个直流线圈的极性相反。

该内置装置工作时，对直流线圈先通以直流电流，产生静态磁场从内部对待测管道进行磁化。在相邻两个直流线圈之间区域为径向静态磁场，且径向静态磁场的方向沿管道交替分布；

再对交流线圈通以脉冲正弦激励，产生方向一致的周向涡流；该周向涡流在径向静态磁场的作用下，在管壁产生方向交替分布的轴向交变洛伦兹力，从而激励出电磁超声纵向导波。该内置装置同样可以设置为自发自收模式或一发一收模式，通过对拾取的超声波（含回波）强度及作用时间的分析，可以对待测金属管道内缺陷的大小及位置进行评估。

本发明的有益效果是：本发明的一种管道缺陷的电磁超声检测方法与装置，通过等间距布置于管道轴向的多个直流线圈，产生方向沿管道交替分布的径向静磁场。再通过多个交流线圈产生方向一致的周向涡流。周向涡流与径向静磁场作用产生沿管道交替分布的轴向交变洛伦兹力。利用交替分布的轴向交变洛伦兹力，在管壁内激励出沿管道轴向传播的电磁超声纵向导波。该方法与装置，一方面无需使用刚性永磁铁来提供偏置磁场，减小了装置的体积，降低了装置复杂度；另一方面使用了方向一致的周向涡流，避免了现有方法中相邻涡流方向相反、易造成互扰的问题。

附图说明

图1是本发明实施例一的原理示意图；

图2是本发明实施例一中管壁受力的示意图（轴截面）；

图3是本发明实施例二的结构示意图（轴截面）；

图4是本发明实施例二的端面图；

图5是本发明实施例三的结构示意图（轴截面）；

图中各部件的标记说明：1、交流线圈；2、直流线圈；3、外壳；4、内骨架；5、接线器；6、盖板；7、线槽；8、外套；9、抽送杆；10、内芯；11、待测金属管道。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述发明内容做进一步说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

实施例一

参见图1，为本发明实施例一的原理示意图，提供一种管道缺陷的电磁超声检测方法，该方法包括：

在待测金属管道11上套设有6~10个交流线圈1；多个交流线圈1均与待测金属管道同轴分布，并且等间距均匀排列，任意两个相邻交流线圈1之间的中心距为所激发超声波波长的1/2；多个交流线圈1之间同向串联或同向并联，用于在待测金属管道中产生方向一致的周向涡流。

在待测金属管道上再套设有6~10个直流线圈2，多个直流线圈2均与待测金属管道同轴分布，并且等间距均匀排列。任意两个相邻直流线圈2之间的中心距为所激发超声波波长的1/2，并且交流线圈1与直流线圈2均匀交替分布。多个直流线圈2之间，按所排列的顺序依次反相串联或绕向相反，这样可以使任意相邻的两个直流线圈2极性相反。

对多个直流线圈2施加直流电流，以对待测金属管道进行磁化。参见图1，任意相邻的两个直流线圈2的直流电流方向相反。再对交流线圈1施加脉冲正弦激励，在待测金属管道中产生方向一致的周向涡流。

参见图2，是本发明一种管道缺陷的电磁超声检测方法中管壁受力的示意图；根据电流方向交错分布的直流线圈2的静态磁场分布规律，在相邻两个直流线圈2之间区域为径向静态磁场，且径向静态磁场的方向沿待测金属管道交替分布。周向涡流与径向静态磁场发生作用，使得相邻两个直流线圈之间区域的待测金属管道产生轴向交变洛伦兹力。

由于在本发明中，相邻的两个直流线圈2的中心间距等于所设计激励超声波波长的1/2，因此交替分布的轴向交变洛伦兹力满足超声波相长干涉的匹配关系，从而在管壁激励出所设计波长的电磁超声纵向导波。

在本实施例中，可将交流线圈1和直流线圈2置于待测金属管道一端，所激发的纵向导波沿管壁向另一端传播。若在管壁遇到缺陷会产生回波，该回波会被交流线圈1重新拾取。通过对回波强度及返回时间的分析，可以对待测金属管道内缺陷的大小及位置进行评估。

实施例二

参见图3，提供了一种管道缺陷的电磁超声检测装置，用于套设在待测金属管道外部检测缺陷。在该实施例二中，待测金属管道11为铝管，外径50mm，壁厚5mm。

该检测装置包括：交流线圈1、直流线圈2、外壳3、内骨架4、接线器5、盖板6，其中，

外壳3为铝合金材质的中空圆柱壳体，外径80mm，长50mm，用于为检测装置提供保护和电磁屏蔽；在外壳3的一个端面处设有直径为58mm圆形开口，另一个端面处设置有圆形的盖板6。

内骨架4为绝缘材料的中空薄壁圆柱管，长50mm，外径62mm，内径54mm，同轴套设于待测金属管道外表面；内骨架4两端头的外径为58mm，用于与外壳3及盖板6配合成封闭的圆柱壳体。

在内骨架4上均匀地开有15个环形的线槽7，每个线槽宽1.8mm、深2.5mm；线槽7之间的中心间距为2.5mm，对应所激发超声波波长为10mm。

直流线圈2有8个，分别用直径ф0.5mm的铜质漆包线绕制在线槽7内，每个线圈绕制16匝；每间隔一个线槽7绕制一个直流线圈2，使相邻的两个直流线圈2的中心间距为5mm。

交流线圈1有7个，分别用直径ф0.6mm的铜质漆包线绕制在线槽7内，每个线圈绕制12匝；分别绕制直流线圈2之间的线槽7内，使相邻的两个交流线圈1的中心间距为5mm。

接线器5固定在内骨架4上，对15个线槽7内的线圈进行电路连接，其中，所有交流线圈1同向串联或同向并联；而相邻两个直流线圈2之间反相串联，以使任意相邻的两个直流线圈2的极性相反。

盖板6为铝合金材质的圆形板，外径80mm，厚5mm，中心处设有直径为58mm圆形开口。将上述部件装入外壳3中后，用盖板6封闭外壳3的端面，并用螺丝紧固。

参见图4，在本实施例工作之前，先将待测金属管道通过外壳3端面和盖板6上的圆形开口，从内骨架4的中心穿过。

然后，对直流线圈2先通以1.5a的直流电流，以产生静态磁场从外部对待测金属管道进行磁化。很明显，在相邻两个直流线圈2之间区域为径向静态磁场，且径向静态磁场的方向沿待测金属管道交替分布。

再对交流线圈1通以脉冲正弦激励，该脉冲正弦激励峰值为4a、频率290khz、脉冲个数为5；该脉冲正弦激励在待测金属管道的管壁上感应出方向一致的周向涡流。该周向涡流在径向静态磁场的作用下，在管壁产生方向交替分布的轴向交变洛伦兹力，从而激励出290khz的电磁超声纵向导波。

该纵向导波沿待测金属管道向两端传输，若遇到缺陷会产生回波，该回波会被交流线圈1重新拾取。可通过对超声波回波强度设置阈值，该阈值为需检测最小缺陷所对应的超声波回波强度。当实测的超声波回波强度大于阈值时，即可判断该待测金属管道内存在缺陷；再根据超声波回波作用时间t，可计算该缺陷的位置（即相对于本检测装置的距离）。

实施例三

参见图5，提供了一种管道缺陷的电磁超声检测装置，用于设置管道内部进行检测缺陷。在该实施例三中，待测金属管道11为铝管，外径70mm，壁厚5mm，内径60mm，。

该检测装置包括：交流线圈1、直流线圈2、接线器5、盖板6、外套8、抽送杆9、内芯10，其中，

外套8为绝缘材料的中空薄壁圆柱管，外径56mm，内径54mm，长50mm，可灵活嵌入待测金属管道中。

抽送杆9为中空长杆，长1m，外径25mm，内径10mm；抽送杆9与外套8的一个端面相连，用于将该检测装置沿轴向方向送入待测金属管道内部；

盖板6为绝缘材料的圆形板，外径56mm，厚5mm；设置在外套8的另一个端面，用于封闭外套8的端面，并用螺丝紧固。

内芯10为绝缘材料的中空圆柱管，长40mm，外径54mm，内径10mm，同轴嵌入外套8中；在内芯10上均匀地开有15个环形的线槽7，每个线槽宽1.8mm、深2.5mm；线槽7之间的中心间距为2.5mm，对应所激发超声波波长为10mm。内芯10的中空圆孔与抽送杆9中空圆孔相通，用于将交流线圈1和直流线圈2的导线引出。

直流线圈2有8个，分别用直径ф0.5mm的铜质漆包线绕制在线槽7内，每个线圈绕制16匝；每间隔一个线槽7绕制一个直流线圈2，使相邻的两个直流线圈2的中心间距为5mm。

交流线圈1有7个，分别用直径ф0.6mm的铜质漆包线绕制在线槽7内，每个线圈绕制12匝；分别绕制直流线圈2之间的线槽7内，使相邻的两个交流线圈1的中心间距为5mm。

接线器5固定在内芯10上，用于对线槽7内的线圈进行电路连接，其中，所有交流线圈1串联或并联为同向；而相邻两个直流线圈2之间反相串联，这样可以使任意相邻的两个直流线圈2的极性相反。

在本实施例工作之前，先利用抽送杆9将该检测装置沿轴向方向送入待测金属管道内部。

然后，对直流线圈2先通以1.5a的直流电流，以产生静态磁场从内部对待测金属管道进行磁化。很明显，在相邻两个直流线圈2之间区域为径向静态磁场，且径向静态磁场的方向沿待测金属管道交替分布。

再对交流线圈1通以脉冲正弦激励，该脉冲正弦激励峰值为4a、频率290khz、脉冲个数为5；该脉冲正弦激励在待测金属管道的管壁上感应出方向一致的周向涡流。该周向涡流在径向静态磁场的作用下，在管壁内部产生方向交替分布的轴向交变洛伦兹力，从而激励出290khz的电磁超声纵向导波。

该纵向导波沿待测金属管道向两端传输，若遇到缺陷会产生回波，该回波会被交流线圈1重新拾取。可通过对超声波回波强度设置阈值，该阈值为需检测最小缺陷所对应的超声波回波强度。当实测的超声波回波强度大于阈值时，即可判断该待测金属管道内存在缺陷；再根据超声波回波作用时间t，可计算该缺陷的位置。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。