用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置

本发明涉及超声无损检测，特别涉及电磁超声传感器，具体为用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置。

背景技术：

1、管道运输在石油、化工、电力等行业的发展及运营过程中起着重要的作用。在铺设厂区管道时，为便于运输且节省空间，需利用支撑支架将管道架设在一定高度的位置，同时，为防止流体对管道造成的冲击与振动，并预防管道下垂或倒塌，增强管道系统运输的稳定性、可靠性，在役管道需每隔一定距离设置支撑支架，并将支撑支架与管道外壁焊接在一起。在生产运营时，因流体冲刷、介质腐蚀、内部高压等原因，管道的被支撑支架遮挡住的区域极易出现腐蚀、穿孔、开裂等缺陷，为避免管道上的缺陷对工业生产、社会安全造成危害，需对管道进行定期检测维护。

2、电磁超声传感器由于具有非接触、无需打磨、易于激发多种振动模式的优点而被广泛应用于金属管道检测中。现有的单个阵元传感器激励出的导波能量较弱，无法对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测。现有的由多个阵元传感器组成的环形阵列传感器激励出的导波能量沿管道周向均布，导致声束角极大（可达360°）、能量分散、信号幅值小，经过支撑支架后其信号幅值又被减弱，造成有用信号不明显，易被当成杂波处理，从而引起检测结果的误判；其次，环形阵列传感器只能判断出缺陷的轴向位置，而无法确定缺陷的周向位置，导致缺陷定位不准；同时，由于工厂设备排布密集，管道周围可能会被其它管道或阀门遮挡住，导致无法安装环形阵列传感器；另外，环形阵列传感器需要较多个阵元传感器，导致制造成本偏高，故目前也暂无合适的技术能对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有的单个阵元传感器和环形阵列传感器均无法对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测的问题，故提供了一种新的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置。

2、本发明是采用如下技术方案实现的：

3、用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈以及压于跑道型线圈上部且与跑道型线圈相适配的两组阵列永磁体，两组阵列永磁体沿跑道型线圈的横向方向并排布置，每组阵列永磁体均包括多个沿跑道型线圈的纵向方向并排布置的磁块，三个跑道型线圈沿跑道型线圈的横向方向呈一字型并排布置且互连后构成t模态导波发射线圈，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块的磁极均交替布置。

4、原理说明：三个阵元传感器的每个阵元传感器中的阵列永磁体的磁感线均沿着y方向形成静态磁场，阵列永磁体的磁场在上下方向中交替存在，将电流通入阵列永磁体下的跑道型线圈，跑道型线圈周围会产生z方向的动态磁场，管道由于受到动态磁场的影响，在靠近跑道型线圈处的管道集肤深度内会产生涡流，跑道型线圈两边的涡流方向相反，管道在静态磁场、动态磁场与涡流的共同影响下，便会在圆周方向形成方向一致的洛伦兹力fl，在洛伦兹力fl的作用下，沿管道的圆周方向上的每个横截面都保持不变，并围绕管道圆心旋转，而沿管道轴线方向的位移为零，以这种方式传播的模态称为扭转模态，即t模态。本发明采用的三个阵元传感器的洛伦兹力fl干涉叠加，产生更强的导波能量，同时三个阵元传感器依旧保持了较窄的声束角度，相较于单个阵元传感器约18°的声束角，三个阵元传感器仅增大了2°，使得激励的导波能量主要集中在三个阵元传感器的中心轴线位置，激励的信号幅值增大了两倍，极大地提高了激发能量。

5、用于管道轴向检测缺陷的装置，包括两个窄声束电磁超声传感器、上位机、电磁超声检测仪，两个窄声束电磁超声传感器分别为窄声束电磁超声激励传感器、窄声束电磁超声接收传感器，窄声束电磁超声激励传感器、窄声束电磁超声接收传感器均包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈以及压于跑道型线圈上部且与跑道型线圈相适配的两组阵列永磁体，两组阵列永磁体沿跑道型线圈的横向方向并排布置，每组阵列永磁体均包括多个沿跑道型线圈的纵向方向并排布置的磁块，三个跑道型线圈沿跑道型线圈的横向方向呈一字型并排布置且互连后构成t模态导波发射线圈，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块的磁极均交替布置，窄声束电磁超声激励传感器与窄声束电磁超声接收传感器在使用时沿跑道型线圈的纵向方向呈一字型布置，窄声束电磁超声激励传感器与电磁超声检测仪的激励端口连接，窄声束电磁超声接收传感器与电磁超声检测仪的接收端口连接，电磁超声检测仪的通讯端口与上位机连接，上位机用于给电磁超声检测仪发送命令信号（命令信号为激发频率、激发周期、激发电压、接收增益等参数）以及接收、存储电磁超声检测仪发送的数字信号并将该数字信号转化为时域信号图。

6、使用时，将窄声束电磁超声激励传感器与窄声束电磁超声接收传感器呈一字型吸附于管道外壁的某一位置且其跑道型线圈的纵向方向与管道轴向的布置方向一致。检测时，电磁超声检测仪激发窄声束电磁超声激励传感器，在管道中产生t模态超声导波，然后窄声束电磁超声接收传感器再接收检测回波，经电磁超声检测仪进行放大、滤波处理后离散化为数字信号，再将该数字信号传输至上位机，上位机将该数字信号转化为时域信号图，通过时域信号图来判断轴向检测的缺陷信息，当对该位置对应的轴向缺陷检测完成后，再同时转动窄声束电磁超声激励传感器、窄声束电磁超声接收传感器至另一位置，对该位置对应的轴向缺陷进行检测，直至完成对管道的包括被支撑支架遮挡的所有缺陷的轴向检测。该种检测方法能相对准确地快速判断出管道缺陷的周向及轴向位置。

7、本发明所产生的有益效果如下：采用本发明中的窄声束电磁超声传感器进行管道轴向检测，保持了较窄的声束角度，激励的导波能量主要集中在传感器的中心轴线位置，使得激励的信号幅值相对于单阵元传感器增大了两倍，可对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测；同时，该传感器适用场合广，即使管道周围被其它管道或阀门遮挡住，该传感器仍可对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测；其次，该传感器的制造成本相比环形阵列传感器的制造成本要低；另外，该传感器能快速且准确地判断出管道缺陷的轴向及周向位置。

技术特征：

1.用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，其特征在于，包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈（8）以及压于跑道型线圈（8）上部且与跑道型线圈（8）相适配的两组阵列永磁体，两组阵列永磁体沿跑道型线圈（8）的横向方向并排布置，每组阵列永磁体均包括多个沿跑道型线圈（8）的纵向方向并排布置的磁块（9），三个跑道型线圈（8）沿跑道型线圈（8）的横向方向呈一字型并排布置且互连构成t模态导波发射线圈，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块（9）的磁极均交替布置。

2.根据权利要求1所述的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，其特征在于，三个跑道型线圈（8）互连后接于总接线端口（11）。

3.根据权利要求2所述的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，其特征在于，该电磁超声传感器还包括用于固定放置三个阵元传感器的方形壳体，方形壳体的底壁为与管道（1）外壁相适配的金属薄壳体，跑道型线圈（8）的纵向布置方向与管道（1）的轴向方向平行，方形壳体上设有便于将总接线端口（11）置于方形壳体外部的穿线孔。

4.根据权利要求3所述的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，其特征在于，方形壳体包括其开口向下的桶体状的上壳体（6）、其开口向上的桶体状的下壳体（7），下壳体（7）的底壁为与管道（1）外壁相适配的弧面，上壳体（6）的顶壁的下表面的位于四个侧壁内侧的部分均垂直固定有用于将三个阵元传感器压紧于上壳体（6）与下壳体（7）之间的压条（10），上壳体（6）的四个角上均设有上连接孔，下壳体（7）的四个角上均设有下连接孔，紧定螺栓穿过上连接孔、下连接孔后拧于紧定螺母实现上壳体（6）与下壳体（7）的固定连接。

5.根据权利要求4所述的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器，其特征在于，磁块（9）为钕铁硼材料，磁块（9）的剩余磁通密度为1.4t，磁块（9）的长×宽×高为10mm×3mm×10mm，每个跑道型线圈（8）的匝数为30匝。

6.用于管道轴向检测缺陷的装置，其特征在于，包括两个窄声束电磁超声传感器、上位机、电磁超声检测仪，两个窄声束电磁超声传感器分别为窄声束电磁超声激励传感器（2）、窄声束电磁超声接收传感器（3），窄声束电磁超声激励传感器（2）、窄声束电磁超声接收传感器（3）均包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈（8）以及压于跑道型线圈（8）上部且与跑道型线圈（8）相适配的两组阵列永磁体，两组阵列永磁体沿跑道型线圈（8）的横向方向并排布置，每组阵列永磁体均包括多个沿跑道型线圈（8）的纵向方向并排布置的磁块（9），三个跑道型线圈（8）沿跑道型线圈（8）的横向方向呈一字型并排布置且互连构成t模态导波发射线圈，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块（9）的磁极均交替布置，窄声束电磁超声激励传感器（2）与窄声束电磁超声接收传感器（3）在使用时沿跑道型线圈（8）的纵向方向呈一字型布置，窄声束电磁超声激励传感器（2）与电磁超声检测仪的激励端口连接，窄声束电磁超声接收传感器（3）与电磁超声检测仪的接收端口连接，电磁超声检测仪的通讯端口与上位机连接，上位机用于给电磁超声检测仪发送命令信号以及接收、存储电磁超声检测仪发送的数字信号并将该数字信号转化为时域信号图。

7.根据权利要求6所述的用于管道轴向检测缺陷的装置，其特征在于，三个跑道型线圈（8）互连后接于总接线端口（11）。

8.根据权利要求7所述的用于管道轴向检测缺陷的装置，其特征在于，该电磁超声传感器还包括用于固定放置三个阵元传感器的方形壳体，方形壳体的底壁为与管道（1）外壁相适配的金属薄壳体，跑道型线圈（8）的纵向布置方向与管道（1）的轴向方向平行，方形壳体上设有便于将总接线端口（11）置于方形壳体外部的穿线孔。

9.根据权利要求8所述的用于管道轴向检测缺陷的装置，其特征在于，方形壳体包括其开口向下的桶体状的上壳体（6）、其开口向上的桶体状的下壳体（7），下壳体（7）的底壁为与管道（1）外壁相适配的弧面，上壳体（6）的顶壁的下表面的位于四个侧壁内侧的部分均垂直固定有用于将三个阵元传感器压紧于上壳体（6）与下壳体（7）之间的压条（10），上壳体（6）的四个角上均设有上连接孔，下壳体（7）的四个角上均设有下连接孔，紧定螺栓穿过上连接孔、下连接孔后拧于紧定螺母实现上壳体（6）与下壳体（7）的固定连接。

10.根据权利要求9所述的用于管道轴向检测缺陷的装置，其特征在于，磁块（9）为钕铁硼材料，磁块（9）的剩余磁通密度为1.4t，磁块（9）的长×宽×高为10mm×3mm×10mm，每个跑道型线圈（8）的匝数为30匝。

技术总结
本发明涉及超声无损检测技术领域，具体为用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置，其为了解决现有的单个阵元传感器和环形阵列传感器均无法对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测的问题，故提供了一种新的用于管道轴向检测缺陷的窄声束电磁超声传感器及装置，包括三个阵元传感器，每个阵元传感器均包括一个跑道型线圈以及压于跑道型线圈上部的两组阵列永磁体，每组阵列永磁体均包括多个并排布置的磁块，三个跑道型线圈呈一字型并排布置且互连，三个阵元传感器中所有的相邻两个磁块的磁极均交替布置。本发明中的传感器能对管道的被支撑支架遮挡区域内的缺陷进行有效检测。

技术研发人员：周进节,胡洋,沈兴全,张星珺,李源新
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15