用于高温管道测厚的脉冲电磁铁电磁超声换能器研究

【摘要】：长期工作于高温环境的工业金属管道难免产生腐蚀缺陷,严重威胁运输安全,在不停产、不损伤管道的前提下,国内外普遍采用测量管道壁厚的方式对腐蚀缺陷进行监测和定位。压电超声技术在管道测厚领域应用广泛,但对于耦合剂的依赖使其较难应用于高温环境。而电磁超声技术无需耦合剂,操作过程安全便捷。但电磁超声换能器中的永磁铁部分应用于高温测厚时存在磁场变弱、移动困难等问题,导致检测效率较低。针对以上问题,本文提出利用脉冲电磁铁替代永磁铁的方法,设计了一种脉冲电磁铁电磁超声换能器(Pulsed Electromagnet EMAT,PE-EMAT)。在深入研究国内外PE-EMAT设计方法的基础上,依据实际高温测厚环境对换能器耐高温性、可移动性等能力的需求,提出PE-EMAT总体设计方案,能够实现对高温管道厚度的检测。针对高温测厚过程中PE-EMAT工作机理复杂、分析难度大等问题,分别对PE-EMAT磁场和声场工作过程进行分析,建立高温PE-EMAT仿真模型。仿真结果表明:随着温度的升高,磁场峰值强度、建立时间等磁场指标变化较大;声束扩散角、横波最大振幅等声场指标变化微小。针对PE-EMAT参数多、设计过程复杂的问题,提出PE-EMAT参数选取及设计方法。将EMAT线圈选取为蝶形线圈结构,将脉冲电磁铁选取为含铁芯结构。并以仿真模型为基础,利用正交试验将EMAT线圈及脉冲电磁铁参数进行了优化,明显提升了PE-EMAT高温测厚性能。设计了高温管道测厚系统,实现了对高温管道厚度的检测。测厚系统由脉冲电磁铁驱动模块、EMAT发射接收模块、CPLD及ARM控制模块和电源管理模块组成。以Q235型钢管试块作为测试对象,搭建了高温管道测厚实验平台,验证了高温PE-EMAT磁场和声场模型的正确性。实验结果表明,设计的PE-EMAT在高温下磁场较强、在管道表面不吸附,能够对600°C高温管道的厚度进行有效检测。