用于钢管缺陷检测的电磁超声传感器优化设计研究

　　1　引　　言

　　电磁超声检测是工业无损探伤的重要发展方向之一。根据铁磁性材料在高频激励电流和磁场作用下其表面产生洛仑兹力和磁致伸缩力并激发超声波这一原理,电磁超声传感器能够实现对铁磁性金属材料的高温、高速和非接触检测[1]。

　　目前,电磁超声传感器在设计时主要采用实验研究的方法[2],对电磁铁作用下磁场分布的数值计算及磁场与超声波幅值的关系等问题都没有细致而深入的研究。基于上述原因,本文在电磁超声传感器的机理研究的基础上,对其优化设计方法进行研究,以天津钢管有限责任公司生产的无缝钢管(主要是石油套管)作为具体检测对象。

　　通过对电磁超声传感器优化设计方法的研究,对铁磁性材料缺陷检测的电磁超声传感器实现了优化设计,减轻了传感器的重量和体积,降低了成本。这为电磁超声传感器的设计与应用开辟了广阔前景,同时也为电磁超声传感器的其他应用(如测厚)提供设计思想[324]。

      2　电磁超声传感器超声波幅值与磁感应强度的关系

　　2.1　洛仑兹力作用下超声波幅值与磁感应强度的关系

　　电磁超声传感器作用下,铁磁性材料中质点在洛仑兹力的作用下,与分子振动幅值的关系为[528]:

　　式中:k1为系数;ξ是由洛仑兹力产生的分子振动幅值,单位为m;Bx为外磁场对铁磁性材料产生的水平方向的磁感应强度,单位为T。

　　即超声幅度与外磁场对铁磁性材料产生的水平方向的磁感应强度成正比。

　　2.2　铁磁性材料中磁致伸缩力产生的超声波幅值

　　本文研究无缝钢管缺陷的电磁超声传感器,选用直径为100~300 mm、壁厚为5~30 mm、钢种为低合金钢30CrMo钢管作为检测对象,对电磁超声传感器的机理进行理论和实验研究。

　　(1)实验系统构成

　　磁致伸缩参数测量的方法有干涉仪法、光杠杆和机械杠杆联合使用的方法及形变电阻法[9]。形变电阻法磁致伸缩参数测量装置由单片计算机作主控单元,集电磁铁电源和特斯拉计于一体的智能化测量仪器,通过标准RS2232C接口受微机的控制和管理,将测试数据传送给计算机处理,应变仪的模拟输出与数字电压表相连,从而可得到磁致伸缩量与磁场的关系曲线。磁致伸缩量的分辨率由应变仪决定,由4位半数字显示,其原理框图如图1所示。

　　(2)检测用钢管的磁致伸缩实验曲线

　　记录特斯拉计和电压表的读数,画出无缝钢管30CrMo材料的磁致伸缩曲线,如图2所示。磁化曲线由北京科技大学金属材料国家重点实验室测定,实验用试件为2×2的小圆棒,钢管材料为30CrMo,磁化实验曲线如图3所示。图2和图3中磁场强度H的单位是奥斯特Oe,其中1Oe=(1/4π)103A/m=79.577 5 A/m。　通过计算得到无缝钢管30CrMo材料的磁致伸缩量Δl/l与磁水平方向磁感应强度B的关系如下[7]: