中厚板 EMAT 无损探伤的特点及应用前景

1.  概述

中厚板在各行各业有着广泛的应用，随着工业技术的迅猛发展、社会生产生活水平的提高，
客户对钢板内部质量的要求也越来越严格。超声波探伤作为一种重要的无损检测技术，是目前对
中厚板内部质量进行检测判定的主要手段。根据使用方式的不同，超声波探伤分为人工手动探伤
和自动探伤，特别是在线自动探伤装置具有检测速度快、效率高以及占用生产场地少等明显优点，
已成为近年国内外新建现代化中厚板厂的首要选择。
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国外自上世纪六十年代末期便开始了自动超声波探伤技术的研发，七十年代中后期开始广泛
应用。目前在国内外中厚板生产领域内已投入运行自动超声波探伤装置中，应用*广、数量*多
的是以压电效应为原理的自动探伤装置(即 PET 自动探伤装置)。国内自宝钢 5m 厚板厂 2002 年
成功引进压电式在线自动超声波探伤装置以来，近年来新建的中厚板厂纷纷仿效。但压电式超声
波探伤装置在使用过程中存在可探伤钢板温度范围窄、探伤过程需消耗大量耦合水、探伤过程较
易受干扰出现误判等问题，促使技术人员不断寻求更适宜于中厚板的无损检测新方式。
EMAT  探伤技术，即利用电磁超声波进行无损检测的技术，随着计算机技术的发展和磁性
材料技术的进步，得到了快速的发展，现已走出实验室进入了实际应用领域。在俄罗斯、乌克兰、
土耳其和日本等地的中厚板厂已成功投产多余套 EMAT 自动探伤装置。这些 EMAT 自动探伤装
置的成功运行，显示出 EMAT 探伤技术在工业化应用领域可观的发展前景。

2.  EMAT 探伤技术的基本原理

EMAT  探伤技术的核心是电磁超声换能器(Electromagnetic  Acoustic  Transducer，简称
EMAT)。EMAT  是一种新型的超声波发射和接收装置。与传统的压电超声换能器(Piezoelectric
Acoustic Transducer，简称 PET)靠压电晶片的压电效应来发射和接收超声波不同，EMAT 利用
电磁效应发射和接收超声波。
EMAT  的主要组成部分有三个：一是用于提供稳恒磁场的永久磁铁或电磁铁，二是用于产
生高频激发磁场的金属线圈，三是被检测工件。金属线圈位于被检测材料表面的稳恒磁场中，当
线圈内通入交变电流时，被检材料表面根据变压器原理感应出电流，电流在磁场中受洛仑兹力的
作用产生振荡应力波，形成超声波波源。在接收超声波时，导体表面在磁场中振荡而在线圈中感
应出电压，上述转换过程都是在材料的电磁趋肤层内进行的。从  EMAT  线圈接受来的信号电压
通过低噪前置放大器放大并被发往信号处理部分，在那里信号被进一步放大、过滤并发往波形数
字化电路。计算机测量信号到达时间和数字化信号的振幅且可计算钢板的厚度，而这一过程在一
个设定的时间间隔内不断的进行以重复扫描并在计算机屏幕上进行显示。
EMAT  不需要任何耦合介质、不需要与被检材料接触就可向其中发射和接收超声波，是一
种重复性很好的非接触式超声波发射和接收系统，但就其原理而言，电磁超声检测的对象必须是
能够产生电磁声波的材料。
图 1 所示为自动化的中厚板 EMAT 自动探伤装置简易原理图。这种超声波探伤仪采用脉冲
反射式技术，是按照超声波在两个不同声阻抗介质的界面上将发生反射、反射能量的大小取决于
两种介质声阻抗的差异大小以及界面的取向和大小的原理来设计的。通常，钢板的内部缺陷主要
包括分层、缩松、孔洞、夹杂、白点、气泡、内裂、偏析及严重粗晶等。如图 1 所示，钢板表面
产生的电磁超声波在向钢板内部传播的过程中当遇到缺陷时，形成缺陷反射波，与板底反射波一
起被接收装置捕捉并在回波器上以波形图的形式显示出来，据此可分析缺陷在钢板内的不同位置
和大小。
稳恒磁场的方向、金属线圈的几何形状以及脉冲电流的频率共同决定产生的电磁超声波的种
类。在磁场和线圈的不同组合模式下，EMAT 可产生纵波、横波、表面波(也称瑞利波)  和板波(也
称兰姆波)。值得指出的是，传统的压电超声换能器因为必须采用水等耦合介质，而液体和气体
不能传播横波，所以压电式超声波探伤仪只能采用纵波，而  EMAT  探伤仪则可采用性能更优的
检测横波。
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3.  中厚板 EMAT 自动探伤装置的技术特点

中厚板  EMAT  自动探伤装置分为在线和离线两种布置形式，均可实现全板面探伤。在线
EMAT 探伤装置采用钢板本体探伤和边部探伤相结合的复合探伤方式。探伤过程中，钢板沿辊道
运行，探伤装置在原有位置保持固定。离线探伤装置探伤过程中钢板静止，探头在钢板上表面沿
预定的轨迹移动。
图  2  所示为俄罗斯北方钢铁公司的在线  EMAT  自动探伤装置，其检测的钢板规格：宽度
1600~4800mm，厚度 10~50mm，长度 8~30m。

3.1   EMAT 自动探伤装置的结构组成及特点

探伤装置由探伤装置本体、探头、检测仪表设备、计算机数据处理系统、检测过程控制系统
和辅助装置组成。本文在此重点介绍探伤装置本体以及探头。

3.1.1  探伤装置本体

目前国内外已投产的 EMAT 自动探伤装置全部采用上置式结构，即探伤装置设置在钢板运
输辊道上方。检测探头布置在一组探伤小车上，在线探伤装置的探伤小车可沿横跨辊道的钢结构
轨道运行，从在线的工作工位可进入辊道旁的维修工位。
检测系统一般包括两个部分，即板体检测系统和纵向边部检测系统。此外，有极少数钢厂设
有横向边部检测系统。板体检测系统一般包含两排水平  EMAT  探头组，两排探头以交叉形式布
置可获得 100%探伤覆盖率。根据板宽的不同，其板体探头数量亦不同，以 5m 板宽为例，每排
设 39 个共 78 个探头。边部检测系统有 2 组共 4 个探头。每个探头均可通过汽缸单独升降，同
时可在一定范围内前后和左右微调，有利于针对不同的板形随动检测。

3.1.2  探头

 3.1.3  电气及控制系统

4.1.3  EMAT 探伤速度快

在线 EMAT 自动探伤装置检测钢板的速度可达到 2m/s，PET 自动探伤装置检测钢板的*大
速度为 1m/s。
当钢板通过速度过快时，PET 探头与钢板表面之间会形成气泡使耦合失效。而 EMAT 探伤
装置没有这方面的限制，可大大提高检测速度，从而提高了探伤设备的生产效率。例如，EMAT
自动探伤装置针对 24m 长钢板的一个探伤周期仅为 34s，而 PET 自动探伤装置检测 12m 长的钢
板的一个探伤周期就需要 40s。

4.1.4  EMAT 抗干扰性强

探伤装置在工作过程中，可能会受到噪音、电磁、钢板表面氧化铁皮等杂物、探头倾角随机
偏离等各种干扰。
探伤过程中的噪音主要包括钢板沿运输辊道运行时产生的广谱噪音，以及耦合水产生的混
响。EMAT 探伤装置产生的横波对前者不敏感，PET 探伤装置的信号系统如果设计得当，也能够
对这种广谱噪音进行处理，使其不影响探伤结果。后者只存在于  PET  探伤装置的探伤过程中，
很可能导致误判等错误。所以必须要求探头进行严格的校准、有良好的耦合水水质和稳定的供水
系统。
以 EMAT 和 PET 为基础的探伤装置都可以通过先进的电子设备和信号处理系统，消除电磁
对探伤结果的干扰。
对 PET 探头来说，钢板表面的油渍、氧化铁皮等杂物都会影响耦合效果和*终探伤结果。
此外，由于生产过程中钢板外形的不稳定性，使得经过一段时间的运行之后，PET 探头表面的塑
料保护膜会有不同程度的磨损，以及探伤过程中探头的随机偏离，这些因素都会影响探头与钢板
表面的垂直度。而 PET 探头与钢板表面的倾角偏离 2~3º，就会造成钢板中声场的重大失真，缺
陷很容易失检。对  EMAT  探头来说，就不存在上述的问题。根据电磁效应的原理，即使在探头
与钢板形成一定倾角的情况下，仍能保证超声波发射和接收的方向垂直于钢板表面。而探头与钢
板之间的气垫层以及探头外层的特殊陶瓷都能对探头起到较好的保护作用。
如图 3 所示，同等条件下，当探头相对原设定位置的倾角从 0º增加到 1º的过程中，EMAT
探头发射的超声波波幅保持不变，而 PET 探头的波幅则下降 25dB。

4.1.5  EMAT 产生的声波场更均匀

4.2   EMAT 探伤装置的局限性

电磁超声波产生的特点决定了 EMAT 探伤装置的使用特性。EMAT 探伤装置只能应用于导
体和铁磁性材料，对于不锈钢中厚板，目前的  EMAT  探伤设备只能通过在对侧垫普通钢板的方
法，形成电磁场，从而对较薄的不锈钢板进行探伤。对一定厚度以上的不锈钢板还无法实现电磁
超声波探伤。
钢板经过电磁探伤后，会形成一定的渗磁效果，但与目前中厚板厂广泛使用的电磁吸盘吊车
的渗磁影响相比，电磁探伤造成的渗磁程度较轻。可对于某些对渗磁量有特殊要求的钢板而言，
经过电磁探伤后的成品板出厂前需进行消磁处理。
由于电磁超声波信号处理系统的复杂性，EMAT探伤装置需配备庞大的电气系统，这使得EMAT
探伤仪更适合大型工业探测应用，不适用于手动探伤方式。
与 PET 探伤装置相比，EMAT 所需的压缩空气耗量略大，一般对于探测*大板宽 4.9m 的
EMAT装置，*大耗气量达到40m /min，因而往往需要额外增加空气压缩机或储气罐来满足其
用气要求。

5.  结语

综上所述，中厚板  EMAT  自动探伤装置不仅可以实现中厚板  100%全板面的全自动化和高
速检测，检测时还不需要耦合介质，具备远程检测和恶劣工作条件的检测以及高温下及表面粗糙
不平等工况下检测等优势。
EMAT  自动探伤装置在国外钢厂的成功应用，已经引起了国内中厚板行业很多*技术人
员的关注。为更好的对产品质量进行检测控制，国内湘潭钢铁公司的 5m 厚板项目已决定率先引
进和使用该产品。可以预见的是，未来  EMAT  探伤装置的优越性将会得到业界的广泛认可，从
而改变国内目前已形成的 PET 自动探伤装置在中厚板行业的垄断局面。
但是，由于目前国内中厚板行业执行的超声波探伤标准(GB2970-2002  和  GB11259-1999)
仅适用于压电式超声波探伤，而对于采用  EMAT  方式进行中厚板产品的探伤检测方法、对比试
块、检验仪器和设备、检验条件与程序、缺陷的测试与评定、钢板的质量分级、检验报告以及操
作人员培训等都没有正式的国家标准要求，尚待相关部门和工程技术人员尽快予以制定和完善。

参考文献

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