1.  概述

中厚板在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展、社會(huì)生產(chǎn)生活水平的提高，
客戶對(duì)鋼板內(nèi)部質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格。超聲波探傷作為一種重要的無損檢測(cè)技術(shù)，是目前對(duì)
中厚板內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)判定的主要手段。根據(jù)使用方式的不同，超聲波探傷分為人工手動(dòng)探傷
和自動(dòng)探傷，特別是在線自動(dòng)探傷裝置具有檢測(cè)速度快、效率高以及占用生產(chǎn)場(chǎng)地少等明顯優(yōu)點(diǎn)，
已成為近年國(guó)內(nèi)外新建現(xiàn)代化中厚板廠的首要選擇。
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國(guó)外自上世紀(jì)六十年代末期便開始了自動(dòng)超聲波探傷技術(shù)的研發(fā)，七十年代中后期開始廣泛
應(yīng)用。目前在國(guó)內(nèi)外中厚板生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)已投入運(yùn)行自動(dòng)超聲波探傷裝置中，應(yīng)用*廣、數(shù)量*多
的是以壓電效應(yīng)為原理的自動(dòng)探傷裝置(即 PET 自動(dòng)探傷裝置)。國(guó)內(nèi)自寶鋼 5m 厚板廠 2002 年
成功引進(jìn)壓電式在線自動(dòng)超聲波探傷裝置以來，近年來新建的中厚板廠紛紛仿效。但壓電式超聲
波探傷裝置在使用過程中存在可探傷鋼板溫度范圍窄、探傷過程需消耗大量耦合水、探傷過程較
易受干擾出現(xiàn)誤判等問題，促使技術(shù)人員不斷尋求更適宜于中厚板的無損檢測(cè)新方式。
EMAT  探傷技術(shù)，即利用電磁超聲波進(jìn)行無損檢測(cè)的技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和磁性
材料技術(shù)的進(jìn)步，得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)已走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。在俄羅斯、烏克蘭、
土耳其和日本等地的中厚板廠已成功投產(chǎn)多余套 EMAT 自動(dòng)探傷裝置。這些 EMAT 自動(dòng)探傷裝
置的成功運(yùn)行，顯示出 EMAT 探傷技術(shù)在工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域可觀的發(fā)展前景。

2.  EMAT 探傷技術(shù)的基本原理

EMAT  探傷技術(shù)的核心是電磁超聲換能器(Electromagnetic  Acoustic  Transducer，簡(jiǎn)稱
EMAT)。EMAT  是一種新型的超聲波發(fā)射和接收裝置。與傳統(tǒng)的壓電超聲換能器(Piezoelectric
Acoustic Transducer，簡(jiǎn)稱 PET)靠壓電晶片的壓電效應(yīng)來發(fā)射和接收超聲波不同，EMAT 利用
電磁效應(yīng)發(fā)射和接收超聲波。
EMAT  的主要組成部分有三個(gè)：一是用于提供穩(wěn)恒磁場(chǎng)的永久磁鐵或電磁鐵，二是用于產(chǎn)
生高頻激發(fā)磁場(chǎng)的金屬線圈，三是被檢測(cè)工件。金屬線圈位于被檢測(cè)材料表面的穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，當(dāng)
線圈內(nèi)通入交變電流時(shí)，被檢材料表面根據(jù)變壓器原理感應(yīng)出電流，電流在磁場(chǎng)中受洛侖茲力的
作用產(chǎn)生振蕩應(yīng)力波，形成超聲波波源。在接收超聲波時(shí)，導(dǎo)體表面在磁場(chǎng)中振蕩而在線圈中感
應(yīng)出電壓，上述轉(zhuǎn)換過程都是在材料的電磁趨膚層內(nèi)進(jìn)行的。從  EMAT  線圈接受來的信號(hào)電壓
通過低噪前置放大器放大并被發(fā)往信號(hào)處理部分，在那里信號(hào)被進(jìn)一步放大、過濾并發(fā)往波形數(shù)
字化電路。計(jì)算機(jī)測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間和數(shù)字化信號(hào)的振幅且可計(jì)算鋼板的厚度，而這一過程在一
個(gè)設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)不斷的進(jìn)行以重復(fù)掃描并在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行顯示。
EMAT  不需要任何耦合介質(zhì)、不需要與被檢材料接觸就可向其中發(fā)射和接收超聲波，是一
種重復(fù)性很好的非接觸式超聲波發(fā)射和接收系統(tǒng)，但就其原理而言，電磁超聲檢測(cè)的對(duì)象必須是
能夠產(chǎn)生電磁聲波的材料。
圖 1 所示為自動(dòng)化的中厚板 EMAT 自動(dòng)探傷裝置簡(jiǎn)易原理圖。這種超聲波探傷儀采用脈沖
反射式技術(shù)，是按照超聲波在兩個(gè)不同聲阻抗介質(zhì)的界面上將發(fā)生反射、反射能量的大小取決于
兩種介質(zhì)聲阻抗的差異大小以及界面的取向和大小的原理來設(shè)計(jì)的。通常，鋼板的內(nèi)部缺陷主要
包括分層、縮松、孔洞、夾雜、白點(diǎn)、氣泡、內(nèi)裂、偏析及嚴(yán)重粗晶等。如圖 1 所示，鋼板表面
產(chǎn)生的電磁超聲波在向鋼板內(nèi)部傳播的過程中當(dāng)遇到缺陷時(shí)，形成缺陷反射波，與板底反射波一
起被接收裝置捕捉并在回波器上以波形圖的形式顯示出來，據(jù)此可分析缺陷在鋼板內(nèi)的不同位置
和大小。
穩(wěn)恒磁場(chǎng)的方向、金屬線圈的幾何形狀以及脈沖電流的頻率共同決定產(chǎn)生的電磁超聲波的種
類。在磁場(chǎng)和線圈的不同組合模式下，EMAT 可產(chǎn)生縱波、橫波、表面波(也稱瑞利波)  和板波(也
稱蘭姆波)。值得指出的是，傳統(tǒng)的壓電超聲換能器因?yàn)楸仨毑捎盟�等耦合介質(zhì)，而液體和氣體
不能傳播橫波，所以壓電式超聲波探傷儀只能采用縱波，而  EMAT  探傷儀則可采用性能更優(yōu)的
檢測(cè)橫波。
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3.  中厚板 EMAT 自動(dòng)探傷裝置的技術(shù)特點(diǎn)

中厚板  EMAT  自動(dòng)探傷裝置分為在線和離線兩種布置形式，均可實(shí)現(xiàn)全板面探傷。在線
EMAT 探傷裝置采用鋼板本體探傷和邊部探傷相結(jié)合的復(fù)合探傷方式。探傷過程中，鋼板沿輥道
運(yùn)行，探傷裝置在原有位置保持固定。離線探傷裝置探傷過程中鋼板靜止，探頭在鋼板上表面沿
預(yù)定的軌跡移動(dòng)。
圖  2  所示為俄羅斯北方鋼鐵公司的在線  EMAT  自動(dòng)探傷裝置，其檢測(cè)的鋼板規(guī)格：寬度
1600~4800mm，厚度 10~50mm，長(zhǎng)度 8~30m。

3.1   EMAT 自動(dòng)探傷裝置的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

探傷裝置由探傷裝置本體、探頭、檢測(cè)儀表設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、檢測(cè)過程控制系統(tǒng)
和輔助裝置組成。本文在此重點(diǎn)介紹探傷裝置本體以及探頭。

3.1.1  探傷裝置本體

目前國(guó)內(nèi)外已投產(chǎn)的 EMAT 自動(dòng)探傷裝置全部采用上置式結(jié)構(gòu)，即探傷裝置設(shè)置在鋼板運(yùn)
輸輥道上方。檢測(cè)探頭布置在一組探傷小車上，在線探傷裝置的探傷小車可沿橫跨輥道的鋼結(jié)構(gòu)
軌道運(yùn)行，從在線的工作工位可進(jìn)入輥道旁的維修工位。
檢測(cè)系統(tǒng)一般包括兩個(gè)部分，即板體檢測(cè)系統(tǒng)和縱向邊部檢測(cè)系統(tǒng)。此外，有極少數(shù)鋼廠設(shè)
有橫向邊部檢測(cè)系統(tǒng)。板體檢測(cè)系統(tǒng)一般包含兩排水平  EMAT  探頭組，兩排探頭以交叉形式布
置可獲得 100%探傷覆蓋率。根據(jù)板寬的不同，其板體探頭數(shù)量亦不同，以 5m 板寬為例，每排
設(shè) 39 個(gè)共 78 個(gè)探頭。邊部檢測(cè)系統(tǒng)有 2 組共 4 個(gè)探頭。每個(gè)探頭均可通過汽缸單獨(dú)升降，同
時(shí)可在一定范圍內(nèi)前后和左右微調(diào)，有利于針對(duì)不同的板形隨動(dòng)檢測(cè)。

3.1.2  探頭

 3.1.3  電氣及控制系統(tǒng)

4.1.3  EMAT 探傷速度快

在線 EMAT 自動(dòng)探傷裝置檢測(cè)鋼板的速度可達(dá)到 2m/s，PET 自動(dòng)探傷裝置檢測(cè)鋼板的*大
速度為 1m/s。
當(dāng)鋼板通過速度過快時(shí)，PET 探頭與鋼板表面之間會(huì)形成氣泡使耦合失效。而 EMAT 探傷
裝置沒有這方面的限制，可大大提高檢測(cè)速度，從而提高了探傷設(shè)備的生產(chǎn)效率。例如，EMAT
自動(dòng)探傷裝置針對(duì) 24m 長(zhǎng)鋼板的一個(gè)探傷周期僅為 34s，而 PET 自動(dòng)探傷裝置檢測(cè) 12m 長(zhǎng)的鋼
板的一個(gè)探傷周期就需要 40s。

4.1.4  EMAT 抗干擾性強(qiáng)

探傷裝置在工作過程中，可能會(huì)受到噪音、電磁、鋼板表面氧化鐵皮等雜物、探頭傾角隨機(jī)
偏離等各種干擾。
探傷過程中的噪音主要包括鋼板沿運(yùn)輸輥道運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的廣譜噪音，以及耦合水產(chǎn)生的混
響。EMAT 探傷裝置產(chǎn)生的橫波對(duì)前者不敏感，PET 探傷裝置的信號(hào)系統(tǒng)如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，也能夠
對(duì)這種廣譜噪音進(jìn)行處理，使其不影響探傷結(jié)果。后者只存在于  PET  探傷裝置的探傷過程中，
很可能導(dǎo)致誤判等錯(cuò)誤。所以必須要求探頭進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)、有良好的耦合水水質(zhì)和穩(wěn)定的供水
系統(tǒng)。
以 EMAT 和 PET 為基礎(chǔ)的探傷裝置都可以通過先進(jìn)的電子設(shè)備和信號(hào)處理系統(tǒng)，消除電磁
對(duì)探傷結(jié)果的干擾。
對(duì) PET 探頭來說，鋼板表面的油漬、氧化鐵皮等雜物都會(huì)影響耦合效果和*終探傷結(jié)果。
此外，由于生產(chǎn)過程中鋼板外形的不穩(wěn)定性，使得經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行之后，PET 探頭表面的塑
料保護(hù)膜會(huì)有不同程度的磨損，以及探傷過程中探頭的隨機(jī)偏離，這些因素都會(huì)影響探頭與鋼板
表面的垂直度。而 PET 探頭與鋼板表面的傾角偏離 2~3º，就會(huì)造成鋼板中聲場(chǎng)的重大失真，缺
陷很容易失檢。對(duì)  EMAT  探頭來說，就不存在上述的問題。根據(jù)電磁效應(yīng)的原理，即使在探頭
與鋼板形成一定傾角的情況下，仍能保證超聲波發(fā)射和接收的方向垂直于鋼板表面。而探頭與鋼
板之間的氣墊層以及探頭外層的特殊陶瓷都能對(duì)探頭起到較好的保護(hù)作用。
如圖 3 所示，同等條件下，當(dāng)探頭相對(duì)原設(shè)定位置的傾角從 0º增加到 1º的過程中，EMAT
探頭發(fā)射的超聲波波幅保持不變，而 PET 探頭的波幅則下降 25dB。

4.1.5  EMAT 產(chǎn)生的聲波場(chǎng)更均勻

4.2   EMAT 探傷裝置的局限性

電磁超聲波產(chǎn)生的特點(diǎn)決定了 EMAT 探傷裝置的使用特性。EMAT 探傷裝置只能應(yīng)用于導(dǎo)
體和鐵磁性材料，對(duì)于不銹鋼中厚板，目前的  EMAT  探傷設(shè)備只能通過在對(duì)側(cè)墊普通鋼板的方
法，形成電磁場(chǎng)，從而對(duì)較薄的不銹鋼板進(jìn)行探傷。對(duì)一定厚度以上的不銹鋼板還無法實(shí)現(xiàn)電磁
超聲波探傷。
鋼板經(jīng)過電磁探傷后，會(huì)形成一定的滲磁效果，但與目前中厚板廠廣泛使用的電磁吸盤吊車
的滲磁影響相比，電磁探傷造成的滲磁程度較輕�？蓪�(duì)于某些對(duì)滲磁量有特殊要求的鋼板而言，
經(jīng)過電磁探傷后的成品板出廠前需進(jìn)行消磁處理。
由于電磁超聲波信號(hào)處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，EMAT探傷裝置需配備龐大的電氣系統(tǒng)，這使得EMAT
探傷儀更適合大型工業(yè)探測(cè)應(yīng)用，不適用于手動(dòng)探傷方式。
與 PET 探傷裝置相比，EMAT 所需的壓縮空氣耗量略大，一般對(duì)于探測(cè)*大板寬 4.9m 的
EMAT裝置，*大耗氣量達(dá)到40m /min，因而往往需要額外增加空氣壓縮機(jī)或儲(chǔ)氣罐來滿足其
用氣要求。

5.  結(jié)語(yǔ)

綜上所述，中厚板  EMAT  自動(dòng)探傷裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)中厚板  100%全板面的全自動(dòng)化和高
速檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)還不需要耦合介質(zhì)，具備遠(yuǎn)程檢測(cè)和惡劣工作條件的檢測(cè)以及高溫下及表面粗糙
不平等工況下檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)。
EMAT  自動(dòng)探傷裝置在國(guó)外鋼廠的成功應(yīng)用，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)中厚板行業(yè)很多*技術(shù)人
員的關(guān)注。為更好的對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)控制，國(guó)內(nèi)湘潭鋼鐵公司的 5m 厚板項(xiàng)目已決定率先引
進(jìn)和使用該產(chǎn)品�？梢灶A(yù)見的是，未來  EMAT  探傷裝置的優(yōu)越性將會(huì)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，從
而改變國(guó)內(nèi)目前已形成的 PET 自動(dòng)探傷裝置在中厚板行業(yè)的壟斷局面。
但是，由于目前國(guó)內(nèi)中厚板行業(yè)執(zhí)行的超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)(GB2970-2002  和  GB11259-1999)
僅適用于壓電式超聲波探傷，而對(duì)于采用  EMAT  方式進(jìn)行中厚板產(chǎn)品的探傷檢測(cè)方法、對(duì)比試
塊、檢驗(yàn)儀器和設(shè)備、檢驗(yàn)條件與程序、缺陷的測(cè)試與評(píng)定、鋼板的質(zhì)量分級(jí)、檢驗(yàn)報(bào)告以及操
作人員培訓(xùn)等都沒有正式的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，尚待相關(guān)部門和工程技術(shù)人員盡快予以制定和完善。

參考文獻(xiàn)

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