蘇日亮，康 磊，馮劍釗，王淑娟，翟國富

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 軍用電器研究所，哈爾濱 150001）

管道檢測(cè)技術(shù)對(duì)于保障管道安全至關(guān)重要，其檢測(cè)方式主要包括漏磁法和超聲法。漏磁法對(duì)裂紋缺陷敏感性較低，壓電超聲技術(shù)因嚴(yán)重依賴于聲耦合劑而在輸氣管道中應(yīng)用受限。電磁超聲換能器（Electromagnetic Acoustic Transducer，簡 稱EMAT）是一種非接觸型超聲發(fā)射／接收系統(tǒng)。該技術(shù)因無需聲耦合劑、能夠方便地產(chǎn)生多種類型超聲波等諸多優(yōu)勢(shì)而將超聲無損檢測(cè)擴(kuò)展到了高溫、高速、在線等諸多領(lǐng)域。我國油氣管道迅猛發(fā)展，尤其是西氣東輸二線等多條大型管線的建設(shè)，對(duì)高壓厚壁管道在線檢測(cè)提出了極為迫切的需求。

2002年，PII公司與德國研究機(jī)構(gòu)合作研制出基于電磁超聲技術(shù)的輸氣管道在線檢測(cè)器EmatScan CD。該檢測(cè)器利用EMAT 易于激發(fā)導(dǎo)波的特點(diǎn)，通過特制的大功率電磁超聲探頭在管壁內(nèi)部激發(fā)SH 導(dǎo)波。研究表明，這種沿管道周向傳播的SH 導(dǎo)波對(duì)管道任意位置（包括內(nèi)壁和外壁）的軸向裂紋缺陷均具有較高的靈敏度。2007 年，ROSEN 公司也成功研制出基于電磁超聲的管道檢測(cè)器RoCD2。該檢測(cè)器將電磁超聲反射法和透射法相結(jié)合，能夠同時(shí)檢測(cè)出管道裂紋、腐蝕、凹坑以及保 護(hù) 層 脫 落 等 缺 陷［1－3］。但EmatScan CD 及RoCD2的檢測(cè)壁厚均＜20mm。

隨著長輸管道的大量建設(shè)，電磁超聲管道檢測(cè)技術(shù)也逐漸引起我國研究者的關(guān)注。2005年，雷華明在Ludwig和Dai等人研究基礎(chǔ)上分析了電磁超聲換能器的機(jī)理及其在管道檢測(cè)中的應(yīng)用［4］。2008年，鄭華介紹了電磁超聲技術(shù)在制管業(yè)中的應(yīng)用，其中利用兩個(gè)EMAT 探頭對(duì)20 mm 厚鋼板進(jìn)行檢驗(yàn)［5］。2009年，清華大學(xué)的張永生等人對(duì)鋼板進(jìn)行了裂紋檢測(cè)，但其檢測(cè)壁厚僅為8mm［6］。

為了對(duì)管道裂紋進(jìn)行高速檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)必須具備實(shí)時(shí)、精確的檢測(cè)能力。DSP 資源豐富，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制，而且還可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁超聲信號(hào)的高速分析與處理。筆者利用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）控制管道裂紋檢測(cè)系統(tǒng)在管道內(nèi)激發(fā)電磁超聲斜入射SV 波（Angled Shear Vertical Wave），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)厚壁管道裂紋的有效檢測(cè)。

1 電磁超聲斜入射SV波檢測(cè)原理

1.1 斜入射SV 波的激發(fā)原理

斜入射SV 波是一種較為常用的裂紋檢測(cè)方法。其產(chǎn)生原理如圖1所示。該體波由曲折線圈產(chǎn)生。線圈的每條導(dǎo)線均為一個(gè)超聲振源，且這些振源會(huì)因頻率相同而發(fā)生干涉。通過控制振源間距d以及聲波頻率f，各振源就會(huì)相互疊加而產(chǎn)生兩束斜向發(fā)射的SV 波。斜向入射的角度θ為［7－8］：

圖1 斜入射SV 波激發(fā)原理示意圖

1.2 厚壁管道裂紋檢測(cè)原理

通常，管道中的裂紋主要沿管道軸向分布，垂直管壁入射的體波因裂紋反射面積較小而對(duì)該缺陷敏感度較差。利用電磁超聲技術(shù)可直接在被測(cè)管道中產(chǎn)生與管道表面成一定角度入射的體波，即斜入射SV 波。斜入射SV 波對(duì)管道的分層、夾雜、孔形以及細(xì)小的裂紋等缺陷均較為敏感。其檢測(cè)示意圖如圖2所示。由于發(fā)射干擾導(dǎo)致的盲區(qū)較大，單次反射的裂紋回波可能進(jìn)入發(fā)射干擾的盲區(qū)里，無法判斷裂紋缺陷是否存在。因此可以通過接收裂紋回波的多次反射來判斷裂紋的有無。斜入射SV 波在遇到裂紋時(shí)傳播的距離l為：

式中n為斜入射SV 波在管道中反射的次數(shù)；l1為聲波單次反射的距離；h為管道的壁厚；θ為斜入射SV 波的入射角度。

圖2 厚壁管道裂紋檢測(cè)示意圖

2 總體方案設(shè)計(jì)

基于電磁超聲的厚壁管道裂紋檢測(cè)系統(tǒng)硬件總體框圖如圖3所示。主控核心是DSP，外部設(shè)備包括了超聲發(fā)射／接收電路、數(shù)據(jù)采集電路等幾部分。該系統(tǒng)的主要工作過程如下：由DSP產(chǎn)生的脈沖信號(hào)控制發(fā)射電路在發(fā)射線圈上產(chǎn)生高頻交變電流；交變電流在管道內(nèi)部產(chǎn)生渦流；渦流在外部靜磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生高頻振動(dòng)，從而產(chǎn)生電磁超聲斜入射SV 波；聲波在傳播過程中如果遇到裂紋缺陷，會(huì)發(fā)生衰減和反射；接收的回波信號(hào)經(jīng)過DSP 內(nèi)部AD采集之后進(jìn)行信號(hào)處理，最后將處理結(jié)果經(jīng)過串口發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

EMAT 探頭工作于收發(fā)一體方式，同時(shí)承擔(dān)發(fā)射、接收電磁超聲的功能。通過檢測(cè)有無回波和回波幅值大小可以判斷裂紋缺陷的相關(guān)信息。Cawley，Alleyne等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道半徑是壁厚的10倍以上時(shí)，管道的聲學(xué)特性與相同厚度的鋼板相近［9］。因此，筆者將先對(duì)21mm 厚管道裂紋進(jìn)行檢測(cè)，隨后對(duì)35mm 厚的鋼板進(jìn)行研究，再將研究成果推廣于實(shí)際的管道檢測(cè)中。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 基于DSP的控制和接口電路設(shè)計(jì)

DSP控制電路主要完成發(fā)射電路的控制，接收信號(hào)的采集、處理，并通過串口與上位機(jī)通信?？紤]到系統(tǒng)中要求信號(hào)處理的運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性高，同時(shí)還需完成對(duì)1 MHz的電磁超聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，因此設(shè)計(jì)采用TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器作為主控芯片。

TMS320F2812芯片是32 位定點(diǎn)的在控制領(lǐng)域中專用數(shù)字信號(hào)處理器，具有精度高、速度快、集成度高等特點(diǎn)。芯片內(nèi)含128k×16bit閃存，運(yùn)算速度為150MIPS，自帶16路12位高速AD，可以滿足檢測(cè)需要。該處理器的大容量FLASH 存儲(chǔ)空間適用于低功耗、高性能的控制系統(tǒng)，足以滿足一般算法需求。TMS320F2812 的接口電路如圖4 所示，主要包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、串口通信電路和外擴(kuò)存儲(chǔ)電路等。

圖4 TMS320F2812接口電路

3.2 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

EMAT 換能效率較低，為了獲得較高的發(fā)射功率，發(fā)射電路采用D 類功率放大器結(jié)構(gòu)［10］進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)測(cè)得，在1 MHz的高頻環(huán)境下，與發(fā)射線圈串聯(lián)的0.15Ω 采樣電阻兩端的電壓峰峰值約為20V?？捎?jì)算得發(fā)射電流達(dá)130A。電壓采樣波形如圖5所示。

圖5 采樣電阻兩端的電壓信號(hào)

3.3 接收電路設(shè)計(jì)

接收部分采用低噪聲的多級(jí)放大電路對(duì)接收回波進(jìn)行放大。EMAT 發(fā)射電路在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁干擾，可以對(duì)高增益高靈敏度的接收電路產(chǎn)生破壞性的影響。因此，必須對(duì)放大電路的輸入之前加入限幅電路。由于接收到的回波信號(hào)僅為幾百微伏，需要將信號(hào)放大上萬倍才能達(dá)到AD 采集的要求。此時(shí)接收電路很容易振蕩，為了防止振蕩，需要注意以下幾個(gè)問題：

（1）單級(jí)放大電路的放大倍數(shù)應(yīng)適中；

（2）放大電路的正負(fù)電源之間需加濾波電容，防止電源波動(dòng)對(duì)放大電路的影響；

（3）檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)與管道保持良好電氣接觸。

圖6是在21mm 厚管道中接收到的裂紋回波信號(hào)。

圖6 21mm 厚管道裂紋缺陷回波信號(hào)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

TMS320F2812 在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能包括發(fā)射電路的控制、AD 數(shù)據(jù)采集、微弱信號(hào)檢測(cè)、裂紋判斷和串口、通信等功能。主程序流程圖如圖7 所示。

上位機(jī)界面采用Lab－Windows／CVI軟件設(shè)計(jì)。通過上位機(jī)界面顯示信號(hào)處理后的裂紋回波信號(hào)，同時(shí)顯示裂紋的位置。

圖7 主程序流程圖

5 調(diào)試結(jié)果及分析

為了能對(duì)各種取向的裂紋都有較高的靈敏度，選擇入射角度為45°的電磁超聲斜入射SV 波對(duì)管道裂紋進(jìn)行檢測(cè)。首先對(duì)21mm 厚管道外表面中電火花加工的裂缺陷紋進(jìn)行試驗(yàn)，裂紋長30mm，寬0.5mm，深2mm。斜入射SV 波在遇到裂紋缺陷時(shí)在管道內(nèi)經(jīng)過兩次反射，其傳播距離為l＝2×21／cos45°＝59.40mm，實(shí)測(cè)斜入射SV 波傳播距離為61.55mm，相對(duì)誤差為3.6%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證裂紋檢測(cè)的正確性，還對(duì)35mm 厚鋼板的裂紋進(jìn)行了檢測(cè)，裂紋長35 mm，寬0.5mm，深2mm。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。經(jīng)過DSP處理后上傳給上位機(jī)的波形如圖8所示。

表1 35mm 厚鋼板裂紋檢測(cè)結(jié)果

從表1 可以看出，測(cè)試的相對(duì)誤差最大為3.6%，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)厚壁管道的裂紋檢測(cè)。

6 結(jié)論

將電磁超聲技術(shù)與DSP應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，制定了基于電磁超聲的厚壁管道裂紋檢測(cè)方案。同時(shí)設(shè)計(jì)了基于電磁超聲的厚壁管道檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以激發(fā)和接收電磁超聲斜入射SV波，克服了傳統(tǒng)壓電超聲需要耦合劑的缺點(diǎn)，能夠在壁厚為35mm以下的管道中檢測(cè)出深度超過2mm 的管道裂紋缺陷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)厚壁管道的裂紋有效檢測(cè)。

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