用EMAT超声波检测钢板的一个工业应用实例

钢板材料在各行各业中的广泛应用是促进世界冶金行业向前发展的一个关键因素。EMATEST-PL，这种新的多通道，全自动超声波检测设备已经成功地在俄罗斯和日本的生产线中使用。该设备含有数百个独立通道，每年能够可靠地在线检测数百万吨钢板材料。高灵敏度和出色的抗干扰抑制能力，100 ％全覆盖，其他先进功能，这一设备的检测效果可以完全满足所有当代国际标准和国内标准。本文将阐述以EMAT为基础的解决方案在技术和环境等方面的优势，非接触式超声波探伤技术现代发展状况和已经取得的成就，世界各地广泛应用的积极经验，并特别解释高温钢板（高达+ 650 ℃ ）的超声波无损探伤的检测结果。

一． 引言

Nordinkraft无损检测集团公司拥有应用于钢板，棒材，管件和钢坯的工业自动化超声波检测设备的开发，生产和保养的丰富经验。如果需要的话，我们在系统中可以装备一个“电磁声学传感器”（EMAT）。 这个现代的环保技术能够对金属材料进行非常方便和可靠的非接触式超声检测。

钢板有极为重要的工业用途，作为原材料广泛使用于天然气/石油管道，船舶，桥梁，化工罐体等行业。钢板的广泛应用是推动世界冶金业不断发展的一个关键因素。

另一方面，钢板是应用EMAT为基础的工业超声检测技术的最佳产品。除了大量的非常独特的技术优势， EMAT技术的超声检测不需要水或其他任何耦合物，此举不仅可以节约了大量的饮用水，同时防止被检材料和周围技术设备受到腐蚀危害。

迄今为止，Nordinkraft 公司已经向世界各地厂商提供了18套具有高检测能力的非接触式钢板探伤检测设备，，并取得极好的使用效果。 以EMAT为技术基础的钢板无损探伤检测系统在世界有色冶金行业使用已经达到相当的比例，并且将不断增加。

二． EMATEST-PL – 基于EMAT 技术的第五代超声波钢板无损检测设备

新一代的超声波检测设备 （型号5）的第一套是Nordinkraft 公司 2006年底制造并在东京制铁集团投入工业应用。迄今Nordinkraft成功生产（包括目前正在生产中）6套这样的超声波检测设备，并将其命名为“ EMATEST-PL”。

该设备10个最重要的性能指标如下：

2.1 独立的通道数到达 – 400 个:

2.2 检测物品的温度范围 – 从 – 20 ^oC 到 + 650 ^oC

2.3 检测速度 – 24米长的钢板所需检测时间为34秒，即年检测能力为数百万吨。

2.4 检测过程 （包括标定和重复标定）是全自动的，不需要检测员工

2.5 检测钢板厚度 – 4 – 100 毫米

2.6 检测灵敏度 – FBH2 （比大多数国际标准严格得多）

2.7 检测覆盖率 – 100% （除去自然盲区外）

2.8 标定和重复标定 – 一般不需要

2.9 检测配置 – 4 通道配置的 EMAT探头，前后排列两条检测线，用于激发和接收板材表面的剪切波

2.10 测试探头通常不接触被检产品表面，其间隙是由气垫填充。

基于EMAT 的超声波检测设备的EMATEST-PL主要性能将有一段录像演示说明。

三． EMATEST-PL 设备工业应用实践结果

俄罗斯最大的钢铁厂Nosta（原奥尔思科哈里洛夫钢铁公司）目前在用的有2套超声波探伤检测设备，一套是EMATEST-PL，另一套是基于传统的压电晶体探头。

这个配置对于Nordinkraft和钢厂来说，都是一个极好的机会，可以在此相同使用条件下收集、总结和比较基于两个不同物理基础的2个超声探头所产生的不同的检测结果。。

超过40.000 件钢板产品用于对比检测试验。EMATEST-PL首先进行测试，其被检产品的温度为400 ～ 6 50度。之后，将材料冷却到室温，利用TR -压电探头这一传统超声波探伤设备进行检测。

正如在录像中的演示，结果基本相同。唯一的例外是 – 氢裂缝。如不能检出，该缺陷所带来的问题可能会在今后出现。可能在储存过程中，或在运输过程中，或在钢管加工过程中，甚至在使用过程中。

EMATEST - PL和传统的超声波检测设备的对比结果如下。星级数量表示我们对各自超声波检测设备功能的评估

3.1 无损检测的种类

这两种类型的探测器发射和接收都是超声波。

因此，在这两种情况下，我们所谈论的都是超声波检测

3.2 工作频率：两种探测器都在频率范围 3 – 10 MHz 内

3.3 脉冲重复的频率: 两种探测器可以达到10 KHz

3.4 使用的弹性振动的类型：这两种类型的探测器能够传输剪切和纵向超声波。然而，垂直于钢板表面，压电探测器只能够传输纵波。根据物理研究数据表明，剪切波对于检测钢板有更好的效果。EMAT可以很容易地获得这种声学波。

3.5 探测器声波场的均匀性：一套TR -探测器检测工业平板时必须有几个接收晶体。晶体之间区域的灵敏度下降是不可避免的。为了弥补这一下降（最低六分贝），需要增加灵敏度。这导致了过度排斥，好的钢板也可能被拒绝。TR -探测器光束方向的均匀性也不是很好。

因为特别设计，EMAT可以非常顺利产生均匀声场，所以，区域重叠非常容易实现。

3.6 灵敏度：大多数的国际和国家标准要求检测钢板的层叠，按照FBH- 5的要求反射超声波。但是，现代EMAT和压电探测器两者都可以达到更高的灵敏度 – 高达FBH- 2 ，甚至更好。对于多通道在线检测系统，其真实灵敏度受到不同界面，不同噪音的限制。各类型的探头的不同特性在后节中描述。

3.7 盲区：在钢板边缘 EMAT和TR 都显示出相同的盲区。

从理论上说，新一代配有塑料棱镜的TR -探测器允许垂直于表面的盲区有一个更好一点的结果。   但实际上，情况是完全不同的。TR -探测器一个非常关键问题是相互位置调整，所有的探针在一个多通道系统不可避免的产生随机偏差，偏离其最初的性能，基于全自动压电的超声波检测系统结果比EMAT更糟。此外，作为最好的一套TR -探测器其工作表面是塑料制成的，经过若干公里的工作后，“试件+水+划痕”诸因素造成棱镜表面侵蚀。所以，一套TR-探测器很快失去其原始性能。这使得以压电探针为基础的系统校准成为非常必要，至少一天两次。每次校准可能需要调整TR -探针。调整的具体时间取决于人员的水平和所用探针数量。

实际上，因为EMAT保持稳定性质，因此EMAT不需要调整，多通道在线检测的盲区方面EMAT优于TR -探测器。

3.8 服务设备：带塑料棱镜TR -探测器（这是目前最好的TR -探头类型）几乎所有重要的性能在使用中逐步退化。这是因为侵蚀，刮伤，水和温度的影响。因此，要确保检测可靠，一套以TR – 探针为基础的系统需要校准，至少一天两次（甚至每班2次）。以TR-探针为基础的系统的自动校准是非常有限的，因为改变TR -探头性能（包括改变他们的声场和定向性质）是不可预测的。

现代设计的EMAT是一个非常稳定的设备，对外界的伤害和温度有很好的自我保护。其性能的稳定致使不需要任何调整或校准。硬陶瓷和气垫形成双重保护以防止摩损。从理论上说， EMAT可以永久工作而永远不失去其原有属性。所以，以EMAT为基础的系统的总检查（我们不称之为校准！ ），每年一次足够。EMAT系统的自动校准是非常有效和充分可靠的。

一套TR - 探头总是针对一个对象服务和校准。基于压电的多通道系统，供水系统是另一个薄弱环节。与水有关的参数的任何变化可能导致新的调整和重新标定。它也需要一些时间并需要用起重机运输参考钢板。滚筒输送应该有反向运动，才能使校准和重新校准容易。

对此，EMAT有很大的优势，不要调整探头，校准和重新调整也没有必要。

3.9 抗干扰性：对超声检测的钢板有五种噪音或干扰典型。其中有些仅仅只是对TR –探测器产生干扰。

1） 电磁干扰：以EMAT为基础的系统有先进的电子设备的和特殊算法的信号处理可以做到这样的噪音完全被忽略不计。TR -探针为基础的系统也可以做到同样的结果，但每一个系统应事先检查抗电磁噪声的性能。

2） 耦合水的声学噪声（所谓：混响），这一干扰仅仅对压电探测器！在TR – 探测器的情况中，它可以非常强大，而且不可预知的。强烈要求有合格的调整过程、良好的水质和供水系统。工作人员必须非常训练有素。

对多通道TR -系统这种噪声可以是至关重要的。混响可能会对钢板质量导致错误决定（无缺陷钢板可以错误拒绝）。当调整TR - 探针有错误时，或者当气泡或松散的杂质在TR -探针和钢板之间，或当间隙比所需要稍大时，或因侵蚀已破坏了TR -探针棱镜架形状时都会出现误判。

对于EMAT这种噪音不存在，因为不需要水。间隙很少变化，并不会产生任何噪音。或许使信号稍弱，但自动校准系统会立即予以纠正，保持灵敏度的稳定。

3） 麦克风的效果：这是钢板沿运输辊输送时，所造成的广谱噪声。 主要靠剪切波工作的EMATs系统对这种噪音不敏感。如果TR -探针系统的电子和信号处理足够好，这也不是一个问题。

4） 在钢板表面上的油，或油漆，或松散的杂物，或其他物质，影响良好的浸水和耦合。这一干扰也只对压电探测器！ 这是压电系统一个典型的问题，EMAT没有这类问题。

5） 在测试期间探头倾向出现随机偏离。这个干扰只对于压电探测器！压电探针的倾角偏离2-3度，可造成在钢板中声场重大失真。缺陷可以很容易错过而失检。

EMAT总是传送和接收垂直表面超声波信号，不论其位置。因此，对EMAT它不是一个问题，它的信号通常是非常稳定。

3.10 温度： TR- 检测器的工作温度必须在0 – 100 度之间。获得良好的浸水性，最好用温水和中温材料。在这种情况下，耦合更好，结果更稳定。因此，很难在输送线上找到一个合适位置安置TR - UT系统，使所有不同厚度钢板温度始终是在上述范围。但是，即使较低的温度下（例如，只有70度）可以极大地影响超声波检测结果，甚至破坏TR -探针。

任何位置，只要钢板温度不超过650度， EMAT都能测得好结果。因此，一个以EMAT为基础的在线检测系统，在全自动模式下工作，使用和安装都容易和便宜得多。

3.11 水的消耗和环境保护：用TR 多通道系统对钢板100% 检测，每吨钢要消耗 10 升一级纯净水（无气雾杂质）。检测100万吨钢板就要消耗 1000万升纯净水。

EMAT 不需要水

3.12 腐蚀问题：表皮是天然的抗腐蚀保护层。经过TR -检测后，钢板会生锈并失去其部分市场销售价值。其周边其它设备也总是处于被腐蚀的风险中。

用EMAT测试可以保持钢板和周围设备良好的环境。

3.13 自动化在线检测程序：用TR-检测器，因为它经常并且不确定的变化，改变原始性质，因此总是需要标定。这就不太可能设计和建立一个完全自动化的压电在线检测系统。

EMAT不需要任何调整。只有在发生故障或事故时，只要将测试架移到服务区检查维修即可，除此之外，不需要其它的调整。EMATEST-V所有的部件是非常可靠的。

3.14 检测速度：EMAT在高速测试方面的优势是显而易见的。因为气穴的风险，气泡可能将使耦合失效，所以以多通道压电为基础的系统检测速度有其自然极限（约1米/秒）。而EMAT由于不需要水耦合而没有这种先天性的限制。

3.15 预期寿命：TR -探针可以运行100 -2 00公里（如果保养好，材料温度始终是低的），之后它们不得不被调换，而且探头原始特性总是在退化中。

“ EMATEST - V ”设备的一块EMATs探头正常运行500 -2 000公里。

3.16 比较总结果：

四． 结论 ：

对于钢板的工业检测，EMAT相对传统的压电探测器有很大的优势，几乎表现在所有参数项目和实际应用方面。