氣墊式電磁超聲探頭初探
發布時間：2017-09-01
1前言
近年來一種新的探傷方法―電磁超聲(EMAT)方法逐步得到應用和發展,電磁超聲探傷方法將有可能成為未來鋼材原料及成品探傷的首選方法。然而由于現行的接觸式電磁超聲探頭有著很多無法逾越的弊端,人們正在尋求一種新的解決方法。用氣墊式探頭代替原有的接觸式探頭,有望解決探頭磨損問題,還為電磁超聲方法應用于高溫坯料探傷提供了前所未有的良機。
氣墊式探頭是原有接觸式探頭的發展和革新,只要電磁超聲探傷方法適用的場合(除非一些不適合用氣體的地方),一般均可以采用氣墊式探頭。它可以廣泛應用于無損檢測當中的原材料、半成品和成品的檢測。對于冶金行業當中的鋼板、棒料、無縫鋼管、連鑄鋼坯、螺旋焊管等均適用。
2電磁超聲探傷方法的特點
電磁超聲探傷的特點為:
1)電磁超聲波借電磁場作為發送和接收超聲波的介質,所以不需要油、水之類的耦合劑。
2)如果改變電磁鐵的結構和形狀,改變發信收信線圈的排列方式,就可以分別產生縱波、橫波和表面波等不同模式的超聲波。
3)可對高溫物體和表面有銹垢及油漆層的物體直接檢測,因而可減輕工作量,節約能源。相反,超聲檢測方法做不到這一點。
4)由于不需要耦合劑,不存在接觸壓力變化問題,探傷靈敏度穩定。
5)EMAT在750℃高溫下檢測也很容易實現,甚至更高溫度下也是可能的。
6)電磁超聲波不能用于對非金屬材料探傷,因為非金屬中不能產生渦流。這是其不足之處。
3氣墊式探頭的提出
3.1研究價值
隨著電磁超聲探傷機理的不斷完善,加之其他探傷方法無與倫比的優勢,將可能成為板材、管材、鋼棒、連鑄坯的主要探傷手段。而氣墊式電磁超聲探頭得以開發應用,無疑對于電磁超聲的發展與推廣將起到推波助瀾的作用。
(1)對于板材來說,目前國際上常用的探傷方法是超聲檢測(UT)法。但是,UT方法存在三大問題:一是要有水耦合,水在高溫下會汽化,零度以下會結冰;二是機械跟蹤問題不好解決;三是不能達到100%掃查。而電磁超聲(EMAT)方法使得這些問題迎刃而解。
(2)對于管材及鋼棒來說,通用的渦流或超聲法必須要求探頭旋轉或是被檢的管棒旋轉,而且要求兩者必須同心,這使得機械跟蹤問題難以解決。而使用EMAT方法不需要探頭或被測物旋轉,只需要保證探頭與被測物的間隙即可。
(3)對于連鑄坯來說,EMAT方法更是其他方法不可代替的。專業人士分析,若將EMAT用于在線鑄坯探傷,可以實現連鑄參數的適時調整,降低產品的不合格率,提高產品質量。但是,目前的接觸式探頭又有許多致命問題不能解決,因此氣墊式探頭的研制意義重大。首先,磨損問題影響了探頭的使用壽命,用氣墊將探頭和被測物隔開,幾乎不存在磨損問題;其次,直接接觸導致探頭升溫,氣墊式探頭不與被測物接觸,中間不斷通入冷空氣,起到了冷卻的作用;另外,直接接觸使得跟蹤裝置的動態特性不佳,機械振動影響很大,而使用氣墊式探頭將可能使探傷設備的跟蹤特性會有質的改善。
3.2氣墊式探頭的特點
(1)采用空氣作為介質,不需任何成本,氣體直接從探頭排出,不再循環使用,且無污染、無噪聲。
(2)壓縮空氣壓力僅為3～5個大氣壓,使用起來比較安全可靠。
(3)探頭裝置結構簡單,加工、安裝、拆卸均較方便。
(4)氣墊剛度大,使得探頭跟蹤效果好、探傷結果準確高效。
(5)和接觸式探頭相比,探頭的磨損大大減小,提高了探頭的使用壽命,從而降低了生產成本。
3.3氣墊式探頭的研究現狀與前景
目前,僅有俄羅斯生產出裝有氣墊式探頭的板材電磁超聲設備,國內尚無此方面的任何信息。無論是從事此類產品的開發,還是從事這方面的研究,都將具有重要的意義。若能成功研制出用于工業生產,而且使用效果好的氣墊式探頭,其科研價值以及經濟效益將是可觀的。
4氣墊式探頭設計方法初探
4.1理論基礎
鑒于氣墊式電磁超聲探頭屬創新性課題,所以在設計過程中基本沒有同類產品可以借鑒,可以參考的就是氣體靜壓軸承和氣墊帶式運輸機。但是它與氣體靜壓軸承有著明顯的區別:首先,它的氣墊間隙遠遠厚于靜壓軸承;其次,目前對于靜壓軸承的設計主要是參考有關手冊,按照一定的尺寸比例進行設計,但本系統受到整個探傷設備的制約,設計尺寸不可隨意選擇,所以現成的手冊和圖表無法套用。氣膜性能的計算是氣墊式探頭研究工作的一個基礎。在理論計算過程中,首先要建立氣墊場的氣流及壓力場分布的數學模型,在提出一系列假設的前提下,應用雷諾方程、氣體連續性方程及連界條件,再用差分法或有限單元法求解出氣墊場的壓力分布值、氣膜承載能力、氣膜高度、氣膜剛度等一系列氣膜性能值。
4.2實驗
以理論計算為基礎,我們進行了實驗室階段的研究。在測量氣膜間隙時,可采用電測法或用千分表進行測量,測量結果精度要求很高。考慮到氣膜厚度可能不均勻,我們采用三點測量法,即通過測量一個面上的三個點的高度,來確定這個面的高度。通過大量反復的測量,得到的結論是:實驗的氣膜厚度基本均勻,誤差極小。同時還進行了氣膜剛度的探討,通過對承重進行加載來改變氣膜厚度,測量出氣膜厚度的變化,計算出氣膜的剛度。
5結語
經過理論計算和實驗分析,得出如下結論:
(1)氣墊式電磁超聲探頭屬于發明研制,根據其工作原理,設計時可以參考靜壓氣體支承和氣墊帶式運輸機。但氣墊式電磁超聲探頭的氣墊間隙和這二者都不屬于一個數量級,并且它們的結構有所不同。所以現成的經驗公式和圖表都不能直接套用。
(2)設計時,氣墊的尺寸和形狀不同,設計和計算的方法也會不同。如果對外形和尺寸沒有限制,最好將氣墊設計成圓形,加工時會更方便,同時在計算氣墊性能時,也可以和氣體靜壓推力軸承靠攏,所以設計起來也會方便很多。
(3)在選定供氣壓力時,應考慮節流比β。對于小孔節流來說,節流比的選擇應考慮受到氣體阻塞的限制。
摘自：中國計量測控網
