使用EMAT探头测量蒸汽锅炉管的壁厚

本应用说明探讨了如何使用电磁声学探头（EMAT）测量蒸汽锅炉管的壁厚。请阅读这则应用说明，了解EMAT的相关信息，包括其优点和局限性、工作原理，以及如何使用超声测厚仪和探伤仪进行测量。

电磁声学探头（EMAT）对于测量蒸汽锅炉管壁厚的重要性

蒸汽锅炉内部非常高的温度（超过800摄氏度），会在钢质锅炉管的内壁和外壁上形成一种被称为四氧化三铁锈层的坚硬且易碎的特殊氧化铁。在使用普通的双晶探头进行测量时，钢管外壁上的这种氧化层会干扰对管壁进行的超声测量，原因有两个：非常粗糙的表面会影响正常的声耦合，氧化层的厚度会被添加到钢管壁厚上。

不过，顾名思义，四氧化三铁锈层带有磁性，而这个特性允许使用磁致伸缩EMAT（电磁声学探头）对钢管进行检测，如E110-SB。这种EMAT探头有几个优于常规双晶压电探头的性能：无需去除氧化层，氧化层的厚度不会被添加到壁厚测量值中，快速进行测量，以及无需液体耦合剂。

磁致伸缩EMAT探头的主要局限性在于，只有在氧化层存在且粘结在锅炉管外侧时，才可以进行准确测量。此外，在最小可测壁厚和测量准确性方面，EMAT探头也较常规双晶探头的性能要差一些，而且相对来说，EMAT探头对于较小的内壁点蚀也不太敏感。基于这些原因，EMAT探头通常用于快速完成初步的壁厚检测，而双晶探头在此之后，可用于对可疑的区域进行更进一步检测。

工作原理

无损检测行业使用两种EMAT探头进行检测。被称为洛伦兹的EMAT探头不需要管壁上出现氧化层，但需要非常高的驱动功率。磁致伸缩EMAT探头，如E110-SB，需要有氧化层。 不过，这些EMAT探头的工作功率要比现场便携式超声测量仪和探伤仪的典型功率水平低得多。

磁致伸缩EMAT探头由一块强永磁体和一个线圈组成，当探头被检测仪器发出的激励脉冲驱动时，其表现如同一块电磁铁，如图1所示。永磁体会创建一个垂直于氧化层表面的磁场（下图中的Bs），而当线圈被脉冲激励时，由电磁铁（Bd）创建的动态磁场会导致氧化层在径向上向外和向内拉伸，如图2所示。

这种运动会在氧化层中生成一个垂直入射的横波，然后这个横波会传播到钢中。从根本上说，氧化层起到了一种可以生成声波脉冲的激活探头晶片的作用。随着氧化层厚度的改变，声波脉冲的频率会发生变化：氧化层变薄，频率会增加；氧化层变厚，频率会降低。管壁上堆积的典型薄氧化层，会生成频率约为5 MHz的声波脉冲。这个过程还可以反向作用：当返回的横波回波使氧化层振动时，会在线圈中产生电压。

图1. 典型EMAT探头的横截面。

图2. 生成声波的方法。

由于氧化层本身可以起到探头晶片的作用，因此氧化层的粗糙度不会产生耦合问题，而且氧化层不会被添加到厚度测量值中。EMAT探头可以生成横波，因此必须根据典型碳钢约为3240 m/s的横波声速，对仪器进行校准。E110-SB EMAT探头典型的测量精度为±0.25毫米，根据材料特性，最小可测量厚度至少为2毫米。

用于测量蒸汽锅炉管壁厚的EMAT探头的设置和测量程序

EMAT应用中超声回波的质量，在某种程度上，取决于氧化层的一致性。在特定锅炉管上的不同位置，氧化层的情况会不尽相同。如果在某个位置上不能获得有效的回波，可以在其附近换个位置重试一下。此外，E110-SB探头具有调整相隔距离的性能，即可以改变探头面与锅炉管表面之间的距离。在很多情况下，调整这个相隔距离有助于优化回波响应。

两种不同类型的仪器，设置EMAT探头的方法不同：

1. 超声测厚仪

E110-SB探头与39DL PLUS测厚仪和一个 1/2XA/E110适配器配合使用，不仅可以识别探头，还可以提供适当调节信号所需的附加高通滤波。插入适配器后，测厚仪将自动选择EMAT默认设置：DEFM1-EMAT/E110。

与任何其他测厚仪的设置一样，应在已知厚度的厚的和薄的参考标准试块上进行两点声速/零位校准，以获得优质精度。如果没有这些标准试块，默认设置通常足以作为起点进行测量。

可以根据需要对仪器的增益和回波空白进行调整，以优化回波探测效果。在EMAT探头的默认设置下，39DL PLUS测厚仪还可以显示全波检波波形。图3显示的是典型的波形视图。

图3. 典型的EMAT检波波形。要更详细地查看波形的形状，可以在测厚仪的设置菜单中选择射频显示选项，这种波形显示在具有挑战性的测量条件下非常有用。图4显示了EMAT测量的典型射频波形。

图4. 典型的EMAT射频波形。

2. 超声探伤仪

图5显示了EPOCH系列探伤仪（如EPOCH 6LT或EPOCH 650仪器）的典型EMAT起始设置和波形。请注意：必须使用带通滤波功能滤掉与EMAT探头相关的低频噪声。此外，由于横波频率会随着氧化层的厚度而变化，因此应该根据需要对EPOCH探伤仪的方波频率进行调整，以优化回波响应。

图5. 基本设置参数：声速（0.1280 in./µs）、零位（0.650 µs）、能量（400 V）、阻尼（50 Ω）、脉冲频率（5.0 MHz）、滤波器（1.5–8.5 MHz）。