电磁超声技术在变电站GIS管道裂纹检测中的应用研究

王 伟，潘晓明，张永生

(苏州供电公司，江苏苏州 215004)

为了节约土地，现在越来越多的变电站使用GIS设备。这些GIS管道工作于高压状态下且受到各种侵蚀，容易出现裂纹，严重影响GIS的安全运行。对于GIS管道外部的细小裂纹，在造成GIS内部气体泄漏之前，无法用放射法或压力检测法等检测，但这些裂纹对GIS的安全运行构成巨大威胁。利用电磁超声导波对GIS管道进行检测，可以发现其微小裂纹，从而及时采取补救措施。电磁超声导波检测法是利用电磁感应的方法直接在被检测管道内激发超声导波，无需任何耦合剂，这是其相对于压电超声法的优点之一。该方法不需要与被检测体接触，所以不需对管道外壁清洗或做其他处理，可以适用于高压管道的在线检测[1]。可见，利用电磁超声导波检测变电站GIS管道的裂纹缺陷是一种有应用前景的检测技术。

1电磁超声原理

根据磁致伸缩效应原理，既然磁场能够引起铁磁性材料微观结构的变形，若对铁磁性材料施加交变磁场，交变磁场就会使其周期性变形，而微观结构的变形就使其产生振动，振动就可以激发出声波。因此，可以对铁磁性材料施加高频交变磁场，使其周期性伸缩振动，从而激发出超声波。本文根据这一原理设计电磁超声换能器 （EMAT）[2]，利用EMAT在铁磁性材料中激发超声波。同时，铁磁性材料的伸缩振动，会使其微观磁畴周围磁场产生变化，这就是磁致伸缩逆效应。根据磁致伸缩逆效应可以接收超声波信号。

2电磁超声换能器设计

EMAT由三部分组成：偏置磁场、弯曲线圈和被检测体。偏置磁场为EMAT提供合适的工作点，使其电-声转换效率达到最高。文中用U型电磁铁产生偏置磁场，电磁铁线圈为1 000匝，负载电流可达10 A，通过调节线圈中的电流就可以控制偏置磁场的强度。被检测体是EMAT的一部分，因为超声波是在被检测体内激发的。文中被检测体为长1 000 mm，直径500 mm，壁厚10 mm的钢管道，用来代替GIS管道。弯曲线圈用来激发和接收电磁超声信号。在弯曲线圈中通入高频电流，高频电流在管道壁感应出高频磁场，引起管道局部的微观振动，从而激发出超声波。弯曲线圈设计时需满足以下相位匹配条件[3]：式中：f为超声波的频率；v为超声波在管道壁中的传播速度；d为线圈相邻两导线的中心距离。

满足相位匹配条件的线圈能使EMAT效率达到最高，相同电流激励下接收的信号幅值最高。接收线圈和发射线圈的结构相同，如图1所示。

图1弯曲线圈结构

只要改变弯曲线圈和U型电磁铁的相对位置，即可利用EMAT激发出不同模式的超声导波，这也是电磁超声的一个重要优点。文中需要采用SH0模式导波[4]，其EMAT结构如图2所示。

3电磁超声裂纹检测实验研究

EMAT转换效率较低，激励脉冲电流需要30 A以上，文中使用自行研制的脉冲电源作为EMAT的激励电路，激励电压的波形如图3所示。另外，EMAT接收信号微弱，信噪比低，需要设计信号放大器及滤波电路将有用信号提取出来。

4结束语

本文研究了利用电磁超声导波来检测变电站GIS管道的裂纹缺陷，并通过实验验证了该方法的有效性。由实验结果可知，分析EMAT所接收的电磁超声信号，就可以准确判断裂纹的位置。由于目前该项研究还处于初级阶段，对裂纹进行定量分析还有待进一步研究。

[1]张永生，黄松岭，赵 伟，等.基于电磁超声的钢板裂纹检测

系统[J].无损检测，2009，42（4）：275-280.

[2]张志刚，阙沛文，雷华明.兰姆波的电磁超声磁致伸缩式激励及其特性[J].上海交通大学学报，2006，40（1）：133-137.

[3]ALERS G A,BURNS L R.EMAT Designs for Special Applications[J].Materials Evaluation,1987,45：1184-1189.

[4]朱定伟，张春雷，黄建冲.电站管道超声导波检测的模式选择[J].广东电力，2007，20（5）：16-20.