周向导波电磁超声探头(EMAT)设计与优化

　　0 引言

　　目前油气管线检测的主要方法采用漏磁检测仪器，简称漏磁PIG( Pipe Inspection Gauge) ，但漏磁 PIG 不能检测管道纵向裂纹而且体积庞大。近年国外已经研发出了一种使用电磁超声技术的高分辨率管道检测器，通过电磁超声探头激励周向导波来检测纵向裂纹、涂层剥落、腐蚀坑等[1]。电磁超声技术最大的优点是无需要机械接触和液体耦合，而超声导波技术具有检测效率高、可检测多种类型的缺陷、检测灵敏度比较高的优点。目前国内电磁超声导波技术已经应用于板材[2]、管道[3]的缺陷检测，但利用电磁超声周向导波进行管道缺陷检测的研究很少。超声周向导波技术检测精度高、检测数据简单，一次可以检测管道一周，可检测管道腐蚀坑和应力腐蚀裂纹( SCC) 等缺陷，在油气管道检测方面会有广阔的应用前景。周向导波EMAT 是利用周向导波进行缺陷检测时的关键部件，对激励周向导波和提高信噪比具有重要意义，文中主要在周向导波电磁超声探头设计和提高其激励能力方面进行研究。

　　1 周向导波检测理论

　　周向导波类似与平板导波，有Lamb 和SH 波之分。因周向类 Lamb 波各个模态均有频散，且经缺陷反射后会发生模态转换，信号处理提取缺陷信号的难度大; 而周向类SH 波中SH0 模态无频散，与缺陷相互作用后无模态转换，因此对缺陷信号的提取较容易，适合对管道进行检测。Zhao 等最先研究了周向类SH 波在各向同性圆管中的导波频散曲线及位移在管壁径向的分布[4]，频散方程和位移分布方程如下:

式中: k^= kb; a 为管道内半径; b 为管道外半径; k_T为横波波数;k 为导波波数; J 为贝塞尔( Bessel) 函数; Y 为诺伊曼( Neumann)函数。

式中: r 为径向位置; Ψ( r) 为 r 处质点位移。

　　以直径 200 mm、壁厚 4 mm 的钢管为例，依据式( 1) 计算出的相速度频散曲线如图1 所示，群速度频散曲线如图2 所示，频率为3MHz 时各个模态位移从内壁到外壁的分布如图3 所示。从相速度和群速度频散曲线图可以看出，周向SH 波0 阶模态无频散，但在3 MHz 的管内外壁位移分布不均匀。假定除频率外其他激励条件不变的情况下，不同频率时SH0 模沿管壁厚度方向的位移分布如图4 所示，对于外径200 mm 壁厚4 mm的钢管，频率低于300 kHz 情况下SH0 模沿管壁厚度方向的位移分布几乎一致，而且频率越低位移幅度越大。因此SH0 模态适合在相对低的频率下进行管道缺陷检测。

　　2 电磁超声探头理论与设计

　　SH 波是水平面内振动和传播的板波，振动方向和传播方向垂直，且振动方向平行于边界。