气垫式电磁超声探头初探
发布时间：2017-09-01
1前言
近年来一种新的探伤方法―电磁超声(EMAT)方法逐步得到应用和发展,电磁超声探伤方法将有可能成为未来钢材原料及成品探伤的首选方法。然而由于现行的接触式电磁超声探头有着很多无法逾越的弊端,人们正在寻求一种新的解决方法。用气垫式探头代替原有的接触式探头,有望解决探头磨损问题,还为电磁超声方法应用于高温坯料探伤提供了前所未有的良机。
气垫式探头是原有接触式探头的发展和革新,只要电磁超声探伤方法适用的场合(除非一些不适合用气体的地方),一般均可以采用气垫式探头。它可以广泛应用于无损检测当中的原材料、半成品和成品的检测。对于冶金行业当中的钢板、棒料、无缝钢管、连铸钢坯、螺旋焊管等均适用。
2电磁超声探伤方法的特点
电磁超声探伤的特点为:
1)电磁超声波借电磁场作为发送和接收超声波的介质,所以不需要油、水之类的耦合剂。
2)如果改变电磁铁的结构和形状,改变发信收信线圈的排列方式,就可以分别产生纵波、横波和表面波等不同模式的超声波。
3)可对高温物体和表面有锈垢及油漆层的物体直接检测,因而可减轻工作量,节约能源。相反,超声检测方法做不到这一点。
4)由于不需要耦合剂,不存在接触压力变化问题,探伤灵敏度稳定。
5)EMAT在750℃高温下检测也很容易实现,甚至更高温度下也是可能的。
6)电磁超声波不能用于对非金属材料探伤,因为非金属中不能产生涡流。这是其不足之处。
3气垫式探头的提出
3.1研究价值
随着电磁超声探伤机理的不断完善,加之其他探伤方法无与伦比的优势,将可能成为板材、管材、钢棒、连铸坯的主要探伤手段。而气垫式电磁超声探头得以开发应用,无疑对于电磁超声的发展与推广将起到推波助澜的作用。
(1)对于板材来说,目前国际上常用的探伤方法是超声检测(UT)法。但是,UT方法存在三大问题:一是要有水耦合,水在高温下会汽化,零度以下会结冰;二是机械跟踪问题不好解决;三是不能达到100%扫查。而电磁超声(EMAT)方法使得这些问题迎刃而解。
(2)对于管材及钢棒来说,通用的涡流或超声法必须要求探头旋转或是被检的管棒旋转,而且要求两者必须同心,这使得机械跟踪问题难以解决。而使用EMAT方法不需要探头或被测物旋转,只需要保证探头与被测物的间隙即可。
(3)对于连铸坯来说,EMAT方法更是其他方法不可代替的。专业人士分析,若将EMAT用于在线铸坯探伤,可以实现连铸参数的适时调整,降低产品的不合格率,提高产品质量。但是,目前的接触式探头又有许多致命问题不能解决,因此气垫式探头的研制意义重大。首先,磨损问题影响了探头的使用寿命,用气垫将探头和被测物隔开,几乎不存在磨损问题;其次,直接接触导致探头升温,气垫式探头不与被测物接触,中间不断通入冷空气,起到了冷却的作用;另外,直接接触使得跟踪装置的动态特性不佳,机械振动影响很大,而使用气垫式探头将可能使探伤设备的跟踪特性会有质的改善。
3.2气垫式探头的特点
(1)采用空气作为介质,不需任何成本,气体直接从探头排出,不再循环使用,且无污染、无噪声。
(2)压缩空气压力仅为3～5个大气压,使用起来比较安全可靠。
(3)探头装置结构简单,加工、安装、拆卸均较方便。
(4)气垫刚度大,使得探头跟踪效果好、探伤结果准确高效。
(5)和接触式探头相比,探头的磨损大大减小,提高了探头的使用寿命,从而降低了生产成本。
3.3气垫式探头的研究现状与前景
目前,仅有俄罗斯生产出装有气垫式探头的板材电磁超声设备,国内尚无此方面的任何信息。无论是从事此类产品的开发,还是从事这方面的研究,都将具有重要的意义。若能成功研制出用于工业生产,而且使用效果好的气垫式探头,其科研价值以及经济效益将是可观的。
4气垫式探头设计方法初探
4.1理论基础
鉴于气垫式电磁超声探头属创新性课题,所以在设计过程中基本没有同类产品可以借鉴,可以参考的就是气体静压轴承和气垫带式运输机。但是它与气体静压轴承有着明显的区别:首先,它的气垫间隙远远厚于静压轴承;其次,目前对于静压轴承的设计主要是参考有关手册,按照一定的尺寸比例进行设计,但本系统受到整个探伤设备的制约,设计尺寸不可随意选择,所以现成的手册和图表无法套用。气膜性能的计算是气垫式探头研究工作的一个基础。在理论计算过程中,首先要建立气垫场的气流及压力场分布的数学模型,在提出一系列假设的前提下,应用雷诺方程、气体连续性方程及连界条件,再用差分法或有限单元法求解出气垫场的压力分布值、气膜承载能力、气膜高度、气膜刚度等一系列气膜性能值。
4.2实验
以理论计算为基础,我们进行了实验室阶段的研究。在测量气膜间隙时,可采用电测法或用千分表进行测量,测量结果精度要求很高。考虑到气膜厚度可能不均匀,我们采用三点测量法,即通过测量一个面上的三个点的高度,来确定这个面的高度。通过大量反复的测量,得到的结论是:实验的气膜厚度基本均匀,误差极小。同时还进行了气膜刚度的探讨,通过对承重进行加载来改变气膜厚度,测量出气膜厚度的变化,计算出气膜的刚度。
5结语
经过理论计算和实验分析,得出如下结论:
(1)气垫式电磁超声探头属于发明研制,根据其工作原理,设计时可以参考静压气体支承和气垫带式运输机。但气垫式电磁超声探头的气垫间隙和这二者都不属于一个数量级,并且它们的结构有所不同。所以现成的经验公式和图表都不能直接套用。
(2)设计时,气垫的尺寸和形状不同,设计和计算的方法也会不同。如果对外形和尺寸没有限制,最好将气垫设计成圆形,加工时会更方便,同时在计算气垫性能时,也可以和气体静压推力轴承靠拢,所以设计起来也会方便很多。
(3)在选定供气压力时,应考虑节流比β。对于小孔节流来说,节流比的选择应考虑受到气体阻塞的限制。
摘自：中国计量测控网
