專利名稱：電磁超聲探頭以及使用該電磁超聲探頭檢測管道的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁超聲探頭以及一種使用該電磁超聲探頭檢測管道的方法。
背景技術(shù)：
目前，主要采用漏磁探傷法對天然氣輸送管道進(jìn)行檢測，采用漏磁探傷法對天 然氣輸送管道進(jìn)行檢測通常需要使用多個檢測探頭和檢測通道。因此，漏磁探傷法不僅 使檢測裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，而且使探傷的可靠性降低。更重要的是，漏磁探傷 法對于天然氣輸送管道內(nèi)的某些類型的缺陷(例如沿天然氣輸送管道的軸向分布的缺陷) 的檢測靈敏度低，甚至不能檢測出上述缺陷。從而不能徹底有效地杜絕天然氣輸送管 道泄漏和爆裂事故隱患，因此，形成目前對在役天然氣輸送管道檢測方面的重大技術(shù)難 題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種電磁超聲探頭，該電磁超聲探頭不需要使用耦合劑、構(gòu)造簡 單、檢測快速，并且檢測靈敏高。本發(fā)明還提供一種使用電磁超聲探頭檢測管道(例如，天然氣輸送管道)的方 法，利用所述方法能夠在管壁中和管壁內(nèi)同時激發(fā)出SH1模式的彈性管波和SH表面波， 適用于潛入管道內(nèi)的檢測器(俗稱爬行器)作為載體依靠天然氣的壓力推動在管道中行 進(jìn)，進(jìn)行自動長距離探傷檢查，從而可有效地檢測出管壁中和管壁內(nèi)表面上的缺陷，特 別是目前漏磁探傷極易漏檢的沿管道軸線方向分布的缺陷，彌補(bǔ)現(xiàn)有管道檢測能力的不 足。根據(jù)本發(fā)明，提供一種電磁超聲探頭，該電磁超聲探頭包括探頭架，具有安 裝空間；發(fā)射探頭，固定在安裝空間中，并且與豎直方向呈預(yù)定角度，通過將包括高頻 脈沖和低頻脈沖的混合激勵電流施加給發(fā)射探頭，使得發(fā)射探頭產(chǎn)生用于檢測待測對象 的兩種不同的超聲波；接收探頭，固定在安裝空間中，并且相對于豎直方向與發(fā)射探頭 對稱地布置，接收由待測對象反射的超聲波。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)射探頭可包括探頭骨架，呈長方體形，由非金屬材料制成， 沿著探頭骨架的長度方向和高度方向形成有圍繞探頭骨架的環(huán)形槽，沿著探頭骨架的長 度方向按照預(yù)定間隔形成有多個長方體形插槽，所述多個插槽沿著探頭骨架的高度方向 凹陷在探頭骨架中；線圈，纏繞在探頭骨架的環(huán)形槽中；多個永磁體，磁極相互交錯地 安裝在所述插槽中；殼體，呈長方體形，其下側(cè)設(shè)有開口，用于容納探頭骨架。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)射探頭還可包括探頭保護(hù)膜，該探頭保護(hù)膜用于封閉殼體的開根據(jù)本發(fā)明，接收探頭可包括探頭骨架，呈長方體形，由非金屬材料制成， 沿著探頭骨架的長度方向和高度方向形成有圍繞接收探頭的環(huán)形槽，沿著探頭骨架的長 度方向按照預(yù)定間隔形成有多個長方體形插槽，所述多個插槽沿著探頭骨架的高度方向凹陷在探頭骨架中；線圈，纏繞在探頭骨架的環(huán)形槽中；多個永磁體，磁極相互交錯地 安裝在所述插槽中；殼體，呈長方體形，其下側(cè)設(shè)有開口，用于容納探頭骨架。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)射探頭的線圈的匝數(shù)可小于接收探頭的線圈的匝數(shù)，發(fā)射探頭 的線圈的漆包線的直徑可大于接收探頭的線圈的漆包線的直徑。根據(jù)本發(fā)明，所述多個永磁體的數(shù)量可大于或者等于7。根據(jù)本發(fā)明，所述兩種超聲波可分別是SHl模式的彈性管波和SH表面波。根據(jù)本發(fā)明，所述預(yù)定角度可以在3度至6度范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，提供一種使用電磁超聲探頭檢測管道的方法，所述電磁超聲探頭 包括探頭架，具有安裝空間；發(fā)射探頭，固定在安裝空間中，并且與豎直方向呈預(yù) 定角度；接收探頭，固定在安裝空間中，并且相對于豎直方向與發(fā)射探頭對稱地布置， 所述方法包括以下步驟通過將包括高頻脈沖和低頻脈沖的混合激勵電流施加給發(fā)射探 頭，使得發(fā)射探頭產(chǎn)生用于檢測待測對象的兩種不同的超聲波；接收探頭接收由待測對 象反射的超聲波。根據(jù)本發(fā)明，所述兩種超聲波可分別是SHl模式的彈性管波和SH表面波，SHl 模式的彈性管波用于檢測管道壁中的缺陷，SH表面波用于檢測管道內(nèi)表面上的缺陷。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)射探頭和接收探頭可沿著管道的軸向依次布置，發(fā)射探頭和接 收探頭相對于管道的徑向按照預(yù)定角度對稱地布置。根據(jù)本發(fā)明，所述預(yù)定角度可在6度至12度范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)射探頭可包括探頭骨架，呈長方體形，由非金屬材料制成， 沿著探頭骨架的長度方向和高度方向形成有圍繞探頭骨架的環(huán)形槽，沿著探頭骨架的長 度方向按照預(yù)定間隔形成有多個長方體形插槽，所述多個插槽沿著探頭骨架的高度方向 凹陷在探頭骨架中；線圈，纏繞在探頭骨架的環(huán)形槽中；多個永磁體，磁極相互交錯地 安裝在所述插槽中；殼體，呈長方體形，其下側(cè)設(shè)有開口，用于容納探頭骨架。其中， 產(chǎn)生所述兩種不同的超聲波的步驟包括將包括高頻脈沖和低頻脈沖的混合激勵電流施 加給線圈；由線圈引發(fā)的交變渦流在永磁體所產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場的作用下在管道中產(chǎn) 生所述兩種不同的超聲波。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲探頭的主視圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲探頭的發(fā)射探頭的縱截面視圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲探頭的發(fā)射探頭的橫截面視圖；圖4至圖6是示出使用根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲探頭檢測管道的方法的示圖；圖7示意性地示出了施加到根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲探頭的線圈的高頻脈沖和低 頻脈沖的混合激勵電流。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述，其示例表示在附圖中，其中，相同的標(biāo) 號始終表示相同的元件。下面通過參照附圖對實(shí)施例進(jìn)行描述以解釋本發(fā)明。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲探頭10的主視圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲探頭10包括發(fā)射探頭1、接收探頭2和探頭架3。其中，探頭架3基本上呈 長方體形，并采用奧氏體不銹鋼材料制成，在探頭架3中形成有用于固定發(fā)射探頭1和接 收探頭2的安裝空間。發(fā)射探頭1和接收探頭2均呈長方體形，如圖1所示，發(fā)射探頭1 和接收探頭2的長度方向與Z軸方向一致。發(fā)射探頭1與豎直方向(X軸方向)呈e角 傾斜地安裝在探頭架3中，類似地，接收探頭2與發(fā)射探頭1相對于豎直方向(X軸方向) 對稱地安裝在探頭架3中。發(fā)射探頭1和接收探頭2之間的夾角2 0被設(shè)置成在6 12 度范圍內(nèi)，從而在檢測管道(例如天然氣輸送管道)時，可適應(yīng)不同管道曲率并保證激發(fā) 出SH1模式的彈性管波和SH表面波。雖然所示出的發(fā)射探頭1、接收探頭2和探頭架3 均呈長方體形，但本發(fā)明不限于此，可根據(jù)需要將上述部件設(shè)計成其他合適的形狀。發(fā)射探頭1與接收探頭2的結(jié)構(gòu)基本相同，下面以發(fā)射探頭1為例描述探頭的結(jié) 構(gòu)。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲探頭10的發(fā)射探頭1的縱截面視圖，圖3是 示出根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲探頭10的發(fā)射探頭1的橫截面視圖。如圖2和圖3所示，發(fā)射探頭1包括探頭骨架4、多個永磁體5、線圈6、殼體7 和探頭保護(hù)膜8。其中，探頭骨架4可由非金屬材料制成，例如，由機(jī)玻璃或尼龍等制 成，并呈長方體形。如圖2所示，沿著探頭骨架4長度方向和高度方向形成有圍繞探頭 骨架4的環(huán)形槽，該環(huán)形槽用于容納線圈6。另外，沿著探頭骨架4的長度方向按照預(yù)定 間隔形成多個長方體形插槽，所述多個插槽沿著探頭骨架4的高度方向凹陷在探頭骨架4 中，并且其形狀與永磁體5的形狀對應(yīng)，以容納所述多個永磁體5。雖然所示出的探頭架 4和永磁體5均呈長方體形，但本發(fā)明不限于此，可根據(jù)需要將上述部件設(shè)計成其他合適 的形狀。所述多個永磁體5由強(qiáng)磁材料(例如釹鐵硼)制成，并且如圖2所示，所述多個 永磁體5相互交錯放置，相鄰的永磁體5之間的距離等于所激發(fā)出來的超聲波的半波長。 超聲波的波長由下面的公式確定A = V/f其中，V是超聲波的波速，在本發(fā)明中，SH表面波的波速是2950米/秒，SH1 模式的彈性管波的波速是指其群速度，大小為1800 3000米/秒；f是超聲波的頻率， 其范圍為50KHz到500KHz ；超聲波的波長的范圍是5mm 20mm。線圈6由漆包線繞制而成，發(fā)射探頭1的線圈的匝數(shù)小于接收探頭2的線圈的匝 數(shù)，相應(yīng)地，發(fā)射探頭1的線圈的漆包線的直徑大于接收探頭2的線圈的漆包線的直徑， 以增加接收探頭2所接收的波的強(qiáng)度。殼體7可采用鋁合金制成，其形狀為下側(cè)開口的矩形框形，用于容納安裝有線 圈6和永磁體5的探頭骨架4。殼體7可通過粘結(jié)、螺釘連接、銷連接或者其他合適的連 接方法連接到探頭骨架4，以保護(hù)探頭骨架4。探頭保護(hù)膜8用于封閉殼體7的下側(cè)的開口，并且可由高阻合金或高分子耐磨材 料制成。由于在檢測過程中，發(fā)射探頭1和接收探頭2的下表面與管道接觸，并沿著管 道的軸向滑動，所以需要安裝探頭保護(hù)膜8來保護(hù)發(fā)射探頭1和接收探頭2。當(dāng)然，探頭 保護(hù)膜8并不是必須的，根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲探頭10可不包括探頭保護(hù)膜8，在這種情 況下，發(fā)射探頭1和接收探頭2不與管道接觸。
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在其他實(shí)施方式中，在使用電磁超聲探頭10檢測管道時，可將電磁超聲探頭10 固定在輪子(未示出)上，輪子可以方便地沿管道的軸向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)管道的快速檢測。圖4至圖6是示出使用根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲探頭10檢測管道的方法的示圖。下面主要參照圖4至圖6描述使用電磁超聲探頭10檢測管道的方法。在使用電磁超聲探頭10檢測管道時，將電磁超聲探頭10放置在管道中，使得發(fā) 射探頭1和接收探頭2沿著管道的軸向布置，S卩，沿著電磁超聲探頭10的運(yùn)動方向發(fā)射 探頭1布置在接收探頭2之前，按照這種布置方式能夠消除透過波(即，聲波繞管道一圈 回來的波)，同時提高缺陷檢測的信噪比。在本發(fā)明中，線圈6的周期數(shù)由永磁體5的個數(shù)決定，一組N-S-N永磁體5對 應(yīng)一個周期，周期數(shù)通常是3 5個(如圖2所示，在本發(fā)明中，周期數(shù)是3)。在本發(fā)明中，永磁鐵5提供的永恒偏置磁場大約是2T，其方向H如圖4所示， 垂直于線圈導(dǎo)線方向且垂直于管道表面。這種配置方式?jīng)Q定了管壁內(nèi)的永恒偏置磁場與 線圈6引發(fā)的交變渦流垂直，在洛倫茲力效應(yīng)的作用下產(chǎn)生SH超聲波。通過改變頻率即 可得到SHl模式的彈性管波和SH表面波。具體地講，如果向圖2和圖3所述的發(fā)射探頭1施加如圖4所示方向的電流I， 則由線圈6引發(fā)的交變渦流方向和電荷在磁場中運(yùn)動所受到的洛侖茲力F的方向如圖5所 示。在永磁體5產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場中，線圈6引發(fā)的交變渦流在洛侖茲力F的作用下 產(chǎn)生如圖6所示的水平偏振的SH超聲波。在發(fā)射探頭1的線圈6中饋電以低頻脈沖和高頻脈沖的混合激勵電流(如圖7所 示)。低頻(30kHz 50kHz)脈沖在管壁中激發(fā)出沿周向傳播的SHl模式的彈性管波， 由于管道內(nèi)、外表面的導(dǎo)向作用，SHl模式的彈性管波的彈性運(yùn)動覆蓋整個管道壁厚。 SHl模式的彈性管波散射少、衰減小，不會轉(zhuǎn)化為其他類型的波，能在彎曲的管壁中傳 播數(shù)圈，對缺陷檢測靈敏，專門用來探測管壁中的缺陷。高頻(300kHz 500kHz)脈沖 在管道中激發(fā)出沿周向傳播的SH表面波，專門用來探測管道內(nèi)表面上的缺陷。在檢測的每一位置，接收探頭2均能接收到SHl模式的彈性管波和SH表面波的 回波信號和透過波信號，這些信號即反映管壁中和管道內(nèi)表面的缺陷狀況，并可提供有 關(guān)缺陷位置和缺陷大小的信息。從而完成對管道的檢測。與傳統(tǒng)的使用液態(tài)耦合介質(zhì)的壓電超聲探傷裝置不同，根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲 探頭不使用液態(tài)耦合介質(zhì)、不需要特殊的機(jī)械操作，所以耗電量極小。在本發(fā)明中，利用高頻脈沖激發(fā)出的SH表面波和低頻脈沖激發(fā)出的SHl模式的 彈性管波的雙波模檢測方法對管道進(jìn)行檢測，由于SHl模式的彈性管波能夠檢測到整個 管壁內(nèi)的缺陷(如裂紋和孔洞等)，SH表面波能夠檢測出管道的內(nèi)表面上的缺陷(如腐 蝕和劃傷等)，所以同時使用兩者不但可以檢測出缺陷還能區(qū)分缺陷所處的準(zhǔn)確位置(即 內(nèi)表面還是外表面)，從而有效地對管道進(jìn)行缺陷檢測。此外，根據(jù)本發(fā)明的檢測方法，不需要對管道進(jìn)行逐點(diǎn)掃查，在電磁超聲探頭 在管道內(nèi)沿直線前進(jìn)的同時，完成對整個管道的整個管壁的檢查。此外，根據(jù)本發(fā)明的檢測方法，檢測效率高、所激發(fā)出的超聲波傳播距離遠(yuǎn)、 檢測快速、檢測靈敏高等。根據(jù)本發(fā)明的檢測方法特別是對于現(xiàn)有探傷方法不易探測出 的沿管道的軸向分布的缺陷具有較高的檢測靈敏度。
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雖然已表示和描述了本發(fā)明的一些實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不 脫離由權(quán)利要求及其等同物限定其范圍的本發(fā)明的原理和精神的情況下，可以對這些實(shí) 施例進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種電磁超聲探頭，包括 探頭架，具有安裝空間；發(fā)射探頭，固定在安裝空間中，并且與豎直方向呈預(yù)定角度，通過將包括高頻脈沖 和低頻脈沖的混合激勵電流施加給發(fā)射探頭，使得發(fā)射探頭產(chǎn)生用于檢測待測對象的兩 種不同的超聲波；接收探頭，固定在安裝空間中，并且相對于豎直方向與發(fā)射探頭對稱地布置，接收 由待測對象反射的超聲波。
2.如權(quán)利要求1所述的電磁超聲探頭，其中，發(fā)射探頭包括探頭骨架，呈長方體形，由非金屬材料制成，沿著探頭骨架的長度方向和高度方向 形成有圍繞探頭骨架的環(huán)形槽，沿著探頭骨架的長度方向按照預(yù)定間隔形成有多個長方 體形插槽，所述多個插槽沿著探頭骨架的高度方向凹陷在探頭骨架中； 線圈，纏繞在探頭骨架的環(huán)形槽中； 多個永磁體，磁極相互交錯地安裝在所述插槽中； 殼體，呈長方體形，其下側(cè)設(shè)有開口，用于容納探頭骨架。
3.如權(quán)利要求2所述的電磁超聲探頭，其中，發(fā)射探頭還包括探頭保護(hù)膜，該探頭保 護(hù)膜用于封閉殼體的開口。
4.如權(quán)利要求2所述的電磁超聲探頭，其中，接收探頭包括探頭骨架，呈長方體形，由非金屬材料制成，沿著探頭骨架的長度方向和高度方向 形成有圍繞探頭骨架的環(huán)形槽，沿著探頭骨架的長度方向按照預(yù)定間隔形成有多個長方 體形插槽，所述多個插槽沿著探頭骨架的高度方向凹陷在探頭骨架中； 線圈，纏繞在探頭骨架的環(huán)形槽中； 多個永磁體，磁極相互交錯地安裝在所述插槽中； 殼體，呈長方體形，其下側(cè)設(shè)有開口，用于容納探頭骨架。
5.如權(quán)利要求4所述的電磁超聲探頭，其中，接收探頭還包括探頭保護(hù)膜，該探頭保 護(hù)膜用于封閉殼體的開口。
6.如權(quán)利要求4所述的電磁超聲探頭，其中，發(fā)射探頭的線圈的匝數(shù)小于接收探頭的 線圈的匝數(shù)，發(fā)射探頭的線圈的漆包線的直徑大于接收探頭的線圈的漆包線的直徑。
7.如權(quán)利要求2所述的電磁超聲探頭，所述多個永磁體的數(shù)量大于或者等于7。
8.如權(quán)利要求1所述的電磁超聲探頭，所述兩種超聲波分別是SHl模式的彈性管波 和SH表面波。
9.如權(quán)利要求1所述的電磁超聲探頭，所述預(yù)定角度在3度至6度范圍內(nèi)。
10.—種使用電磁超聲探頭檢測管道的方法，所述電磁超聲探頭包括探頭架，具 有安裝空間；發(fā)射探頭，固定在安裝空間中，并且與豎直方向呈預(yù)定角度；接收探頭， 固定在安裝空間中，并且相對于豎直方向與發(fā)射探頭對稱地布置，所述方法包括以下步 驟通過將包括高頻脈沖和低頻脈沖的混合激勵電流施加給發(fā)射探頭，使得發(fā)射探頭產(chǎn) 生用于檢測待測對象的兩種不同的超聲波； 接收探頭接收由待測對象反射的超聲波。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，所述兩種超聲波分別是SHl模式的彈性管波和SH表面波，SHl模式的彈性管波用于檢測管道壁中的缺陷，SH表面波用于檢測管道內(nèi)表面上 的缺陷。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，發(fā)射探頭和接收探頭沿著管道的軸向依次布置，發(fā)射 探頭和接收探頭相對于管道的徑向按照預(yù)定角度對稱地布置。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，所述預(yù)定角度在6度至12度范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，發(fā)射探頭包括探頭骨架，呈長方體形，由 非金屬材料制成，沿著探頭骨架的長度方向和高度方向形成有圍繞探頭骨架的環(huán)形槽， 沿著探頭骨架的長度方向按照預(yù)定間隔形成有多個長方體形插槽，所述多個插槽沿著探 頭骨架的高度方向凹陷在探頭骨架中；線圈，纏繞在探頭骨架的環(huán)形槽中；多個永磁 體，磁極相互交錯地安裝在所述插槽中；殼體，呈長方體形，其下側(cè)設(shè)有開口，用于容 納探頭骨架，其中，產(chǎn)生所述兩種不同的超聲波的步驟包括將包括高頻脈沖和低頻脈沖的混合激勵電流施加給線圈；由線圈引發(fā)的交變渦流在永磁體所產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場的作用下在管道中產(chǎn)生所述 兩種不同的超聲波。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電磁超聲探頭以及使用該電磁超聲探頭檢測管道的方法，該電磁超聲探頭包括探頭架，具有安裝空間；發(fā)射探頭，固定在安裝空間中，并且與豎直方向呈預(yù)定角度，通過將包括高頻脈沖和低頻脈沖的混合激勵電流施加給發(fā)射探頭，使得發(fā)射探頭產(chǎn)生用于檢測待測對象的兩種不同的超聲波；接收探頭，固定在安裝空間中，并且相對于豎直方向與發(fā)射探頭對稱地布置，接收由待測對象反射的超聲波。
文檔編號F17D5/06GK102023186SQ20101062279
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者劉濤, 姚君, 張建衛(wèi), 杜建生, 童凱, 范弘, 賈慧明 申請人:鋼鐵研究總院