用于腐蚀映射的电磁声换能器(EMAT)制造技术

技术编号:22889505 阅读:26 留言:0更新日期:2019-12-21 09:22
本文公开了用于检测管中的腐蚀的系统和方法。在一个实施例中,一种用于检测物体中的腐蚀的装置包括电磁声换能器(EMAT),其具有铁磁芯和围绕铁磁芯周围布置的多个永磁体。永磁体布置成产生通过铁磁芯的磁场。该装置还包括在铁磁芯和物体之间的线圈。

Electromagnetic acoustic transducer (EMAT) for corrosion mapping

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于腐蚀映射的电磁声换能器(EMAT)相关申请的交叉引用本申请要求于2017年3月2日提交的美国临时申请No.62/466264的权益,其内容通过引用合并于此。
技术介绍
金属结构通常容易受到腐蚀和侵蚀。例如,管道通常在管的外表面上形成腐蚀,而在管的内表面上形成侵蚀。管道操作者使用B31G标准来评估管道“服务适合性”。在评估过程中,必须识别管上的腐蚀斑块,并估算这些斑块之间的间距,以确定是否应将紧密地间隔的斑块视为一个连续的斑块。接下来,可以将斑块的轴向范围和最大深度作为用于每个斑块的评估标准。腐蚀斑块的最大深度决定了管的最小可用壁厚。图1是根据现有技术的裂缝检测的示意图。一些常规技术通过压电换能器或电磁声换能器(EMAT)在固体材料6(例如,金属板)中产生超声波。压电换能器包括振动晶体2和耦合剂4(例如,凝胶或流体),该耦合剂将振动传递到固体材料6(例如,钢板)上。在另一种常规技术中,EMAT15在固体材料6中产生振动。EMAT15包括与线圈12磁耦合的永磁体10。当交流电(AC)在线圈12中流动时,线圈12中的AC电流在固体材料6中产生涡电流。永磁体10的磁场与这些涡流相互作用(例如通过洛伦兹力或磁致伸缩),以产生通过固体材料的晶格传播的超声波。当超声波到达裂纹或分层5(或晶格中的其他不连续部)时,会生成反射超声波。这些反射波可以由也是EMAT的接收器检测。在接收EMAT(未显示)处,反射超声波与接收EMAT的磁场的相互作用在样品材料中感应出涡流,其进而在接收EMAT线圈电路中感应出电流。可以测量这些感应电流,并进行进一步分析以表征样品的裂纹、分层或壁厚。在某些应用中,EMAT15既可以用作超声波发射器,也可以用作超声波接收器。对于EMAT和压电换能器壁厚的测量,由于超声波能量从腐蚀斑块上的散射,腐蚀可能特别成问题。此外,EMAT难以在具有相对较薄的壁(例如0.25至0.5英寸)的管上操作,并且由于腐蚀而进一步变薄,因为第一回波(可能是唯一具有可检测到的幅度的回波)可能被掩埋在信号的“主脉冲(mainbang)”中。因此,仍然需要有成本效益的测试方法,该方法能够在腐蚀存在的情况下不用耦合剂而精确地测量壁管的厚度。附图说明参考以下附图可以更好地理解当前公开的各方面。附图中的组成部分不一定按比例绘制。相反,重点放在清楚地说明当前公开的原理上。图1是根据现有技术的缺陷检测的示意图;图2A是根据现有技术的用于具有未腐蚀壁的管的EMAT幅度扫描(ASCAN)响应;图2B是根据现有技术的用于具有腐蚀壁的管的EMATASCAN响应;图2C和2D是根据当前公开的技术的实施例的传感器尺寸对比腐蚀拓扑的部分示意图;图3是根据当前公开技术的实施例的具有铁磁芯的EMAT的示意图;图3A是图3所示的EMAT的剖视图;图3B是图3所示的EMAT线圈的一条迹线的详细视图;图4是根据当前公开的技术的实施例的EMAT的布局的示意图;图5A是根据当前公开的技术的实施例的EMAT的剖视图;图5B是根据当前公开的技术的实施例的EMAT的剖视图;图6A是根据当前公开的技术的实施例的EMAT线圈的示意图;图6B是根据当前公开的技术的实施例的线圈信号的图形;图7是根据当前公开的技术的实施例的EMAT的示意性电路拓扑;图8是根据当前公开的技术的实施例的用于EMAT系统的支持电子装置的示意图;图9和图10示出了根据当前公开的技术的实施例的EMAT系统的脉冲图;图11和图12分别示出了根据当前公开技术的实施例的用于钢板和铝板的EMAT系统的模拟结果;图13是根据当前公开的技术的实施例的信号强度对比剥离(lift-off)的图形;图14示出了根据当前公开的技术的实施例的EMAT系统的输出电压对比时间的模拟结果;图15示出了根据当前公开的技术的实施例的EMAT系统的电流对比时间的模拟结果。具体实施方式本专利技术的技术涉及可以量化管道或其他结构的剩余壁厚的EMAT(电磁声换能器)传感器。本专利技术的技术可以用于例如缺少传统压电(PZT)系统所需的液体耦合剂的气体管道或空管中。通常,当管被严重腐蚀时,传统的液体耦合的PZT系统和EMAT壁面损失系统都难获得测量。特别是腐蚀斑块的倾斜面会散射入射的超声波信号,从而使返回信号模糊或完全阻止反射信号的测量。在操作中,EMAT传感器需要最大化准确确定腐蚀斑块之间的间距、腐蚀区域的长度和腐蚀斑块深度的概率。在一些实施例中,代替或者除了腐蚀之外,可以检测到物体中的其他缺陷,例如,物体中的裂纹或晶体结构缺陷。在某些情况下,定义腐蚀斑块内的壁的剩余厚度的深腐蚀凹坑能够具有相对较小的横截面。即使没有专门针对B31G标准,找到最小的剩余壁厚对于使管或其他结构的剩余使用寿命达标也很重要。由于常规EMAT的感应区域的相对大的尺寸,因此现有的EMAT技术无法充分检测相对较小但较深的腐蚀凹坑。下面描述解决该问题的本技术的一些实施例。本技术可以适用于从管的外部的手持式或自动传感器应用或从管的内部的在线检查应用。通常,EMAT的感应覆盖区(footprint)越小,从腐蚀凹坑的底部获得测量值的可能性就越高,因为如果超声波的方向竖直于腐蚀凹坑的底部,则腐蚀斑块会反射更多的能量。例如,具有相对较大的传感器覆盖区的EMAT传感器可以检测相对较大但浅的腐蚀斑块,而不能检测相对较小但深的腐蚀斑块。与具有0.5-1英寸数量级的线性尺寸的典型EMAT传感器覆盖区相比,在本技术的一些实施例中,传感器覆盖区的线性尺寸为大约1/4英寸至3/8英寸或大约1/8英寸至1/4英寸。本技术的一些实施例具有圆形或近似圆形的EMAT传感器覆盖区,其直径约为1/4英寸至3/8英寸或大约1/4英寸至1/2英寸直径。在本专利技术技术的一些实施例中,增加了磁场强度,从而在小面积内产生了更强的磁场,从而提高了EMAT传感器的性能。通常,EMAT的灵敏度(例如,EMAT检测腐蚀的能力)与磁通量的密度的平方成比例。因此,如果磁通量保持不变的同时磁场面积例如小两倍,则EMAT传感器的灵敏度将增加四倍。换句话说,在一些实施例中,本专利技术技术不一定依赖于更强的信号,而是依赖于在较小的感测覆盖区内具有相同强度的信号。在至少一些实施例中,增加的磁场密度增加了从具有小的轴向和周向范围的腐蚀斑块的底部接收返回回波(或者多个回波)的可能性。本技术的一些实施例可以表征样品(例如管)的外表面或内表面上的样品中的缺陷(例如,腐蚀凹坑的深度)。用于带有腐蚀的管和具有薄壁的其他结构(例如,平坦壁)的EMAT传感器的设计的一些注意事项是:1.传感器衰荡/死区时间;2.OD(外径)表面超声波散射;3.ID(内径)耦合;和4.传感器尺寸对比腐蚀拓扑。传感器衰荡/死区时间图2A是根据现有技术的用于具有未腐蚀壁的管的EMAT幅度扫描(ASCAN)响应。图2A中的图形在水平轴上显示时间,在竖直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于检测或测量物体中腐蚀或侵蚀的装置,包括:/n电磁声换能器EMAT,其具有:/n铁磁芯;/n多个永磁体,其围绕所述铁磁芯周围布置并且构造成通过所述铁磁芯产生磁场;和/n线圈,其配置在所述铁磁芯和所述物体之间。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170302 US 62/466,2641.一种用于检测或测量物体中腐蚀或侵蚀的装置,包括:
电磁声换能器EMAT,其具有:
铁磁芯;
多个永磁体,其围绕所述铁磁芯周围布置并且构造成通过所述铁磁芯产生磁场;和
线圈,其配置在所述铁磁芯和所述物体之间。


2.根据权利要求1所述的装置,其中,所述多个永磁体包括第一磁体、第二磁体、第三磁体和第四磁体,并且其中,每个磁体面对所述铁磁芯的具有相同极的一侧。


3.根据权利要求2所述的装置,其中,所述多个永磁体还包括第五磁体,所述第五磁体面对所述铁磁芯的与所述物体相对的顶侧,并且其中,所述第五磁体以与所述第一磁体、第二磁体、第三磁体和第四块磁铁相同的磁极来面对所述铁磁芯。


4.根据权利要求2所述的装置,其中,所述第一永磁体具有面对所述铁磁芯的第一宽度,并且所述第二永磁体具有面对所述铁磁芯的第二宽度,并且其中,所述第一宽度和所述第二宽度不同。


5.根据权利要求1所述的装置,其中,所述多个永磁体包括围绕所述铁磁芯的楔形磁体。


6.根据权利要求1所述的装置,其中,所述多个永磁体是多个第一永磁体,并且所述铁磁芯是第一铁磁芯,所述装置还包括多个第二永磁体和第二铁磁芯,其中,所述多个第一永磁体中的至少一个永磁体以一个磁极面对所述第一铁磁芯,并且以另一个磁极面对所述第二铁磁芯。


7.根据权利要求1所述的装置,其中,所述铁磁芯包括层叠片,并且其中,所述铁磁芯的各个层叠片通常垂直于所述线圈。


8.根据权利要求1所述的装置,其中,所述铁磁芯朝向所述线圈突出所述多个永磁体的外表面。


9.根据权利要求8所述的装置,其中,所述铁磁芯相对于所述多个永磁体是能够移动的。


10.根据权利要求1所述的装置,其中,所述铁磁芯的横截面的边在从大约1/4英寸x1/4英寸到大约1/2英寸x1/2英寸的范围内。


11.根据权利要求1所述的装置,其中,所述铁磁芯的横截面的直径在从大约1/4英寸到大约1/2英寸的范围内。


12.根据权利要求1所述的装置,其中,所述线圈包括堆叠在所述物体与所述铁磁芯之间的发送器TX线圈和接收器RX线圈。


13.根据权利要求12所述的装置,其中,所述TX线圈比所述RX线圈更靠近所述物体。


14.根据权利要求13所述的装置,其中,所述TX线圈包括第一TX导电迹线TX1和第二TX导电迹线TX2,并且所述RX线圈包括第一RX导电迹线RX1和第二RX导电迹线RX2,其中,所述TX1和所述RX1在...

【专利技术属性】
技术研发人员:菲利普·D·邦杜兰特安东尼·麦克图蒂斯理查德·莱尔·多尔蒂
申请(专利权)人:奎斯特综合股份有限公司
类型:发明
国别省市:美国;US

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