专利名称：电磁超声探头以及使用该电磁超声探头检测管道的方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁超声探头以及一种使用该电磁超声探头检测管道的方法。
背景技术：
目前，主要采用漏磁探伤法对天然气输送管道进行检测，采用漏磁探伤法对天 然气输送管道进行检测通常需要使用多个检测探头和检测通道。因此，漏磁探伤法不仅 使检测装置的结构复杂、价格昂贵，而且使探伤的可靠性降低。更重要的是，漏磁探伤 法对于天然气输送管道内的某些类型的缺陷(例如沿天然气输送管道的轴向分布的缺陷) 的检测灵敏度低，甚至不能检测出上述缺陷。从而不能彻底有效地杜绝天然气输送管 道泄漏和爆裂事故隐患，因此，形成目前对在役天然气输送管道检测方面的重大技术难 题。
发明内容
本发明提供一种电磁超声探头，该电磁超声探头不需要使用耦合剂、构造简 单、检测快速，并且检测灵敏高。本发明还提供一种使用电磁超声探头检测管道(例如，天然气输送管道)的方 法，利用所述方法能够在管壁中和管壁内同时激发出SH1模式的弹性管波和SH表面波， 适用于潜入管道内的检测器(俗称爬行器)作为载体依靠天然气的压力推动在管道中行 进，进行自动长距离探伤检查，从而可有效地检测出管壁中和管壁内表面上的缺陷，特 别是目前漏磁探伤极易漏检的沿管道轴线方向分布的缺陷，弥补现有管道检测能力的不 足。根据本发明，提供一种电磁超声探头，该电磁超声探头包括探头架，具有安 装空间；发射探头，固定在安装空间中，并且与竖直方向呈预定角度，通过将包括高频 脉冲和低频脉冲的混合激励电流施加给发射探头，使得发射探头产生用于检测待测对象 的两种不同的超声波；接收探头，固定在安装空间中，并且相对于竖直方向与发射探头 对称地布置，接收由待测对象反射的超声波。根据本发明，发射探头可包括探头骨架，呈长方体形，由非金属材料制成， 沿着探头骨架的长度方向和高度方向形成有围绕探头骨架的环形槽，沿着探头骨架的长 度方向按照预定间隔形成有多个长方体形插槽，所述多个插槽沿着探头骨架的高度方向 凹陷在探头骨架中；线圈，缠绕在探头骨架的环形槽中；多个永磁体，磁极相互交错地 安装在所述插槽中；壳体，呈长方体形，其下侧设有开口，用于容纳探头骨架。根据本发明，发射探头还可包括探头保护膜，该探头保护膜用于封闭壳体的开根据本发明，接收探头可包括探头骨架，呈长方体形，由非金属材料制成， 沿着探头骨架的长度方向和高度方向形成有围绕接收探头的环形槽，沿着探头骨架的长 度方向按照预定间隔形成有多个长方体形插槽，所述多个插槽沿着探头骨架的高度方向凹陷在探头骨架中；线圈，缠绕在探头骨架的环形槽中；多个永磁体，磁极相互交错地 安装在所述插槽中；壳体，呈长方体形，其下侧设有开口，用于容纳探头骨架。根据本发明，发射探头的线圈的匝数可小于接收探头的线圈的匝数，发射探头 的线圈的漆包线的直径可大于接收探头的线圈的漆包线的直径。根据本发明，所述多个永磁体的数量可大于或者等于7。根据本发明，所述两种超声波可分别是SHl模式的弹性管波和SH表面波。根据本发明，所述预定角度可以在3度至6度范围内。根据本发明，提供一种使用电磁超声探头检测管道的方法，所述电磁超声探头 包括探头架，具有安装空间；发射探头，固定在安装空间中，并且与竖直方向呈预 定角度；接收探头，固定在安装空间中，并且相对于竖直方向与发射探头对称地布置， 所述方法包括以下步骤通过将包括高频脉冲和低频脉冲的混合激励电流施加给发射探 头，使得发射探头产生用于检测待测对象的两种不同的超声波；接收探头接收由待测对 象反射的超声波。根据本发明，所述两种超声波可分别是SHl模式的弹性管波和SH表面波，SHl 模式的弹性管波用于检测管道壁中的缺陷，SH表面波用于检测管道内表面上的缺陷。根据本发明，发射探头和接收探头可沿着管道的轴向依次布置，发射探头和接 收探头相对于管道的径向按照预定角度对称地布置。根据本发明，所述预定角度可在6度至12度范围内。根据本发明，发射探头可包括探头骨架，呈长方体形，由非金属材料制成， 沿着探头骨架的长度方向和高度方向形成有围绕探头骨架的环形槽，沿着探头骨架的长 度方向按照预定间隔形成有多个长方体形插槽，所述多个插槽沿着探头骨架的高度方向 凹陷在探头骨架中；线圈，缠绕在探头骨架的环形槽中；多个永磁体，磁极相互交错地 安装在所述插槽中；壳体，呈长方体形，其下侧设有开口，用于容纳探头骨架。其中， 产生所述两种不同的超声波的步骤包括将包括高频脉冲和低频脉冲的混合激励电流施 加给线圈；由线圈引发的交变涡流在永磁体所产生的静态偏置磁场的作用下在管道中产 生所述两种不同的超声波。
图1是示出根据本发明的电磁超声探头的主视图；图2是示出根据本发明的电磁超声探头的发射探头的纵截面视图；图3是示出根据本发明的电磁超声探头的发射探头的横截面视图；图4至图6是示出使用根据本发明的电磁超声探头检测管道的方法的示图；图7示意性地示出了施加到根据本发明的电磁超声探头的线圈的高频脉冲和低 频脉冲的混合激励电流。
具体实施例方式现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标 号始终表示相同的元件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。图1是示出根据本发明的电磁超声探头10的主视图。如图1所示，根据本发明的电磁超声探头10包括发射探头1、接收探头2和探头架3。其中，探头架3基本上呈 长方体形，并采用奥氏体不锈钢材料制成，在探头架3中形成有用于固定发射探头1和接 收探头2的安装空间。发射探头1和接收探头2均呈长方体形，如图1所示，发射探头1 和接收探头2的长度方向与Z轴方向一致。发射探头1与竖直方向(X轴方向)呈e角 倾斜地安装在探头架3中，类似地，接收探头2与发射探头1相对于竖直方向(X轴方向) 对称地安装在探头架3中。发射探头1和接收探头2之间的夹角2 0被设置成在6 12 度范围内，从而在检测管道(例如天然气输送管道)时，可适应不同管道曲率并保证激发 出SH1模式的弹性管波和SH表面波。虽然所示出的发射探头1、接收探头2和探头架3 均呈长方体形，但本发明不限于此，可根据需要将上述部件设计成其他合适的形状。发射探头1与接收探头2的结构基本相同，下面以发射探头1为例描述探头的结 构。图2是示出根据本发明的电磁超声探头10的发射探头1的纵截面视图，图3是 示出根据本发明的电磁超声探头10的发射探头1的横截面视图。如图2和图3所示，发射探头1包括探头骨架4、多个永磁体5、线圈6、壳体7 和探头保护膜8。其中，探头骨架4可由非金属材料制成，例如，由机玻璃或尼龙等制 成，并呈长方体形。如图2所示，沿着探头骨架4长度方向和高度方向形成有围绕探头 骨架4的环形槽，该环形槽用于容纳线圈6。另外，沿着探头骨架4的长度方向按照预定 间隔形成多个长方体形插槽，所述多个插槽沿着探头骨架4的高度方向凹陷在探头骨架4 中，并且其形状与永磁体5的形状对应，以容纳所述多个永磁体5。虽然所示出的探头架 4和永磁体5均呈长方体形，但本发明不限于此，可根据需要将上述部件设计成其他合适 的形状。所述多个永磁体5由强磁材料(例如钕铁硼)制成，并且如图2所示，所述多个 永磁体5相互交错放置，相邻的永磁体5之间的距离等于所激发出来的超声波的半波长。 超声波的波长由下面的公式确定A = V/f其中，V是超声波的波速，在本发明中，SH表面波的波速是2950米/秒，SH1 模式的弹性管波的波速是指其群速度，大小为1800 3000米/秒；f是超声波的频率， 其范围为50KHz到500KHz ；超声波的波长的范围是5mm 20mm。线圈6由漆包线绕制而成，发射探头1的线圈的匝数小于接收探头2的线圈的匝 数，相应地，发射探头1的线圈的漆包线的直径大于接收探头2的线圈的漆包线的直径， 以增加接收探头2所接收的波的强度。壳体7可采用铝合金制成，其形状为下侧开口的矩形框形，用于容纳安装有线 圈6和永磁体5的探头骨架4。壳体7可通过粘结、螺钉连接、销连接或者其他合适的连 接方法连接到探头骨架4，以保护探头骨架4。探头保护膜8用于封闭壳体7的下侧的开口，并且可由高阻合金或高分子耐磨材 料制成。由于在检测过程中，发射探头1和接收探头2的下表面与管道接触，并沿着管 道的轴向滑动，所以需要安装探头保护膜8来保护发射探头1和接收探头2。当然，探头 保护膜8并不是必须的，根据本发明的电磁超声探头10可不包括探头保护膜8，在这种情 况下，发射探头1和接收探头2不与管道接触。
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在其他实施方式中，在使用电磁超声探头10检测管道时，可将电磁超声探头10 固定在轮子(未示出)上，轮子可以方便地沿管道的轴向运动，实现管道的快速检测。图4至图6是示出使用根据本发明的电磁超声探头10检测管道的方法的示图。下面主要参照图4至图6描述使用电磁超声探头10检测管道的方法。在使用电磁超声探头10检测管道时，将电磁超声探头10放置在管道中，使得发 射探头1和接收探头2沿着管道的轴向布置，S卩，沿着电磁超声探头10的运动方向发射 探头1布置在接收探头2之前，按照这种布置方式能够消除透过波(即，声波绕管道一圈 回来的波)，同时提高缺陷检测的信噪比。在本发明中，线圈6的周期数由永磁体5的个数决定，一组N-S-N永磁体5对 应一个周期，周期数通常是3 5个(如图2所示，在本发明中，周期数是3)。在本发明中，永磁铁5提供的永恒偏置磁场大约是2T，其方向H如图4所示， 垂直于线圈导线方向且垂直于管道表面。这种配置方式决定了管壁内的永恒偏置磁场与 线圈6引发的交变涡流垂直，在洛伦兹力效应的作用下产生SH超声波。通过改变频率即 可得到SHl模式的弹性管波和SH表面波。具体地讲，如果向图2和图3所述的发射探头1施加如图4所示方向的电流I， 则由线圈6引发的交变涡流方向和电荷在磁场中运动所受到的洛仑兹力F的方向如图5所 示。在永磁体5产生的静态偏置磁场中，线圈6引发的交变涡流在洛仑兹力F的作用下 产生如图6所示的水平偏振的SH超声波。在发射探头1的线圈6中馈电以低频脉冲和高频脉冲的混合激励电流(如图7所 示)。低频(30kHz 50kHz)脉冲在管壁中激发出沿周向传播的SHl模式的弹性管波， 由于管道内、外表面的导向作用，SHl模式的弹性管波的弹性运动覆盖整个管道壁厚。 SHl模式的弹性管波散射少、衰减小，不会转化为其他类型的波，能在弯曲的管壁中传 播数圈，对缺陷检测灵敏，专门用来探测管壁中的缺陷。高频(300kHz 500kHz)脉冲 在管道中激发出沿周向传播的SH表面波，专门用来探测管道内表面上的缺陷。在检测的每一位置，接收探头2均能接收到SHl模式的弹性管波和SH表面波的 回波信号和透过波信号，这些信号即反映管壁中和管道内表面的缺陷状况，并可提供有 关缺陷位置和缺陷大小的信息。从而完成对管道的检测。与传统的使用液态耦合介质的压电超声探伤装置不同，根据本发明的电磁超声 探头不使用液态耦合介质、不需要特殊的机械操作，所以耗电量极小。在本发明中，利用高频脉冲激发出的SH表面波和低频脉冲激发出的SHl模式的 弹性管波的双波模检测方法对管道进行检测，由于SHl模式的弹性管波能够检测到整个 管壁内的缺陷(如裂纹和孔洞等)，SH表面波能够检测出管道的内表面上的缺陷(如腐 蚀和划伤等)，所以同时使用两者不但可以检测出缺陷还能区分缺陷所处的准确位置(即 内表面还是外表面)，从而有效地对管道进行缺陷检测。此外，根据本发明的检测方法，不需要对管道进行逐点扫查，在电磁超声探头 在管道内沿直线前进的同时，完成对整个管道的整个管壁的检查。此外，根据本发明的检测方法，检测效率高、所激发出的超声波传播距离远、 检测快速、检测灵敏高等。根据本发明的检测方法特别是对于现有探伤方法不易探测出 的沿管道的轴向分布的缺陷具有较高的检测灵敏度。
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虽然已表示和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不 脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实 施例进行修改。
权利要求
1.一种电磁超声探头，包括 探头架，具有安装空间；发射探头，固定在安装空间中，并且与竖直方向呈预定角度，通过将包括高频脉冲 和低频脉冲的混合激励电流施加给发射探头，使得发射探头产生用于检测待测对象的两 种不同的超声波；接收探头，固定在安装空间中，并且相对于竖直方向与发射探头对称地布置，接收 由待测对象反射的超声波。
2.如权利要求1所述的电磁超声探头，其中，发射探头包括探头骨架，呈长方体形，由非金属材料制成，沿着探头骨架的长度方向和高度方向 形成有围绕探头骨架的环形槽，沿着探头骨架的长度方向按照预定间隔形成有多个长方 体形插槽，所述多个插槽沿着探头骨架的高度方向凹陷在探头骨架中； 线圈，缠绕在探头骨架的环形槽中； 多个永磁体，磁极相互交错地安装在所述插槽中； 壳体，呈长方体形，其下侧设有开口，用于容纳探头骨架。
3.如权利要求2所述的电磁超声探头，其中，发射探头还包括探头保护膜，该探头保 护膜用于封闭壳体的开口。
4.如权利要求2所述的电磁超声探头，其中，接收探头包括探头骨架，呈长方体形，由非金属材料制成，沿着探头骨架的长度方向和高度方向 形成有围绕探头骨架的环形槽，沿着探头骨架的长度方向按照预定间隔形成有多个长方 体形插槽，所述多个插槽沿着探头骨架的高度方向凹陷在探头骨架中； 线圈，缠绕在探头骨架的环形槽中； 多个永磁体，磁极相互交错地安装在所述插槽中； 壳体，呈长方体形，其下侧设有开口，用于容纳探头骨架。
5.如权利要求4所述的电磁超声探头，其中，接收探头还包括探头保护膜，该探头保 护膜用于封闭壳体的开口。
6.如权利要求4所述的电磁超声探头，其中，发射探头的线圈的匝数小于接收探头的 线圈的匝数，发射探头的线圈的漆包线的直径大于接收探头的线圈的漆包线的直径。
7.如权利要求2所述的电磁超声探头，所述多个永磁体的数量大于或者等于7。
8.如权利要求1所述的电磁超声探头，所述两种超声波分别是SHl模式的弹性管波 和SH表面波。
9.如权利要求1所述的电磁超声探头，所述预定角度在3度至6度范围内。
10.—种使用电磁超声探头检测管道的方法，所述电磁超声探头包括探头架，具 有安装空间；发射探头，固定在安装空间中，并且与竖直方向呈预定角度；接收探头， 固定在安装空间中，并且相对于竖直方向与发射探头对称地布置，所述方法包括以下步 骤通过将包括高频脉冲和低频脉冲的混合激励电流施加给发射探头，使得发射探头产 生用于检测待测对象的两种不同的超声波； 接收探头接收由待测对象反射的超声波。
11.如权利要求10所述的方法，所述两种超声波分别是SHl模式的弹性管波和SH表面波，SHl模式的弹性管波用于检测管道壁中的缺陷，SH表面波用于检测管道内表面上 的缺陷。
12.如权利要求10所述的方法，发射探头和接收探头沿着管道的轴向依次布置，发射 探头和接收探头相对于管道的径向按照预定角度对称地布置。
13.如权利要求12所述的方法，所述预定角度在6度至12度范围内。
14.如权利要求11所述的方法，其中，发射探头包括探头骨架，呈长方体形，由 非金属材料制成，沿着探头骨架的长度方向和高度方向形成有围绕探头骨架的环形槽， 沿着探头骨架的长度方向按照预定间隔形成有多个长方体形插槽，所述多个插槽沿着探 头骨架的高度方向凹陷在探头骨架中；线圈，缠绕在探头骨架的环形槽中；多个永磁 体，磁极相互交错地安装在所述插槽中；壳体，呈长方体形，其下侧设有开口，用于容 纳探头骨架，其中，产生所述两种不同的超声波的步骤包括将包括高频脉冲和低频脉冲的混合激励电流施加给线圈；由线圈引发的交变涡流在永磁体所产生的静态偏置磁场的作用下在管道中产生所述 两种不同的超声波。
全文摘要
本发明提供一种电磁超声探头以及使用该电磁超声探头检测管道的方法，该电磁超声探头包括探头架，具有安装空间；发射探头，固定在安装空间中，并且与竖直方向呈预定角度，通过将包括高频脉冲和低频脉冲的混合激励电流施加给发射探头，使得发射探头产生用于检测待测对象的两种不同的超声波；接收探头，固定在安装空间中，并且相对于竖直方向与发射探头对称地布置，接收由待测对象反射的超声波。
文档编号F17D5/06GK102023186SQ20101062279
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者刘涛, 姚君, 张建卫, 杜建生, 童凯, 范弘, 贾慧明 申请人:钢铁研究总院