多层管界面脱粘缺陷的电磁超声检测方法研究-硕士毕业论文

摘 要硕士学位论文多层管界面脱粘缺陷的电磁超声检测方法研究学位申请人：指导教师： 教授， 研究员类别（领域）：工程硕士（航天工程）年 月论文题目：多层管界面脱粘缺陷的电磁超声检测方法研究本研究得到国家磁约束聚变项目（2013GB113005），国家自然科学基金（51277139, 11321062）及国家973项目（2011CB610303）资助类别（领域）：工程硕士（航天工程）学位申请人：指导教师： 教授， 研究员摘 要偏滤器是托卡马克装置的重要组成部分，起着移除聚变残灰以及冷却面向等离子体部件的作用，是保证等离子体正常运行的关键部件之一。由于面向等离子体部件需要承受来自等离子体的强大热负荷，偏滤器垂直靶板大量采用穿管型部件，以抵抗高温和有效移除热量。钨铜穿管型部件的合金铜换热管和钨块通过中间无氧铜层利用热等压焊接技术连接，局部构成了典型的多层、异材管状结构。多层热等压焊接管在航天航空结构中也有大量使用，其结构的完整性对飞行器安全具有重大影响。由于制作工艺复杂，在制备和使用过程中，异材焊接界面可能发生脱粘等缺陷，因此需要采用无损检测手段对界面焊接质量进行评估。国内外相继开发了红外热成像法、超声波检测法以及涡流检测法用于钨铜穿管型部件的界面检测，但这些方法在检测精度及检测效率上尚有不足。电磁超声无损检测技术由于其独有的特性，有望用于提高多层管结构界面脱粘缺陷检测的有效性。针对以上研究背景，本论文主要研究电磁超声技术在多层结构界面脱粘缺陷检测中的有效性。主要内容包括：多层管用的电磁超声数值模拟程序的开发；针对小径管提出了一种旋转磁场管用电磁超声新方法；所提方法对多层结构界面脱粘缺陷检测的有效性的实验验证。具体研究内容及主要结果如下：（1）基于已有平板的数值模拟程序，开发了多层管电磁超声数值模拟程序，通过超声场传播规律的分析、超声波波速计算值与理论值的对比以及仿真结果与实验结果的对比，验证了数值模拟程序的正确性。（2）建立了钨铜穿管型部件的数值计算模型，提出了两种典型的管用电磁超声探头结构，利用开发的数值模拟程序进行了界面脱粘缺陷检测的电磁超声信号仿真；搭建了电磁超声实验系统，自制了电磁超声探头，进行了单层铝板以及铝铜双层板的电磁超声扫查实验。数值模拟和实验结果均表明：电磁超声方法用于多层结构界面脱粘缺陷检测非常有效。（3）提出了一种基于旋转磁场的管用电磁超声新方法，开发了旋转磁场电磁超声检测数值模拟程序，对三相绕组内部空间的磁场分布、旋转磁场的速度效应以及在旋转磁场作用下的电磁超声检测信号进行了计算分析，同时还开展了旋转磁场电磁超声关键问题的验证实验。数值模拟和实验结果均表明：旋转磁场电磁超声方法对多层管界面脱粘检测是可行的。关 键 词：偏滤器；多层管部件；界面脱粘；电磁超声检测；旋转磁场 论文类型：应用基础71ABSTRACTTitle: Development of EMAT for Detection of Delamination of Multilayered TubesProfessional Fields: Spaceflight EngineeringThis study is supported by National Magnetic Confinement Fusion Program of China (Grant.2013GB113005), the Natural Science Foundation of China (Grant No. 51277139, 11321062) and the National Basic Research Program of China (Grant No.2011CB610303)Applicant: Guicai Yang Supervisor: Prof. Zhenmao Chen, Prof. Yang YuABSTRACTDivertor is one of the key plasma facing components (PFC) in Tokamak. The major function of the divertor is to remove waste and heat produced by nuclear fusion to make it possible for the continuous operation of fusion plasma. To bear the huge heat flux from the core plasma, heat sink is necessary in the divertor structure. In the vertical target of divertor, heat sink of a mono-block structure is adopted which consists of CFC/W block and a Cu alloy tube that are welded together by means of the hot isostatic press technology (HIP). The multilayer tube is also a typical structure widely used in the aerospace engineering. During the fabrication and operation, delamination or surface cracking may occur due to the complicated fabrication condition and severe heat environment, which is a key threat to the safety of the multilayered tube. In order to guarantee the structural integrity of divertor, nondestructive testing technique is necessary for the detection of delamination of welding joints of W mono-blocks. Infrared thermography, ultrasonic testing and eddy current testing have already been adopted for the inspection of the W mono-blocks, but they still have efficiency and precision problems. Electromagnetic acoustic testing (EMAT) has potential to solve these problems due to its particular features, but its feasibility has to be demonstrated.Based on these backgrounds, this thesis focus on the development of EMAT for the detection of delamination in multilayered structures especially a multilayered tube. The major works include the establishment of the numerical simulation method and a code for multilayered structures, development of a new EMAT based on rotating bias magnetic field, and experimental verification. The detailed research work and major results are as follows: Based on the code for EMAT of monolayer flat plate, a numerical simulation code for nonmagnetic multilayered tube were established and its validity was verified through an analysis of ultrasonic wave field, comparison of the simulated ultrasonic wave velocity with that of the theoretical value and experimental validation. Both the simulation results and the experimental results show that the simulation method and code are correct.To investigate the feasibility of EMAT for detection of delamination of mono-blocks, a numerical simulation model of W mono-block was established with two EMAT probes proposed for multilayer tube inspection and the EMAT signals were calculated for different kinds of delamination defects. In addition, a shear wave vertical EMAT probe, two kinds of plate test pieces with artificial delamination defects and an EMAT testing system were fabricated and established. Both numerical and experimental results reveal that EMAT is suitable for the inspection of delamination in multilayered structures.To cope with EMAT inspection for multilayer tube of small diameter, an innovative EMAT method using rotating bias magnetic field was proposed for NDT of delamination defects in tube subsurface. A numerical code based on Biot-Savartlaw was developed to analyze the distribution of magnetic field generated by three phase windings, and the influence of the rotation of magnetic field on the EMAT signals was analyzed. Experiments were also performed to demonstrate the feasibility of key points of the rotating bias magnetic field EMAT under simplified experimental conditions. Both the results of simulations and of experiments demonstrated the feasibility of the proposed new technique. KEY WORDS: Divertor; Multilayered tubes; Delamination; Electromagnetic acoustic testing; Rotating bias magnetic field TYPE OF THESIS: Application Fundamentals目 录目 录1 绪论11.1 研究背景和意义11.1.1 严峻的能源问题11.1.2 托卡马克偏滤器21.1.3 托卡马克偏滤器多层结构部件的界面剥离问题31.2 偏滤器靶板换热管界面剥离缺陷检测方法研究现状41.2.1 基于红外热成像法的界面剥离检测51.2.2 基于超声波反射法的界面剥离检测51.2.3 基于涡流法的界面剥离检测61.3 电磁超声无损检测技术概述71.4 论文研究目标及内容框架81.4.1 研究目标和研究内容81.4.2 论文框架82 电磁超声无损检测基本理论102.1 电磁超声无损检测的基本原理102.1.1 电磁超声无损检测原理102.1.2 电磁超声谐振检测原理112.2 计算涡流场的Ar棱边有限元法122.2.1 基本微分控制方程122.2.2 基于Ar法的棱边元控制方程132.3 各项同性介质中的超声波有限元数值模拟方法182.3.1 二维超声波的有限元数值模拟方法182.3.2 三维超声波的有限元数值模拟方法232.4 电磁超声检出信号数值计算方法262.5 本章小结263 多层管界面脱粘缺陷检测的电磁超声数值模拟273.1 管用电磁超声数值模拟程序的开发273.1.1 数值模拟程序开发273.1.2 管用电磁超声数值模拟程序正确性验证283.2 穿管型多层管界面脱粘缺陷检测的电磁超声数值模拟333.2.1 纵波探头检测数值模拟333.2.2 横波探头检测数值模拟363.3 钨瓦型多层结构界面脱粘缺陷检测的电磁超声数值模拟393.3.1 探头设计393.3.2 不同大小界面缺陷下数值模拟结果393.4 电磁超声信号扫查成像433.5 本章小结434 一种基于旋转磁场的管用电磁超声新方法454.1 旋转磁场电磁超声检测原理454.1.1 永磁体电磁超声探头存在的问题454.1.2 旋转磁场电磁超声检测原理464.2 旋转磁场电磁超声数值模拟的可行性验证484.2.1 数值模拟程序的开发484.2.2 定子铁芯内的磁场分布494.2.3 旋转磁场电磁超声关键问题研究524.3 旋转磁场电磁超声实验534.3.1 简化实验系统544.3.2 实验结果554.4 本章小结565 电磁超声界面脱粘缺陷检测实验研究575.1 实验检测系统介绍575.2 单层平板缺陷检测585.2.1 10mm厚的铝板585.2.2 3mm厚的铝板595.3 铝铜两层板界面脱粘缺陷检测625.4 本章小结636 总结与展望656.1 主要工作和结论656.2 研究工作展望65致 谢67参考文献68攻读学位期间取得的研究成果71声明CONTENTS CONTENTS1 Preface11.1 Research Background and Significance11.1.1 Serious Energy Problem11.1.2 Divertor in Tokamak21.1.3 Problem of Interface Delamination for Heat Sink Tubes31.2 Research Status of Delamination for Multilayered Tubes41.2.1 Introduction of Infrared Thermography Method51.2.2 Introduction of Ultrasonic Method51.2.3 Introduction of Eddy Current Method61.3 Introduction of EMAT71.4 Objectives and Main Works81.4.1 Objectives and Research Contents81.4.2 Framework of Thesis82 Basic Theories and Methods of EMAT102.1 Basic Principles of EMAT102.1.1 Basic Principles of EMAT102.1.2 Basic Principles of EMAR112.2 FEM and Ar Method in Numerical Simulation of Eddy Current122.2.1 Basic Governing Equations122.2.2 Establishing FEM Equations Based on Ar Method132.3 Numerical Simulation for Ultrasonic Wave182.3.1 Two-dimensional FEM Simulation Method of Ultrasonic Wave182.3.2 Three-dimensional FEM Simulation Method of Ultrasonic Wave232.4 Numerical Calculation of Pickup Signal for EMAT262.5 Summary263 Numerical Simulation of EMAT for The Inspection of Delamination in Mock-ups273.1 Development of Numerical Simulation Code for Tubes273.1.1 Development of Numerical Simulation Code for Tubes273.1.2 Verification of Numerical Simulation Code283.2 The Numerical Simulation of EMAT for W Mono-block333.2.1 Numerical Results of The Longitudinal Wave Probe333.2.2 Numerical Results of The Shear Wave Probe363.3 The Numerical Simulation of EMAT for Flat-type393.3.1 Numerical Simulation Model393.3.2 Numerical Results393.4 The Simulation of EMAT Signal Scanning433.5 Summary434 Rotating Bias Magnetic Field EMAT454.1 Basic Principles of The Rotating Bias Magnetic Field EMAT454.1.1 Disadvantages of EMAT Based on Permanent Magnet454.1.2 Basic Principles464.2 Verification of The Rotating Bias Magnetic Field EMAT484.2.1 Simulation Code for The Rotating Bias Magnetic Field484.2.2 Distribution of The Rotating Bias Magnetic Field494.2.3 Verification of The Velocity Effects524.3 Experiment of Rotating Bias Magnetic Field EMAT534.3.1 Experimental System544.3.2 Experiment Result554.4 Summary565 The Application of EMAT for The Inspection of Delamination575.1 Experimental System575.2 Experiment of The Aluminium Plate585.2.1 Result of The 10mm Thick Aluminium Plate585.2.2 Result of The 3mm Thick Aluminium Plate595.3 Experiment of The Two-layered Plate625.4 Summary636 Conclusions and Prospects656.1 Conclusions656.2 Prospects65Acknowledgements67References68Achievements71Declarations1 绪论1 绪论1.1 研究背景和意义1.1.1 严峻的能源问题能源作为人类活动、社会经济发展的物质基础，其需求量随着人类的发展和社会的进步也是越来越大。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。然而在现今世界，各国为了谋求更快的经济发展大量的使用化石燃料，一方面致使这些有限的化石燃料（如煤炭、石油和天然气等）储量日益下降、在可预见的未来将消耗枯竭，另外一方面传统的化石能源造成了严重的环境污染，而且能源结构单一，经济效益不合理，严重的阻碍了社会的可持续发展。能源、发展与环境，已成为全世界、全人类共同关注的话题，也是我国社会经济可持续发展的关键。针对传统的化石能源，一方面发展可再生能源（如风能、生物能、化学能等）取而代之；另一方面是开发新一代的能源技术，如光伏发电及核能等1。核能，主要包括核聚变能和核裂变能，是新能源结构的重要组成部分，因其高能源密度、无温室气体排放、产生能量大等优点备受当今社会的关注。从我国面临的巨大的能源需求以及资源限制、环境压力来看，发展核能是我国实现可持续发展的根本出路。然而现阶段核电站运用的核裂变能，虽然给社会带来了便利，但也给人类打来了前所未有的放射性污染的风险；另一方面，核裂变反应的主要原料铀235的自然储量并不丰富，作为一种战略性资源，我们更应该节制消耗。相对而言，核聚变能具有原料丰富、无放射性等污染的产生、环保、反应堆具有固有安全性等优点，是人类永久解决能源问题的希望所在2。实现受控核聚变具有巨大的前景，不仅在于核聚变能产生巨大的能量、高效环保、无放射性污染等优点，还在于核聚变所需的原料（氢的同位素氘）可以从海水中产生，而地球上的海水取之不尽，因此没有原料短缺的问题。但是实现受控核聚变具有极大的挑战性，被认为是人类科学技术史上遇到的最具挑战的特大科学工程。在各项方案中，一种基于磁约束来实现受控热核聚变装置-托卡马克，被认为是最有希望实现受控核聚变的方式之一134。20世纪末，以验证受控核聚变的工程可行性为主要目的，7个重要国家启动了国际热核试验计划（International Thermo-nuclear Experiment Reactor, ITER）。中国作为成员之一积极参与ITER计划的开发和建设，以为我国可控核聚变能的自主利用打下工程和物理基础。图1-1所示的为ITER装置结构图。我国在97年开始了国家大科学工程项目“EAST全超导托卡马克核聚变实验装置”，现已建成，成为国际上首个全超导托卡马克装置，是ITER完成之前能够实现长脉冲运行的少数装置，反映了我国在等离子物理核聚变研究方面已在迈向国际前列。图1-1 ITER装置结构图1.1.2 托卡马克偏滤器偏滤器作为托卡马克装置的重要组成部分，如图1-2所示，其主要功能一方面是排除堆芯反应（聚变）后的生成物，以保证聚变反应的平稳持续的运行；另一方面，是承受在排灰过程中从堆芯排出的大量的阿尔法粒子和热流56（最可高达40 MW/m2）。为了能够承受如此高的热流，在偏滤器面向等离子部件的表面，需要设置偏滤器靶板，在有效地移走辐射到材料表面热流的同时，保护部件不会有过多的杂质溅射进入堆芯等离子体以影响等离子的品质。面向等离子部件的常用材料有碳、碳纤维复合材料（CFC）、钨等567。而钨由于熔点高，对堆芯品质影响小而越来越受到重视；CFC也同样由于其独有的优势，应用也较为广泛。偏滤器图1-2 偏滤器结构为了除去面向等离子体部件表面来自等离子体的高热流，在钨/CFC层之下需设置冷却管道以移除热流。由W/CFC块和高热导换热管构成的热沉部件通常具有穿管型（Mono-block）或瓦型（Flat-type）两种多层管结构，如图1-3所示11。其中，Flate-type型结构外层主要以钨为主，而Mono-block型结构则根据结构位置的不同分别采用了两种结构，CFC Mono-block和W Mono-block。为提高换热效能，钨块或CFC块和换热管通常采用热等静压、热扩散焊接或涂层技术来连接。Flat-typeMono-block图1-3 穿管型和瓦型多层管结构111.1.3 托卡马克偏滤器多层结构部件的界面剥离问题如图1-4(a)和1-4(b)所示7，Mono-block型多层管结构主要分为CFC Mono-block和W Mono-block，其组成材料由内管壁到外部依次为CuCrZr、Cu和CFC/W，其中纯铜层为过渡层。由于CFC块或钨块与CuCrZr换热管的热膨胀系数以及弹性模量的不同，使得在制备和使用过程中钨-合金铜界面容易产生较大残余应力从而导致结合强度和寿命降低，采用活性金属铸造技术（AMC）在钨/合金铜间添加适配层Cu可有效解决这一问题。如图中所示，结合界面主要有CFC/Cu、W/Cu、Cu/CuCrZr三种，为了提高换热效率，界面间采用热等压焊接技术连接为一体。本论文主要研究对象为W Mono-block多层管结构。(a) CFC Mono-block (b) W Mono-block (c) W Flat-type图1-4 热沉部件结构示意图7图1-4(c)所示的是W Flat-type型的多层部件。其结构分为三部分：连接为一体的CuCrZr管和CuCrZr块、Cu过渡层、四块均匀分布于Cu层上方的W瓦。其结合界面均为平面，包含CuCrZr/Cu和Cu/W两个界面，依旧采用热等压焊接技术使其连接为一体。对于上述的Mono-block型和Flat-type型多层管部件，在生产以及使用过程中，由于制备工艺的复杂，可能会产生各种缺陷6789101112。表1-1列举了不同制备工艺下可能产生的缺陷以及相应的特点。在上述缺陷中，界面脱粘和开裂最为严重，一方面会导致机械强度下降，另一方面可能导致局部传热不良，从而引起局部过热产生异常热应力致使结构损毁。因而，在制备以及使用过程中，对Mono-block和Flat-type型结合界面质量进行有效的检测和控制，对于保证ITER、EAST及今后的示范堆的开发、建设和运行的都具有重要的意义。表1-1 常用工艺及其缺陷制备工艺缺陷电子束焊（EBW）失配、未焊透、气孔、孔洞、裂纹扩散焊（HRP）未结合钎焊（Brazing）填充不足、钎料截留、基体烧蚀铸造（Casting）孔洞、裂纹热等静压（HIP）未结合VPS/CVD孔洞、裂纹、剥离ITER面向等离子体部件（PFC）的无损检测验收标准，是结合ASME无损检测标准以及高热负荷试验确定的较为宽泛的标准。如图1-4所示，针对Mono-block型的PFC，W Mono-block内W/Cu和Cu/CuCrZr界面的连接，要求不能出现，且在120范围内的缺陷，也不能出现且在120范围外的缺陷。Flat-type 型 W/Cu PFC 无损检测接收标准是：不能出现边长尺寸大于 4 mm的脱粘缺陷；且所有缺陷面积之和不能大于整个结合面面积的10%；两个缺陷之间的距离要大于等于最大缺陷尺寸。1.2 偏滤器靶板换热管界面剥离缺陷检测方法研究现状对于偏滤器多层管部件结合面的缺陷检测，无损检测技术发挥着重要的作用。针对ITER PFC热沉部件的结合界面的无损检测，国内外相关机构陆续开发了超声波检测法和红外热像法以及涡流检测法等。超声波检测法作为常规的无损检测手段，已广泛的应用于Be Flat-type、W Flat-type和W Mono-block结构的检测；红外热成像法是法国原子能机构（CEA）、日本JAEA针对CFC Flat-type和CFC Mono-block结构的所开发的红外检测方法，现正开发可用于ITER CFC和W Mono-block结构的检测系统。1.2.1 基于红外热成像法的界面剥离检测红外热成像检测方法原理如图1-5(a)所示：采用主动红外检测法，又称有源红外检测法。在检测时，利用外部热源（冷热水）激励的红外瞬态热像法，即先将试件通热（冷）水，使得试件达到热平衡，再切换至冷（热）水，在降温（升温）的过程中由于内部缺陷会对热流产生影响，从而试件表面温度会发生变化，利用红外相机记录试件表面温度的变化以分析内部缺陷的情况。国内外较多的学者对此方法进行了研究68910。图1-5(b)所示的是利用红外热成像法检测W Mono-block、4s时刻试件表面的温度分布结果6。(a)检测原理 (b) 检测结果图1-5 红外热成像检测方法6但是红外热成像法检测工序较为复杂，且对缺陷的检测精度和灵敏度有待提高，因而其对界面剥离缺陷（特别是对于复杂的内部结构）检测检出能力差，尚难以定性。1.2.2 基于超声波反射法的界面剥离检测脉冲反射式水浸超声法：超声探头激发的超声波脉冲信号经水耦合后进入试件，由于缺陷的存在，材料内部不连续，从而使声阻抗发生变化，超声在两种声阻抗不同的介质的交界面上将会发生反射，通过观察反射回来的界面信号幅值或基体底面回波信号的幅值变化来确定缺陷，基本方法示意图如图1-6所示。鉴于超声波检测法较为成熟，因此也成为国内外学者研究Mono-block型和Flat-type型界面脱粘检测的首选6891112。图1-7所示的是利用水浸超声方法检测W Mono-block钨铜界面的检测信号C扫结果12，通过C扫结果图，可以明显的看到界面缺陷信号。图1-6 超声波检测方法示意图缺陷图1-7 W Mono-block超声检测结果12水浸超声方法有比较好的结果，然而这种方法必须在水中进行、在管内部进行栅格扫查，检测效率较低；在管子弯曲部分，对探头的对中要求也较高；同时由于管子内径较小，相控阵探头无法进入。因此，这种方法也存在一定的局限性。1.2.3 基于涡流法的界面剥离检测涡流检测技术是涡流效应在无损检测技术中的应用，其基本原理为13：当通交变电流的检测线圈靠近导体时，激励线圈磁场使试件中感应出涡流，涡流在导体中又形成一个与激励磁场反向的磁场，当检测线圈处于裂纹上方时，涡流在导体中的流动受到裂纹的干扰，使感应磁场发生变化，从而引起线圈阻抗的变化。通过检测线圈阻抗的变化，即可判知导体性质、状态及有无缺陷的检测方法，叫做涡流检测方法。图1-8所示为涡流检测法原理图。图1-9所示的是利用涡流法检测多层管界面脱粘缺陷的一个数值模拟结果14。从图中可以比较明显的看到由于界面脱粘缺陷的存在，检测信号相位、幅值的变化。图1-8 涡流检测原理图1-9 涡流检测数值模拟结果14然而涡流检测法只能检测表面或亚表面缺陷，对PFC的多层管部件界面缺陷（特别是环向界面缺陷）检出率低，检测精度以及检测灵敏度都有待提高。鉴于上述的几种方法都存在一定的局限性，急需寻求新的更有效的方法实现多层管界面缺陷的检测。电磁超声无损检测技术由于其独有的优势，近年来已逐渐成为无损检测和评估领域的重要手段。但多层管结构界面脱粘检测的电磁超声方法的有效性尚待研究。1.3 电磁超声无损检测技术概述电磁超声(EMA Electromagnetic Acoustic)技术起源于60年代末，经过近50年的发展，EMA技术已逐步进入了工业应用阶段，它的出现将超声波检测技术扩展到了高温、高速和在线检测等领域。电磁超声与传统压电超声同属于超声范畴，但与传统压电超声相比，其本质区别在于换能器的不同。传统压电超声换能器是靠压电晶片的压电效应发射和接收超身波，其能量转换是在晶片上进行的。而电磁超声换能器（Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT）是靠电磁效应发射和接收超声波的，其能量转换则是在被测工件表面的趋肤层内直接进行的。与传统压电超声相比，EMAT具有明显的优势，主要表现在以下几个方面1315：1) 无需耦合剂：EMAT的能量转换是靠电磁效应在工件表面直接进行的，因此，在被检工件和EMAT之间无需耦合剂。这对于高温、高速以及那些不能与水油接触的物体的检测都具有非常重要的意义，而且还避免了探头的磨损。2) 可以灵活产生各种波形：在检测过程中，EMAT在满足一定的激发条件时，通过改变激励信号的频率可以产生不同辐射角的声束。因此，EMAT在不变换换能器的情况下，可以实现波模式的自由选择。3) 对被检工件表面质量要求不高：EMAT在检测时无需与试件接触就可以产生超声波。因此，在检测前无需对试件表面进行预处理，即使是较粗糙的表面也可以直接进行检测。4) 检测速度快，可以实现在线检测：由于EMAT无需耦合剂，运用于在线检测，可大大地提高检测效率。根据电磁超声无损检测的特点，电磁超声技术的主要应用领域有131516171819：1) 金属探伤金属探伤是无损检测领域中一个重要组成部分。由于缺陷或分界面的存在，金属材料的声阻抗会发生变化，超声波在传播过程中遇到缺陷或界面时会发生反射，利用线圈或其他传感器接收反射信号，通过计算超声波在金属材料内部的传播时间，从而可以计算出被测材料内缺陷的位置以及被测材料的厚度。2) 无缝钢管及高温高压管道的在线壁厚检测在冶金工业中无缝钢管是由钢锭控制成形的,因此钢管壁厚的均匀程度是评定钢管质量的重要指标；高温高压管道工作期间因为外界的因素，壁厚会发生变化，从而可能引发事故，因此对高温高压等极端条件下运行的管道进行在线壁厚检测是必要的。由于电磁超声无损检测具有无需耦合剂，可以在复杂恶劣的环境下正常的工作、检测速度快等特点，因此，电磁超声技术广泛应用于生产以及服役期间无缝钢管、高温高压管道壁厚的在线检测。3) 残余应力的测量固体中残余应力的存在将会影响超声波的传播速度，反之测量出固体中声速的变化就可以确定应力状态。在应力测量的各种超声波中，应用最广泛的是水平方向偏振的剪切波，即SH波。通过调整EMAT中磁场的方向，能方便地产生各种应力状态的所需的SH波，这些都为EMAT在残余应力的检测提供了有利的条件。4）热障涂层的检测由于电磁超声与传统压电超声相比可灵活产生各类波形，特别是可方便产生适合于检测近表面缺陷的表面波，对自然缺陷（如裂纹、剥落、掉快等）的检测具有更高的灵敏度，因此将电磁超声运用到热障涂层的无损检测将是一个非常有意义的研究方向。 电磁超声技术在无损检测领域中起步相对较晚，但发展非常迅速。它的出现改变了过去高温被测物体无法在线测量的状况。它的优势已被人们充分认识，并将在生产、生活中发挥着重要作用。1.4 论文研究目标及内容框架1.4.1 研究目标和研究内容基于以上的研究背景，本论文的研究目标是开发多层管界面脱粘缺陷检测的电磁超声方法并验证其有效性，涉及到多层管界面脱粘缺陷检测的电磁超声数值模拟、旋转磁场管用电磁超声新方法的提出、以及多层结构界面脱粘检测的电磁超声实验验证。具体包括：(1) 开发管以及多层管用的电磁超声数值模拟程序并验证其正确性；(2) 穿管型和瓦型多层结构界面脱粘缺陷检测的电磁超声数值模拟；(3) 提出一种基于旋转磁场的管用电磁超声新方法并验证其可行性；(4) 搭建实验平台，进行多层结构界面脱粘缺陷检测的电磁超声验证性实验。1.4.2 论文框架本论文针对托卡马克装置中偏滤器的多层管部件，分析了其界面脱粘缺陷的客观存在性和无损检测的必要性，并评述了现今无损检测技术的进展及其研究现状，进而提出了本论文的研究目标，即开发一种界面脱粘缺陷检测的电磁超声方法。鉴于此，全文分为六个章节，各章节内容如下：第一章介绍了论文研究背景。综述了托卡马克装置中偏滤器的重要性，介绍了偏滤器中多层管部件界面脱粘缺陷检测的必要性及相应的研究现状，然后对电磁超声无损检测技术进行了概述性地介绍，最后提出了本论文的研究内容及总体框架。第二章介绍了电磁超声无损检测的相关理论及方法。包含基于Ar棱边有限元法的涡流场的数值模拟方法、超声场的有限元数值模拟方法以及检出电压信号计算的数值模拟方法。第三章通过数值模拟对偏滤器中多层管部件界面脱粘缺陷检测的电磁超声方法的可行性进行分析。首先开发了多层管用的电磁超声数值模拟程序并验证其正确性；然后针对穿管型和瓦型多层结构部件进行了界面脱粘检测的电磁超声数值模拟，通过对数值模拟结果的分析验证该方法的可行性。第四章提出了一种基于旋转磁场的管用电磁超声新方法。首先开发了旋转磁场的数值模拟程序，并从数值模拟出发验证了旋转磁场电磁超声方法的可行性；然后通过搭建实验平台，对实验系统进行简化，通过实验进一步验证了该方法的可行性。第五章搭建电磁超声实验平台，进行了单层铝板以及铝铜双层板的电磁超声扫查实验，以验证多层结构界面脱粘缺陷检测的电磁超声方法的可行性。第六章内容对本论文的研究工作进行总结，并对今后的工作进行了展望。2 电磁超声无损检测基本理论2 电磁超声无损检测基本理论2.1 电磁超声无损检测的基本原理2.1.1 电磁超声无损检测原理所谓电磁超声无损检测方法，是指利用电磁感应原理在被检测对象中激发和接收超声波信号，根据接收的回波信号进行分析从而实现对结构内部材料参数、缺陷的定量与评估。根据材料的不同，电磁超声激发超声波的作用机理主要分为以下两种：对于非磁性导电材料，超声波的产生主要是洛伦兹力的作用；对于磁性导电材料，超声波则由洛伦兹力、磁致伸缩力和磁化体力共同作用产生的，根据相关学者的研究，磁致伸缩力占主导作用20。图2-1所示的是一个典型的电磁超声无损检测传感器结构，主要包含以下几部分：能提供静态偏置磁场的永磁体或电磁铁，能产生交变磁场的激励线圈，能感应产生涡流的导体试件以及能够接收超声波回波信号的线圈或其它形式的声波接收传感器。图2-1 电磁超声无损检测模型在检测过程中，首先将电磁超声探头紧贴被检试件表面，在激励线圈中施加高频脉冲激励电流，由于电磁感应效应，线圈周围空间会产生一个与激励电流频率相同的交变电磁场，试件表面相当于一个整体的导体回路从而感应出涡流，涡流的大小和性质将服从法拉第电磁感应定律，其变化频率与激励电流变化频率一致。由于静态偏置磁场的存在，导体中涡流的在静态磁场的作用下将产生交变的洛伦兹力（对于铁磁性导电材料而言，由于磁化效应和磁致伸缩效应的作用，还将会产生磁致伸缩力和磁化体力，本论文主要针对的是非磁性导电介质）。在洛伦兹力的作用下，试件内部质点产生振动，从而产生超声波212223。超声波在试件传播过程中遇到缺陷或界面时，声阻抗发生变化，从而会产生反射、透射或衍射现象，产生超声回波。返回超声波在磁场的作用下也会产生涡流，根据电磁感应定律，该涡流使线圈内的磁位势发生变化从而使线圈两端电压发生变化，我们把通过这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。在实际使用过程中，还可将电磁超声与其它超声检测方式结合起来，以达到最佳缺陷检测效果24。2.1.2 电磁超声谐振检测原理所谓电磁超声谐振法（EMAR），是一种基于电磁超声换能器、通过施加长脉冲激励信号使得超声波回波在试件表面相互叠加，产生干涉等现象，再利用此表面上的EMAT探头接收分析信号从而实现对材料的无损检测和评估2526。由于EMAR的高信噪比、检测结果稳定、无需对材料表面进行特殊处理以及检测速度快等优势，在工业生产中得到了广泛的应用。Ogi等学者已经利用EMAR技术开展了高温下复合材料的电磁声共振特性27、纯铜的疲劳损伤28、评估蠕变不锈钢的损伤累积和残余寿命29等方面的研究；Breazeale和Heyliger基于EMAR对材料弹性常数测定的进行了研究3031；Ryoichi等学者也开展了电磁超声谐振法检在线监测管壁减薄方面的工作32。EMAR的