基于电磁超声导波的管道长距离检测技术研究

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1、沈阳工业大学硕士学位论文基于电磁超声导波的管道长距离检测技术研究ResearchofthePipelineLong-DistanceDetectionTechnologyBasedonElectromagneticAcousticGuidedWave作者：张佳单位：信息科学与工程学院指导教师：杨理践教授单位：沈阳工业大学协助指导教师：单位：单位：论文答辩日期：2015年2月28日学位授予单位：沈阳工业大学摘要油气管道是石油、化工、热电、供水等工业中必要的运输工具之一，由于石油天然气站内管道以及露天输油管道长期裸露在空气中，管道外部潮湿腐蚀

2、以及内部电解质的常年侵蚀，导致管道出现破裂或缺陷。年久失修的露天管道事故频繁发生，为保证油气管道的安全工作，在管道未发生破损前，明确管道破坏程度以及破损区域位置，及时更换管道或检测缺陷，避免事故的发生。电磁超声检测技术无需耦合剂、无需外包剥离、检测速度快、传播距离远、耐高温、容易操作，得到人们的广泛关注。本文对电磁超声检测技术进行研究，理论推导了电磁超声换能器的电磁场、机械场、声场多物理场方程，分别通过数学建模研究了三种电磁超声换能器工作机理：洛伦兹力机理、磁化力机理、磁致伸缩力机理。为了充分研究管道中超声导波的传播特性，将弹性动力学理论

3、作为基础，研究了超声导波在传播过程中存在的多模态现象和频散特性，计算了各模态导波频散方程的求解过程以及频散曲线的绘制。研究了轴向超声导波传播特性与周向超声导波传播特性，通过对比，确定将周向类Lamb波结构换能器应用于管道轴向长距离检测；COMSOL有限元仿真证明理论研究的准确性；在此基础上试验证实类Lamb波在管道长距离检测中的优势。数学建立的超声波声场声束指向性模型，通过matlab仿真验证数学建模中指向性的正确性，利用COMSOL有限元仿真模拟实际声场声束，得到声场指向性参数；试验验证声场声束的分布规律，研究半扩散角与回波信号之间的关

4、系。研究得到不同机理的电磁超声换能器换能参数，推导频散方程，绘制出频散曲线。选定适合管道长距离检测的类Lamb波换能器结构以及参数，并对电磁超声换能器的永磁铁结构与线圈结构进行设计，与传统电磁超声类Lamb波换能器相比，设计后的探头结构明显提高了换能效率。明确了声场半扩散角与回波信号1/5最大值的对应关系，即通过回波信号可判定声辐射的范围。通过换能器结构的研究与声场声束的研究，实现了管道长距离检测的目的。关键词：类Lamb波，电磁超声换能器，有限元分析，长距离检测IAbstractOilandgaspipelineisoneofthene

5、cessarytransportinpetroleum,chemical,thermal,water,etc.Astheoilandgaspipelines,pipelinesingasstation,aswellasopen-airpipelinesexposedinairallthetime.Externalcorrosioninpipelineandelectrolyteperennialerosioninthepipelineresultindefectinpipeline.Exposedpipelineswithoutrepai

6、rcauseaccidentsfrequently.Peoplemustdetecttheextentofthedamageandtheregionofthedestructionbeforethereptureofthepipelines,detectthedefectsorreplacepipelinestimelytoensurethesafetyofoilandgaspipelines.Electromagneticultrasonicdetecttechnologygetspeople’sattentionwiththusadv

7、antages:withoutcoupling,withoutstripping,testsquickly,propagatesdistantly,operateseasily.Inthispaper,weresearchtheelectromagneticultrasonictestingtechnology.Researchderivatedthemulti-equationstheoretically:electromagnetic,mechanicalfieldandsoundfield.Researchstudiedthewor

8、kingmechanismofelectromagneticacoustictransducersrespectivelythroughmathematicalmodeling:mechani