电磁超声纵向模态导波管道检测机理与信号增强方法研究
管道作为一种物料输送、能量交换的关键部件，广泛应用于石油、石化等行业。随着经济的发展，管道数量急剧增加，由此带来的检测工作量急剧增加，如何实现管道的快速检测是无损检测领域面临的重要问题之一。电磁超声导波检测方法是一种具有非接触、单点检测距离长等优点的新型无损检测方法，该方法能快速方便地对管道进行检测，因而近年来逐渐受到人们的关注。然而与传统的压电方式超声导波相比较，电磁超声导波仍存在检测信号信噪比较低的缺点。本学位论文围绕电磁超声纵向导波在管道外检测和内检测中遇到的难题，对电磁超声纵向导波换能机理和信号增强方法展开研究。 首先从电动力学和弹性动力学的经典理论出发，推导包含洛伦兹力、磁力和磁致伸缩应变的电磁超声纵向导波控制方程，阐述同时适用于电磁超声纵向导波管道外检测和内检测的换能机理，采用数值仿真和实验研究相结合的方法研究不同方向偏置磁场作用下诸换能机理的贡献。研究表明，铁磁性管道轴向偏置磁场作用下，偏置磁场方向较为单一，磁致伸缩效应占据主导地位；铁磁性管道径向偏置磁场作用下，偏置磁场方向随空间变化，发现磁致伸缩效应在换能过程中的作用不能忽略，为后续纵向导波检测信号增强研究提供指导作用。 针对轴向偏置磁场作用下铁磁性管道外检测的激励过程，分析已有磁致伸缩激励传感器磁场作用区域对检测信号的影响，提出一种带有屏蔽环的新型传感器结构，可有效控制激励磁场作用区域，进而增强磁致伸缩导波检测信号，实验仿真结果证明该增强方法的有效性，并对其影响因素进行分析。 针对轴向偏置磁场作用下铁磁性管道外检测的接收过程，推导感应磁场磁矢位的一般表达式，分析磁矢位的空间分布特性，根据感应磁场磁矢位与接收线圈感应电动势之间的关系式，提出接收线圈的设计准则，基于该准则合理设计接收线圈宽度和段数。与传统的三段式接收线圈相比，优化后线圈可提升检测信号信噪比10％~40%。 针对超声导波换热管内检测遇到的难题，提出一种基于开放磁路的电磁超声纵向导波检测方法，并分别研究不同材料换热管的检测机理，得到适用于非铁磁性换热管检测的模态控制方法，以及适用于铁磁性换热管检测的基于斜向偏置磁场的信号增强方法。最后研制出换热管电磁超声纵向模态导波检测传感器，现场试验初步应用证明该技术的可行性，为换热管内检测提供了一种新手段。 本论文的研究工作丰富了电磁超声导波管道检测的相关研究，也为国家标准《GB/T31211-2014无损检测超声导波检测总则》和《GB/T28704-2012无损检测磁致伸缩超声导波检测方法》的编制提供了重要的支持，有利于电磁超声导波技术的推广应用。
无损检测;电磁超声;纵向导波;信号增强;铁磁性管道
华中科技大学
博士
测试计量技术及仪器
武新军;徐江
2015
中文
U178
118
2016-05-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）