基于电磁超声与脉冲涡流的管道内检测技术研究

摘要

油气管道安全运输意义重大，通常采用压电超声方法检测管道腐蚀。但压电超声技术需要涂抹耦合剂，不适用于天然气管道等环境。电磁超声检测技术无需耦合剂，且检测效率高、具有较强环境适应性。然而，电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)线圈部分的参数设计过程大多依赖于工程经验，线宽、线间距等参数设计缺乏理论支撑；同时，电磁超声技术无法检测管道内壁表面腐蚀缺陷。针对以上不足，本文开展了基于电磁超声与脉冲涡流的管道内检测技术研究。
　　针对 EMAT有限元建模方法对线圈参数设计存在偏差的问题，提出基于发射电路仿真、EMAT有限元仿真及接收电路仿真的全模型建模方法。通过分析EMAT换能机理，并分别研究发射过程中电路参数对激励电流、接收过程中电路参数对回波电压的影响，设计了全模型建模仿真总体方案，提高了EMAT仿真的准确性。
　　针对长距离管道内检测过程中垂直磁场 EMAT易受磨损的问题，设计了基于全模型仿真设计方法的水平磁场 EMAT。通过全模型仿真得到线圈线宽、线间距参数对检测性能的影响关系，设计了EMAT线圈；通过测定不同磁场强度下EMAT回波幅值的变化规律，设计了 EMAT水平磁场。搭建实验测试平台，验证了全模型仿真方法及EMAT设计结果的正确性。
　　针对电磁超声技术无法检测管道内壁表面缺陷的问题，利用 EMAT自身激发的脉冲涡流对表面缺陷进行检测。通过分析脉冲涡流检测原理，建立了脉冲涡流有限元模型，对其检测可行性进行仿真研究，并得到了不同缺陷尺寸下的涡流信号特征。利用实验平台及设计的 EMAT线圈激发脉冲涡流，对所建立的有限元模型进行了验证。
　　针对 EMAT及脉冲涡流对管道的检测需求，设计了电磁超声与脉冲涡流复合检测系统。通过实验测试了系统对管道减薄及表面腐蚀缺陷的检测能力，测试结果表明，系统对大面积减薄腐蚀的检测误差不超过±0.2mm，并可以检测最小尺寸为0.5mm的管道表面裂纹腐蚀。系统检测性能良好，满足电磁超声与脉冲涡流的复合检测需求。
　　本文研究基于电磁超声与脉冲涡流的管道内检测方法，为管道腐蚀检测实用化奠定了基础。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 课题的国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 体波EMAT全模型建模方法

2.1 引言

2.2 体波EMAT换能机理

2.3 体波EMAT多物理场模型

2.4 体波EMAT全模型仿真设计方案

2.5 本章小结

第3章 基于全模型仿真方法的水平磁场EMAT设计

3.1 引言

3.2 体波EMAT全模型建立

3.3 全模型实验验证

3.4 水平磁场体波EMAT设计

3.5 本章小结

第4章 脉冲涡流管道内检测方法

4.1 引言

4.2 脉冲涡流检测方法原理分析

4.3 脉冲涡流有限元建模及仿真分析

4.4 脉冲涡流有限元模型验证

4.5 本章小结

第5章 电磁超声与脉冲涡流管道检测系统设计

5.1 引言

5.2检测系统总体方案

5.3 检测系统实验测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

声明

致谢