基于相控阵超声导波层析成像的管道监测关键技术研究

摘要

管道运输在国民经济和百姓生活中都扮演着不可或缺的角色，管道一旦发生事故都会给国家和社会带来巨大的影响和损失。因此急需发展一种检测效率高、监测成本低廉的管道结构健康监测技术来保障管道运输安全。相较于现有的管道检测技术，超声导波检测技术具有单点激励即可实现区域段检测的特点，且检测范围覆盖管道全截面，显著提升检测效率。结合相控阵技术的超声导波检测技术还能实现导波相控激励、分区接收，丰富导波检测手段，提高导波信号冗余度，增大缺陷检出概率。基于以上背景，本文提出开展基于层析成像原理的磁致伸缩式相控阵超声导波管道监测关键技术的研究，重点解决了相控阵超声导波监测主机研发和相控阵超声导波监测换能器设计等关键技术，发展了一种基于层析成像原理的相控阵超声导波管道监测算法，研究了监测算法成像质量的影响因素，设计了基于磁致伸缩的相控阵超声导波管道监测系统整体方案。具体研究内容为:
　　第一章，论述了管道结构健康监测的重要性，总结和比较了国内外现有的管道结构健康监测技术，分析了超声导波检测和监测技术的发展现状，明确了当前超声导波技术应用在管道监测中的问题，为后续研究指明方向。
　　第二章，分析了超声导波的基本概念和传播特性，阐述了基于磁致伸缩效应的导波激励和接收原理，使用半解析有限元方法求解管道中导波的频散特性，确定了适用于管道监测的导波模态，介绍了基于相关性分析的RAPID层析成像技术，并分析了应用在管道监检测中的局限性。
　　第三章，综合考虑实际监测环境对于导波传播特性的影响，发展了一种基于RAPID层析成像技术的相控阵超声导波管道监测算法，并开展了监测算法成像过程的仿真分析，探究了算法成像质量与不同尺寸和位置的缺陷的关系。
　　第四章，搭建了相控阵超声导波管道监测实验平台，开展了相控阵超声导波管道监测算法成像质量与不同尺寸和位置的缺陷关系的实验研究，验证了监测算法的可行性。
　　第五章，根据管道监测系统的功能目标，设计了基于磁致伸缩的相控阵超声导波管道监测系统方案，并详细介绍了系统层级架构和具体实现方案。
　　第六章，总结了本论文的研究成果，对后续的研究工作进行展望。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 管道安全运行对管道运输意义重大

1．1．2 腐蚀是影响管道安全运行的主要原因

1．1．3 超声导波监检测技术是保障管道安全运行的有效手段

1．1．4 相控阵超声导波监检测技术有效提升导波监检测性能

1．2．1 传统管道结构健康监测技术的研究现状

1．2．2 超声导波检测技术的研究现状

1．2．3 超声导波管道监测技术的研究现状及其发展趋势

1．3 论文的研究内容和各章节安排

第2章 相控阵超声导波在管道中传播特性的理论分析

2．1 超声导波基本原理

2．2．1 磁致伸缩原理

2．2．2 超声导波的激励与接收

2．3 求解频散曲线的半解析有限元方法

2．4 超声导波监测模态选择

2．5 RAPID层析成像技术原理

2．6 本章小结

第3章 相控阵超声导波管道监测算法数值模拟分析

3．1 管道缺陷概率成像算法及数值模拟分析

3．1．1 基于RAPID层析成像技术的管道缺陷概率成像算法

3．1．2 管道缺陷概率成像算法重建管道层析图像

3．1．3 管道重建图像质量评价

3．2 温度变化对超声导波的影响

3．3 参考信号信号库建立及噪声参数估计

3．3．1 参考信号信号库建立

3．3．2 参考信号信号库噪声参数估计

3．4 相控阵超声导波管道监测算法具体流程

3．5 管道监测算法成像质量与缺陷尺寸关系的数值仿真

3．6 管道监测算法成像质量与缺陷位置关系的数值仿真

3．7 本章小结

第4章 相控阵超声导波管道监测算法实验研究

4．1 相控阵超声导波管道监测实验准备

4．1．1 实验平台搭建

4．1．2 参考信号信号库建立及噪声参数估计

4．2 管道监测算法成像质量与缺陷尺寸关系的实验研究

4．3 管道监测算法成像质量与缺陷位置关系的实验研究

4．4 本章小结

第5章 相控阵超声导波管道监测系统的开发

5．1 相控阵超声导波监测系统整体方案

5．1．1 总体监测方案

5．1．2 功能目标

5．2 监测系统现场采集端开发

5．2．1 信号激励与采集

5．2．2 相控阵超声导波监测换能器

5．2．3 多通道通信和数据传输

5．3 监测系统服务端软件开发

5．3．1 相控阵超声导波管道监测算法调用

5．3．2 服务器集群设计

5．4 监测系统客户端软件开发

5．4．1 用户分级分类管理功能

5．4．2 监测数据查询与显示功能

5．4．3 远程修改监测换能器配置参数功能

5．5 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献