基于电磁超声导波的管道长距离检测技术研究

发布时间：2017-06-03 15:11

  本文关键词：基于电磁超声导波的管道长距离检测技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【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
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE973.6;TB559
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 课题的背景及研究意义10
• 1.2 电磁超声国内外研究现状10-12
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.3 论文主要内容及章节安排12-14
• 1.3.1 论文主要研究内容12-13
• 1.3.2 论文章节安排13-14
• 第2章 超声导波基本理论14-31
• 2.1 超声导波概念14
• 2.2 导波的群速度与相速度14-16
• 2.3 导波的多模态特性与频散现象16
• 2.4 管道中的导波16-30
• 2.4.1 柱面导波基本理论18-21
• 2.4.2 空心圆柱中柱面导波模态分析21-25
• 2.4.3 管道中类 LAMB 波25-28
• 2.4.4 管道中类 SH 波28-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 管道中电磁超声换能器模型研究31-51
• 3.1 电磁超声换能器工作原理31-34
• 3.1.1 洛伦兹力激发原理33
• 3.1.2 磁致伸缩力激发原理33-34
• 3.2 电磁超声换能器数学模型34-41
• 3.2.1 基于洛伦兹力机理的电磁超声数学模型34-36
• 3.2.2 基于磁化力机理的电磁超声数学模型36-39
• 3.2.3 基于磁致伸缩力机理的电磁超声数学模型39-41
• 3.3 电磁超声换能器换能机理41-43
• 3.3.1 管道中类 LAMB 波换能机理41-42
• 3.3.2 管道中类 SH 波换能机理42-43
• 3.4 管道中类 LAMB 波与类 SH 波受力分析43-44
• 3.4.1 管道中类 LAMB 波受力分析43-44
• 3.4.2 管道中类 SH 波受力分析44
• 3.5 管道中类 LAMB 波与类 SH 波质点受力分析44-46
• 3.6 类 LAMB 波与类 SH 波有限元仿真46-50
• 3.6.1 类 LAMB 波与类 SH 波换能器模型46-47
• 3.6.2 类 LAMB 波与类 SH 波换能器网格划分47-48
• 3.6.3 类 LAMB 波与类 SH 波总能量时间均值仿真分析48-50
• 3.7 本章小结50-51
• 第4章 电磁超声波声场研究51-59
• 4.1 声场理论研究51-54
• 4.2 声场 MATLAB 模型54-55
• 4.3 声场有限元模型55-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 试验研究与分析59-82
• 5.1 试验检测系统59-64
• 5.1.1 课题组自主研发检测系统59-60
• 5.1.2 RAM-5000-SNAP 检测系统60-63
• 5.1.3 RAM-4000-SNAP 检测系统63-64
• 5.2 长距离检测导波选择64-70
• 5.2.1 类 LAMB 波缺陷检测试验67-69
• 5.2.2 类 SH 波缺陷检测试验69-70
• 5.3 长距离换能器优化设计70-73
• 5.4 缺陷检测试验73-79
• 5.4.1 不同深度缺陷的检测试验73-76
• 5.4.2 不同缺陷长度的检测试验76-79
• 5.5 换能器指向性选择79-81
• 5.6 本章小结81-82
• 第6章 结论82-83
• 参考文献83-87
• 在学研究成果87-88
• 致谢88

【参考文献】

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本文编号：418483