包覆层管道应力腐蚀裂纹电磁超声导波检测方法基础研究

The method of testing and evaluating the stress corrosion crack of pipelines wrapped with coating is an internationally recognized problem and research hotspot. Based on the principle of electromagnetic ultrasonic guided wave, the problem of the detection of stress corrosion cracking in coated pipe will be studied and solved by setting up the accurate detection model. First of all, Considering the influence of viscoelastic coating on the attenuation dispersion curves of the guided wave, this project aims at establishing the exact dispersion relations of multilayer hollow cylindrical model in virtue of acoustic parameters measurement of coating and semi-analytical finite element method to solve the precision problems of plate approximation、bare pipe model and the losing roots problem of analytic method. Then, the dispersion curve is used to guide the selection of modal. Then, the theory of dispersion curve is used to guide the modal selection, and the physical mechanism of the scattering and modal transformation of the circumferential guided waves at the crack is studied. Considering the attenuation characteristics of the multi-mode signal, the characteristic parameters of the signal after modal transformation are analyzed. Based on that, the high resolution electromagnetic ultrasonic transducer to motivate the circumferential guided waves of corresponding modes will be theoretically studied and designed, and the theory and method of crack detection for circumferential guided waves with coated pipes will be established. The research of this project has important theoretical guiding significance and engineering application value to improve the evaluation level of stress corrosion cracking.

裹有包覆层的管道应力腐蚀裂纹检测与评估方法是目前国内外公认的难题和研究热点。项目基于电磁超声导波检测原理，通过建立包覆层管道应力腐蚀裂纹检测理论模型，重点研究和解决包覆层管道中应力腐蚀裂纹检测问题。首先，考虑粘弹性包覆层对管道中导波衰减频散曲线的影响，通过管道包覆层的声学参数测量以及半解析有限元法建立多层中空柱状结构精确频散关系模型，解决现有研究中多采用平板近似或单管道模型造成缺陷定位存在误差以及解析法在实际应用时存在丢失解的问题。然后，通过频散曲线理论指导模态选取，深入研究周向导波在裂纹处散射和模态转换的物理机制，考虑多模态信号的衰减特性分析模态转换后信号的特征参量。在此基础上，理论研究并设计高分辨率电磁超声换能器激励接收相应模态的周向导波，建立带包覆层管道周向导波裂纹检测理论与方法基础。项目研究对提高应力腐蚀裂纹的评估水平具有重要理论指导意义和工程应用价值。

项目基于电磁超声导波检测原理，通过建立包覆层管道应力腐蚀的检测模型，研究和解决包覆层管道中应力腐蚀裂纹检测精度低的问题。项目结合理论分析、有限元仿真模拟和实验研究相结合的方法，围绕计划研究内容，完成了预期目标。首先，通过精确测量管道包覆层参数，结合半解析有限元法建立多层中空圆柱精确频散关系模型，得到了被检测对象的精确频散关系曲线，解决了现有相关检测研究采用的平板近似模型无法为高频检测提供理论指导的问题。其次，通过仿真分析与实验研究了周向导波在裂纹处的模态转换规律和各模式的衰减程度，研究了传感器的布置并分析了散射信号的模态，通过改变换能器与裂纹之间的距离以及裂纹深度的大量实验，建立了该检测频率下，电磁超声导波回波信号的数据库。第三，通过建立电、磁、力、声的多物理场耦合机制的电磁超声换能器模型，根据本项目检测对象，提出了两点可以提高电磁超声换能器能量转换效率的改进方法，可以使激励的导波幅度提高到传统的1.2倍以上。最后，结合以上研究内容的成果，在实验中发现，按传统的检测思路，在低频段忽略包覆层而采用平板近似或者裸管道近似理论进行检测虽然是可行的。但是检测频率稍高后，包覆层的存在导致的更多模态信号干扰会使传统的时频域检测方法几乎完全失效。本项目采用了人工智能领域深度学习的研究方法，利用CNN对高阶特征的提取与分类优势，在对提高检测频率后的同尺寸裸管道和带包覆层管道的有缺陷数据和无缺陷数据上的研究。结果表明，采用深度学习的方法不仅可以高精度的对有无裂纹进行判定，还可以在包覆层管道中的分类精度可以高于裸管道。该研究成果对管道的自动化、智能化检测具有重要的意义。