基于电磁超声导波层析成像的管道复杂缺陷轮廓定量描述

Corrosion is one of the main reasons for the failure of pipes. Accurate measurement of the profiles of corrosion patches is of great significance for the structure health monitoring and safe operation of pipes. However, the profiles of the corrosion patches are very complex, and it is quite hard for conventional ultrasonic techniques to obtain the profiles. Consequently, we propose a quantitative characterization method for the profiles of complex defects based on electromagnetic ultrasonic guided wave tomography, by combining the advantages of electromagnetic acoustic transducers (EMAT) and guided wave tomography. A nonlinear multi-physics two-layer model of electromagnetic guided wave transducer arrays is proposed to solve the contradiction between model's accuracy, completeness and its solution efficiency; a profile characterization method based on the combination of high-frequency and low-frequency guided waves tomography is proposed, to increase the accuracy of the measured profile; a three-stage multi-objective comprehensive optimal design method for electromagnetic ultrasonic guided arrays is proposed, to solve the problem which conventional EMAT design methods can not meet the requirements of EMAT arrays. This research lays a theoretical foundation for structure health monitoring technique of pipes based on electromagnetic ultrasounds, which is of great theoretical significance and practical value.

腐蚀是管道失效的主要原因之一。精确测量腐蚀区域在管壁厚度方向的轮廓，对于掌握管道结构健康状况、保障管道安全运行至关重要。然而，腐蚀区域结构特征复杂，传统超声无损检测方法难以有效获取其轮廓信息。为此，本项目通过将电磁超声换能器 (EMAT) 与导波层析成像技术优势相结合，提出一条采用电磁超声导波层析成像技术来解决复杂缺陷轮廓定量描述问题的新途径。本项目提出电磁超声导波换能器阵列非线性多物理场双层模型架构，解决EMAT阵列模型精确性、完整性与模型求解效率之间的矛盾；提出基于高频、低频电磁超声导波层析成像相结合的缺陷轮廓描述方法，提高复杂缺陷轮廓的定量描述精度；提出电磁超声导波换能器阵列三阶段多目标综合优化设计方法，解决现有电磁超声换能器设计理论难以满足EMAT阵列设计需求的问题。本项目为研究基于电磁超声的管道结构健康监测技术奠定了理论基础，具有重要的理论意义和实用价值。

管道在长期运行中会产生腐蚀、凹坑等缺陷。这些缺陷如果隐藏于支撑部位的管壁中，则会因支撑部分与管道接触而难以被发现。由于支撑部位的遮挡，传统超声无损检测方法常因换能器无法靠近缺陷而难以有效描述缺陷深度方向的轮廓信息。为此，本项目通过将电磁超声导波换能器与导波层析成像技术相结合，提出一条采用电磁超声导波层析成像技术来解决缺陷轮廓定量描述问题的新途径。. 本项目研究了电磁超声导波换能器的工作机理，分析了电磁超声导波换能器在工作过程中涉及的电场-磁场-力场-声场多物理场能量转换过程，提出了具有两级架构的多物理场三维有限元建模方法，同时兼顾了电磁超声导波换能器模型的计算精度与计算效率，实现了电磁超声发射、传播、接收的全过程模拟。. 研究了电磁超声导波与不同缺陷的交互作用机理，确定了用于导波层析成像的电磁超声换能器的有效工作模式和工作范围，确定了导波层析成像中使用的SIRT算法与基于导波渡越时间层析成像的缺陷深度轮廓提取方法，仿真分析了电磁超声导波换能器阵列布局、探头数量等参数对层析成像效果的影响。. 仿真分析了电磁超声导波换能器参数对换能器整体性能的影响规律，确定了用于层析成像的电磁超声导波换能器的基本结构，提出了电磁超声导波换能器优化设计的基本流程，设计并制作了换能效率较高、模式选择性较强、空间分辨力较高的全指向型电磁超声导波换能器。. 研制了电磁超声导波层析成像实验测试平台，以2 mm厚铝合金板材为例对所设计的电磁超声导波换能器和层析成像算法性能进行了实验研究，实现了对直径26 mm、深1.5 mm盲孔缺陷的层析成像和深度轮廓提取，验证了所设计的电磁超声导波换能器和层析成像算法的有效性。. 本项目是电磁超声无损检测技术与超声导波层析成像技术共性基础研究项目，涉及电磁学、声学、测量学、信号与信息处理学等多个学科知识的交叉，研究内容涵盖电磁超声无损检测领域的诸多关键科学问题，具有重要的理论意义和实用价值。.