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1、华中科技大学 硕士学位论文 管道缺陷接触式磁致伸缩扭转导波检测方法 姓名：汤欢 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：徐江;武新军 2011-01-14 I 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 摘 要 摘 要 导波具有单点激励即可实现长距离快速检测的优点， 近年来受到了广泛而深入的研 究。接触式磁致伸缩扭转导波不仅具有上述优点，而且能量耦合效率高，适于远距离检 测和长期监测。本学位论文结合“十一五”科技支撑计划项目“带保温层管道腐蚀电磁 导波检测技术研究与设备研制” ，对接触式磁致伸缩扭转导波管道检测方法进行了深入 研究。 首先，在论述磁致伸缩扭转导波传感原理
2、的基础上，分析了磁致伸缩材料、磁化和 耦合方式对接触式扭转导波检测的影响， 给出了基于声波多层平面反射与透射模型的传 声材料选取方法。通过实验研究了粘结和干耦合两种接触式扭转导波的信号特性，结果 表明，环氧胶粘结方法耦合效率高，干耦合方法中材料可重复使用。 其次，根据扭转导波非频散特性，论述了基于时空变换技术的磁致伸缩导波单方向 激励和接收原理，给出了其具体实现方法。分析了线圈宽度和匝数对检测的影响，得到 了适于单方向检测的传感器布置方式。实验结果表明，该方法不仅可实现单方向检测， 而且信号信噪比是双向检测时的 3.8 倍。 最后， 通过实验室和现场实验研究了接触式磁致伸缩导波检测方法在管道缺
3、陷检测 中的应用。实验室样管检测结果表明，该检测方法能检测出截面损失 3.7%的人工刻槽 缺陷，而非接触式方法不能检测出该刻槽缺陷。现场实验结果表明，粘结传感方式具有 远距离缺陷检测能力，对于截面损失 6%的盲孔和刻槽缺陷，检测距离超过 50m；干耦 合扭转导波传感方式不仅可检测铁磁性管道缺陷，还可用于非铁磁性管道的缺陷检测。 接触式和非接触式磁致伸缩导波的管道缺陷检测对比实验表明， 接触式磁致伸缩导波耦 合效率高于非接触式，检测灵敏度高，具有广阔的应用前景。 关键词：无损检测 接触式扭转导波 磁致伸缩效应 管道 单方向检测 II 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 Abstr
4、act Recently guided wave technology has been carried out widely because the technology can rapidly inspect over long distance from a single position. The contact torsional guided wave technique based on magnetostrictive effects has high energy coupling efficiency, which is suitable for long distance
5、 inspection and long-term monitoring. Based on the support of funds from National Key Technology R&D Program of China (No. 2006BAK02B03-S-01), this thesis studies the pipeline testing method based on contact torsional guided wave technique with magnetostrictive effects. Firstly, on the basic of the
6、principle of torsional guided waves with magnetostrictive effects, the affects of magnetostrictive material, magnetization and coupling modes are analyzed, and the method for selecting transaudient material is proposed based on the model of acoustic wave reflection and transmission in multi-layer in
7、terface. The signal characteristics of bonding and dry coupling method using contact torsional guided waves are studied experimentally. The results reveal that the epoxy-guled bonding method has high efficiency, and the dry coupling method could be used repeatedly. Secondly, according to the non-dis
8、persion characteristic of torsional guided waves, the unidirectional transmitting and receiving principles and methods for magnetostrictive guided wave are discussed based on space time transformation technique, and the specific implementation methodology is given. The setup of sensors for unidirect
9、ional inspection is given through analyzing the affect of the width and number of turns. The results show that the method could not only achieve unidirectional inspection, but also increase the signal-to-noise ratio, which is 3.8 times as much as that of bidirectional inspection. At last, the applic
10、ations of contact magnetostrictive guided wave technique to flaw detection of pipelines are studied. The experiments of samples in the lab reveal that these methods could inspect artificial notch with 3.7% cross sectional area loss, while non-contact method couldnt. The results of field experiments
11、indicate that the bonding method could test flaws over long distance, which could inspect the artificial blind hole and notch with 6% cross sectional area loss over 50 meters. The experiments of dry coupling method confirm that it could be used for not only ferromagnetic pipes, but also nonferromagn
12、etic pipes. The results of comparison experiments with contact and non-contact magnetostrictive guided wave III 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 technique indicate that the coupling efficiency of the contact method is much higher than that of non-contact, which has wide application prospect in view of its
13、high inspection sensitivity. Keywords: nondestructive testing, contact torsional guided wave, magnetostrictive effect, pipeline, unidirectional testing 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。
14、 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密 1 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论绪论 1.1 课题概述课题概
15、述 1.1.1 课题来源课题来源 本课题来源于： （1） “十一五”国家科技支撑计划（2006BAK02B03-S-01） ：带保温层管道腐蚀电 磁导波检测技术研究与设备研制； （2）河北省锅炉压力容器监督检验院项目：在用工业管道不破坏外保护层情况下 腐蚀减薄的超声波导波检测技术研究。 1.1.2 目的与意义目的与意义 无损检测技术在现代工业中应用广泛，涉及领域包括石油化工、锅炉压力容器、航 空航天、核电、铁路、船舶等，为保障工业生产安全运营发挥着重要作用。常规无损检 测方法有：超声检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测和射线检测。随着工业应用需求 和科学技术发展，一批新的无损检测方法陆续涌现，如
16、电磁超声、脉冲涡流、声发射、 超声导波等。超声导波方法具有单点激励即可实现长距离快速检测的特点，对不可到达 部位也能实现检测，受到了学术界和工业界的广泛关注。 实现超声导波的激励和接收可使用基于多种物理效应的传感方法，主要有压电、激 光、磁致伸缩、电磁超声方法，目前应用较多的是压电和磁致伸缩方法。压电方法利用 压电效应来激发导波，易于模式控制且能量转换效率高，但探头结构较复杂，激发单一 模态的轴对称导波时难以保证探头一致性，另外，压电探头易损耗，增加了检测成本。 而磁致伸缩方法利用磁致伸缩及其逆效应在构件中激发和接收导波，由于采用电磁耦 合，能实现非接触式检测，特别适合表面耦合条件差的构件检测。另外，利用粘结或干 耦合的接触式检测能量耦合效率较高，适于远距离检测和长期监测。 沿杆状或空心圆柱体构件轴向传播的超声导波可分为纵向、扭转、弯曲三种模态。 弯曲模态导波由于其波结构的复杂性应用较少， 纵向模态导波的实现一般需要外加磁化 装置，例如外加永磁铁以产生轴向偏置磁场，造成现场安装不便，运输和携带困难，而 2 华中科技大学硕士学位论文
