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1绪论1.1本课题的研究背景和意义管道在现代的日常生活中的运用相当广泛。自从1965年美国宾夕法尼亚州铺设第一条油气管道至今,全球运输管道干线长度超过230多万公里,几乎承担了全部天然气运输和85%以上石油运输[1]。管道作为当今的运输生命线之一,在运输石油、化工液体原料、生活用水等方面具有明显的优势。据数据显示我国在二十世纪初已建成的输油、输气管道超过30多万公里,且每年以1000—2000公里速度铺设新管道[2]。到目前为止，城市供水系统、石油化工业运输系统早已形成了巨大的管道网络，已和人类的生活紧密相关。然而管道在长期使用中会发生各种缺陷,缺陷不断扩大，进而发生泄漏事故，不仅会造成巨大的经济损失,而且会给环境带来中重大影响，影响生态平衡。据统计世界各大中城市自来水的泄漏损失率在l20%左右[3]。近年来管道泄漏事故频有发生，引起了全世界各国人民的特别关注。例如，1993年委内瑞拉一条气体管道发生泄漏，气体爆炸，致使51人死亡；1994年美国新泽西州的一条管道泄漏，造成火灾，致使1人死亡50多人受伤。近年来还有其他一些国家如俄罗斯、加拿大和英国等国家的管道发生各种事故的报道[4]。据不完全统计，截止1990年，我国仅输油管道在20年时间里，共发生大小事故628次。天然气管道也曾多次发生事故，后果特别严重，给人民生命财产造成了严重的损失[4]。更为严重的是原油管道泄漏会造成恶劣的环境污染，海洋、陆地都会惨遭毒手，恶性加剧了人类生存家园的环境污染。目前,我国大部分管道老龄化严重，使用过久或维护不力，导致近年来管道进入事故多发阶段。为确保在役管道的安全运行，最好的办法就是在管道的缺陷发展到泄漏前,找出管道已发生腐蚀或产生裂纹的位置，采取加固修复或更换部件等措施，大大降低泄漏事故发生的几率。由于受到检测手段的制约，对在役管道损伤情况并不明确，维护也没有科学依据，往往会造成盲目开挖或盲目更新，很大程度上造成人力、物力的浪费[5,6]。维护管道安全运行，防止管道运输事故的发生，是无损检测领域近来比较关注的话题。管道缺陷检测是维护管道安全的主要途径和重要内容。当前，用于管道缺陷检测的常规方法有：超声波检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测和射线法检测等，最新发展的方法有激光全息无损检测、微波无损检测、红外无损检测、声振检测、声发射检测等[7]。传统的检测方法十分费事费时，如果用于当今石油化工业巨大的管道网络检测，很明显是不科学的。虽然漏磁内检测是对长距离输送管道缺陷检测是近年来人们常用的正规方法，但很多其他区域的等管道根本无法用该法进行全面的检测。输油和输气管道通常有多种腐蚀存在，许多腐蚀与缺陷表现为局部的，区域性的，隐蔽的，并呈点（块）状区域性分布，特别是在弯头转角部位、管托处和穿越沟渠、道路（墙垛）的套管地段，腐蚀穿孔的几率较大，仅仅依靠5年一个周期的内检测是不够的。从管道运行的经验教训来说，迫切需要采取一种检测手段，可以在每二年就有重点和针对性地对上述管段进行跟踪检测，及时发现问题、解决问题。输油和输气站场的工艺管线，由于周边工业区大地杂散电流大，影响阴极保护，在管道绝缘法兰的前后部位腐蚀严重，干线一经腐蚀穿孔可以旁接管道，但是站区工艺管线如若发生事故，将直接危及全线的输油、输气安全。长期以来根本没有有效的检测手段，摸清场站特别是在役运行多年的管网站区工艺管线的腐蚀状况十分迫切。据管道公司沈阳调度中心管道安全处提供的资料，仅东北管网共有11条管线，共计长度2400公里[9]。沿线穿越河流360条，穿越长度约36公里；穿越公路375条，约8公里；穿越铁路80条，约2公里；穿越城镇60余处，约100余公里，这部分管道约占总长的6%；现有站场30个。这些管线运行时间长，迫切需要对其状况进行风险评估。由此就急需一种全新的无损检测技术，它不仅能克服常规传统检测技术的各种缺点，同时又能对管道缺陷进行快速、有效的无损检测,超声导波检测技术应运而生，特别适合上述各种问题，是个可行的方法。由于超声导波技术在管道检测中优势明显：导波衰减小、传播距离远、检测速度快和检测效率高等，所以超声导波检测技术，特别受到管道缺陷无损检测和管道完整性评价等方面的研究人员的关注。近年来随着超声导波检测技术的不断发展，技术各方面已经日趋成熟，国内外关注度持续不下。在无损检测领域，同其他管道缺陷检测方法相比，超声导波检测方法具有以下优势：(1)超声导波在管道内传播衰减明显小于其它检测方法，它在检测点双向检测，向前后两个方向发射导波信号，由此可以对管道进行长距离检测，不用像其它传统检测方法那样在管线依次检测，更节约时间和成本。(2)带防腐层或沥青层的管道不会明显影响导波在管线内传播，只需在检测点周围清除防腐层或沥青层用于安装检测传感器，其他部位的外包层均不用清除，这样节省了很多工时，大大降低了检测的成本。(3)不仅可以对空管线进行检测，还可对正在输送介质的管道进行即时的无损检测。无需等待，无需关闸，随时随地均可检测。(4)很多人类无法到达的区域管道均可检测，如海下输油管道、埋地管道、道路交叉口的地下管道等等。(5)可对整个管壁作100%检测。研究超声导波的原理、方法、评价准则及应用的问题，对于石油化工和日常生活具有实际应用价值和重大的学术意义，同时也具有重大的经济效益和社会意义，是未来无损检测技术发展的新方向之一。1.2国内外研究现状1.2.1国外的研究现状早在二十世纪初，国外已对超声导波检测技术进行了初步的探究。研究者首先对不同波导中的导波传播特性进行理论上的研究,从无边界介质中的导波传播理论到板状波导中的导波传播理论,再到与实际应用接近的柱面导波的传播特性研究,最后到较复杂的管状波导中的导波传播特性[10]。最早的导波研究工作偏向于进行理论求解；二十世纪60年代，人们才开始逐渐进行实验研究；近年来，导波发展应用到无损检测领域中，特别是对管道缺陷的无损检测。由于导波检测技术在管道缺陷无损检测的明显优势，越来越多的公司和部门引进导波检测技术对各式各样的管道进行缺陷检测和安全评估。下表为国外超声波检测技术的发展历程：表1-1超声导波检测技术发展历程[11-16]年份研究人物贡献1917年J.Rayleigh和H.Lamb推导出在平面应变假设下单层、各向同性自由Rayleigh-Lamb超越方程,该方程可用于确定在板内传播的波的波数和频率之间的关系1920年A.Love和J.Rayleigh利用板壳理论,分析了波在空心圆柱壳中的整个传播过程1923年J.Ghosh推导出波在空心圆柱壳中传播的线弹性解,得到了两个同轴圆柱体相套结构的频散方程1925年N.A.Armenakas指出波在管线结构中传播时存在的许多模态,并且在相速度频散曲线中给出了可能出现的模态1928年M.V.Broolc对管道进行检测,证明利用轴向导波对管道进行检测的可行性1931年Sokolov(苏联)将导波技术应用于工业,大大促进了超声检测技术发展1944年F.A.Firestone使用超声脉冲法,并发表检测仪器得出的检测报告1964年Krautkramer公司研制成功小型超声检测仪,其主要性能指标取得了突破性的进展,标志着进入近代超声检测技术阶段如今，超声导波检测技术在国外早已相当成熟，早已发展成为无损检测家族中的一门先进的新兴检测方法，广泛应用于各个领域，包括输油管道、工业管道、蒸汽管道、生活用水管道等等。1.2.2国内的研究现状我国在新兴科技方面起步都较晚，导波检测技术的研究也是近二十年才兴起的,而且最初做的多是理论和实验研究，没有落实到实践，到如今研究范围和研究的内容都很广泛而深奥。超声导波检测技术在各个领域的研究论文及文献愈来愈多。刘镇清综述了近年来国内外在超声导波技术、声发射新技术、新型超声非接触换能方法、超声信号处理与模式识别等方面的若干研究成果[17]。何存富、吴斌等综述了无损检测中的超声柱面导波技术及其应用研究进展[18]，着重评述了超声导波的模态和频率选择、导波的激励和接收方法、导波与缺陷的相互作用、信号处理与特征提取及导波技术在无损检测中的应用前景。武新军，康宜华，王悦明等人也在超声导波方面有较深入的研究[19]等等。目前,国内已有公司研发出超声导波检测设备，虽售价较昂贵，但为适应长距离油气管道的无损检测和管道完整性评价的需求，导波检测仪器是必要的。还记得2004年，我国首次从英国超声导波公司（GUL）购买了管道检测设备wavemaker，第一次对我国的多处油气管道进行了超声导波检测，使我国导波技术在管道缺陷检测上实现了从实验研究到实践应用的新跨越。