水下管道和海上豎管是海上石油和天然氣生產的基礎設施。 由周圍海水和管道內容物造成的管道腐蝕是最嚴重的問題之一。 為了保證這些管道的安全，亟需合適的技術來定期檢查海上管道的完整性。

由潛水員和水下機器人（ROV）進行的水下管道檢查非常傳統[1],但 仍然十分有用 . 雖然人眼的識別、理解和分析能力十分重要，但是不能檢查管道內部的缺陷，這需要一定的經驗。 磁粉檢測技術已經廣泛應用于檢測水下管道的表面斷裂[2]. 然 而 ,這項技術需要由潛水員實施 ,并且需要清理檢查區域。 漏磁法被用于在線檢查，但是不能識別管壁厚度的漸變。 超聲檢測是另外一種管道缺陷識別方法。 這種方法適用于管壁厚度測量、焊縫檢查和內容物及內部腐蝕檢測。 但是超聲檢測法也要由潛水員實施， 而且由于檢測時間較長，經濟性較差。 除了超聲波檢測，使用在線檢查設備來測量管道的各種特征量也在管道行業獲得了持續的認可[3]. 這些設備用來為管道運營商提供信息， 例如管道缺陷的類型和位置。

在線設備自行攜帶電池、錄音機和里程表，因此，這些設備的廣泛應用常常由于海上管道的各種狀況而遇到挑戰。

超聲導波技術是一種用于管道檢查的無損檢測（NDE）方法，因為它具備傳播距離長、省時和成本低等優點，使得這項技術極具吸引力。 幾十年來，很多學者都研究了導波測試技術和其在管道檢查領域的應用[4]. 導 波檢查系統由以下核心部件構成：用于激勵和接收導波的傳感器陣列；用于把這些傳感器夾在管道上的固定裝置。 有很多種具有應用前景的傳感器技術，用于在管道中激發導波[5]. 但 是 ,在之前的技術中，現存的固定裝置不具備靈活性，這也就意味著不同直徑的管道檢查需要不同尺寸的固定裝置，這增加了檢查系統的成本。在這項研究中，設計并制造了可拆式傳感器系統，產生超聲導波來檢驗水下管道的安全性。 首先，對導波在水下管道上的傳播特性進行了理論分析，來為水下管道檢查選擇合適的導波類型；然后，生產和安裝了包括傳感器和固定裝置的傳感器系統。 為了驗證現有傳感器的性能，進行了一系列的測試。 最后，討論了實驗結果。

1 頻散特性和模式選擇

1.1 理論背景

Gazis 給 出了各向同性圓管上的波傳播頻率方程的詳細推導。 圓管有無限多個傳播模式，這些模式都是頻散的。 這些模式叫做縱向模式（L（0,M））、扭轉模式（T（0,M））和撓曲模式（F（n,m）），n 是周向階數，M 是模式數。 導波傳播特性被研究了很多年，包括中空的各向同性管道、充滿液體的管道和浸入液體的真空管道[4]. 下面簡要回顧一下與此相關的研究。

如圖 1 所示一個無限長的充滿并浸入液體的管道。 內徑和外徑分別為 a 和 b. 如果這是一個各向同性的彈性體，縱向軸對稱自由振動位移可以由勢能分解所得到，即：ur={-aA1[J1（ar）+Y1A2（ar）]+iζ[J1B1（βr）+Y0B2（βr）]}ei（ax+ζz）（1）uz={iζA1[J0（ar）+Y0A2（ar）]-β[J0B1（βr）+Y0B2（βr）]}ei（ax+ζz）（2）其中，ur和 uz分別是徑向和軸向位移分量，Jn（x）和 Yn（x）分別是第一種和第二種階數 n 的巴塞爾（Bessel）函數。

1ufr=-af[J1C1（afr）+Y1C2（afr）]ei（ax+ζz）（3）ufz=iζ[J0C11fr）+Y0C2（afr）]ei（ax+ζz）（4）管道外液體的振動位移分量可以重新寫成：

ufr=-afH（2）1D1（afr）ei（ax+ζz）（5）ufz=iζH（2）0D1（afr）ei（ax+ζz）（6）等式（1）~（6）中的常數 A1,A2,B1,B2,C1 和 D1 是由管道的側向邊界條件決定的。 考慮以下兩種情況：

1）浸入液體的真空管道：[σrr,σrz]r=a=[0,0],[σrr,σrz,ur]r=b=[σfrr,σfrz,ufr]r=b（7）

2）浸入并充滿液體的管道：[σrr,σrz,ur]r=a,b=[σfrr,σfrz,ufr]r=a,b（8）其中，σrrσrz是管道上的應力分量，σfrr和 σfrz是液體中的應力分量。 為方程（7）或（8）得到了齊次方程組的 6 個常量 A1,A2,B1,B2,C1和 D1. 方 程組有解的充要條件是方程組系數行列式的值是零，這導出了導波的頻散方程。

1.2 頻散曲線

如圖 2 和圖 3 所示分別表示充滿并侵入無限水中的管道上傳播導波的縱向和扭轉模式相速度和群速度頻散曲線。

與在真空中的真空管道上導波的頻散特性相比，有以下幾點不同：1）水下管道上的導波比真空管道上相同頻段的導波包括更多的模式，這就增加了激勵單一、純粹模式導波的難度；2）管道與其中液體的相互作用產生了水下管道上 L（0m）模式的導波，這一模式也可由真空管道上導波的“分裂”而獲得，這也意味著導波頻散特性更加嚴重；3）在低頻產生了一個新的模式，這一模式由水和管道的相互作用產生，記做α 模式。 Aristégui 等人通過測量波速驗證了這個模式的存在。

關于 α 模式傳播特性的更多資料可以參見參考資料[6]. 對 于T（0,1）模 式 ,如圖 3 所 示 ,管道中的水對頻散特性幾乎沒有影響。

1.3 模式選擇

為了簡化無損檢測中對接收信號的解析，非常需要激勵一個單一模式的波。 事實上，在長距離檢測中，激勵一個無頻散頻段的模式是至關重要的，否則，隨著在結構上的傳播，波包的形狀將會發生變化， 信號的峰值也會朝著噪聲基底衰減。 在所有的導波模式里，L（0,2）和 T（0,1）是實際管道檢測中最具吸引力的模式，因為：1）在寬頻帶上無頻散；2）容易激勵純粹的形式， 并不產生任何彈性波；3） 由于位移和應變在管道壁厚度方向上是幾乎一致的，所以對于內表面和外表面上的缺陷是同樣敏感的。

然而，如圖 2（b）所示，水下管道上的 L（0,2）模式高度頻散。 也就是說，很難在水下管道上激勵單一的 L（0,2）模式的導波。 而且，L（0,2）模式在壁厚方向上存在徑向位移。 徑向位移可以從管道上帶走能量，導致導波能量的損失，進而縮短傳播距離。對于 T（0,1）模式，如圖 3 所示，管道中的水對頻散特性幾乎沒有影響[6]. 此外 ,由于液體不能承載剪切波 ,對于僅由剪切位移構成的 T（0,1）模式，是沒有能量泄露到液體中的。 根據以上分析，T（0,1）是用于水下管道檢查最具吸引力的模式，本項工作將著重研究這一模式。