李法新课题组在山东烟台进行埋地管道野外监测试验
近年来，我国油气管道网规模不断扩大。截至2017年底，我国大型油气输运管道的总里程已超过13万公里，位居世界第三，而且多为埋地管道，预计在2025年达到24万公里。然而，随着管道服役时间的增长，部分管道的腐蚀老化可能导致油气泄露，不仅会引起环境污染和财产损失，甚至会给生命安全带来隐患。如2013年的中石化青岛输油管道爆炸事件，造成62人死亡、136人受伤，直接经济损失7.5亿元。为了保障管道的安全服役，国家目前规定油气管道5年内至少要大检一次，每次检测的费用大约3万元/公里，所有管道一次检测成本超过40亿元。
超声导波具有衰减小、分辨率高等优势，尤其适合管道的长距离监测。在管道的所有导波模态中，基频扭转导波T(0,1)是唯一非频散的模态，传播过程中不易发生波型转换，信号处理最为简单。当前，激励T(0,1)波的主要方法是采用电磁超声换能器(EMAT)和压电超声换能器。上世纪90年代末期，美国西南研究院基于磁致伸缩效应设计了一种EMAT式 T(0,1)波换能器，但这类换能器能量转化效率低，必须采用大功率的发射装置才能工作，其可探测埋地管道的距离不到5m。同一时期，英国帝国理工学院基于压电厚度剪切d15模式发展了一种干耦式压电T(0,1)波换能器，其探测埋地管道的距离约为5~8m。
沥青涂层的钢管＋泡沫涂层＋埋地的T(0,1)导波衰减曲线
李法新课题组先是提出了压电陶瓷的面内剪切d24模式，并由此发展了一种环形阵列用于T(0,1)波的激发与接收(Smart Mater Struct 2017)。他们发现，厚度剪切d15模式因为变形力的非自协调，更适合作为激励的制动器；面内剪切d24模式，由于阻抗高和变形的自协调，更适合作为接收的传感器（Sensors2018）。因此，他们组合了两种变形机制，设计了一套一发一收的环形换能器阵列。其中，d15压电阵列用于T(0,1)波的激发，d24压电阵列用于回波信号的接收。野外埋地管道的试验结果表明，这套换能器激励的信噪比可达45dB以上，可以极大地提升埋地管道的检测效率，有效探测距离达20m以上。由于这种换能器价格低廉，可以在铺设管道或挖坑检测时永久地安装在管道上，实现管道的终身监测，达到一劳永逸的目的。该技术有望在长距离管道的安全监测中占据主导地位，产生巨大的经济价值。
