管道运输是四大运输方式之一,在国民经济产业中发挥重要作用。管道弯头是管道系统中的重要部件,数量众多的管道弯头衔接不同管道通向不同方向。管道弯头常年处于流体的主要冲刷部位,在役期间易受复杂环境变化的影响,轻则出现腐蚀裂纹等缺陷,重则发生泄漏,从而危及整个管道系统的结构安全。无损检测是管道安全运行和维护的关键技术,对比各种无损检测方法发现,超声导波作为一种长距离、高效的检测手段,对于检测弯管上的缺陷具有突出优势。本文为发展弯曲管道导波检测技术开展了以下工作:首先,本文基于固体中的弹性波理论,给出了空心圆柱体中超声导波不同模态频散曲线的推导过程。以DN50型石油管道作为研究对象,研究了管道厚度、半径的变化对频散曲线的影响以及各模态波结构特点,分析了激励频率对不同模态导波的影响,选择纵向L(0,2)模态和扭转T(0,1)模态作为检测模式波。通过对比弯管和直管中L(0,2)模态和T(0,1)模态导波传播特性,可以发现L(0,2)模态和T(0,1)模态导波在弯管中的传输透射率都会发生变化,与导波在直管中传播不同,导波在经过弯管区域时会出现模态转换现象。其次,针对研究对象建立了弯曲管道的三维有限元模型,以L(0,2)模态和T(0,1)模态作为检测模态波,分析了两种模态下频率及弯头半径与导波传输透射率之间的关系、激励脉冲周期对反射回波幅值和波包宽度的影响、不同弯曲角度下的导波模态转换情况和透射率变化、90°弯管中导波模态转换规律。数值分析结果表明在90°弯曲管道中,导波不同弯头半径的弯管有着不一样的透射系数,激励频率影响导波的透射系数。最佳的激励周期数应选为3-10周期;L(0,2)模态在经过弯头时会产生新的模态F(1,1),通过弯头后传播一段距离又重新耦合成L(0,2)。T(0,1)模态在经过弯头后传播一段距离(约600mm)又转换出新的模态F(1,2)。弯管的弯曲角度影响导波的模态转换关系和透射率。L(0,2)模态波在弯曲角度10°~80°转换成F(1,2)、弯曲角度90°~170°转换成F(1,1),而T(0,1)模态在弯曲角度10°~170°只转换成F(1,2)模态。检测模态导波与缺陷的相互作用机理是导波定量检测的基础,通过在有限元模型中引入系列缺陷参数研究了两种检测模态波下裂纹缺陷和圆孔缺陷对导波幅值及反射率的影响。结果表明,对于两种检测模态波,检测不同宽度的裂纹缺陷检测效果是相似的。裂纹缺陷深度和圆孔缺陷直径的加大都会使两种模态反射回波幅值逐渐增大,并呈线性关系。T(0,1)模态导波在与弯头上缺陷相互作用时会产生新的模态F(1,2)。最后,基于MsSR3030R仪器开展检测实验研究,设计并优化了L(0,2)模态导波检测传感器,采用该传感器对弯头上缺陷进行了检测,验证了该传感器优化设计的可行性。采用L(0,2)模态及T(0,1)模态导波传感器对无缺陷管道、带裂纹及平底孔缺陷的弯头进行了实验对比分析,实验结果与仿真结论相一致。为发展在役弯管导波检测技术,进一步开展了对充水弯管及带有焊缝的弯管的检测实验,结果表明充水管道影响L(0,2)模态检测效果,而T(0,1)模态检测不受此影响。弯头上的焊缝会影响L(0,2)模态导波检测效果,导致缺陷识别率降低。