外涂层是海底管道与外界腐蚀环境隔离的重要屏障,但是由于在运行过程中缺乏有效的检测设备及定期的管理维护,易出现不同程度的涂层缺陷,研发有效的管道外涂层缺陷检测装置,将为保障海底油气管道的安全和高效运行提供技术和装备支撑。本文采用数值模拟和实验研究结合的方法,研究适用于海底管道外涂层缺陷检测的超声波检测技术,结合管道内检测环境对超声换能器进行选型和参数设计,识别涂层缺陷回波的响应特征。主要研究内容和结论如下:对外涂层的基本声学参数和超声波在双层介质中的传播规律进行了理论分析,得到以下结论:熔结环氧粉末涂层对声波具有强烈的吸收衰减和散射衰减,其声阻抗与空气和水等其他介质有较大差异,可导致声压反射率不同。采用垂直入射的脉冲回波法,依靠超声波不同界面上反射回波的差异性,可实现缺陷信号的识别。以理论研究为依据,采用ANSYS有限元软件对涂层缺陷的超声检测过程进行了仿真计算,结果表明:多次回波呈指数衰减,发生涂层剥离起鼓缺陷的界面回波幅值明显高于涂层完好的界面回波,并且随反射次数的增加,差异不断增大,缺陷回处的第5次回波与完好涂层回波幅值差达到61.8%,可以作为缺陷判断的依据。基于换能器的声场理论,采用MATLAB软件求解线聚焦换能器的辐射声场,并研究了声透镜参数对辐射声压分布和焦距的影响,得到以下结论:圆形线聚焦换能器具有焦柱长,声束集中和能量高等特点,在应用中可以实现较大的提离距离,有效抵抗涂层对声波的衰减作用,适合海底管道的检测需求。结合声透镜参数对辐射声场的影响规律,为了保证涂层缺陷检测中较高的分辨力,同时兼顾弥补弯管等处的声波能量损失,最终选用2.5MHz的检测频率,并确定了声透镜的几何参数。开展了基于超声脉冲回波法的外涂层缺陷检测实验,研究不同缺陷类型、不同涂层厚度、不同缺陷尺寸和存在内涂层时的识别特征,结果表明:涂层缺陷信号的第5次回波均明显高于完好涂层的回波信号,但无法区分涂层的缺陷类型为剥离还是起鼓。外涂层厚度对回波幅值的影响极小。随缺陷尺寸在宽度方向的均匀增加,回波幅值依次递增,缺陷宽度越大,增幅越小,在缺陷宽度大于换能器晶片尺寸时,回波幅值几乎保持不变。不同厚度试块的缺陷回波都呈指数衰减,第5次回波的波高没有明显差别,较薄试块的回波略高于较厚试快,但较薄试块的波峰间距更窄。对于钢管试样,在有内涂层和无内涂层两种情况下,都能够有效判断出外涂层的剥离脱落缺陷,并且内涂层对设计的线聚焦换能器仅产生了极少量的衰减,不能对检测结果造成实质影响。