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壓力容器在石油化工、水下艦艇、航空航天等重大產品及關鍵部件中有著廣泛應用。服役環境中，苛刻的工作環境易造成壓力容器多種失效模式相互耦合而嚴重威脅結構服役安全。在人類與工程失效長期鬥爭的過程中，逐漸認識到，先進的監測手段可以降低在役設備發生重大事故的風險。傳統方法基於統計學原理及安全係數法等可靠性理論來保障壓力容器的結構完整性。然而壓力容器受到各種自然、載荷環境交互作用，這對其服役安全提出了新的挑戰。對在役壓力容器的在線監測可為進一步停機檢查、維修等提供指導，降低產品突發性失效帶來的損失。超聲導波具有大面積、長距離監測的優點，能及時避免壓力容器失效。
華東理工大學的研究人員楊斌、胡超傑、軒福貞、羅承強、項延訓、肖飈開展了基於超聲導波的壓力容器健康監測研究，共分為三部分。他們的在《機械工程學報》2020年第4期發表了《基於超聲導波的壓力容器健康監測I：波傳導行為及損傷定位》(封面文章)一文，作為該課題的第一部分，主要研究了超聲導波在壓力容器中的傳播行為及損傷定位方法。
對本文感興趣的朋友可以速戳屏幕下方的「閱讀原文」，免費獲取全文閱讀！引用本文楊斌, 胡超傑, 軒福貞, 羅承強, 項延訓, 肖飈. 基於超聲導波的壓力容器健康監測I：波傳導行為及損傷定位[J]. 機械工程學報, 2020, 56(4): 1-10.
YANG Bin, HU Chaojie,XUAN Fuzhen, LUO Chengqiang, XIANG Yanxun, XIAO Biao. Structural HealthMonitoring of Pressure Vessel Based on Guided Wave Technology. Part I：WavePropagating and Damage Localization[J]. Journal of Mechanical Engineering,2020, 56(4): 1-10.
論文摘要
嚴苛的使用環境造成的壓力容器損傷會導致結構失效而造成巨大安全隱患；超聲導波具有大面積、長距離監測的優點，能及時避免壓力容器失效。開展基於超聲導波的壓力容器健康監測研究，分三個部分。第一部分主要研究超聲導波在壓力容器中的傳播行為及損傷定位方法。首先利用有限元法研究超聲導波在壓力容器中的傳播行為，開發出針對壓力容器圓柱筒體及球形封頭的損傷定位算法程序，並重點討論信號處理方法對壓力容器不同部位損傷定位精度的影響。研究結果表明，導波在壓力容器中傳播易產生多模態，其在壓力容器中不斷地循環傳播直至能量衰減耗盡，且極少發生邊界反射；在基於超聲導波的壓力容器缺陷定位時，截取合適的時域導波信號並對信號進行濾波和降噪處理能夠有效提升壓力容器缺陷的定位精度；缺陷信號相對於基準信號的時間零點漂移及非檢測模態波包的幹擾是影響壓力容器缺陷定位精度的兩個主要原因，修正後的算法對壓力容器筒體和封頭缺陷的定位誤差在5%以內。
重要結論(1) 對於本文所研究的壓力容器一類閉合結構，導波在其中的長距離傳播易產生多模態信號。與導波在平板中的傳播不同，導波在壓力容器中的傳播極少發生邊界反射，而是壓力容器不斷地循環傳播，直到導波能量衰減耗盡。
(2) 對導波信號的濾波降噪處理在去除噪聲的同時還保留了缺陷散射信號特徵，經過濾波和小波降噪的缺陷散射信號易識別，定位算法能夠準確的捕捉到壓力容器筒體中的缺陷反射信號，進而提升壓力容器筒體的缺陷定位精度。
(3) 實驗室條件下，缺陷信號相對於基準信號的時間零點漂移及非檢測模態波包的幹擾是影響基於導波的壓力容器缺陷定位精度的主要因素。修正後的定位算法得到的壓力容器缺陷成像區域減小，缺陷位置與實際缺陷位置基本重合，成像精度大幅度提升。
前景與應用
壓力容器在石油化工、水下艦艇、航空航天等重大產品及關鍵部件中有著廣泛應用。服役環境中，苛刻的工作環境易造成壓力容器多種失效模式相互耦合而嚴重威脅結構服役安全。損傷在線監測和精準定位是保障其服役安全的核心瓶頸技術。超聲導波傳輸距離遠、覆蓋面積大，本研究研製了實時損傷感知及精準定位智能專用系統。項目成果可望建成特種設備智能運維和安全保障的示範標杆，提供流程工業智能裝備和智能工廠的關鍵技術支撐。
團隊帶頭人
塗善東，博士、教授、長江學者（2001）、國家傑出青年基金獲得者（2002）、中國工程院院士(2019)。兼任國際壓力容器學會亞太地區委員、國際機構學與機器科學聯合會\(IFToMM\)可靠性委員會委員、中國機械工程學會壓力容器學會榮譽理事長、材料學會理事長；他還擔任了J Applied Energy, Int J of Pres Ves and Piping, J of MaterialsScience & Technology, Frontier of Mechanical Engineering in China, Advancesin Mechanical Engineering、壓力容器、機械工程材料等期刊、機械強度、功能材料及器件學報等期刊編委。主要研究高溫環境下的結構設計理論與壽命預測技術、微（小）化學機械系統（MCMS\)、先進能源材料與裝備，倡導全面工程教育。2004年（第一完成人）、1999年（第二完成人）先後兩次獲國家科技進步二等獎，2009年獲國家教學成果二等獎，多次獲省部級一等獎；1990年獲第二屆中國青年科技獎，1996年入選國家百千萬人才工程、2002年被授予中華全國歸國華僑聯合會「科技進步帶頭人」稱號，獲國家傑出青年科學基金，2006年獲教育部榮譽長江學者稱號。
楊斌，男，河南淮陽人，博士，華東理工大學機械與動力工程學院講師，碩士生導師。研究工作圍繞特種設備智能化及其安全問題開展，重點研究複雜環境下材料/設備的安全評價、安全監測理論基礎、損傷智能監測裝備三個方面。圍繞上述工作，以第一/通訊作者在IntJ Hydrogen Energ, Compos Sci Technol，ComposPart A & B, Compos Struct及J SandwStruct Mater等重要期刊上發表SCI論文25篇；另以第一作者發表EI論文9篇；科學出版社出版中文專著1部（第二作者）。申請/授權國家發明專利9項，授權軟著3項。擔任多個期刊審稿人。多次參加學術大會並作特邀報告，擔任分會場主席，並發表會議論文。是中國複合材料學會青年工作委員會委員、中國力學學會、美國SAMPE學會會員。主持國家自然科學基金青年科學基金、國家重點研發計劃子任務等課題十餘項。先後入選中科協「青年人才託舉工程（2018-2020）」、上海市「晨光學者（2018）」和「華東理工大學青年英才培育計劃（A類，2018）」，獲首屆「中國複合材料優秀博士學位論文（2016，全國5篇）」。
胡超傑，男，1994年12月生，博士研究生在讀。2017年7月於中國石油大學獲過程裝備與動力工程學士學位，2017年9月至今於華東理工大學機械與動力工程學院攻讀博士學位。主要從事的研究方向為基於深度學習的壓力容器健康監測技術。2017年以來，發表SCI論文3篇，發表EI檢索論文5篇。
軒福貞(通信作者)，教授，博士生導師。1993年7月於山東工業大學獲化工機械與設備專業學士學位，1996年7月獲固體力學專業碩士學位，2002年3月於華東理工大學獲化工過程機械專業博士學位，畢業後留校任教。主要從事能源與動力裝備的設計、製造與運行維護技術研究，在壓力容器、超超臨界汽輪機、核電裝備等高溫設備的強度與壽命設計、安全評價及智能檢測/監測方面取得創新成果。獲國家科技進步一等獎1項、二等獎1項，省部級特等獎1項、一等獎4項、二等獎1項，中國石油與化學工業聯合會青年科技突出貢獻獎。主持完成國家核電重大專項（課題）、國家儀器專項、863計劃、國家科技支撐計劃、國家自然科學基金等課題，參加《在役含缺陷壓力容器安全評定》、《承壓設備合於使用評價》等多項國家/行業標準的編制及研究工作。先後入選國家萬人計劃領軍人才、教育部長江學者特聘教授、國家傑出青年基金、上海市領軍人才、上海市優秀學科帶頭人等計劃或榮譽。兼任全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會委員、教育部第七屆科技委先進位造學部委員、承壓系統與安全教育部重點實驗室主任、核電裝備工程研究中心主任、壓力容器副主編等。
羅承強，男，1994年1月生，碩士研究生。2016年7月於華東理工大學獲過程裝備與動力工程學士學位，2019年7月於華東理工大學獲得動力工程及工程熱物理碩士學位。主要從事壓力容器健康監測研究。2016年以來，發表SCI檢索論文3篇，申請/授權發明專利5項、軟體著作權3項。先後獲得研究生國家獎學金、國家勵志獎學金、萬華化學獎學金、蔣雯若獎學金、陶氏獎學金等。
項延訓，男，1979年生，浙江蒼南人，2005年至今任職於華東理工大學，教授，博士生導師，國家自然科學基金優青獲得者。主要從事材料/構件服役相關的超聲無損檢測及評價技術研究，包括：早期微損傷的非線性超聲導波檢測及定位表徵、超聲導波損傷檢測及定位成像、超聲相控陣成像、複雜結構中殘餘應力的超聲表徵等。研究內容涉及超聲學、材料力學、信號處理等交叉學科。作為項目負責人主持4項國家自然科學基金項目、2項國家重點研發計劃課題、1項裝備預研教育部聯合基金項目，以及多項省部級項目和企業合作科研項目，獲省部級科技成果獎勵3次。獲2017年上海市魏墨盦聲學獎，獲2016年國家自然科學基金委優青項目資助，獲2016年上海市人才發展資金資助，獲2015年度上海市自然科學獎一等獎（第1完成人），獲2014年上海市科技啟明星計劃，獲上海市優秀博士論文（2011）；發表SCI論文50餘篇，授權/申請專利11項。
肖飈，男，1982年生，湖南衡陽人，高級工程師，博士生在讀。主要從事構件/材料的超聲導波檢測及損傷定位研究，包括：超聲導波技術對複合材料纏繞式壓力容器的結構健康監測及損傷定位成像，超聲導波監測技術對複合材料、鉻鉬鋼材料構成的薄板、薄壁圓筒結構件的在線監測，發表SCI、EI論文10餘篇。
華東理工大學承壓系統與安全教育部重點實驗室
華東理工大學承壓系統與安全教育部重點實驗室於2005年12月批准建設，2009年6月通過教育部驗收，2012年9月以優良成績通過教育部評估。
實驗室是國內承壓設備領域唯一的教育部重點實驗室，秉持科學發展與國家需求相結合的理念，以壓力容器、環境裝備、動力裝備等為載體，以「引領承壓裝備源頭技術創新，強化學科基礎理論前沿研究，培養具有創新能力的高水平人才，建成特色鮮明、具有較大國內外影響的承壓系統與安全領域創新基地」為目標定位，在裝備安全技術、節能與減排技術、智能檢測/監測技術等研究領域，取得了具有重要學術影響或重大工業應用價值的創新成果，在提高社會生產力、增強綜合國力、提升國際競爭力和保障國家安全中的發揮了重要的戰略支撐作用。
實驗室依託「化工過程機械」國家和上海市重點學科，已形成一支結構合理、創新能力強、具有交叉學科優勢的研究隊伍。目前固定人員中擁有長江學者4人、傑青5人、萬人計劃科技創新領軍人才2人、青年拔尖人才2人、青年長江學者2人、優青4人，4位教授先後擔任全國壓力容器學會理事長和國際壓力容器技術學會理事，2位教授任國際壓力容器技術學會副主席，12位教授任歷屆國務院學位委員會學科評議組成員、中國壓力容器標準化委員會、教育部過程裝備與控制工程專業教學指導委員會副主任等；4位教授擔任國內外18餘個學術期刊編委，涉及機械、能源、材料等多個學科領域。
近五年來，實驗室承擔科研經費1.43億元，承擔了國家和省部級等重要任務419項，獲國家及省部級二等獎以上科技獎勵21項，發表論文905篇，其中SCI收錄554篇、EI收錄97篇，起草實施國家標準5項。獲得軟體著作權11項；授權發明專利97項，其中國際專利9項，20項專利實現成果的產業化。承壓設備安全保障、環境裝備技術、過程設備強化與節能、安全檢測/監測及基於可靠性製造的壽命提升技術等方面形成特色。
在過去的五年，針對承壓設備高參數、大型化、高效化和長周期運行的新趨勢，實驗室致力在科學前沿、應用研究與基地建設取得突破性進展。首先，繼續夯實承壓裝備安全保障技術科學基礎，確保該研究領域的國際地位和影響力，並為我國在建和在研的航空、航天、能源、電力等重大裝備研發提供技術支持，拓寬了實驗室科學研究的維度；其次，加速過程汙染物分離、節能減排、綠色生產基礎研究步伐，以節能減排關鍵技術與裝備創新為突破口，在相關核心技術方面取得突破和工程應用示範，形成了具有國際影響力的研究成果；進而，面向重大承壓設備防災、控災的迫切需求，突破了智能檢測監測相關技術，保障了重要承壓設備長壽命安全服役，為提高我國承壓設備的自主設計、製造和集成能力做出貢獻。
實驗室在創新人才培養、科技成果轉化、標準制定、學科知識普及和政府、行業政策諮詢的方面發揮了不可替代的作用，社會貢獻顯著。如通過創辦全國大學生過程裝備與控制創新與實踐大賽、倡導全面工程教育，促進承壓設備高等教育創新發展；支持「華龍」一號、CAP1400核電等重大項目的建設，突破國外技術封鎖，推動行業進步；通過制定安全保障、綠色生產等方面的國家/行業標準，發揮行業智庫作用；通過擔任多個領域內期刊編委、主辦國際壓力容器大會、發起中國結構完整性聯盟，擴大了我國在承壓設備與安全領域的國際話語權。
編輯：惲海豔 校對：向映姣
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