管道防腐层运行状态的检测是确保管道安全运行非常重要的内容。目前,对于管道防腐层检测方法主要采用外检测技术,这类方法无法满足油气管道完整性管理理念、对防腐层缺陷的定量化描述较为困难。若采用管道内检测技术对管道外防腐层运行状态进行分析研究,应用管道内检测器采集管道运行状况的数据,则可以满足管道检测的综合数据分析并实现管道防腐层定量化检测。为了解决上述问题,本文主要研究了基于非线性超声导波的管道防腐层剥离缺陷的内检测方法。将管道防腐层介质理想化为弹性-粘弹性双层结构,从理论建模、仿真分析和实验验证方面对超声导波的频散特性和能量传播特性进行分析,提出基于能量密度的防腐层检测方法并对其回波信号进行了定量化研究。主要的研究工作及贡献如下：(1)针对超声导波在管道防腐层双层结构中的传播机理十分复杂,仅分析导波多模态频散特性很难获取检测防腐层缺陷的有效信息的问题,本文从单层板状结构的弹性性能入手,研究了弹性-粘弹性双层结构介质的能量传播特性,从能量密度角度分析了不同双层结构中介质对超声导波传播过程中能量传播的影响因素,建立了试验平台对弹性-粘弹性双层结构介质的能量传播特性进行了实验研究。研究表明：超声导波各模态在双层结构介质产生剥离等缺陷时,其群速度、相速度及能量密度均发生较为明显的变化；防腐层剥离缺陷尺寸越大,能量衰减变小,节点振动速度变慢,则回波信号幅值越大。(2)针对超声导波传播机理复杂和多模态特性导致其回波信号难识别的问题,本文以兰姆波为研究对象,利用热力学第一定律建立钢板微体元中能量密度分布模型,对微体元力密度与振动位移的关系及能量密度分布特征进行理论分析和数值计算,提出已知激励频率下钢板中电磁超声兰姆波多模态的能量密度分布特征研究方法,并采用收发分离式电磁超声兰姆波换能器对理论分析和仿真计算过程进行初步的实验研究。研究表明：微体元振动位移与洛仑兹力、磁致伸缩力的函数关系反映电磁超声兰姆波中能量传递趋势。能量在动能和势能间不断转换；通过对不同模态兰姆波的能量密度分布特征分析,获得各模态的能量强度及能量传播速度,为基于能量密度的超声导波检测提供一定的理论依据。在不同激励频率下,通过实验研究验证了电磁超声兰姆波的能量密度分布特征,依据波群信号能量密度分布特征,可简化回波信号的识别。(3)针对管道防腐层存在的孔洞、剥离等缺陷问题,提出SH导波能量密度检测方法。利用粘弹性动力学理论建立能量平衡单元体V的双层结构波动模型,对单元体V的频散特性、能量密度和导波衰减进行理论分析和数值计算；设计SH-EMAT换能器对轴向防腐层剥离缺陷进行了仿真和实验研究。研究表明：在一定频率范围内,防腐层剥离厚度越大,SH导波模态对应相速度、群速度越大,且差异显著。频率趋于无穷时,SH导波相速度与防腐层严重剥离缺陷对应的线性度较好。防腐层剥离程度可引起单元体V中SH0模态的频散曲线变化,通过检测SH0模态群速度可实现钢管防腐层剥离缺陷的内检测。防腐层剥离缺陷轴向长度和位置信息可通过SH导波衰减表示,单元体V中能量密度因子QE的特征参数可为管道防腐层剥离、孔洞缺陷的内检测提供一定量化研究的理论依据。(4)针对防腐层缺陷检测信号进行时频分析获得产生剥离缺陷交界处的非线性特征参数,对管道防腐层剥离缺陷进行量化研究,以此作为防腐层剥离缺陷检测的等级量化标准,为防腐层缺陷程度的评价提供一定的量化研究依据。综上所述,本文针对管道防腐层的超声导波内检测技术进行研究,以弹性-粘弹性双层结构介质为研究对象,建立能量密度传播模型进行分析,对其获取导波传播特性和缺陷信息,并采用时频分析手段对缺陷轴向尺寸进行等级量化研究,最终实现对管道防腐层缺陷信息的内检测目标。