基于超声导波的压力容器健康监测I：波传导行为及损伤定位丨JME封面文章
压力容器在石油化工、水下舰艇、航空航天等重大产品及关键部件中有着广泛应用。服役环境中，苛刻的工作环境易造成压力容器多种失效模式相互耦合而严重威胁结构服役安全。在人类与工程失效长期斗争的过程中，逐渐认识到，先进的监测手段可以降低在役设备发生重大事故的风险。传统方法基于统计学原理及安全系数法等可靠性理论来保障压力容器的结构完整性。然而压力容器受到各种自然、载荷环境交互作用，这对其服役安全提出了新的挑战。对在役压力容器的在线监测可为进一步停机检查、维修等提供指导，降低产品突发性失效带来的损失。超声导波具有大面积、长距离监测的优点，能及时避免压力容器失效。
华东理工大学的研究人员杨斌、胡超杰、轩福贞、罗承强、项延训、肖飚开展了基于超声导波的压力容器健康监测研究，共分为三部分。他们的在《机械工程学报》2020年第4期发表了《基于超声导波的压力容器健康监测I：波传导行为及损伤定位》(封面文章)一文，作为该课题的第一部分，主要研究了超声导波在压力容器中的传播行为及损伤定位方法。
杨斌, 胡超杰, 轩福贞, 罗承强, 项延训, 肖飚. 基于超声导波的压力容器健康监测I：波传导行为及损伤定位[J]. 机械工程学报, 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.
严苛的使用环境造成的压力容器损伤会导致结构失效而造成巨大安全隐患；超声导波具有大面积、长距离监测的优点，能及时避免压力容器失效。开展基于超声导波的压力容器健康监测研究，分三个部分。第一部分主要研究超声导波在压力容器中的传播行为及损伤定位方法。首先利用有限元法研究超声导波在压力容器中的传播行为，开发出针对压力容器圆柱筒体及球形封头的损伤定位算法程序，并重点讨论信号处理方法对压力容器不同部位损伤定位精度的影响。研究结果表明，导波在压力容器中传播易产生多模态，其在压力容器中不断地循环传播直至能量衰减耗尽，且极少发生边界反射；在基于超声导波的压力容器缺陷定位时，截取合适的时域导波信号并对信号进行滤波和降噪处理能够有效提升压力容器缺陷的定位精度；缺陷信号相对于基准信号的时间零点漂移及非检测模态波包的干扰是影响压力容器缺陷定位精度的两个主要原因，修正后的算法对压力容器筒体和封头缺陷的定位误差在5%以内。
(1) 对于本文所研究的压力容器一类闭合结构，导波在其中的长距离传播易产生多模态信号。与导波在平板中的传播不同，导波在压力容器中的传播极少发生边界反射，而是压力容器不断地循环传播，直到导波能量衰减耗尽。
(2) 对导波信号的滤波降噪处理在去除噪声的同时还保留了缺陷散射信号特征，经过滤波和小波降噪的缺陷散射信号易识别，定位算法能够准确的捕捉到压力容器筒体中的缺陷反射信号，进而提升压力容器筒体的缺陷定位精度。
(3) 实验室条件下，缺陷信号相对于基准信号的时间零点漂移及非检测模态波包的干扰是影响基于导波的压力容器缺陷定位精度的主要因素。修正后的定位算法得到的压力容器缺陷成像区域减小，缺陷位置与实际缺陷位置基本重合，成像精度大幅度提升。
压力容器在石油化工、水下舰艇、航空航天等重大产品及关键部件中有着广泛应用。服役环境中，苛刻的工作环境易造成压力容器多种失效模式相互耦合而严重威胁结构服役安全。损伤在线监测和精准定位是保障其服役安全的核心瓶颈技术。超声导波传输距离远、覆盖面积大，本研究研制了实时损伤感知及精准定位智能专用系统。项目成果可望建成特种设备智能运维和安全保障的示范标杆，提供流程工业智能装备和智能工厂的关键技术支撑。
涂善东，博士、教授、长江学者（2001）、国家杰出青年基金获得者（2002）、中国工程院院士(2019)。兼任国际压力容器学会亚太地区委员、国际机构学与机器科学联合会\(IFToMM\)可靠性委员会委员、中国机械工程学会压力容器学会荣誉理事长、材料学会理事长；他还担任了J Applied Energy, Int J of Pres Ves and Piping, J of MaterialsScience & Technology, Frontier of Mechanical Engineering in China, Advancesin Mechanical Engineering、压力容器、机械工程材料等期刊、机械强度、功能材料及器件学报等期刊编委。主要研究高温环境下的结构设计理论与寿命预测技术、微（小）化学机械系统（MCMS\)、先进能源材料与装备，倡导全面工程教育。2004年（第一完成人）、1999年（第二完成人）先后两次获国家科技进步二等奖，2009年获国家教学成果二等奖，多次获省部级一等奖；1990年获第二届中国青年科技奖，1996年入选国家百千万人才工程、2002年被授予中华全国归国华侨联合会“科技进步带头人”称号，获国家杰出青年科学基金，2006年获教育部荣誉长江学者称号。
杨斌，男，河南淮阳人，博士，华东理工大学机械与动力工程学院讲师，硕士生导师。研究工作围绕特种设备智能化及其安全问题开展，重点研究复杂环境下材料/设备的安全评价、安全监测理论基础、损伤智能监测装备三个方面。围绕上述工作，以第一/通讯作者在IntJ Hydrogen Energ, Compos Sci Technol，ComposPart A & B, Compos Struct及J SandwStruct Mater等重要期刊上发表SCI论文25篇；另以第一作者发表EI论文9篇；科学出版社出版中文专著1部（第二作者）。申请/授权国家发明专利9项，授权软著3项。担任多个期刊审稿人。多次参加学术大会并作特邀报告，担任分会场主席，并发表会议论文。是中国复合材料学会青年工作委员会委员、中国力学学会、美国SAMPE学会会员。主持国家自然科学基金青年科学基金、国家重点研发计划子任务等课题十余项。先后入选中科协“青年人才托举工程（2018-2020）”、上海市“晨光学者（2018）”和“华东理工大学青年英才培育计划（A类，2018）”，获首届“中国复合材料优秀博士学位论文（2016，全国5篇）”。
胡超杰，男，1994年12月生，博士研究生在读。2017年7月于中国石油大学获过程装备与动力工程学士学位，2017年9月至今于华东理工大学机械与动力工程学院攻读博士学位。主要从事的研究方向为基于深度学习的压力容器健康监测技术。2017年以来，发表SCI论文3篇，发表EI检索论文5篇。
轩福贞(通信作者)，教授，博士生导师。1993年7月于山东工业大学获化工机械与设备专业学士学位，1996年7月获固体力学专业硕士学位，2002年3月于华东理工大学获化工过程机械专业博士学位，毕业后留校任教。主要从事能源与动力装备的设计、制造与运行维护技术研究，在压力容器、超超临界汽轮机、核电装备等高温设备的强度与寿命设计、安全评价及智能检测/监测方面取得创新成果。获国家科技进步一等奖1项、二等奖1项，省部级特等奖1项、一等奖4项、二等奖1项，中国石油与化学工业联合会青年科技突出贡献奖。主持完成国家核电重大专项（课题）、国家仪器专项、863计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等课题，参加《在役含缺陷压力容器安全评定》、《承压设备合于使用评价》等多项国家/行业标准的编制及研究工作。先后入选国家万人计划领军人才、教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年基金、上海市领军人才、上海市优秀学科带头人等计划或荣誉。兼任全国锅炉压力容器标准化技术委员会委员、教育部第七届科技委先进制造学部委员、承压系统与安全教育部重点实验室主任、核电装备工程研究中心主任、压力容器副主编等。
罗承强，男，1994年1月生，硕士研究生。2016年7月于华东理工大学获过程装备与动力工程学士学位，2019年7月于华东理工大学获得动力工程及工程热物理硕士学位。主要从事压力容器健康监测研究。2016年以来，发表SCI检索论文3篇，申请/授权发明专利5项、软件著作权3项。先后获得研究生国家奖学金、国家励志奖学金、万华化学奖学金、蒋雯若奖学金、陶氏奖学金等。
项延训，男，1979年生，浙江苍南人，2005年至今任职于华东理工大学，教授，博士生导师，国家自然科学基金优青获得者。主要从事材料/构件服役相关的超声无损检测及评价技术研究，包括：早期微损伤的非线性超声导波检测及定位表征、超声导波损伤检测及定位成像、超声相控阵成像、复杂结构中残余应力的超声表征等。研究内容涉及超声学、材料力学、信号处理等交叉学科。作为项目负责人主持4项国家自然科学基金项目、2项国家重点研发计划课题、1项装备预研教育部联合基金项目，以及多项省部级项目和企业合作科研项目，获省部级科技成果奖励3次。获2017年上海市魏墨盦声学奖，获2016年国家自然科学基金委优青项目资助，获2016年上海市人才发展资金资助，获2015年度上海市自然科学奖一等奖（第1完成人），获2014年上海市科技启明星计划，获上海市优秀博士论文（2011）；发表SCI论文50余篇，授权/申请专利11项。
肖飚，男，1982年生，湖南衡阳人，高级工程师，博士生在读。主要从事构件/材料的超声导波检测及损伤定位研究，包括：超声导波技术对复合材料缠绕式压力容器的结构健康监测及损伤定位成像，超声导波监测技术对复合材料、铬钼钢材料构成的薄板、薄壁圆筒结构件的在线监测，发表SCI、EI论文10余篇。
华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室
华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室于2005年12月批准建设，2009年6月通过教育部验收，2012年9月以优良成绩通过教育部评估。
实验室是国内承压设备领域唯一的教育部重点实验室，秉持科学发展与国家需求相结合的理念，以压力容器、环境装备、动力装备等为载体，以“引领承压装备源头技术创新，强化学科基础理论前沿研究，培养具有创新能力的高水平人才，建成特色鲜明、具有较大国内外影响的承压系统与安全领域创新基地”为目标定位，在装备安全技术、节能与减排技术、智能检测/监测技术等研究领域，取得了具有重要学术影响或重大工业应用价值的创新成果，在提高社会生产力、增强综合国力、提升国际竞争力和保障国家安全中的发挥了重要的战略支撑作用。
实验室依托“化工过程机械”国家和上海市重点学科，已形成一支结构合理、创新能力强、具有交叉学科优势的研究队伍。目前固定人员中拥有长江学者4人、杰青5人、万人计划科技创新领军人才2人、青年拔尖人才2人、青年长江学者2人、优青4人，4位教授先后担任全国压力容器学会理事长和国际压力容器技术学会理事，2位教授任国际压力容器技术学会副主席，12位教授任历届国务院学位委员会学科评议组成员、中国压力容器标准化委员会、教育部过程装备与控制工程专业教学指导委员会副主任等；4位教授担任国内外18余个学术期刊编委，涉及机械、能源、材料等多个学科领域。
近五年来，实验室承担科研经费1.43亿元，承担了国家和省部级等重要任务419项，获国家及省部级二等奖以上科技奖励21项，发表论文905篇，其中SCI收录554篇、EI收录97篇，起草实施国家标准5项。获得软件著作权11项；授权发明专利97项，其中国际专利9项，20项专利实现成果的产业化。承压设备安全保障、环境装备技术、过程设备强化与节能、安全检测/监测及基于可靠性制造的寿命提升技术等方面形成特色。
在过去的五年，针对承压设备高参数、大型化、高效化和长周期运行的新趋势，实验室致力在科学前沿、应用研究与基地建设取得突破性进展。首先，继续夯实承压装备安全保障技术科学基础，确保该研究领域的国际地位和影响力，并为我国在建和在研的航空、航天、能源、电力等重大装备研发提供技术支持，拓宽了实验室科学研究的维度；其次，加速过程污染物分离、节能减排、绿色生产基础研究步伐，以节能减排关键技术与装备创新为突破口，在相关核心技术方面取得突破和工程应用示范，形成了具有国际影响力的研究成果；进而，面向重大承压设备防灾、控灾的迫切需求，突破了智能检测监测相关技术，保障了重要承压设备长寿命安全服役，为提高我国承压设备的自主设计、制造和集成能力做出贡献。
实验室在创新人才培养、科技成果转化、标准制定、学科知识普及和政府、行业政策咨询的方面发挥了不可替代的作用，社会贡献显著。如通过创办全国大学生过程装备与控制创新与实践大赛、倡导全面工程教育，促进承压设备高等教育创新发展；支持“华龙”一号、CAP1400核电等重大项目的建设，突破国外技术封锁，推动行业进步；通过制定安全保障、绿色生产等方面的国家/行业标准，发挥行业智库作用；通过担任多个领域内期刊编委、主办国际压力容器大会、发起中国结构完整性联盟，扩大了我国在承压设备与安全领域的国际话语权。
编辑：恽海艳 校对：向映姣
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