管道在运送液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势。目前,管道广泛用于石油天然气、城市供水、供热、供气、排污等工程。在实际工程中,为了耐久性需要,通常管道结构设置不同方式的防护层,形成层状管道结构。一种方式是将防护层设在管道结构层外部,如外部保温层与防护层等;另一种是设在结构层内部,防止运输物质对管道结构的腐蚀。管道的可靠性会随着材质受到腐蚀发生变化、内外保护层老化脱落、管内长期承受的流体气体的压力或残余应力等情况的发生而降低,进而大大缩短了复合管道的应用周期。几年来国内外由此发生的管道泄漏事故比比皆是,除了对周边环境造成了严重的污染和不可估量的经济损失外,还会影响正常的生产,对人们的生命财产安全造成严重的威胁。因此,对层状充液管道结构进行恰当的损伤识别和健康监测是十分必要的。针对常规检测方法无法对长距离、大范围的管道结构进行全面检测的缺点,一种新的无损检测方法即利用压电陶瓷的超声导波检测方法被发展起来,并受到广泛关注。对于管道结构中超声导波频散曲线特性分析以及其传播规律的研究是这个领域最关键的科学问题,亟需通过系统的研究加以解决。本文将理论分析、试验验证和数值模拟相结合,并在此基础上,对健康的层状管道和层状充液管道、含裂纹的层状管道和层状充液管道进行了检测研究,旨在建立一套利用压电超声导波的层状管道结构的损伤评估的健康监测系统。主要内容包括:首先,理论上建立层状管道的频散方程并数值求解。对层状空心管道和层状充液管道结构中的超声导波的频散方程进行了推导,并利用Matlab软件对导波的频散方程进行求解,绘制出所需尺寸和材料的两种情况下的层状管道的群速度和相速度频散曲线;然后,分析两种管道中传播导波的多种模态,并对两种管道中L(0,2)模态的频散曲线进行分析,比较两种情况下频散曲线的异同,分析水对于频散曲线的影响,选取出适宜在层状管道和层状充液管道中传播的超声导波模态及激励频率,为管道检测时导波信号的选取提供了理论依据。其次,对层状管道中超声导波的频散曲线特性进行了深入研究。分别从单一管材(钢塑复合管)和多种管材两方面以层状管道中超声导波频散曲线的L(0,2)模态作为分析模态进行大量的分析研究,拟合出层状管道的特征频率和弱频散区域的经验公式,进而给出了钢塑复合管超声导波检测技术中激励信号的选取原则;并发现不同材料的层状管道的频散曲线群速度差异较大,但初始频率相差不大,初始频率与管道尺寸有关,但材料参数对其影响不大,并且频散曲线的总体变化趋势相同。最后,根据脉冲回波法,对健康的层状空心管道和层状充液管道结构及含裂纹的两种管道进行了验证性试验。在试验之前,通过对激励信号的分析发现,本文选用经Hanning窗调制的正弦叠加信号适合作为检测的激励信号。利用压电陶瓷片作为信号的激发与接收装置,激励L(0,1)模态的导波信号,分别对健康的层状空心管道和层状充液管道及含裂纹的层状空管和充液管道进行了检测。利用测得的实验数据绘制出频散曲线,将试验频散曲线与理论分析结果进行比较,两者基本吻合,从而证明了绘制的频散曲线的正确性。对导波在这四种管道中的传播情况作了分析比较,并且分析了管道的损伤程度与缺陷反射系数的关系,结果表明:损伤程度越大,则损伤反射系数越大,两者近似成线性关系.