管道广泛应用于石油、天然气、燃气等工业输送装置中,长期工作于高温、高压、易腐蚀等环境下,不可避免的产生损伤,影响管道的安全运行。电磁超声检测技术具有非接触、无需耦合剂、检测精度高、激发超声波种类灵活等特点,能够满足管道的在线检测。电磁超声换能器（Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT）是该检测技术的核心,用于激励和接收工件中传播的电磁超声波。本文针对电磁超声换能器管道缺陷检测、缺陷位置判定、工程应用等若干问题,以电磁超声导波基础理论为依据,进行管道缺陷检测方向、检测灵敏度、检测范围、单向传播EMAT缺陷定位及管道EMAT检测器工程应用研究。电磁超声换能原理及波的传播特性研究是解决管道缺陷检测、缺陷定位问题的理论基础。换能器线圈通入高频交变电流,在工件近表面形成感应涡流,受不同方向偏置磁场的作用,经电场、磁场、力场、声场等多物理场相互转换,形成洛伦兹力、磁致伸缩力、磁化力机制的波动力源。在三种力源的作用下,工件中质点机械振动产生电磁超声导波。本文分析建立了产生电磁超声导波的三种力源与波动位移、涡流密度、磁感应强度、磁场强度、电场强度、应力张量、应变张量、磁导率等相关变量的函数关系式,并分别对管道周向导波和轴向导波的传播特性进行了研究,建立了周向导波和轴向导波的波动位移与传播方向之间的位移场函数方程关系,通过管道中应力自由边界条件,得到周向导波和轴向导波的频散方程与频散曲线。针对电磁超声导波管道检测中缺陷检测方向、检测灵敏度、检测范围等问题,进行了电磁超声导波传播特性和辐射声场指向性研究。针对管道缺陷检测方向问题,本文依据电磁超声波动位移与磁感应强度之间的关系,建立了基于毕奥萨伐尔定律的EMAT主声束传播方向分析模型与传播方向控制模型,计算、分析得出铁磁性材料中EMAT产生的超声波主声束与激励线圈所在导线垂直的传播特性,通过控制EMAT线圈的斜向角度可实现电磁超声导波在管道中传播方向的控制;针对缺陷检测灵敏度问题,本文基于EMAT声束传播特性模型,分析了缺陷检测灵敏度与线圈参数之间的关系,得出回波信号强度即缺陷检测灵敏度与换能器线圈导线长度及线圈匝数成正比;针对缺陷检测范围问题,本文在轴向、周向导波辐射声场指向性缺陷检测范围研究的基础上,提出并建立了斜向导波的非对称辐射声场指向性数学模型,对管道中非对称结构的EMAT辐射声场进行计算,得出主声束两侧辐射声场的角度分布范围,为管道中非对称声场分布提供了一种标定方法,确定了管道中非对称性EMAT的缺陷检测范围。通过实验验证了上述缺陷检测问题研究的正确性,为电磁超声管道缺陷检测提供了研究基础。针对电磁超声导波管道缺陷定位时,传统电磁超声导波沿工件双向传播,难以根据回波时间对检出的缺陷位置直接准确判定的问题,本文提出并设计了一种单向传播、双激励线圈结构的单向导波EMAT。通过调整双激励线圈的相对间距与延迟时间差,实现电磁超声导波叠加回波信号强度的控制。当减弱侧回波信号强度为零时,即实现了单向传播控制,从而为缺陷检测位置准确判定提供研究基础。本文基于电磁超声换能机理以及磁场、位移等多物理场关系,建立波叠加数学模型,进行单向导波EMAT分析计算。对单向导波EMAT波动位移进行有限元仿真分析,并进行单向导波EMAT线圈参数特性实验、单向传播控制实验、缺陷定位实验等。通过理论研究、仿真分析以及实验验证,得出设计的单向导波EMAT减弱侧回波信号幅值近乎为零,增强侧回波信号幅值显著增强,与传统结构换能器超声波幅值之比为5.88d B。双激励线圈相对间距为λ/4且延迟时间为T/4,或线圈相对间距为3λ/4且延迟时间为3T/4时,电磁超声导波单向传播,可实现检测缺陷的准确定位。针对电磁超声导波管道检测的工程应用问题,本文在电磁超声管道缺陷检测与定位研究的基础上,设计开发了具备轴向导波、周向导波、±45°斜向导波缺陷检测及定位功能的多通道电磁超声导波内检测器。提出了一种组合式EMAT结构,结构中的永磁铁复用,形成4个单极型磁场区域与4个U型磁场区域,为8个通道EMAT提供静态偏置磁场,提高了换能器结构利用率;采用COMSOL对组合式EMAT仿真分析,优化换能器参数。组合式EMAT包含2个单向传播的周向导波EMAT、2个单向传播的轴向导波EMAT、4个单向传播的斜向导波EMAT,采用该EMAT结构的检测器对缺陷管道进行实验,依据缺陷检测回波信号时间及频散曲线,实现了管道中轴向、周向、斜向缺陷的检测以及位置的准确判定。通过PC端的多通道电磁超声导波检测数据分析软件,可设置检测参数,且可查看和调用各通道检测回波数据。