中國無損檢測進展與挑戰(zhàn)
2015-11-08 航空無損檢測磚家
從理論創(chuàng)新、工程應用、創(chuàng)新人才培養(yǎng)、重大無損檢測設備系統(tǒng)研制和生產等方面介紹了我國無損檢測技術的發(fā)展情況和總體發(fā)展態(tài)勢，重點放在無損檢測技術在一些大型或特大型工程項目領域取得的成績。
無損檢測技術已融入國家總體經濟發(fā)展目標，正在為解決國家急需解決的大型工程項目的安全和涉及安全、民生的重大項目服務。
隨著一些重大無損檢測儀器的研制、開發(fā)列入國家發(fā)展專項計劃，我國現(xiàn)在的無損檢測技術已在一個比過去任何時候都高得多的平臺上向前發(fā)展。
新材料、新的制造技術、新加工方法的出現(xiàn)都向傳統(tǒng)無損檢測技術提出了挑戰(zhàn)，而新傳感器技術、云計算和大數(shù)據的出現(xiàn)則向傳統(tǒng)無損檢測理念本身提出了挑戰(zhàn)。
為適應這一快速變化的世界，無損檢測工作者要有緊迫感。
因此，盡管在經歷了本世紀*個十年的跨越式發(fā)展之后，我國已從一個無損檢測大國進入世界無損檢測強國之列，但我們仍需充分認識面臨的機遇和挑戰(zhàn)，才能使我國的無損檢測技術水平堅實地立足于世界無損檢測強國之林。
無損檢測技術的發(fā)展在很大程度上取決于國家的生產技術水平和經濟發(fā)展程度。過去一段時期我國經濟的高速發(fā)展和綜合國力的快速增強給無損檢測事業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的發(fā)展機遇，各工業(yè)部門和國防單位的無損檢測事業(yè)都進入快速發(fā)展期并取得了令世人矚目的成績。
我國無損檢測技術近幾年的發(fā)展具有如下一些顯著特點。首先是應用領域十分廣泛，幾乎涵蓋各主要工業(yè)部門。
除大家熟知的航空航天、石油化工、鐵路、核電、冶金、壓力容器和特種設備、礦山機械等領域外，無損檢測技術在一些過去甚少應用的工業(yè)部門或新工業(yè)領域也能順勢前進，滿足國家的需要，諸如在海底石油勘探和海洋石油平臺，高速鐵路，高速公路、超超臨界發(fā)電鍋爐，特高壓輸電線路和變壓器，核反應堆部件等領域也有十分良好的應用勢頭。
其次，檢測方法更加多樣化以適應不同部件、不同材料的檢測需求。超聲（包括相控和TOFD）、射線（包括數(shù)字射線成像、CT）、渦流（包括脈沖渦流、遠場渦流）、磁學方法（磁粉、漏磁場、磁記憶）和滲透這五大常規(guī)檢測方法都有進一步發(fā)展并已派生出許多新的檢測方法和新的檢測理念。
聲發(fā)射技術、紅外熱成像、微波檢測和激光干涉技術的應用也日趨成熟并成為新的常規(guī)檢測方法。此外，ACFM（交流場測量）、機器視覺檢測技術、中子射線成像檢測等也有了應用。
我國無損檢測技術總體水平已步入世界強國之列，這首先表現(xiàn)在無損檢測在工程應用領域處于國際先進甚至領先水平。
目前，我國無損檢測技術人員可以自行解決各種大型工程項目的各類常規(guī)無損檢測所面臨的各種技術疑難問題；現(xiàn)有的各種無損檢測方法，包括各種新方法幾乎無一例外都在我國得到應用或開展了深入研究，這應當是一個很了不起的成就。
無損檢測技術發(fā)展的另一重要標志是創(chuàng)新能力的迅速增長，一批擁有自主知識產權的新技術、新方法和新儀器已經問世，特別是大型和集成型檢測儀器的不斷問世并迅速投入無損檢測市場。
超聲相控陣（包括相控陣超聲波換能器）、超聲衍射時差（TOFD）技術和電磁檢測儀器已形成有很強競爭能力的生產基地。
汕頭超聲儀器研究所和武漢中科創(chuàng)新等單位已可規(guī)?；a具有相控檢測和TOFD檢測功能并具有國際先進水平的超聲成像系統(tǒng)，汕頭超聲電子股份有限公司研究開發(fā)了滾輪探頭單軸C掃描檢測系統(tǒng)用于復合材料大面積快速掃查，因其耦合效果好，掃查速度快，特別適合航空航天領域復合材料的快速C掃描檢測，這些都標志著我國在超聲相控陣儀器開發(fā)方面已步入世界*先進水平之列。
集多頻、多通道陣列渦流檢測功能于一體并能擴展成具有遠場渦流、低頻電磁場和磁記憶等檢測功能的智能型電磁檢測儀也已在愛德森（廈門）電子有限公司批量生產。我國已能完全自主開發(fā)和生產能量范圍在2MeV至15MeV的工業(yè)CT/DR系統(tǒng)，國產高能工業(yè)CT/DR系統(tǒng)可實現(xiàn)二維、三維成像，檢測工件直徑可達2000mm以上，這應當是引以自豪的成就。此外，一些重大或特大型無損檢測儀器專項正在列入國家層面科研計劃，這是十分可喜的現(xiàn)象。
例如，可為航空、航天及軍工產品大型結構件進行檢測和測繪的中子斷層成像檢測系統(tǒng)的研制工作已取得重大進展；能滿足特種設備和油氣管道檢測需求的基于頻域可變的高端電磁檢測儀器開發(fā)及應用項目也已全面展開。
經歷了數(shù)十年的不懈努力，我國無損檢測技術無論是在檢測設備還是在檢測技術本身上對國外發(fā)達國家的依賴幾乎已不存在或已降到很低的水平，與國外無損檢測機構包括廠商的交往更多已表現(xiàn)為一種以技術交流、互通有無和相互促進為重點的發(fā)展常態(tài)，這也是無損檢測強國的一個重要標志。
中國無損檢測進展與挑戰(zhàn)
1.1 新檢測理念
林俊明提出了新概念——“云檢測”，這一新概念將云計算與集成檢測技術相結合，使云計算植入無損檢測。這一新概念*早出現(xiàn)在2011年的全球華人無損檢測高峰論壇上，其核心是將多種傳感器采集到的信號收集于“云端”進行存儲、處理并對結果進行評價和預測。
實施云檢測，用戶可共享軟、硬件等物理資源，享受無損檢測帶來的便捷服務。云檢測旨在構建無損檢測技術物理資源和管理的資源池，它的廣泛應用將會對無損檢測的發(fā)展帶來深遠影響。
在全球華人無損檢測高峰論壇上還出現(xiàn)了綠色無損檢測這一新提法，強調無損檢測技術的發(fā)展必須與我國工業(yè)發(fā)展的總體思路相適應，當綠色制造，采用節(jié)能、減排技術生產環(huán)境友好型機械制造設備成為機械制造業(yè)的發(fā)展方向的時候.
無損檢測本身也應當走綠色檢測的發(fā)展思路，一些傳統(tǒng)的、可能會對環(huán)境產生污染的檢測方法將會逐步被淘汰，或者被新的方法、新的檢測媒介所代替。
1.2 基本理論方面的發(fā)展
在無損檢測基本理論或應用理論研究方面取得領先成果。磁記憶檢測的基礎理論研究取得了具有國際領先水平的成果。
清華大學的無損檢測團隊系統(tǒng)研究了非線性應力分布下的力磁耦合問題、闡明了地磁場和其它外部磁場在鐵磁性金屬材料應力損傷中的作用機制。他們還針對壓力容器和管道等特種設備，與中國特種設備檢測研究院合作研究了這些特種設備的金屬磁記憶檢測評價方法和典型圖譜，建立了一套較為完整的金屬磁記憶檢測方法體系。
任吉林等系統(tǒng)研究了磁記憶效應的機制和應用前景，提出利用磁記憶信號的垂直和水平分量，并用其一階導數(shù)構成李薩如圖形，構建了其閉合面積與應力集中程度的關系，從而在利用磁記憶技術定量檢測方面邁出重要一步。
國內還有不少學者在研究應力集中對磁記憶效應影響的機理方面也作出了重要貢獻，這些都有助于人們認識磁記憶效應的物理本質。
北京航空航天大學無損檢測研究團隊在激光超聲、空氣耦合超聲波檢測方面進行了領先研究，包括檢測方法和信號處理方法。采用的相位編碼脈沖壓縮方法已在一些權威學術刊物上發(fā)表。
1.3 工程應用
在利用聲發(fā)射技術進行常壓儲罐安全評價技術方面已取得重要突破和領先成果。
沈功田領導的科研團隊針對國內外常壓金屬儲罐底板腐蝕聲發(fā)射檢測均無成熟方法和標準的現(xiàn)狀，研究建立了常壓金屬儲罐聲發(fā)射檢測及評價方法，在國際上首次提出儲罐底板基于時差定位分析和基于區(qū)域定位分析的聲發(fā)射源分級方法。
同時給出了儲罐底板腐蝕狀況的評價技術，研究成果*地推動了壓力容器和大型常壓儲罐安全保障科學技術的進步。
輸油和輸氣管道的在役檢測取得重大進展。沈陽工業(yè)大學楊理踐教授領導的團隊完成了長輸油氣管道內檢測技術的研究和實施，進入了國際上這一高端技術的研究領域，使我國長距離油/氣輸送管道等的安全檢測不再受制于人，為我國管道業(yè)的安全運行和管道信息安全作出了貢獻，也使我國成為名副其實的管道檢測技術強國。
由清華大學和勝利油田共同開發(fā)研制的油氣輸送管道及儲罐底板缺陷檢測關鍵技術與應用項目更進一步發(fā)展了管道在線檢測技術，特別是海底輸油管道的檢測。
油氣輸送管道缺陷內檢測器、儲罐底板缺陷檢測器和電磁超聲導波管道缺陷外檢測系統(tǒng)的研制成功實現(xiàn)了油氣輸送管道及儲罐底板電磁檢測的集成化系統(tǒng)和集成技術，確保了我國在這一領域成為國際上少數(shù)領先團隊的地位。
在航空無損檢測領域，作者所在的北京航空工程技術研究中心的無損檢測團隊在先前對某三代機的全尺寸疲勞試驗中采用以聲發(fā)射技術為中心的綜合裂紋監(jiān)、控技術并成功將機群疲勞壽命延長50%以上。
在此基礎上，近幾年又在另一機型飛機的全尺寸疲勞試驗中進一步發(fā)展了損傷監(jiān)測理論，實現(xiàn)了該機型飛機機群壽命75%以上的提高。
類似這種時間跨度近十年、在兩類不同機型飛機全尺寸疲勞試驗中全面引入無損檢測技術開展關鍵結構件的損傷監(jiān)控并獲得如此成功的案例，國內外尚未見有報導。
1.4 高水平國際會議和大量高水平學術論文的涌現(xiàn)
我國已出現(xiàn)一批高水平甚至形成品牌效應的國際無損檢測會議。2011年11月在廈門召開的全球華人無損檢測高層論壇，向世人展現(xiàn)了華人無損檢測同仁的一批富有創(chuàng)造性的前沿成果，提出了不少頗具新意的無損檢測新理念，諸如“綠色無損檢測”，“云檢測”，“渦流精密C-掃描技術”等。
基于我國聲發(fā)射檢測領域近年來取得眾多前沿成果，由我國無損檢測工作者發(fā)起的首屆世界聲發(fā)射會議于2011年8月在北京召開，并于2013年11月在上海舉辦了第二屆會議，經篩選的該次會議論文集已由Springer出版發(fā)行。
由江蘇特種設備檢測研究院等多家單位聯(lián)合舉辦的遠東無損檢測會議每年定期在我國召開，已成為具有較高*度的國際無損檢測論壇。
2013年11月，我國無損檢測技術人員還與國內外不同學科的科學家聯(lián)合舉辦了“大數(shù)據”學術交流會，努力將“大數(shù)據”這一新理念引入無損檢測，這項工作必將對無損檢測技術的未來跨越式發(fā)展起到重要作用。
我國無損檢測工作者的學術和理論水平有了明顯提高。系統(tǒng)總結了一些領域無損檢測成果的專著，可為檢測人員提供十分有用的學術參考，例如，浙江特種設備檢測研究院丁守寶和劉富君主編的《無損檢測新技術及應用》系統(tǒng)總結和介紹了無損檢測技術的國內外發(fā)展情況，特別是系統(tǒng)地介紹了超聲相控陣、超聲TOFD、導波、漏磁檢測、磁記憶和聲發(fā)射等技術，并使用了大量的工程應用實例。
清華大學施克仁教授主編的《相控陣超聲成像檢測》匯集了多名博士研究生在這一領域的創(chuàng)新研究成果，對于人們了解相控檢測基礎理論、聲場理論、聲場控制以及陣列換能器的設計原則很有參考價值。
清華大學黃松嶺教授于2013年出版的專著《電磁超聲導波理論與應用》系統(tǒng)闡述了電磁超聲換能器（EMAT）換能機理及設計方法、基于洛倫茲力和磁致伸縮機理的電磁超聲計算及仿真方法，詳細敘述了超聲導波的傳播特性、導波與缺陷的作用機制及缺陷量化方法等內容，也論述了該技術未來的發(fā)展趨勢，是國內電磁超聲導波檢測領域*本學術專著，必定會為推動電磁超聲導波檢測技術及其相關產業(yè)的發(fā)展起到重要作用。該專著即將由Springer出版發(fā)行。
1.5 直接參與有關無損檢測國際標準的起草和制訂
在2014年10月ISO/TC 135國際標準化組織無損檢測技術委員會第19次會議上，學會理事長沈功田介紹了有關紅外ISO檢測標準撰寫的*新進展，包括已于2012年3月立項的ISO 18251-1 “無損檢測 紅外熱成像檢測 系統(tǒng)和設備 第1部分：性能描述”的完成情況，以及將于2015年完成的ISO 18251-2 “無損檢測 紅外熱成像檢測 系統(tǒng)和設備 第2部分：一體化性能參數(shù)的測試方法”需要補充和完善的部分。
在聲發(fā)射檢測標準方面，已通過立項的ISO/NP 19835“無損檢測 橋式與門式起重機鋼結構的聲發(fā)射檢測”標準草案的進展工作良好并獲得ISO/TC 135標準化委員會與會代表的認可。
雖然我國無損檢測的總體水平和綜合實力都有很大程度的提高，在無損檢測基礎理論研究、技術開發(fā)、儀器設計和研制等方面都能在世界占有重要一席，但就整體而言，在一些領域，我國的無損檢測儀器、設備制造商目前尚不完全具備參與國際競爭的能力。
我國無損檢測儀器的生產和制造在滿足更多更新的無損檢測要求方面尚有較大的開拓空間，特別是適應新型無損檢測技術應用的設備，例如混凝土結構領域的無損檢測、水下無損檢測、城市地下管線的無損檢測等。
在一些高端無損檢測儀器和設備制造方面，歐美等發(fā)達國家的總體水平要高于我們。
特別需要一提的是數(shù)字化射線檢測這一具有極強生命力的綠色檢測技術，我國雖在這一領域取得突飛猛進的進步，一些檢測標準也已問世，但其前端技術-數(shù)字圖像板還依賴從國外進口，這在某種程度上限制了該技術的發(fā)展，但它又是需要從國家層面上來解決的問題。
另外，在紅外和激光檢測領域，其高端設備也面臨主要依靠從國外進口的局面。
這幾年，國家層面已加強了對高端無損檢測技術的投入，無損檢測儀器的制造銷售單位也需要對新型、高端產品的研發(fā)增加投入，努力克服低端同類產品過多而高端產品又無廠家研制、開發(fā)的局面。
2.1 新的制造方式向無損檢測傳統(tǒng)檢測技術發(fā)起挑戰(zhàn)
一直以來，無損檢測面臨的金屬材料檢測對象基本是通過傳統(tǒng)的“去除型”方式制造而成的，它是在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成*終產品。
我們對這些鍛造、鑄造和焊接件的缺陷形式已有比較充分的了解。新的制造方式即所謂3D打印是一種增材制造方式，它是通過增加材料、基于三維CAD模型數(shù)據，再采用逐層制造方式直接制造與相應數(shù)學模型完全一致的三維物理實體模型。
增材制造形成模型的方法有激光粉末燒結成型，激光固化和熔融沉積造型等。對通過這樣的方式形成的金屬零部件的缺陷我們知之甚少，各種不同的增材制造方式可能會形成什么樣的缺陷，是否需要及通過什么樣的檢測技術和檢測手段來發(fā)現(xiàn)缺陷并評價其危害，需要我們提前研究和認真考慮。
2.2 微、納及精細加工制造技術帶來的新問題
傳統(tǒng)意義下的無損檢測總是解決宏觀缺陷的問題。微、納及精細加工制造技術出現(xiàn)了微納米級的需要檢測對象，它們雖然比微觀尺寸要大很多，但已遠不是傳統(tǒng)意義下的宏觀缺陷。
傳統(tǒng)的檢測方法應當如何改進才能應對這些缺陷的挑戰(zhàn)，超聲顯微技術、微波檢測和太赫茲檢測技術在這一領域有無用武之地及如何運用這些技術，這也是需要認真考慮并加以解決的研究內容。
2.3 復合材料結構件的檢測
復合材料結構件將大量用于未來民用航空飛機和四代、五代*飛機上，這些結構件將成為主要承力部件，它們不但型面復雜，而且因制造方式多采用整體成形技術，因此，其檢測方式及關心點與過去用傳統(tǒng)方式制造的復合材料結構將有明顯不同。
周正干領導的北京航空航天大學無損檢測團隊在復合材料層壓板檢測方面取得一些進展，他們將激光超聲技術應用于層壓板分層缺陷的檢測獲得一些重要進展。
劉松平等針對碳纖維復合材料層壓結構沖擊損傷提出了采用高分辨率的超聲掃描成像檢測技術并實現(xiàn)了復合材料沖擊損傷的可視化成像評估，其研究頗有新穎性。
2.4 大數(shù)據時代的無損檢測-傳統(tǒng)檢測概念本身所受到的挑戰(zhàn)
隨著計算機技術的飛速發(fā)展以及大數(shù)據技術的出現(xiàn)，我們可能需要考慮未來的無損檢測究竟應當是什么樣子，傳統(tǒng)的無損檢測方式和管理體系是否需要變革以及有無可能進行變革。
對于大數(shù)據的重要性我們可能還缺乏充分認識，它究竟會為我們無損檢測工作者帶來什么革命性的變化也缺乏必要的準備，但大數(shù)據的核心內容我們其實并不陌生。云計算關鍵技術中的海量數(shù)據存儲技術、海量數(shù)據管理技術、編程模型等都是大數(shù)據技術的基礎。
大數(shù)據技術的*大優(yōu)勢是能夠將隱藏于海量數(shù)據中的信息和知識挖掘出來，為人類的社會經濟活動提供依據，這正是無損檢測技術所需要的。
從多參數(shù)識別到數(shù)據融合，再到創(chuàng)立云檢測，無損檢測工作者*需要的就是能從復雜的海量數(shù)據中提取到有關材料或結構件缺陷的信息，并能對被檢對象的總體安全性作出綜合判斷，這可能正是大數(shù)據的優(yōu)勢所在和我們對它的期待。
隨著設計理念的變化，新型高強度、抗疲勞和抗腐蝕材料的不斷問世，無損檢測本身正面臨錯綜復雜的被檢測對象和檢測數(shù)據。
大數(shù)據技術可以彌補數(shù)據中的誤差和錯誤，對于同一問題的分析，基于大量數(shù)據的簡單算法比基于小數(shù)據的復雜算法更高效，此外，大數(shù)據可以分析更多的研究對象，可以通過監(jiān)測關聯(lián)物的變化，預測被檢對象未來可能發(fā)生的變化。
由于大數(shù)據可以通過數(shù)據的相關關系預測事物的發(fā)展規(guī)律，它在狀態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)測和壽命預報中都會有很好的應用前景。
無損檢測工作者需要在這一領域進行預先研究和領先研究，可喜的是無損檢測領域已出現(xiàn)了一些這樣的研究。
2.5 人才培養(yǎng)
我國在無損檢測人才培養(yǎng)方面走在世界前列并已形成比較合理的人才培養(yǎng)機制。首先有為數(shù)較多的以開展無損檢測職業(yè)教育、培養(yǎng)具有豐富實踐經驗無損檢測人才為主的職業(yè)技術學院，例如渤海船舶職業(yè)學院、深圳職業(yè)技術學院、河北石油職業(yè)技術學院，長沙空軍職業(yè)技術學院，陜西工業(yè)職業(yè)技術學院等。
其次，我國已在十多所高校設有無損檢測本科*，例如，南昌航空大學，北京交通大學，華東理工大學和海軍航空工程學院等。
此外，一些重點大學還設有無損檢測*，培養(yǎng)具有博士學位或博士后的無損檢測高端人才，例如，清華大學，北京航空航天大學，哈爾濱工業(yè)大學等。
建立相對合理的無損檢測人才結構和人才梯次是面對工程應用難題挑戰(zhàn)的重要策略，也是一項長期有效的方針。
除學術水平的培養(yǎng)外，能力特別是創(chuàng)新能力和解決工程應用中疑難問題能力的培養(yǎng)至關重要。*后，面對各種挑戰(zhàn)，團隊精神、吃苦耐勞和獻身精神的培養(yǎng)也特別需要重視，這是由無損檢測的工程應用背景所決定的*基本要素。
中國無損檢測進展與挑戰(zhàn)
以面向工程應用特別是以重大工程為主要研究對象的無損檢測技術,其根本宗旨是為保障國家大型工程項目的安全服務，為保障涉及安全、民生的重大工程項目服務。
我國無損檢測工作者在過去已取得了令人滿意的成績，我國的無損檢測總體水平已在一個比過去高得多的技術平臺上保持持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的態(tài)勢。
面對未來的各種挑戰(zhàn)，如何提升我們的核心競爭力，如何利用現(xiàn)有的良好發(fā)展態(tài)勢，使我國的無損檢測技術真正立足于世界強國之林，仍然是廣大無損檢測工作者需要認真考慮的問題。
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