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中国无损检测进展与挑战
2017-02-04 09:58:05 来源：航空无损检测砖家
中国无损检测进展与挑战
无损检测技术已融入国家总体经济发展目标，正在为解决国家急需解决的大型工程项目的安全和涉及安全、民生的重大项目服务。 随着一些重大无损检测仪器的研制、开发列入国家发展专项计划，我国现在的无损检测技术已在一个比过去任何时候都高得多的平台上向前发展。 新材料、新的制造技术、新加工方法的出现都向传统无损检测技术提出了挑战，而新传感器技术、云计算和大数据的出现则向传统无损检测理念本身提出了挑战。 为适应这一快速变化的世界，无损检测工作者要有紧迫感。 因此，尽管在经历了本世纪*个十年的跨越式发展之后，我国已从一个无损检测大国进入世界无损检测强国之列，但我们仍需充分认识面临的机遇和挑战，才能使我国的无损检测技术水平坚实地立足于世界无损检测强国之林。 1 我国无损检测技术的总体发展情况 无损检测技术的发展在很大程度上取决于国家的生产技术水平和经济发展程度。过去一段时期我国经济的高速发展和综合国力的快速增强给无损检测事业的发展创造了前所未有的发展机遇，各工业部门和国防单位的无损检测事业都进入快速发展期并取得了令世人瞩目的成绩。
我国无损检测技术近几年的发展具有如下一些显著特点。首先是应用领域十分广泛，几乎涵盖各主要工业部门。除大家熟知的航空航天、石油化工、铁路、核电、冶金、压力容器和特种设备、矿山机械等领域外，无损检测技术在一些过去甚少应用的工业部门或新工业领域也能顺势前进，满足国家的需要，诸如在海底石油勘探和海洋石油平台，高速铁路，高速公路、超超临界发电锅炉，特高压输电线路和变压器，核反应堆部件等领域也有十分良好的应用势头。 其次，检测方法更加多样化以适应不同部件、不同材料的检测需求。超声（包括相控和TOFD）、射线（包括数字射线成像、CT）、涡流（包括脉冲涡流、远场涡流）、磁学方法（磁粉、漏磁场、磁记忆）和渗透这五大常规检测方法都有进一步发展并已派生出许多新的检测方法和新的检测理念。 声发射技术、红外热成像、微波检测和激光干涉技术的应用也日趋成熟并成为新的常规检测方法。此外，ACFM（交流场测量）、机器视觉检测技术、中子射线成像检测等也有了应用。
我国无损检测技术总体水平已步入世界强国之列，这首先表现在无损检测在工程应用领域处于国际先进甚至领先水平。目前，我国无损检测技术人员可以自行解决各种大型工程项目的各类常规无损检测所面临的各种技术疑难问题；现有的各种无损检测方法，包括各种新方法几乎无一例外都在我国得到应用或开展了深入研究，这应当是一个很了不起的成就。 无损检测技术发展的另一重要标志是创新能力的迅速增长，一批拥有自主知识产权的新技术、新方法和新仪器已经问世，特别是大型和集成型检测仪器的不断问世并迅速投入无损检测市场。 超声相控阵（包括相控阵超声波换能器）、超声衍射时差（TOFD）技术和电磁检测仪器已形成有很强竞争能力的生产基地。 汕头超声仪器研究所和武汉中科创新等单位已可规模化生产具有相控检测和TOFD检测功能并具有国际先进水平的超声成像系统，汕头超声电子股份有限公司研究开发了滚轮探头单轴C扫描检测系统用于复合材料大面积快速扫查，因其耦合效果好，扫查速度快，特别适合航空航天领域复合材料的快速C扫描检测，这些都标志着我国在超声相控阵仪器开发方面已步入世界*先进水平之列。 集多频、多通道阵列涡流检测功能于一体并能扩展成具有远场涡流、低频电磁场和磁记忆等检测功能的智能型电磁检测仪也已在爱德森（厦门）电子有限公司批量生产。我国已能完全自主开发和生产能量范围在2MeV至15MeV的工业CT/DR系统，国产高能工业CT/DR系统可实现二维、三维成像，检测工件直径可达2000mm以上，这应当是引以自豪的成就。此外，一些重大或特大型无损检测仪器专项正在列入国家层面科研计划，这是十分可喜的现象。 例如，可为航空、航天及军工产品大型结构件进行检测和测绘的中子断层成像检测系统的研制工作已取得重大进展；能满足特种设备和油气管道检测需求的基于频域可变的高端电磁检测仪器开发及应用项目也已全面展开。 经历了数十年的不懈努力，我国无损检测技术无论是在检测设备还是在检测技术本身上对国外发达国家的依赖几乎已不存在或已降到很低的水平，与国外无损检测机构包括厂商的交往更多已表现为一种以技术交流、互通有无和相互促进为重点的发展常态，这也是无损检测强国的一个重要标志。 中国无损检测进展与挑战
1.1 新检测理念
林俊明提出了新概念——“云检测”，这一新概念将云计算与集成检测技术相结合，使云计算植入无损检测。这一新概念*早出现在2011年的全球华人无损检测高峰论坛上，其核心是将多种传感器采集到的信号收集于“云端”进行存储、处理并对结果进行评价和预测。实施云检测，用户可共享软、硬件等物理资源，享受无损检测带来的便捷服务。云检测旨在构建无损检测技术物理资源和管理的资源池，它的广泛应用将会对无损检测的发展带来深远影响。 在全球华人无损检测高峰论坛上还出现了绿色无损检测这一新提法，强调无损检测技术的发展必须与我国工业发展的总体思路相适应，当绿色制造，采用节能、减排技术生产环境友好型机械制造设备成为机械制造业的发展方向的时候. 无损检测本身也应当走绿色检测的发展思路，一些传统的、可能会对环境产生污染的检测方法将会逐步被淘汰，或者被新的方法、新的检测媒介所代替。
1.2 基本理论方面的发展
在无损检测基本理论或应用理论研究方面取得领先成果。磁记忆检测的基础理论研究取得了具有国际领先水平的成果。清华大学的无损检测团队系统研究了非线性应力分布下的力磁耦合问题、阐明了地磁场和其它外部磁场在铁磁性金属材料应力损伤中的作用机制。他们还针对压力容器和管道等特种设备，与中国特种设备检测研究院合作研究了这些特种设备的金属磁记忆检测评价方法和典型图谱，建立了一套较为完整的金属磁记忆检测方法体系。 任吉林等系统研究了磁记忆效应的机制和应用前景，提出利用磁记忆信号的垂直和水平分量，并用其一阶导数构成李萨如图形，构建了其闭合面积与应力集中程度的关系，从而在利用磁记忆技术定量检测方面迈出重要一步。
国内还有不少学者在研究应力集中对磁记忆效应影响的机理方面也作出了重要贡献，这些都有助于人们认识磁记忆效应的物理本质。
北京航空航天大学无损检测研究团队在激光超声、空气耦合超声波检测方面进行了领先研究，包括检测方法和信号处理方法。采用的相位编码脉冲压缩方法已在一些权威学术刊物上发表。
1.3 工程应用
在利用声发射技术进行常压储罐安全评价技术方面已取得重要突破和领先成果。沈功田领导的科研团队针对国内外常压金属储罐底板腐蚀声发射检测均无成熟方法和标准的现状，研究建立了常压金属储罐声发射检测及评价方法，在国际上首次提出储罐底板基于时差定位分析和基于区域定位分析的声发射源分级方法。 同时给出了储罐底板腐蚀状况的评价技术，研究成果*地推动了压力容器和大型常压储罐安全保障科学技术的进步。
输油和输气管道的在役检测取得重大进展。沈阳工业大学杨理践教授领导的团队完成了长输油气管道内检测技术的研究和实施，进入了国际上这一高端技术的研究领域，使我国长距离油/气输送管道等的安全检测不再受制于人，为我国管道业的安全运行和管道信息安全作出了贡献，也使我国成为名副其实的管道检测技术强国。由清华大学和胜利油田共同开发研制的油气输送管道及储罐底板缺陷检测关键技术与应用项目更进一步发展了管道在线检测技术，特别是海底输油管道的检测。 油气输送管道缺陷内检测器、储罐底板缺陷检测器和电磁超声导波管道缺陷外检测系统的研制成功实现了油气输送管道及储罐底板电磁检测的集成化系统和集成技术，确保了我国在这一领域成为国际上少数领先团队的地位。
在航空无损检测领域，作者所在的北京航空工程技术研究中心的无损检测团队在先前对某三代机的全尺寸疲劳试验中采用以声发射技术为中心的综合裂纹监、控技术并成功将机群疲劳寿命延长50%以上。在此基础上，近几年又在另一机型飞机的全尺寸疲劳试验中进一步发展了损伤监测理论，实现了该机型飞机机群寿命75%以上的提高。 类似这种时间跨度近十年、在两类不同机型飞机全尺寸疲劳试验中全面引入无损检测技术开展关键结构件的损伤监控并获得如此成功的案例，国内外尚未见有报导。
1.4 高水平国际会议和大量高水平学术论文的涌现
我国已出现一批高水平甚至形成品牌效应的国际无损检测会议。2011年11月在厦门召开的全球华人无损检测高层论坛，向世人展现了华人无损检测同仁的一批富有创造性的前沿成果，提出了不少颇具新意的无损检测新理念，诸如“绿色无损检测”，“云检测”，“涡流精密C-扫描技术”等。基于我国声发射检测领域近年来取得众多前沿成果，由我国无损检测工作者发起的首届世界声发射会议于2011年8月在北京召开，并于2013年11月在上海举办了第二届会议，经筛选的该次会议论文集已由Springer出版发行。 由江苏特种设备检测研究院等多家单位联合举办的远东无损检测会议每年定期在我国召开，已成为具有较高*度的国际无损检测论坛。
2013年11月，我国无损检测技术人员还与国内外不同学科的科学家联合举办了“大数据”学术交流会，努力将“大数据”这一新理念引入无损检测，这项工作必将对无损检测技术的未来跨越式发展起到重要作用。
我国无损检测工作者的学术和理论水平有了明显提高。系统总结了一些领域无损检测成果的专著，可为检测人员提供十分有用的学术参考，例如，浙江特种设备检测研究院丁守宝和刘富君主编的《无损检测新技术及应用》系统总结和介绍了无损检测技术的国内外发展情况，特别是系统地介绍了超声相控阵、超声TOFD、导波、漏磁检测、磁记忆和声发射等技术，并使用了大量的工程应用实例。清华大学施克仁教授主编的《相控阵超声成像检测》汇集了多名博士研究生在这一领域的创新研究成果，对于人们了解相控检测基础理论、声场理论、声场控制以及阵列换能器的设计原则很有参考价值。 清华大学黄松岭教授于2013年出版的专著《电磁超声导波理论与应用》系统阐述了电磁超声换能器（EMAT）换能机理及设计方法、基于洛伦兹力和磁致伸缩机理的电磁超声计算及仿真方法，详细叙述了超声导波的传播特性、导波与缺陷的作用机制及缺陷量化方法等内容，也论述了该技术未来的发展趋势，是国内电磁超声导波检测领域*本学术专著，必定会为推动电磁超声导波检测技术及其相关产业的发展起到重要作用。该专著即将由Springer出版发行。
1.5 直接参与有关无损检测国际标准的起草和制订
在2014年10月ISO/TC 135国际标准化组织无损检测技术委员会第19次会议上，学会理事长沈功田介绍了有关红外ISO检测标准撰写的*新进展，包括已于2012年3月立项的ISO 18251-1 “无损检测 红外热成像检测 系统和设备 第1部分：性能描述”的完成情况，以及将于2015年完成的ISO 18251-2 “无损检测 红外热成像检测 系统和设备 第2部分：一体化性能参数的测试方法”需要补充和完善的部分。在声发射检测标准方面，已通过立项的ISO/NP 19835“无损检测 桥式与门式起重机钢结构的声发射检测”标准草案的进展工作良好并获得ISO/TC 135标准化委员会与会代表的认可。
2 面临的挑战 虽然我国无损检测的总体水平和综合实力都有很大程度的提高，在无损检测基础理论研究、技术开发、仪器设计和研制等方面都能在世界占有重要一席，但就整体而言，在一些领域，我国的无损检测仪器、设备制造商目前尚不完全具备参与国际竞争的能力。 我国无损检测仪器的生产和制造在满足更多更新的无损检测要求方面尚有较大的开拓空间，特别是适应新型无损检测技术应用的设备，例如混凝土结构领域的无损检测、水下无损检测、城市地下管线的无损检测等。 在一些高端无损检测仪器和设备制造方面，欧美等发达国家的总体水平要高于我们。 特别需要一提的是数字化射线检测这一具有极强生命力的绿色检测技术，我国虽在这一领域取得突飞猛进的进步，一些检测标准也已问世，但其前端技术-数字图像板还依赖从国外进口，这在某种程度上限制了该技术的发展，但它又是需要从国家层面上来解决的问题。 另外，在红外和激光检测领域，其高端设备也面临主要依靠从国外进口的局面。 这几年，国家层面已加强了对高端无损检测技术的投入，无损检测仪器的制造销售单位也需要对新型、高端产品的研发增加投入，努力克服低端同类产品过多而高端产品又无厂家研制、开发的局面。
2.1 新的制造方式向无损检测传统检测技术发起挑战
一直以来，无损检测面临的金属材料检测对象基本是通过传统的“去除型”方式制造而成的，它是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成*终产品。我们对这些锻造、铸造和焊接件的缺陷形式已有比较充分的了解。新的制造方式即所谓3D打印是一种增材制造方式，它是通过增加材料、基于三维CAD模型数据，再采用逐层制造方式直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型。 增材制造形成模型的方法有激光粉末烧结成型，激光固化和熔融沉积造型等。对通过这样的方式形成的金属零部件的缺陷我们知之甚少，各种不同的增材制造方式可能会形成什么样的缺陷，是否需要及通过什么样的检测技术和检测手段来发现缺陷并评价其危害，需要我们提前研究和认真考虑。
2.2 微、纳及精细加工制造技术带来的新问题
传统意义下的无损检测总是解决宏观缺陷的问题。微、纳及精细加工制造技术出现了微纳米级的需要检测对象，它们虽然比微观尺寸要大很多，但已远不是传统意义下的宏观缺陷。传统的检测方法应当如何改进才能应对这些缺陷的挑战，超声显微技术、微波检测和太赫兹检测技术在这一领域有无用武之地及如何运用这些技术，这也是需要认真考虑并加以解决的研究内容。
2.3 复合材料结构件的检测
复合材料结构件将大量用于未来民用航空飞机和四代、五代*飞机上，这些结构件将成为主要承力部件，它们不但型面复杂，而且因制造方式多采用整体成形技术，因此，其检测方式及关心点与过去用传统方式制造的复合材料结构将有明显不同。周正干领导的北京航空航天大学无损检测团队在复合材料层压板检测方面取得一些进展，他们将激光超声技术应用于层压板分层缺陷的检测获得一些重要进展。 刘松平等针对碳纤维复合材料层压结构冲击损伤提出了采用高分辨率的超声扫描成像检测技术并实现了复合材料冲击损伤的可视化成像评估，其研究颇有新颖性。
2.4 大数据时代的无损检测-传统检测概念本身所受到的挑战
随着计算机技术的飞速发展以及大数据技术的出现，我们可能需要考虑未来的无损检测究竟应当是什么样子，传统的无损检测方式和管理体系是否需要变革以及有无可能进行变革。对于大数据的重要性我们可能还缺乏充分认识，它究竟会为我们无损检测工作者带来什么革命性的变化也缺乏必要的准备，但大数据的核心内容我们其实并不陌生。云计算关键技术中的海量数据存储技术、海量数据管理技术、编程模型等都是大数据技术的基础。 大数据技术的*大优势是能够将隐藏于海量数据中的信息和知识挖掘出来，为人类的社会经济活动提供依据，这正是无损检测技术所需要的。 从多参数识别到数据融合，再到创立云检测，无损检测工作者*需要的就是能从复杂的海量数据中提取到有关材料或结构件缺陷的信息，并能对被检对象的总体安全性作出综合判断，这可能正是大数据的优势所在和我们对它的期待。 随着设计理念的变化，新型高强度、抗疲劳和抗腐蚀材料的不断问世，无损检测本身正面临错综复杂的被检测对象和检测数据。 大数据技术可以弥补数据中的误差和错误，对于同一问题的分析，基于大量数据的简单算法比基于小数据的复杂算法更高效，此外，大数据可以分析更多的研究对象，可以通过监测关联物的变化，预测被检对象未来可能发生的变化。 由于大数据可以通过数据的相关关系预测事物的发展规律，它在状态监测、健康监测和寿命预报中都会有很好的应用前景。 无损检测工作者需要在这一领域进行预先研究和领先研究，可喜的是无损检测领域已出现了一些这样的研究。
2.5 人才培养
我国在无损检测人才培养方面走在世界前列并已形成比较合理的人才培养机制。首先有为数较多的以开展无损检测职业教育、培养具有丰富实践经验无损检测人才为主的职业技术学院，例如渤海船舶职业学院、深圳职业技术学院、河北石油职业技术学院，长沙空军职业技术学院，陕西工业职业技术学院等。其次，我国已在十多所高校设有无损检测本科*，例如，南昌航空大学，北京交通大学，华东理工大学和海军航空工程学院等。 此外，一些重点大学还设有无损检测*，培养具有博士学位或博士后的无损检测高端人才，例如，清华大学，北京航空航天大学，哈尔滨工业大学等。 建立相对合理的无损检测人才结构和人才梯次是面对工程应用难题挑战的重要策略，也是一项长期有效的方针。 除学术水平的培养外，能力特别是创新能力和解决工程应用中疑难问题能力的培养至关重要。*后，面对各种挑战，团队精神、吃苦耐劳和献身精神的培养也特别需要重视，这是由无损检测的工程应用背景所决定的*基本要素。
3 结束语 以面向工程应用特别是以重大工程为主要研究对象的无损检测技术,其根本宗旨是为保障国家大型工程项目的安全服务，为保障涉及安全、民生的重大工程项目服务。 我国无损检测工作者在过去已取得了令人满意的成绩，我国的无损检测总体水平已在一个比过去高得多的技术平台上保持持续稳定发展的态势。 面对未来的各种挑战，如何提升我们的核心竞争力，如何利用现有的良好发展态势，使我国的无损检测技术真正立足于世界强国之林，仍然是广大无损检测工作者需要认真考虑的问题。
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