超聲無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

超聲無(wú)損檢測(cè)介紹無(wú)損檢測(cè)是指在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象使用性能，不傷害被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部組織的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕荽嬖谝鸬臒帷⒙?、光、電、磁等反應(yīng)的變化，以物理或化學(xué)方法為手段，借助現(xiàn)代化的技術(shù)和設(shè)備器材，對(duì)試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法。無(wú)損檢測(cè)是保障工業(yè)安全發(fā)展的有效工具，在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平，無(wú)損檢測(cè)的重要性已得到公認(rèn)，常規(guī)的檢測(cè)方法主要有超聲檢測(cè)（UT）、射線檢驗(yàn)（RT）、磁粉檢測(cè)（MT）、滲透檢測(cè)（PT）和渦流檢測(cè)（ET）等。超聲檢測(cè)的根本原理是超聲在遇到聲阻抗不同的界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、透射和散射等效應(yīng)。通過(guò)超聲波與試件的相互作用，對(duì)聲波的反射、透射和散射波進(jìn)行研究，對(duì)試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化等的檢測(cè)和表征等。超聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)：（1）適用范圍廣，可對(duì)金屬、非金屬和復(fù)合材料等多種試件進(jìn)行檢測(cè)。（2）缺陷定位較準(zhǔn)確，對(duì)面積型缺陷的檢出率較高。（3）靈敏度高，可檢測(cè)試件內(nèi)部尺寸很小的缺陷。（4）檢測(cè)成本低、速度快，設(shè)備輕便，對(duì)人體及環(huán)境無(wú)害，現(xiàn)場(chǎng)使用較方便。超聲波檢測(cè)的缺點(diǎn)：（1）對(duì)缺陷的取向有要求，與聲束平行的缺陷難以檢測(cè)出。（2）對(duì)材料晶粒度有一定要求，對(duì)于衰減較大的材料，檢測(cè)較為困難。（3）對(duì)具有復(fù)雜形狀或不規(guī)則外形的試件進(jìn)行超聲檢測(cè)有困難；該點(diǎn)在相控陣技術(shù)推廣使用后，有很大的改善，很多復(fù)雜形狀的工件檢測(cè)問(wèn)題利用相控陣技術(shù)也得到了較好的解決。世界超聲無(wú)損檢測(cè)發(fā)展概述超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(UT)作為五大常規(guī)檢測(cè)技術(shù)之一，具有被測(cè)對(duì)象范圍廣、檢測(cè)深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高、成本低、使用方便、速度快、對(duì)人體無(wú)害以及便于現(xiàn)場(chǎng)使用等特點(diǎn)，世界各國(guó)都對(duì)超聲無(wú)損檢測(cè)給予了高度的重視。目前，國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已逐步從無(wú)損探傷和無(wú)損檢測(cè)向無(wú)損評(píng)價(jià)過(guò)渡。全球超聲檢測(cè)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是自動(dòng)化和人工智能化。受工業(yè)4.0的滲透和影響，超聲檢測(cè)已逐步向人工智能化發(fā)展。如一些專用軟件或設(shè)備，已逐漸向自動(dòng)識(shí)別缺陷的方向發(fā)展，使用自適應(yīng)專家網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。無(wú)損檢測(cè)行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，無(wú)損檢測(cè)市場(chǎng)也隨之打開。根據(jù)MarketsandMarkets發(fā)布的新的研究報(bào)告顯示，2018年無(wú)損檢測(cè)（NDT）市場(chǎng)價(jià)值為156.7億美元，預(yù)計(jì)到2024年將達(dá)到231億美元，在2019~2024年預(yù)測(cè)期內(nèi)的復(fù)合年增長(zhǎng)率為6.7％。而在這龐大的市場(chǎng)下，超聲檢測(cè)部分還將占據(jù)大的市場(chǎng)份額，約占無(wú)損檢測(cè)市場(chǎng)份額的30%~40%。根據(jù)英國(guó)無(wú)損檢測(cè)研究所的數(shù)據(jù)，每天在英國(guó)的工廠和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行超過(guò)25,000次的無(wú)損檢查，以檢測(cè)各種產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)中的缺陷和損壞；據(jù)估計(jì)，全球有超過(guò)120,000名檢測(cè)員。無(wú)損檢測(cè)區(qū)域分布整體不太均衡，據(jù)《全球無(wú)損檢測(cè)儀器市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)查及投資前景預(yù)測(cè)報(bào)告》調(diào)研顯示：美國(guó)是最大的無(wú)損檢測(cè)儀器市場(chǎng)，每年平均占全球無(wú)損檢測(cè)儀器產(chǎn)業(yè)的38.79％；其次是歐洲和日本，占全球總產(chǎn)業(yè)的43％左右。在該行業(yè)中占據(jù)重要地位的其他主要地區(qū)包括中國(guó)和一些工業(yè)國(guó)家。近年來(lái)，中東、東南亞發(fā)展態(tài)勢(shì)也非常好。中國(guó)超聲無(wú)損檢測(cè)發(fā)展?fàn)顩r中國(guó)工業(yè)超聲檢測(cè)近幾十年來(lái)發(fā)展迅速，幾乎涵蓋了所有的工業(yè)領(lǐng)域，如鋼鐵工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、鍋爐壓力容器、石油化工、鐵路運(yùn)輸、造船、航空航天、電力核電等。目前超聲檢測(cè)大量應(yīng)用于金屬材料和構(gòu)件，近年來(lái)對(duì)于新興的復(fù)合材料的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。理論研究方面，我國(guó)也在逐漸縮小與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的差距，很多超聲數(shù)字信號(hào)處理包括人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別、多種掃描成像等技術(shù)已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了保證。設(shè)備研發(fā)方面，超聲檢測(cè)設(shè)備中，國(guó)內(nèi)幾家為首的公司已經(jīng)研發(fā)出最先進(jìn)的全聚焦技術(shù)，并正在與實(shí)際的工程應(yīng)用相結(jié)合，逐漸梳理出一套可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范出來(lái)，推進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用。超聲檢測(cè)行業(yè)也漸漸有與大數(shù)據(jù)融合的趨勢(shì)。目前，一些重點(diǎn)的石油石化企業(yè)已經(jīng)開始構(gòu)建系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)管理，超聲檢測(cè)作為質(zhì)量檢測(cè)的重要一環(huán)，也被納入到大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，對(duì)管道及設(shè)備的監(jiān)管也趨于系統(tǒng)化、深入化。中國(guó)的無(wú)損檢測(cè)市場(chǎng)近年來(lái)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì)，基于經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，中國(guó)是無(wú)損檢測(cè)發(fā)展最具潛力的市場(chǎng)之一。據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研分析，2018年我國(guó)無(wú)損檢測(cè)市場(chǎng)規(guī)模約43.62億元，預(yù)測(cè)到2023年將達(dá)到77.8億元的市場(chǎng)規(guī)模，2019~2023預(yù)測(cè)期內(nèi)復(fù)合年增長(zhǎng)率約為12%；2018年超聲市場(chǎng)份額約14.4億元，預(yù)測(cè)到2023年將達(dá)到27億元，2019~2023預(yù)測(cè)期內(nèi)的復(fù)合年增長(zhǎng)率為13.5％。中國(guó)超聲無(wú)損檢測(cè)在行業(yè)的應(yīng)用情況鐵路及高鐵行業(yè)過(guò)去幾年間，中國(guó)鐵路尤其是高鐵呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。2018年底，中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)2.9萬(wàn)公里，占全球高鐵運(yùn)營(yíng)里程的三分之二以上，超過(guò)其他國(guó)家運(yùn)營(yíng)里程的總和。2019年，計(jì)劃確保投產(chǎn)高鐵新線3200公里。根據(jù)國(guó)家高鐵路線規(guī)劃，到2020年，路網(wǎng)布局優(yōu)化完善。全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到15萬(wàn)公里，其中高速鐵路3萬(wàn)公里，復(fù)線率和電氣化率分別達(dá)到60%和70%左右，基本形成布局合理、覆蓋廣泛、層次分明、安全高效的鐵路網(wǎng)絡(luò)。鐵路的安全運(yùn)營(yíng)是重中之重，國(guó)家對(duì)鐵路線路及列車安全檢測(cè)的重視程度也不斷提升。對(duì)鐵路系統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)，尤其是在役超聲檢測(cè)受到了青睞。目前，針對(duì)鋼軌的超聲檢測(cè)主要包含了母材檢測(cè)和鋼軌焊縫檢測(cè)；而對(duì)于列車，由于車型復(fù)雜，檢測(cè)的部位包含了車軸、輪對(duì)、空心軸、車軸輪座、車輪、曲軸、制動(dòng)盤以及螺栓的超聲波檢測(cè)等。對(duì)于鋼軌的檢測(cè)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)各鐵路局及企業(yè)逐漸引進(jìn)了大型鋼軌探傷車，取得了一定的使用效果。通過(guò)對(duì)重載列車的地方鐵路就鋼軌探傷模式及設(shè)備使用情況進(jìn)行了調(diào)研，國(guó)內(nèi)大型鋼軌探傷車多采用美國(guó)Sperry常規(guī)超聲探傷技術(shù)，還有一些鐵路段采用國(guó)產(chǎn)手推式鋼軌小車（多通道超聲）進(jìn)行檢測(cè)。我國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)?？焖侔l(fā)展，高鐵速度不斷提升，列車行走里程也不斷增加，前期投入使用的一些關(guān)鍵部件集中進(jìn)入疲勞期，這對(duì)機(jī)車車輛安全保障技術(shù)和檢修技術(shù)提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)一些龍頭企業(yè)基本可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車關(guān)鍵部件的半自動(dòng)超聲檢測(cè)，建立健全機(jī)車綜合檢測(cè)體系，并挖掘海量檢測(cè)數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)智能化健康體系監(jiān)管和安全保障體系是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。在此過(guò)程中，超聲檢測(cè)作為核心的保障手段將不斷地與機(jī)械體系、智能數(shù)據(jù)分析等融合到一起，實(shí)現(xiàn)自身價(jià)值的飛躍。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，高鐵檢測(cè)成套設(shè)備達(dá)十億元量級(jí)，而超聲設(shè)備及其配附件，作為核心的檢測(cè)部件，其市場(chǎng)容量約有2億元份額。全國(guó)18個(gè)鐵路局(公司)每年用于檢修設(shè)備更新改造的投入約占全年更新改造投入的10%，預(yù)計(jì)未來(lái)3~5年仍將保持，這也就確保了超聲檢測(cè)份額每年逐步穩(wěn)定增加。核電世界核協(xié)會(huì)年度報(bào)告顯示，2018年全球核發(fā)電量超過(guò)2500億千瓦時(shí)，占全球電力供應(yīng)的10.5%。根據(jù)世界核協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，中國(guó)計(jì)劃到2019年5月建造43座核反應(yīng)堆。因此，對(duì)這些發(fā)電廠的維護(hù)需求也將增加，而這反過(guò)來(lái)又將為無(wú)損測(cè)試領(lǐng)域創(chuàng)造一個(gè)市場(chǎng)。據(jù)初步預(yù)測(cè)，2018年國(guó)內(nèi)核電超聲檢測(cè)的份額約1億元，隨著維護(hù)需求的增加，每年會(huì)以約5%的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)。應(yīng)用在核電的無(wú)損檢測(cè)方法主要是超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)和射線檢測(cè)。目前，超聲檢測(cè)廣泛應(yīng)用于反應(yīng)堆壓力容器筒體焊縫及接管焊縫、反應(yīng)堆壓力容器主螺栓、燃料組件、控制棒束組件、蒸汽發(fā)生器筒體焊縫及接管焊縫、穩(wěn)壓器筒體焊縫、主管道焊縫以及汽輪機(jī)葉根葉片等。由于核電自身的特殊性，業(yè)主對(duì)檢測(cè)實(shí)施單位的檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)效率要求很高，以確保核安全。相控陣超聲等新技術(shù)近年來(lái)也已廣泛應(yīng)用在核電裝備的檢測(cè)上。超聲檢測(cè)在核電應(yīng)用上的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1提升自動(dòng)化檢測(cè)程度，因?yàn)樵谝蹤z測(cè)環(huán)境涉及高輻射、密閉空間等復(fù)雜環(huán)境，為了減少對(duì)人體的傷害，開發(fā)自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人是非常必要的。2針對(duì)復(fù)雜構(gòu)件，發(fā)展更為先進(jìn)的檢測(cè)模式和超聲數(shù)據(jù)處理方式，以克服常規(guī)超聲檢測(cè)復(fù)雜構(gòu)件缺陷難以判別的問(wèn)題。3進(jìn)一步提升檢測(cè)效率、縮減檢測(cè)工期。航空航天航空航天領(lǐng)域中由于其特殊的用途，對(duì)于檢測(cè)精度的要求比其他行業(yè)普遍偏高。我國(guó)航空航天工業(yè)的無(wú)損檢測(cè)從20世紀(jì)50年代就開始了，其中超聲檢測(cè)為常用的無(wú)損檢測(cè)手段。超聲檢測(cè)的適用范圍非常廣泛，從檢測(cè)對(duì)象的材料而言，可用于各類金屬材料和非金屬材料；從檢測(cè)工件的制造工藝而言，可以是鍛件、鑄件、焊接件、復(fù)合材料構(gòu)件等；可以檢測(cè)板材、管材、棒材等。在超聲檢測(cè)技術(shù)方面，很多先進(jìn)的技術(shù)都已在航空航天界廣泛使用。如各類水浸C掃描系統(tǒng)、噴水穿透式檢測(cè)系統(tǒng)、相控陣技術(shù)以及全聚焦等，從缺陷的檢測(cè)測(cè)量到應(yīng)力測(cè)量、從超薄涂層精密測(cè)厚到材料晶粒度評(píng)估，超聲檢測(cè)憑借其檢測(cè)精度高、無(wú)污染、檢測(cè)速度快等優(yōu)勢(shì)，在航空航天界發(fā)揮著重要的作用。目前，比較典型的應(yīng)用集中在發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體的兩大類檢測(cè)中。發(fā)動(dòng)機(jī)的典型應(yīng)用有發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、環(huán)形鍛件、空心渦輪葉片等。機(jī)體的典型檢測(cè)有鈦合金、鋁合金及鋼的棒材、管材、板材缺陷測(cè)量；碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件的缺陷檢測(cè)；蜂窩膠接結(jié)構(gòu)膠接質(zhì)量的檢測(cè)等。航空航天領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)中，超聲波檢測(cè)作為近年來(lái)無(wú)損檢測(cè)市場(chǎng)最大的增長(zhǎng)點(diǎn)，為整體行業(yè)收入貢獻(xiàn)了31.1％，預(yù)計(jì)超聲檢測(cè)市場(chǎng)份額在近億元。且目前超聲檢測(cè)已成為了航空航天創(chuàng)新的溫床，所占份額會(huì)不斷增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2024年會(huì)有1.8億的市場(chǎng)份額。石油石化權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，目前國(guó)內(nèi)油氣管道里程為12萬(wàn)公里，占世界總量不足3%，未來(lái)行業(yè)發(fā)展的空間仍然巨大。按照國(guó)家“十三五”規(guī)劃，到“十三五”末，僅中國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道的總里程將超過(guò)16萬(wàn)公里，這對(duì)于無(wú)損檢測(cè)行業(yè)也是極大的機(jī)遇?！笆濉币?guī)劃后續(xù)的新建管道安排如下：1天然氣管道方面：規(guī)劃建設(shè)跨境跨區(qū)干線管道中亞天然氣管道D線、中俄東線、西氣東輸四線和五線、川氣東送二線、青島—南京、青藏天然氣管道等。2原油管道方面：規(guī)劃完善中哈原油管道增輸工程，新建中緬原油管道國(guó)內(nèi)段、實(shí)施海上進(jìn)口通道的日照-儀征管道增輸，新建日照-濮陽(yáng)-洛陽(yáng)、董家口-齊魯-東營(yíng)、日照港-沾化等原油管道。3成品油管道方面：規(guī)劃建設(shè)東北到華北、華中的錦州-鄭州成品油管道，新建樟樹-株洲、湛江-北海、洛陽(yáng)-三門峽-運(yùn)城-臨汾、三門峽-西安等成品油管道。目前，對(duì)于較大型的輸氣管道，基本都是100%超聲檢測(cè)+100%射線檢測(cè)，對(duì)于要求不太嚴(yán)格的區(qū)段也是100%超聲檢測(cè)+10%~20%射線檢測(cè)。按照文中提到的12萬(wàn)公里的管道里程，一套檢測(cè)焊縫的設(shè)備約40萬(wàn)，2019年超聲檢測(cè)的市場(chǎng)容量約有2.5億元。石油石化超聲檢測(cè)的重點(diǎn)是不同管徑輸油輸氣管道的腐蝕和焊縫檢測(cè)。目前超聲相控陣已成熟應(yīng)用到中石油、中石化等部分管線上，其檢測(cè)工藝和檢測(cè)效果基本滿足了常規(guī)管道的檢測(cè)需求。風(fēng)電根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)（WWEA）的最新初步數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全球新增53.9GW的風(fēng)電裝機(jī)，相比于2017年（52.55GW）有微弱增長(zhǎng)，中國(guó)以25.9GW繼續(xù)大幅度領(lǐng)跑，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第二名美國(guó)的7.6GW。然而風(fēng)電迅速發(fā)展的背后，風(fēng)機(jī)事故也時(shí)有發(fā)生，世界巨頭GE公司在2019年已經(jīng)發(fā)生了5起風(fēng)電機(jī)組倒塌事故。目前，中國(guó)有風(fēng)電機(jī)組接近15萬(wàn)臺(tái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的造價(jià)大約為1500萬(wàn)元，風(fēng)機(jī)倒塌造成的經(jīng)濟(jì)損失非常巨大。因此，對(duì)風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件的定期檢測(cè)、維修和維護(hù)越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)專家的重視。目前，風(fēng)電領(lǐng)域超聲檢測(cè)主要集中在葉片、軸承以及各類螺栓上。葉片檢測(cè)比較先進(jìn)的手段是采用自動(dòng)掃查裝置，手工檢測(cè)由于價(jià)格低、檢測(cè)靈活也占有一定的比例。相控陣技術(shù)檢測(cè)風(fēng)電螺栓近幾年飛速發(fā)展，技術(shù)成熟可靠，基本能滿足在役檢測(cè)的需求，但由于還欠缺行業(yè)統(tǒng)一的規(guī)范和準(zhǔn)則，暫時(shí)還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的推廣。相信隨著風(fēng)電市場(chǎng)的不斷規(guī)范，市場(chǎng)存量不斷增大，風(fēng)電檢測(cè)會(huì)迎來(lái)跨越式發(fā)展。據(jù)風(fēng)電部門統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電葉片螺栓的年斷裂概率約2.5%，存在巨大的安全隱患。以現(xiàn)有15萬(wàn)臺(tái)風(fēng)機(jī)的存量來(lái)估算，每100臺(tái)風(fēng)機(jī)配備一臺(tái)30萬(wàn)的檢測(cè)設(shè)備，預(yù)計(jì)未來(lái)每年將會(huì)有4.5億的容量。該設(shè)備還可用來(lái)檢測(cè)軸承、葉片等，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。未來(lái)超聲無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)超聲檢測(cè)是發(fā)展最為迅速的無(wú)損檢測(cè)方法之一，未來(lái)的發(fā)展前景廣闊。筆者認(rèn)為未來(lái)超聲檢測(cè)的發(fā)展包括但不限于以下幾個(gè)方面：1比肩醫(yī)學(xué)超聲的發(fā)展醫(yī)學(xué)超聲一直引領(lǐng)著超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)相控陣技術(shù)來(lái)源于醫(yī)學(xué)的B超。由于醫(yī)學(xué)超聲研究對(duì)象為單一的人體，在很多技術(shù)和手段上更容易實(shí)現(xiàn)；而工業(yè)超聲檢測(cè)面對(duì)對(duì)象的材料眾多、形狀各異，在一定程度上阻礙了工業(yè)超聲的飛速發(fā)展。醫(yī)學(xué)超聲目前推出了4D多維彩超等技術(shù)，設(shè)備的通道數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于市面上常見的工業(yè)超聲設(shè)備，這些都是工業(yè)超聲需要學(xué)習(xí)和借鑒的地方。2自動(dòng)化工業(yè)超聲檢測(cè)技術(shù)目前很大一部分都是人工操作，檢測(cè)效率低，數(shù)據(jù)記錄不完善、不規(guī)范。隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化工作的逐步完善，對(duì)檢測(cè)的要求越來(lái)越高；而隨著工業(yè)4.0、大數(shù)據(jù)等技術(shù)地不斷推廣，現(xiàn)階段手工檢測(cè)已經(jīng)逐步被一些自動(dòng)化設(shè)備替代。當(dāng)然自動(dòng)化的發(fā)展不是一蹴而就的事情，需要在實(shí)踐