超聲無損檢測應用現狀及發展前景
超聲無損檢測介紹
無損檢測是指在不損害或不影響被檢測對象使用性能，不傷害被檢測對象內部組織的前提下，利用材料內部結構異?；蛉毕荽嬖谝鸬臒?、聲、光、電、磁等反應的變化，以物理或化學方法為手段，借助現代化的技術和設備器材，對試件內部及表面的結構、性質、狀態及缺陷的類型、性質、數量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進行檢查和測試的方法。
無損檢測是保障工業安全發展的有效工具，在一定程度上反映了一個國家的工業發展水平，無損檢測的重要性已得到公認，常規的檢測方法主要有超聲檢測（UT）、射線檢驗（RT）、磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）和渦流檢測（ET）等。
超聲檢測的根本原理是超聲在遇到聲阻抗不同的界面時，會發生反射、透射和散射等效應。通過超聲波與試件的相互作用，對聲波的反射、透射和散射波進行研究，對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化等的檢測和表征等。
超聲波檢測的優點：
（1）適用范圍廣，可對金屬、非金屬和復合材料等多種試件進行檢測。
（2）缺陷定位較準確，對面積型缺陷的檢出率較高。
（3）靈敏度高，可檢測試件內部尺寸很小的缺陷。
（4）檢測成本低、速度快，設備輕便，對人體及環境無害，現場使用較方便。
超聲波檢測的缺點：
（1）對缺陷的取向有要求，與聲束平行的缺陷難以檢測出。
（2） 對材料晶粒度有一定要求，對于衰減較大的材料，檢測較為困難。
（3）對具有復雜形狀或不規則外形的試件進行超聲檢測有困難；該點在相控陣技術推廣使用后，有很大的改善，很多復雜形狀的工件檢測問題利用相控陣技術也得到了較好的解決。
世界超聲無損檢測發展概述
超聲無損檢測技術(UT)作為五大常規檢測技術之一，具有被測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準確、檢測靈敏度高、成本低、使用方便、速度快、對人體無害以及便于現場使用等特點，世界各國都對超聲無損檢測給予了高度的重視。目前，國外工業發達國家的無損檢測技術已逐步從無損探傷和無損檢測向無損評價過渡。全球超聲檢測的一個發展趨勢是自動化和人工智能化。受工業4.0的滲透和影響，超聲檢測已逐步向人工智能化發展。如一些專用軟件或設備，已逐漸向自動識別缺陷的方向發展，使用自適應專家網絡對數據進行分析。
無損檢測行業的應用領域逐漸擴大，無損檢測市場也隨之打開。根據MarketsandMarkets 發布的新的研究報告顯示，2018年無損檢測（NDT）市場價值為156.7億美元，預計到2024 年將達到231億美元，在2019~2024年預測期內的復合年增長率為6.7％。而在這龐大的市場下，超聲檢測部分還將占據大的市場份額，約占無損檢測市場份額的30%~40%。根據英國無損檢測研究所的數據，每天在英國的工廠和現場進行超過25,000次的無損檢查，以檢測各種產品、結構中的缺陷和損壞；據估計，全球有超過120,000名檢測員。
無損檢測區域分布整體不太均衡，據《全球無損檢測儀器市場現狀調查及投資前景預測報告》調研顯示：美國是最大的無損檢測儀器市場，每年平均占全球無損檢測儀器產業的38.79％；其次是歐洲和日本，占全球總產業的43％左右。在該行業中占據重要地位的其他主要地區包括中國和一些工業國家。近年來，中東、東南亞發展態勢也非常好。
中國超聲無損檢測發展狀況
中國工業超聲檢測近幾十年來發展迅速，幾乎涵蓋了所有的工業領域，如鋼鐵工業、機械制造業、鍋爐壓力容器、石油化工、鐵路運輸、造船、航空航天、電力核電等。目前超聲檢測大量應用于金屬材料和構件，近年來對于新興的復合材料的應用也越來越廣泛。
理論研究方面，我國也在逐漸縮小與國際先進技術的差距，很多超聲數字信號處理包括人工智能、神經網絡、模式識別、多種掃描成像等技術已達到或接近國際先進水平，為我國超聲無損檢測技術的持續發展提供了保證。
設備研發方面，超聲檢測設備中，國內幾家為首的公司已經研發出最先進的全聚焦技術，并正在與實際的工程應用相結合，逐漸梳理出一套可執行的標準或規范出來，推進新技術的應用。
超聲檢測行業也漸漸有與大數據融合的趨勢。目前，一些重點的石油石化企業已經開始構建系統的大數據管理，超聲檢測作為質量檢測的重要一環，也被納入到大數據系統中，對管道及設備的監管也趨于系統化、深入化。
中國的無損檢測市場近年來呈現出強勁的發展態勢，基于經濟的快速增長，中國是無損檢測發展最具潛力的市場之一。據市場現狀調研分析，2018年我國無損檢測市場規模約43.62億元，預測到2023年將達到77.8億元的市場規模，2019~2023預測期內復合年增長率約為12%；2018年超聲市場份額約14.4億元，預測到2023年將達到27億元，2019~2023預測期內的復合年增長率為13.5％。
中國超聲無損檢測在行業的應用情況
鐵路及高鐵行業
過去幾年間，中國鐵路尤其是高鐵呈現出快速發展的態勢。2018年底，中國高鐵運營里程超過2.9萬公里，占全球高鐵運營里程的三分之二以上，超過其他國家運營里程的總和。2019年，計劃確保投產高鐵新線3200公里。根據國家高鐵路線規劃，到2020年，路網布局優化完善。全國鐵路營業里程達到15萬公里，其中高速鐵路3萬公里，復線率和電氣化率分別達到60%和70%左右，基本形成布局合理、覆蓋廣泛、層次分明、安全高效的鐵路網絡。
鐵路的安全運營是重中之重，國家對鐵路線路及列車安全檢測的重視程度也不斷提升。對鐵路系統的無損檢測，尤其是在役超聲檢測受到了青睞。目前，針對鋼軌的超聲檢測主要包含了母材檢測和鋼軌焊縫檢測；而對于列車，由于車型復雜，檢測的部位包含了車軸、輪對、空心軸、車軸輪座、車輪、曲軸、制動盤以及螺栓的超聲波檢測等。
對于鋼軌的檢測，近年來國內各鐵路局及企業逐漸引進了大型鋼軌探傷車，取得了一定的使用效果。通過對重載列車的地方鐵路就鋼軌探傷模式及設備使用情況進行了調研，國內大型鋼軌探傷車多采用美國Sperry常規超聲探傷技術，還有一些鐵路段采用國產手推式鋼軌小車（多通道超聲）進行檢測。
我國鐵路網規?？焖侔l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鍵部件集中進入疲勞期，這對機車車輛安全保障技術和檢修技術提出了更高的要求。目前，國內一些龍頭企業基本可以實現機車關鍵部件的半自動超聲檢測，建立健全機車綜合檢測體系，并挖掘海量檢測數據背后的規律，實現智能化健康體系監管和安全保障體系是未來的發展趨勢之一。在此過程中，超聲檢測作為核心的保障手段將不斷地與機械體系、智能數據分析等融合到一起，實現自身價值的飛躍。據不完全統計，高鐵檢測成套設備達十億元量級，而超聲設備及其配附件，作為核心的檢測部件，其市場容量約有2億元份額。全國18個鐵路局( 公司) 每年用于檢修設備更新改造的投入約占全年更新改造投入的10%，預計未來3~5年仍將保持，這也就確保了超聲檢測份額每年逐步穩定增加。
核 電
世界核協會年度報告顯示，2018年全球核發電量超過2500億千瓦時，占全球電力供應的10.5%。根據世界核協會的數據，中國計劃到2019年5月建造43座核反應堆。因此，對這些發電廠的維護需求也將增加，而這反過來又將為無損測試領域創造一個市場。據初步預測，2018年國內核電超聲檢測的份額約1億元，隨著維護需求的增加，每年會以約5%的速度穩定增長。
應用在核電的無損檢測方法主要是超聲檢測、渦流檢測和射線檢測。目前，超聲檢測廣泛應用于反應堆壓力容器筒體焊縫及接管焊縫、反應堆壓力容器主螺栓、燃料組件、控制棒束組件、蒸汽發生器筒體焊縫及接管焊縫、穩壓器筒體焊縫、主管道焊縫以及汽輪機葉根葉片等。由于核電自身的特殊性，業主對檢測實施單位的檢測質量和檢測效率要求很高，以確保核安全。相控陣超聲等新技術近年來也已廣泛應用在核電裝備的檢測上。超聲檢測在核電應用上的發展主要體現在以下幾個方面：
1、提升自動化檢測程度，因為在役檢測環境涉及高輻射、密閉空間等復雜環境，為了減少對人體的傷害，開發自動檢測機器人是非常必要的。
2、對復雜構件，發展更為先進的檢測模式和超聲數據處理方式，以克服常規超聲檢測復雜構件缺陷難以判別的問題。
3、進一步提升檢測效率、縮減檢測工期。
航空航天
航空航天領域中由于其特殊的用途，對于檢測精度的要求比其他行業普遍偏高。我國航空航天工業的無損檢測從20世紀50年代就開始了，其中超聲檢測為常用的無損檢測手段。超聲檢測的適用范圍非常廣泛，從檢測對象的材料而言，可用于各類金屬材料和非金屬材料；從檢測工件的制造工藝而言，可以是鍛件、鑄件、焊接件、復合材料構件等；可以檢測板材、管材、棒材等。
在超聲檢測技術方面，很多先進的技術都已在航空航天界廣泛使用。如各類水浸C掃描系統、噴水穿透式檢測系統、相控陣技術以及全聚焦等，從缺陷的檢測測量到應力測量、從超薄涂層精密測厚到材料晶粒度評估，超聲檢測憑借其檢測精度高、無污染、檢測速度快等優勢，在航空航天界發揮著重要的作用。
目前，比較典型的應用集中在發動機和機體的兩大類檢測中。發動機的典型應用有發動機渦輪盤、環形鍛件、空心渦輪葉片等。機體的典型檢測有鈦合金、鋁合金及鋼的棒材、管材、板材缺陷測量；碳纖維或玻璃纖維增強復合材料構件的缺陷檢測；蜂窩膠接結構膠接質量的檢測等。
航空航天領域的無損檢測中，超聲波檢測作為近年來無損檢測市場最大的增長點，為整體行業收入貢獻了31.1％，預計超聲檢測市場份額在近億元。且目前超聲檢測已成為了航空航天創新的溫床，所占份額會不斷增長，預計到2024年會有1.8億的市場份額。
石油石化
權威數據顯示，目前國內油氣管道里程為12萬公里，占世界總量不足3%，未來行業發展的空間仍然巨大。按照國家“十三五”規劃，到“十三五”末，僅中國長輸油氣管道的總里程將超過16萬公里，這對于無損檢測行業也是極大的機遇。
“十三五”規劃后續的新建管道安排如下：
1、天然氣管道方面：規劃建設跨境跨區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：規劃完善中哈原油管道增輸工程，新建中緬原油管道國內段、實施海上進口通道的日照-儀征管道增輸，新建日照-濮陽-洛陽、董家口-齊魯-東營、日照港-沾化等原油管道。
3、成品油管道方面：規劃建設東北到華北、華中的錦州-鄭州成品油管道，新建樟樹-株洲、湛江-北海、洛陽-三門峽-運城-臨汾、三門峽-西安等成品油管道。
目前，對于較大型的輸氣管道，基本都是100%超聲檢測+100%射線檢測，對于要求不太嚴格的區段也是100%超聲檢測+10%~20%射線檢測。按照文中提到的12萬公里的管道里程，一套檢測焊縫的設備約40萬，2019年超聲檢測的市場容量約有2.5億元。
石油石化超聲檢測的重點是不同管徑輸油輸氣管道的腐蝕和焊縫檢測。目前超聲相控陣已成熟應用到中石油、中石化等部分管線上，其檢測工藝和檢測效果基本滿足了常規管道的檢測需求。
風 電
根據世界風能協會（WWEA）的最新初步數據統計，2018年全球新增53.9GW的風電裝機，相比于2017年（52.55GW）有微弱增長，中國以25.9GW繼續大幅度領跑，遠遠高于第二名美國的7.6GW。然而風電迅速發展的背后，風機事故也時有發生，世界巨頭GE公司在2019年已經發生了5起風電機組倒塌事故。目前，中國有風電機組接近15萬臺，每臺風機的造價大約為1500萬元，風機倒塌造成的經濟損失非常巨大。因此，對風機關鍵部件的定期檢測、維修和維護越來越受到業內專家的重視。
目前，風電領域超聲檢測主要集中在葉片、軸承以及各類螺栓上。葉片檢測比較先進的手段是采用自動掃查裝置，手工檢測由于價格低、檢測靈活也占有一定的比例。相控陣技術檢測風電螺栓近幾年飛速發展，技術成熟可靠，基本能滿足在役檢測的需求，但由于還欠缺行業統一的規范和準則，暫時還未實現大規模的推廣。相信隨著風電市場的不斷規范，市場存量不斷增大，風電檢測會迎來跨越式發展。
據風電部門統計，風電葉片螺栓的年斷裂概率約2.5%，存在巨大的安全隱患。以現有15萬臺風機的存量來估算，每100臺風機配備一臺30萬的檢測設備，預計未來每年將會有4.5億的容量。該設備還可用來檢測軸承、葉片等，實現一機多用。
未來超聲無損檢測的發展趨勢
超聲檢測是發展最為迅速的無損檢測方法之一，未來的發展前景廣闊。筆者認為未來超聲檢測的發展包括但不限于以下幾個方面：
1、比肩醫學超聲的發展
醫學超聲一直引領著超聲檢測技術的發展，工業相控陣技術來源于醫學的B超。由于醫學超聲研究對象為單一的人體，在很多技術和手段上更容易實現；而工業超聲檢測面對對象的材料眾多、形狀各異，在一定程度上阻礙了工業超聲的飛速發展。醫學超聲目前推出了4D多維彩超等技術，設備的通道數遠遠多于市面上常見的工業超聲設備，這些都是工業超聲需要學習和借鑒的地方。
2、自動化
工業超聲檢測技術目前很大一部分都是人工操作，檢測效率低，數據記錄不完善、不規范。隨著國家標準化工作的逐步完善，對檢測的要求越來越高；而隨著工業4.0、大數據等技術地不斷推廣，現階段手工檢測已經逐步被一些自動化設備替代。當然自動化的發展不是一蹴而就的事情，需要在實踐中不斷摸索、循序漸進。
3、智能化
目前在一些橋梁的建設中，所用部件都有二維碼標志，記錄了該部件的原材料廠商、檢測單位、施工單位等信息，可謂是智能部件的一個縮影。目前，智慧電網、智能管道工程等也由概念走向了實際應用，超聲無損檢測本來作為智能化潮流中不可或缺的一部分，即將為部件的壽命評估、動態檢測等提供更為精準的數據支持。
4、專用化
超聲檢測面對的檢測對象千差萬別，不同行業的檢測標準差別很大，通用化的解決方案無法更精準地解決檢測難題。為了更好地適應未來自動化、智能化檢測，超聲設備或解決方案的專用化必不可少。行業量身定制的專用化、定制化的解決方案，勢必是未來的發展趨勢。
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