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北京航空工程研究中心,北京 100076耿荣生
摘 要:介绍在罗马召开的第15届世界无损检测会议(WCNDT)的概况,简要阐述无损检测技术未来的发展方向。
关键词:无损检测;发展方向;射线检验;超声检验;涡流检验
中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2001)0120002204
NONDESTRUCTIVETESTINGINTHENEWMILLENNIUM:ANOVERVIEWOF15th
WORLDCONFERENCEONNONDESTRUCTIVETESTINGGENGRong-sheng
(BeijingAeronauticalTechnologyResearchCentre,Bejing100076,China)
Abstract:Anoverviewofthe15thWCNDTheldinRomewasgiven.Thestate2of2artofnondestructivetesting
techniqueswasdescribedandspecialattentionswerepaidtothetrendofthetechniques.
Keywords:Nondestructivetesting;Trend;Radiographictesting;Ultrasonictesting;Eddycurrenttesting
1 概述
国际无损检测界的奥林匹克盛会——第15届世界无损检测会议于2000年10月15～21日在意大利首都罗马召开。约有近2000名代表出席了这次会议,并有总计99家厂商在会议期间展出了其代表性无损检测仪器。与四年前在印度新德里召开的第14届会议不同的是,参加本次会议的外国代表(非意大利代表)占出席会议人数的绝大多数。我国出席这次会议的代表阵容也相当庞大,以主任委员耿荣生为团长、总干事徐永昌为副团长的我国无损检测学会代表团一行27人出席了这次大会,表面粗糙度仪 http://www.biaomiancucaoduyi.com 耿荣生还担任大会技术委员会委员。另外,国家质量技术监督局锅炉压力容器检测中心、清华大学和空军等单位也有多名代表参加了会议。
本次会议适逢无损检测技术诞生100周年,又逢新旧世纪交替和新旧千年相交,具有特殊意义。大会共收到来自54个国家的773篇论文,收入论文集的有663篇。我国学者向本次大会提交的论文总数为54篇,紧随德国(89篇)、俄罗斯(60篇)、法国(57篇)之后,与东道主意大利并列第四。本次会议的另收稿日期:2000211213一特点是论文集首次用CD2ROM出版,可很方便地用作者(Authors)、国家、方法(如ET,UT,RT)、应用领域(如boiler,automobile,aerospace,bridge)等众多关键词检索或用论文识别号(IDN)查寻。另外,有关会议的详细情况可在Internet网上(网址:表面粗糙度仪http://www.biaomiancucaoduyi.com)查找到。
我国参加这次大会的一个最重要收获是,中国无损检测学会申办2008年第17届世界无损检测会议的动议已在无损检测国际委员会(ICNDT)全体代表会议上获得通过,这标志着在未来几年内,我国无损检测工作者和无损检测学会的担子将会变得很重,但这也意味着我国无损检测工作的发展已得到世界公认。可以预见,在新的千年,我国无损检测工作将会变得更加活跃,并在世界无损检测界具有举足轻重的地位。
从本次会议论文的分布情况看,几大常规无损检测方法,特别是超声检测(UT)、涡流检测(ET)和射线检测(RT)仍占有极其重要的位置。在论文集收录的663篇论文中,排名前五位的是超声检测(250篇)、涡流检测(121篇)、射线检测(119篇)、声发射(AE)检测(38篇)和磁力检测(MT27篇),见图1。但是,应当注意,这已不是传统意义下的分类,每一方法实际都包含十分广阔的应用和研究领域。
2 无损检测技术的发展方向无损检测技术已历经一个世纪,其重要性在全世界已得到公认。有人说,现代工业是建立在无损检测基础上的,这句话其实并不为过。德国科学家就说过,无损检测技术是机械工业的四大支柱之一。美国前总统里根曾说,没有先进的无损检测技术,美国就不可能享有在众多领域的领先地位。确实,我们很难找到其它任何一个应用学科分支,其涵盖的技术知识之渊博、覆盖的基本研究领域之众多、所涉及的应用领域之广泛能与无损检测相比。统计资料显示,经过无损检测后的产品增值情况大致是,机械产品为5%,国防、宇航、原子能产品为12%～18%,火箭为20%左右。德国奔驰公司汽车几千个零件经过无损检测后,表面粗糙度仪 http://www.biaomiancucaoduyi.com 整车运行公里数提高了一倍。人们可能会对这些数字的准确和精确程度提出疑问,但对无损检测技术的重要作用却是不会有任何怀疑的。
在四年前印度新德里第14届世界无损检测会议上已初现端倪的无损检测技术发展趋势在本次会议上进一步得到肯定,这就是无损检测(NDT)技术正向无损评价(NDE:Non2DestructiveEvaluation)方向发展。无损检测技术不但要在不损伤被检对象使用性能的前提下,探测其内部或表面的各种宏观缺陷,判断缺陷的位置、大小、形状和性质,还应能对被评价对象的固有属性、功能、状态和发展趋势(安全性和剩余寿命)等进行分析、预测,并作出综合评价。显然,这是一个高得多的要求。
这次会议还明确提出无损检测技术应当为保护生态环境服务、为预防地球的温室效应服务、为提高人类生活质量服务。一些新的无损检测领域正在兴起,诸如生态环境无损检测技术等[1～3]。本次会议所展示的无损检测自动化装置也令人耳目一新,充分体现无损检测仪器的发展趋势,即检测的自动化、图象化、计算机化。另外,本次会议还强调要尽快将NDT的研究成果转化为市场产品,并给出成果转化速度的量化标准。
显然,在一篇文章中对无损检测的发展趋势进行详尽讨论几乎是不可能的。因此,笔者仅想就几个主要检测领域的发展情况发表自己的看法并进行一些讨论,以起到抛砖引玉的作用。
2.1 射线检测技术的发展趋势
首先阐述RT技术的发展趋势,是因为射线技术的实际应用迄今刚好100周年。1895年伦琴发现X射线,1900年X射线胶片问世,同年,法国海关开始用X射线检查物品,标志着无损检测技术正式开始实用化。会议对传统的胶片成象X射线检测技术、X射线数字成象技术(DR)、X射线工业CT、中子射线成象技术、康普顿散射技术等都有不少讨论,表明射线检测技术仍具强大生命力。在这些方面,本次会议揭示的射线检测技术正是过去工作的发展和延续[4]。
本次会议给人印象较深的是非胶片射线检测技术的发展。不可否认,传统的胶片显象技术在X射线检测中仍具有重要作用,在成象质量上,特别是当缺陷尺寸<0.25mm时,胶片图象质量要远优于DR。因此,人们仍在着眼于改进胶片质量和提高X射线本身及X射线系统的质量(如微焦距等技术),以提高成象质量,避免图象对比度受工件形状、大小、无损检测资源网被检材料晶粒大小和取向等因素的影响。但从本次会议看,非胶片X射线技术(CR,又称计算机化的射线技术)、Radioscopy技术已成为人们重点研究的课题。CR技术利用了图象荧光存储技术,用基于非晶硅的平板图象传感器制成的图象板代替过去一直使用的胶片盒。这种图象板具有电子读出系统并可反复使用,其外形见图2。
图2 数字图象板
通常意义下的DR(数字射线技术)在空间分辨力、视场大小和成本等方面都存在问题,且需要专门人员操作,并有可能存在用户受辐射污染问题。CR技术的主要特点是全视场、改进了的空间分辨力、高对比度、无需专门装置操作、用户不受辐射威胁及对射线焦点无特殊要求。在保持相同信噪比的情况下,数字图象板的曝光时间可缩短60%。由于是数字图象,它可很容易地进行远程数据传输,供分析使用和存储。目前,单个象素的尺寸一般是127Lm×127Lm。日本产的FlashMrtris图象板的有效感光区域是421mm×308mm,其象素可高达700万以上,远优于一般DR方法的分辨力。数字图象板的重要优点是它具有十分良好的线性响应和很宽的动态范围,这些特点对定量检测具有重要意义。图3是数字图象板与普通X胶片线性度的对比曲线。由图可看出,数字图象板的线性几乎近似于一条直线,远优
于成S状的普通X胶片[5,6]。
图3 输出信号与吸收剂量的关系曲线
CR技术目前已进入实用阶段,德国公司在检测欧洲一管道时已采用非胶片射线技术(图4)[7]。
图4 在Mülheim欧洲管道(Europipe)检测中采用非胶片射线技术
射线检测的另一重要应用是对材料性质进行分析。我国台湾学者报道说,已研制成功微焦点(1Lm)X射线成象技术,用于检测大规模集成电路和精细材料中的超微缺陷。另外,X射线CT技术已在乌克兰用于对超轻金属结构进行分析,这种超轻金属在工业上有极其重要的应用价值。此外,X射线散射成象技术也已用于材料结构的分析。
2.2 超声检测
本次会议上有关超声检测的论文数仍遥遥领先于其它检测方法,说明超声检测仍然是应用最广的技术。超声检测的发展集中体现在自动化、无耦合和复合材料检测技术研究等方面。另外,超声换能器技术,特别是复合材料压电换能器和100MHz以上超高频换能器等也是研究重点。虽然超声检测的研究和应用领域正不断扩大,特别是用于进行材料分析和确定结构损伤程度上,但总体而言,超声检测更多的进展还是在仪器和检测自动化程度上。英国Sonatest公司展示的超声波管道机器人探测器给人留下深刻印象,在管道接头处,该爬行器可自动调节位置和角度,使超声波探头始终处于良好耦合状态。
意大利航空公司展示的飞机发动机内壁和叶片等结构件的超声波自动检测装置也是超声检测自动化的代表作,这种机器人操纵系统采用CAD(计算机辅助设计)或CATIA(计算机增强的三维交互作用设计)技术,扫查装置使用五维操纵器,由计算机进行五轴控制,将换能器置于任意形状结构件需要探测的位置,五轴分别是X,Y,Z,旋转轴(Swivel)和万向接头(Gimbal)。
无耦合(或空气耦合)超声技术在本次会议上也占有重要地位,无论是论文还是展示的仪器都表现了这一趋势[8,9],这是由生产实践,特别是航空航天中的一些特殊应用要求而产生的。目前可用的技术有空气耦合式超声波换能器、电磁声(EMAT)换能器和激光超声波发生器等。过去,由于空气耦合需要使用大功率换能器,其工作频率都不是很高。这一技术目前发展很快,已研制出多通道系统,可对复合材料板进行快速大面积检测。目前,检测速度可达1m2ömin。美国QMI公司已生产出商品化的空气耦合式数字超声波探伤仪,其性能并不比常用普通超声波探伤仪逊色。意大利空军已将这种技术用于飞机(水平尾翼)复合材料检测中。适于外场使用的120kHz便携式空气耦合超声波探伤仪目前已投入使用[8]。英国Cranfield大学的学者在会议上介绍了用亲水型聚酯作固体耦合剂,成功地将空气耦合超
声检测技术用到5MHz以上频率[9]。
2.3 涡流检测技术
本次会议所反映的涡流检测技术发展主要表现在仪器上,特别是多频涡流检测仪器、涡流成象、阵列探头检测技术和自动化检测技术。一些新的检测理论,如远场涡流理论等在论文集中反而体现很少。英国Hocking公司推出了飞机起落架轮毂自动检测装置(WheelScanMKIV)、双频和多频便携式涡流检测仪以及适用于各种检测场合的涡流探头,代表了涡流检测仪器的先进水平。
2.4 无损检测软学科技术的发展
对无损检测技术可靠性的研究是历次世界无损检测会议的重点,这次也不例外。对被检对象(如飞机)进行无损检测后,我们必须回答的一个问题是,所获得的检测结果的可靠性(置信度)究竟有多高。无损检测资源网为了确保无损检测工作的可靠性,实施质量控制,对检测结果可靠性进行定量评价是十分必要的。该领域的研究内容包括确定各种不同探伤方法的裂纹检出概率(POD)与裂纹尺寸的关系曲线,以及确定检测结果的置信程度。从这次会议反映的情况来看,首先是重视对某一确定部件采用各种检测方法时的POD曲线和可靠性指标对比,从而确定最优选择。其次,对一些重要部件,本次会议多篇论文强调,不应当仅使用一种检测方法。这在飞机结构件的检测中表现最为突出,一般都使用两种,甚至三种检测方法互相验证。
为提高无损检测结果的可靠性,本次会议反映的另一重要发展方向是强调人员培训、人员资格认证工作的规范化、国际化(互认)。欧洲在这方面已进行了大量工作[10]。充分发挥信息网的优势,使广大无损检测工作者能通过互联网进行信息交换、资源共享,是这次大会的又一重要特点。本次会议上,无损检测国际委员会(ICNDT)专门成立了英特网工作组,解决ICNDT成员在网上进行交流的问题。ICNDT的一
些重大决定已可用网上投票的方法来产生[11]。这次会议的一家特别赞助商就是网络公司NDT.net,会议论文和会议组织工作不少都是在其配合下完成的。由于中国无损检测学会将举办2008年的WCNDT,应尽快组织人力把学会的网站办得更好。
3 我们面临的挑战
在新的世纪,我国无损检测面临的任务和挑战都是空前的,反过来,这也赋予我国无损检测一个大好发展时机。人是立足之本,设备是获胜关键。在新的世纪,为全面提高我国无损检测技术水平,我们主要也应从这两方面切入。
3.1 建立一支高素质的NDT技术队伍
“谁拥有NDT技术人才,谁就拥有NDT市场”,这句话将在新世纪得到完全验证。无损检测技术的可靠性与执行检测的人员素质密切相关,新型
NDT仪器的研制也要靠人来实现。因此,培养高素质的NDT从业人员,加强NDT人员技术培训工作是我们首先应当重视的问题。
我国即将加入WTO,全球经济、贸易一体化是新世纪经济发展的一个主要标志。本次会议所反映的一个不争事实是,外国NDT公司已瞄准加入
WTO后的我国无损检测市场,包括商业市场和人才市场两个方面。在我国经济贸易融入世界的同时,我们也必须考虑如何使我国的无损检测事业融入世界,这样,在一些跨国企业、跨国项目的检测中,我国无损检测技术人员才能占有一席之地。因此,我国无损检测人员的资格认证应当以国际标准ISO9712—1999为依据。如何对现行无损检测人员技术资格认证方法进行修改,改变我国人员资格认证以部门划界的现象是摆在我们面前的一项重要任务。
3.2 研制和开发高智能化无损检测仪器
电子技术和微计算机技术的迅速发展为研制高度智能化的无损检测仪器奠定了良好基础。未来的NDT仪器应当具有如下特征:(1)模块化和插卡化 各种无损检测卡(含数据采集和数据处理及接口的插卡)将大量问世,借助于高速、高容量计算机,无损检测仪器的研制变得十分容易。德国KK公司和法国Sofratest公司在这方面已经走在前面。
(2)高智能化和图象显示功能 未来的无损检
测仪器应当是高度智能化的,且检测结果可用图象显示出来。高智能化表现在具有良好的用户友好界面,它能开机后自检;用菜单选择仪器测试参数;可调用或可存储仪器设定参数(探伤工艺)及与主计算机进行通讯或传输数据。图象显示技术目前已取得很大进步,但在X射线实时成象、磁检测结果成象和声发射源成象显示等方面还有许多工作要做。
(3)数据库及自识别功能 未来无损检测仪器
的一个最重要进步是具有对被检对象的缺陷类型进行自动识别以及对被检对象的状态进行自动评价的功能。因此,它应当拥有比较完备的数据库和专家评判系统。这是一项极富挑战性的工作。
(4)自动检测系统的研制 各部门对无损检测
技术的要求是提高检测自动化程度和缩短检测时间。在环境特别恶劣的地方,自动检测系统更具有决定意义。目前,各种自动检测仪器的发展相当快,把握这方面的发展动态、跟上国际发展潮流是十分必要的。由于国外自动检测设备价格十分昂贵,在这方面投入研究具有重大意义。
新的世纪、新的千年,随着中国加入WTO和经济的迅速发展,我国NDT事业必将有大的发展,预计近期我国的无损检测工作可能会发展更快一些。
2.2 应用实例
在图1所示的射线数字成象系统上首先用均匀等厚钢板获取了25幅背景图象,然后叠加平均消除随机噪声,得到修正矩阵,即背景图象。实验条件为射线源管电压200kV,管电流5mA,钢板厚度10mm,CCD相机曝光时间78s,暗电流图象采集时间60s。图6a为分辨力板的X射线数字成象原始图象,图6b为校正后的图象,图中四组分辨力线为1,1.6,2和2.5lpömm。应用式(1)和式(3)校正该图象的固有特性噪声,然后滤除射线引起的脉冲噪声。校正后,可明显看出成象屏的缺陷和图象灰度的无损检测资源网渐晕性得到了有效校正,改善了图象质量。
3 结论
通过实验研究了X射线数字成象中存在的噪声源及其特性,并探讨了消除成象系统噪声的方法。实验与分析表明,在射线数字成象中,成象系统的一部分噪声是有规律的,并非完全随机分布,而这种有规律的噪声在总的噪声中可能占有很大的成分。采用本文提出的方法,能够有效消除成象系统的(a)(b)图6 分辨力板校正前后图象固有特征噪声,大大提高图象质量,有利于识别缺陷和改善视觉效果。得出结论如下:(1)X射线数字成象系统的噪声主要来源于CCD相机、成象屏和射线对CCD的作用。
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