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        基于TBM 和TPA 方法的無損檢驗技術成熟度分析

        2022-05-30 08:35:56尤衛(wèi)宏張衛(wèi)東李子軒
        科學技術創(chuàng)新 2022年16期
        關鍵詞:分析檢測方法

        王 昭 尤衛(wèi)宏 常 宇 張衛(wèi)東 李子軒

        (海洋石油工程股份有限公司,天津300452)

        無損檢測技術廣泛的應用在工業(yè)生產(chǎn)中的各個領域。以石油工程建設為例,常用的基本無損檢測方法有以下四種:超聲檢測UT(Ultrasonic Testing)、射線檢測RT (Radiographic Testing)、磁 粉 檢 測MT(Magnetic particle Testing)、滲透檢測PT(Penetrant Testing)。目前無損檢測在很多領域的生產(chǎn)一線上,其檢驗方法已經(jīng)較為固定,但是在文獻情報方面,對于該領域的技術成熟度,尚未有一個回顧與梳理。本文使用TBM 和TPA 這兩種技術成熟度研究方法,對檢驗方法進行了分析。

        1 無損檢驗技術

        無損檢驗技術(Nondestructive testing),是指對于被檢驗物體,沒有破壞性測試方法的進行其完整性、缺陷探測,探傷等。在與金屬焊接相關的領域,無損檢驗可以說是質(zhì)量安全的生命線。無損檢測廣泛應用在機械、軍工、石油、船舶、能源工程、管道等工程建設的各個領域。

        超聲檢驗是以設備向外發(fā)射高頻超聲波,然后接收并分析回波的波特性,進而分析被檢物體內(nèi)部特性的一種技術。超聲檢驗需要與被測物體緊密接觸,并使用具有良好聲傳導特性的液體作為耦合劑。目前工業(yè)用手工超聲設備已經(jīng)做到小型化,自動化檢驗的技術也已經(jīng)越來越完善。射線檢驗則是將待測物體放置在射線源與底片中間,通過記錄射線經(jīng)過物體后在膠片上的圖像,分析物體的內(nèi)部特性。射線檢驗有輻射風險,同時傳統(tǒng)射線檢驗洗膠片會產(chǎn)生大量的廢液,對環(huán)境造成一定的負擔。目前在海洋石油工程建設中,射線檢驗正逐步向不使用膠片的數(shù)字化射線(DR)發(fā)展。磁粉檢驗通過磁化被測物體并向表面噴灑磁性懸浮液,利用缺陷處的磁場更強的特性,來檢驗近表面的缺陷。在石油工程領域,磁粉檢驗通常作為手動超聲檢驗盲區(qū)的補充。滲透檢驗則是利用液體表面張力的特性,檢驗物體的表面缺陷。

        2 技術評判方法

        技術的發(fā)展,科技論文與專利,都是對技術發(fā)展的一個記載。每個技術都有發(fā)展程度,技術成熟度可以描述這一現(xiàn)象,常用的方法是對載體數(shù)量進行分析。對于論文和專利的分析,就分別是技術文獻計量方法(Technology Biblio Metrics,TBM)和技術專利分析方法(Technology Patent Analysis,TPA)[1]。

        SCI-E 庫是SCI 核心庫中的網(wǎng)絡在線版本部分,SCI數(shù)據(jù)庫是1961 年由美國科學信息研究所創(chuàng)辦的引文數(shù)據(jù)庫,它是國際公認的進行科學統(tǒng)計與科學評價的主要三大科技文獻檢索工具之一。德溫特(Derwent Innovations Index)庫是Clarivate 公司創(chuàng)辦的國際專利索引庫,該數(shù)據(jù)庫收錄了上世紀六十年代以來各領域約7 000 萬份專利文獻,涵蓋了不同國家、不同領域,收錄全面[2]。選取這兩個數(shù)據(jù)庫,能較大程度的覆蓋到國際中相關載體的記錄,涵蓋人類智慧的積累,進而描述技術發(fā)展的歷史與趨勢。

        技術生命周期理論表明,每一個技術的發(fā)展都會經(jīng)歷萌芽期、成長期、成熟期、衰退期,其發(fā)展趨勢如圖1 所示[2]。

        圖1 技術發(fā)展趨勢圖

        3 技術發(fā)展模型

        G.S.Altshuller[3]認為,技術的發(fā)展可以定量為一條用數(shù)學公式擬合的曲線,常用的曲線為以下兩種:

        3.1 指數(shù)增長模型

        指數(shù)增長模型,其曲線類似于一條指數(shù)方程,其增長非常迅速。在技術成長期,通常比較符合指數(shù)模型。

        式(1)中,t 代表時間(年度),a 是一個定值,代表著最開始的載體數(shù)量,b 是一個定值,代表時間常數(shù),反映了該年度載體的累積量與上一年度的累積量的比值,e 為自然對數(shù)(2.7182…)。

        3.2 Logistic 增長模型

        普賴斯[4]認為,指數(shù)增長模型只存在于技術發(fā)展初期,對于技術發(fā)展中期及之后,其增長放緩,勢必會脫離指數(shù)階段的快速增長期。因此,提出了著名的Logistic 增長曲線增長的理論和模型。

        y 為已有載體累積值與理論上所能發(fā)表的最大值的比值,可以表征技術成熟度[5]。

        4 技術分析結(jié)果

        4.1 專利分析結(jié)果

        對于UT、MT、PT、RT 四種技術的每年累積專利數(shù)進行擬合,在指數(shù)模型與logistic 模型中,選取擬合度較高的結(jié)果進行分析。擬合結(jié)果如圖2 所示。

        圖2 不同檢驗方法累計專利數(shù)的曲線擬合圖

        可以看出,四種檢驗方式的專利數(shù)UT、PT 為指數(shù)型增長,MT、RT 符合logistic 型增長,其理論最大專利量為28821、2350 篇。圖中可見,在2000 年以前,其文獻增長速度均呈現(xiàn)較慢態(tài)勢,在2000 年之后,各個技術的專利數(shù)量開始先后有了較大幅度的上升。根據(jù)式(3)計算成熟度,截至2021 年MT、RT 的專利技術成熟度分別為20%、59%,表明MT 尚處于成長期,而RT 也處于成長期的后期。而UT、PT 符合指數(shù)型增長,說明該領域目前涉及到的專利在近期有突破性發(fā)明,這也可以從圖中看出,PT 其在近兩年有著突破式的增長。

        4.2 SCI-E 論文分析結(jié)果

        如圖3 所示,對四種無損檢驗方法的論文數(shù)量進行檢索、分析,可以看出,四種檢驗方法均符合logistic 型增長方式。四種檢驗方法的年發(fā)表論文數(shù)呈上升趨勢,與專利分析結(jié)果對比,論文數(shù)量在2000 年以前的也是呈緩慢增長,但是其年增長速率要明顯比專利年增長速率均勻。UT、MT、PT、RT 的理論文獻數(shù)分別為73776、24419、2260、21201 篇。計算其成熟度,UT、MT、PT、RT 分別為31%、38%、55%、62%,以科技文獻數(shù)而言尚未達到成熟期,其每年發(fā)表的論文數(shù)均呈上升趨勢。

        圖3 不同檢驗方法累計論文數(shù)的擬合分析

        結(jié)合專利分析結(jié)果可以看出,四種傳統(tǒng)檢驗方式均未達到技術成熟期。分析專利與論文檢索結(jié)果,在目前而言,檢驗領域具有結(jié)合其它領域發(fā)展成果快速發(fā)展的趨勢。自動化、數(shù)字化、智能化等,都是能使得傳統(tǒng)的檢驗方式在不同的應用領域進行新的突破的良好助力。以UT 為例,全自動超聲波檢測技術(AUT)、相控陣超聲波檢驗技術(PAUT)[6]等新興工業(yè)檢驗方式在近年來應用領域、條件更加寬廣、檢驗方式更加成熟。其自動化檢驗設備,可以做到自動采集、存儲數(shù)據(jù),及智能化的數(shù)據(jù)初步分析、風險提醒等,較之手工超聲檢驗,效率更高、且檢驗結(jié)果可存儲,目前已基本覆蓋管道建設的焊接檢驗中。

        在RT 方面,數(shù)字化射線技術在工業(yè)界中的應用也漸漸推廣。傳統(tǒng)海洋工程建設中,由于受船舶作業(yè)條件的影響,射線設備通常以適應作業(yè)條件為首要因素。數(shù)字化射線技術由于采用數(shù)字化曝光、數(shù)字化圖像、數(shù)字化存儲,作業(yè)速度進一步提升,且不涉及膠片和廢液,是一種先進、高效、環(huán)保的技術。

        MT 和PT,由于其作業(yè)方式涉及到液體及配方,因此隨著材料科學的進步,也伴隨著一定的專利、論文發(fā)展。

        5 結(jié)論

        通過技術成熟度分析,四種無損檢測方法無論是從專利數(shù)量還是從論文數(shù)量,均處于技術成長期,尚具有較大的增長空間。自動化、數(shù)字化、智能化等其它領域的成果,都是能使得傳統(tǒng)的檢驗方式在不同的應用領域進行新的突破的良好助力。

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