基于TBM 和TPA 方法的無損檢驗(yàn)技術(shù)成熟度分析

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(cè)技術(shù)廣泛的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域。以石油工程建設(shè)為例，常用的基本無損檢測(cè)方法有以下四種：超聲檢測(cè)UT（Ultrasonic Testing）、射線檢測(cè)RT （Radiographic Testing）、磁 粉 檢 測(cè)MT（Magnetic particle Testing）、滲透檢測(cè)PT（Penetrant Testing）。目前無損檢測(cè)在很多領(lǐng)域的生產(chǎn)一線上，其檢驗(yàn)方法已經(jīng)較為固定，但是在文獻(xiàn)情報(bào)方面，對(duì)于該領(lǐng)域的技術(shù)成熟度，尚未有一個(gè)回顧與梳理。本文使用TBM 和TPA 這兩種技術(shù)成熟度研究方法，對(duì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行了分析。

1 無損檢驗(yàn)技術(shù)

無損檢驗(yàn)技術(shù)（Nondestructive testing），是指對(duì)于被檢驗(yàn)物體，沒有破壞性測(cè)試方法的進(jìn)行其完整性、缺陷探測(cè)，探傷等。在與金屬焊接相關(guān)的領(lǐng)域，無損檢驗(yàn)可以說是質(zhì)量安全的生命線。無損檢測(cè)廣泛應(yīng)用在機(jī)械、軍工、石油、船舶、能源工程、管道等工程建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。

超聲檢驗(yàn)是以設(shè)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(jìn)而分析被檢物體內(nèi)部特性的一種技術(shù)。超聲檢驗(yàn)需要與被測(cè)物體緊密接觸，并使用具有良好聲傳導(dǎo)特性的液體作為耦合劑。目前工業(yè)用手工超聲設(shè)備已經(jīng)做到小型化，自動(dòng)化檢驗(yàn)的技術(shù)也已經(jīng)越來越完善。射線檢驗(yàn)則是將待測(cè)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(yàn)有輻射風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)傳統(tǒng)射線檢驗(yàn)洗膠片會(huì)產(chǎn)生大量的廢液，對(duì)環(huán)境造成一定的負(fù)擔(dān)。目前在海洋石油工程建設(shè)中，射線檢驗(yàn)正逐步向不使用膠片的數(shù)字化射線(DR）發(fā)展。磁粉檢驗(yàn)通過磁化被測(cè)物體并向表面噴灑磁性懸浮液，利用缺陷處的磁場(chǎng)更強(qiáng)的特性，來檢驗(yàn)近表面的缺陷。在石油工程領(lǐng)域，磁粉檢驗(yàn)通常作為手動(dòng)超聲檢驗(yàn)盲區(qū)的補(bǔ)充。滲透檢驗(yàn)則是利用液體表面張力的特性，檢驗(yàn)物體的表面缺陷。

2 技術(shù)評(píng)判方法

技術(shù)的發(fā)展，科技論文與專利，都是對(duì)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)記載。每個(gè)技術(shù)都有發(fā)展程度，技術(shù)成熟度可以描述這一現(xiàn)象，常用的方法是對(duì)載體數(shù)量進(jìn)行分析。對(duì)于論文和專利的分析，就分別是技術(shù)文獻(xiàn)計(jì)量方法（Technology Biblio Metrics，TBM）和技術(shù)專利分析方法（Technology Patent Analysis，TPA）[1]。

SCI-E 庫是SCI 核心庫中的網(wǎng)絡(luò)在線版本部分，SCI數(shù)據(jù)庫是1961 年由美國(guó)科學(xué)信息研究所創(chuàng)辦的引文數(shù)據(jù)庫，它是國(guó)際公認(rèn)的進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)與科學(xué)評(píng)價(jià)的主要三大科技文獻(xiàn)檢索工具之一。德溫特（Derwent Innovations Index）庫是Clarivate 公司創(chuàng)辦的國(guó)際專利索引庫，該數(shù)據(jù)庫收錄了上世紀(jì)六十年代以來各領(lǐng)域約7 000 萬份專利文獻(xiàn)，涵蓋了不同國(guó)家、不同領(lǐng)域，收錄全面[2]。選取這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫，能較大程度的覆蓋到國(guó)際中相關(guān)載體的記錄，涵蓋人類智慧的積累，進(jìn)而描述技術(shù)發(fā)展的歷史與趨勢(shì)。

技術(shù)生命周期理論表明，每一個(gè)技術(shù)的發(fā)展都會(huì)經(jīng)歷萌芽期、成長(zhǎng)期、成熟期、衰退期，其發(fā)展趨勢(shì)如圖1 所示[2]。

圖1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)圖

3 技術(shù)發(fā)展模型

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

3.1 指數(shù)增長(zhǎng)模型

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

式(1)中，t 代表時(shí)間（年度），a 是一個(gè)定值，代表著最開始的載體數(shù)量，b 是一個(gè)定值，代表時(shí)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(duì)數(shù)（2.7182…）。

3.2 Logistic 增長(zhǎng)模型

普賴斯[4]認(rèn)為，指數(shù)增長(zhǎng)模型只存在于技術(shù)發(fā)展初期，對(duì)于技術(shù)發(fā)展中期及之后，其增長(zhǎng)放緩，勢(shì)必會(huì)脫離指數(shù)階段的快速增長(zhǎng)期。因此，提出了著名的Logistic 增長(zhǎng)曲線增長(zhǎng)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(shù)成熟度[5]。

4 技術(shù)分析結(jié)果

4.1 專利分析結(jié)果

對(duì)于UT、MT、PT、RT 四種技術(shù)的每年累積專利數(shù)進(jìn)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(jìn)行分析。擬合結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同檢驗(yàn)方法累計(jì)專利數(shù)的曲線擬合圖

可以看出，四種檢驗(yàn)方式的專利數(shù)UT、PT 為指數(shù)型增長(zhǎng)，MT、RT 符合logistic 型增長(zhǎng)，其理論最大專利量為28821、2350 篇。圖中可見，在2000 年以前，其文獻(xiàn)增長(zhǎng)速度均呈現(xiàn)較慢態(tài)勢(shì)，在2000 年之后，各個(gè)技術(shù)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(jì)算成熟度，截至2021 年MT、RT 的專利技術(shù)成熟度分別為20%、59%，表明MT 尚處于成長(zhǎng)期，而RT 也處于成長(zhǎng)期的后期。而UT、PT 符合指數(shù)型增長(zhǎng)，說明該領(lǐng)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(zhǎng)。

4.2 SCI-E 論文分析結(jié)果

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

圖3 不同檢驗(yàn)方法累計(jì)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(yàn)方式均未達(dá)到技術(shù)成熟期。分析專利與論文檢索結(jié)果，在目前而言，檢驗(yàn)領(lǐng)域具有結(jié)合其它領(lǐng)域發(fā)展成果快速發(fā)展的趨勢(shì)。自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化等，都是能使得傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方式在不同的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行新的突破的良好助力。以UT 為例，全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)（AUT）、相控陣超聲波檢驗(yàn)技術(shù)（PAUT）[6]等新興工業(yè)檢驗(yàn)方式在近年來應(yīng)用領(lǐng)域、條件更加寬廣、檢驗(yàn)方式更加成熟。其自動(dòng)化檢驗(yàn)設(shè)備，可以做到自動(dòng)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，及智能化的數(shù)據(jù)初步分析、風(fēng)險(xiǎn)提醒等，較之手工超聲檢驗(yàn)，效率更高、且檢驗(yàn)結(jié)果可存儲(chǔ)，目前已基本覆蓋管道建設(shè)的焊接檢驗(yàn)中。

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

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(xué)的進(jìn)步，也伴隨著一定的專利、論文發(fā)展。

5 結(jié)論

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