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超声无损检测应用现状及发展前景

浏览量:132次发布时间:2020年06月30日

超声无损检测介绍

无损检测是指在不损害或不影响被检测对象使用性能,不伤害被检测对象内部组织的前提下,利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化,以物理或化学方法为手段,借助现代化的技术和设备器材,对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法。


无损检测是保障工业安全发展的有效工具,在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平,无损检测的重要性已得到公认,常规的检测方法主要有超声检测(UT)、射线检验(RT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)和涡流检测(ET)等。


超声检测的根本原理是超声在遇到声阻抗不同的界面时,会发生反射、透射和散射等效应。通过超声波与试件的相互作用,对声波的反射、透射和散射波进行研究,对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化等的检测和表征等。

超声波检测的优点:

(1)适用范围广,可对金属、非金属和复合材料等多种试件进行检测。

(2)缺陷定位较准确,对面积型缺陷的检出率较高。

(3)灵敏度高,可检测试件内部尺寸很小的缺陷。

(4)检测成本低、速度快,设备轻便,对人体及环境无害,现场使用较方便。


超声波检测的缺点:

(1)对缺陷的取向有要求,与声束平行的缺陷难以检测出。

(2) 对材料晶粒度有一定要求,对于衰减较大的材料,检测较为困难。

(3)对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难;该点在相控阵技术推广使用后,有很大的改善,很多复杂形状的工件检测问题利用相控阵技术也得到了较好的解决。


世界超声无损检测发展概述

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超声无损检测技术(UT)作为五大常规检测技术之一,具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无害以及便于现场使用等特点,世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。目前,国外工业发达国家的无损检测技术已逐步从无损探伤和无损检测向无损评价过渡。全球超声检测的一个发展趋势是自动化和人工智能化。受工业4.0的渗透和影响,超声检测已逐步向人工智能化发展。如一些专用软件或设备,已逐渐向自动识别缺陷的方向发展,使用自适应专家网络对数据进行分析。


无损检测行业的应用领域逐渐扩大,无损检测市场也随之打开。根据MarketsandMarkets 发布的新的研究报告显示,2018年无损检测(NDT)市场价值为156.7亿美元,预计到2024 年将达到231亿美元,在2019~2024年预测期内的复合年增长率为6.7%。而在这庞大的市场下,超声检测部分还将占据大的市场份额,约占无损检测市场份额的30%~40%。根据英国无损检测研究所的数据,每天在英国的工厂和现场进行超过25,000次的无损检查,以检测各种产品、结构中的缺陷和损坏;据估计,全球有超过120,000名检测员。


无损检测区域分布整体不太均衡,据《全球无损检测仪器市场现状调查及投资前景预测报告》调研显示:美国是最大的无损检测仪器市场,每年平均占全球无损检测仪器产业的38.79%;其次是欧洲和日本,占全球总产业的43%左右。在该行业中占据重要地位的其他主要地区包括中国和一些工业国家。近年来,中东、东南亚发展态势也非常好。


中国超声无损检测发展状况

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中国工业超声检测近几十年来发展迅速,几乎涵盖了所有的工业领域,如钢铁工业、机械制造业、锅炉压力容器、石油化工、铁路运输、造船、航空航天、电力核电等。目前超声检测大量应用于金属材料和构件,近年来对于新兴的复合材料的应用也越来越广泛。


理论研究方面,我国也在逐渐缩小与国际先进技术的差距,很多超声数字信号处理包括人工智能、神经网络、模式识别、多种扫描成像等技术已达到或接近国际先进水平,为我国超声无损检测技术的持续发展提供了保证。


设备研发方面,超声检测设备中,国内几家为首的公司已经研发出最先进的全聚焦技术,并正在与实际的工程应用相结合,逐渐梳理出一套可执行的标准或规范出来,推进新技术的应用。


超声检测行业也渐渐有与大数据融合的趋势。目前,一些重点的石油石化企业已经开始构建系统的大数据管理,超声检测作为质量检测的重要一环,也被纳入到大数据系统中,对管道及设备的监管也趋于系统化、深入化。


中国的无损检测市场近年来呈现出强劲的发展态势,基于经济的快速增长,中国是无损检测发展最具潜力的市场之一。据市场现状调研分析,2018年我国无损检测市场规模约43.62亿元,预测到2023年将达到77.8亿元的市场规模,2019~2023预测期内复合年增长率约为12%;2018年超声市场份额约14.4亿元,预测到2023年将达到27亿元,2019~2023预测期内的复合年增长率为13.5%。


中国超声无损检测在行业的应用情况

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铁路及高铁行业

过去几年间,中国铁路尤其是高铁呈现出快速发展的态势。2018年底,中国高铁运营里程超过2.9万公里,占全球高铁运营里程的三分之二以上,超过其他国家运营里程的总和。2019年,计划确保投产高铁新线3200公里。根据国家高铁路线规划,到2020年,路网布局优化完善。全国铁路营业里程达到15万公里,其中高速铁路3万公里,复线率和电气化率分别达到60%和70%左右,基本形成布局合理、覆盖广泛、层次分明、安全高效的铁路网络。


铁路的安全运营是重中之重,国家对铁路线路及列车安全检测的重视程度也不断提升。对铁路系统的无损检测,尤其是在役超声检测受到了青睐。目前,针对钢轨的超声检测主要包含了母材检测和钢轨焊缝检测;而对于列车,由于车型复杂,检测的部位包含了车轴、轮对、空心轴、车轴轮座、车轮、曲轴、制动盘以及螺栓的超声波检测等。


对于钢轨的检测,近年来国内各铁路局及企业逐渐引进了大型钢轨探伤车,取得了一定的使用效果。通过对重载列车的地方铁路就钢轨探伤模式及设备使用情况进行了调研,国内大型钢轨探伤车多采用美国Sperry常规超声探伤技术,还有一些铁路段采用国产手推式钢轨小车(多通道超声)进行检测。


我国铁路网规模快速发展,高铁速度不断提升,列车行走里程也不断增加,前期投入使用的一些关键部件集中进入疲劳期,这对机车车辆安全保障技术和检修技术提出了更高的要求。目前,国内一些龙头企业基本可以实现机车关键部件的半自动超声检测,建立健全机车综合检测体系,并挖掘海量检测数据背后的规律,实现智能化健康体系监管和安全保障体系是未来的发展趋势之一。在此过程中,超声检测作为核心的保障手段将不断地与机械体系、智能数据分析等融合到一起,实现自身价值的飞跃。据不完全统计,高铁检测成套设备达十亿元量级,而超声设备及其配附件,作为核心的检测部件,其市场容量约有2亿元份额。全国18个铁路局( 公司) 每年用于检修设备更新改造的投入约占全年更新改造投入的10%,预计未来3~5年仍将保持,这也就确保了超声检测份额每年逐步稳定增加。


核 电

世界核协会年度报告显示,2018年全球核发电量超过2500亿千瓦时,占全球电力供应的10.5%。根据世界核协会的数据,中国计划到2019年5月建造43座核反应堆。因此,对这些发电厂的维护需求也将增加,而这反过来又将为无损测试领域创造一个市场。据初步预测,2018年国内核电超声检测的份额约1亿元,随着维护需求的增加,每年会以约5%的速度稳定增长。


应用在核电的无损检测方法主要是超声检测、涡流检测和射线检测。目前,超声检测广泛应用于反应堆压力容器筒体焊缝及接管焊缝、反应堆压力容器主螺栓、燃料组件、控制棒束组件、蒸汽发生器筒体焊缝及接管焊缝、稳压器筒体焊缝、主管道焊缝以及汽轮机叶根叶片等。由于核电自身的特殊性,业主对检测实施单位的检测质量和检测效率要求很高,以确保核安全。相控阵超声等新技术近年来也已广泛应用在核电装备的检测上。超声检测在核电应用上的发展主要体现在以下几个方面:

1提升自动化检测程度,因为在役检测环境涉及高辐射、密闭空间等复杂环境,为了减少对人体的伤害,开发自动检测机器人是非常必要的。

2针对复杂构件,发展更为先进的检测模式和超声数据处理方式,以克服常规超声检测复杂构件缺陷难以判别的问题。

3进一步提升检测效率、缩减检测工期。


航空航天

航空航天领域中由于其特殊的用途,对于检测精度的要求比其他行业普遍偏高。我国航空航天工业的无损检测从20世纪50年代就开始了,其中超声检测为常用的无损检测手段。超声检测的适用范围非常广泛,从检测对象的材料而言,可用于各类金属材料和非金属材料;从检测工件的制造工艺而言,可以是锻件、铸件、焊接件、复合材料构件等;可以检测板材、管材、棒材等。


在超声检测技术方面,很多先进的技术都已在航空航天界广泛使用。如各类水浸C扫描系统、喷水穿透式检测系统、相控阵技术以及全聚焦等,从缺陷的检测测量到应力测量、从超薄涂层精密测厚到材料晶粒度评估,超声检测凭借其检测精度高、无污染、检测速度快等优势,在航空航天界发挥着重要的作用。


目前,比较典型的应用集中在发动机和机体的两大类检测中。发动机的典型应用有发动机涡轮盘、环形锻件、空心涡轮叶片等。机体的典型检测有钛合金、铝合金及钢的棒材、管材、板材缺陷测量;碳纤维或玻璃纤维增强复合材料构件的缺陷检测;蜂窝胶接结构胶接质量的检测等。


航空航天领域的无损检测中,超声波检测作为近年来无损检测市场最大的增长点,为整体行业收入贡献了31.1%,预计超声检测市场份额在近亿元。且目前超声检测已成为了航空航天创新的温床,所占份额会不断增长,预计到2024年会有1.8亿的市场份额。


石油石化

权威数据显示,目前国内油气管道里程为12万公里,占世界总量不足3%,未来行业发展的空间仍然巨大。按照国家“十三五”规划,到“十三五”末,仅中国长输油气管道的总里程将超过16万公里,这对于无损检测行业也是极大的机遇。


“十三五”规划后续的新建管道安排如下:

1天然气管道方面:规划建设跨境跨区干线管道中亚天然气管道D线、中俄东线、西气东输四线和五线、川气东送二线、青岛—南京、青藏天然气管道等。


2原油管道方面:规划完善中哈原油管道增输工程,新建中缅原油管道国内段、实施海上进口通道的日照-仪征管道增输,新建日照-濮阳-洛阳、董家口-齐鲁-东营、日照港-沾化等原油管道。


3成品油管道方面:规划建设东北到华北、华中的锦州-郑州成品油管道,新建樟树-株洲、湛江-北海、洛阳-三门峡-运城-临汾、三门峡-西安等成品油管道。

目前,对于较大型的输气管道,基本都是100%超声检测+100%射线检测,对于要求不太严格的区段也是100%超声检测+10%~20%射线检测。按照文中提到的12万公里的管道里程,一套检测焊缝的设备约40万,2019年超声检测的市场容量约有2.5亿元。


石油石化超声检测的重点是不同管径输油输气管道的腐蚀和焊缝检测。目前超声相控阵已成熟应用到中石油、中石化等部分管线上,其检测工艺和检测效果基本满足了常规管道的检测需求。


风 电

根据世界风能协会(WWEA)的最新初步数据统计,2018年全球新增53.9GW的风电装机,相比于2017年(52.55GW)有微弱增长,中国以25.9GW继续大幅度领跑,远远高于第二名美国的7.6GW。然而风电迅速发展的背后,风机事故也时有发生,世界巨头GE公司在2019年已经发生了5起风电机组倒塌事故。目前,中国有风电机组接近15万台,每台风机的造价大约为1500万元,风机倒塌造成的经济损失非常巨大。因此,对风机关键部件的定期检测、维修和维护越来越受到业内专家的重视。


目前,风电领域超声检测主要集中在叶片、轴承以及各类螺栓上。叶片检测比较先进的手段是采用自动扫查装置,手工检测由于价格低、检测灵活也占有一定的比例。相控阵技术检测风电螺栓近几年飞速发展,技术成熟可靠,基本能满足在役检测的需求,但由于还欠缺行业统一的规范和准则,暂时还未实现大规模的推广。相信随着风电市场的不断规范,市场存量不断增大,风电检测会迎来跨越式发展。


据风电部门统计,风电叶片螺栓的年断裂概率约2.5%,存在巨大的安全隐患。以现有15万台风机的存量来估算,每100台风机配备一台30万的检测设备,预计未来每年将会有4.5亿的容量。该设备还可用来检测轴承、叶片等,实现一机多用。


未来超声无损检测的发展趋势


超声检测是发展最为迅速的无损检测方法之一,未来的发展前景广阔。笔者认为未来超声检测的发展包括但不限于以下几个方面:


1比肩医学超声的发展

医学超声一直引领着超声检测技术的发展,工业相控阵技术来源于医学的B超。由于医学超声研究对象为单一的人体,在很多技术和手段上更容易实现;而工业超声检测面对对象的材料众多、形状各异,在一定程度上阻碍了工业超声的飞速发展。医学超声目前推出了4D多维彩超等技术,设备的通道数远远多于市面上常见的工业超声设备,这些都是工业超声需要学习和借鉴的地方。

2自动化

工业超声检测技术目前很大一部分都是人工操作,检测效率低,数据记录不完善、不规范。随着国家标准化工作的逐步完善,对检测的要求越来越高;而随着工业4.0、大数据等技术地不断推广,现阶段手工检测已经逐步被一些自动化设备替代。当然自动化的发展不是一蹴而就的事情,需要在实践中不断摸索、循序渐进。

3智能化

目前在一些桥梁的建设中,所用部件都有二维码标志,记录了该部件的原材料厂商、检测单位、施工单位等信息,可谓是智能部件的一个缩影。目前,智慧电网、智能管道工程等也由概念走向了实际应用,超声无损检测本来作为智能化潮流中不可或缺的一部分,即将为部件的寿命评估、动态检测等提供更为精准的数据支持。

4专用化

超声检测面对的检测对象千差万别,不同行业的检测标准差别很大,通用化的解决方案无法更精准地解决检测难题。为了更好地适应未来自动化、智能化检测,超声设备或解决方案的专用化必不可少。行业量身定制的专用化、定制化的解决方案,势必是未来的发展趋势。


参考文献:

[1] 雷毅,丁刚,鲍华,等.无损检测技术问答[J].北京:中国石化出版社,2013.

[2] 蔡家藩,聂勇,周礼峰,等.核电厂超声检测技术的应用[J].无损检测,2018,40(5):10-16.

[3] 刘云,卢威,王羽翀.相控阵超声检测技术核电应用前景展望[J].科技视界,2018(6):251-253.

[4] 史亦伟,梁菁,何方成.航空材料与制件无损检测技术新进展[M].北京:国防工业出版社,2012.

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