基于TBM 和TPA 方法的無損檢驗技術成熟度分析

王 昭 尤衛宏 常 宇 張衛東 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生產中的各個領域。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一線上，其檢驗方法已經較為固定，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。目前工業用手工超聲設備已經做到小型化，自動化檢驗的技術也已經越來越完善。射線檢驗則是將待測物體放置在射線源與底片中間，通過記錄射線經過物體后在膠片上的圖像，分析物體的內部特性。射線檢驗有輻射風險，同時傳統射線檢驗洗膠片會產生大量的廢液，對環境造成一定的負擔。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字化射線(DR）發展。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

技術的發展，科技論文與專利，都是對技術發展的一個記載。每個技術都有發展程度，技術成熟度可以描述這一現象，常用的方法是對載體數量進行分析。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 核心庫中的網絡在線版本部分，SCI數據庫是1961 年由美國科學信息研究所創辦的引文數據庫，它是國際公認的進行科學統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 公司創辦的國際專利索引庫，該數據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]。選取這兩個數據庫，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，進而描述技術發展的歷史與趨勢。

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

圖1 技術發展趨勢圖

3 技術發展模型

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

3.1 指數增長模型

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

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量，b 是一個定值，代表時間常數，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（2.7182…）。

3.2 Logistic 增長模型

普賴斯[4]認為，指數增長模型只存在于技術發展初期，對于技術發展中期及之后，其增長放緩，勢必會脫離指數階段的快速增長期。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表的最大值的比值，可以表征技術成熟度[5]。

4 技術分析結果

4.1 專利分析結果

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

圖2 不同檢驗方法累計專利數的曲線擬合圖

可以看出，四種檢驗方式的專利數UT、PT 為指數型增長，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較慢態勢，在2000 年之后，各個技術的專利數量開始先后有了較大幅度的上升。根據式（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 符合指數型增長，說明該領域目前涉及到的專利在近期有突破性發明，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 論文分析結果

如圖3 所示，對四種無損檢驗方法的論文數量進行檢索、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表論文數呈上升趨勢，與專利分析結果對比，論文數量在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%，以科技文獻數而言尚未達到成熟期，其每年發表的論文數均呈上升趨勢。

圖3 不同檢驗方法累計論文數的擬合分析

結合專利分析結果可以看出，四種傳統檢驗方式均未達到技術成熟期。分析專利與論文檢索結果，在目前而言，檢驗領域具有結合其它領域發展成果快速發展的趨勢。自動化、數字化、智能化等，都是能使得傳統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、存儲數據，及智能化的數據初步分析、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，數字化射線技術在工業界中的應用也漸漸推廣。傳統海洋工程建設中，由于受船舶作業條件的影響，射線設備通常以適應作業條件為首要因素。數字化射線技術由于采用數字化曝光、數字化圖像、數字化存儲，作業速度進一步提升，且不涉及膠片和廢液，是一種先進、高效、環保的技術。

MT 和PT，由于其作業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、論文發展。

5 結論

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