耿荣生 景鹏
（北京航空工程技术研究中心， 北京100076）
摘要 无损检测(NDT)技术因其带有强烈的工程应用背景而必须融入国家的总体经济发展目标，必须为解决国家急需解决的大型工程项目和涉及安全、民生的重大项目服务。为实现可持续发展，节能减排和绿色制造已成为基本国策。依附于机械制造业的无损检测技术必须要跟上这一总体发展形势。在此情况下，提倡绿色无损检测、促进绿色无损检测技术的发展就成了一件十分有意义并可能是势在必行的事情。
论文叙述了绿色NDT的一些基本概念和内涵，说明了面对新的形势，无损检测技术本身的发展应当如何跟上时代步伐，如何通过整合和创新使绿色NDT技术得到快速发展。论文还就我国无损检测技术未来发展的一些其它问题进行了探讨。论文最后部分以空军现役飞机为例，说明利用无损检测技术可大大提高飞机机群的使用寿命，在保证飞机飞行可靠性的同时，有效延长了飞机机群的寿命，提高了部队的综合作战能力。
前言
温室效应的加剧使人类面临空前未有的生态危机，在此情况下节能减排、绿色制造就成为实现可持续发展的重要途径[1]。总体上看，由于无损检测技术是在不破坏被检测体结构的情况下了解其完整性、安全可靠性、可能出现的不稳定状态和性能蜕变，技术本身的不破坏属性，加上执行无损检测功能的仪器设备本身（因其需要操作方便而）甚少出现笨重和高功耗的情况，这些因素决定了无损检测技术在某种程度上天然地具有节能和绿色的许多基本要素。资料显示，经过无损检测后各类机械产品都5%以上甚至20%的增值，说明NDT技术可为实现可持续发展做出贡献[2]。
机械制造业的一个重要发展方向即所谓绿色制造，它是指采用节能、减排技术生产环境友好型机械制造设备，这其中，低耗能、低排放和环境友好是绿色的核心。未来的无损检测设备也应该是绿色的，即环境友好型设备。因此，随着技术本身的发展和进步，一些传统的、可能会对环境产生污染的检测方法将会逐步被淘汰，或者被新的方法、新的检测媒介所代替[1]。
2 绿色无损检测
无损检测是指在不破坏材料结构的情况下对材料进行检测的一种方法，沿此定义，绿色NDT可以定义为在不实施破坏的同时还应当具有不对材料或者结构造成二次污染的无损检测方法。也就是说，仅有不破坏还不行，还要同时具备不对材料或者结构本身或者周围环境造成二次污染的功能。其次是实施检测本身应当是低功耗的，与此同时，制造这些检测设备本身也应当是低功耗的。绿色NDT的另一重要内涵是它需要突出为绿色制造业、为节能减排、为新型能源业服务。无污染或低污染、低功耗和服务于绿色产业这三者构成了绿色NDT的基本要素。
首先来看一下现有各主要NDT方法的“绿色程度”。按照制造检测仪器本身的耗能情况分，能耗从低到高的NDT设备顺序可能是：目视（含借助仪器，例如，孔探仪等，下同）、着色渗透、涡流、声发射（包括振动监测）、超声、射线和磁粉探伤（一些非常规探伤方法，例如，红外、激光散斑干涉等未列入，下同）。
按照完成检测需要耗能的情况分，顺序可能是：目视、着色渗透、声发射（包括振动监测）、涡流、超声、射线和磁粉探伤。
按照对环境可能产生污染来分，顺序可能是：目视、声发射、涡流、超声、着色渗透、射线和磁粉探伤。
图1是各检测方法的相对绿色程度示意图。
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图1 不同检测方法的绿色程度对比（示意图）
由于实施无损检测的主要和基本目的是要能探测到物体或者结构内部的损伤情况，所以，所有的讨论都是基于在保证一定的检测概率（POD）的前提下，研究应当采用什么样的检测方法，而不是按照上述“绿色”程度来实施。在这一前提下，显然，具有高POD的绿色NDT方法即节能、环保型的方法必然是发展方向。同样，这也为未来NDT的发展指出方向。
首当其冲的是着色渗透，其次是磁粉探伤。对着色渗透而言，可能首先是采用环境友好型的渗透媒介，目前已有一些低污染或者基本无污染的渗透液产品问世，它使用无色透明的表面渗透剂，采用光的折射率来发现缺陷。而磁粉探伤，随着漏磁检测技术的进步和检测灵敏度的提高，以及后者可能更容易实现智能检测和可视检测，由其代替或者部分代替磁粉探伤应当是早、晚会发生的事情。另一已经发生并且加速进行的是数字射线检测技术。如果说过去传统胶片显像技术仍在X-射线检测中发挥重要作用是由于考虑其成像质量仍要优于数字射线技术的话,那么，近年来，随着利用新型数字图像板的DR和CR技术的飞速发展，数字射线的成像效果已可与传统胶片相比美，而鉴于前者的环境友好特征且图像能存贮、反复使用和实现远距离传输，代替传统胶片射线检测技术已非十分遥远之事。
倡导绿色NDT的一个直接好处是现有NDT资源可以得到有效整合，而绿色检测方法的一个最大优点是极易实现检测过程数字化、检测结果图像化和信息化。这几年，国内数字射线检测技术发展很快。这方面的另一发展趋势是尝试用其它方法代替射线检测，例如，特种设备的厚壁管道焊缝，过去是X-射线的必查项目，在新的检测标准（规程）中，已可用超声TOFD代替或者部分代替，后者更加安全和节能、环保[3]。2009年8月，由国家质检总局颁布的“固定式压力容器安全技术监察规程”规定，超声TOFD检测技术与射线检测技术相同，均为压力容器制造过程可选的焊接接头的无损检测方法。由于超声TOFD检测所消耗的能量及对环境的污染都要大大低于为达到同样检测目的而进行的射线检测，随着TOFD技术的日益成熟，在这一检测领域，其广泛应用必然会大大减少对胶片的消耗和实施检测本身对能源的消耗。
3 几种主要检测方法的绿色发展之路
3.1 目视检测
目视检测，包括借助于仪器（例如视频内窥、孔探仪）实施的目视检查，应当排在绿色检测之首。问题的关键是能否保证目视检测有较高的或者可与其它检测方法比拟的裂纹检测出概率（POD）。
早在上世纪九十年代末，欧洲EN13018就强调了需要对无损检测人员进行目视培训和资格认证，在美国ASME关于锅炉压力容器检测的规范中也强调了目视检测的重要性。美国焊接学会（AWS）和欧洲EN970等规范或者标准中也都规定了目视检测的实施方法。ASME V 一直承认目视检测为正式NDT方法，并强调按SNT-TC-1A规定的方法进行人员资格认证和培训。.
我国实施目视检测最多、最成功的部门是民航。资料显示，目视检测承担着民航80%以上的检测任务。民航部门制定的《航空器无损检测 目视检验》标准将修改采用ATA 规范107 2001.1版，并且参考FAA 咨询通告和飞机制造商手册（很多飞机制造公司已经将目视检测项目列入了NDT手册），以满足目前目视检验技术应用广泛的需求。民航目视检测相关标准的研究和制定也已达到较高的水平[4]。
3.2 射线检测
早在新千年开始之时，笔者就曾指出，射线检测的一个重要发展方向是“无胶片射线检测” [2]。传统X射线检测所得图像不能进行图像处理，而数字射线图像可通过图像处理技术，改善图像质量。此外，与胶片不同，数字化X射线成像技术的显示媒介可重复使用、可存储、可远距离传输数据，这特别符合绿色、环境保护的总发展趋势。数码相机问世的时候，几乎无人会预见到其发展的速度，今天，传统的胶片式相机几乎完全被十分普及的数码相机代替。因此，数字射线照相技术估计也会很快代替传统的胶片式射线照相技术。数字射线技术主要包括采用图像增强的成像技术、采用线阵列或平板探测器的直接成像技术，以及CR技术。早期还有使用荧光屏的射线成像系统，但目前已不太常用。最近的十年，我国在这一领域发展相当迅速。由于目前国内尚不能自行研制高分辨率的数字图像板，我国在数字射线领域处于几种方法并存的局面。在对分辨率要求不是十分高的情况下，采用图像增强器也不失是一个较好的办法。在此领域更需要研究如何替代和怎样替代的问题，即需要研究数字射线检测的规范和标准，至少要给出一些典型的、有重大影响的工程结构件的数字射线检测规范。
3.3 磁粉和漏磁检测
在各种检测方法中，磁粉检测的“绿色”含量可能最低。这包括两方面，首先是磁粉检测的设备（因往往需要大电流）高功耗（相比于超声、涡流等），其次是由于需要用磁粉当显示媒介，磁粉液会产生二次污染。由于磁粉检测与漏磁（MFL）检测基于几乎相同原理，只不过是显示媒介不一样，这就为用MFL代替磁粉检测奠定了良好的基础。过去的一个观点是磁粉检测的灵敏度高，但随着MFL检测技术的发展，特别是高灵敏度磁传感器以及信号处理技术的发展，漏磁检测的灵敏度目前几乎可以做到与磁粉检测不相上下。MFL检测的结果可以比较容易实现数字化和图像化，用它代替磁粉检测应当是顺理成章之事。因此，除一些形状比较特别的结构件，例如，（汽车）曲轴（根部）、螺栓根部等，推广漏磁检测技术必然是一条相对绿色之路。在方法的替代上，需要研究可行性和有效性。对一些复杂的构件，如何通过发展高灵敏度微型磁探头以提高可达性，以及如何通过适当的信号处理技术克服边界效应的影响，使漏磁检测能给出可靠的结果。当漏磁检测能做到给出稳定、可靠、并且图像化的结果时，用它代替磁粉检测也就是水到渠成之事了。
3.4 声发射检测
就绿色而言,声发射检测(AET)的综合分很高,这应当得益于AET进行的是被动式检测,即它无需向待检测结构注入能量,而是“坐听”其因内部变化发出的声音。
我国近年来在声发射技术的应用研究方面取得许多重大或者突破性的进展。声发射检测在常压储罐安全评价技术方面和在飞机疲劳试验定、延寿方面都取得很大成绩。沈功田等针对国内外常压金属储罐底板腐蚀声发射检测均无成熟方法和标准的现状，研究建立了常压金属储罐声发射检测及评价方法，在国际上首次提出储罐底板基于时差定位分析的声发射源分级方法和基于区域定位分析的声发射源分级方法，并且给出了储罐底板腐蚀状况的评价方法。他们还在国际上首次制定了大型常压储罐底板腐蚀的声发射检测及评价标准JB/T 10764-2007《无损检测 常压金属储罐声发射检测及评价方法》[5,6]。耿荣生等在飞机全机疲劳试验过程疲劳裂纹声发射监测方面发展了一套完整的声发射信号处理和预报技术，使声发射监测技术在军用飞机两个主要机型的机群寿命研究中发挥了重大作用，创造了百亿以上的经济效益和巨大的军事、社会效益 [7,8]。
上述关于发展绿色NDT方法的理念应当导致一些基本理念的变化和一些基本结论，这就是在未来的发展方向上，需要重点发展类似声发射这样的结构健康监测技术，诸如光纤应变监测、真空比较疲劳裂纹监测等，它们（特别）低功耗、对环境几乎无污染。
4 未来我国无损检测技术发展需要重视的一些其它问题
我国无损检测的总体水平和综合实力以及在无损检测人员培训、技术研制、开发、仪器设计、制造等方面都处于世界先进行列，并能在世界占有重要一席。资料显示，我国在大型机械装备、交通运输装备、制造装备、航天及海洋工程机械等方面的自主化水平都有很大提高，2008年之后，我国作为世界机械制造大国、第二机械、电气与交通运输设备出口大国，已经屹立于世界机械制造大国之林[1]。与世界机械制造大国相适应的是，我国是一个无损检测大国，我国的无损检测市场是一个最具有活力、最具吸引力的市场。我国也是一个无损检测设备器材的需求大国、制造大国。中国现有从事无损检测服务的检验检测机构约2000家，有2万多家机械制造和安装企业拥有自己的无损检测队伍。中国每年对无损检测仪器的需求十分强劲，各种便携式无损检测设备的年度市场销售总额应当在10亿元人民币之上，无损检测设备器材的制造单位可能多达近500家[9]。
以下几点对于逐步缩小与世界最先进水平的差距、提高创新水平、创新能力和创建无损检测强国可能是至关重要的[10]。
4.1 发展智能NDT仪器和信息化NDT技术
目前在制造业的一个热门话题是信息制造、智能制造，即制造的机械设备系统能够进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。利用目前已经开发出来的晶片传感器技术，并与微电子学和高性能计算机相结合，生产集成化的（综合）、具有信息系统功能和智能检测设备应当已具备条件。智能NDT和信息化NDT的一个直接结果是让探伤（无损检测）“变得更加简单”。由于目前图像处理和图像自动识别技术已发展得比较成熟，可以与该领域研究人员合作，研究智能化程度很高的无损检测设备。
加强服务意识、融入大型工程项目之中
现代机械制造业的一个特点是寓服务于产品中，并能贯穿于产品的全寿命活动中。大量的产品增值可能不是来源于产品本身，而是来自对产品的服务之中。在生产通用性的仪器设备之同时，应当能做到量身而制造，即研制适合特殊服务对象（检测对象）的专用仪器。这就要求无损检测仪器的制造商能了解用户的需求，了解仪器服务的对象，可能的话，可直接参加到用户的工程项目之中。无损检测仪器的增值可能是来自这种服务。这实际上是提出了一条厂家与用户相结合的制造方式。当前，我国的重大工程项目比肩而立，例如，核电和高铁的发展势头十分迅速，对检测质量、检测可靠性的要求十分严格。这可能也给仪器制造商提高了绝好的机会。
4.3 精品意识和做强意识
国外的无损检测仪器制造商对我国的市场一直特别重视，除采用灵活多变的适应中国市场的营销策略外，在很多方面还对国内产品采取高压态势。仪器生产厂家必须要有精品意识，有条件的话，需要努力在高端产品和高附加值产品中占据重要位置。困扰我国无损检测仪器市场的一个主要问题仍然是小而分散，重复产品居多，加上在研、发方面的投入不足，在高端市场、高附加值产品和技术方面（成像检测设备、大型自动化检测设备），国外产品仍具有十分明显的优势。要改变这种状态，国内无损检测仪器的研制单位必须能走出去、与一些科研单位合作，在更高的技术平台上开发能满足工程需要的仪器、设备。
4.4 积极迎接一些新的应用领域
未来对新能源的需求会更加迫切[11,12]。在大力发展水力发电的同时，需要发展风力发电和核电工业。因此，在风力发电汽轮机叶片、变速箱、转子轮毂和电气设备的无损检测和监测方面将面临挑战。以风力发电为例，设在80米或更高处的涡轮机应该怎样维护、检测，这涉及到一系列新软件、新设备，都需要进行预先研究。
4.5 大力发展更加科学合理的验证、评价制度，推动第三方检测、验收机制
检测技术的验证方法特别重要，而验证方法的相互渗透和互认是全球经济一体化后技术交融的必然要求。很多工业化发达国家中虽然大都建立了自己的检测技术的验证体系，但也特别重视验证体系的互认和评价一致性，这反过来也促进了自己检测技术的进一步提高。
目前，我国制造业承接了越来越多的工业外贸订单，跨国公司也纷纷在中国设厂直接进行生产，这一客观形势也向我们提出发展第三方检测的需求，从而可避免了施工单位自检的弊端，能够真实的反映产品和工程质量，同时可以降低检测方和业主成本，保证检测效果和检测的公正性。在这一领域，无损检测学会应当大有用武之地并应积极做好准备。
飞机机群定延寿中的NDT技术
飞机寿命通常分两大类，一类称为疲劳寿命（fatigue life），这是一种基于使用时间的寿命，又称飞行小时寿命（service life based on hours，或Hour Service Life - HSL），它主要由疲劳强度决定(注:它还包括起落次数寿命)。另一是所谓日历寿命，是一种基于日历时间的寿命，主要由抗腐蚀性能决定（service life based on years，或Calendar Service Life - CSL)。通常，疲劳寿命比日历寿命更有意义。由于制造商通常只会提供十分保守的寿命指标且不会提供特别有价值的寿命资料，作为用户来讲就更需要自己通过疲劳试验获得有关飞机寿命的数据。因此，为保证机体结构的完整性以及能够正常使用，全尺寸机体疲劳试验是一项不可替代的试验任务。当然，为保证飞机使用的高可靠性、避免实际使用过程中可能出现的风险，根据试验飞机数量的不同，人们需要对试验寿命取适当的分散系数作为机群寿命。例如，若取分散系数为N（N为一大于2的整数，同试验飞机数和载荷情况有关），可使用的机群平均寿命仅能取试验寿命的1/N。
疲劳试验能否成功取决于三大要素，第一是有一个能反映飞机机群使用、受载情况的试验载荷谱和试验大纲；其次是有一个完善的试验加载控制设备和装置，能正确实施按试验载荷谱规定的加载程序；以上两项相当于保证通过疲劳试验真实再现飞机的实际飞行载荷状态，试验结果才有意义。最后一个要素是试验过程中的无损检测和监测，它需要保证试验过程中能在裂纹到达最大可修尺寸之前发现裂纹，特别是关键结构的疲劳裂纹，这样可通过适当的修理或者补强方法，使试验飞机能继续试验。否则，如试验飞机受到严重损坏、甚至报废而并未能给出有价值的寿命数据，试验即宣告失败。
在试验全过程实施无损检测、监测，发现早期裂纹具有特别重要的意义。这样不但可以通过耐久性修理恢复试验飞机的结构完整性，也能为实际使用过程中如何延长飞机寿命提供科学决策，为确定修理周期、修理方式（内容）和未来该型飞机疲劳细节设计改进提供重要依据。疲劳试验过程发现的有关飞机结构损伤的信息还将对该机型现役飞机的外场使用、维护提供指导准则，这同样具有极其重要的意义。
鉴于飞机结构的复杂性和很长的试验时间跨度，试验过程中的裂纹检测、监测是一项极富挑战的工作，有很高的风险，见图2。
图2 疲劳试验失败风险高
5.1.总原则
总的实施原则是必须采用裂纹综合无损监测、检测技术。对于可达部位，采用目视检测加上某一检测方法（超声、涡流或磁探）。目视检测分为巡视、一般目视检测和详细目视检测。目视检测在全尺寸飞机疲劳试验的无损检测中占有极其重要的地位，按时间分可占到70%以上。对于不可达部位，首先看能否用孔探仪、光纤等目视仪器，仅对关键结构处才考虑全程监测。另一重要原则是，关键部位需要采用至少两种以上NDT方法。第一种为主探伤方法，第二种为辅助探伤方法。对不同部位选择合适的NDT方法需要进行一些预先研究。所用的监测方法主要有全程声发射监控和实时应变监测。在声发射监测方面，发展了一套完整的声发射信号处理和预报技术，研究并获得了在无裂纹情况下背景声发射信号的统计平均特性。采用了基于统计分析原理的趋势分析技术；采用了基于时间、基于空间、基于幅度和基于能量的滤波技术；基于声发射信号幅度分布特征研究的信号处理方式；以及采用多参数综合识别技术获得疲劳裂纹萌生和扩展的声发射特征等。图3是声发射主要监测部位示意图。
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图3 机体疲劳试验主要监测部位(箭头指向飞行方向)
5.2 主要结果
先后对两种机型的飞机进行了历时多达7年的监测（4年+3年），以第一种机型来说，实施上述综合裂纹监、检测和预报技术至少在六次试验的关键时刻挽救了试验用飞机，特别是后期????飞行小时后的预报和根据监测情况实施的分解检查更是具有里程碑的重要意义，奠定了试验全面完成的基础。 也正是有了上述成果，试验机群的平均寿命增加了50%以上，产生的经济效益高达数百亿元，军事和社会效益也十分可观，也为空军的可持续发展作出了贡献。
另一重要成果是编制了该型飞机的裂纹谱图和关键裂纹谱图，它对该型飞机的未来使用和修理具有重要意义，并有很高的参考价值。
对试验中发现的各类故障进行分类，根据故障性质采取不同的措施用以指导外场的修理和部队的飞行计划，是取得的又一重要成果。对于所暴露的设计上的缺陷（这类故障在外方的试验中也出现过），以及暴露的工艺上的缺陷（外方试验中并未出现此类缺陷），需要分别采取不同的措施，分别给出试验飞机和外场飞机的加强修理方案，同时对外场飞机还编制出检查通报，制定了相应的处理措施。而对属于工艺方面的问题，则报送有关单位进行设计改进。
6 结论
绿色NDT不仅是一个新的概念，它更是提倡一种新的无损检测理念和新的检测思路。所有的绿色NDT方法都同时更易实现检测结果的数字化、图像化和信息化，这与过去一直倡导的无损检测发展方向相一致。为了实现绿色无损检测，可能需要对现有的检测方法、检测技术进行必要的整合，在这些方面，可以说，无损检测工作者是任重而道远。
参考文献：
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12 V V Klyuev, K Fedosenko, 50th Annevesary of Non-destructive Testing in Russia，第17届世界无损检测会议论文集(idn: 548)，电子论文集，2008年10月，中国上海
Green Non-destructive Testing – The Future of NDT Techniques
GENG Rongsheng Jing Peng
(Beijing Aeronautical Technology Research Centre, Beijing 100076，China)
gengrs@sohu.com
Abstract The NDT is an industrial and engineering application-oriented scientific field, and hence it must be involved in combining itself closely with the affairs of national economy development and must serve for the large engineering projects and maintain their safety and integrity. In order to realize sustainable development of economy, the energy-saving and green manufactures have become the basic policy of national economy development. Under this background, it is of significance and very high interest to promote green NDT techniques.
The paper details the basic concepts of green NDT and compares existing NDT methods from the point of view of green aspects, and aims to draw some conclusions for the future development of various NDT means. The paper also discusses the future development trend of NDT techniques, and its final part is, by taking the author’s own working experience in AE monitoring of fatigue cracks as an example, to show the significant role played by NDT technique.