基于TBM 和TPA 方法的无损检验技术成熟度分析

王 昭 尤卫宏 常 宇 张卫东 李子轩

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

无损检测技术广泛的应用在工业生产中的各个领域。以石油工程建设为例，常用的基本无损检测方法有以下四种：超声检测UT（Ultrasonic Testing）、射线检测RT （Radiographic Testing）、磁 粉 检 测MT（Magnetic particle Testing）、渗透检测PT（Penetrant Testing）。目前无损检测在很多领域的生产一线上，其检验方法已经较为固定，但是在文献情报方面，对于该领域的技术成熟度，尚未有一个回顾与梳理。本文使用TBM 和TPA 这两种技术成熟度研究方法，对检验方法进行了分析。

1 无损检验技术

无损检验技术（Nondestructive testing），是指对于被检验物体，没有破坏性测试方法的进行其完整性、缺陷探测，探伤等。在与金属焊接相关的领域，无损检验可以说是质量安全的生命线。无损检测广泛应用在机械、军工、石油、船舶、能源工程、管道等工程建设的各个领域。

超声检验是以设备向外发射高频超声波，然后接收并分析回波的波特性，进而分析被检物体内部特性的一种技术。超声检验需要与被测物体紧密接触，并使用具有良好声传导特性的液体作为耦合剂。目前工业用手工超声设备已经做到小型化，自动化检验的技术也已经越来越完善。射线检验则是将待测物体放置在射线源与底片中间，通过记录射线经过物体后在胶片上的图像，分析物体的内部特性。射线检验有辐射风险，同时传统射线检验洗胶片会产生大量的废液，对环境造成一定的负担。目前在海洋石油工程建设中，射线检验正逐步向不使用胶片的数字化射线(DR）发展。磁粉检验通过磁化被测物体并向表面喷洒磁性悬浮液，利用缺陷处的磁场更强的特性，来检验近表面的缺陷。在石油工程领域，磁粉检验通常作为手动超声检验盲区的补充。渗透检验则是利用液体表面张力的特性，检验物体的表面缺陷。

2 技术评判方法

技术的发展，科技论文与专利，都是对技术发展的一个记载。每个技术都有发展程度，技术成熟度可以描述这一现象，常用的方法是对载体数量进行分析。对于论文和专利的分析，就分别是技术文献计量方法（Technology Biblio Metrics，TBM）和技术专利分析方法（Technology Patent Analysis，TPA）[1]。

SCI-E 库是SCI 核心库中的网络在线版本部分，SCI数据库是1961 年由美国科学信息研究所创办的引文数据库，它是国际公认的进行科学统计与科学评价的主要三大科技文献检索工具之一。德温特（Derwent Innovations Index）库是Clarivate 公司创办的国际专利索引库，该数据库收录了上世纪六十年代以来各领域约7 000 万份专利文献，涵盖了不同国家、不同领域，收录全面[2]。选取这两个数据库，能较大程度的覆盖到国际中相关载体的记录，涵盖人类智慧的积累，进而描述技术发展的历史与趋势。

技术生命周期理论表明，每一个技术的发展都会经历萌芽期、成长期、成熟期、衰退期，其发展趋势如图1 所示[2]。

图1 技术发展趋势图

3 技术发展模型

G.S.Altshuller[3]认为，技术的发展可以定量为一条用数学公式拟合的曲线，常用的曲线为以下两种：

3.1 指数增长模型

指数增长模型，其曲线类似于一条指数方程，其增长非常迅速。在技术成长期，通常比较符合指数模型。

式(1)中，t 代表时间（年度），a 是一个定值，代表着最开始的载体数量，b 是一个定值，代表时间常数，反映了该年度载体的累积量与上一年度的累积量的比值，e 为自然对数（2.7182…）。

3.2 Logistic 增长模型

普赖斯[4]认为，指数增长模型只存在于技术发展初期，对于技术发展中期及之后，其增长放缓，势必会脱离指数阶段的快速增长期。因此，提出了著名的Logistic 增长曲线增长的理论和模型。

y 为已有载体累积值与理论上所能发表的最大值的比值，可以表征技术成熟度[5]。

4 技术分析结果

4.1 专利分析结果

对于UT、MT、PT、RT 四种技术的每年累积专利数进行拟合，在指数模型与logistic 模型中，选取拟合度较高的结果进行分析。拟合结果如图2 所示。

图2 不同检验方法累计专利数的曲线拟合图

可以看出，四种检验方式的专利数UT、PT 为指数型增长，MT、RT 符合logistic 型增长，其理论最大专利量为28821、2350 篇。图中可见，在2000 年以前，其文献增长速度均呈现较慢态势，在2000 年之后，各个技术的专利数量开始先后有了较大幅度的上升。根据式（3）计算成熟度，截至2021 年MT、RT 的专利技术成熟度分别为20%、59%，表明MT 尚处于成长期，而RT 也处于成长期的后期。而UT、PT 符合指数型增长，说明该领域目前涉及到的专利在近期有突破性发明，这也可以从图中看出，PT 其在近两年有着突破式的增长。

4.2 SCI-E 论文分析结果

如图3 所示，对四种无损检验方法的论文数量进行检索、分析，可以看出，四种检验方法均符合logistic 型增长方式。四种检验方法的年发表论文数呈上升趋势，与专利分析结果对比，论文数量在2000 年以前的也是呈缓慢增长，但是其年增长速率要明显比专利年增长速率均匀。UT、MT、PT、RT 的理论文献数分别为73776、24419、2260、21201 篇。计算其成熟度，UT、MT、PT、RT 分别为31%、38%、55%、62%，以科技文献数而言尚未达到成熟期，其每年发表的论文数均呈上升趋势。

图3 不同检验方法累计论文数的拟合分析

结合专利分析结果可以看出，四种传统检验方式均未达到技术成熟期。分析专利与论文检索结果，在目前而言，检验领域具有结合其它领域发展成果快速发展的趋势。自动化、数字化、智能化等，都是能使得传统的检验方式在不同的应用领域进行新的突破的良好助力。以UT 为例，全自动超声波检测技术（AUT）、相控阵超声波检验技术（PAUT）[6]等新兴工业检验方式在近年来应用领域、条件更加宽广、检验方式更加成熟。其自动化检验设备，可以做到自动采集、存储数据，及智能化的数据初步分析、风险提醒等，较之手工超声检验，效率更高、且检验结果可存储，目前已基本覆盖管道建设的焊接检验中。

在RT 方面，数字化射线技术在工业界中的应用也渐渐推广。传统海洋工程建设中，由于受船舶作业条件的影响，射线设备通常以适应作业条件为首要因素。数字化射线技术由于采用数字化曝光、数字化图像、数字化存储，作业速度进一步提升，且不涉及胶片和废液，是一种先进、高效、环保的技术。

MT 和PT，由于其作业方式涉及到液体及配方，因此随着材料科学的进步，也伴随着一定的专利、论文发展。

5 结论

通过技术成熟度分析，四种无损检测方法无论是从专利数量还是从论文数量，均处于技术成长期，尚具有较大的增长空间。自动化、数字化、智能化等其它领域的成果，都是能使得传统的检验方式在不同的应用领域进行新的突破的良好助力。