2021.11.11

广东国际现代展览中心

面对工业4.0的中国无损检测


时间:2019-12-06   访问量:72

面对工业4.0的中国无损检测


Industry 4 .0 and NdT of China




(作者简介:金宇飞:高级工程师,全国无损检测标准化技术委员会秘书长)




全国无损检测标准化技术委员会(代号:SAC/TC56)是在国家质量监督检验检疫总局/国家标准化管理委员会直属领导下,从事全国无损检测标准化的技术工作组织;同时也是受中国机械工业联合会委托,从事机械行业无损检测标准化的技术工作组织。


SAC/TC56的工作领域是:负责全国无损检测通用技术方法、检测工艺及工艺装备等专业领域标准化工作,对口ISO/TC135(国际标准化组织无损检测技术委员会)。


SAC/TC56的主要任务是:依据国家质量监督检验检疫总局/国家标准化管理委员会批准的计划,组织无损检测领域国家标准的制定、修订工作;依据工业和信息化部/中国机械工业联合会批准的计划,组织无损检测领域机械行业标准的制定、修订工作;受国家质量监督检验检疫总局/国家标准化管理委员会委托,承担ISO/TC135对口的国际标准化技术业务工作,其中包括对国际标准文件的表态;开展无损检测专业国家和机械行业标准的宣讲、解释、咨询等技术服务工作。


SAC/TC56的宗旨是使无损检测标准化工作不断适应社会主义市场经济和我国贸易体制向国际贸易体制接轨的要求,促进国际交流,加速与国际标准化接轨,以及适应中国加入世界贸易组织(WTO)的新形势。




1.引言


2011年在汉诺威工业博览会开幕式致辞中,德国人工智能研究中心负责人和执行总裁Wolfgang Wahlster教授首次提出“工业4.0”这一词。


在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等学术界和产业界的大力推动下,德国联邦教研部与联邦经济技术部于2013年将工业4.0项目纳入了《高技术战略2020》的十大未来项目中。随后,德国机械及制造商协会(VDMA)等设立了“工业4.0平台”,德国电气电子和信息技术协会发表了德国首个工业4.0标准化路线图。


至此,德国工业4.0全面启动,并影响着全球,包括中国。




2.工业4.0及其对无损检测的要求




2.1 关于工业4.0




又称第四次工业革命,是相对于前三次工业革命而言的:


a)工业1.0:机械化,代表性技术:蒸汽机;


b)工业2.0:电气化,代表性技术:发电机;


c)工业3.0:数字化,代表性技术:计算机、数控技术;


d)工业4.0:智能化/无人化,可能的代表性技术:互联网/物联网、智能制造/智能工厂、绿色制造、增材制造(3D打印)。


工业4.0最为吸引人的一点是其对于未来工业智能化和数字化的阐述:未来的工业产品从设计创意开始,直到成品出厂,都可以由信息化系统提供无缝的数据和管理支持。工业4.0的内涵可分为两方面:第一方面是智能化、绿色化和人性化,第二方面是分散网络化和信息物理的深度融合。目前工业4.0处于理念和战略思考阶段,还不是现实。所以,有学者认为中国企业别急着学德国工业4.0。但也有的学者认为工业4.0可以拯救中国制造。


虽然中德两国制造业所处发展阶段不同,面对工业4.0,中国还是做出了积极反应。最近,由工业和信息化部、中国工程院、国家质量监督检验检疫总局等联合起草的“中国制造2025”发展规划已经完成。


“中国制造2025”也被称为中国版的“工业4.0”,两者在核心理念、主要内容和具体做法上多有异曲同工之处。“中国制造2025”发展规划的核心是:创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本。明确了智能制造是主攻方向,工业机器人是智能制造的重要组成部分。


而智能化的前提是自动化和数字化,包括控制系统的数字化、工业网络的数字化、测量和执行手段的数字化,也就是工业自动化的所有环节的全面数字化。即使实现了这一切,也仅仅是创建了智能制造的基础。所以,工业4.0的实现并不是一蹴而就的。更何况中国工业在很多领域还需要补上工业3.0甚至是工业2.0的许多课程。




2.2 工业4.0对无损检测的要求




无损检测是工业产品质量控制的重要技术手段,并且是无可替代甚至还可能有效替代其他检测技术的一种质量控制手段。“中国制造2025”的核心之一就是“质量为先”,无损检测必然是实现工业4.0中不可或缺的技术之一。


从工业4.0的目标来看,工业4.0对无损检测的基本要求,主要涉及如下三个方面:


—这是对检测设备的要求,包括仪器的数字化和设备系统的自动化。


—这是对检测方法的要求,包括自动采集、通讯和评价检测结果。


—这是对检测标准的要求,包括术语、方法、人员、机构等各方面。




3.中国无损检测的现状和问题




3.1 数字化和自动化




20世纪70年代,德国、法国等发达国家就已经开发和应用了自动化无损检测设备和系统,涉及钢板、环焊缝、直焊缝的自动超声检测,涡流、漏磁、电磁分选的自动化,工业电视的半自动化,自动射线照相机械手等方面。自20世纪80年代开始,国内企业竞相进口了自动化无损检测设备和系统,同时也开始了自主研发半自动化和自动化无损检测设备和系统。


与发达国家相比,我国在自动化方面的起步虽然比较晚,但发展速度很快,目前在很多领域已经与发达国家差距不大。


20世纪70年代微机的问世和大规模集成电路的发展,也促进了无损检测仪器设备的计算机化。80年代起,国外陆续推出了各种类型的计算机化无损检测仪器设备,国内也开展了相应的研究和开发。90年代初,蒋危平就提出了要发展计算机化仪器或数字化仪器。至今,在无损检测仪器数字化进程中,我国基本上与发达国家保持相当的水平。




3.2 智能化和无人化




数字化并不是智能化,数字化只是计算机化,并且对操作人员的要求依然很高。自动化也不是无人化,自动化只是在某些场合和某个阶段实现了无人操作。智能化不仅要实现无人操作,还要实现检测结果评价的无人化,就是要实现由机器代替检测人员来做检测并对检测结果做出评价结论,是无损检测全过程无人化。


所以智能化的目标就是要开发出傻瓜机(就像数码照相机),可以自动校准和采集数据、实现数据通讯、评价检测结果、给出评价结论。这其中需要解决一系列问题,包括如何采集数据、需要采集和处理哪些数据、如何评价检测结果、评价准则或依据是什么等等。


我国对智能化和无人化的开发和应用也在不断进步中,譬如将分析和评价软件应用于自动射线检测、超声检测机械手等等,但还远远不够。我们已经开发和应用了很多新方法和新技术,但对检测结果的解释和评价,还是非常地依赖于检测人员的经验,这对于开发傻瓜机、实现智能化检测会是很大的障碍。




3.3 标准化和统一化




无论是数字化时代或者电气化时代,还是未来的智能化时代,标准化和统一化都是基础。由于智能化时代将会充分利用互联网,交流面将会更加广阔,所以标准化和统一化将越来越重要,任何不标准或不统一的细节,都有可能会导致不良后果,甚至是障碍和纠纷。


标准化的目标就是统一化。对于无损检测标准化而言,其目标就是要让术语和方法达成统一。但在我国无损检测领域,术语和方法的不统一现象还是比较严重的。


譬如,大家至今还在普遍使用甚至在坚持滥用术语“缺陷”,而拒绝使用术语“缺欠”或“不连续”。但是,缺欠与缺陷的定义是不同的。


缺欠对应的英文词是imperfection。缺陷对应的英文词是defect。在焊接标准中,焊接缺陷是指超过规定限值的缺欠。在无损检测术语标准中,缺陷是指尺寸、形状、取向、位置或性质不满足规定的验收准则而拒收的一个或多个伤,而缺欠(imperfection)、不连续(discontinuity)、伤(flaw)等术语也是各有定义的,它们都不是一回事。


根据定义,缺陷意味着不合格或不可验收,意味着拒收、召回或不得出厂。但无损检测所发现和记录的结果并不都是不合格或不可验收的,所以要慎用术语“缺陷”,尤其不要把合格或可验收的检测结果也都叫做缺陷。就像GB/T19000—2008(ISO9000:2005)的3.6.3所提示的那样:使用术语“缺陷”应当极其慎重。


因此,出具检测报告,不要把合格的数据说成是缺陷,要注意规避风险或不必要的纠纷;撰写研究报告,也要慎用术语缺陷,因为在可选用的各种术语中,缺陷的尺寸是最大的,所以能检测出缺陷并不意味着是有很高的检测灵敏度或检测能力。


一定要准确使用术语,如果用词不当甚至还不以为然,让人感觉无损检测人员说话不靠谱,何谈无损检测的可靠性,哪来无损检测的地位和无损检测人员的地位。除了术语问题之外,方法标准的不统一现象似乎更加严重。


目前,我国涉及无损检测方法的标准数量巨大,国家标准和行业标准合计总数约500项。并且很多标准中的方法是同类的,譬如超声检测类方法标准,超过150项。存在的问题不仅是标准数量大,而且很多标准中的方法名称虽然相同(如都叫超声检测),但具体要求却各自不同,相互之间就无法比较,也无法交流和沟通。这样的标准本身就很不标准,这样的标准越多,制造的麻烦和障碍也就越多。




4.中国无损检测如何应对工业4.0




4.1 要解决术语统一的问题




无损检测界,包括无损检测人员和研究人员,应当自觉地使用相同的术语。使用相同的术语应当以无损检测术语标准为依据,如GB/T12604、GB/T20737等术语标准。


使用统一的术语,不仅有利于无损检测业内的交流,更有利于与其他专业人员和管理人员的交流,因为无损检测的客户几乎都是不太明白无损检测的业外人士,如果无损检测人员各自使用不同的术语讲同一件事,或者使用相同的术语讲不同的事,都会误导我们的客户和管理机构,最终受损的是我们自己。所以我们应当:


a)慎用那些容易引起歧义或误解的术语,如缺陷等;


b)少用那些已淘汰或落后的术语,如磁痕、K值等;


c)不用那些没有定义或基本概念不清的术语,如对比试样、试样、晶片、波形、波幅等;


d)使用那些定义明确且不会引起歧义或误解的术语,如缺欠、不连续等。




4.2 要解决方法统一的问题




无损检测方法标准的不统一,其结果就是:人员需要增加学习,企业需要增加装备,产品质量难以统一控制。这种不统一现象,不仅大大增加了生产成本,同时也导致了产品质量的整体下降。因此,必须团结起来纠正无损检测方法标准的这种不统一现象了。


方法标准的统一,也就是要在不同行业和标委会之间实现协调和统一,而这一任务必定是由无损检测界的全体同仁团结一心才能完成和实现,因为这种不统一现象都是无损检测界的同仁们自己造成的。所以,针对同样的检测方法和技术,我们应当:


a)反对制定标准内容不同的标准,同样的无损检测方法或技术应当是相同的;


b)反对制定标准内容相同的标准,同样的无损检测方法或技术应当相互引用;


c)反对制定自成体系的产品类无损检测标准,推动使用通用的无损检测标准。




4.3要解决观念统一的问题




为什么要使用无损检测?有越来越多的人会认为,使用无损检测就是为了保证产品质量、保证运行安全。有越来越多的人已经不再清楚,使用无损检测的首要目的其实是为了降低生产成本和运行成本。


由于我国无损检测界的各自封闭,导致无损检测术语和方法使用的不统一,导致不同行业的人员素质差异较大,再加上前段时期盲目地鼓吹无损评价,甚至用无损评价来贬低无损检测,导致无损检测的地位和无损检测人员的地位在我国持续下降,逐渐地也迷失了使用无损检测的真正目的。


越来越多的人已经习惯地把无损评价与无损检测分立开来,认为无损评价不但要探测缺陷的有无,而且要给出材质的定量评价。其中包括对缺陷的定量(形状、大小、位置、取向、内含物等)测量,以及对有缺陷的材料和产品的质量评价。也包括……对无缺陷的材料和产品给出质量评价。无损评价是无损检测更高层次的发展,无损检测这一术语已逐渐为无损评价所取代。认为国外无损检测技术已由NDT(无损检测)经NDI(无损试验)而发展到NDE(无损评定)阶段。认为早期称为无损探伤(NDI),第二阶段成为无损检测(NDT),第三阶段称为无损评价(NDE)。经过一系列的演化,最终形成了所谓的无损探伤、无损检测、无损评价三阶段发展论。


在这一观念的影响下,我国的无损检测开始朝着定量测量甚至精密测量的方向发展,我们积极地开发越来越多的无损检测方法和技术,应用于越来越多的检测项目,甚至超过了发达国家,并且不惜成本地提高检测精度和增加判废科目,从而与使用无损检测和开展无损评价的目的渐行渐远。


其实,并不存在无损检测三个发展阶段,也不存在无损评价取代无损检测的发展趋势。因为根据国际标准ISO/TS18173:2005和美国标准ASTME1316-02的定义,NDI、NDT、NDE等术语都是同义词。譬如日本,至今还叫日本NDI协会,但这并不代表日本还处于早期阶段。


根据美国标准ASTME1316的定义,评价(evaluation)是指将相关显示判定为接收还是拒收。通常,我们把标准中的evaluation翻译成“评定”。所以无损评价,也就是无损评定,也就是无损检测结果评定。


由于翻译的原因,在我国,无损检测一词曾使用过许多同义词,譬如:探伤(1953年)、无损探伤(1958年)、无损检验(1962年)。而《理化检验通讯》在1963~1968年期间,先后开设了“无损探伤”、“无损试验”、“无损检验”专栏,到了1978年有了无损检测分册,正式开始使用无损检测这一术语。这一系列变化,只是代表了术语的变化而已。正因为这些曾经使用过的术语都是同义词,所以从标准化和统一化出发,建议大家统一使用术语“无损检测”,而不要再使用无损探伤、无损检验、无损试验等等。


无损评价一词最早可能出现于1978年,那只是对NDE的直译。而最早对无损评价做详细介绍的是1986年《无损检测》杂志刊登的一篇译文,其中提到:现代工业正在努力将无损检测方法和技术用于结构、强度、硬度、残余应力、粘结强度等材料的物理性能的测量。这种努力起因于对提高产品质量、确保安全,降低生产成本及提高生产率的需要。而无损评价的目的,是为了实现自动化。


在无损检测中强调无损评价,其目的是为了实现自动化,为了实现智能化,为了加强无损检测的实用性。这并不是说过去是没有无损评价的,只是过去的无损评价工作比较粗糙,很多验收准则可能是凭经验甚至是凭感觉制定的。强调无损评价工作,就是要求把这一工作做的比过去更深入、更精细、更加数据化,其目的是为了最大限度地降低生产成本和运行成本。


当我们把无损评价误以为是更高阶段,把新方法和新技术的开发和应用、检测科目的开拓、检测能力的提高等等都冠以无损评价这一术语,并且以为这就是无损评价了,其实这些仍然是检测技术甚至还是探伤技术(当然这些发展也是需要的),而远不是无损评价。真正的无损评价,是要解决如何对检测结果进行评价,包括以怎样的依据来判定其是否合格或可否继续使用,而不是仅仅把检测结果分个等级。真正的无损评价,国内却少有试验研究和文献报道。真正的无损评价,正是实现智能化所需的基础。这些都是无损检测与其他检测技术的最大不同之处。


针对于产品的不同阶段,无损检测的目标有所不同,譬如:


a)制造阶段:是判定伤或缺欠为缺陷(不可验收或拒收)还是不连续(可验收);


b)使用阶段:是判定伤为不可使用还是继续使用。


而无损评价的目标就是要建立判定依据,也就是:


a)制造阶段:需要建立基于制造质量的验收准则;


b)使用阶段:需要建立基于使用寿命的评价准则。


因而,即便是在早期的探伤时期,对探伤结果的合格评定就始终存在,否则探伤的目的就没有了。所以使用的术语是探伤,还是检测或评价,并不代表不同的发展阶段。强调无损评价,是要求把评定依据建立得更精细、更准确,以避免不必要的浪费,从而有效地降低成本。


跟其他任何技术一样,无损检测或无损评价也同样分为研究和应用两大方面。通过大量与力学试验、力学理论相配合的试验数据,以及大量的经验数据,来建立验收准则或评价准则,然后作为无损检测的实际应用。后者是无损检测人员的工作,即如何实施无损检测或无损评价;而前者可以是无损检测人员的工作,也可以是无损检测研究人员的工作,即如何开发无损检测或无损评价。无损检测人员(如3级人员)并不等于研究人员,无损检测研究人员也不能取代无损检测人员。所以无损评价并不能取代无损检测,而只是无损检测的一部分。


无损评价的目标,其中包括要大大减少甚至不依赖于检测人员的技能和经验。也就是要淡化经验论,突出唯信号论,包括检测数据和信号的采集、识别、评价、结论等等,全部实现由智能化机器来完成。所以,无损评价的成果,是可以简化操作的,而不是对无损检测人员提出更高的素质要求。


在这一过程中,明确使用无损检测的目的和用途是必要的:无损检测能应用于产品设计、材料选择、加工制造、成品检验、在役检查(维修保养)等多个方面。合理应用无损检测,不仅有利于质量控制,更能有效降低成本。无损检测还有助于保证产品的安全运行和(或)有效使用。如何通过使用无损检测来降低成本,这才是无损检测的真正目的,这才是提高无损检测地位和无损检测人员地位的根本价值。




5.结语




实现无损检测观念、术语、方法的统一,将关系到我国无损检测未来的良性发展。正确理解无损评价,把无损评价看作是无损检测的一项基础性工作,将有利于我国无损检测向智能化方向的发展,有利于降低成本,有利于无损检测在中国的合理应用,以及满足工业4.0和中国制造2025对无损检测的需求。




本文作者:金宇飞:高级工程师,无损检测专业方向,全国无损检测标准化技术委员会秘书长。



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