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无损检测技术在城市公共安全领域的应用

无损检测 超声检测 漏磁检测 射线检测
发布:2021-02-04 10:20:28     来源:邓鹏 无损检测NDT

公共安全是指社会和公众进行正常的生活、工作、学习、娱乐等活动所需的稳定的外部环境和秩序,是指多数人的生命、健康和公私财产的安全。根据《中华人民共和国突发事件应对法》的规定,公共安全中的突发事件涉及自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件4个类别。

在国际社会上,公共安全同样是各国政府和相关组织的重点关注对象。尤其是美国、日本等发达国家,相关研究起步较早,其突发事件管理和应对手段更加丰富,法律政策和体制机制相对完善。

公共安全突发事件应急管理正在经历从单纯的灾害救援到综合防灾减灾救灾的过程,围绕相关问题及技术,我国的专家学者进行了深入研究。公共安全与应急管理离不开现代科技的支撑,2016年开始启动实施的国家重点研发计划“公共安全风险防控与应急技术装备”重点专项,就是国家相关部门围绕公共安全科技发展进行的顶层规划,目前已经在装备、技术标准、软件平台等方面取得了多项成果。

从广义上来讲,无损检测技术是直接服务于城市公共安全的。城市中的生命线工程、重大基础设施、特种设备的安全运行,都离不开无损检测技术的保驾护航。在国家重点研发计划“公共安全风险防控与应急技术装备”重点专项过去几年所设立的项目中,就包含了化工装置及设施、油气长输管道及储运设施、城市地下综合管廊、区域综合交通基础设施、承压类及机电类特种设备的安全状况检验评价技术研究等。

根据无损检测技术的作用和公共安全应急管理各环节的特点,无损检测技术可重点应用于风险评估、监测监控以及救援处置等过程。利用无损检测技术对压力容器、电梯等特种设备、道路桥梁等基础设施、工业设施、油气管道、供水供气管线等进行的单次或不定期的缺陷及性能检测,实际上就是一次风险评估的过程,根据检测结果可以得到这个设施设备的安全状况。对这些设施设备进行的定期检测或连续检测,则属于监测监控的范畴。比较典型的例子包括对建筑、桥梁等基础设施的结构健康监测,对锅炉、电梯等特种设备的定期检测等。在救援处置环节,可以利用无损检测技术协助进行事故或灾害现场的勘察、人员搜救等作业,提高救援处置效率,减少人员伤亡。

事故灾难的预防
 

01 危险化学品储运设施

危险化学品相关企业及储运设施在城市中分布广泛,一旦发生事故,会对人民的生命财产造成严重危害,是各级应急管理部门关注的重点。

针对油气运输管道的腐蚀、裂纹、焊缝缺陷等,可以采用超声导波检测,其优势是检测距离远、检测精度高,采用不同的模态和频率,可实现对不同类型缺陷的检测。在管道内检测方面,利用漏磁检测或常规超声检测判断管壁的减薄或变形情况,其优点是不受管道外界环境的影响,可用于海底管道或埋地管道的检测。光纤检测技术则非常适合用于管道沿线的扰动监测,可用于对偷盗及施工干扰情况的监测。

针对油气等危险化学品储罐的腐蚀、裂纹等缺陷,通常采用常规超声检测和漏磁检测技术,借助爬壁机器人等运动装置,对储罐底板及壁板进行全面扫查。部分学者则研究了利用超声兰姆波对储罐底板进行大面积无损检测,得到了较好的检测效果。声发射技术通常被用于在役油气储罐的在线监测,但其易受外界因素的干扰,检测准确性有待提高。

02 城市生命线

城市生命线不仅关系到人民的日常生活和城市的正常运行,发生事故后也会威胁到周围群众的生命健康。

对于供水、排水、供暖、供气等管道的检测,国内外在相关方面的研究开展也较早,缺陷检测手段相对成熟,目前常用的检测方法包括涡流、射线、超声、漏磁以及超声导波等。对于混凝土浇筑的大型箱涵式排污管道的腐蚀缺陷,可以采用超声相控阵、探地雷达等手段进行检测。

在轨道交通方面,通常采用超声、涡流、漏磁等方法对在役钢轨进行非接触式的无损检测,不同的检测方法适用于不同位置及类型的缺陷。这些系统可以搭载在特制车辆上进行移动式检测,速度最高可达80km/h。针对城市地铁杂散电流对沿线燃气管道、供水管道等金属结构的腐蚀影响监测,以及对地铁拱顶沉降和受沿线施工影响的监测,可以采用光纤传感技术。

03 特种设备

特种设备检测是无损检测技术的重点应用方向之一。在特种设备中,“锅炉、压力容器(含气瓶)、压力管道”3类被称为承压类特种设备。其多处于高温高压的运行环境,运行负荷较大,容易产生老化、腐蚀、开裂等缺陷,具有较大的潜在危险。根据《特种设备安全监察条例》,目前针对承压类特种设备的无损检测手段主要为磁粉检测、射线检测、涡流检测和超声检测等,且常采用便携式设备进行检测。也有学者研究利用超声导波技术、电磁检测技术、声发射技术等手段对承压类特种设备进行缺陷检测。

“电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场(厂)内专用机动车辆”被称为机电类特种设备。电梯、客运索道、大型游乐设施在城市、景区中较为常见,其运行安全与普通群众的生活、娱乐密切相关。钢丝绳为机电类特种设备的重要承载构件,其安全性能一直受到广泛关注。针对钢丝绳无损检测,最常用的方法是电磁检测技术,其不仅可以检测到断丝等缺陷,还可以检测其应力集中和疲劳损伤的情况。机电类特种设备中的其他零部件的检测往往采用超声、射线等常规检测手段。

04 建筑工程结构

建筑工程结构是组成城市的基本要素,也是群众进行生产生活的主要载体,对建筑工程结构的安全管理也是城市公共安全的重要内容。

对桥梁、大坝、隧道等结构的健康监测,声发射技术可以发挥重要作用。这些结构在使用过程中,会在外部载荷作用下产生微裂纹,微裂纹的产生和扩展都会释放能量,并以弹性波的形式扩散,接收传感器能够捕捉到这些信号,通过分析可以得到被监测结构的安全状况。超声波检测、表面波检测、红外检测等无损检测方法也可用于特定场合的建筑工程结构检测。

在现代化城市,高层建筑中广泛存在的玻璃幕墙也是无损检测关注的焦点之一。针对玻璃幕墙的结构胶失效检测,应用最多的是超声检测,声发射、射线和红外等检测方法也有报道。

05 其他

城市中的有限空间作业过程也需要无损检测技术提供安全保障。有限空间由于自然通风不佳,容易造成有毒有害、易燃易爆气体积聚和空气含氧量降低。近年来,有限空间作业事故频发,原因之一就是安全检测手段缺乏、气体检测装置配备不齐全。如果在作业前利用气体检测仪对有限空间内的气体状况进行检测,并在作业过程中持续进行有害气体和氧气浓度监测,将会大大减少甚至杜绝类似事故的发生。

火灾也是城市公共安全领域重点关注的事故灾难之一,无损检测技术在火灾监测中也有应用,烟雾探测器、温度传感器都是火灾监测中常用的传感器类型,也属于无损检测的范畴。

自然灾害的监测预警

针对自然灾害的评估和监测,无损检测技术也可以发挥重要作用。自然灾害发生的区域一般较大,这种情况下采用的评估或监测手段也要能够覆盖足够宽广的范围。城市中的自然边坡、建筑边坡、建筑废弃物收纳场、垃圾填埋场等容易受降雨等因素的影响,发生滑坡事故。针对这类对象的安全监测,可采用的无损检测方法有分布式光纤传感、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)、探地雷达、声发射等。

受各类自然因素和人为因素的影响,城市道路及建成区域会产生地面沉降甚至突然塌陷等灾害,严重危害道路行驶安全和建筑结构安全。地面沉降是一个相对缓慢变化的过程,对于大范围区域的地面沉降,主要监测手段为基于InSAR的卫星监测,通过卫星合成孔径雷达数据提取的相位信息获取地表的变化信息。地面塌陷则具有突发性和隐蔽性,因此要对地下空洞的产生和发展进行有效监测。利用探地雷达定期、定线路探查是监控地面塌陷最常用的方法,但由于其成本较高,所以更适合短距离、小范围区域的针对性监测。而光纤传感技术价格低廉、耐久性好,有利于进行分布式、长距离、实时远程监控。

暴雨、台风等强对流天气也会对城市公共安全造成直接影响。针对这类突发天气,应加强城市中低洼道路、地下暗河、暗涵的水位监测。干涉式光纤水位传感系统具有测量范围大、响应时间快的特点,非常适合强降雨天气下的水位监测。

 
公共卫生事件和社会安全事件的管控
 

在公共卫生事件和社会安全事件的监测预警方面,无损检测技术也发挥了不可替代的作用。以此次新冠肺炎疫情为例,日常接触的各种体温测量仪器,对确诊患者或疑似患者进行的肺部影像学检查等,实际上是釆用了无损检测技术中的红外检测和射线检测。在社会安全事件方面,各类公共场所的安检仪、交通警察使用的测速仪和酒精测量仪,也都使用了不同的无损检测方法。

未来发展方向

当前,我国无损检测技术的发展正在经历从无损检测过渡到无损评价的过程,其在城市公共安全领域的应用既是这一过程的推动者,也是这一过程的受益者。作为智慧城市建设的重要内容,城市公共安全治理需提升风险评估与监测预警水平,加强主动、精准、智能化、整体式风险管控能力,这就对各类安全风险的智能化检测监测提出了更高的要求。面对无损检测技术和公共安全的共同发展需求,新的检测原理和检测方法有待提出,新的信号处理方法有待发展,多方法多维度联合检测及监测应用有待拓展,高性能检测仪器、高精度传感器的国产化进程有待加快。

物联网技术的应用促进了传感器的智能化发展,而智能传感器又是物联网的核心部件之一。物联网和智能传感器的融合应用,是无损检测及安全风险监测实现高智能化和自动化的基础。现代通信技术的应用能够有效提高监测数据传输的实时性,有助于实现安全风险的远距离监测。大数据的应用则能够提高风险自动识别及预测预警的准确性。
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