無損檢測技術在城市公共安全領域的應用

鄧 鵬，袁狄平，何存富，肖儀清

(1.哈爾濱工業(yè)大學(深圳) 土木與環(huán)境工程學院，深圳518055；2.深圳市城市公共安全技術研究院有限公司，深圳518046；3.北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術學院，北京100124)

公共安全是指社會和公眾進行正常的生活、工作、學習、娛樂等活動所需的穩(wěn)定的外部環(huán)境和秩序，是指多數(shù)人的生命、健康和公私財產(chǎn)的安全[1]。根據(jù)《中華人民共和國突發(fā)事件應對法》的規(guī)定，公共安全中的突發(fā)事件涉及自然災害、事故災難、公共衛(wèi)生事件和社會安全事件等4個類別。

在國際社會上，公共安全同樣是各國政府和相關組織的重點關注對象[2]。尤其是美國、日本等發(fā)達國家，相關研究起步較早，其突發(fā)事件管理和應對手段更加豐富，法律政策和體制機制相對完善。

公共安全突發(fā)事件應急管理正在經(jīng)歷從單純的災害救援到綜合防災減災救災的過程，圍繞相關問題及技術，我國的專家學者進行了深入研究[3-4]。公共安全與應急管理離不開現(xiàn)代科技的支撐，2016年開始啟動實施的國家重點研發(fā)計劃“公共安全風險防控與應急技術裝備”重點專項，就是國家相關部門圍繞公共安全科技發(fā)展進行的頂層規(guī)劃，目前已經(jīng)在裝備、技術標準、軟件平臺等方面取得了多項成果。

從廣義上來講，無損檢測技術是直接服務于城市公共安全的。城市中的生命線工程、重大基礎設施、特種設備的安全運行，都離不開無損檢測技術的保駕護航[5]。在國家重點研發(fā)計劃“公共安全風險防控與應急技術裝備”重點專項過去幾年所設立的項目中，就包含了化工裝置及設施、油氣長輸管道及儲運設施、城市地下綜合管廊、區(qū)域綜合交通基礎設施、承壓類及機電類特種設備的安全狀況檢驗評價技術研究等。

筆者簡要介紹了無損檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀，分類闡述了無損檢測技術在城市公共安全領域的應用，并探討了未來的發(fā)展方向，以期為公共安全和無損檢測相關領域的學者提供參考，使更多先進無損檢測技術服務于城市公共安全。

1 無損檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀

無損檢測技術最早為工業(yè)應用而生，目前已廣泛應用于機械制造、石油化工、汽車、航空航天等領域。無損檢測是利用物質的聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，判斷其是否存在缺陷并給出缺陷的大小、位置、性質和數(shù)量等信息。無損檢測技術最大的特點就是非破壞性，因此可以對被測物體進行全面和全過程檢測。除了針對物體缺陷的檢測外，無損檢測技術還常常用于材料力學性能、氣體濃度、物體厚度及長度、距離、溫度等物理量的測量。

常規(guī)無損檢測技術包括超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測等，其發(fā)展較早、技術較成熟、操作也相對簡單。隨著對檢測精度、檢測效率等要求的提高，以及檢測設備、信號分析處理方法的進步，許多無損檢測新技術、新方法被提出并得到逐步應用，比較典型的包括相控陣超聲技術、超聲導波技術、聲發(fā)射技術、光纖檢測技術、紅外檢測技術、漏磁檢測技術、脈沖渦流檢測技術等。不同的檢測技術及方法都有其獨特的檢測對象和范圍，在實際應用中可能需要結合多種檢測方法實現(xiàn)對被檢對象的安全評價。

2 各類無損檢測技術在公共安全中的應用

根據(jù)無損檢測技術的作用和公共安全應急管理各環(huán)節(jié)的特點，無損檢測技術可重點應用于風險評估、監(jiān)測監(jiān)控以及救援處置等過程。利用無損檢測技術對壓力容器、電梯等特種設備、道路橋梁等基礎設施、工業(yè)設施、油氣管道、供水供氣管線等進行的單次或不定期的缺陷及性能檢測，實際上就是一次風險評估的過程，根據(jù)檢測結果可以得到這個設施設備的安全狀況。對這些設施設備進行的定期檢測或連續(xù)檢測，則屬于監(jiān)測監(jiān)控的范疇。比較典型的例子包括對建筑、橋梁等基礎設施的結構健康監(jiān)測，對鍋爐、電梯等特種設備的定期檢測等。在救援處置環(huán)節(jié)，可以利用無損檢測技術協(xié)助進行事故或災害現(xiàn)場的勘察、人員搜救等作業(yè)，提高救援處置效率，減少人員傷亡。

2.1 事故災難的預防

2.1.1 危險化學品儲運設施

危險化學品相關企業(yè)及儲運設施在城市中分布廣泛，一旦發(fā)生事故，會對人民的生命財產(chǎn)造成嚴重危害，是各級應急管理部門關注的重點。

針對油氣運輸管道的腐蝕、裂紋、焊縫缺陷等，可以采用超聲導波檢測，其優(yōu)勢是檢測距離遠、檢測精度高，采用不同的模態(tài)和頻率，可實現(xiàn)對不同類型缺陷的檢測。在管道內檢測方面[6]，利用漏磁檢測或常規(guī)超聲檢測判斷管壁的減薄或變形情況，其優(yōu)點是不受管道外界環(huán)境的影響，可用于海底管道或埋地管道的檢測。光纖檢測技術則非常適合用于管道沿線的擾動監(jiān)測[7]，可用于對偷盜及施工干擾情況的監(jiān)測。

針對油氣等危險化學品儲罐的腐蝕、裂紋等缺陷，通常采用常規(guī)超聲檢測和漏磁檢測技術，借助爬壁機器人等運動裝置，對儲罐底板及壁板進行全面掃查。部分學者則研究了利用超聲蘭姆波對儲罐底板進行大面積無損檢測，得到了較好的檢測效果。聲發(fā)射技術通常被用于在役油氣儲罐的在線監(jiān)測，但其易受外界因素的干擾，檢測準確性有待提高。

2.1.2 城市生命線

城市生命線不僅關系到人民的日常生活和城市的正常運行，發(fā)生事故后也會威脅到周圍群眾的生命健康。

對于供水、排水、供暖、供氣等管道的檢測，國內外在相關方面的研究開展也較早，缺陷檢測手段相對成熟，目前常用的檢測方法包括渦流、射線、超聲、漏磁以及超聲導波等。對于混凝土澆筑的大型箱涵式排污管道的腐蝕缺陷，可以采用超聲相控陣、探地雷達等手段進行檢測[8]。

在軌道交通方面，通常采用超聲、渦流、漏磁等方法對在役鋼軌進行非接觸式的無損檢測，不同的檢測方法適用于不同位置及類型的缺陷[9]。這些系統(tǒng)可以搭載在特制車輛上進行移動式檢測，速度最高可達80 km·h-1。針對城市地鐵雜散電流對沿線燃氣管道、供水管道等金屬結構的腐蝕影響監(jiān)測，以及對地鐵拱頂沉降和受沿線施工影響的監(jiān)測，可以采用光纖傳感技術。

2.1.3 特種設備

特種設備檢測是無損檢測技術的重點應用方向之一[10]。在特種設備中，“鍋爐、壓力容器(含氣瓶)、壓力管道”3類被稱為承壓類特種設備。其多處于高溫高壓的運行環(huán)境，運行負荷較大，容易產(chǎn)生老化、腐蝕、開裂等缺陷，具有較大的潛在危險。根據(jù)《特種設備安全監(jiān)察條例》，目前針對承壓類特種設備的無損檢測手段主要為磁粉檢測、射線檢測、渦流檢測和超聲檢測等，且常采用便攜式設備進行檢測。也有學者研究利用超聲導波技術、電磁檢測技術、聲發(fā)射技術等手段對承壓類特種設備進行缺陷檢測。

“電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設施和場(廠)內專用機動車輛”被稱為機電類特種設備。電梯、客運索道、大型游客設施在城市、景區(qū)中較為常見，其運行安全與普通群眾的生活、娛樂密切相關。鋼絲繩為機電類特種設備的重要承載構件，其安全性能一直受到廣泛關注。針對鋼絲繩無損檢測，最常用的方法是電磁檢測技術[11]，其不僅可以檢測到斷絲等缺陷，還可以檢測其應力集中和疲勞損傷的情況。機電類特種設備中的其他零部件的檢測往往采用超聲、射線等常規(guī)檢測手段。

2.1.4 建筑工程結構

建筑工程結構是組成城市的基本要素，也是群眾進行生產(chǎn)生活的主要載體，對建筑工程結構的安全管理也是城市公共安全的重要內容。

對橋梁、大壩、隧道等結構的健康監(jiān)測，聲發(fā)射技術可以發(fā)揮重要作用[12]。這些結構在使用過程中，會在外部載荷作用下產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的產(chǎn)生和擴展都會釋放能量,并以彈性波的形式擴散，接收傳感器能夠捕捉到這些信號，通過分析可以得到被監(jiān)測結構的安全狀況。超聲波檢測、表面波檢測、紅外檢測等無損檢測方法也可用于特定場合的建筑工程結構檢測。

在現(xiàn)代化城市，高層建筑中廣泛存在的玻璃幕墻也是無損檢測關注的焦點之一。針對玻璃幕墻的結構膠失效檢測，應用最多的是超聲檢測[13]，聲發(fā)射、射線和紅外等檢測方法也有報道。

2.1.5 其他

城市中的有限空間作業(yè)過程也需要無損檢測技術提供安全保障[14]。有限空間由于自然通風不佳，容易造成有毒有害、易燃易爆氣體積聚和空氣含氧量降低。近年來，有限空間作業(yè)事故頻發(fā)，原因之一就是安全檢測手段缺乏、氣體檢測裝置配備不齊全。如果在作業(yè)前利用氣體檢測儀對有限空間內的氣體狀況進行檢測，并在作業(yè)過程中持續(xù)進行有害氣體和氧氣濃度監(jiān)測，將會大大減少甚至杜絕類似事故的發(fā)生。

火災也是城市公共安全領域重點關注的事故災難之一，無損檢測技術在火災監(jiān)測中也有應用，煙霧探測器、溫度傳感器都是火災監(jiān)測中常用的傳感器類型，也屬于無損檢測的范疇。

2.2 自然災害的監(jiān)測預警

針對自然災害的評估和監(jiān)測，無損檢測技術也可以發(fā)揮重要作用。自然災害發(fā)生的區(qū)域一般較大，這種情況下采用的評估或監(jiān)測手段也要能夠覆蓋足夠寬廣的范圍。城市中的自然邊坡、建筑邊坡、建筑廢棄物收納場、垃圾填埋場等容易受降雨等因素的影響，發(fā)生滑坡事故。針對這類對象的安全監(jiān)測，可采用的無損檢測方法有分布式光纖傳感、合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)、探地雷達、聲發(fā)射等。

受各類自然因素和人為因素的影響，城市道路及建成區(qū)域會產(chǎn)生地面沉降甚至突然塌陷等災害，嚴重危害道路行駛安全和建筑結構安全。地面沉降是一個相對緩慢變化的過程，對于大范圍區(qū)域的地面沉降，主要監(jiān)測手段為基于InSAR的衛(wèi)星監(jiān)測[15]，通過衛(wèi)星合成孔徑雷達數(shù)據(jù)提取的相位信息獲取地表的變化信息。地面塌陷則具有突發(fā)性和隱蔽性，因此要對地下空洞的產(chǎn)生和發(fā)展進行有效監(jiān)測。利用探地雷達定期、定線路探查是監(jiān)控地面塌陷最常用的方法[16]，但由于其成本較高，所以更適合短距離、小范圍區(qū)域的針對性監(jiān)測。而光纖傳感技術價格低廉、耐久性好，有利于進行分布式、長距離、實時遠程監(jiān)控。

暴雨、臺風等強對流天氣也會對城市公共安全造成直接影響。針對這類突發(fā)天氣，應加強城市中低洼道路、地下暗河、暗涵的水位監(jiān)測。干涉式光纖水位傳感系統(tǒng)具有測量范圍大、響應時間快的特點，非常適合強降雨天氣下的水位監(jiān)測[17]。

2.3 公共衛(wèi)生事件和社會安全事件的管控

在公共衛(wèi)生事件和社會安全事件的監(jiān)測預警方面，無損檢測技術也發(fā)揮了不可替代的作用。以此次新冠肺炎疫情為例，日常接觸的各種體溫測量儀器，對確診患者或疑似患者進行的肺部影像學檢查等，實際上是釆用了無損檢測技術中的紅外檢測和射線檢測。在社會安全事件方面，各類公共場所的安檢儀、交通警察使用的測速儀和酒精測量儀，也都使用了不同的無損檢測方法。

3 未來發(fā)展方向

當前，我國無損檢測技術的發(fā)展正在經(jīng)歷從無損檢測過渡到無損評價的過程，其在城市公共安全領域的應用既是這一過程的推動者，也是這一過程的受益者。作為智慧城市建設的重要內容，城市公共安全治理需提升風險評估與監(jiān)測預警水平，加強主動、精準、智能化、整體式風險管控能力，這就對各類安全風險的智能化檢測監(jiān)測提出了更高的要求。面對無損檢測技術和公共安全的共同發(fā)展需求，新的檢測原理和檢測方法有待提出，新的信號處理方法有待發(fā)展，多方法多維度聯(lián)合檢測及監(jiān)測應用有待拓展，高性能檢測儀器、高精度傳感器的國產(chǎn)化進程有待加快。

物聯(lián)網(wǎng)技術的應用促進了傳感器的智能化發(fā)展，而智能傳感器又是物聯(lián)網(wǎng)的核心部件之一。物聯(lián)網(wǎng)和智能傳感器的融合應用，是無損檢測及安全風險監(jiān)測實現(xiàn)高智能化和自動化的基礎?，F(xiàn)代通信技術的應用能夠有效提高監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，有助于實現(xiàn)安全風險的遠距離監(jiān)測。大數(shù)據(jù)的應用則能夠提高風險自動識別及預測預警的準確性。