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.哈爾濱工業大學(深圳) 土木與環境工程學院，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定的外部環境和秩序，是指多數人的生命、健康和公私財產的安全[1]。根據《中華人民共和國突發事件應對法》的規定，公共安全中的突發事件涉及自然災害、事故災難、公共衛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、日本等發達國家，相關研究起步較早，其突發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。

公共安全突發事件應急管理正在經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代科技的支撐，2016年開始啟動實施的國家重點研發計劃“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展進行的頂層規劃，目前已經在裝備、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展現狀，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 無損檢測技術的發展現狀

無損檢測技術最早為工業應用而生，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

根據無損檢測技術的作用和公共安全應急管理各環節的特點，無損檢測技術可重點應用于風險評估、監測監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檢測，則屬于監測監控的范疇。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測，對鍋爐、電梯等特種設備的定期檢測等。在救援處置環節，可以利用無損檢測技術協助進行事故或災害現場的勘察、人員搜救等作業，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及儲運設施在城市中分布廣泛，一旦發生事故，會對人民的生命財產造成嚴重危害，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，其優勢是檢測距離遠、檢測精度高，采用不同的模態和頻率，可實現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超聲檢測判斷管壁的減薄或變形情況，其優點是不受管道外界環境的影響，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測[7]，可用于對偷盜及施工干擾情況的監測。

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。聲發射技術通常被用于在役油氣儲罐的在線監測，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測，以及對地鐵拱頂沉降和受沿線施工影響的監測，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境，運行負荷較大，容易產生老化、腐蝕、開裂等缺陷，具有較大的潛在危險。根據《特種設備安全監察條例》，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測，聲發射技術可以發揮重要作用[12]。這些結構在使用過程中，會在外部載荷作用下產生微裂紋，微裂紋的產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，有限空間作業事故頻發，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，并在作業過程中持續進行有害氣體和氧氣濃度監測，將會大大減少甚至杜絕類似事故的發生。

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測中也有應用，煙霧探測器、溫度傳感器都是火災監測中常用的傳感器類型，也屬于無損檢測的范疇。

2.2 自然災害的監測預警

針對自然災害的評估和監測，無損檢測技術也可以發揮重要作用。自然災害發生的區域一般較大，這種情況下采用的評估或監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，發生滑坡事故。針對這類對象的安全監測，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，城市道路及建成區域會產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，對于大范圍區域的地面沉降，主要監測手段為基于InSAR的衛星監測[15]，通過衛星合成孔徑雷達數據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性和隱蔽性，因此要對地下空洞的產生和發展進行有效監測。利用探地雷達定期、定線路探查是監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、小范圍區域的針對性監測。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。針對這類突發天氣，應加強城市中低洼道路、地下暗河、暗涵的水位監測。干涉式光纖水位傳感系統具有測量范圍大、響應時間快的特點，非常適合強降雨天氣下的水位監測[17]。

2.3 公共衛生事件和社會安全事件的管控

在公共衛生事件和社會安全事件的監測預警方面，無損檢測技術也發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 未來發展方向

當前，我國無損檢測技術的發展正在經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展，多方法多維度聯合檢測及監測應用有待拓展，高性能檢測儀器、高精度傳感器的國產化進程有待加快。

物聯網技術的應用促進了傳感器的智能化發展，而智能傳感器又是物聯網的核心部件之一。物聯網和智能傳感器的融合應用，是無損檢測及安全風險監測實現高智能化和自動化的基礎。現代通信技術的應用能夠有效提高監測數據傳輸的實時性，有助于實現安全風險的遠距離監測。大數據的應用則能夠提高風險自動識別及預測預警的準確性。