鐘維林，孫治林，寧環(huán)波，李懷遠

(1.神華黃驊港務有限責任公司，黃驊 061113；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456)

20世紀70年代后，筒式儲倉(以下簡稱筒倉)以其優(yōu)良儲藏性能被廣泛應用于我國工業(yè)生產中。在其服役期間，筒倉內壁會不可避免的產生不同程度的磨損，如不及時了解其磨損程度以做出應對措施，很可能會產生安全隱患甚至事故，因此對筒倉內壁定期進行磨損檢測很有必要。

由于筒倉內部的封閉性和結構復雜性，難以用常規(guī)的目視檢測方法判斷其內壁磨損程度。目前國內外學者提出的筒倉內壁檢測方式主要是間接檢測，主要方法可分為兩類，一類是通過結構的物理特性建立數學模型，例如Lifshitz[1]等提出使用結構的固有頻率判斷損傷程度，韓西[2]等通過測量結構的柔度識別磨損位置和程度，E.J Haug[3]分析了結構剛度與損傷程度的關系，以上方法多用于局部磨損檢測，不能實現對大型結構的整體檢測；另一類方法是基于力學特性的有限元分析法，例如萬莉[4]等通過筒倉內力的變化規(guī)律預測筒倉的磨損范圍，盧亦焱[5]采用混凝土塑性損傷模型研究倉壁軸力分布規(guī)律，王亞東[6]提出基于時間序列分析和人工神經網絡的損傷檢測方法，以上方法的主要缺點是容錯性差，難以抵抗環(huán)境噪聲的影響。

三維激光掃描技術是通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取研究目標表面的三維坐標數據，具有快速、高精度、非接觸獲取研究物體三維空間坐標數據的特點[7]。三維激光掃描技術在場地檢測領域已有廣泛應用，羅德安[8]等人論述了三維激光掃描技術在變形監(jiān)測領域內應用的可行性、技術優(yōu)勢和存在的問題；徐進軍[9]等對三維激光掃描技術應用于滑坡變形監(jiān)測與分析進行了理論分析與實際測量；丁延輝[10]等提出了基于三維激光掃描技術對建筑物進行沉降監(jiān)測、傾斜分析、整體變形監(jiān)測的方法。本文在深入了解國內外學者研究成果的基礎上，提出基于三維激光掃描技術的筒倉內壁直接檢測法，利用三維激光掃描儀直接獲取筒倉內部結構的整體三維模型，通過點云后處理獲取內壁磨損情況。

神華黃驊港2013年建成了亞洲最大的儲煤筒倉群，在多年使用過程中，陸續(xù)發(fā)現筒倉內壁存在磨損現象。為掌握神華黃驊港筒倉內壁磨損的詳細情況，本文深入研究了三維激光掃描儀在神華黃驊港筒倉內壁磨損檢測應用中的儀器型號選擇、數據處理[11-12]以及磨損程度分析方法，并通過現場檢測驗證了三維激光掃描技術應用于筒倉內壁磨損檢測的可行性。

1 工程概況

圖1 神華黃驊港儲煤筒倉群

神華黃驊港是我國西煤東運、北煤南運的重要樞紐，近年來運量持續(xù)攀升，2018年其煤炭吞吐量已突破2億t，躋身中國煤炭港口前列。為秉承“建設綠色港口，共享碧海藍天”的建設理念，黃驊港港區(qū)建設了48座集環(huán)保與節(jié)能于一體的大型儲煤裝置——儲煤筒倉，單個筒倉高43.4 m，直徑40 m，總儲煤量144萬t，是亞洲最大的儲煤筒倉群[13]，如圖1所示。

儲煤筒倉內部斷面結構如圖2所示。儲煤筒倉作業(yè)過程為上口進料，下口出料，由于落差大，煤塊對筒倉下部結構層沖擊較大，且會產生持續(xù)摩擦損傷，為保護筒倉結構，建設時于分倉梁及卸料口區(qū)域筒壁鋪設了壓延微晶板進行防護(以下簡稱防護層)，如圖3所示。但筒倉在長期作業(yè)過程中，仍難以避免會產生磨損，一旦發(fā)生鋼筋損壞的情況，將嚴重影響安全生產，因此應定期對筒倉內壁防護層的磨損情況進行檢測，及時發(fā)現損壞點，提前修補以防發(fā)生安全生產事故[14-15]。

2-a 剖面1(南北向) 2-b 剖面2(東西向)

圖2 筒倉內壁結構設計剖面示意圖

Fig.2 Section sketch of silo inner-wall structure design

圖3 筒倉內壁防護材料—壓延微晶板(防護層)

由于煤塊在存儲過程中會產生有害氣體，且具有易燃易爆的特性，因此儲煤筒倉的安全設計非常嚴格，筒倉內部沒有光源，頂部有4個半徑約為1 m的圓形通風孔，受限于復雜的內部結構和作業(yè)環(huán)境，靠人工進入筒倉內部進行檢測是不可行的，常規(guī)手段難以對筒倉內部磨損情況進行直接鑒定。本文將采用三維激光掃描技術逆向重建筒倉三維模型，使用斷面分析、截面磨損分析、損壞定量分析三種分析方法對筒倉內壁防護層的磨損進行檢測。

2 模型重構

2.1 儀器參數

不同型號三維激光掃描性能參數差異較大，根據掃描需求選擇合適的掃描儀型號尤為重要。對于筒倉內壁磨損檢測應用來說，測程為40～45 m，在無磨損情況下防護層距離鋼筋層厚度約為7 cm，本研究選用了德國Z+F IMAGER 5016三維激光掃描儀，主要技術參數如表1所示。該儀器在50 m測程內測量精度可達毫米級，內壁磨損厚度識別誤差優(yōu)于2%。

2.2 儀器精度驗證

為驗證所選三維激光掃描儀的測量精度，本文對所用儀器進行了實地精度檢驗。檢驗方法如下：

(1)在建筑物外墻粘貼6張標靶紙，用三維掃描儀獲取建筑物外墻的三維坐標，觀測時掃描儀測站距離建筑物外墻40 m左右。

(2)經過點云處理后，計算每2個標靶中心點之間的相互距離，獲得15個距離值作為觀測值。

(3)采用全站儀測量6個標靶中心點坐標，通過坐標計算距離，獲得15個距離值作為真值。

(4)計算15個觀測值的中誤差。

表1 儀器技術參數

表2 實驗觀測結果

表2所示為實驗觀測結果，實驗表明，三維掃描儀觀測值精度達到毫米級，滿足本次檢測精度要求。

2.3 數據采集與處理

為觀測筒倉內壁防護層磨損情況，制定如下掃描方案和數據處理流程，如圖4所示。

圖4 掃描方案及數據處理流程

(1)在布設站點時，考慮到筒倉內部有橫梁和柱狀物，為防止遮擋檢測區(qū)域，在南北兩側布設2個站點，保證數據覆蓋整個檢測范圍。

(2)掃描儀器需要通過筒倉頂部的通風孔倒置進入筒倉內部，在放置儀器前大致調平，倒置進入通風孔后，通過外部的三角升降平臺為儀器調平。

(3)通過無線網絡連接掃描儀，在配套軟件中設置掃描參數，控制儀器進行掃描，掃描完成后檢查掃描質量并導出asc格式的點云數據。

(4)內業(yè)數據處理采用Geomagic軟件進行三維點云數據處理，為保證數據精度，導入點云時不進行抽樣，導入后手動刪除非檢測區(qū)域的點，并依次對點云數據進行刪除非連接項、刪除體外孤點、減少噪音、統一、封裝處理，生成多邊形網格數據，然后進行網格修正、簡化、開流形、填充孔等處理，得到筒倉內壁防護層磨損情況的三維模型。

(5)由于已經無法對筒倉原始內部結構進行掃描，缺失了筒倉磨損前的模型數據。為了對筒倉內壁防護層磨損情況進行鑒定分析，本研究依據筒倉設計參數，采用逆向建?；謴屯矀}內部原始結構，具體方法是選取掃描數據中顯著未損壞區(qū)域的點，分別對筒倉底部各部位進行平面擬合，拼接后作為筒倉磨損前的原始三維模型，用于后續(xù)的檢測分析。

3 防護層磨損檢測

5-a 架設位置 5-b 架設姿態(tài)

本研究以黃驊港某筒倉為例，進行了實地掃測，掃測現場作業(yè)場景如圖5所示?，F場掃測時將三維掃描儀倒置架設在筒倉頂部通風孔處，架設位置如圖5-a所示，架設姿態(tài)如圖5-b所示，架設完成后通過電子手簿控制三維掃描儀完成掃測。經過內業(yè)數據處理后獲取該筒倉的三維模型，并分別采用斷面分析、截面磨損分析、損壞定量分析3種方法對該筒倉內壁防護層進行磨損檢測。

3.1 斷面分析

本文采用斷面分析方法，獲取筒倉內壁防護層各斜面的剖面曲線，通過斷面曲線形狀可判斷出斜面的磨損情況，找出磨損位置，判斷磨損程度。此處選取具有顯著磨損區(qū)域的一個斜面為例，劃取3個斷面，斜面位置和斷面位置如圖6所示。將斷面曲線投影到與斜面垂直且過斷面位置的平面，各斷面曲線如圖7所示。

圖6 平面位置和斷面位置示意圖

Fig.6 Sketch of plane position and section position

圖7 斷面曲線

Fig.7 Cross-sectional curve

3.2 截面磨損分析

截面磨損分析是對某斜面的總體磨損情況進行分析，分析原理是通過磨損后的模型數據與磨損前的模型數據進行疊加對比，以偏差色圖譜的形式表示模型前后的變化。本研究由于缺少筒倉建設完成后的原始三維模型，因此采用曲面擬合的方式作為磨損前的模型數據，具體方法是選擇某個斜面上顯著沒有損壞的區(qū)域，采用最佳曲面擬合功能獲取該斜面范圍的擬合曲面，作為損壞前的模型數據，然后采用原始掃描數據和擬合數據進行對比，獲取該區(qū)域的偏差色譜。本文選取了筒倉內壁損壞最為嚴重的1個斜面作為示例進行了截面磨損分析，該斜面位于筒倉底部主分倉梁西北側(即圖8中的A1區(qū)域)，其磨損分析結果如圖9所示。從圖9可看出該斜面最大磨損區(qū)域的脫落深度為5 cm，磨損較為嚴重。

圖8 筒倉內壁防護層分區(qū)示意圖

Fig.8 Schematic diagram for partition of protective layer on inner wall of silo

圖9 筒倉某斜面偏差色譜圖

Fig.9 Deviation chromatogram of a silo slope

3.3 損壞定量分析

表3 筒倉各區(qū)及整體脫落大小及脫落率統計表

損壞定量分析即分析筒倉內壁防護層的磨損脫落面積，分析方法是對截面磨損分析結果中發(fā)生脫落的區(qū)域計算表面積。為便于分析防護層的磨損規(guī)律，對不同斜面位置進行分區(qū)統計，分區(qū)示意圖如圖8所示，統計結果見表3所示。

3.4 分析結果

從檢測結果看，該筒倉防護層不同區(qū)域有不同程度的脫落，主分倉梁防護層脫落率明顯高于周邊。統計顯示防護層的總脫落率在20.4%左右，其中：A區(qū)域脫落率在39.24%左右；B區(qū)域脫落率在19.14%左右；C區(qū)域脫落率在19.27%左右；D區(qū)域脫落率在22.16%左右；E區(qū)域脫落率在12.97%左右；F區(qū)域脫落率在1.6%左右。從以上統計結果可看出，A區(qū)域脫落程度最嚴重，這與該區(qū)域受物料沖擊力最大有關，距離進料口稍遠的B、C、D區(qū)域脫落率大致相當，E區(qū)域脫落率相對較小，F區(qū)域為豎直圓形結構，不會直接受到物料沖擊力作用，因此脫落程度微弱。從整體上看，該筒倉內壁防護層有一定程度磨損，個別部位磨損嚴重，但總體未危及鋼筋結構。

4 結語

三維激光掃描技術能夠對大型筒倉內部進行整體觀測，能夠保證在高精度情況下獲取整個筒倉內壁的偏差色譜圖。本文通過實例數據，研究和分析了筒倉內壁防護層磨損檢測領域的檢測流程和分析方法，研究結果表明三維激光掃描技術應用于筒倉內壁磨損檢測是完全可行的，該技術應用于不可目視、環(huán)境復雜的工況下具有獨特的優(yōu)勢，為大型筒倉內壁磨損檢測提供了一種新的解決方案。隨著三維激光掃描技術在工程檢測領域的不斷完善和發(fā)展，未來該技術將在傳統手段難以克服的復雜工況下發(fā)揮至關重要的作用。