灭火救援中声发射检测技术的应用前景

发布日期：2017-03-20 14:44　　　浏览次数：次

1 前言

随着科学技术和社会经济的迅速发展，建筑物内火灾荷载越来越大，油库、液化石油库、加油站、加气站等储存化学危险品的场所的数量越来越多，规模也越来越大。这些场所一旦发生火灾，若不能在初起阶段有效控制，进入全面发展阶段后，建筑构件在高温作用和灭火射水的冷却作用下可能失效，造成建筑物倒塌；储存各种化学危险品的储罐在火灾作用下可能发生爆炸。这些都直接威胁现场火灾救援人员的安全。虽然有人员对火灾中建筑物和储罐的安全状态进行监测，但由于传统监测方法的局限性，不能及时发现着火建筑物倒塌和储罐爆炸前的征兆，致使墙倒屋塌，储罐爆炸，造成大量救援人员伤亡的事故时有发生，对社会造成很多不良影响。2003年11月7日，衡阳一商住楼发生火灾，在扑救过程中，着火建筑倒塌，20名消防员献出宝贵的生命。2001年9月11日，美国世贸大厦遭恐怖分子袭击，发生大火，几小时后倒塌，数百名救援人员牺牲。1989年8月12日，黄岛油库火灾造成40名消防战士和5名油库职工牺牲，66名官兵和12名油库职工受伤，7辆消防车、2辆指挥车化为灰烬。惨痛的代价迫使人们寻求有效的仪器设备来监测火灾中建筑物和化学危险品储罐的安全状态。

声发射检测技术作为一项较为成熟的无损检测技术，已应用于桥梁、隧道、大坝和建筑物的结构可靠性检测以及压力容器、油罐安全性检测等领域。但这些都是对对象处于一般使用状态下的检测，并未涉及在对象处于火灾状态下的检测。为了在灭火救援过程中克服传统监测方法的局限性，有效地对火灾中建筑物和储罐的安全状态进行监测，及时发现着火建筑物倒塌和储罐爆炸前的征兆，本文提出利用声发射检测技术，在灭火救援过程中监测火灾中建筑物和储罐安全状态，从理论上论证了其可行性和应用前景，并给出了具体实现方法。

2 声发射检测技术监测法的可行性

声发射AE(Acoustic Emission)是物体在外界条件作用下，缺陷或物体异常部位因应力集中而发生变形或断裂，并以弹性波形式释放出应变能的一种现象。声发射检测技术可以通过对声发射信号的处理和分析来判断发射地点的部位和状态。它具有动态检测，灵敏度高，不受构件材料和形状限制，对被检构件的接近要求不高等特点[1]。

城市建筑物中以钢筋混凝土结构和钢结构建筑为主。钢筋混凝土结构在高温下，混凝土中水泥石脱水收缩，骨料受热膨胀，收缩的不一致性使混凝土中产生很大的内应力，把包裹在骨料周围的水泥石撑破[2]，产生声发射信号；同时，钢筋也因热作用发生膨胀和轴向错动[2]，也将产生声发射信号。对于钢结构，当普通低碳钢温度超过350℃后，强度开始下降，弹性模量降低，塑性性能增大，蠕变现象变明显[2]，受热钢构件自身会产生声发射信号。加之钢材导热系数很大，受热钢构件极易破坏。受热钢构件破坏后，它所承载的应力将转移到其他钢构件上，其他钢构件承载应力的瞬时变化将产生声发射信号。这使得利用声发射检测技术对火灾中建筑物结构进行实时监测成为可能。

根据有关试验资料，储罐钢制罐体在高温高压下会产生声发射信号[1]，所以利用声发射技术监测火灾中储罐的安全状态也是可行的。
3 声发射检测技术监测的方法
3．1声发射信号的检测和处理

声发射信号检测与处理原理如图1所示。首先从声发射源接收声发射信号，并对接收的微弱信号进行前置放大以实现阻抗匹配，接着通过滤波选择合适的频率窗口以消除噪声的影响，然后对滤波后的声发射信号作进一步放大，最后对信号进行记录、分析和处理。

声发射检测仪器记录和显示的声发射信号与声发射源信号之间的关系表示为：

式中，o(s)为系统对声发射源的响应函数；E(s)为声发射源原始声发射信号的源函数；P(s)为与传递介质的性质、结构、几何形状有关的传递函数；I(s)为与界面、耦合状态和传感器有关的传递函数；c(s)为仪器系统对电信号进行采集、处理、分析、显示的传递函数；G(s)为整个系统的传递函数。

3．2声发射检测仪器

根据声发射信号检测与处理原理，改造已有声发射检测设备，用于火灾中建筑物和储罐的监测。具体从以下几方面进行改造。

(1)在火灾中，被监测对象周围环境温度较高，需要适应高温环境的传感器。不仅要求传感器自身耐高温，而且要求传感器探测到的声发射信号不受高温影响。

(2)由于火灾扑救过程中使用了大量的水，要求整套监测设备要具有很好的防水性。

(3)火场环境复杂，有很强的背景噪声，需要有可行的技术设备来进行过滤，提取被监测对象的声发射信号。不同过程产生的声信号的频率特征、幅值、持续时间、上升时间等参数各有不同，通过实验可以得到火场中典型过程产生的声信号的参数，利用这些参数与被监测对象声发射信号参数的差异确定滤波方法，改进滤波设备，提高降噪能力。

(4)建立火灾中建筑物结构和储罐声发射信号的数据库，完善计算机评估和报警系统。

4 声发射检测技术在灭火救援中的应用前景
4．1、灭火救援过程中传统监测法的局限性

在以往的灭火救援过程中，消防员凭借经验通过观察火灾中被监测对象的外部特征来判断其安全状态。这种传统的监测方法虽然有一定的实用性，但也存在很大局限性：

(1)消防员凭借经验判断被监测对象的安全状态，过多依赖人的因素，存在很大主观性。

(2)被监测对象从内部结构开始破坏到表现出外部特征需要一段时间，只从外部特征来判断，对内部状态破坏的了解有滞后性，影响救援人员撤离反应时间。

(3)当被监测对象表现出一定外部特征时，其内部状态已经发生更加严重的破坏，影响判断的可靠性。

4．2声发射检测技术监测的特点

与传统监测方法相比，声发射检测技术监测具有以下特点：

(1)使用仪器设备探测和评估，可对被监测对象的安全状态作定量检测，为消防员做出判断提供较为准确的信息，提高判断的准确性和可靠性；

(2)可对被监测对象的内部结构实时监测，一旦被监测对象有倒塌或爆炸的征兆，救援人员可以及时发现并做出反应，为人员撤离赢得时间；

(3)可以监测到被监测对象内部发生破坏的位置，据此能够预测建筑倒塌的方向和储罐爆炸时能量释放的方向。
5 结论

(1)利用声发射检测技术能够有效的对火灾中建筑物和化学危险品储罐的安全状态进行实时监测，并及时发现着火建筑物倒塌或储罐爆炸前的征兆，为消防员安全撤离提供宝贵时间。