三维激光扫描技术在港口筒仓内壁磨损检测中的应用

钟维林，孙治林，宁环波，李怀远

(1.神华黄骅港务有限责任公司，黄骅 061113；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

20世纪70年代后，筒式储仓(以下简称筒仓)以其优良储藏性能被广泛应用于我国工业生产中。在其服役期间，筒仓内壁会不可避免的产生不同程度的磨损，如不及时了解其磨损程度以做出应对措施，很可能会产生安全隐患甚至事故，因此对筒仓内壁定期进行磨损检测很有必要。

由于筒仓内部的封闭性和结构复杂性，难以用常规的目视检测方法判断其内壁磨损程度。目前国内外学者提出的筒仓内壁检测方式主要是间接检测，主要方法可分为两类，一类是通过结构的物理特性建立数学模型，例如Lifshitz[1]等提出使用结构的固有频率判断损伤程度，韩西[2]等通过测量结构的柔度识别磨损位置和程度，E.J Haug[3]分析了结构刚度与损伤程度的关系，以上方法多用于局部磨损检测，不能实现对大型结构的整体检测；另一类方法是基于力学特性的有限元分析法，例如万莉[4]等通过筒仓内力的变化规律预测筒仓的磨损范围，卢亦焱[5]采用混凝土塑性损伤模型研究仓壁轴力分布规律，王亚东[6]提出基于时间序列分析和人工神经网络的损伤检测方法，以上方法的主要缺点是容错性差，难以抵抗环境噪声的影响。

三维激光扫描技术是通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取研究目标表面的三维坐标数据，具有快速、高精度、非接触获取研究物体三维空间坐标数据的特点[7]。三维激光扫描技术在场地检测领域已有广泛应用，罗德安[8]等人论述了三维激光扫描技术在变形监测领域内应用的可行性、技术优势和存在的问题；徐进军[9]等对三维激光扫描技术应用于滑坡变形监测与分析进行了理论分析与实际测量；丁延辉[10]等提出了基于三维激光扫描技术对建筑物进行沉降监测、倾斜分析、整体变形监测的方法。本文在深入了解国内外学者研究成果的基础上，提出基于三维激光扫描技术的筒仓内壁直接检测法，利用三维激光扫描仪直接获取筒仓内部结构的整体三维模型，通过点云后处理获取内壁磨损情况。

神华黄骅港2013年建成了亚洲最大的储煤筒仓群，在多年使用过程中，陆续发现筒仓内壁存在磨损现象。为掌握神华黄骅港筒仓内壁磨损的详细情况，本文深入研究了三维激光扫描仪在神华黄骅港筒仓内壁磨损检测应用中的仪器型号选择、数据处理[11-12]以及磨损程度分析方法，并通过现场检测验证了三维激光扫描技术应用于筒仓内壁磨损检测的可行性。

1 工程概况

图1 神华黄骅港储煤筒仓群

神华黄骅港是我国西煤东运、北煤南运的重要枢纽，近年来运量持续攀升，2018年其煤炭吞吐量已突破2亿t，跻身中国煤炭港口前列。为秉承“建设绿色港口，共享碧海蓝天”的建设理念，黄骅港港区建设了48座集环保与节能于一体的大型储煤装置——储煤筒仓，单个筒仓高43.4 m，直径40 m，总储煤量144万t，是亚洲最大的储煤筒仓群[13]，如图1所示。

储煤筒仓内部断面结构如图2所示。储煤筒仓作业过程为上口进料，下口出料，由于落差大，煤块对筒仓下部结构层冲击较大，且会产生持续摩擦损伤，为保护筒仓结构，建设时于分仓梁及卸料口区域筒壁铺设了压延微晶板进行防护(以下简称防护层)，如图3所示。但筒仓在长期作业过程中，仍难以避免会产生磨损，一旦发生钢筋损坏的情况，将严重影响安全生产，因此应定期对筒仓内壁防护层的磨损情况进行检测，及时发现损坏点，提前修补以防发生安全生产事故[14-15]。

2-a 剖面1(南北向) 2-b 剖面2(东西向)

图2 筒仓内壁结构设计剖面示意图

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

图3 筒仓内壁防护材料—压延微晶板(防护层)

由于煤块在存储过程中会产生有害气体，且具有易燃易爆的特性，因此储煤筒仓的安全设计非常严格，筒仓内部没有光源，顶部有4个半径约为1 m的圆形通风孔，受限于复杂的内部结构和作业环境，靠人工进入筒仓内部进行检测是不可行的，常规手段难以对筒仓内部磨损情况进行直接鉴定。本文将采用三维激光扫描技术逆向重建筒仓三维模型，使用断面分析、截面磨损分析、损坏定量分析三种分析方法对筒仓内壁防护层的磨损进行检测。

2 模型重构

2.1 仪器参数

不同型号三维激光扫描性能参数差异较大，根据扫描需求选择合适的扫描仪型号尤为重要。对于筒仓内壁磨损检测应用来说，测程为40～45 m，在无磨损情况下防护层距离钢筋层厚度约为7 cm，本研究选用了德国Z+F IMAGER 5016三维激光扫描仪，主要技术参数如表1所示。该仪器在50 m测程内测量精度可达毫米级，内壁磨损厚度识别误差优于2%。

2.2 仪器精度验证

为验证所选三维激光扫描仪的测量精度，本文对所用仪器进行了实地精度检验。检验方法如下：

(1)在建筑物外墙粘贴6张标靶纸，用三维扫描仪获取建筑物外墙的三维坐标，观测时扫描仪测站距离建筑物外墙40 m左右。

(2)经过点云处理后，计算每2个标靶中心点之间的相互距离，获得15个距离值作为观测值。

(3)采用全站仪测量6个标靶中心点坐标，通过坐标计算距离，获得15个距离值作为真值。

(4)计算15个观测值的中误差。

表1 仪器技术参数

表2 实验观测结果

表2所示为实验观测结果，实验表明，三维扫描仪观测值精度达到毫米级，满足本次检测精度要求。

2.3 数据采集与处理

为观测筒仓内壁防护层磨损情况，制定如下扫描方案和数据处理流程，如图4所示。

图4 扫描方案及数据处理流程

(1)在布设站点时，考虑到筒仓内部有横梁和柱状物，为防止遮挡检测区域，在南北两侧布设2个站点，保证数据覆盖整个检测范围。

(2)扫描仪器需要通过筒仓顶部的通风孔倒置进入筒仓内部，在放置仪器前大致调平，倒置进入通风孔后，通过外部的三角升降平台为仪器调平。

(3)通过无线网络连接扫描仪，在配套软件中设置扫描参数，控制仪器进行扫描，扫描完成后检查扫描质量并导出asc格式的点云数据。

(4)内业数据处理采用Geomagic软件进行三维点云数据处理，为保证数据精度，导入点云时不进行抽样，导入后手动删除非检测区域的点，并依次对点云数据进行删除非连接项、删除体外孤点、减少噪音、统一、封装处理，生成多边形网格数据，然后进行网格修正、简化、开流形、填充孔等处理，得到筒仓内壁防护层磨损情况的三维模型。

(5)由于已经无法对筒仓原始内部结构进行扫描，缺失了筒仓磨损前的模型数据。为了对筒仓内壁防护层磨损情况进行鉴定分析，本研究依据筒仓设计参数，采用逆向建模恢复筒仓内部原始结构，具体方法是选取扫描数据中显著未损坏区域的点，分别对筒仓底部各部位进行平面拟合，拼接后作为筒仓磨损前的原始三维模型，用于后续的检测分析。

3 防护层磨损检测

5-a 架设位置 5-b 架设姿态

本研究以黄骅港某筒仓为例，进行了实地扫测，扫测现场作业场景如图5所示。现场扫测时将三维扫描仪倒置架设在筒仓顶部通风孔处，架设位置如图5-a所示，架设姿态如图5-b所示，架设完成后通过电子手簿控制三维扫描仪完成扫测。经过内业数据处理后获取该筒仓的三维模型，并分别采用断面分析、截面磨损分析、损坏定量分析3种方法对该筒仓内壁防护层进行磨损检测。

3.1 断面分析

本文采用断面分析方法，获取筒仓内壁防护层各斜面的剖面曲线，通过断面曲线形状可判断出斜面的磨损情况，找出磨损位置，判断磨损程度。此处选取具有显著磨损区域的一个斜面为例，划取3个断面，斜面位置和断面位置如图6所示。将断面曲线投影到与斜面垂直且过断面位置的平面，各断面曲线如图7所示。

图6 平面位置和断面位置示意图

Fig.6 Sketch of plane position and section position

图7 断面曲线

Fig.7 Cross-sectional curve

3.2 截面磨损分析

截面磨损分析是对某斜面的总体磨损情况进行分析，分析原理是通过磨损后的模型数据与磨损前的模型数据进行叠加对比，以偏差色图谱的形式表示模型前后的变化。本研究由于缺少筒仓建设完成后的原始三维模型，因此采用曲面拟合的方式作为磨损前的模型数据，具体方法是选择某个斜面上显著没有损坏的区域，采用最佳曲面拟合功能获取该斜面范围的拟合曲面，作为损坏前的模型数据，然后采用原始扫描数据和拟合数据进行对比，获取该区域的偏差色谱。本文选取了筒仓内壁损坏最为严重的1个斜面作为示例进行了截面磨损分析，该斜面位于筒仓底部主分仓梁西北侧(即图8中的A1区域)，其磨损分析结果如图9所示。从图9可看出该斜面最大磨损区域的脱落深度为5 cm，磨损较为严重。

图8 筒仓内壁防护层分区示意图

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

图9 筒仓某斜面偏差色谱图

Fig.9 Deviation chromatogram of a silo slope

3.3 损坏定量分析

表3 筒仓各区及整体脱落大小及脱落率统计表

损坏定量分析即分析筒仓内壁防护层的磨损脱落面积，分析方法是对截面磨损分析结果中发生脱落的区域计算表面积。为便于分析防护层的磨损规律，对不同斜面位置进行分区统计，分区示意图如图8所示，统计结果见表3所示。

3.4 分析结果

从检测结果看，该筒仓防护层不同区域有不同程度的脱落，主分仓梁防护层脱落率明显高于周边。统计显示防护层的总脱落率在20.4%左右，其中：A区域脱落率在39.24%左右；B区域脱落率在19.14%左右；C区域脱落率在19.27%左右；D区域脱落率在22.16%左右；E区域脱落率在12.97%左右；F区域脱落率在1.6%左右。从以上统计结果可看出，A区域脱落程度最严重，这与该区域受物料冲击力最大有关，距离进料口稍远的B、C、D区域脱落率大致相当，E区域脱落率相对较小，F区域为竖直圆形结构，不会直接受到物料冲击力作用，因此脱落程度微弱。从整体上看，该筒仓内壁防护层有一定程度磨损，个别部位磨损严重，但总体未危及钢筋结构。

4 结语

三维激光扫描技术能够对大型筒仓内部进行整体观测，能够保证在高精度情况下获取整个筒仓内壁的偏差色谱图。本文通过实例数据，研究和分析了筒仓内壁防护层磨损检测领域的检测流程和分析方法，研究结果表明三维激光扫描技术应用于筒仓内壁磨损检测是完全可行的，该技术应用于不可目视、环境复杂的工况下具有独特的优势，为大型筒仓内壁磨损检测提供了一种新的解决方案。随着三维激光扫描技术在工程检测领域的不断完善和发展，未来该技术将在传统手段难以克服的复杂工况下发挥至关重要的作用。