用于油庫安全監(jiān)控的立式儲罐鋼板變形激光測量方法

王金濤, 劉 翔, 佟 林, 劉子勇, 暴雪松

(中國計量科學(xué)研究院, 北京 100029)

1 引 言

立式儲罐是大宗液態(tài)能源貿(mào)易結(jié)算的主要計量、儲存器具,屬強(qiáng)制檢定計量設(shè)備。在許多行業(yè)特別是石化行業(yè)中有著廣泛地應(yīng)用[1],其計量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到國內(nèi)外貿(mào)易的經(jīng)濟(jì)利益和國家計量聲譽(yù)。隨著近年我國石油化工建設(shè)的飛速發(fā)展,大型立式圓柱形金屬儲油罐逐年增多。在制造及使用過程中,由于金屬油罐屬于大型薄壁承壓容器,穩(wěn)定性不高,經(jīng)常出現(xiàn)油罐罐壁鼓泡或凹陷變形的現(xiàn)象。其原因大致包括兩方面:1) 油罐建造過程中質(zhì)量控制。主要有鋼板材質(zhì)規(guī)格和厚度使用不當(dāng)、鋼板殘余變形未校正、焊接工藝參數(shù)實施不到位引起波浪變形、試水試驗中充放水速度和高度不合理等因素。2) 油罐運(yùn)營使用中故障或操作不當(dāng)。例如油罐在運(yùn)營中由于操作失誤、進(jìn)出油溫差太大、收發(fā)油速度太快、油罐進(jìn)出油管線變形、基礎(chǔ)沉降不一致、油罐附件失靈等原因容易造成油罐體變形[2～4]。對油罐運(yùn)營使用方而言,大型立式圓柱形金屬儲罐的不規(guī)則變形會帶來兩方面的影響:1) 整體或者局部的過大變形會降低油罐抗失穩(wěn)能力,從而降低了油罐運(yùn)行使用過程中的安全生產(chǎn)可靠性;2)影響浮頂罐浮頂?shù)恼Ｉ岛兔芊庑Ч?局部凹凸變形易引發(fā)罐壁低周疲勞斷裂,降低了油罐的服役年限和正常工作的可靠性。

對于油罐靜態(tài)容積計量檢定方而言,現(xiàn)行立式罐容積測量方法是建立在立式罐是理想圓柱體模型前提下的。在圈板坐標(biāo)數(shù)據(jù)采樣點一定的條件下,立式罐整體或者局部變形越大,對其容積計量值準(zhǔn)確度影響就愈加明顯?，F(xiàn)有金屬油罐變形測量方法主要包括全站儀光電法和人工法。全站儀光電法[5]的優(yōu)點是單點測量精度高,易于現(xiàn)場測量使用,但是由于采樣點位間隔大,這種方法比較適合進(jìn)行油罐整體變形測量,而局部變形測量能力有待提高；人工法特別適用于油罐局部變形測量(如拱頂罐罐頂變形測量),但是不易于對立式罐整體變形進(jìn)行描述[6～9]。本文研究了一種基于點云數(shù)據(jù)分析的立式罐圈板變形測量方法,通過激光掃描技術(shù)的應(yīng)用,進(jìn)行立式罐圈板模型的高精度建模,初步實現(xiàn)了立式罐圈板整體和局部變形的同步測量,并通過試驗進(jìn)行了驗證。

2 立式金屬罐圈板變形測量原理

2.1 圈板空間坐標(biāo)激光全自動測量系統(tǒng)

立式罐圈板空間坐標(biāo)采集系統(tǒng)以三維激光掃描設(shè)備為核心建立。三維激光掃描是近代電子科技與光學(xué)科技相結(jié)合產(chǎn)生的新一代空間坐標(biāo)測量方法,包含有4大光電測量系統(tǒng),即水平角測量系統(tǒng)、豎直角測量系統(tǒng)、水平補(bǔ)償系統(tǒng)和測距系統(tǒng),實現(xiàn)了電子測角、電子測距、人機(jī)控制接口和數(shù)據(jù)存儲的有效集成[10]。其中通過角度度盤與角度傳感器的使用實現(xiàn)了空間角度的自動化測量,通過電磁波測相技術(shù)進(jìn)行空間距離的精確測量。將三維激光掃描設(shè)備置于立式能源儲罐內(nèi),原理框圖如圖1所示。以三維激光掃描設(shè)備置中心為原點、鉛垂線為z軸、水平度盤零方向為x軸建立空間坐標(biāo)系,如圖2所示。

圖1 三維激光掃描內(nèi)測原理框圖

圖2 三維激光掃描方法中立式罐圈板坐標(biāo)

立式罐圈板上每一點P的坐標(biāo)(xP,yP,zP)可以通過激光掃描儀獲得的該點的3個空間原始觀測數(shù)據(jù)水平角αP、垂直角βP和斜距rP來描述:

(1)

設(shè)定一個起始方向,每隔一定的水平角度或距離采集罐內(nèi)壁某圈板的三維空間坐標(biāo),通過調(diào)整垂直角,保證所有的點在一個水平面誤差允許的范圍之內(nèi)(50 mm)。為了保證測量和CAD建模精度,可以進(jìn)行微小測點間距條件下的密集掃描,獲得大量罐內(nèi)部坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.2 圈板變形計算方法

要實現(xiàn)立式金屬罐圈板變形的準(zhǔn)確測量,首先要確立一個比較標(biāo)準(zhǔn),即未變形前立式金屬罐圈板的空間幾何模型Ω,然后采用激光掃描原理對立式罐圈板進(jìn)行測量建立變形后的空間幾何模型Ω′,根據(jù)這2個數(shù)學(xué)模型之間的空間向量關(guān)系,可以計算出不同位置的變形特征。

未變形前立式金屬罐圈板的空間幾何模型 一般可以由2種方法獲得。

2.2.1 立式罐首次容積檢定數(shù)據(jù)

如果在首次容積檢定時使用全站儀等光電設(shè)備進(jìn)行圈板坐標(biāo)數(shù)據(jù)測量,可以以每層圈板1/4和3/4高度上的測點坐標(biāo)數(shù)據(jù)∑(xi,yi,zi)為基礎(chǔ)建立未變形前立式金屬罐圈板的空間幾何模型 。對于采用徑向偏差測量系統(tǒng)進(jìn)行首次容積檢定的油罐,可以根據(jù)基圓圍尺和圈板徑向偏差數(shù)據(jù)建立分層圓柱體作為未變形參考模型Ω?？梢詤⒖剂⑹焦奕萘坑嬃恐腥Π迥Ｐ蜏y量的方法,將每一層圈板以理想圓柱處理,因此數(shù)據(jù)處理的核心問題就成為如何利用離散空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)擬合出圓曲線:

(x-xc)2+(y-yc)2=R2

(2)

計算出每一層圈板的等效直徑R。油罐圈板空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)圓曲線擬合本質(zhì)上是一個多變量非線性目標(biāo)函數(shù)的最小化問題,迭代法是求多維函數(shù)極值的一種算法,不需要進(jìn)行函數(shù)導(dǎo)數(shù)的求解,通過翻轉(zhuǎn)三角形方法不斷尋優(yōu),適合變元數(shù)不是很多的函數(shù)求極值。該方法使用直接搜索策略,其特點是算法比較簡單,對初始值并不敏感,不受限于目標(biāo)函數(shù)是否連續(xù)或可微。先給圓曲線待求圓心坐標(biāo)xc,0和yc,0賦初始值,目標(biāo)函數(shù)定義為:

fobj=|Rm-Rm-1|

(3)

其中Rm為第m步圓曲線半徑搜索計算值。三角形搜索方向算法定義為:

(4)

(xi,yi)為每一層圈板測點坐標(biāo),i=1,2,…,n;n=18。通過式(2)～式(4)不停刷新搜索方向直至滿足:

fobj<δ

其中，δ為搜索控制閾值,一般取δ=0.1 mm,當(dāng)滿足搜索閾值條件時停止搜索,得到圓曲線的3個參數(shù)xc,yc和R。

2.2.2 參考立式金屬罐圈板設(shè)計圖紙

對于有的立式金屬罐只是用于儲運(yùn)而不是計量交接,所以沒有容積檢定數(shù)據(jù)作為參照,可以參考設(shè)計圖紙作為未變形前的立式金屬罐模型。因為按照GB50128-2005 《立式圓筒形焊接油罐施工及驗收規(guī)范》規(guī)定,即使對于直徑超過76 m的大型立式罐,組裝焊接后,其壁板的內(nèi)表面任意點半徑的允許偏差也僅為 32 mm,圈板的垂直度允許偏差不大于圈板高度的0.3%,而且罐壁局部凹凸變形最大允差為15 mm,可以作為一個理想圓柱參考標(biāo)準(zhǔn)。

這2種方法在應(yīng)用中都需要進(jìn)行模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,使變形前立式金屬罐圈板的空間幾何模型Ω與變形后的空間幾何模型Ω′坐標(biāo)系統(tǒng)一,所以在立式罐容積檢定中需要測量3個以上的永久參考點坐標(biāo)為后續(xù)油罐變形分析使用。

采用激光掃描方法對變形后油罐測量時,推薦使用多站測量的方法獲取整個油罐的空間幾何模型。對于油罐外測而言,由于罐體尺寸較大等原因,單次測量也不可能獲取整個罐體的幾何特征;當(dāng)采用內(nèi)測方式時,由于附件的遮擋和測量角度的限制,也需要多站式測量才能完成整個油罐的空間特征測量。從不同的視圖對待測油罐進(jìn)行幾次測量后,所得數(shù)據(jù)的局部坐標(biāo)系是不同的,將這些不同的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)形式并構(gòu)成整個待測件表面的完整信息,這個過程稱為多視拼合,其本質(zhì)是將2個或2個以上坐標(biāo)系中的三維空間數(shù)據(jù)點集轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)計算過程[11，12]。如果將油罐坐標(biāo)數(shù)據(jù)點集看作一個剛體(數(shù)據(jù)點運(yùn)動時只存在坐標(biāo)變化，不產(chǎn)生形狀變化),2個數(shù)據(jù)點集的合并屬于空間剛體移動,因此多視對齊可看作空間兩個剛體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換?？臻g三點確定一個坐標(biāo)系,常用的三點對齊法就是在不同視圖中建立用于對齊的3個基準(zhǔn)點,通過3個基準(zhǔn)點的對齊即可實現(xiàn)三維測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。被測物體表面特征往往不明確,通常在其表面安裝標(biāo)記點作為特征點,用于計算兩視空間變換矩陣,可采用標(biāo)準(zhǔn)球作為過渡特征點,通過三球到三球的配準(zhǔn)方法和ICP算法實現(xiàn)多站油罐點云數(shù)據(jù)的合并,具體算法是:

給定2個在不同視角下測量并且具有重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)點集,用Q={qi,qi,R3}表示第1個數(shù)據(jù)點集,用P={pi,pi,R3}表示第2個數(shù)據(jù)點集, 求解在2個不同坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系R和T,R為3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣,T為3×1的平移矢量,使以下的目標(biāo)函數(shù)值最小：

其中iclosest,pi表示在{qi}中以Euclidean距離度量最靠近pi的一點。但是測站的數(shù)量并不是越多越好,因為在使用坐標(biāo)球等公共點進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中,測站數(shù)量越多其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換累積誤差就會越大,所以為了提高多站測量精度,應(yīng)采用高精度全站儀配合使用,建立誤差控制機(jī)制,保證坐標(biāo)點云數(shù)據(jù)拼接的準(zhǔn)確性。另一方面,激光掃描方法測得的數(shù)據(jù)中含有大量的噪聲,在多站點云數(shù)據(jù)拼接后還存在點云分布不均勻的現(xiàn)象,可以使用均勻化濾波等算法進(jìn)行噪聲去除,同時進(jìn)行數(shù)據(jù)點空域分布均勻化分析,以此為基礎(chǔ)建立變形后的立式罐圈板空間幾何模型Ω′。根據(jù)變形前后空間幾何模型Ω和Ω′,可以進(jìn)行變形面積、徑向形變尺寸、圓周方向變形曲線、油罐傾斜等立式罐變形分析。

2.3 局部區(qū)域變形參數(shù)的準(zhǔn)確測量

上述激光掃描法是基于激光罐體表面反射進(jìn)行空間單點定位的原理,在對罐體表面坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集過程中,由于受測量設(shè)備精度、測量速度、操作者經(jīng)驗和被測表面質(zhì)量等諸多因素影響,這種方法獲得的數(shù)據(jù)中含有大量的噪聲需要處理。其中最大的影響因素是被測表面質(zhì)量,如罐壁材質(zhì)、反射率、粗糙度等參數(shù)會給單點激光測距帶來很大的不確定度和噪聲分布。特別是在鏡面發(fā)射材質(zhì)和原油掛壁等特定場合下會影響測量的準(zhǔn)確度,對這些應(yīng)用場合中的局部區(qū)域變形參數(shù)的測量可以采用爬壁式移動測量平臺來實現(xiàn),如圖3所示。

圖3 爬壁式移動測量平臺

通過高準(zhǔn)確度空間垂線(20 m范圍內(nèi)1 mm精度)可以準(zhǔn)確測量出不同圈板高度位置相對于基圓位置的徑向偏差,其中關(guān)鍵核心部件為可移動圈板位置的定位裝置。

3 立式罐比對試驗數(shù)據(jù)分析

以一個10 104 m3立式浮頂罐(直徑為79.937 m)為試驗研究對象,其浮盤升降時經(jīng)常出現(xiàn)密封圈與罐壁脫離和浮盤卡住等現(xiàn)象,運(yùn)用本文提出的測量方法進(jìn)行油罐變形測量,目的是為后續(xù)油罐維修提供參考數(shù)據(jù)。由于這個立式罐運(yùn)營時間短,所以參考設(shè)計圖紙建立未變形前立式金屬罐圈板的空間幾何模型Ω。采用空間坐標(biāo)點云測量系統(tǒng)測點最小間隔為2 mm,25 m處測距最大允差為±2 mm,最大掃描距離為80 m,視角范圍為360°×320°,采樣率為120 000點/s,單站測量時間為2 min。

在油罐內(nèi)部采用激光掃描儀進(jìn)行圈板坐標(biāo)測量,由于罐壁反射率不高,為了提高建模精度分為8站測量,站點分布如圖4所示。

圖4 內(nèi)測示意圖

圖4中8個站點位置,每相鄰兩站之間通過3個半徑為72.5 mm、反射率為95%坐標(biāo)球進(jìn)行坐標(biāo)過渡,最后一個站點和第一個站點進(jìn)行閉合測量,合成后經(jīng)濾波和均勻化后的坐標(biāo)點云如圖5所示。

圖5 立式罐空間坐標(biāo)點云

由于罐壁反射率不高,有些局部坐標(biāo)不能有效掃描獲取,為了盡可能提高局部變形分辨率,在點云建模中對于缺失區(qū)域按照局部曲面特征進(jìn)行了插值補(bǔ)點。根據(jù)變形前后空間幾何模型Ω和Ω′,按照徑向偏差變形為計算依據(jù),計算出立式罐變形,其三維空間分布如圖6所示。

根據(jù)計算,其凸起最大值為0.199 4 m,凹進(jìn)最大值為-0.174 2 m,變形數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗油罐整體變形數(shù)據(jù)

圖6 立式罐三維變形圖

對某一高度(z=6.50 m)位置圈板截面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以得到這個截面變形數(shù)據(jù),如圖7所示。

圖7 高度z=6.50 m位置圈板截面變形

根據(jù)計算,其凸起最大值為0.076 0 m,凹進(jìn)最大值為-0.104 3 m,變形數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 高度z=6.50 m位置圈板截面變形分布

4 結(jié) 論

1) 應(yīng)用激光掃描三維建模技術(shù),研究了一種基于點云數(shù)據(jù)分析的大型立式金屬罐變形測量新方法;

2) 通過迭代算法計算出每個圈板的幾何半徑,以此為基礎(chǔ)建立立式罐圈板模型的高精度模型。為了實現(xiàn)立式罐圈板整體和局部變形的同步測量,采用壁式移動測量平臺進(jìn)行局部區(qū)域變形參數(shù)的準(zhǔn)確測量,徑向測量允差1 mm;

3) 配合罐底板檢測、罐浮頂檢測和罐附件檢測等工作內(nèi)容,可以為油罐大修后的安全運(yùn)行提供有力技術(shù)支持。

致謝國家大容量第二計量站在對比試驗方面提供了配合，徐忠陽教授在方法研究方面給予支持，本研究得到青島市計量測試研究院、大連中油儲備庫和Faro中國公司的大力支持,謹(jǐn)致謝忱！

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