立式儲(chǔ)罐變形評(píng)估的三維激光掃描實(shí)驗(yàn)

丁芳芳 睢星飛 劉文才 王 磊 郝笑笑

(1.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；2.中國(guó)石油青海油田公司)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，儲(chǔ)罐成為保障我國(guó)油氣資源及化工物料儲(chǔ)備的重大基礎(chǔ)性關(guān)鍵裝備。儲(chǔ)罐在長(zhǎng)期服役過程中，由于受到自身材料及外界環(huán)境等因素的影響，儲(chǔ)罐壁板可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致泄漏、卡盤等事故[1]，因此，需要定期對(duì)儲(chǔ)罐變形進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，確保儲(chǔ)罐安全運(yùn)行。通常采用全站儀獲取罐壁上的離散點(diǎn)坐標(biāo)，從而分析儲(chǔ)罐罐壁變形情況，該檢測(cè)方法工作量大、效率低、自動(dòng)化程度低，不能全面反映罐體變形程度[2-3]。本文基于三維激光掃描技術(shù)對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行變形檢測(cè)，能夠快速、準(zhǔn)確、全面獲取大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠更精確的計(jì)算儲(chǔ)罐的變形量，判斷儲(chǔ)罐的變形位置，同時(shí)，點(diǎn)云圖可以直觀反映儲(chǔ)罐的變形分布情況，為儲(chǔ)罐變形的檢測(cè)和檢維修提供技術(shù)支撐。

1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)物為某實(shí)驗(yàn)基地的一座200 m3的露天實(shí)驗(yàn)罐，該罐已經(jīng)完成清罐，并敞開放置3個(gè)月以上，本實(shí)驗(yàn)選用Faro M70三維激光掃描儀獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的立式儲(chǔ)罐點(diǎn)云數(shù)據(jù)，F(xiàn)aro M70掃描儀分辨率高達(dá)1.65×108像素，彩色；同軸設(shè)計(jì)，無視差，縱向/橫向視野范圍300°/360°；最大垂直掃描速度97 Hz，光源為1級(jí)激光，波長(zhǎng)1 550 nm。本次實(shí)驗(yàn)采集儲(chǔ)罐內(nèi)壁點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于儲(chǔ)罐體積較小，只需要設(shè)置一站測(cè)量。將儀器架設(shè)在儲(chǔ)罐底板中央，如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)罐內(nèi)掃儀器站點(diǎn)示意

利用立式儲(chǔ)罐的內(nèi)掃數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Control X軟件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過自動(dòng)配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拼接。配準(zhǔn)的過程就是進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，建立同一坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)。通過降噪去除噪點(diǎn)，建立儲(chǔ)罐內(nèi)壁點(diǎn)云圖，如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)罐內(nèi)壁點(diǎn)云圖

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.1 徑向偏差計(jì)算

利用本實(shí)驗(yàn)獲取的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)，能夠更精確的分析儲(chǔ)罐的變形情況。首先，對(duì)儲(chǔ)罐的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片，設(shè)置切片厚度為1 mm，切片間距為0.5 m；得到13組切片點(diǎn)云坐標(biāo)，分別對(duì)切片的點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行擬合，獲得不同高度切片的擬合圓心坐標(biāo)及半徑值，見表1。

表1 切片的圓心坐標(biāo)及半徑

注：從底板至罐頂，切片依次從0#到12#。

根據(jù)每個(gè)切片導(dǎo)出的大量坐標(biāo)數(shù)據(jù)和各個(gè)切片擬合的圓心坐標(biāo)，計(jì)算出切片每一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)的徑向偏差值。

(1)

式中：Δd為徑向偏差，m；R為儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)內(nèi)徑，m；罐壁上點(diǎn)M坐標(biāo)為(xi，yi)，點(diǎn)云樣本集(xi，yi)i∈(1，2，3……N)；切片擬合圓心O點(diǎn)坐標(biāo)(x0，y0)，本文是儲(chǔ)罐內(nèi)掃取得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所以計(jì)算徑向偏差不考慮罐壁厚度。計(jì)算結(jié)果見表2。

根據(jù)SY/T 5921—2017《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)范》規(guī)定：底圈罐壁1 m高處，內(nèi)表面任意點(diǎn)的半徑偏差不應(yīng)超過表2規(guī)定；在底圈罐壁1 m高以上，測(cè)得的半徑偏差不應(yīng)超過底圈板1 m處的3倍[4]。壁板內(nèi)表面任意點(diǎn)半徑的允許偏差見表3。對(duì)比表2和表3可以看出，除了10#，11#，12#切片未超出標(biāo)準(zhǔn)，其他切片的徑向偏差均超出標(biāo)準(zhǔn)要求的39 mm。

表2 切片最大徑向偏差

表3 壁板內(nèi)表面任意點(diǎn)半徑的允許偏差

2.2 儲(chǔ)罐傾斜度計(jì)算

當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生變形時(shí)，儲(chǔ)罐不同切片的圓心也發(fā)生變化，切片的擬合圓心連成的直線與垂線的夾角即為儲(chǔ)罐的傾斜度。

根據(jù)表1各切片的圓心坐標(biāo)計(jì)算儲(chǔ)罐的傾斜度，假設(shè)底板0#切片為基準(zhǔn)圓，計(jì)算傾斜度。

(2)

式中：θi指第i個(gè)切片的傾斜度；(xi，yi)指切片圓心坐標(biāo)；(x0，y0)指第0#切片擬合圓心坐標(biāo)，以0#切為基準(zhǔn)圓，ΔH指切片距離底圈圈板的高度，計(jì)算每個(gè)切片相對(duì)于0#切片的傾斜度。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJG 168—2018規(guī)定：罐體傾斜度不得超過1°，罐體不同高度傾斜度見表4，由表4可以看出，罐體最大傾斜度為0.139°，未超出標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。

表4 罐體不同高度傾斜度

3 立式儲(chǔ)罐變形位置定位及評(píng)估

根據(jù)儲(chǔ)罐點(diǎn)云圖真彩色圖像顯示，找出變形位置見圖3，進(jìn)行切片處理，找出儲(chǔ)罐，某一部位的變形情況，計(jì)算變形量。根據(jù)變形位置局部選取0到2.1 m高度點(diǎn)云進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5。切片最大徑向偏差均超出標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5921—2017《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》要求，最大傾斜度位于0.9 m處，傾斜度0.177°，傾斜度未超出標(biāo)準(zhǔn)JJG 168—2018《立式金屬罐容量檢定規(guī)程》規(guī)定的1°。

圖3 儲(chǔ)罐局部變形位置定位(缺口為人孔位置)

對(duì)比局部計(jì)算結(jié)果表5和表2、表4，可以發(fā)現(xiàn)，基于三維激光掃描的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以更精確的計(jì)算儲(chǔ)罐某一部位的變形情況。而儲(chǔ)罐的總體切片不能精確反映局部的變形情況。

表5 儲(chǔ)罐局部變形量情況

4 結(jié)束語

利用三維激光掃描技術(shù)，獲取儲(chǔ)罐罐壁點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐的實(shí)景再現(xiàn)。通過儲(chǔ)罐的反射強(qiáng)度色階圖，可以快速定位儲(chǔ)罐的變形位置，通過變形位置的切片導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以精確計(jì)算變形位置的徑向偏差、傾斜度等參數(shù)，判斷儲(chǔ)罐是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為大型儲(chǔ)罐的變形檢測(cè)提供了一種新的技術(shù)手段。

三維激光掃描技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)罐變形檢測(cè)，但是還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可以借鑒，因此，亟待研究三維激光掃描技術(shù)在儲(chǔ)罐變形評(píng)估中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。