應(yīng)用激光掃描技術(shù)標(biāo)定雙層油罐

中國石化銷售有限公司天津石油分公司

本文對(duì)現(xiàn)有加油站臥式油罐的標(biāo)定方法做了對(duì)比分析，確定激光掃描法最適用于雙層罐改造后的標(biāo)定；介紹了激光掃描法的工作原理；通過觀測(cè)加油站油槍的加油量，在線檢驗(yàn)了罐容表精度進(jìn)而驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性；介紹了使用激光掃描法標(biāo)定油罐時(shí)遇到的問題，并提出了應(yīng)對(duì)建議。

目前，國家大力開展環(huán)保監(jiān)督檢查工作，根據(jù)國務(wù)院頒布的“水十條”要求，全國范圍對(duì)加油站臥式油罐推廣雙層罐改造工作。同時(shí)企業(yè)施行相應(yīng)的地罐交接配套計(jì)劃，即加油站與運(yùn)輸方的收油計(jì)量以加油站地罐計(jì)量數(shù)為準(zhǔn)，作為加油站地罐驗(yàn)收量。這給標(biāo)罐工作帶來了極大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有檢定加油站臥罐的方法可分為人工法、容積法以及近幾年新推出的激光掃描法3種。本文對(duì)不同方法做了對(duì)比，主要闡述應(yīng)用激光掃描法進(jìn)行臥罐標(biāo)定的優(yōu)勢(shì)和問題。

方法對(duì)比

人工法

按照J(rèn)JG266 《臥式金屬罐容積檢定規(guī)程》的要求，檢定人員通過使用套管尺、鋼卷尺、水準(zhǔn)儀、鋼板尺、半徑三角儀、游標(biāo)卡尺、超聲波測(cè)厚儀等工具測(cè)量地罐的總長、大圓桶直徑、水平、伸長、封頭等參數(shù)，然后通過軟件計(jì)算生成罐容表［1］。此種方法的特點(diǎn)是測(cè)量過程簡單，標(biāo)定時(shí)間短，需人員下罐進(jìn)行測(cè)量。制作的罐容表會(huì)受測(cè)量工具、人員、算法及罐體變形、傾斜等因素的影響。

容積法

容積法是指通過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（標(biāo)準(zhǔn)表、標(biāo)準(zhǔn)罐、體積管）將液體注入地罐，使油高與容量一一對(duì)應(yīng)，通過內(nèi)插法，計(jì)算出各液位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的容積，最終生成罐容表。此種方法的特點(diǎn)是需要油罐車或水車配合進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)罐時(shí)間長（至少1個(gè)站1天），無需人員下罐測(cè)量。若使用水進(jìn)行標(biāo)定，會(huì)帶來污水處理等環(huán)保問題；若使用成品油進(jìn)行標(biāo)定，則安全要求高，資源保障、物流的協(xié)同工作量大，難度較高。制作的罐容表可避免地罐變形、傾斜帶來的影響，但會(huì)受到油面波動(dòng)、傳感器、垂直度、氣泡等因素的影響。

激光掃描法

激光掃描法是指將激光掃描儀固定在臥罐罐口處，通過激光探頭發(fā)射并接收激光信號(hào)，對(duì)罐體進(jìn)行云點(diǎn)式定位，然后通過中控機(jī)對(duì)定位點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，最終生成罐容表［2,3］。此種方法的特點(diǎn)是檢定人員少（1人即可），標(biāo)定時(shí)間短，無需人員下罐測(cè)量。制作的罐容表會(huì)受到罐體涂層顏色、內(nèi)部支撐等因素的影響。

綜上所述，3種方法各有短長，需結(jié)合雙層罐改造工程的情況和要求來分析，選取最適合的檢定方法。目前，雙層罐改造工程可分為雙層罐與內(nèi)襯罐兩類。雙層罐是指將原有老罐直接更換為符合標(biāo)準(zhǔn)的雙層罐。內(nèi)襯罐是指對(duì)原有老罐的內(nèi)壁進(jìn)行涂層改造，使用聚酯樹脂、玻璃鋼等材料對(duì)罐體內(nèi)壁進(jìn)行加固封膜，達(dá)到防滲漏的效果。由于內(nèi)襯罐的涂層會(huì)產(chǎn)生很多化學(xué)氣體，檢定人員若采用人工法進(jìn)行檢定，即使帶上防護(hù)措施，也會(huì)存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)將大大降低工作效率及精準(zhǔn)度。因此不適合選用人工法。

雙層罐改造工程是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)大面積整改工作，集團(tuán)公司為了讓改造的加油站盡快開業(yè)，提高改造效率，在改造工期上有明確規(guī)定。因此容積法這種檢定時(shí)間長的方法在工作效率方面無法滿足改造工程的要求。同時(shí)在環(huán)保方面，容積法也存在污水處理的問題。

然而，激光掃描法無需檢定人員下罐操作，檢定時(shí)長可根據(jù)罐體情況進(jìn)行調(diào)整，一般為40～70 min一個(gè)罐，且無需使用任何介質(zhì)參與測(cè)量，一名檢定人員即可完成標(biāo)罐工作。由此可知，激光掃描法針對(duì)加油站雙層罐改造工作是十分實(shí)用、高效的。既能保證檢定工作的安全性，又不會(huì)帶來任何環(huán)保問題。下文將詳細(xì)介紹激光掃描法的工作原理及操作流程，讓讀者系統(tǒng)地了解激光掃描技術(shù)在標(biāo)罐工作中的應(yīng)用。

激光掃描法工作原理

以激光掃描儀測(cè)距功能為基礎(chǔ)，按照雙旋角掃描方式（即按照設(shè)定的水平角度步進(jìn)值和垂直角度步進(jìn)值）對(duì)罐體進(jìn)行云點(diǎn)式掃描，測(cè)量并記錄罐體內(nèi)壁各點(diǎn)位的極坐標(biāo)［4］。然后通過中控機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)點(diǎn)剔除、坐標(biāo)建立、分段擬合、傾斜計(jì)算、容積計(jì)算等處理生成臥罐容積表。其結(jié)構(gòu)原理見圖1。

由圖1可知，激光掃描法是以Z軸（垂直方向）激光器確定掃描截面。T軸（水平方向）按照設(shè)定的步進(jìn)值沿圓周依次旋轉(zhuǎn)至360°，采集完成該截面罐內(nèi)壁極坐標(biāo)。然后Z軸激光器按a°傾斜，T軸繼續(xù)沿圓周旋轉(zhuǎn)，完成該截面數(shù)據(jù)采集。如此往復(fù)，直至Z軸激光器傾斜至規(guī)定的最大傾角，即完成臥罐罐體云點(diǎn)式極坐標(biāo)系數(shù)據(jù)采集工作［5,6］?，F(xiàn)場(chǎng)操作如圖2所示。

由圖2可知，應(yīng)用激光掃描法在進(jìn)行雙層罐標(biāo)定時(shí)，只需將激光掃描儀架設(shè)在地罐罐口處，調(diào)節(jié)水平后，即可按照雙角度旋轉(zhuǎn)的方式對(duì)罐體內(nèi)壁進(jìn)行云點(diǎn)式掃描，完成極坐標(biāo)的數(shù)據(jù)采集工作。待掃描工作完成后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入中控機(jī)，應(yīng)用相關(guān)軟件計(jì)算后得到罐容表［7］。

驗(yàn)證試驗(yàn)

應(yīng)用激光掃描技術(shù)測(cè)算得到地罐容積表后，需對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證精度試驗(yàn)。筆者采取根據(jù)加油機(jī)在線加油量來驗(yàn)證地罐容積表精度的方法。即通過統(tǒng)計(jì)分析加油機(jī)走字?jǐn)?shù)和地罐實(shí)測(cè)數(shù)，然后進(jìn)行比較，得到相應(yīng)的差異量。將此差異量與加油機(jī)走字?jǐn)?shù)相比即可得到罐容表在此分段的精度。地罐實(shí)測(cè)數(shù)可通過液位儀系統(tǒng)得到。具體試驗(yàn)操作分3部分進(jìn)行。

圖1 激光掃描法結(jié)構(gòu)原理示意

圖2 現(xiàn)場(chǎng)操作示意

確定驗(yàn)證數(shù)據(jù)范圍

為了確保數(shù)據(jù)的全面性，避免重復(fù)工作，盡可能地?cái)U(kuò)大數(shù)據(jù)采集范圍，獲得油品從滿罐到空罐整個(gè)過程的數(shù)據(jù)。根據(jù)GB50156—2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》的要求，罐內(nèi)高液位報(bào)警規(guī)定一般為滿量程的90%，因此確定油罐初始進(jìn)油量為油罐滿量程的90%。

確定數(shù)據(jù)采集周期

為了保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，可靠性，確定試驗(yàn)采樣3～5個(gè)周期。即對(duì)所需驗(yàn)證數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行3～5次的數(shù)據(jù)采集。

確定數(shù)據(jù)采集方法

在數(shù)據(jù)采集范圍內(nèi)，為了保證較全面的驗(yàn)證容積表的精度，同時(shí)考慮到加油站業(yè)務(wù)流量及加油員的工作量，筆者以加油機(jī)每賣出200 L左右油品為標(biāo)準(zhǔn)，通過液位儀系統(tǒng)測(cè)量實(shí)際罐容，得到油罐實(shí)際出油數(shù)，然后與加油機(jī)走字?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，得到損耗量，將此損耗量與加油機(jī)走字?jǐn)?shù)相比即可得到罐容表在此分段的精度［8］。當(dāng)將試驗(yàn)范圍內(nèi)油品全部賣出或賣到規(guī)定油高時(shí)，即完成罐容表精度的驗(yàn)證試驗(yàn)。

為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，筆者考慮到地罐溫度變化、加油機(jī)誤差、液位儀精度等因素的干擾，在試驗(yàn)中采取以下3項(xiàng)措施：

◇為了避免地罐內(nèi)油品溫度變化的影響，選取加油量大的加油站進(jìn)行試驗(yàn)，做到盡快將來油付出，完成一個(gè)周期的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)由于加油機(jī)連續(xù)工作，還能保證加油機(jī)的穩(wěn)定性。

◇為確保液位儀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，做好人工比對(duì)工作，液位儀與手工打尺誤差＜2 mm，溫差＜0.5 ℃。

◇在計(jì)算過程中剔除加油機(jī)本身的誤差影響。

完成試驗(yàn)后，得到各分段容積表的精度。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)應(yīng)用激光掃描技術(shù)測(cè)算得到容積表的精度一般在0.1%左右，與加油機(jī)走字?jǐn)?shù)差異量很小，可以保障進(jìn)出物料平衡，損溢得到有效控制，滿足零售損耗指標(biāo)及地罐交接要求。本文節(jié)選高、中、低三段液位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來說明應(yīng)用激光掃描技術(shù)測(cè)算得到容積表的精度具體情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，高、中、低三段液位罐容精度平均是0.09%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于JJG266的要求，為地罐交接工作提供了有力保障。集團(tuán)公司頒布的地罐交接允差是0.3%，此數(shù)值受油庫發(fā)油準(zhǔn)確度、溫度變化、運(yùn)輸、卸油、容積表精度、液位儀精度等因素的影響，而JJG266規(guī)程要求符合0.4%即可。因此當(dāng)加油站地罐交接出現(xiàn)超差的情況時(shí)，加油站方面總會(huì)以容積表不準(zhǔn)為由，來解釋損耗來源，沒有進(jìn)行系統(tǒng)地?fù)p耗分析，給損耗管理工作帶來了一定的漏洞。通過此次試驗(yàn)可知，由激光掃描技術(shù)測(cè)算得到的容積表精度更高，完全滿足雙層罐標(biāo)定要求，同時(shí)也為地罐交接損耗管理工作提供有力的數(shù)據(jù)支持。

問題和應(yīng)對(duì)

應(yīng)用激光掃描技術(shù)標(biāo)定臥罐遇到的一些問題

罐體涂層顏色的影響

由于激光掃描法標(biāo)罐是根據(jù)發(fā)射紅外線打點(diǎn)，然后接收返回信號(hào)建立坐標(biāo)的方式來進(jìn)行測(cè)算形成罐容表的?；谶@種工作原理，內(nèi)襯罐中涂層顏色的深淺會(huì)影響使用該種方法進(jìn)行標(biāo)罐：

◇當(dāng)顏色過深，如深綠色、黑色等，紅外線發(fā)射到涂層上時(shí)，光線將被涂層吸收，信號(hào)無法返回到儀器中，影響采點(diǎn)數(shù)量，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無法建立罐體各點(diǎn)位坐標(biāo)，無法測(cè)算得到罐容表。

◇當(dāng)顏色過淺，類似玻璃鋼透明狀，紅外線發(fā)射到涂層上時(shí)，光線將被涂層折射，信號(hào)也無法返回到儀器中，影響采點(diǎn)數(shù)量，甚至無法測(cè)算得到罐容表。

罐體附件的影響

在標(biāo)定臥罐工作中，發(fā)現(xiàn)部分罐體計(jì)量點(diǎn)處安裝有靜電金屬板，類似于鋁制金屬板性狀。因此在激光采點(diǎn)時(shí)，其信號(hào)會(huì)被金屬板折射，導(dǎo)致無法獲得罐底計(jì)量點(diǎn)處坐標(biāo)信息。如果計(jì)量點(diǎn)處出現(xiàn)凹凸變形情況未被發(fā)現(xiàn)，將極大地影響罐容表使用。具體情況見圖3。

另外，部分油罐內(nèi)加強(qiáng)圈和支撐過多，尤其是米字型支撐和測(cè)漏柱，嚴(yán)重影響激光采點(diǎn)工作。因?yàn)榧す鈷呙枋前凑针p旋角原理進(jìn)行采點(diǎn)的，過多的附件會(huì)使真實(shí)罐體點(diǎn)位被附件遮擋，導(dǎo)致后期擬合計(jì)算時(shí)，出現(xiàn)較大誤差。

罐體長度的影響

目前，雙層罐改造工程中的罐體容積一般為30 m3，直徑為2.6 m，罐體總長度為6.3 m左右。但是由于各地區(qū)使用油罐的需求、標(biāo)準(zhǔn)不同，存在一部分50 m3的臥罐，其直徑基本不變，但長度一般在10 m左右。由于激光掃描是按照雙旋角原理進(jìn)行采點(diǎn)的，在角度步進(jìn)值不變的情況下，距離越遠(yuǎn)將會(huì)使掃描點(diǎn)坐標(biāo)越遠(yuǎn)，最終掃描完成后會(huì)發(fā)現(xiàn)與計(jì)量孔對(duì)向的位置采集的坐標(biāo)點(diǎn)極少，數(shù)據(jù)處理時(shí)有可能導(dǎo)致不能完成擬合計(jì)算，無法生成罐容表。若刻意將角度步進(jìn)值改小，將大大降低標(biāo)罐效率，成倍增加檢定時(shí)間，同時(shí)也不能保證對(duì)向位置采點(diǎn)完整。具體情況見圖4。

表1 高、中、低液位段容積表試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 計(jì)量點(diǎn)處靜電金屬板實(shí)景

儀器架設(shè)角度與激光探頭工作角度的影響

儀器架設(shè)角度必須與擺放位置保持水平，這樣才能確保激光掃描得到的坐標(biāo)點(diǎn)位能真實(shí)地反映罐體內(nèi)部情況。否則，測(cè)算得到的容積表必然不準(zhǔn)確，并且工作人員不能通過后期技術(shù)手段進(jìn)行修正。

圖4 50 m3 罐體內(nèi)壁極坐標(biāo)掃描圖

激光探頭工作角度一般與架設(shè)位置保持垂直90°且激光發(fā)射器垂直向下。但有些時(shí)候由于磕碰、回零不到位、電池沒電、人為錯(cuò)誤操作等原因，導(dǎo)致在未垂直的初始角度開始掃描工作，此時(shí)得到的罐容表是不正確的。針對(duì)這種情況，可以根據(jù)儀器的軸向運(yùn)動(dòng)設(shè)置得知初始掃描位置的具體角度，然后與垂直位置90°進(jìn)行比較，得到一個(gè)掃描角度的系統(tǒng)誤差，并通過對(duì)掃描得到罐體坐標(biāo)系進(jìn)行系統(tǒng)誤差修正，得到一個(gè)準(zhǔn)確的罐容表。但是當(dāng)初始角度偏差大于8°時(shí)，由于有許多計(jì)量點(diǎn)處坐標(biāo)未被采集，此方法也無法達(dá)到修正效果。

應(yīng)對(duì)建議

結(jié)合激光掃描原理與實(shí)際工作特點(diǎn)，對(duì)雙層罐標(biāo)罐工作提出如下建議：

◇認(rèn)真仔細(xì)觀察工作環(huán)境，選取合理的工作位置開展掃描工作，確保激光掃描準(zhǔn)確采點(diǎn)。

◇小心謹(jǐn)慎搬運(yùn)、使用設(shè)備器材，避免設(shè)備參數(shù)變更、磕碰、跌落等事故。

◇標(biāo)定地罐工作前，要與加油站方面溝通了解罐體涂層情況，以選取最佳的標(biāo)定方式。

◇與主管雙層罐改造部門進(jìn)行溝通，建議避免使用影響測(cè)量工作的涂層顏料制作內(nèi)襯。

◇向主管雙層罐改造部門反映罐內(nèi)附件和罐體長度對(duì)標(biāo)罐工作的影響，建議統(tǒng)一建罐標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)束語

大量的雙層罐改造工程以及地罐交接的損耗給臥罐標(biāo)定工作帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。標(biāo)罐的方法既要保證檢定人員的安全性，又要確保工作的高效性、準(zhǔn)確性，并且兼具環(huán)保性［9,10］。通過本文的論證，應(yīng)用激光掃描技術(shù)標(biāo)定雙層臥罐完全滿足上述要求，并且在精度方面還有大幅提升。但是在標(biāo)罐工作中仍會(huì)受到罐體因素、設(shè)備因素、人為因素、環(huán)境因素的影響，這就需要檢定人員認(rèn)真仔細(xì)分析問題，采取最合理安全的方法解決問題，確保罐容表的準(zhǔn)確無誤。筆者希望通過本文為今后標(biāo)定臥罐工作提供一些幫助，同時(shí)也希望激光掃描技術(shù)廣泛地應(yīng)用到臥罐標(biāo)定工作中。