全站儀在立式油罐容積表編制中的應(yīng)用

張 恒

〔軍需能源質(zhì)量監(jiān)督總站濟(jì)南質(zhì)量監(jiān)督站〕

立式油罐是大型油庫(kù)最為常見的一種儲(chǔ)油容器。立式油罐容積表準(zhǔn)確與否對(duì)于油庫(kù)日常管理至關(guān)重要。隨著新建或大修油罐的逐年增多，編制立式油罐容積表任務(wù)越來(lái)越重。傳統(tǒng)編制油罐容積表方法多采用圍尺法或注水法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，特別是對(duì)于10 000 m3以上儲(chǔ)油罐，傳統(tǒng)方法已不能滿足需要。近年來(lái)，全站儀內(nèi)測(cè)法測(cè)量立式油罐容積正逐步推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)方法相比，工作效率和準(zhǔn)確性明顯提高。

1 全站儀測(cè)量立式油罐容積的原理及方法

1.1 全站儀

全站儀是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測(cè)量?jī)x器，具有角度測(cè)量、距離(斜距、平距、高差)測(cè)量、三維坐標(biāo)測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量、交會(huì)定點(diǎn)測(cè)量和放樣測(cè)量等多種用途，已廣泛應(yīng)用于工程施工測(cè)量中。在立式油罐測(cè)量時(shí)，可以通過激光反射原理測(cè)量立式油罐各圈板的半徑和徑向偏差以及底板各點(diǎn)的標(biāo)高。

1.2 建立幾何模型

利用全站儀測(cè)定油罐容積表，一般采用幾何測(cè)量法，分為底量和圓柱體量?jī)刹糠?，分別建立不同的數(shù)學(xué)模型，再將兩者之和相加。

1.2.1 底量的數(shù)學(xué)模型

底量即罐底最高點(diǎn)水平面以下的容量。由于油罐底部凸凹不平，建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，采用微積分的原理，將油罐底部劃分為若干個(gè)同心圓臺(tái)(如圖1)，每一個(gè)圓臺(tái)可認(rèn)為是規(guī)則的圓柱體。測(cè)量時(shí)，在罐底上確定等面積同心圓和半徑交點(diǎn)的位置，交點(diǎn)的數(shù)目由底部測(cè)量所需精度和它的凹凸不平的程度確定，從罐底中心到同心圓周的距離根據(jù)所分圓環(huán)面積相等的條件決定，確定測(cè)量點(diǎn)后用全站儀分別測(cè)出各點(diǎn)的標(biāo)高。

圖1 底量的幾何模型

1.2.2 圓柱體的數(shù)學(xué)模型

油罐底量以上部分可認(rèn)為是規(guī)則的圓柱體，每一圈板圓柱體的直徑相同，越往上圈板直徑越小，測(cè)量出圈板直徑和圈板高(如圖2)，即可計(jì)算出圓柱體容量。

圖2 油罐圓柱體的數(shù)學(xué)模型

1.3 全站儀編制容積表方法

1.3.1 全站儀的架設(shè)

檢定人員攜帶全站儀進(jìn)入油罐后，首先需要確定全站儀架設(shè)位置，一般可以將全站儀架設(shè)到油罐中心位置，用全站儀測(cè)量垂直4個(gè)方向的水平距離，進(jìn)行位置微調(diào)，將全站儀移到中心。使用全站儀自帶水平泡，將全站儀調(diào)節(jié)水平，如果油罐底板凸凹度及彈性較大，可以用重物壓在全站儀附近，以保持測(cè)量過程中全站儀水平。

1.3.2 下計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)確定

通過上計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)的自由下垂線與計(jì)量板表面的相交點(diǎn)叫做下計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)，一般在下基準(zhǔn)的油罐底板上焊接直徑30 cm鋼板作為計(jì)量板，下基準(zhǔn)點(diǎn)在計(jì)量板上。檢定時(shí)，一名檢定人員到油罐頂部，從油罐計(jì)量檢尺口放下量油尺，另一名檢定人員用記號(hào)筆在油罐底板上記錄下計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)位置，同時(shí)兩人配合測(cè)量油罐參照高度。

1.3.3 油罐底量的測(cè)量

全站儀架設(shè)油罐底部圓心后，應(yīng)根據(jù)油罐的大小確定測(cè)量點(diǎn)數(shù)。以2 000 m3油罐為例，應(yīng)選擇8個(gè)方向，每個(gè)方向間隔45°，打開全站儀激光瞄準(zhǔn)功能，在第一圈板的下焊縫，用記號(hào)筆記錄8個(gè)方向；再根據(jù)檢定規(guī)程規(guī)定的半徑計(jì)算式，在每條方向上確定8個(gè)點(diǎn)，共確定64個(gè)點(diǎn)，將地板分成8個(gè)同心圓臺(tái)，并利用全站儀測(cè)距功能，測(cè)量這64個(gè)點(diǎn)的標(biāo)高，利用微積分原理和處理軟件計(jì)算出油罐底量。

1.3.4 圈板高度的測(cè)量

將全站儀調(diào)節(jié)水平，用激光點(diǎn)分別瞄準(zhǔn)第一塊圈板的下焊縫和上焊縫測(cè)距，兩次測(cè)距的高程差即為該圈板的高度。依次類推，從下至上，儀器自動(dòng)記錄每塊圈板的高度。

1.3.5 圈板直徑測(cè)量

根據(jù)檢定規(guī)程，第一圈板需測(cè)量圈板3/4處直徑，其他圈板需測(cè)量圈板1/4和3/4處直徑。進(jìn)入全站儀測(cè)量系統(tǒng)后，標(biāo)定全站儀標(biāo)高，設(shè)置測(cè)量每圈測(cè)量角度，儀器自動(dòng)計(jì)算測(cè)量點(diǎn)數(shù)，可以自動(dòng)測(cè)量每個(gè)圓周的n個(gè)半徑值。

1.3.6 油罐壁厚測(cè)量

由于油罐壁厚對(duì)油罐的靜壓力修正值有影響，所以也需要對(duì)壁厚進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)，在油罐外壁圈板高1/4和3/4處，分別涂上耦合劑，再用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量，取兩數(shù)平均值作為該圈板壁厚，依此類推，對(duì)每層圈板進(jìn)行測(cè)量。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

罐內(nèi)測(cè)量結(jié)束后，可將全站儀內(nèi)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，錄入到計(jì)算機(jī)軟件中，輸入罐內(nèi)溫度、底量標(biāo)高、基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)高等數(shù)據(jù)，可以導(dǎo)出該油罐容積表，包括大數(shù)表、小數(shù)表和靜壓力修正表。

2 全站儀內(nèi)測(cè)法與傳統(tǒng)方法的比較

2.1 全站儀法省時(shí)省力，自動(dòng)化程度高

圍尺法：需要在選定的圍尺位置，用磁性表座將鋼卷尺緊貼于罐壁，再用夾尺器夾住尺帶，用拉力計(jì)給尺帶施加與尺帶檢定狀態(tài)下相同的拉力，取兩次測(cè)量的平均值作為該位置的周長(zhǎng)，整個(gè)過程最少需要4個(gè)人在1.5 h內(nèi)完成，如果兩次測(cè)量結(jié)果超過規(guī)定允差，需繼續(xù)測(cè)量一直到連續(xù)兩次測(cè)量結(jié)果均符合規(guī)定的允差。

注水法：需要通過流量計(jì)向油罐注水，再用量油尺測(cè)量油罐內(nèi)水高，通過水高和流量計(jì)示數(shù)換算為容積表，較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力、準(zhǔn)確度不高。

全站儀內(nèi)測(cè)法：只需一個(gè)人進(jìn)入油罐將全站儀穩(wěn)定地安裝在接近圓心的位置，調(diào)整水平后，設(shè)置儀器參數(shù)，手動(dòng)測(cè)量各圈板焊縫標(biāo)高，然后啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)量，即可由儀器自動(dòng)生成各圈板的半徑，可以大幅度節(jié)省人力，而且自動(dòng)化程度高。例如測(cè)量2 000 m3的油罐，測(cè)量一圈半徑30條，時(shí)間不超過20 min。并且，在數(shù)據(jù)處理上，全站儀有一套完整的數(shù)據(jù)處理軟件，只需將儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，即可得出檢定規(guī)程要求的各項(xiàng)指標(biāo)，與手工計(jì)算相比，更加快捷、可靠、準(zhǔn)確。

2.2 全站儀法準(zhǔn)確度較高，重復(fù)性誤差小

自動(dòng)化儀器與手工測(cè)量相比明顯的優(yōu)勢(shì)就是減少了人為因素帶來(lái)的誤差。立式油罐是由鋼板焊接而成，表面通常凹凸不平，特別是罐底更是呈不規(guī)則幾何形狀。在手工測(cè)量底量時(shí)，由于人手較多和人員的走動(dòng)，對(duì)罐底的形狀有很大的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差不確定。而使用全站儀法，只需將全站儀架設(shè)到罐底的幾何中心，然后進(jìn)行激光取點(diǎn)即可，經(jīng)多次試驗(yàn)表明，重復(fù)性誤差很小。

2.3 全站儀法成本較低，經(jīng)濟(jì)效益較好

一方面，傳統(tǒng)手工測(cè)量一座2 000 m3油罐需多人耗時(shí)約一周，而全站儀法僅需一天，節(jié)省了人工費(fèi)用。另一方面，全站儀法效率高，容積表編制完后，即可驗(yàn)收封罐進(jìn)油，間接提高了庫(kù)存實(shí)力，較好地利用了油罐的儲(chǔ)存能力，具有很好的經(jīng)濟(jì)效率。

3 測(cè)量注意事項(xiàng)

3.1 做好測(cè)量前的安全措施

進(jìn)入油罐前，應(yīng)關(guān)閉手機(jī)，穿著防靜電服和膠鞋，戴上口罩，用油氣濃度測(cè)試儀在人孔口測(cè)量油氣濃度，最好用兩臺(tái)以上儀器同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，以防因儀器失靈判定錯(cuò)誤，確認(rèn)油氣濃度不超過爆炸極限方可進(jìn)入。作業(yè)期間應(yīng)有消防人員值班，負(fù)責(zé)消防檢查和監(jiān)護(hù)工作，并配備適量的消防器材。

3.2 確保儀器的穩(wěn)定性

全站儀測(cè)量油罐內(nèi)各點(diǎn)的標(biāo)高均是相對(duì)高度，作為基準(zhǔn)的儀器若不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致各點(diǎn)標(biāo)高的測(cè)量不準(zhǔn)確，儀器不穩(wěn)的原因通常是由于人員在罐底的走動(dòng)和罐底的拱起引起，所以應(yīng)在調(diào)平儀器后，禁止人員在罐內(nèi)走動(dòng)，必要時(shí)可在儀器周邊用壓載物固定。

3.3 選定合理的架設(shè)位置

全站儀的架設(shè)應(yīng)盡量接近立式金屬罐的圓心位置，這樣全站儀測(cè)量每個(gè)圈板的半徑大體相同，而且可以減少全站儀激光點(diǎn)定位時(shí)調(diào)整的距離，節(jié)省測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量準(zhǔn)確性。

3.4 測(cè)量點(diǎn)數(shù)的選取

使用全站儀進(jìn)行立式金屬罐進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每個(gè)水平圓周上測(cè)量點(diǎn)的選取與規(guī)程中光學(xué)垂準(zhǔn)線法水平測(cè)站的選取原則相同，即總點(diǎn)數(shù)為偶數(shù)。圓周長(zhǎng)小于或等于100 m時(shí)，相鄰點(diǎn)間的弧長(zhǎng)間距不大于3 m，最小測(cè)量點(diǎn)數(shù)不小于12個(gè)；周長(zhǎng)大于100 m時(shí)，相鄰點(diǎn)間的弧長(zhǎng)間距不大于4 m，最小測(cè)量點(diǎn)數(shù)不小于36個(gè)，也可以換算為角度步進(jìn)，測(cè)量點(diǎn)數(shù)最好可以被360°整除。

3.5 異常值的剔除

立式金屬罐內(nèi)通常會(huì)安裝有輔助設(shè)施(如人孔、檢尺管、進(jìn)出油管等)。在使用全站儀進(jìn)行自動(dòng)化水平四周掃描測(cè)量時(shí)，可能會(huì)測(cè)量到這些非罐壁目標(biāo)的障礙物。這樣的障礙物目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)參與立式金屬罐圓周的半徑計(jì)算時(shí)，計(jì)算出的半徑就會(huì)比實(shí)際的小。因此，在全站儀自動(dòng)測(cè)量完畢后，應(yīng)對(duì)異常半徑予以剔除。最方便的檢查辦法就是當(dāng)測(cè)量點(diǎn)的觀測(cè)值殘差大于3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)，即可剔除。

3.6 減少參考點(diǎn)變化引入的誤差

全站儀法編制容積表時(shí)，將底量和油罐上部圓柱體的體積分別計(jì)算，再進(jìn)行相加，所以上部圓柱體和底部要選取同一個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行對(duì)接。上部的測(cè)量以第一塊圈板的下焊縫為參考點(diǎn)，底量也需以該點(diǎn)為參考點(diǎn)。操作人員在兩次用激光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)下焊縫時(shí)，應(yīng)保持高度一致，盡量減小誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

全站儀編制油罐容積表具有自動(dòng)化程度高、測(cè)量誤差相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的手工方法相比，可節(jié)省大量人力物力，大大提高了檢定效率。隨著技術(shù)的發(fā)展，全站儀檢定油罐容積表必將替代傳統(tǒng)手工方法，但還需在檢定過程中不斷摸索減小誤差的方法，使得編制的油罐容積表更加準(zhǔn)確可靠。