三維激光掃描儀在自升式鉆井平臺桁架式樁腿維修中的應用

王 磊，佟玉鵬，呂英超，孔繁星

中國石油集團海洋工程（青島）有限公司，山東青島 266555

DSJ300-L1自升式鉆井平臺在青島碼頭發(fā)生了滑樁事故，該事故對平臺左舷樁腿主弦管及支撐管造成了不可逆的塑性變形。為消除左舷樁腿的塑性變形，經(jīng)分析最終確定采用對損壞段樁腿進行切除而后局部更換的方式進行維修，因而如何采用測量的方式確定損壞段樁腿的上下變形點則成為項目實施的關鍵技術難題。

1 測量儀器選用

經(jīng)粗測，此次事故造成損壞樁腿的變形方向及趨勢無規(guī)則，且無法通過人工的方式在被測物上取點，為滿足取點精度要求，測量工作選擇采用三維激光掃描儀，其優(yōu)勢在于能夠通過掃描給出的點云數(shù)據(jù)建立可視化三維模型[1-2]，再將掃描模型與樁腿原設計模型進行比對，由計算機計算得出超出設計允許偏差的最上點和最下點。該測量方法簡便快捷，且可最大化地減少人工干預帶來的測量誤差。

2 數(shù)據(jù)采集

掃描過程應選擇在晴天可見度高、無風或微風環(huán)境下進行，且掃描時間應選擇在平潮期或停潮期，測量設備的布置點應預先通過實地勘測選定，在準備工作充足后按布置點順序依次對左舷樁腿進行掃描。在掃描時，需按照左舷樁腿P、N、M三根主弦管對應的P-N、N-M和M-P三個面的分區(qū)分別進行掃描，再利用公共標靶拼接各布站點云，并閉合到掃描圖根控制點上，最終完成整體點云的拼接。由于平臺上其他各類結構物的遮擋及測量角度等原因，為保證樁腿掃描數(shù)據(jù)的完整性，此次掃描工作選取掃描站點25個，即DBZ033～DBZ057，見圖1。

圖1 掃描儀器布置點示意

3 數(shù)據(jù)處理

完成外業(yè)損壞樁腿掃描工作后，將所有數(shù)據(jù)導入計算機，通過計算機點云掃描處理軟件FARO Scene實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。

（1）點云數(shù)據(jù)優(yōu)化。即運用處理軟件內置過濾器等功能主動去除深色點、離群點、邊緣偽像點等雜點及遠距離點，減少明顯非樁腿數(shù)據(jù)對整體數(shù)據(jù)帶來的精度偏差[3]。

（2）點云數(shù)據(jù)分塊及拼接。即按照預先劃定的分區(qū)將掃描數(shù)據(jù)在軟件中分別予以體現(xiàn)，再將不同分區(qū)的模型進行拼接，形成被掃描樁腿的初版模型。

（3）導入數(shù)據(jù)篩選。因掃描站點較多，遠距離站點的測量數(shù)據(jù)會在精度上對整體模型的建立有所影響，經(jīng)綜合分析后在確保建模數(shù)據(jù)充分的前提下，剔除了掃描站點距離被測樁腿超過25 m的16個掃描站點數(shù)據(jù)，保留BDZ033～BDZ036及BDZ039～BDZ043等9個掃描站點數(shù)據(jù)。

（4）拼合3D模型。使用篩選后的9個掃描站點數(shù)據(jù)拼合形成最終3D模型，并截取左舷樁腿部分的模型作為研究對象，見圖2。

圖2 左舷樁腿掃描3D模型

4 模型對比

樁腿掃描模型建立完成后，再將掃描模型和樁腿原設計模型一并導入Geomagic Control軟件中，通過人工的方式選取兩個模型中的同一基準點進行預對齊，再通過軟件的自動匹配功能使兩個模型完成自動匹配，實現(xiàn)兩個模型的最優(yōu)化擬合[4]。為便于觀測，可在軟件中進行超差值預設，使超出預設值的部位突出顯示紅色，見圖3。

圖3 模型擬合效果展示

5 數(shù)據(jù)分析

從圖3中擬合模型的局部放大圖可直觀看出兩個模型比較后的超差位置，但凸顯部位是隨著預設值的變化而變化的，不是真實超差部位的體現(xiàn)。為了對實際樁腿變形量進行分析，則需將樁腿各類數(shù)據(jù)與原設計允許偏差值進行對比[5]。經(jīng)結合標準規(guī)范中對桁架式樁腿的設計原則及船級社相關規(guī)范中對樁腿尺寸的要求，認為樁腿眾多數(shù)據(jù)中主弦管直線度和支撐管的位置偏差是確定樁腿變形起止點的關鍵因素[5]。按照DSJ300-L1平臺樁腿變形數(shù)據(jù)對主弦管及支撐管變形情況進行舉例分析。

5.1 主弦管數(shù)據(jù)分析

考慮到主弦管變形量及變形方向的不規(guī)則性，為保證數(shù)據(jù)分析的充分性，在對單根主弦管數(shù)據(jù)進行分析時，采用①、②、③三個不同角度的數(shù)據(jù)進行分析，見圖4。

圖4 樁腿主弦管縱剖面

單根樁腿分有P、N、M三根主弦管，每根主弦管分有①、②、③3個剖面，單根樁腿的完整分析需進行9次，因數(shù)據(jù)量較大，在此以M主弦管的①號剖面數(shù)據(jù)為例進行分析：通過對擬合模型中M主弦管①號剖面的數(shù)據(jù)導出，可在Excel表格中制作出M主弦管垂直方向傾斜量，具體數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 M主弦管①號剖面數(shù)據(jù)展示

按照原設計圖紙，主弦管垂直度設計允許偏差為7 mm/14 000 mm，從圖5表中數(shù)據(jù)可知：標高21.6～29.2 m段主弦管垂直度為45.5 mm/7 600 mm=83.8 mm/14 000 mm＞7 mm/14 000 mm，則可判定此部分主弦管彎曲變形超出允許范圍；標高29.2～59.1 m段主弦管垂直度為4.3 mm/29 900 mm=2.01 mm/14 000 mm＜7 mm/140 00 mm，則可判定此部分主弦管彎曲變形未超出允許范圍。

由以上數(shù)據(jù)可推出M主弦管①號剖面最高彎曲點高度M1=29.2 m，使用相同方法可得出M2、M3、N1、N2、N3、P1、P2、P3 共 9 個數(shù)據(jù)，在此9個數(shù)據(jù)中取最大值高度，即為主弦管變形點的最高位置。使用相同原理可得出左舷樁腿三根主弦管的9個最低彎曲點數(shù)據(jù)，在此9個數(shù)據(jù)中取最小值高度，即為主弦管變形點的最低位置。

5.2 支撐管數(shù)據(jù)分析

如上文所述，確定樁腿變形的最高點和最低點除對主弦管直線度進行分析外，還應對支撐管的位置偏差進行分析。DSJ300-L1平臺單根樁腿按跨分為33個支撐管截面，因數(shù)據(jù)量較大，在此以左舷樁腿25.1 m處的橫剖截面數(shù)據(jù)進行舉例分析。通過導出擬合模型中左弦樁腿25.1 m處橫剖截面數(shù)據(jù)，可得出如圖6所示的模型及數(shù)據(jù)。

圖6 25.1 m橫剖模型展示

按照原設計圖紙，支撐管位置線設計允許偏差為±2 mm，則極限允許偏差為4 mm，從圖6中表數(shù)據(jù)可知 25.1m位置的“B-B D22”“B-B D24”“B-B D26”“B-B D28”“B-B D30”號支撐管數(shù)據(jù)出現(xiàn)了超極限值的情況，則可判斷左舷樁腿25.1 m位置變形超出設計允許偏差。按此方式分別依次對25.1 m位置以上及以下的橫剖面進行分析，直至分別出現(xiàn)第一個全部數(shù)據(jù)均符合設計要求的橫剖面節(jié)點，則此兩個節(jié)點位置即為支撐管變形的最高和最低位置。

5.3 變形點確認

同理，通過對平臺左舷樁腿的三根主弦管及不同截面的支撐管進行變形分析，可分別得出主弦管的最高、最低變形點和支撐管的最高、最低變形點，在兩個最高變形點數(shù)值中取大值，在兩個最低變形點中取小值，則為平臺左舷樁腿的最高變形點和最低變形點。

6 結束語

在以往海洋工程項目中，變形測量大多使用如經(jīng)緯儀、鋼絲線、水平儀及全站儀等通用儀器，此項目由于被測物的特殊性，在變形測量過程中使用到了三維掃描儀。因采用對損壞段樁腿進行切除后局部更換的維修方式在國內屬于首例，使用三維掃描儀進行變形測量在類似項目中也屬于首次，因此在測量過程中通過不斷摸索和改進，最終通過實踐證明此方法可行，為樁腿的維修工作提供了極大的方便，也可為三維激光掃描儀在其他自升式鉆井平臺桁架式樁腿變形測量中應用提供借鑒。