常壓儲罐壁板變形檢測方法探討

郭 洪 李修能 都 亮 趙世佳 邢 述

（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

常壓儲罐廣泛應(yīng)用于能源化工儲備等國民經(jīng)濟重要領(lǐng)域。在儲存、維修、改造和翻建過程中，儲罐壁板受液位靜壓、地基下沉、焊接和地震等因素的影響發(fā)生形變，影響儲罐的正常使用，嚴重可導(dǎo)致罐壁開裂、泄漏、浮盤卡頓和沉船等事故。周期性地對儲罐壁板進行有效的監(jiān)測十分必要。第1種檢測方法為基于標(biāo)尺和鉛墜的檢測方法，儲罐初建檢測時采納此法，簡單快捷，但精度偏低，目前僅作粗略或局部測量。第2種檢測方法是全站儀測量法，全站儀具備測量水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差等功能，目前廣泛用于常壓儲罐變形評定。全站儀測量是單個數(shù)據(jù)點的測量，通過計算大量的數(shù)據(jù)點擬合罐體形狀，這種以點代面的測量方法只能準(zhǔn)確反映儲罐的局部的變形情況，且采集數(shù)據(jù)繁雜，數(shù)據(jù)量偏少，受罐區(qū)圍堰內(nèi)的地貌條件限制，全站儀移位有一定的誤差，檢測速度較慢。第3種檢測方法是3D激光掃描無損檢測，精度達到毫米級，通過采集儲罐點云圖，利用計算機直接計算出變形量、不圓度和垂直度等相關(guān)結(jié)果，操作簡單，直觀可靠，數(shù)據(jù)可保存溯源[1]。

1 基于標(biāo)尺和鉛墜等檢測方法的罐體變形檢測

1.1 主要做法

把鉛垂線固定于罐壁之上，測量鉛垂線與罐壁的角度即儲罐垂直度。內(nèi)部檢測利用鉛墜與儲罐壁板之間的間距進行統(tǒng)計（外測時需要壁厚修正），然后根據(jù)標(biāo)尺高度進行反三角計算，得出儲罐傾斜度。帶有取樣功能的標(biāo)尺測量罐壁局部的垂直度和不圓度，如圖1和圖2所示。

圖1 鉛墜及標(biāo)尺的垂直度檢測

圖2 基于取樣功能標(biāo)尺的儲罐不圓度檢測

1.2 局限性

1）儲罐工程建設(shè)一般采用本方法，精確度不高。

2）測量方法精確度較低，受人員操作方法影響極大，而且大型儲罐帶有抗風(fēng)圈等障礙物，給實際測量增加困難。

3）檢測精度較低，僅能粗略得出儲罐壁板垂直度變形量。

2 基于全站儀測距方法的罐體變形檢測

全站儀能夠滿足儲罐常規(guī)變形檢測，操作簡單，只需檢驗人員根據(jù)檢測方案實施，將所需數(shù)據(jù)點全部采集，將數(shù)據(jù)進行計算整合，得出儲罐相應(yīng)的變形量，根據(jù)工程實際應(yīng)用，主要做法總結(jié)如下：

2.1 基圓擬合

儲罐變形量檢測通常需要設(shè)定一個基準(zhǔn)，由于儲罐第一層壁板受底板大角焊縫約束作用，形變程度最小，一般選擇一層壁板作為基準(zhǔn)圓。罐內(nèi)檢測時，測量受現(xiàn)場條件限制，一般選擇起始壁板作為基準(zhǔn)（如浮頂罐浮頂降至最低后，在浮艙頂板上測量，選取靠近浮艙頂板的壁板作為基準(zhǔn)）。利用全站儀獲取儲罐基圓壁板上的若干個檢測點，利用最小二乘法進行擬合，計算求得基圓圓心和半徑值作為參考基準(zhǔn)[2]，具體做法如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場基圓擬合做法參考圖

2.2 水平不圓度

不圓度檢測即儲罐水平方向上的偏差，測量方法主要是計算測量的半徑和基圓半徑的差值，若差值為正，則表示壁板向外凸變形；若差值為負，則表示壁板向內(nèi)凹變形。若某個方向上的偏差超過一定的范圍，說明目標(biāo)儲罐存在安全隱患，需使用單位及時采取應(yīng)對措施。

罐內(nèi)檢測利用所測儀器至各母線檢測點的平距（包括壁板厚)，分別根據(jù)相應(yīng)公式（三角公式)計算各罐壁檢測點與該圈板圓心的平距，即得到各圈板的水平方向的半徑偏差，見式（1）。罐內(nèi)檢測如圖4所示。

圖4 罐內(nèi)檢測徑向偏差

式中：

Δ——基圓擬合半徑，mm；

Δ1，Δ2，Δn——壁板不同檢測點與該圈板圓心的平距，mm；

Δ1'，Δ2'，Δn'——不同計算測量的半徑和基圓半徑的差值，mm；

L——全站儀距觀測點的距離，mm；

α——觀測點與水平方向的夾角。

2.3 垂直度檢測

傾斜度是各圈板圓心與起始圈圓心連成的直線偏離垂線的角度，根據(jù)各圈板擬合出的圓心坐標(biāo)以及測點時儀器抬升高度即可求得各圈板相對基圓的傾斜度。第n層壁板的傾斜度計算式見式（2）。壁板垂直度檢測如圖5所示。

圖5 壁板垂直度檢測

式中：

（An，Bn，Cn)——圈板圓心On坐標(biāo)；

（A0，B0，C0)——基準(zhǔn)圈板圓心O0坐標(biāo)。

由于罐外測量獲取的數(shù)據(jù)為平距信息，因此在計算傾斜度時，首先需要將平距轉(zhuǎn)化為檢測點坐標(biāo)信息，然后按上述計算方式求取圈板傾斜度。

2.4 局限性

1）為了數(shù)據(jù)更加全面，大型常壓儲罐現(xiàn)場需測點數(shù)較多，記錄工作量大。

2）實際檢測過程中采集有限的點位，故只能以形變參數(shù)定量描述形變，很難反映罐體形變的細節(jié)特征。

3）擬合和變形量計算過程復(fù)雜，給工程技術(shù)人員帶來不便。

4）依賴工程技術(shù)人員現(xiàn)場經(jīng)驗較多，宏觀檢驗找到最大變形位置并進行測量。

3 基于3D激光掃描方法的罐體變形檢測

3D激光掃描是一種非接觸式測量并獲取儲罐壁板點云數(shù)據(jù)的檢測方法，不需借助棱鏡或標(biāo)尺等輔助工具，檢測方法簡單，檢測速度較快，實時性強和測量精度可達到毫米級。它是利用激光測距原理，通過棱鏡發(fā)射和接收激光，記錄被測罐體的變形情況，生成點云數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確地反饋罐體的變形情況，實現(xiàn)從傳統(tǒng)單點測量到面測量的技術(shù)突破[3]。但對于帶有保溫層的儲罐罐體，目前該方法還無法適用。

3.1 主要做法

儲罐內(nèi)部檢測只需將掃描儀放置于儲罐底板中心位置，掃描1站即可獲得較全面的點云數(shù)據(jù)（導(dǎo)向管和量油管遮擋的罐壁部位需設(shè)置標(biāo)靶球并移動全站儀測量獲得）。外部檢測非保溫出罐，需根據(jù)現(xiàn)場實際設(shè)置標(biāo)靶球，通過移動掃描儀和標(biāo)靶球，將儲罐罐體的全部數(shù)據(jù)進行拼接，由于受人員操作熟練程度的影響，有時檢測數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較大的偏差，一般優(yōu)先選擇內(nèi)部檢測。通過軟件對儲罐的點云數(shù)據(jù)進行整理、拼接和網(wǎng)格化，最終進行變形計算等處理過程。

某105m3常壓儲罐在浮頂降至最低時，在浮艙頂板上進行內(nèi)壁掃描檢測的檢測做法及檢測后初步分析的結(jié)果，如圖6～圖10所示。本次采集數(shù)據(jù)擬設(shè)置14站，通過標(biāo)靶球進行移站，移站過程中保持兩站之間3個標(biāo)靶球保持不動，移動掃描儀和另外3個標(biāo)靶球。為了便于后期處理識別，建議不將標(biāo)靶球放在同一個平面上。將采集的數(shù)據(jù)進行處理，通過軟件中儲罐計算模塊，分別計算出相應(yīng)變形數(shù)據(jù)，并能得出較詳細的變形量。利用有限元分析軟件ANSYS建立儲罐全尺寸結(jié)構(gòu)有限元模型，得出結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前最大變形位移，與檢驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和實際測量值進行綜合對比，給予儲罐壁板合于使用的建議。

圖6 3D掃描建立14站檢測分布示意圖

圖7 3D掃描儀移站示意圖

圖8 罐壁板整體變形色階圖

圖9 罐壁不圓度分析示意圖

圖10 壁板各方向垂直度分析示意圖

3.2 局限

1）3D掃描的準(zhǔn)確性受操作人員的熟練程度影響較大，如現(xiàn)場經(jīng)驗不足，導(dǎo)致點云數(shù)據(jù)無法拼接且誤差會增大；

2）現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)量大，軟件處理過程復(fù)雜，要求檢測人員具有一定的現(xiàn)場測繪經(jīng)驗；

3）無法檢測帶保溫層的儲罐；

4）僅僅根據(jù)設(shè)計及建造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，依靠分析的結(jié)果對儲罐壁板變形進行判別，目前行業(yè)尚未出版測量儲罐變形的具體技術(shù)規(guī)范[4]。

4 結(jié)論與建議

上述介紹儲罐壁板變形的幾種方法，都是比較實用的工程檢測手段，專業(yè)人員可根據(jù)以下實際情況酌情采納：

1)儲罐建設(shè)人員和使用單位現(xiàn)場管理人員懷疑儲罐壁板存在變形時且不具備專業(yè)設(shè)備時，擬采用鉛墜和標(biāo)尺的檢測方法，粗略掌握儲罐基本變形情況，制定詳細的需求，委托專業(yè)檢測機構(gòu)，對儲罐進行詳細檢測。

2)利用全站儀進行儲罐形體檢測具有一定的可靠性，因此可以根據(jù)儲罐條件選擇合適的測量方式。當(dāng)儲罐容積較大時，所需觀測點較多，現(xiàn)場觀測任務(wù)量較大，可以根據(jù)現(xiàn)場實際采取更先進的3D激光掃描。

3)3D激光掃描內(nèi)置模塊中涉及激光照相技術(shù)、參照標(biāo)準(zhǔn)變形評估技術(shù)和數(shù)學(xué)建模技術(shù)等，是多種技術(shù)的集成應(yīng)用[5]。3D激光掃描檢測方法高效快捷、精度高、環(huán)境友好、數(shù)據(jù)可溯源和具備監(jiān)測儲罐變形發(fā)展的能力。但是針對外保溫儲罐，該項技術(shù)目前無法實施檢測。

4)以上檢測方法主要是計算變形量，針對超標(biāo)變形，還需進行ANSYS應(yīng)力分析或?qū)I(yè)評估，以確認儲罐繼續(xù)使用的安全性。