立式儲罐變形評估的三維激光掃描實驗

丁芳芳 睢星飛 劉文才 王 磊 郝笑笑

(1.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司；2.中國石油青海油田公司)

0 引 言

隨著國民經濟快速發展，儲罐成為保障我國油氣資源及化工物料儲備的重大基礎性關鍵裝備。儲罐在長期服役過程中，由于受到自身材料及外界環境等因素的影響，儲罐壁板可能會出現不同程度的變形，嚴重時可能會導致泄漏、卡盤等事故[1]，因此，需要定期對儲罐變形進行檢測評估，確保儲罐安全運行。通常采用全站儀獲取罐壁上的離散點坐標，從而分析儲罐罐壁變形情況，該檢測方法工作量大、效率低、自動化程度低，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對儲罐進行變形檢測，能夠快速、準確、全面獲取大量點云數據，能夠更精確的計算儲罐的變形量，判斷儲罐的變形位置，同時，點云圖可以直觀反映儲罐的變形分布情況，為儲罐變形的檢測和檢維修提供技術支撐。

1 現場數據采集及預處理

實驗目標物為某實驗基地的一座200 m3的露天實驗罐，該罐已經完成清罐，并敞開放置3個月以上，本實驗選用Faro M70三維激光掃描儀獲取實驗現場的立式儲罐點云數據，Faro M70掃描儀分辨率高達1.65×108像素，彩色；同軸設計，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級激光，波長1 550 nm。本次實驗采集儲罐內壁點云數據，由于儲罐體積較小，只需要設置一站測量。將儀器架設在儲罐底板中央，如圖1所示。

圖1 儲罐內掃儀器站點示意

利用立式儲罐的內掃數據進行分析，將獲得的點云數據導入Geomagic Control X軟件中，進行數據預處理，通過自動配準實現數據的拼接。配準的過程就是進行坐標系轉換，建立同一坐標系下的點云數據坐標。通過降噪去除噪點，建立儲罐內壁點云圖，如圖2所示。

圖2 儲罐內壁點云圖

2 點云數據處理

2.1 徑向偏差計算

利用本實驗獲取的大量點云數據坐標，能夠更精確的分析儲罐的變形情況。首先，對儲罐的點云數據進行切片，設置切片厚度為1 mm，切片間距為0.5 m；得到13組切片點云坐標，分別對切片的點云坐標進行擬合，獲得不同高度切片的擬合圓心坐標及半徑值，見表1。

表1 切片的圓心坐標及半徑

注：從底板至罐頂，切片依次從0#到12#。

根據每個切片導出的大量坐標數據和各個切片擬合的圓心坐標，計算出切片每一個點坐標的徑向偏差值。

(1)

式中：Δd為徑向偏差，m；R為儲罐設計內徑，m；罐壁上點M坐標為(xi，yi)，點云樣本集(xi，yi)i∈(1，2，3……N)；切片擬合圓心O點坐標(x0，y0)，本文是儲罐內掃取得點云數據，所以計算徑向偏差不考慮罐壁厚度。計算結果見表2。

根據SY/T 5921—2017《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規范》規定：底圈罐壁1 m高處，內表面任意點的半徑偏差不應超過表2規定；在底圈罐壁1 m高以上，測得的半徑偏差不應超過底圈板1 m處的3倍[4]。壁板內表面任意點半徑的允許偏差見表3。對比表2和表3可以看出，除了10#，11#，12#切片未超出標準，其他切片的徑向偏差均超出標準要求的39 mm。

表2 切片最大徑向偏差

表3 壁板內表面任意點半徑的允許偏差

2.2 儲罐傾斜度計算

當儲罐發生變形時，儲罐不同切片的圓心也發生變化，切片的擬合圓心連成的直線與垂線的夾角即為儲罐的傾斜度。

根據表1各切片的圓心坐標計算儲罐的傾斜度，假設底板0#切片為基準圓，計算傾斜度。

(2)

式中：θi指第i個切片的傾斜度；(xi，yi)指切片圓心坐標；(x0，y0)指第0#切片擬合圓心坐標，以0#切為基準圓，ΔH指切片距離底圈圈板的高度，計算每個切片相對于0#切片的傾斜度。

根據標準JJG 168—2018規定：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°，未超出標準要求[5]。

表4 罐體不同高度傾斜度

3 立式儲罐變形位置定位及評估

根據儲罐點云圖真彩色圖像顯示，找出變形位置見圖3，進行切片處理，找出儲罐，某一部位的變形情況，計算變形量。根據變形位置局部選取0到2.1 m高度點云進行計算，計算結果見表5。切片最大徑向偏差均超出標準SY/T 5921—2017《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規程》要求，最大傾斜度位于0.9 m處，傾斜度0.177°，傾斜度未超出標準JJG 168—2018《立式金屬罐容量檢定規程》規定的1°。

圖3 儲罐局部變形位置定位(缺口為人孔位置)

對比局部計算結果表5和表2、表4，可以發現，基于三維激光掃描的大量點云數據可以更精確的計算儲罐某一部位的變形情況。而儲罐的總體切片不能精確反映局部的變形情況。

表5 儲罐局部變形量情況

4 結束語

利用三維激光掃描技術，獲取儲罐罐壁點云數據，實現儲罐的實景再現。通過儲罐的反射強度色階圖，可以快速定位儲罐的變形位置，通過變形位置的切片導出點云數據，可以精確計算變形位置的徑向偏差、傾斜度等參數，判斷儲罐是否滿足標準要求，為大型儲罐的變形檢測提供了一種新的技術手段。

三維激光掃描技術作為一項新技術應用于儲罐變形檢測，但是還沒有相關的標準可以借鑒，因此，亟待研究三維激光掃描技術在儲罐變形評估中的標準規范。