三維激光掃描技術在管道維搶修作業中的應用

王志方 徐海峰 孫寶龍 王繼坤

（中國石油西氣東輸管道公司南京應急搶修中心，江蘇 南京 210046）

0 引言

長輸油氣管道換管維搶修作業主要工序包括舊管段的切割吊離、測量計算、下料組對、焊接、檢測等[1-2]，其中準確的測量計算是搶修作業順利完成的基礎[3]，特別是大口徑、高鋼級管道的換管搶修作業直接影響到整個搶修作業的進程。目前國內在管道換管作業中測量下料還在使用盒尺、角尺等測量工具進行人工測量和計算，這種傳統的方式測量精度低、速度慢，且對操作人員的技能要求較高，特別是大口徑、高鋼級、厚壁管及彎管的更換，人工測量易產生誤差，尤其是長距離、來回彎的測量。利用三維激光掃描儀進行點云數據采集，掃描測量需要對接的2 個管口，通過計算軟件進行處理，獲得管口對接參數，為管道換管搶修提供準確的測量計算解決方案，該技術精度高、速度快、工作強度小。利用三維激光掃描技術實現了換管作業中測量計算作業的自動化、數字化，提高了作業質量和效率。

1 三維激光掃描測量

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，它是通過對物體空間外形和輪廓進行激光掃描，快速、大范圍地采集物體表面的點云數據（即空間三維坐標數據），并利用相關軟件建立物體的實景三維模型的技術方法和手段[4]。它改變了傳統的測量方式，主動非接觸式的快速獲取目標表面的三維空間坐標數據，能夠快速地反映目標的實時狀態。數據量大、點位精度高，可以非常精確地采集目標表面的數據信息。采用主動方式進行激光測量[5]。由于三維激光掃描技術的獨特優勢，其在各專業技術領域的應用也日漸廣泛，其中在事故處理、變形檢測、土方精確測量、數字化建模、工業設計、數字化工廠等方面得到了廣泛應用[6]。

基于三維激光掃描技術的特點和優勢，利用FARO 高速三維激光掃描儀對管道進行掃描[7]。FARO 三維激光掃描儀在測量距離時，采用相位偏移技術，從掃描儀持續向外投射不同波長的紅外光，當接觸到對象后，會反射回掃描儀，通過測量紅外線光波的相位偏移，即可準確判斷掃描儀到對象的距離。通過使用角度編碼器測量FARO 激光掃描儀的鏡像旋轉和水平旋轉，計算各點的X、Y、Z 坐標。利用掃描儀SCENE 軟件進行過濾處理，管道的三維空間數據模型如圖1所示。

圖1 管道三維空間數據模型圖

2 下料計算

根據管道換管搶修作業測量、計算和下料的方法和技術，結合三維掃描數據的特點，挖掘出真實需要的關鍵技術參數指標，編制了“激光點云掃描管道換管參數計算軟件”，對三維激光掃描的數據進行自動提取分析，并計算和給出最終的下料尺寸數據，換管作業過程中的管工可以直接利用這些信息就能夠精確地完成下料作業。

2.1 計算流程

計算流程如圖2 所示，具體計算步驟包括以下4 個部分。1）現場激光三維管道掃描，獲取管道及管口的點云數據。2）利用SCENE 軟件對點云數據進行預處理，包括濾波、剪裁。3）利用“激光點云掃描管道換管參數計算軟件”對預處理后的點云數據進行處理分析，特征識別，優化擬合。4）獲取管道及管口的下料參數數據。

圖2 計算流程圖

2.2 激光點云掃描管道換管參數計算軟件

計算軟件針對大口徑管道更換直管段作業，依據實際作業計算過程，定義2 個端面分別為上游端面（U）和下游端面（D），從端面的最高點起，按順時鐘方向將圓周等分為12份，對應的點位分別為U1、U2、U3…U12 和D1、D2、D3…D12。軟件將自動計算各位置的距離和偏移量，見表1。

表1 垂直面偏移計算列表

計算結果除了上下游端面點位對應的垂直面偏移距離，還有三維坐標軸上的各個偏移分量，計算結果見表2。

表2 三維偏移分量計算結果表

激光點云掃描管道換管參數計算軟件主界面如圖3 所示。“三維模擬圖展示區”對上游端面、下游端面、預置新管段以及新管段上下游端面錯位進行了三維模擬和展示。“數據展示區”分別詳細列出了新管預置需要的各組數據，包括新管預制下料尺寸、展示在線管道上下游端面各點的直線距離，分別按照最長基礎長度和最短基礎長度2 種方式，計算預置管上游端面的Δ 量和下游端面的Δ 量，線管上下游端面各點在各坐標方位的偏移量，維搶修作業的管工利用這些數據就可以直接在新管段上完成切割線的標記。“端面橢圓參數”展示在線管道上下游端面各自的長軸、短軸以及差值和各自方位，還給出了上下游端面在各12 點方位的直徑，維搶修作業的管工可利用橢圓參數提供的信息，完成管口矯正等作業，提高焊口組對的效率。“端面平面度及傾斜”提供了在線管道上下游端面各自的最高點和最低點值、其方位以及平均值，還提供了平面的Y 軸、Z 軸傾斜角度和平面的斜口角度。這些參數可以為管工判斷是否需要再次修正在線管道端面提供依據，也可以為判斷下管組對的方位提供依據。

3 應用案例

搭建換管作業應用測試平臺如圖4 所示，管道規格：管徑1 016 mm、壁厚18 mm、材質X70 鋼。2 個管道端面間距約2 m，即該次應用是為1 016 mm 管道更換2 m 短節的換管作業，圖4 中顯示已將2 m 舊管段切割吊離，應用三維激光掃描儀進行管道測量，利用激光點云掃描管道換管參數，計算軟件處理掃描儀點云數據得到兩管端間需要下料新管段的參數。

圖3 計算軟件主界面

3.1 掃描儀安裝掃描

因為掃描儀自帶坐標系且只需一次掃描，所以不用在現場找水平、找垂直。三角支架可以快速固定在條件惡劣的現場，甚至是水里面。掃描儀小巧輕便（4.2 kg），單人即可完成操作。這樣極大地提高了掃描儀現場的安裝速度，簡化了安裝要求，適合油氣管道維搶修現場使用。掃描儀配置了觸控面板，可以快速完成掃描參數的設置，按下開始按鈕后掃描儀立即開始掃描。掃描期間，掃描儀和管口之間不允許有物體遮擋，掃描儀旋轉一圈完成掃描并給出結束提示。掃描儀旋轉一圈，采集管口端面的所有數據信息并經過處理后儲存到存儲卡中，以備后期進行數據分析和應用。激光掃描儀可在白天或者黑夜對管口進行掃描，無需借助環境照明，對于夜間施工的管道維搶現場來說尤其重要。現場掃描的時間為2.5 min。

3.2 掃描數據處理

掃描儀掃描完成后，使用SCENE 軟件對數據進行預處理，裁剪不需要的數據，現場數據預處理的時間為6.5 min。利用激光點云掃描管道換管參數，計算軟件讀取三維掃描數據后，一鍵完成分析、提取、計算、建模和展示，計算結果如圖5 所示。三維激光掃描自動采點測量建模和數據處理時間為2 min。以上各步驟操作總時間為14 min，相比人工測量計算縮短了大量時間。

3.3 與人工測量的對比分析

在完成三維激光掃描自動采點測量后，組織經驗豐富的管工、焊工和技術員一起對測試平臺管道兩端各點的距離進行實測，并記錄了測量結果，測量結果對比見表3。從測試結果可看出，三維激光掃描自動采集測量計算與人工測量差值范圍為+0.0022 m ～-0.0005 m，最大差值為0.0027 m，數據吻合度較高，并省略人工測量誤差。

表3 測試結果對比表

4 結論

該文在對大口徑、長輸管道換管維搶修作業深入分析的基礎上，引入利用三維激光掃描技術，并設計開發了實用性強、計算快、精度高的測算軟件。實現了換管維搶修作業測量計算自動化、數字化，代替了傳統人工盒尺測量，提高了效率和精度。三維激光掃描儀測量精度在±1 mm 以內，并通過了1 016 mm 管道測試平臺的驗證，其與人工測量的差值

范圍為+0.0022 m ～-0.0005 m，最大差值為0.0027 m，證明該套方案在測量精度和效率上均滿足現場作業測量計算的需求，并提高了作業的精度和效率。此外，利用軟件和儀器替代人工，避免了人工測量、計算的誤差以及對人員技能的依賴。激光點云掃描管道換管參數計算軟件目前只開放了直管段的建模，未來將根據現場的應用開發大口徑管道更換彎管、站內復雜管網的更換模型，以適應更復雜的管道維搶修作業工況。

圖4 測試平臺

圖5 計算結果