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

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

常壓儲罐廣泛應用于能源化工儲備等國民經濟重要領域。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生形變，影響儲罐的正常使用，嚴重可導致罐壁開裂、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測十分必要。第1種檢測方法為基于標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據點的測量，通過計算大量的數據點擬合罐體形狀，這種以點代面的測量方法只能準確反映儲罐的局部的變形情況，且采集數據繁雜，數據量偏少，受罐區圍堰內的地貌條件限制，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結果，操作簡單，直觀可靠，數據可保存溯源[1]。

1 基于標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。內部檢測利用鉛墜與儲罐壁板之間的間距進行統計（外測時需要壁厚修正），然后根據標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 鉛墜及標尺的垂直度檢測

圖2 基于取樣功能標尺的儲罐不圓度檢測

1.2 局限性

1）儲罐工程建設一般采用本方法，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變形檢測，操作簡單，只需檢驗人員根據檢測方案實施，將所需數據點全部采集，將數據進行計算整合，得出儲罐相應的變形量，根據工程實際應用，主要做法總結如下：

2.1 基圓擬合

儲罐變形量檢測通常需要設定一個基準，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圓。罐內檢測時，測量受現場條件限制，一般選擇起始壁板作為基準（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）。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[2]，具體做法如圖3所示。

圖3 現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，則表示壁板向內凹變形。若某個方向上的偏差超過一定的范圍，說明目標儲罐存在安全隱患，需使用單位及時采取應對措施。

罐內檢測利用所測儀器至各母線檢測點的平距（包括壁板厚)，分別根據相應公式（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）。罐內檢測如圖4所示。

圖4 罐內檢測徑向偏差

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，根據各圈板擬合出的圓心坐標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；

（A0，B0，C0)——基準圈板圓心O0坐標。

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

2.4 局限性

1）為了數據更加全面，大型常壓儲罐現場需測點數較多，記錄工作量大。

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

3）擬合和變形量計算過程復雜，給工程技術人員帶來不便。

4）依賴工程技術人員現場經驗較多，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據的檢測方法，不需借助棱鏡或標尺等輔助工具，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，通過棱鏡發射和接收激光，記錄被測罐體的變形情況，生成點云數據，能夠準確地反饋罐體的變形情況，實現從傳統單點測量到面測量的技術突破[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據（導向管和量油管遮擋的罐壁部位需設置標靶球并移動全站儀測量獲得）。外部檢測非保溫出罐，需根據現場實際設置標靶球，通過移動掃描儀和標靶球，將儲罐罐體的全部數據進行拼接，由于受人員操作熟練程度的影響，有時檢測數據會出現較大的偏差，一般優先選擇內部檢測。通過軟件對儲罐的點云數據進行整理、拼接和網格化，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壁掃描檢測的檢測做法及檢測后初步分析的結果，如圖6～圖10所示。本次采集數據擬設置14站，通過標靶球進行移站，移站過程中保持兩站之間3個標靶球保持不動，移動掃描儀和另外3個標靶球。為了便于后期處理識別，建議不將標靶球放在同一個平面上。將采集的數據進行處理，通過軟件中儲罐計算模塊，分別計算出相應變形數據，并能得出較詳細的變形量。利用有限元分析軟件ANSYS建立儲罐全尺寸結構有限元模型，得出結構失穩前最大變形位移，與檢驗標準規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掃描的準確性受操作人員的熟練程度影響較大，如現場經驗不足，導致點云數據無法拼接且誤差會增大；

2）現場采集的數據量大，軟件處理過程復雜，要求檢測人員具有一定的現場測繪經驗；

3）無法檢測帶保溫層的儲罐；

4）僅僅根據設計及建造相關標準，依靠分析的結果對儲罐壁板變形進行判別，目前行業尚未出版測量儲罐變形的具體技術規范[4]。

4 結論與建議

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，專業人員可根據以下實際情況酌情采納：

1)儲罐建設人員和使用單位現場管理人員懷疑儲罐壁板存在變形時且不具備專業設備時，擬采用鉛墜和標尺的檢測方法，粗略掌握儲罐基本變形情況，制定詳細的需求，委托專業檢測機構，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，因此可以根據儲罐條件選擇合適的測量方式。當儲罐容積較大時，所需觀測點較多，現場觀測任務量較大，可以根據現場實際采取更先進的3D激光掃描。

3)3D激光掃描內置模塊中涉及激光照相技術、參照標準變形評估技術和數學建模技術等，是多種技術的集成應用[5]。3D激光掃描檢測方法高效快捷、精度高、環境友好、數據可溯源和具備監測儲罐變形發展的能力。但是針對外保溫儲罐，該項技術目前無法實施檢測。

4)以上檢測方法主要是計算變形量，針對超標變形，還需進行ANSYS應力分析或專業評估，以確認儲罐繼續使用的安全性。