空間數據掃描技術在大型常壓儲罐變形檢測中的應用

邢 述，杜邦勝，都 亮，王 十，杜家超，郭 洪

(1.中國特種設備檢測研究院，北京 100029；2.中國石油大連石化石油儲運公司，大連 116610)

大型常壓儲罐是企業間大宗能源貿易結算的主要儲存設備，在商業、軍事、民用、交通、航空、石化行業中有著非常廣泛的應用。在儲罐服役過程中，受基礎沉降、工藝操作不當、外部載荷變化等因素影響，罐體易發生變形或傾斜。當罐體變形累積到一定程度后，可能引發卡盤、浮頂偏沉、漏液、著火等事故[1]，給儲罐安全運行帶來重大威脅。常規的罐體傾斜、變形檢測方法(如鉛錘檢測)操作簡單，但易受到天氣環境等外部因素影響；采用全站儀獲取罐壁上的離散點坐標分析變形情況，其工作量大、效率低、自動化程度低[2]。文章給出一種基于空間數據掃描技術的儲罐變形檢測方法，該方法自動化程度較高、操作便捷高效，借助超高采樣率實現儲罐結構點云數據采集，經數據處理可直接形成儲罐整體結構及附屬設施的網格化模型，通過標準圓柱體擬合、特征線提取、斷層切片等操作，實現任意位置、截面、角度的變形測量及比對分析，最終完成儲罐結構變形、不圓度、垂直度、基礎沉降等結構完整性評價。

1 空間數據掃描技術

空間數據掃描技術通常采用三維激光掃描系統，通過發射、接收被檢表面反射的激光行程、時間或波長相位差計算得出掃描點的球坐標；配合反射棱鏡、補償器等部件在三維空間內做周向和軸向的旋轉掃描，記錄整個空間有效距離內的點云數據?？臻g數據掃描點坐標系和點云數據的三維空間顯示如圖1所示。

圖1 空間數據掃描點坐標系與點云數據的三維空間顯示

根據測距工作原理，激光掃描系統可分為相位式激光掃描系統和脈沖式激光掃描系統兩大類。相位式激光掃描儀通過發出連續、穩定波長的激光，根據各掃描點的反射回波波長的相位差，進行相關計算便可得到掃描點的距離，其測量精度高，掃描速度快，點云分辨率高，但掃描距離較短；脈沖式激光掃描儀通過發射激光單點，利用各掃描點反射回波的到達時間差進行計算得到掃描點的距離，其測量距離遠，但掃描速度較慢、精度偏低。因此，對于儲罐三維空間數據的采集，宜采用相位式激光掃描系統進行。

圖2 儲罐空間數據掃描與數據處理流程

2 儲罐空間數據掃描與數據處理流程

儲罐空間數據掃描與數據處理流程[3-5]如圖2所示。

2.1 點云數據采集

以某臺容積為10萬m3的原油儲罐為對象，首先根據現場掃描條件，合理規劃空間數據掃描站點，為避免導向管、浮梯等設施阻擋，在浮盤上方設置9個掃描站點，按Z字形排列，掃描站點位置如圖3所示。每站間隔為10～15 m，以保證相鄰兩站之間的觀測點或標靶球距離適中，可被準確識別。

圖3 儲罐的掃描站點位置示意

然后逐站進行三維激光掃描，每兩站之間設置固定標靶球或觀測點，作為后續點云拼接的依據，相鄰兩站之間的標靶球應不少于3個且盡量不在一條直線上。儲罐規劃路徑上的站點3和4的掃描視圖如圖4所示。

圖4 儲罐規劃路徑上站點3、4的掃描視圖

2.2 點云數據處理

按每站掃描到的標靶球或觀測點進行點云數據拼接，再通過創建虛擬掃描點、濾除單位空間內重復掃描點，將點云數據均勻化，通過距離限制過濾掉非檢測表面的點云數據，最終形成儲罐整體的空間點云數據并以相應的文件格式導出，空間點云數據的濾波、降噪處理與導出如圖5所示。

圖5 儲罐空間點云數據的濾波、降噪處理與導出示意

2.3 分析評價模型構建

將處理好的點云數據文件導入分析評價軟件中，清除影響分析的結構件、分離待評價的部件，對點云數據做進一步優化處理，再將部件的點云數據轉換成網格模型，并對罐體進行最佳圓柱體擬合，得到儲罐的分析評價模型。通過比較網格模型[見圖6(a)]與擬合得到的最佳圓柱體[見圖6(b)]的數據差異，對儲罐的變形程度進行分析與評價。

圖6 儲罐的網格化模型示意

3 儲罐空間數據分析

GB/T 50128—2014 《立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工規范》、SY/T 5921—2017 《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規范》、SY/T 6620—2014 《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》和SHS 01012—2004 《常壓立式圓筒形鋼制焊接儲罐維護檢修規程》 等標準對儲罐的圓度、垂直度、局部變形和沉降等提出了相應的要求，故筆者依據儲罐的數據模型，對上述關鍵結構安全參量進行分析。

3.1 罐體局部變形、圓度與垂直度

某臺容積為10萬m3的原油儲罐局部變形分析結果如圖7所示，對比分析網格模型與最佳圓柱體，可以形成罐體的局部變形顏色圖像[見圖7(a),(b)]及展開圖[見圖7(c)]，可通過調節色階分級按不同標準要求設定對應的安全參量限制，直觀體現罐體局部變形部位及其嚴重程度，圖中暖色表示外凸、冷色表示內凹。不同標準關于罐體局部變形與褶皺的要求如表1所示(注：局部凹凸變形應符合GB/T 50128-2014 的規定，在不影響安全使用時，允許適當放寬要求。)?？梢钥闯觯瑘D7(a)中藍色與紅色區域不滿足GB/T 50128—2014的要求，圖7(b)，(c)中紅色與深藍色區域不滿足標準SHS 01012—2004的要求。

表1 不同標準關于罐體局部變形與褶皺的要求

圖7 儲罐局部變形分析結果

通過網格模型，可在任意高度進行橫向切割或在任意角度上進行縱向切割，儲罐圓度與垂直度分析結果如圖8所示。不同標準關于罐體圓度和垂直度的要求如表2,3所示。通過對截面數據與標準規范中的允許值進行比較，可對儲罐進行圓度與垂直度的分析與評價。

圖8 儲罐圓度與垂直度分析結果

表2 不同標準關于罐體圓度的要求

表3 不同標準關于罐體垂直度的要求

3.2 底板局部變形與沉降的分析與評價

儲罐底板下方存在空穴、補板較多或更換底板等情況時，易導致罐底板局部沉降、變形。通過底板網格模型可以準確測量出沉降變形部位及嚴重程度，并可根據標準要求進行分析與評價，罐底板的局部凹陷(或凸起)量應滿足

B≤0.03R

(1)

式中：B為罐底板局部凹陷(或凸起)的最大值；R為罐底板局部凹陷(或凸起)區域的內切圓半徑。

圖9 罐底板局部變形現場及分析結果

以某臺容積為3 000 m3的油罐底板為例進行局部變形分析，現場及分析結果如圖8所示，其中右上圖為底板曲面平整度的熱力圖；右下圖為局部變形超標位置，最嚴重局部凹陷29.3 mm(右下圖示藍色箭頭所指)，最嚴重局部凸起75.7 mm(右下圖示紅色箭頭所指)。

罐區所在區域發生地質災害、基礎沉降等情況時，可能導致儲罐整體發生剛性傾斜，同時可能造成底板邊緣沉降或變形。根據標準SY/T 5921—2017附錄C與SY/T 6620—2014附錄B，可通過對基礎沉降觀測點進行高程差測繪擬合“最佳余弦曲線”，并按式(2)計算非平面沉降允許值，評價觀測點i的沉降是否在允許范圍內。

Si≤11L2Y/2EH

(2)

式中：Si為觀測點i的相對豎向變形量；L為觀測點之間弧長；Y為鋼材的屈服強度；E為鋼材的彈性模量；H為油罐的高度。

通過空間數據掃描生成的罐體網格模型，可直接提取壁板與底板連接處的特征線擬合“最佳余弦曲線”，并且可在特征線上任意劃分節點進行插值、補充分析，罐底板局部變形分析過程如圖10所示。

圖10 罐底板局部變形示意

以某臺容積為2 000 m3的溶劑油罐為例，在壁板與底板連接處的特征曲線上劃分12個測量點并進行沉降分析，未發現超標區域，其1～12測量點的偏移量分別為20.92，6.76，-16.57，-18.36，-0.24，45.05，-18.44，-15.02，3.55，3.81，-1.83，-9.63/mm。

4 結語

空間點云數據采集與分析的相關技術已較為成熟，近年開始逐步應用于儲罐變形、沉降與剛性傾斜等專項分析，可以精確、快速地找出整個罐壁變形的位置與變形性質，為儲罐檢驗與評價工作提供了便利。并且通過空間數據掃描，形成的罐體網格數據格式與CAD、ANSYS等軟件兼容，為反向測繪、應力分析等工作提供了便利。通過掃描也可以生成儲罐某些附件的網格模型，比如外浮頂罐的導向管、量油管，可通過擬合最佳圓柱體的方式測量其偏移量。