章珉輝，鄭會勇，劉文才，金禹成

（1.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010；3.北京化工大學(xué)，北京 102200）

0 引言

立式儲罐由罐頂、罐壁、罐底、罐體附件四部分組成，以往大家檢測關(guān)注的重點(diǎn)部位都是罐頂和罐底的變形，罐壁變形檢測相對較少，但罐壁變形同樣存在泄漏的風(fēng)險，引發(fā)安全事故。現(xiàn)實(shí)中對罐壁檢測方法比較簡單，檢測效率低，精度不高，多采用目視、鋼板尺、卷尺、全站型電子測距儀等。引用三維激光掃描技術(shù)檢測罐壁變形，提高了工作效率和檢測精度，為油庫安全運(yùn)行提供有力保障。

1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀主要由兩部分組成，一部分是激光測距儀，它具有較高的測量精度；另一部分是反射棱鏡，它具有均勻的掃描角速度，還可以引導(dǎo)激光。激光測距儀通過發(fā)射的激光和反射回來的信號計算距離，從而達(dá)到測距的目的，通過測量可以得到測站與不同掃描點(diǎn)之間的斜距。除此之外，掃描儀還需要測量出掃描的水平方向角、垂直方向角，最后將兩者結(jié)合在一起以獲得測站和掃描點(diǎn)的相對空間坐標(biāo)（圖1）。在已知測站空間坐標(biāo)的情況下，可以通過數(shù)學(xué)計算得到不同掃描點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

圖1 三維激光掃描系統(tǒng)

激光測距儀不斷發(fā)射激光并接收測量對象反射信號來測量目標(biāo)與激光測距儀的距離。反射棱鏡通常由一組水平反鏡和一組垂直反射鏡組成，用來引導(dǎo)激光并使激光測距儀在水平和垂直方向等角速度旋轉(zhuǎn)。這樣在測得每一個掃描點(diǎn)斜距S 的同時，可以得到水平和垂直測量角α 和θ（圖2）。

圖2 三維激光掃描技術(shù)原理

由式（1）可計算得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

2 三維激光掃描技術(shù)在立式儲罐罐壁檢測的應(yīng)用

采用三維激光掃描技術(shù)對某銷售公司立式儲罐罐壁變形情況進(jìn)行了檢測，儲罐容積為30 000 m3。

2.1 布站和掃描

對立式儲罐采用外部掃查的方法進(jìn)行檢測，根據(jù)罐體大小和周邊障礙物多少，確定掃描站點(diǎn)布設(shè)，掃描站點(diǎn)位置如圖3 所示。

圖3 布站示意

2.2 對罐體掃查收集數(shù)完成后數(shù)據(jù)處理

（1）配準(zhǔn)和降噪。通過配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)各站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接整合到同一坐標(biāo)系內(nèi)。在原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，人工刪除不屬于目標(biāo)對象本身的點(diǎn)。

（2）建模和對比。根據(jù)儲罐設(shè)計圖紙，對比原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型，形成儲罐變形云圖，觀察儲罐整體變形情況以及壁板任意位置的變形情況（圖4）。

圖4 儲罐變形云圖

以扶梯底端為起點(diǎn)，對側(cè)為基準(zhǔn)零點(diǎn)，逆時針為負(fù)，順時針為正，展開變形云圖，結(jié)果如圖5 所示，確定缺陷的具體位置。

圖5 網(wǎng)格化展開圖

（3）儲罐幾何評價。對點(diǎn)云進(jìn)行切片處理，定義切片間隔為0.6 m，每層切片厚度為0.001 m，充分發(fā)揮三維激光掃描技術(shù)海量數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。分層導(dǎo)出數(shù)據(jù)并保存為.asc 格式，采用最小二乘法擬合出各層數(shù)據(jù)的圓心坐標(biāo)，計算出圓心半徑，得出徑向偏差及橢圓度（圖6）。

圖6 徑向外凸、內(nèi)凹偏差

結(jié)合API STD 653—2018《罐檢查 維修 改造和重建》分析最大外凸偏差和最大內(nèi)凹偏差是否超過規(guī)定的限差。

3 對檢測結(jié)果進(jìn)行評估

對儲罐檢測結(jié)果進(jìn)行分析，儲罐發(fā)生明顯變形可能引發(fā)安全環(huán)保事故事件，同時造成計量誤差。例如，罐體圓柱度改變較大，超出環(huán)向密封裝置允許的伸縮量，可能導(dǎo)致浮頂卡阻或升降困難，引發(fā)罐內(nèi)介質(zhì)外泄；罐體受力復(fù)雜化，引發(fā)應(yīng)力集中，嚴(yán)重時導(dǎo)致罐體破損、介質(zhì)泄漏，誘發(fā)環(huán)境污染、火災(zāi)爆炸等事故事件；罐體變形（外凸或內(nèi)凹）導(dǎo)致儲罐體積發(fā)生變化，與儲罐原設(shè)計容積不符，可能造成計量誤差。

發(fā)生明顯變形的儲罐，建議半年進(jìn)行一次復(fù)檢，并比對兩次檢測結(jié)果，關(guān)注變形情況發(fā)展趨勢，進(jìn)一步明確引發(fā)儲罐變形原因。

4 結(jié)束語

常規(guī)儲罐檢測手段存在局限性，不能滿足精確的、大范圍、快速的檢測需要。本文敘述了三維激光掃描技術(shù)原理，三維激光掃描技術(shù)對立式儲罐的檢測方法及對儲罐檢測結(jié)果的評估。此技術(shù)對儲罐檢測的應(yīng)用提高了工作速度和效率，對罐體進(jìn)行全方位掃描，檢測缺陷精度高。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和設(shè)備價格的降低，三維激光掃描技術(shù)將在石油儲罐檢測領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，為儲庫建檔、安全提升保駕護(hù)航。