邢 述，杜邦勝，都 亮，王 十，杜家超，郭 洪

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

大型常壓儲(chǔ)罐是企業(yè)間大宗能源貿(mào)易結(jié)算的主要儲(chǔ)存設(shè)備，在商業(yè)、軍事、民用、交通、航空、石化行業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用。在儲(chǔ)罐服役過程中，受基礎(chǔ)沉降、工藝操作不當(dāng)、外部載荷變化等因素影響，罐體易發(fā)生變形或傾斜。當(dāng)罐體變形累積到一定程度后，可能引發(fā)卡盤、浮頂偏沉、漏液、著火等事故[1]，給儲(chǔ)罐安全運(yùn)行帶來重大威脅。常規(guī)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(huán)境等外部因素影響；采用全站儀獲取罐壁上的離散點(diǎn)坐標(biāo)分析變形情況，其工作量大、效率低、自動(dòng)化程度低[2]。文章給出一種基于空間數(shù)據(jù)掃描技術(shù)的儲(chǔ)罐變形檢測方法，該方法自動(dòng)化程度較高、操作便捷高效，借助超高采樣率實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理可直接形成儲(chǔ)罐整體結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施的網(wǎng)格化模型，通過標(biāo)準(zhǔn)圓柱體擬合、特征線提取、斷層切片等操作，實(shí)現(xiàn)任意位置、截面、角度的變形測量及比對分析，最終完成儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)變形、不圓度、垂直度、基礎(chǔ)沉降等結(jié)構(gòu)完整性評價(jià)。

1 空間數(shù)據(jù)掃描技術(shù)

空間數(shù)據(jù)掃描技術(shù)通常采用三維激光掃描系統(tǒng)，通過發(fā)射、接收被檢表面反射的激光行程、時(shí)間或波長相位差計(jì)算得出掃描點(diǎn)的球坐標(biāo)；配合反射棱鏡、補(bǔ)償器等部件在三維空間內(nèi)做周向和軸向的旋轉(zhuǎn)掃描，記錄整個(gè)空間有效距離內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)掃描點(diǎn)坐標(biāo)系和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維空間顯示如圖1所示。

圖1 空間數(shù)據(jù)掃描點(diǎn)坐標(biāo)系與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維空間顯示

根據(jù)測距工作原理，激光掃描系統(tǒng)可分為相位式激光掃描系統(tǒng)和脈沖式激光掃描系統(tǒng)兩大類。相位式激光掃描儀通過發(fā)出連續(xù)、穩(wěn)定波長的激光，根據(jù)各掃描點(diǎn)的反射回波波長的相位差，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算便可得到掃描點(diǎn)的距離，其測量精度高，掃描速度快，點(diǎn)云分辨率高，但掃描距離較短；脈沖式激光掃描儀通過發(fā)射激光單點(diǎn)，利用各掃描點(diǎn)反射回波的到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算得到掃描點(diǎn)的距離，其測量距離遠(yuǎn)，但掃描速度較慢、精度偏低。因此，對于儲(chǔ)罐三維空間數(shù)據(jù)的采集，宜采用相位式激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行。

圖2 儲(chǔ)罐空間數(shù)據(jù)掃描與數(shù)據(jù)處理流程

2 儲(chǔ)罐空間數(shù)據(jù)掃描與數(shù)據(jù)處理流程

儲(chǔ)罐空間數(shù)據(jù)掃描與數(shù)據(jù)處理流程[3-5]如圖2所示。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

以某臺(tái)容積為10萬m3的原油儲(chǔ)罐為對象，首先根據(jù)現(xiàn)場掃描條件，合理規(guī)劃空間數(shù)據(jù)掃描站點(diǎn)，為避免導(dǎo)向管、浮梯等設(shè)施阻擋，在浮盤上方設(shè)置9個(gè)掃描站點(diǎn)，按Z字形排列，掃描站點(diǎn)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(diǎn)或標(biāo)靶球距離適中，可被準(zhǔn)確識別。

圖3 儲(chǔ)罐的掃描站點(diǎn)位置示意

然后逐站進(jìn)行三維激光掃描，每兩站之間設(shè)置固定標(biāo)靶球或觀測點(diǎn)，作為后續(xù)點(diǎn)云拼接的依據(jù)，相鄰兩站之間的標(biāo)靶球應(yīng)不少于3個(gè)且盡量不在一條直線上。儲(chǔ)罐規(guī)劃路徑上的站點(diǎn)3和4的掃描視圖如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)罐規(guī)劃路徑上站點(diǎn)3、4的掃描視圖

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

按每站掃描到的標(biāo)靶球或觀測點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，再通過創(chuàng)建虛擬掃描點(diǎn)、濾除單位空間內(nèi)重復(fù)掃描點(diǎn)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)均勻化，通過距離限制過濾掉非檢測表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終形成儲(chǔ)罐整體的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)并以相應(yīng)的文件格式導(dǎo)出，空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波、降噪處理與導(dǎo)出如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)罐空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波、降噪處理與導(dǎo)出示意

2.3 分析評價(jià)模型構(gòu)建

將處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入分析評價(jià)軟件中，清除影響分析的結(jié)構(gòu)件、分離待評價(jià)的部件，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)做進(jìn)一步優(yōu)化處理，再將部件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格模型，并對罐體進(jìn)行最佳圓柱體擬合，得到儲(chǔ)罐的分析評價(jià)模型。通過比較網(wǎng)格模型[見圖6(a)]與擬合得到的最佳圓柱體[見圖6(b)]的數(shù)據(jù)差異，對儲(chǔ)罐的變形程度進(jìn)行分析與評價(jià)。

圖6 儲(chǔ)罐的網(wǎng)格化模型示意

3 儲(chǔ)罐空間數(shù)據(jù)分析

GB/T 50128—2014 《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工規(guī)范》、SY/T 5921—2017 《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)范》、SY/T 6620—2014 《油罐的檢驗(yàn)、修理、改建及翻建》和SHS 01012—2004 《常壓立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐維護(hù)檢修規(guī)程》 等標(biāo)準(zhǔn)對儲(chǔ)罐的圓度、垂直度、局部變形和沉降等提出了相應(yīng)的要求，故筆者依據(jù)儲(chǔ)罐的數(shù)據(jù)模型，對上述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安全參量進(jìn)行分析。

3.1 罐體局部變形、圓度與垂直度

某臺(tái)容積為10萬m3的原油儲(chǔ)罐局部變形分析結(jié)果如圖7所示，對比分析網(wǎng)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(diào)節(jié)色階分級按不同標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)定對應(yīng)的安全參量限制，直觀體現(xiàn)罐體局部變形部位及其嚴(yán)重程度，圖中暖色表示外凸、冷色表示內(nèi)凹。不同標(biāo)準(zhǔn)關(guān)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(yīng)符合GB/T 50128-2014 的規(guī)定，在不影響安全使用時(shí)，允許適當(dāng)放寬要求。)。可以看出，圖7(a)中藍(lán)色與紅色區(qū)域不滿足GB/T 50128—2014的要求，圖7(b)，(c)中紅色與深藍(lán)色區(qū)域不滿足標(biāo)準(zhǔn)SHS 01012—2004的要求。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于罐體局部變形與褶皺的要求

圖7 儲(chǔ)罐局部變形分析結(jié)果

通過網(wǎng)格模型，可在任意高度進(jìn)行橫向切割或在任意角度上進(jìn)行縱向切割，儲(chǔ)罐圓度與垂直度分析結(jié)果如圖8所示。不同標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于罐體圓度和垂直度的要求如表2,3所示。通過對截面數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的允許值進(jìn)行比較，可對儲(chǔ)罐進(jìn)行圓度與垂直度的分析與評價(jià)。

圖8 儲(chǔ)罐圓度與垂直度分析結(jié)果

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于罐體圓度的要求

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)關(guān)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(jià)

儲(chǔ)罐底板下方存在空穴、補(bǔ)板較多或更換底板等情況時(shí)，易導(dǎo)致罐底板局部沉降、變形。通過底板網(wǎng)格模型可以準(zhǔn)確測量出沉降變形部位及嚴(yán)重程度，并可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行分析與評價(jià)，罐底板的局部凹陷(或凸起)量應(yīng)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(qū)域的內(nèi)切圓半徑。

圖9 罐底板局部變形現(xiàn)場及分析結(jié)果

以某臺(tái)容積為3 000 m3的油罐底板為例進(jìn)行局部變形分析，現(xiàn)場及分析結(jié)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(biāo)位置，最嚴(yán)重局部凹陷29.3 mm(右下圖示藍(lán)色箭頭所指)，最嚴(yán)重局部凸起75.7 mm(右下圖示紅色箭頭所指)。

罐區(qū)所在區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害、基礎(chǔ)沉降等情況時(shí)，可能導(dǎo)致儲(chǔ)罐整體發(fā)生剛性傾斜，同時(shí)可能造成底板邊緣沉降或變形。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5921—2017附錄C與SY/T 6620—2014附錄B，可通過對基礎(chǔ)沉降觀測點(diǎn)進(jìn)行高程差測繪擬合“最佳余弦曲線”，并按式(2)計(jì)算非平面沉降允許值，評價(jià)觀測點(diǎn)i的沉降是否在允許范圍內(nèi)。

Si≤11L2Y/2EH

(2)

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

通過空間數(shù)據(jù)掃描生成的罐體網(wǎng)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(jié)點(diǎn)進(jìn)行插值、補(bǔ)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(tái)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(gè)測量點(diǎn)并進(jìn)行沉降分析，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)區(qū)域，其1～12測量點(diǎn)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(jié)語

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