劉杰 房新玉* 熊偉

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所; 2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司&水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300456)

儲(chǔ)罐是儲(chǔ)存各種液體、氣體原料及成品的專用設(shè) 備，是國(guó)家戰(zhàn)略物資儲(chǔ)備的重大基礎(chǔ)性關(guān)鍵裝備。在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，由于受到初始缺陷與罐內(nèi)負(fù)壓等多種因素的影響變形[1]，給儲(chǔ)罐的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對(duì)儲(chǔ)罐的變形情況進(jìn)行檢測(cè)和分析，常規(guī)的儲(chǔ)罐外觀檢測(cè)方法包括圍尺法、光學(xué)參比線法和全站儀法，這些常規(guī)方法具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)系數(shù)高、測(cè)量效率低、測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)[1-2]。

三維激光掃描技術(shù)通過(guò)高速激光掃描被測(cè)對(duì)象，快速、大量地采集被測(cè)對(duì)象的空間點(diǎn)位信息，獲取對(duì)象表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段，在測(cè)量的眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3-6]。

采用三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取儲(chǔ)罐的外觀表面點(diǎn)云，精確地計(jì)算儲(chǔ)罐的變形量，判斷變形位置，為儲(chǔ)罐的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供參考。

1 儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

1.1 儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)采集

此次試驗(yàn)儲(chǔ)罐為一座儲(chǔ)量為10 000 m3的常壓拱頂鋼制油罐，該儲(chǔ)罐運(yùn)營(yíng)已達(dá)14周年以上。為了儲(chǔ)罐更有效地安全平穩(wěn)運(yùn)行，需對(duì)儲(chǔ)罐的形變進(jìn)行分析，采用三維激光掃描技術(shù)采集儲(chǔ)罐點(diǎn)云并分析。試驗(yàn)采用Trimble TX8 三維激光掃描儀獲取儲(chǔ)罐的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，TX8 的掃描速度為100 萬(wàn)點(diǎn)/sec，120 m 范圍內(nèi)的精度優(yōu)于2 mm，掃描速度2～3 min。此次掃描對(duì)儲(chǔ)罐外壁進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，設(shè)置6個(gè)測(cè)站，架設(shè)在儲(chǔ)罐周邊。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、過(guò)濾。點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接通過(guò)Trimble Realworks 全自動(dòng)無(wú)目標(biāo)全自動(dòng)配準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)，該功能基于地物特征實(shí)現(xiàn)無(wú)目標(biāo)全自動(dòng)配準(zhǔn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)濾去除多余的點(diǎn)云，包括噪聲點(diǎn)、罐的附件，建立罐的外壁點(diǎn)云，儲(chǔ)罐外壁點(diǎn)云圖如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)罐外壁點(diǎn)云圖

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.1 水平截面數(shù)據(jù)處理及分析

首先，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片，設(shè)置切片厚度為1 mm，切片間距為1 m，共得到21組點(diǎn)云切片，切片點(diǎn)云圖如圖2所示。

圖2 切片點(diǎn)云圖

采用最小二乘法對(duì)水平點(diǎn)云切片進(jìn)行擬合，計(jì)算出各水平截面圓的半徑和圓心坐標(biāo)，并計(jì)算出每一切片的最大徑向偏差。式（1）中d值最小時(shí)，即得最優(yōu)擬合圓。

式（1）中：d為徑向偏差；R為水平截面圓半徑；(x0，y0)為切片擬合圓心坐標(biāo)；(xi，yi)i∈(1，2，3，…，N)為切片點(diǎn)云樣本集。

《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)范》（SY/T 5921-2017）[7]規(guī)定，底圈罐壁1 m高處，內(nèi)表面任意點(diǎn)半徑偏差不超過(guò)19 mm，1 m 高以上，半徑偏差不超過(guò)2 倍半徑允許偏差。此次測(cè)量的為罐體外表面，且含有保溫層，因此底圈罐壁限差取2 倍允許偏差為38 mm，1 m高以上取3倍允許偏差為57 mm。從表1數(shù)據(jù)可以看出，15#、17#、18#均超出標(biāo)準(zhǔn)偏差57 mm 限差，其他各切片未超出限差。

表1 切片點(diǎn)云擬合結(jié)果

2.2 儲(chǔ)罐傾斜度計(jì)算

擬合圓心連成的直線與垂線的夾角即為儲(chǔ)罐的傾斜度，當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生變形時(shí)，儲(chǔ)罐不同高度的切片圓心相對(duì)于底部圓心的垂直位置會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)各個(gè)切片圓心相對(duì)于底部圓心的偏移可計(jì)算出各個(gè)切片相對(duì)于底部的傾斜度。

假定底板0#切片為基準(zhǔn)，根據(jù)表1數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)切片的傾斜度。

式（2）中：θi為第i個(gè)切片的傾斜度；(xi，yi)第i個(gè)切片的圓心坐標(biāo)；(x0，y0)指0#切片的圓心坐標(biāo)，ΔH指第i個(gè)切片距0#切片的高度。

根據(jù)《立式金屬罐容量檢定規(guī)程》（JJG 168-2018）[8]，可知罐體的傾斜度不得超過(guò)1°。罐體不同高度的傾斜度見(jiàn)表2 罐體相對(duì)底板傾斜度表，由表2 可以看出，罐體最大傾斜度為0.247°，未超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 罐壁垂直度分析

罐壁垂直度是通過(guò)儲(chǔ)罐垂直剖面相距垂直中心線的水平位移來(lái)分析和計(jì)算，通過(guò)對(duì)罐壁垂直度進(jìn)行分析，可以從罐體更多角度分析結(jié)構(gòu)安全。儲(chǔ)罐沿垂直剖面，每間隔一定角度進(jìn)行垂直剖分，并繪制縱剖圖，可以直觀地反映罐壁上任一點(diǎn)與垂線上的內(nèi)陷或外凸的缺陷信息，如圖3所示。從圖3中可以看出，在頂部，儲(chǔ)罐有一個(gè)自然收縮的過(guò)程，這與儲(chǔ)罐頂部罐徑變小的實(shí)際情況相符，在儲(chǔ)罐其他位置，剖面上的外凸和內(nèi)陷均在限差范圍內(nèi)。

圖3 儲(chǔ)罐垂直剖面圖

2.4 儲(chǔ)罐壁圓度分析

以儲(chǔ)罐模型為基礎(chǔ)，在儲(chǔ)罐某一高度進(jìn)行標(biāo)記切割，分析該截面橫向變形量，就可以分析儲(chǔ)罐壁圓度。對(duì)三維激光掃描儀掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在儲(chǔ)罐第一個(gè)焊縫的位置進(jìn)行切割，然后將該層點(diǎn)云數(shù)據(jù)和由點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合的圓進(jìn)行比對(duì)，可得到儲(chǔ)罐壁上該焊縫整個(gè)周向的變形量，如圖4所示；從圖中可以看出，該焊縫上，最大偏差為33.78 mm，未超過(guò)57 mm的限差要求。

圖4 儲(chǔ)罐水平剖面圖

3 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)三維激光掃描儀掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、過(guò)濾，然后分別對(duì)最大徑向偏差、傾斜度、罐壁垂直度、罐壁圓度進(jìn)行了分析。分析表明：基于TX8 的三維激光點(diǎn)云，可以精確地計(jì)算儲(chǔ)罐的變形情況，能夠有效地識(shí)別儲(chǔ)罐的變形，并對(duì)儲(chǔ)罐的變形的范圍和大小進(jìn)行分析。相對(duì)于常規(guī)的儲(chǔ)罐形變測(cè)量檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)立式儲(chǔ)罐更加直觀、全面、準(zhǔn)確地進(jìn)行評(píng)估。