立式金屬罐圈板變形測量方法初探*

佟 林,王金濤,劉子勇,魏 凱,張培滿,暴雪松

(1.中國計量科學研究院,北京 100029;2.青島市計量技術研究院,山東青島 266071)

立式金屬罐圈板變形測量方法初探*

佟 林1,王金濤1,劉子勇1,魏 凱2,張培滿2,暴雪松1

(1.中國計量科學研究院,北京 100029;2.青島市計量技術研究院,山東青島 266071)

立式金屬罐作為石化行業(yè)的重要儲運計量器具,其圈板變形不僅影響油罐的正常使用和安全運行,同時也給容積計量的準確度帶來影響。應用激光掃描三維建模技術,研究了一種基于點云數(shù)據(jù)分析的大型立式金屬罐變形測量新方法,通過立式罐圈板模型的高精度建模,初步實現(xiàn)了立式罐圈板整體和局部形變的同步測量,并通過試驗進行了應用實踐。

立式罐;圈板;變形;測量;激光掃描方法;試驗

0 引 言

隨著近年我國石油化工建設的飛速發(fā)展,大型立式圓柱形金屬儲油罐逐年增多。對油罐運營使用方而言,大型立式圓柱形金屬儲罐的不規(guī)則形變會帶來兩方面的影響:①整體或者局部的過大變形會降低油罐抗失穩(wěn)能力,從而降低了油罐運行使用過程中的安全生產(chǎn)可靠性;②影響浮頂儲罐浮頂?shù)恼Ｉ岛兔芊庑Ч?局部凹凸變形易引發(fā)罐壁低周疲勞斷裂,降低了油罐的服役年限和正常工作的可靠性[1]。

對于油罐靜態(tài)容積計量檢定方而言,圓柱形金屬儲罐不規(guī)則變形會影響其容積檢定值的準確性。因為現(xiàn)行立式罐容積測量方法是建立在立式罐是理想圓柱體模型這個前提下的,在圈板坐標數(shù)據(jù)采樣點一定的條件下,立式罐整體或者局部形變越大,對其容積計量值準確度影響就愈加明顯[2]。

所以,大型立式金屬罐圈板形變的準確測量對于油罐使用方和計量檢定方都具有重要應用價值。特別是通過定周期形變測量,還可以研究油罐變形的變化趨勢,為提高安全運行效率,加強節(jié)能管理提供重要技術參考依據(jù)。

現(xiàn)有金屬油罐變形測量方法主要為人工法[3]。人工法主要使用的工具為由長尺、短尺和鉸鏈等組成的簡易罐壁變形測量尺,根據(jù)幾何關系測量出油罐罐壁的形變[4],這種方法特別適用于油罐局部變形測量(如拱頂罐罐頂形變測量),但是不易于對立式罐整體變形進行描述[5]?；谝陨嫌懻?筆者研究了一種基于點云數(shù)據(jù)分析的立式罐圈板變形測量方法,通過激光掃描技術的應用,進行立式罐圈板模型的高精度建模,初步實現(xiàn)了立式罐圈板整體和局部變形的同步測量,并通過試驗進行了應用實踐。

1 立式金屬罐圈板形變測量原理

要實現(xiàn)立式金屬罐圈板形變的準確測量,首先要先確立一個比較標準,即未形變前立式金屬罐圈板的空間幾何模型Ω,然后采用激光掃描原理對立式罐圈板進行測量并建立變形后的空間幾何模型Ω′,根據(jù)這兩個數(shù)學模型之間的空間向量關系,可以計算出不同位置的變形特征。

未變形前立式金屬罐圈板的空間幾何模型Ω一般可以由參考立式金屬罐圈板設計圖紙計算出。對于有的立式金屬罐只是用于儲運而不是計量交接,所以沒有容積檢定數(shù)據(jù)作為參照,可以參考設計圖紙作為未形變前的立式金屬罐模型。因為按照GB50128-2014《立式圓筒形焊接油罐施工及驗收規(guī)范》規(guī)定,即使對于直徑超過76 m的大型立式罐,組裝焊接后,其壁板的內(nèi)表面任意點半徑的允許偏差僅為±32 mm,圈板的垂直度允許偏差是不大于圈板高度的0.3%,而且罐壁局部凹凸變形最大允差為15 mm,可以作為一個理想圓柱參考標準。

采用激光掃描方法測量變形后油罐時,由于附件的遮擋和測量角度的限制,也需要多站式測量才能完成整個油罐的空間特征測量。從不同的視角對待測油罐進行幾次測量后,所得數(shù)據(jù)的局部坐標系是不同的,將這些不同的數(shù)據(jù)集轉化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)形式并構成整個待測件表面的完整信息,這個過程稱為多視拼合,其本質(zhì)是將兩個或兩個以上坐標系中的三維空間數(shù)據(jù)點集轉換到統(tǒng)一坐標系統(tǒng)中的數(shù)學計算過程。可采用標準球作為過渡特征點,通過三球到三球的配準方法和ICP算法實現(xiàn)多站油罐點云數(shù)據(jù)的合并。但是測站的數(shù)量并不是越多越好,因為在使用坐標球等公共點進行坐標轉換中,測站數(shù)量越多其坐標轉換累積誤差就會越大,所以為了提高多站測量精度,推薦采用高精度全站儀配合使用,建立誤差控制機制,保證坐標點云數(shù)據(jù)拼接的準確性。

根據(jù)變形前后空間幾何模型Ω和Ω′,可以進行變形面積、徑向變形尺寸、圓周方向形變曲線、油罐傾斜等立式罐形變分析。

2 試驗研究

以一個8 750 m3立式浮頂罐(直徑為22.977 m)為試驗研究對象,其浮盤升降時經(jīng)常出現(xiàn)密封圈與罐壁脫離和浮盤卡住等現(xiàn)象,運用上述討論的測量方法進行油罐形變測量,目的是為后續(xù)油罐維修提供參考數(shù)據(jù)。由于這個立式罐尚未運營,所以參考首次容積檢定數(shù)據(jù)建立未形變前立式金屬罐圈板的空間幾何模型Ω。

在油罐內(nèi)部采用激光掃描儀進行圈板坐標測量,為了提高建模精度分為3站測量,每相鄰兩站之間通過三個半徑為72.5 mm坐標靶球進行坐標過渡,最后測站和第一個測站進行閉合測量,合成后經(jīng)濾波和均勻化后的坐標點云如圖1所示。

圖1 變形后的立式罐圈板幾何模型

圖2 試驗油罐變形空間分布

根據(jù)變形前后空間幾何模型Ω和Ω′,按照徑向偏差變形為計算依據(jù),計算出立式罐變形,其三維空間分布如圖2所示。

本次油罐變形分析采用在各個圈板的1/4及3/ 4處進行水平切面來進行數(shù)據(jù)分析,罐壁的局部凹凸變形測量,采取每圈切圓每1 m為一個步長來選取一個固定的測量點,現(xiàn)以某一高度(h=9.60 m)位置圈板截面為例進行數(shù)據(jù)分析,可以得到以下截面變形數(shù)據(jù),其中“+”表示罐壁的凸起量,“-”表示罐壁的凹陷量,具體如圖3所示。

圖3 高度為(h=9.60 m)位置圈板截面變形

根據(jù)計算,其凸起最大值為21.53 mm,凹進最大值為-62.38 mm,該區(qū)域即為該立式金屬罐凹陷變形最大量,變形數(shù)據(jù)分布如表1所示。

表1 試驗油罐第6圈板3/4處變形數(shù)據(jù)分布

續(xù)表1 試驗油罐第6圈板3/4處變形數(shù)據(jù)分布

按照該罐壁凹凸變形分析方法對其余各圈板進行分析,即可以得到該立式金屬罐整體及局部罐壁的變形趨勢,從而對該立式金屬罐的修復及使用提供了可靠的數(shù)據(jù)保障。

3 結 論

大型立式金屬罐變形不僅影響了油罐的正常使用和安全運行,同時也給容積計量不確定度帶來大的影響分量,準確測量其變形數(shù)據(jù)具有重要研究價值和應用意義。以激光掃描三維建模技術為基礎,研究了一種大型立式金屬罐變形測量的新方法,不僅可以立式金屬罐整體變形,而且能夠同時測量分析出立式罐局部變形。應用該方法進行長時間數(shù)據(jù)積累,可以實現(xiàn)大型立式金屬罐的變形趨勢分析和變形原因分析。配合罐底板檢測、罐浮頂檢測和罐附件檢測等工作內(nèi)容,可為油罐大修后的安全運行提供有力技術支持。

[1]顧 克,崔金山.立式金屬浮頂油罐幾何形體變形的危害及防范[C].2003年提高輸油(氣)管道綜合效率技術研討會,2003(3): 439-442.

[2]趙立新,劉麗川,張連友,等.澗庫儲罐壁局部失穩(wěn)分析[J].后勤工程學院學報,2004,20(3):41-43.

[3]劉 鎏,劉麗川,周玉君,等.一種基于余弦定理罐壁變形測量的新方法[J].后勤工程學院學報,2010,26(2):29-32.

[4]趙新建.油罐幾何尺寸測量的探討[J].華東輸油,1992(4):55-57.

[5]王樂湘,劉麗川,陳李廣.塌陷罐頂形狀測量方法[J].石油化工設備,2009,38(2):85-87.

Prelim inary Research on Deformation M easurement for the Vertical Tank

TONG Lin1,WANG Jin-tao1,LIU Zi-yong1,WEI Kai2,ZHANG Pei-man2,BAO Xue-song1
(1.National Institute ofMetrology,Beijing 100029,China; 2.QingDao Institute ofMeasurement Technology,Qingdao Shandong 266071,China)

As one of themost important storage and transportationmeasuring instruments in petrochemical industries,the deformation of vertical tank would notonly affect the daily usage and safe operation,butalso influence themeasurementaccuracy of tank volume.Through the 3D laser scanningmodeling technology,a new deformation measurementmethod for the vertical tank is introduced based on the point-cloud data analysis.By using the high-resolution analysis model,the synchronous measurements for both overall deformation and local deformation of the vertical tank are realized,and then it ismeasured simultaneously by validated by experimental data.

vertical tank;girth sheet;deformation;measurement;laser scanningmethod;experiment

TB938.3

A

1007-4414(2015)06-0083-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.030

2015-10-13

佟 林(1980-),男,遼寧撫順人,高級工程師,主要從事容量計量方面的研究。