CC BY
203
УДК 528.721.221.6
Д.В. Комиссаров, А.В. Середович, А.В. Иванов СГГ А, Новосибирск
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
На объектах нефтегазодобывающего комплекса эксплуатируется большое количество вертикальных цилиндрических резервуаров (РВС), предназначенных для хранения нефти и нефтепродуктов. Правила эксплуатации РВС подразумевают проведение периодического контроля некоторых параметров: вертикальность, объем, деформация стенок и т.д. Применение наземных лазерных сканеров для такого вида работ может быть вполне оправдано, как по качеству съемки, так и по скорости ее выполнения. В отличие от дискретных измерений, выполняемых при традиционном контроле, результаты сканирования позволяют более полно оценить геометрические характеристики всего объекта в целом. В связи с этим было решено выполнить экспериментальное исследование применения технологии лазерного сканирования для технического контроля и определения объемов РВС.
В качестве объекта исследования были выбраны материалы имеющейся сканерной съемки установки комплексной подготовки газа, на территории которой находилось несколько РВС. Следует отметить, что съемка выполнялась для отличных от поставленной задачи целей, поэтому плотность сканирования и точность полученных данных не всегда в достаточной мере соответствовали задаче мониторинга резервуаров. Однако, имеющиеся данные позволили выработать методику проведения таких работ и получить объективные результаты.
Для проведения полевых работ использовался наземный лазерный сканер Riegl LMS-Z360 имеющий точность единичного измерения порядка 12 мм и дальность действия до 200 м. Съемка объекта велась снаружи с 6 позиций. Для объединения отдельных сканов в единую модель применялась технология связки по опорным маркам. Данные марки представляют собой круглые катафоты из световозвращающей пленки диаметром 50 мм. Конструкция марки такова, что ее можно поворачивать вокруг своей оси на 360° без изменения положения ее центра. Точность определения сканером координат марки составляет порядка 1-2 мм [1]. Для получения координат марок в единой системе координат применялся тахеометр Leica TCR405 с угловой точностью 5” и точностью измерения расстояний 3 мм. Координирование марок осуществлялось с точек замкнутого теодолитного хода, проложенного по территории площадки. Общая длина хода составила 1349,458 м, линейная невязка 0,043 м, невязка по высоте 0,014 м.
В процессе обработки сеть измеренных с помощью тахеометра марок уравнивалась совместно с данными сканера. Точность привязки каждой станции по опорным маркам к внешней системе координат приведена в табл.
1.
Таблица 1. Оценка точности ориентирования во внешней системе координат
№ станции Кол-во марок СКО положения марок, м Среднее расстояние до объекта, м
1 9 0,0108 27
2 11 0,0078 13
3 10 0,0098 60
4 9 0,0093 50
5 8 0,0083 89
6 7 0,0058 58
В результате уравнивания была получена единая точечная модель резервуара и окружающей территории. Для работы непосредственно с РВС в программном обеспечении (ПО) Leica HDS Cyclone 5.1 в интерактивном режиме были удалены точки, не принадлежащие резервуару. Полученные в результате описанных процедур данные явились исходными для определения следующих характеристик резервуара:
1. Вертикальность резервуара
Определять вертикальность оси РВС на основе данных лазерного сканирования наиболее целесообразно с помощью функции вписывания в облако точек модели цилиндра. Данная функция реализована в ПО Leica HD Cyclone и позволяет выполнить оценку как вертикальности оси всего резервуара в целом, так и на разных его уровнях. Для этого точечная модель резервуара была разбита по вертикали на несколько частей. После этого в каждую отдельную часть вписывались оптимальные модели цилиндров. Положение их центров тяжести соответствовало положению оси резервуара на данных уровнях. При традиционной технологии обследования РВС вертикальность определяется только по отклонениям от вертикали образующих стенок. [3] Использование данных лазерного сканирования позволяет рассматривать объект в комплексе, что повышает достоверность результатов. К тому же, по сканерным данным, можно строить практически в автоматическом режиме традиционные графики отклонения образующих от вертикали, увеличив их количество до любой величины.
2. Деформация стенок резервуара
Для определения степени деформации стенок РВС был выработан следующий подход. Трехмерное представление данных в этом случае более удобно заменить двумерным. Для этого необходимо развернуть поверхность резервуара на плоскость, т.е. перевести координаты точек, принадлежащих поверхности стенок, из цилиндрической системы координат в прямоугольную. Такое представление облегчает обработку данных, их интерпретация в виде чертежа более наглядна. Для представления данных в прямоугольных координатах необходимо, в первую очередь, выбрать модель цилиндра, на которую будут проецироваться измеренные точки. Наиболее оптимальным вариантом представляется такой цилиндр, который максимально вписывается в «облако точек». ПО Leica HDS Cyclone имеет
функцию вписывания примитивов в «облако точек». С помощью функции «Fit to cloud» программа позволила определить модель цилиндра наиболее подходящую для точечной модели резервуара. При этом учитывалось плановое положение, диаметр и наклон РВС. Далее, также с использованием того же ПО, для точечной модели была задана собственная система координат, ось Z которой совпадает с осью модели цилиндра с началом в нижней ее точке. Графическое представление цилиндрической и прямоугольной систем координат для данного случая представлено на рис. 1.
Рис. 1. Графическое представление цилиндрической и прямоугольной систем
координат
После этого был выполнен пересчет координат точек лазерных измерений по формулам:
При пересчете существует возможность отбраковки грубых ошибочных измерений по координате ZP. Т.е. можно задать коридор отметок, при выходе за пределы которого, точки можно считать не принадлежащими поверхности резервуара. В результате пересчета был получен набор точек описывающих поверхность стенок резервуара, развернутых на плоскость, аналогично цифровой модели рельефа. По данным точкам для получения регулярной матрицы высот был использован метод кригинга, реализованный в программном обеспечении Golden Software Surfer. После построения регулярной сетки высот, с помощью этой же программы была создана карта поверхности резервуара, которая наглядно описывает все деформации стенок РВС. По ней достаточно просто сориентироваться на реальном объекте, если замаркировать точку начала отсчета горизонтального угла. Также на данную карту можно нанести места расположения сварных швов, что повысит информативность такой модели. Пример карты искажений поверхности резервуара приведен на рис. 2.
(1)
(2)
(3)
Нарта поверхности РВС-1
J___I___I___I___I___I___I___I___I___I___I___I___I___I___I___I___I___I___I___I___I___L
Площадь = 556.35104 м 2 Объем = 2120.416258 м з
Рис. 2. Пример карты деформации стенок РВС
При традиционной методике проведения работ деформация стенок определяется по отклонению образующих стенок резервуара от вертикали [3], что в отличие от представленной схемы не позволяет достаточно полно оценить степень деформации стенок.
3. Объем резервуара
При традиционной методике объем РВС вычисляется с использованием значений внутренних периметров и высот поясов. При этом условно считается, что резервуар имеет идеальную цилиндрическую форму. Также производится определение степени наклона резервуара и направления наклона. Известное значение наклона, объема внутренних деталей и результаты нивелировки днища позволяют определить вместимости «мертвой» полости и провести вычисление объема жидкости в зависимости от степени наполнения резервуара [2]. Данные лазерного сканирования позволяют более объективно определять объем. Для этого точечная модель РВС разбивается по вертикали на определенное количество частей, например на части, равные 1/3 высоты каждого пояса. В каждую часть с использованием ПО Leica HDS Cyclone производится вписывание моделей цилиндров. Объем каждого цилиндра, за вычетом объема стенок будет соответствовать объему данной части резервуара. При этом будет использоваться не общее значение наклона РВС, а значения наклона каждой его части. Также можно выполнить сканерную съемку и моделирование внутренней части резервуара, что позволит более точно учитывать влияние неровностей днища и внутренних деталей на объем РВС. Такая методика определения объема резервуара позволит получить более точные результаты, по сравнению с традиционной.
Вывод
Несмотря на то, что имеющиеся данные имели невысокую точность, они позволили выработать правильный подход к решению поставленных задач. Полученные результаты позволяют говорить о высокой степени эффективности применения лазерного сканирования для геометрического контроля РВС. Данная методика не только упрощает процесс проведения
работ и обработки полученных результатов, но и позволяет получать более достоверные данные.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Комиссаров А.В. Исследование точности наземных лазерных сканеров. Современные проблемы технических наук. Сборник тезисов докладов Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири». Часть 3. Новосибирск. - 2004. - 104 с.
2. ГОСТ 8.570-2000 Резервуары стальные вертикальные цилиндрические. Методика поверки.
3. РД 08-95-95 Положение о системе технического диагностирования сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов.
© Д.В. Комиссаров, А.В. Середович, А.В. Иванов, 2005
