CC BY
167
УДК 624.9
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ОБСЛЕДОВАНИИ РЕЗЕРВУАРОВ
Г.Г. ВАСИЛЬЕВ, д.т.н., проф., завкафедрой сооружения и ремонта газонефтепроводов и хранилищ
М.А. ЛЕЖНЕВ, к.т.н., доцент, заместитель декана по вечернему отделению факультета проектирования, сооружения и эксплуатации систем трубопроводного транспорта
И.А. ЛЕОНОВИЧ, аспирант, инженер кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и хранилищ
А.П. САЛЬНИКОВ, аспирант, инженер кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и хранилищ
Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина (Россия, 119991, Москва, Ленинский просп., 65, корп. 1). E-mail: srgnp@gubkin.ru
Наземное лазерное сканирование — эффективный инструмент построения трехмерных моделей реальной поверхности, однако практика применения этого метода на объектах нефтегазовой отрасли показала наличие определенных сложностей его практического использования. В статье рассматриваются возникающие проблемы и перспективы развития методов мониторинга пространственного положения резервуаров, находящихся в эксплуатации, с использованием трехмерных лазерных сканирующих систем. Рассмотрены типичные проблемы, возникающие как в процессе проведения работ по лазерному сканированию, так и в процессе обработки результатов с целью получения наиболее точных значений параметров пространственного положения исследуемых резервуаров.
Ключевые слова: геодезическое обследование, наземное лазерное сканирование, вертикальный стальной резервуар.
Технология наземного лазерного сканирования (НЛС) с каждым годом развивается все интенсивнее, находятся все новые и новые области применения. Не стала исключением и нефтегазовая отрасль. Особый интерес представляет использование НЛС в качестве диагностического прибора при обследовании вертикальных стальных резервуаров.
На сегодняшний день разработано два нормативных технических документа, устанавливающих требования к использованию НЛС при обследовании резервуаров. МИ 3171-2008 [1] устанавливает требования к использованию НЛС при калибровке резервуаров. Данный документ, несмотря на свою глубокую теоретическую проработанность, не реализует потенциала технологии НЛС. По сути, он предлагает НЛС как дорогостоящую замену электронным тахеометрам, что представляется неэффективным и нерациональным. Иначе обстоит дело с РД-23.020.00-КТН-017-15 [2]. В данном нормативном техническом акте предлагается использование НЛС не в качестве простой замены электронному тахеометру, а в качестве принципиально нового диагностического прибора, открывающего новые перспективы при обследовании резервуаров. Методика, изложенная в документе, позволяет получить ряд данных: • высотные отметки окрайка днища;
• отклонения образующих от вертикали;
• трехмерную модель резервуара, пригодную для анализа методом конечных элементов в специализированных программных комплексах.
Эффективность разработанной методики и практический опыт применения НЛС при обследовании резервуаров подробно рассмотрены в работах [3-6].
Однако, несмотря на свою проработанность и эффективность, существующая методика съемки резервуаров посредством НЛС нуждается в дополнительной проработке ряда вопросов, что позволит существенно повысить не только точность результатов лазерного сканирования, но и точность оценки напряженно-деформированного состояния резервуаров. Рассмотрим более подробно данные вопросы.
1. Устранение ошибок, возникающих в местах стыковки конструктивных элементов резервуара под острым углом
Возникновение данной ошибки связано с расходимостью лазерного пучка. В данном случае дальномер лазерного сканера определит не «истинное» расстояние до точек поверхности резервуара, а расстояние до некоторой точки М, не принадлежащей поверхности резервуара. Принципиальная схема данного явления представлена на рис. 1.
1
• 2016
21
Устранение данных ошибок имеет большое значение при определении высотных отметок окрайки днища, а также построения трехмерной компьютерной модели резервуара, так как от этого напрямую зависит правильность определения осадки резервуара. Данные ошибки могут быть устранены в первую очередь самими производителями оборудования для наземного лазерного сканирования по средствам увеличения параметров разрешения сканирования, уменьшения начальной расходимости лазерного пучка в дальномерной системе и введения алгоритмов вычисления расстояния, способных разрешить подобные ситуации. Однако частично могут быть полезны и доработки методики выполнения лазерного сканирования резервуаров. А именно уменьшение при необходимости и возможности расстояния до сканируемого резервуара и выполнение дополнительного сканирования участков резервуара с близкого расстояния. В последнем случае логичным видится уменьшение при этом разрешения сканирования для сокращения времени выполнения работ и размеров хранимой информации.
2. Устранение воздействия вибрации на результаты НЛС
Влияние вибрации на результаты НЛС наиболее сильно проявляется при необходимости проведения съемки резервуара с его металлоконструкций (например, съемка крыши самого резервуара и съемка соседнего резервуара) или с металлоконструкций площадок обслуживания, переходов через трубопроводы и т.д. (данная ситуация характерна при выполнении работы в стесненных условиях). Как показал опыт проведения работ по лазерному сканированию резервуаров, даже малые вибрации самого резервуара, с которого происходит съемка на значительное расстояние, могут приводить к большим ошибкам, полностью искажающим саму геометрию исследуемого объекта. На рис. 2 представлен пример съемки участка крыши и стенки резервуара, которая выполнялась с площадки обслуживания другого резервуара. Расстояние между резервуарами примерно 100 м.
Таким образом, при лазерном сканировании резервуаров необходимо выполнить ряд организационных мероприятий, призванных уменьшить влияние вибрации на результаты НЛС. Одним из таких мероприятий является дистанционное управление лазерным сканером, что позволит исключить возникновение вибрации, создаваемой персоналом. Вибрация, создаваемая резервуаром и другим технологическим оборудованием, может быть компенсирована посредством использования демпфирующих прокладок между лазерным сканером и треногой или между треногой и опорной поверхностью.
3. Оценка точности конечной компьютерной модели резервуара
При определении напряженно-деформированного состояния (НДС) резервуаров большое значение имеет точность построенной компьютерной модели, по которой выполняется анализ, по сравнению с оригиналом (снятым резервуаром). На точность данной модели влияет ряд факторов, среди которых необходимо отметить ошибки, возникающие непосредственно в процессе лазерного сканирования резервуара, и ошибки, возникающие в процессе камеральной обработки данных в различных программных комплексах.
|Рис. 1. Принципиальная схема возникновения ошибки на границе поверхностей
I Рис. 2. Скан участка крыши и стенки резервуара
На сегодняшний день при проведении работ по лазерному сканированию указывается только паспортная точность прибора (данная ситуации характерна и для электронных тахеометров), которая не отражает не только точность конечной компьютерной модели, но и точность полученных данных до этапа камеральной обработки. Известен ряд работ, призванных оценить величину данных ошибок (например, работы [7-8]). Однако существующие работы не предлагают расчетных формул, с помощью которых можно было бы рассчитать конечную точность компьютерной модели, так как эти формулы содержат параметры, зачастую известные только производителю приборов.
Таким образом, имеется необходимость в проведении ряда теоретических и экспериментальных изысканий, которые позволят разработать удобную и простую формулу для оценки точности конечной компьютерной модели.
4. Уточнение результатов моделирования НДС резервуаров
Методика РД-23.020.00-КТН-017-15 предполагает проведение работ по лазерному сканированию снаружи резервуаров. Подобный подход обладает рядом преимуществ, среди которых можно отметить отсутствие необходимости зачистки резервуаров перед проведением работ по лазерному сканированию и возможность лазерного
сканирования при минимальном уровне взлива продукта в резервуаре. Это открывает большие перспективы в изучении НДС резервуаров, находящихся в эксплуатации, особенно в условиях не-осесимметричной деформации по периметру. В данном случае при моделировании НДС резервуара приходится схематизировать реальные условия работы резервуара, так как отсутствует информация о геометрии металлоконструкций, расположенных внутри резервуара. Одна из подобных схематизаций условий работы стенки резервуара представлена на рис. 3.
Схематизация условий работы резервуара практически не оказывает эффекта на его НДС в случае равномерной осадки. Однако, как показывает ряд работ [9-11], с увеличением величины неравномерной осадки (неосесим-метричной деформации) схематизация условий работы приводит к значительным погрешностям при определении НДС. Увеличить точность определения НДС по средствам учета реальных условий работы резервуара позволит
лазерное сканирование резервуара изнутри при проведении полной диагностики резервуара (резервуар зачищен от продукта).
При этом потребуются дополнительные экспериментальные исследования, так как возникает ряд сложностей при сканировании вертикальных стальных цилиндрических резервуаров с понтоном (РВСП) и вертикальных стальных цилиндрических резервуаров с плавающей крышей (РВСПК), главной из которых является задача регистрации отдельных сканов в единое облако точек без потери точности результатов при наличии в резервуаре понтона/плавающей крыши. Данная задача может быть решена двумя способами: регистрация сканов по средствам специальных марок, расположенных снаружи резервуара (видимость обеспечивается через люки-лазы в стенке), и регистрация сканов с помощью специальных марок без выноса их наружу (видимость обеспечивается через люки-лазы в самом понтоне/плавающей крыше). Для выявления наиболее эффективного способа необходимо провести дополнительные испытания и апробацию.
На основании вышеизложенного необходимо провести дополнительную проработку поставленных вопросов, которая позволит существенно повысить эффективность методики РД-23.020.00-КТН-017-15 и увеличить точность результатов моделирования НДС резервуаров, находящихся в эксплуатации, а также в перспективе использовать НЛС для решения других задач нефтегазовой отрасли.
|Рис. 3. Схематизация условий работы стенки резервуара
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. МИ 3171-2008 Резервуары стальные вертикальные цилиндрические. Методика калибровки геометрическим методом с применением лазерных сканирующих координатно-измерительных систем.
2. РД-23.020.00-КТН-017-15 Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Лазерное сканирование резервуаров. Общие положения.
3. Васильев Г.Г., Лежнев М.А., Сальников А.П. и др. О применении наземного лазерного сканирования в нефтегазовой отрасли // Наука и технология трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2014. № 4(16). С. 47-51.
4. Васильев Г.Г., Лежнев М.А., Сальников А.П. и др. О проведении работ по трехмерному лазерному сканированию РВСП-20000II Наука и технология трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2015. № 1(17). С. 54-59.
5. Васильев Г.Г., Лежнев М.А., Сальников А.П. и др. Анализ опыта применения трехмерного лазерного сканирования на объектах ОАО «АК «Транснефть» // Наука и технология трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2015. № 2(18). С. 48-55.
6. Васильев Г.Г., Лежнев М.А., Леонович И.А., Сальников А.П. Напряженно-деформированное состояние резервуаров, находящихся в эксплуатации // Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2015. № 6(52). С. 41—44.
7. Комиссаров А.В. Вывод формул оценки единичного измерения наземными лазерными сканерами // Геодезия и картография. 2013. № 4. С. 7-15.
8. Тишкин В.О., Парфенов В.А. Точность создания электронных ЗО-моделей при лазерном сканировании // Оптический журнал. 2012. № 7(79). С. 84-89.
9. Тарасенко А.А., Тарасенко Д.А., Чепур П.В. Деформирование верхнего края оболочки при развитии неравномерной осадки резервуара// Фундаментальные исследования. 2014. № 6 (ч. 3). С. 485-489.
10. Тарасенко А.А., Чепур П.В. Влияние параметров неравномерной осадки на возникновение предельных состояний в резервуаре//Фундаментальные исследования. 2014. № 8 (ч. 7). С. 1560-1564.
11. Тарасенко А.А., Чепур П.В. Напряженно-деформированное состояние верхнего опорного кольца резервуара при неосесимметричных деформациях корпуса // Фундаментальные исследования. 2014. № 11 (ч. 3). С. 525-529.
CHALLENGES AND PERSPECTIVES OF TANK INSPECTION WITH THE SURFACE LASER
SCANNING
VASILIEV G.G., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of the Department of Pipeline and Storage Facilities Construction and
Rehabilitation
LEZHNEV M.A., Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof., Deputy dean for the evening department
LEONOVICH I.A., postgraduate student, engineer of the Department of Pipeline and Storage Facilities Construction and
Rehabilitation
SALNIKOV A.P., postgraduate student, engineer of the Department of Pipeline and Storage Facilities Construction and
Rehabilitation
Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (65, korp.l, Leninskiy pr., 119991, Moscow,
Russia). E-mail: srgnp@gubkln.ru
2016
23
ABSTRACT
Terrestrial laser scanning effective tool for three-dimensional models of real surface, but practice of application this method
In the oil and gas Industry facilities has shown specific difficulties of Its practical appllcation.The article Is discussed the
problems and prospects of methods for monitoring the spatial position of oil tanks using 3D laser scanning systems.
Consider a typical problem arising at the working on laser scanning and processing the results in order to obtain more
accurate values of the parameters studied spatial position oil tanks.
Keywords: geodetic Inspection, terrestrial laser scanning, vertical steel tanks.
REFERENCES
1. MM 3171-2008 Rezervuary stal'nyye vertikal'nyye tsilindricheskiye. Metodika kalibrovki geometricheskim metodom s primeneniyem lazernykh skaniruyushchikh koordinatno-izmeritel'nykh sistem. [Ml 3171-2008 Steel vertical cylindrical tanks Methods of geometrical calibration method using laser scanning coordinate measuring systems], (In Russian).
2. Pfl-23.020.00-KTN-017-15 Magistral'nyy truboprovodnyy transport nefti i nefteproduktov. Lazernoye skanirovaniye rezervuarov. Obshchiye polozheniya. [RD-23.020.00-KTN-017-15 Trunk pipeline transport of oil and oil products. Laser scanning tanks. General provisions], (In Russian).
3. Vasil'ev G.G., Lezhnev M.A., Sal'nikovA.R, Leonovich I.A., KatanovA.A., Lihovcev M.V. On the application of terrestrial laser scanning in the oil and gas industry. Nauka i tekhnologiya truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov. 2014, no 4(16), pp. 47-51. (In Russian).
4. Vasil'ev G.G., Lezhnev M.A., Sal'nikovA.R, Leonovich I.A., KatanovA.A., Lihovcev M.V. On the execution of the three-dimensional laser scanning PBC-20000. Nauka i tekhnologiya truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov. 2015, no. 1(17), pp. 54-59. (In Russian).
5. Vasil'ev G.G., Lezhnev M.A., Sal'nikovA.R, Leonovich I.A., KatanovA.A., Lihovcev M.V. Analysis of experience in the application of three-dimensional laser scanning at the facilities of OJSC «AK» Transneft». Nauka i tekhnologiya truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov. 2015, no. 2(18), pp. 48-55. (In Russian).
6. Vasil'ev G.G., Lezhnev M.A., Leonovich I.A., Sal'nikov A.R Stress-strain state of the tank in service. Truboprovodnyy transport: teoriya ipraktika. 2015, no. 6(52), pp. 41-44. (In Russian).
7. Komissarov A.V. Derivation of formulas evaluation unit measuring terrestrial laser scanners. Geodeziya i kartografiya. 2013, no. 4, pp. 7-15. (In Russian).
8. Tishkin V.O., Parfenov V.A. The accuracy of the creation of 3D-models of electronic laser scanning. Opticheskiyzhurnal. 2012, no. 7(79), pp. 84-89. (In Russian).
9. Tarasenko A.A., Tarasenko D.A., Chepur P.V. The deformation of the upper edge of the envelope in the development of uneven precipitation tank. Fundamental'nyye issledovaniya. 2014, no. 6 (Part 3), pp. 485-489. (In Russian).
10. Tarasenko A.A., Chepur P.V. Influence of differential settlement parameters on the occurrence of extreme conditions in the tank. Fundamental'nyye issledovaniya. 2014, no. 8 (Part 7), pp. 1560-1564. (In Russian).
11. Tarasenko A.A., Chepur P.V. Stress-strain state of the upper reservoir support ring with axially symmetric deformations of the body. Fundamental'nyye issledovaniya. 2014, no. 11 (Part 3), pp. 525-529. (In Russian).
24.05.2016
УФА
ТЕМАТИКА КОНФЕРЕНЦИИ: сырьевая база технология экономика экология продукты оборудование автоматизация процессов нефте- и газопереработки
Российский нефтегазохимический форум XXIV МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА «ГАЗ. НЕФТЬ. ТЕХНОЛОГИИ»
Международная научно-практическая конференция
«НЕФТЕГА30ПЕРЕРАБ0ТКА -2016»
Место проведения: выставочный комплекс «ВДНХ-ЭКСПО» ул. Менделеева 158, конференц-зал №2
Посвящается 60-летию со дня оОразования ran [(Институт нефтехимпереработки рб» - Башнии ни
ОРГАНИЗАТОРЫ КОНФЕРЕНЦИИ
Ассоциация нефтепереработчиков и нефтехимиков ГУП «Институт нефтехимпереработки РБ»
■ЕХХПЖ
НЕФТЕПЕРЕРАБОТЧИКОВ н НЕФТЕКИННК0В
А С С О
ОРГКОМИТЕТ
ГУП ИНХП РБ +7/347/243-14-58, 242-25-18 conf2016@mail.ru www.inhp.ru
ИНСТИТУТ НЕФТЕХИМПЕРЕРАБОТКИ
РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА
■ Научно-технический журнал
«Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний»
■ Научно-технический журнал «Нефтегазохимия» I Всероссийский отраслевой информационно-технический журнал «СФЕРА. Нефть и Газ»
Межотраслевой журнал «Химическая техника»
I Научно-технический и информационный журнал «Компрессорная техника и пн
