CC BY
412
УДК 528.48
А.В. Середович, А.В. Иванов СГГ А, Новосибирск
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РВС ПО ДАННЫМ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
На объектах добычи и переработки нефти и газа эксплуатируется большое количество сварных вертикальных цилиндрических резервуаров (РВС), используемых для хранения и учета нефтепродуктов. Данные
3 3
резервуары имеют вместимость от 100 м до 50 000 м и требуют проведения периодического технического диагностирования и поверок [1, 2]. Одной из основных задач, которые требуется решить при проведении диагностирования или поверки является определение геометрических параметров резервуара. Для этого, по существующей методике, измерения выполняются для отдельных точек резервуара, а промежуточные значения интерполируются.
В отличие от традиционной технологии, лазерное сканирование позволяет дистанционно выполнять измерения по какой-либо поверхности с очень высокой плотностью (угловой шаг может составлять до 0,0018°, что соответствует 0,9 мм на поверхности при съемке с расстояния 30 м) при скорости в несколько сот точек в секунду. Такие особенности позволяют говорить о высоком потенциале применения технологии трехмерного сканирования для определения геометрических характеристик резервуаров, в связи с чем были выполнены пробные работы по сканерной съемке РВС и разработана методика обработки данных сканирования.
Для полевых работ использовался наземный лазерный сканер Mensi GS200, который имеет следующие характеристики: точность измерения расстояний - 1,4 мм (на расстоянии до 30 м при многократных измерениях); минимальный угловой шаг сканирования - 0,0018°; угол поля зрения - 360° по горизонтали и 60° по вертикали; скорость сканирования - около 500 точек/сек (для точного режима сканирования). Большое количество точек, описывающих поверхность резервуара, позволяет определить ее параметры с точностью, примерно в два раза выше, чем точность определения координат одной точки.
1. Выбор шага сканирования, количества станций и их местоположения
Шаг сканирования должен быть подобран с учетом того, чтобы плотность точек, измеряемых на поверхности резервуара, позволяла с достаточной точностью и достоверностью определять его геометрические параметры и выполнять объединение сканерных данных по перекрытиям между станциями. Линейный шаг в 20 мм является достаточным для соблюдения данных требований.
В случае если на объект, на котором находится РВС, существует топографический план или иная картографическая продукция можно заранее запроектировать положение сканерных станций. При этом, вычислив зоны перекрытий между станциями, можно просчитать их оптимальную конфигурацию еще до начала полевых работ.
2. Выполнение измерений, объединение сканерных данных
Сканер Mensi GS200 имеет встроенную цифровую видеокамеру, позволяющую по видеоизображению или по панорамному фотоснимку задавать область сканирования. Кроме области сканирования задается также угловой или линейный шаг съемки. Съемку уторного узла резервуара (углового сварного соединения днища со стенкой), следует выполнять с шагом примерно в два раза меньшим, чем съемку стенок РВС, что обеспечит лучшее дешифрирование. При съемке также важно использовать режим многократных измерений на каждую точку, что позволит повысить точность измерений. Экспериментальные работы показали, что в режиме 4-10-кратных измерений максимально снижается влияние шумовой составляющей в измерениях.
Важнейшим этапом работ является объединение отдельных точечных моделей резервуара, полученных с разных станций (сканов) в единую точечную модель. Технология объединения только по маркам не позволяет достичь необходимой точности. Поэтому, в ходе экспериментальных работ объединение сканов было выполнено в программном продукте RealWorksSurvey с использованием областей перекрытия между станциями. Точность уравнивания составила порядка 2 мм. Проведенный после уравнивания визуальный контроль по сечениям точечной модели, показал отсутствие расхождений снятых поверхностей в местах перекрытий. Горизонтирование модели осуществлялось через внешние марки, закоординированные электронным тахеометром Leica TCR405. Средняя ошибка привязки марок составила порядка 7 мм.
2. Определение геометрических параметров резервуара
Полученная в ходе полевых работ точечная модель резервуара, позволила определить следующие геометрические характеристики:
- Отклонение наружного контура днища от горизонтали. В соответствии с [1], величина неравномерной осадки наружного контура днища определяется путем
нивелирования наружного контура днища в точках, соответствующих вертикальный стыкам первого пояса не реже, чем через 6 метров. Отметки данных точек были получены по сечениям точечной модели в нижней части резервуара (рис. 1). Учитывая высокую плотность точечной модели в
і Стенка резервуара
Отметка наружного
контура днища
Бетонное
основание
Рис. 1. Сечение точечной модели в нижней части резервуара
камеральных условиях можно определить отметку любой точки по периметру резервуара с представлением результата в графическом или табличном виде;
- Определение отклонений образующих стенки резервуара от
вертикали. По традиционной технологии, отклонения от вертикали определяются вдоль вертикальных сварных швов, в нижней, средней и верхней точках каждого пояса [1], [2]. Так как точность единичного сканерного измерения меньше точности, моделирования объекта с использованием всей совокупности полученных данных, единичное измерение не может точно конкретной точке. Схема определения отклонений по сканерным данным,
представлена на рис. 2.
- Значение
отклонения для точки р будет равняться среднему значению отклонений точек, попавших в заданный сектор размером а х Ь. Сектор должен быть такого размера, чтобы внутри него
деформации не носили ярко выраженного характера, т.е. данный участок должен
быть ровным. Задав вертикальный йверт и горизонтальный dгор шаги для точки р, можно
вычислить точный
отклонения от вертикали любого количества точек на поверхности РВС с любой плотностью;
- Определение объема
РВС. Основными данными, служащими для определения объема РВС, являются данные о геометрии наружных стенок резервуара. Традиционная
технология в упрощенном варианте заключается в измерении периметра
резервуара, высоты поясов и отклонений образующих
резервуара от вертикали (при этом, за нулевое значением для каждого вертикального шва,
АН - высота пояса; Лр - угловой размер сектора ¥{, г - радиус сектора ¥г.
Рис. 3. Определение объема резервуара
характеризовать отклонение от вертикали в
^гор - горизонтальный шаг определения отклонений от вертикали;
^ор - вертикальный шаг определения отклонений от вертикали;
а,Ь - горизонтальный и вертикальный размеры сектора, для которого производится осреднение измерений
Рис. 2. Определение отклонений от вертикали по сканерным данным
принимается нижняя часть стенки резервуара). Представление резервуара в виде единой модели, позволяет получить более точную и достоверную информацию об объеме наружной поверхности резервуара с учетом деформаций стенок. Определение объема резервуара по сканерным данным осуществляется по поясам высотой АН (схема представлена на рис. 3), значение которой задается.
Каждый пояс, в свою очередь, разбивается на угловые сектора Лр. Радиус г сектора V; вычисляется как среднее значение радиусов г измеренных точек, попавших в него. Объем сектора V; равен:
Объем пояса Ун вычисляется как сумма объемов угловых секторов, либо через нахождение среднего радиуса для всего пояса. Объем резервуара равен сумме объемов поясов. Чем меньше размер поясов и секторов, тем точнее учитывается геометрия наружной стороны стенок РВС. В дальнейшем, в полученные результаты вводятся поправки за влияние различных факторов, предусмотренные стандартом [2]. Конечным итогом вычислений будет являться точное значение объема резервуара;
- Определение положения оси резервуара. Положение вертикальной оси резервуара свидетельствует о величине и направленности его наклона. Применительно к сканерным данным, вертикальной осью будет считаться геометрический центр масс цилиндрической модели резервуара. Для определения положения вертикальной оси используется математическая модель цилиндра, вписанная в точечную модель по методу наименьших квадратов. Ось данного цилиндра является осью РВС, и ее положение свидетельствует о положении центра масс резервуара. При разбиении точечной модели резервуара на небольшие цилиндрические сегменты, аналогично можно определить положение центра масс резервуара на разных уровнях;
- Построение карты деформаций стенок резервуара. Карта деформаций стенок резервуара является графическим представлением деформаций в виде изолиний. Наиболее наглядно такая карта будет выглядеть развернутой на плоскость. Для этого необходимо перевести точки трехмерной модели из цилиндрической в плоскую прямоугольную систему координат, после чего координата Ъ будет отображать удаление точки от оси резервуара. Полученная точечная модель позволяет создать карту деформации поверхности резервуара, с цветовой кодировкой характеристики Ъ для каждой точки (рис. 4).
(1)
Масштаб 1:180 горизонтальные сечения выполнены через 1 см
шшишиш
шкала высот, м
Рис. 4. Карта деформаций поверхности резервуара
Нанесенный на такую карту рисунок сварных швов и мест подключения трубопроводов позволяет оценить и анализировать степень, характер деформаций и их причину.
Заключение
Практические работы подтвердили высокую эффективность применения технологии лазерного сканирования для определения геометрических параметров РВС. Полученные данные позволяют с высокой степенью точности и достоверности решать следующие задачи:
1. Определение отклонения наружного контура днища от горизонтали;
2. Определение отклонения образующих стенки резервуара от вертикали;
3. Определение объема резервуара;
4. Определение положения вертикальной оси резервуара;
5. Построение подробной карты деформации стенок резервуара.
При этом большим преимуществом является, то, что все измерения выполняются дистанционно. Разработанная методика позволяет определять геометрические параметры резервуаров с точностью, в 2 раза превышающей точность единичного измерения сканера. Для сканера Mensi GS200 это значение составит около 0,7 мм.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. РД 08-95-95 Положение о системе технического диагностирования сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов,- Введен 01.09.1995 - Москва, 1995.
2. ГОСТ 8.570-2000 Резервуары стальные вертикальные цилиндрические. Методика поверки,- Введен 01.01.2002,- Минск, 2000.
© А.В. Середович, А.В. Иванов, 2006
