在用外浮顶储罐实时变形监测方法与流程

本发明涉及储罐安全管理及测量技术领域，尤其是涉及一种在用大型外浮顶储罐实时变形监测方法。

背景技术：

大型储罐是石化及管道企业常用设备之一，属于常压容器、薄壁结构范畴。外浮顶储罐是大型储罐的一种常见形式，其特点是不但具有储存油品蒸发损耗小，而且罐顶自重受储液支承，使其受力均匀，故大型储罐多采用此种形式。但与其他形式的储罐相比，浮顶储罐的缺点也是显而易见的，就是易产生几何形体变形，严重时会影响安全生产。

外浮顶储罐壁板在制作和安装过程中如果没有很好的按程序和标准执行，都有可能使壁板的垂直度及椭圆度发生超差，影响油罐的密封效果；同时外浮顶储罐几何形体变形的大小一般随储罐投用时间的增加而增加，在使用一段时间后，由于罐内液位的升降、地基变形、大风和日照等因素，储罐发生一定的变形也在所难免。罐体局部凹凸、椭圆度、最大倾斜度，基础沉降等几何尺寸是很重要的指标，如果这些指标过大，会使得储罐发生应力集中失效而不能完全利用或根本无法使用；此外变形过大将导致储罐浮顶密封圈密封不严，引起油气浓度偏高，不仅会造成油气损耗增大，还极易成为火灾爆炸的源头，对生产和人员造成安全隐患。因此精确掌握外浮顶储罐几何变形并加以安全评估是十分必要的。

浮顶储罐安全检测通常使用光学参比法和光电法对储罐变形进行测量。光学参比法需要使用光学垂准仪、水平直尺、移动式磁性标 尺仪等，但这种基于单点测量的方式在罐壁变形复杂时，会产生较大的测量误差。光电法测量储罐变形一般采用全站仪和GPS等，该方法依然属于单点式测量，也就是只能以点观测而获取较少观测点的形变数据进而推断整体变形情况，无法获取局部和整体精确的变形细节，并且设备现场安装难度较大，测量时间比较长，因此对环境的稳定性要求很高，其测量精度和稳定性往往受到较大影响，因而检测效率和精度都无法得到有效保障，不能满足实际生产需求。另外，现有技术需要测量的几何参数多，操作复杂，人员劳动强度大，而且测量过程中受人为因素影响较大，在测量变形大的罐体时误差较大；测量过程中罐内含氧量不足、有毒、有害、腐蚀介质对人身安全会造成一定的危害。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明提出一种在用外浮顶储罐实时变形监测方法，通过在外浮顶储罐外部周围设置基准点，将三维激光扫描的坐标转换成基准点的大地坐标，可以实现对外浮顶储罐整体几何变形安全状况的实时连续的精确监测。

为实现上述发明目的，本发明提供一种在用外浮顶储罐实时变形监测方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、测量外浮顶储罐外侧的预设基准点的坐标，并建立标准坐标系；

S2、在所述外浮顶储罐的浮顶上布置至少一个测量点，并测量所述测量点的坐标；

S3、在所述外浮顶储罐的顶部预设的控制点使用全站仪测量所述基准点与所述测量点相对于所述控制点的位置；

S4、使用三维激光扫描仪扫描所述外浮顶储罐的内壁，并扫描设置在所述外浮顶上的扫描标靶组，得到所述外浮顶储罐的扫描数据；

S5、对所述基准点坐标、测量点坐标和所述全站仪测量的数据进 行处理，得到所述测量点在所述标准坐标系中的坐标；

S6、将所述外浮顶储罐的扫描数据的坐标转换到所述标准坐标系中的坐标，并对坐标转换后的扫描数据进行处理得到所述外浮顶储罐的变形情况。

其中，所述步骤S1中，使用GPS测量装置测量所述基准点的坐标，并且在所述步骤S2中，使用GPS测量装置测量所述测量点的坐标。

其中，所述步骤S3中，通过测量所述基准点和控制点的方位角和边长来确定所述基准点与控制点的相对位置，通过测量所述控制点与测量点的方位角和边长来确定所述控制点与所述测量点的相对位置。

其中，所述基准点至少为2个，并且所述基准点与所述外浮顶储罐的水平距离至少为所述储罐直径的一半。

其中，所述控制点为至少一个，并且每个所述控制点能够观察到至少两个基准点的位置。

其中，所述测量点具有多个，并且至少一个测量点位于所述外浮顶上的中心位置；

所述扫描标靶组位于所述外浮顶上的两个测量点之间。

其中，所述扫描标靶组至少为一组，并且每组所述扫描标靶组至少包括三个标靶点，并且所述每个扫描标靶组中的各个标靶点排列成除直线外的其他形式。

其中，所述标靶点为标靶球。

其中，所述步骤S6具体包括：

去除所述扫描数据中的噪声后进行数据拼接，得到所述外浮顶储罐内壁整体的点云数据文件；

将所述点云数据文件的坐标转换到所述标准坐标系下的点云数据文件，得到标准坐标系下的点云数据文件；

对所述标准坐标系下的点云数据文件进行三维空间建模；

根据建立的三维空间模型，分析所述外浮顶储罐的变形情况。

本发明的在用外浮顶储罐变形实时监测方法，可在大型外浮顶储罐在线工作状态下实施，将全站仪测量技术与三维激光扫描技术结合起来，利用后方交会测量，以自由设站控制点和罐区外部稳定区基准点为已知点，并将基准点的绝对坐标系引入扫描仪，从而使扫描仪测量可以自由架站，所测罐体内外部点云数据坐标，均是基于外部稳定区基准点的高精度数据，进而真实描述外浮顶储罐罐体内部和浮顶的结构及形态特性，以快速、准确地生成三维数据模型，得到外浮顶储罐不同方位和角度的几何参数值，针对外浮顶储罐的罐壁凹凸、罐体椭圆变形和罐体倾斜沉降进行快速、准确测量，计算关键几何变形指标从而得到外浮顶储罐变形情况，有效避免了传统变形检测手段基于点数据进行变形分析造成的局部性和片面性，同时也避免了传统停罐离线检测的低工作效率和人力物力消耗。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例的在用外浮顶储罐变形实时监测方法的流程图。

图2示出了本发明实施例的对在用外浮顶储罐变形进行实时监测的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明实施例的在用外浮顶储罐变形实时监测方法的流程图。

参照图1，本发明的在用外浮顶储罐变形实时监测方法，具体步骤为：

S1，测量外浮顶储罐外侧的预设基准点的坐标，并建立标准坐标系；

S2，在所述外浮顶储罐的浮顶上布置至少一个测量点，测量所述测量点的坐标；

具体地，使用GPS测量装置测量所述基准点和测量点的坐标，并且为了运算简便，可以使用基准点的大地坐标系作为标准坐标系。

另外，当浮顶上方不平整时，本实施例的外部扫描点可以设置多个，并且至少一个外部扫描点位于所述外浮顶上部的中心位置。

S3，在所述外浮顶储罐的顶部的预设的控制点使用全站仪测量所述基准点与所述测量点相对于所述控制点的位置；

具体地，上述的基准点至少为2个，并且所述基准点与所述外浮顶储罐的水平距离至少为所述储罐直径的一半。并且，所述控制点至少为一个，并且每个所述控制点能够观察到至少两个基准点的位置。即控制点的设定根据基准点的数量和位置设定，当一个控制点能够观察到所有的基准点时，则设置一个控制点即可。

在一个实施例中，通过测量所述基准点和控制点的方位角和边长来确定所述基准点与控制点的相对位置，通过测量所述控制点与测量点的方位角和边长来确定所述控制点与所述测量点的相对位置。

另外，所述测量点具有多个，并且至少一个测量点位于所述外浮顶上的中心位置；

所述扫描标靶组位于所述外浮顶上的两个测量点之间。

S4，使用三维激光扫描仪在所述测量点扫描所述外浮顶储罐的内壁，并扫描设置在所述外浮顶上的扫描标靶组，得到所述外浮顶储罐的扫描数据；

在一个本实施例中，所述扫描标靶组至少为一组，并且每组所述扫描标靶组至少包括三个标靶点，并且所述每个扫描标靶组中的各个标靶点排列成除直线外的其他形式。另外，所述标靶点可以为标靶球。此外，扫描标靶组的数量可以根据测量的需要具体设定，在此不做具体限定。

S5，对所述基准点坐标、测量点坐标和所述全站仪测量的数据进行处理，得到所述测量点在所述标准坐标系中的坐标；

S6，将所述外浮顶储罐的扫描数据的坐标转换到所述标准坐标系中的坐标，并对坐标转换后的扫描数据进行处理得到所述外浮顶储罐的变形情况。

具体地，所述步骤S6包括：

去除所述扫描数据中的噪声点后进行数据拼接，得到所述外浮顶储罐内壁和浮顶整体的点云数据文件；

将所述点云数据文件的坐标转换到所述标准坐标系下的点云数据文件，得到标准坐标系下的点云数据文件；

对所述标准坐标系下的点云数据文件进行三维空间建模；

根据建立的三维空间模型，分析所述外浮顶储罐的变形情况。

以下通过具体实施例详细描述本发明的外浮顶储罐的变形监测方法的具体过程。

图2示出了本发明实施例的对在用外浮顶储罐变形进行实时监测的装置的结构示意图。

本发明的实施例中，以20万方大型外浮顶原油储罐1为例，该储罐为大型薄壁圆筒体，通过混凝土环墙置放于地面。储罐几何结构具有回转体的轴对称特性，直径110m，罐壁高度24m，浮顶2随收发作业与罐内液位高低上下浮动。

本实施的方法可以对在用的外浮顶储罐的变形进行实时的监测，其具体过程为：

1、确定基准点布设点位

收集储罐设计资料、储罐周边环境资料以及历史维修资料，实地选定基准点点位；要求基准点的位置应远离储罐区域，在整个检测期间应具有稳定性。基准点应至少设置2个，优选3个；基准点距储罐距离至少为0.5d(d为储罐直径)，优选d。具体地，如图2 中，在距离储罐220m的区域选定3个基准点3。

2、控制网布设

(1)在每个基准点3设置固定墩，固定墩上安装强制归心装置。

(2)在外浮顶储罐罐壁顶部设置控制点4，控制点4采用有强制归心装置的固定结构；强制归心装置通过固定结构可固定于浮顶罐结构骨架体上；每个控制点应至少能观测两个及以上的基准点。

(3)为防止出现危险圆，控制点位与基准点所构成三角形各内角值不宜过小；

(4)在外浮顶储罐1的浮顶2布设第一测量点5，在第一测量点5布设可移动式扫描测量架，测量架上带有固定装置8，用于安置测量定位装置7；同时可将激光扫描仪固定在测量架上；第一测量点5可选在浮顶表面任意位置，优选浮顶正中心。

(5)根据外浮顶储罐浮顶表面情况，选择布设其他测量点位6；测量点位6选取以所有测量点位可通视浮顶和储罐内壁所有形貌为准，并且三维激光扫描仪应在有效范围内尽可能多的获取罐体特征。

3、坐标传递测量

(1)对每个基准点3利用高精度GPS测量仪10进行高精度大地坐标测量，并以此建立大地坐标系；也可以利用基准点相对位置关系建立独立标准坐标系。

(2)在基准点3的固定墩的强制归心装置上设置反射棱镜，也可在强制归心装置上设置球形标靶，并在球形标靶上粘贴反射贴片。

(3)在控制点4固定桩的强制归心装置上布设全站仪11，测量时应严格整平气泡。

(4)在储罐浮顶控制点4扫描测量点5上安置的定位装置7。

(5)利用全站仪11和已建立的标准坐标系下的基准点，采用全圆测回法测量控制点位和基准点位方位角和边长，并利用后方交会法解算控制点位在标准坐标系下坐标。

(6)利用全站仪和测量点的定位装置，采用双站极坐标法测量储罐浮顶第一扫描测量点5在标准坐标系下坐标。

(7)观测结束后，进行平差计算，并对结果进行精度评定；如果满足要求，可进行下一环节的现场三维激光扫描，如果不满足要求，应调整控制点位重新测量。

4、三维激光扫描

(1)基于确定的第一测量点位置5，选择其他扫描测量点6；选择位置要求通视条件好，可以使得三维激光扫描仪在有效范围内尽可能多的获取罐体的特征，提高测量效率，并减少后期数据处理误差。

(2)确定测量点位置后，相邻两站点之间布设一组扫描标靶组9，该扫描标靶组具有不少于3个可清晰识别的标靶点，优选4个；标靶点采用三维激光扫描仪专用标靶球或标靶点，优选标靶球；标靶通过固定装置固定于浮顶罐浮顶表面，并保持在测量过程中位置严格固定。

(3)对储罐进行发油作业后，罐内油液位下降至最低，使得浮盘下降至最低许可液位时实施扫描作业；或者在使用储罐时进行实时的监测均可，但是此时测量的范围只包括浮顶上方的储罐内壁，从而只能监测储罐的部分区域的变形情况。

(4)在第一测量点5布设移动式扫描测量架并架设三维激光扫描仪；对罐体进行三维激光扫描，并存储扫描的点云数据文件；扫描时必须设置扫描仪水平。

(5)在其他扫描测量站点布设移动式扫描测量架并架设三维激光扫描仪，设置水平后对罐体进行三维激光扫描，存储扫描的点云数据文件。

5、数据处理

使用处理器12，如具有数据处理功能的计算机对三维激光扫描仪测量点云数据文件进行处理，并建立外浮顶储罐的三维空间模型，识别储罐变形情况，计算所述储罐的关键几何变形指标并进行安全状况 评估。

(1)数据处理与拼接

对每个所述扫描测绘点的点云数据文件进行数据处理，去除其中的噪声点后进行点云数据文件拼接，得到外浮顶储罐内壁整体的点云数据文件；数据文件拼接基于不同测量站点点云数据文件中公共的标靶点数据进行。

具体通过以下方法进行去噪：对明显远离点云的、飘浮于点云上方的稀疏、离散的点，远离点云中心区、小而密集的点以及多余扫描的点进行删除。

(2)坐标转换与模型构建

利用已建立坐标系下第一扫描测量站点点位坐标，将所述外浮顶储罐内壁和浮顶整体的点云数据文件进行坐标解算，转换得到已建立坐标系下储罐点云数据文件；对已建立坐标系下外浮顶储罐点云数据文件进行三维空间建模，提取融合后的点云数据的罐体特征点和特征线，识别储罐变形情况。

6、变形分析

对外浮顶储罐三维空间模型进行数据计算，计算罐壁高度，对储罐不同高度壁板进行截面圆心拟合及切面处理计算罐壁内半径、局部凹凸变形值、椭圆度，并采用数据插值计算罐壁倾斜度和沉降量，从而得到外浮顶储罐的罐壁凹凸、罐体椭圆变形和罐体倾斜沉降变形情况。具体如下：

(1)对外浮顶储罐三维空间模型不同高度壁板采用截面圆心拟合和切面处理方法计算罐壁内半径、局部凹凸变形值、椭圆度。

(2)采用数据插值计算罐壁倾斜度和沉降量。

(3)基于以上计算的关键几何变形指标对外浮顶储罐罐壁凹凸、罐体椭圆变形和罐体倾斜沉降变形情况进行分析。

本发明的在用外浮顶储罐实时变形监测方法，可在大型外浮顶储 罐在线工作状态下实施，将全站仪测量技术与三维激光扫描技术结合起来，利用后方交会测量，以自由设站控制点和罐区外部稳定区基准点为已知点，并将基准点的绝对坐标系引入扫描仪，从而使扫描仪测量可以自由架站，所测罐体内外部点云数据坐标，均是基于外部稳定区基准点的高精度数据，进而真实描述外浮顶储罐内部的罐体结构及形态特性，以快速、准确地生成三维数据模型，得到外浮顶储罐不同方位和角度的几何参数值，针对外浮顶储罐的罐壁凹凸、罐体椭圆变形和罐体倾斜沉降进行快速、准确测量，计算关键几何变形指标从而得到外浮顶储罐变形情况，有效避免了传统变形检测手段基于点数据进行变形分析造成的局部性和片面性，同时也避免了传统停罐离线检测的低工作效率和人力物力消耗。

以上具体实施方式仅用以说明本发明的具体实施技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。