一种外浮顶储罐群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，尤其涉及一种外浮顶储罐群的变形监测方法。

背景技术：

大型储罐具有节省钢材、占地少、投资省、便于操作管理等优点。发达国家建造、使用大型储罐已有近30年的历史，随着生产的需要和我国石油战略储备计划的实施，近些年大型储罐在国内也得到了迅速发展。外浮顶储罐是大型储罐的一种常见形式，其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。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。通常罐体局部凹凸、椭圆度、最大倾斜度，基础沉降等几何尺寸都是很重要的指标，如果这些指标过大，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；同时罐体发生局部变形和不均匀沉降后，超过一定限度会使得储罐不能完全利用或根本无法使用，造成生产和人员安全隐患，一旦发生事故，损失将十分惨重。此外变形过大将导致储罐浮顶密封圈密封不严，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，对于在一个区域内放置多个储罐的外浮顶储罐群，通过上述方法进行检测或监测，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：

本发明提供了一种外浮顶储罐群变形监测方法，通过在远离储罐群的区域设置多个基准点，并根据基准点建立标准坐标系，将三维激光扫描数据的坐标转换成标准坐标，能够全面、实时获得外浮顶储罐群中每个储罐内壁及浮顶几何变形指标，从而实现对外浮顶储罐群的每个外浮顶储罐的几何变形状况的连续精确监测。

为实现上述发明目的，根据本发明的一个方面，提供一种外浮顶储罐群变形监测方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，在所述外浮顶储罐群的周围设立多个基准点，所述基准点包围所述外浮顶储罐群；

S2，测量每个所述基准点的坐标，并根据测量的每个所述基准点的坐标建立标准坐标系；

S3，在每个外浮顶储罐的浮顶上布置至少一个测量点，测量每个所述测量点的坐标；

S4，在每个所述外浮顶储罐的顶部设定至少一个控制点，在每个所述外浮顶储罐的控制点处至少可以观察到一个所述基准点；

S5，在每个所述外浮顶储罐的顶部的控制点，使用全站仪测量所观察到的基准点与所述测量点相对于所述控制点的位置；

S6，使用三维激光扫描仪分别扫描每个所述外浮顶储罐的内壁及浮顶，并分别扫描设置在每个所述外浮顶储罐的外浮顶上的扫描标靶组，得到每个所述 外浮顶储罐的扫描数据；

S7，对每个外浮顶储罐的测量点的坐标、全站仪测量的数据和在所述控制点观察到的基准点的坐标进行处理，得到每个外浮顶储罐的测量点在所述标准坐标系中的坐标；

S8、将每个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数据，并分别进行数据处理得到每个所述外浮顶储罐的变形情况。

其中，所述步骤S2中，使用GPS测量装置测量每个所述基准点的坐标，并且在所述步骤S3中，使用所述GPS测量装置测量每个所述测量点的坐标。

其中，所述步骤S5中，对于每个外浮顶储罐，通过测量该外浮顶储罐的控制点所观察到的基准点与控制点的方位角和边长来确定该外浮顶储罐的控制点所观察到的基准点与控制点的相对位置，通过测量的方位角和边长来确定所述该外浮顶储罐的控制点与测量点的相对位置。

其中，所述基准点与距离所述外浮顶储罐群最近的外浮顶储罐的水平距离值至少为距离所述外浮顶储罐群最近的外浮顶储罐的直径的一半的值。

其中，其特征在于，每个所述外浮顶储罐的测量点具有多个，并且每个所述外浮顶储罐的至少一个测量点位于对应的外浮顶上表面的中心位置；

所述每个外浮顶储罐的扫描标靶组位于对应的外浮顶上表面的两个测量点之间。

其中，所述每个外浮顶储罐的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，并且所述每组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S8具体包括：对于每个所述外浮顶储罐，去除该外浮顶储罐的扫描数据中的噪声点后进行数据拼接，得到该外浮顶储罐内壁及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，得到所述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，分析该外浮顶储罐的变形情况。

本发明提供的一种外浮顶储罐群变形监测方法，可在大型外浮顶储罐群工作状态下实施，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，以每个外浮顶储罐顶部的控制点和罐群外部稳定区基准点为已知点，并将基准点的标准坐标系引入扫描仪坐标系，从而使扫描仪测量可以自由架站，进而真实描述每个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，得到每个外浮顶储罐不同方位和角度的几何参数值，针对每个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并进行安全评估，对不符合阈值要求指标进行安全预警，从而实现动态掌握外浮顶储罐群每个储罐变形状况，有效避免了传统变形测量手段基于点测量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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的外浮顶储罐群的变形监测方法的流程图。

图2示出了本发明实施例的外浮顶储罐群的变形监测方法的基准点布置示意图。

图3示出了本发明的安装在单个外浮顶储罐的监测设备的布置示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的一种外浮顶储罐群变形监测方法予以详细描述。

图1示出了本发明的外浮顶储罐群变形监测方法的流程图。

本发明的一个实施例中，一种外浮顶储罐群变形监测方法，其具体包括如下步骤：

S1，在所述外浮顶储罐群的周围设立多个基准点，所述基准点包围所述外 浮顶储罐群；

上述实施例中，如图2所示，在外浮顶储罐群的周围设立基准点10的数量，根据外浮顶储罐群的外浮顶储罐2的数量和占地面积设定。

另外，基准点与距离外浮顶储罐群最近的外浮顶储罐的水平距离值，可以根据具体情况设置，其至少为距离基准点最近的外浮顶储罐的直径的一半的值。在本实施例中，每个外浮顶储罐的大小可以是相同的，也可以是不同的，如果每个储罐的大小不同，则基准点距离外浮顶储罐群的距离可以根据情况设定，如其距离可以设定为距离基准点最近的储罐的直径的值。，另外，如果外浮顶储罐的个数比较多，则可以设定为储罐直径的平均值的一半的值。

S2，测量每个所述基准点的坐标，并根据测量的每个所述基准点的坐标建立标准坐标系；

S3，在每个外浮顶储罐的浮顶上布置至少一个测量点，测量每个所述测量点的坐标；

本实施例的测量点的设定根据浮顶的上表面的结构确定，测量点的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。另外，如果浮顶上方平整无障碍物或凸起，则只在浮顶的中心位置设置一个测量点即可实现储罐的三维扫描，但是当浮顶上方设置有其他物体或设备时，一个测量点并不能实现对储罐的整体的扫描，则在浮顶中心设置一个测量点，在其适当的位置设置第二个测量点或是多个测量点，从而能够实现对储罐的全面完整的扫描。基于上述，本发明的实施例的测量点的设定可以根据浮顶具体设定，但是至少有一个测量点是设置在浮顶的中心位置。

本实施例中，使用GPS测量装置测量每个所述基准点的坐标和每个所述测量点的坐标，具体过程为：

在基准点和每个储罐的测量点上设置定位装置，定位装置包括固定墩和强制归心装置，在强制归心装置上设置测量装置，如GPS测量装置，测量基准点的大地坐标和测量点的大地坐标，并且通过基准点的大地坐标建立标准坐标系。

在实施例中，由于外浮顶储罐中在装载不同容量的液体后对地面的压力会 使得测量点发生倾斜，以及储罐变形等情况会造成测量点的大地坐标发生变化，因此，通过在远离储罐的位置设置基准点，将基准点测量的大地坐标为基础，建立标准坐标系，将其他测量的数据均转换在标准坐标系下的数据，从而可以提高数据三维准确度。

S4，在每个所述外浮顶储罐的顶部设定至少一个控制点，在每个所述外浮顶储罐的控制点处至少可以观察到一个所述基准点；

S5，在每个所述外浮顶储罐的顶部的控制点，使用全站仪测量所观察到的基准点与所述测量点相对于所述控制点的位置；

对于每个外浮顶储罐，通过测量该外浮顶储罐的控制点所观察到的基准点与控制点的方位角和边长来确定该外浮顶储罐的控制点所观察到的基准点与控制点的相对位置，通过测量的方位角和边长来确定所述该外浮顶储罐的控制点与测量点的相对位置。

具体地，采用全圆测回法测量控制点和基准点的方位角和边长，并利用后方交会法解算控制点位在标准坐标系下的坐标；

进一步，采用双站极坐标法测量所述测量点位在标准坐标系下坐标；

测量结束后，进行平差计算，并对结果进行精度评定；如果满足要求，可进行三维激光扫描，如果不满足要求，应调整控制点位重新测量。

在本实施例中，进行测量前，在基准点和测量点的定位装置上设置反射镜或扫描标靶，通过在控制点设置的全站仪11测量基准点与控制点之间的方位角以及边长数据以及控制点与测量点之间的方位角以及边长数据；

S6，使用三维激光扫描仪分别扫描每个所述外浮顶储罐的内壁，并分别扫描设置在每个所述外浮顶储罐的外浮顶上的扫描标靶组，得到每个所述外浮顶储罐的扫描数据；

在本实施例中，每个外浮顶储罐的浮顶上至少设置一组扫描标靶组，并且扫描标靶组位于对应的浮顶上方的两个测量点之间。此外，当浮顶上方较平整时，只需要设置一个测量点即可。

进一步地，每个外浮顶储罐的扫描标靶组至少为一组，每组所述扫描标靶组至少包括三个标靶点，并且所述每组扫描标靶组中的各个标靶点排列成除直 线外的其他形式。

更进一步地，每组扫描标靶组中至少一个扫描标靶组具有三个标靶点，并且所述三个标靶点呈三角形分布。此外，标靶点采用三维激光扫描仪专用标靶球或标靶点，优选使用标靶球；标靶点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，然后进行三维扫描。另外，本实施例的标靶点也可以是现有技术中由于扫描标靶的其他类型的标靶点，在此不做具体限定。

S7，对每个外浮顶储罐的测量点的坐标、全站仪测量的数据和在所述控制点观察到的基准点的坐标进行处理，得到每个外浮顶储罐的测量点在所述标准坐标系中的坐标；

S8，将每个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数据，并分别进行数据处理得到每个所述外浮顶储罐的变形情况。

在一个实施例中，步骤S8中，对于每个所述外浮顶储罐，具体的数据处理过程如下：

S81、去除该外浮顶储罐的扫描数据中的噪声后进行数据拼接，得到该外浮顶储罐内壁和浮顶表面整体的点云数据文件；

具体地，上述去噪和拼接过程为：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等噪声点进行根据人工筛除法或系统自动进行删除。

S82、将所述点云数据文件的坐标转换到所述标准坐标系，得到所述标准坐标系下的点云数据文件；

进一步地，基于步骤S7，根据不同测量点三维激光扫描仪测得的同一个标靶组中标靶的标靶点云数据计算出坐标变换的旋转矩阵和平移矩阵，根据所述旋转矩阵和所述平移矩阵对去除噪声点的储罐点云数据进行坐标转换拼接。

S83、对所述标准坐标系下的点云数据文件进行三维空间建模；

S84、根据建立的三维空间模型，分析该外浮顶储罐的变形情况。

进一步地，本发明的实施例中对外浮顶储罐群的变形情况的监测的关键几何变形指标包括：罐壁高度、罐壁局部凹凸变形值、椭圆度、罐壁倾斜度和整 体沉降量。

进一步地，对变形情况的分析，还根据所述外浮顶储罐群几何变形指标数据及安全阈值条件评断储罐是否满足安全要求，并且判断几何变形指标数据是否大于预设的安全阈值，当判断出所述几何变形指标数据大于所述预设的安全阈值时，发出安全预警。

在一个具体的实施例中，对外浮顶储罐群的变形监测，通过在外浮顶储罐的周围设置基准点，然后对每个外浮顶储罐分别进行监测，以下以对一个外浮顶储罐的变形监测为例，详细说明本发明的对外浮顶储罐的变形监测的具体过程。

图3示出了本发明的安装在单个外浮顶储罐的监测设备的布置示意图。

如图3所示，对于每个外浮顶储罐2，在储罐顶部的控制点上设置有全站仪11，并且在浮顶上部的中心位置的中心测量点7上设置有三维激光扫描仪8，本实施例中还在中心位置的测量点7的一侧设置有第二测量点6和设置在中心测量点周围的至少一组扫描靶组9；本实施例中具体设置为三组，另外，三维激光扫描仪8扫描的数据传输到数据处理装置12，用于处理数据。

在控制点上观察外浮顶储罐群的周围的基准点，找到用于该外浮顶储罐的基准点，使用控制点上设置的全站仪11测量该外浮顶储罐的基准点与控制点之间的方位角和边长数据以及该控制点与测量点之间的方位角和边长数据。

然后使用三维激光扫描仪对浮顶上的扫描靶组9以及外浮顶储罐的内壁及浮顶表面进行扫描，然后将全站仪和三维激光扫描仪的测量数据进行数据处理后得到每个所述外浮顶储罐的变形情况。其数据处理包括：对每个测量点的储罐内壁点云数据文件进行数据处理，去除其中的噪声点后；基于标靶点数据，对不同扫描测量站点的储罐点云数据文件拼接，得到外浮顶储罐内壁及浮顶整体的点云数据文件。

利用已建立的标准坐标系下位于浮顶中心的中心测量点点位坐标，将外浮顶储罐整体的点云数据文件进行坐标解算，转换得到标准坐标系下储罐点云数据文件；对标准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。

在进一步的实施例中，可以对不同时间测量的标准坐标系下点云数据文件分别进行三维空间建模，进行模型匹配和对比分析，根据不同时间所述立式储罐各个数据点的坐标变化分析所述立式储罐的变形情况。

另外，对外浮顶储罐三维空间模型进行数据计算罐壁高度，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。

另外，本发明的方法可以对外浮顶储罐群进行连续的监测，可以对不同期的监测数据进行对比确定储罐群的变形情况，也可以对每个外浮顶储罐的三维空间模型进行数据计算得到储罐变形指标，从而实时地监测到每个外浮顶储罐的变形情况。

上述实施例提供的一种外浮顶储罐群变形监测方法，通过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测量坐标系，从而使扫描仪测量可以自由架站，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，得到外浮顶储罐内壁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并进行安全评估，对不符合阈值要求指标进行安全预警，从而实现动态掌握外浮顶储罐变形状况，有效避免了传统变形监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。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括 所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。