法如三维激光扫描仪应用三维激光扫描仪替代传统方法应用于大容积计量可行性验证.docx
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法如三维激光扫描仪应用三维激光扫描仪替代传统方法应用于大容积计量可行性验证
三维激光扫描仪替代传统方法
应用于大容积计量可行性验证
-----山东东营11#罐检测可行性验证
一、研究背景
山东东营11#浮顶罐出现了浮顶在14米高度被卡住无法继续向上升起的问题。
数联空间于6月21日对山东东营的11#浮顶罐进行了三维激光扫描测量，获取油罐内部三维激光点云数据。
同时，还使用了传统方法按照管道储运公司企业标准Q/SHGD0047-2000进行测量进行比对，通过两种不同方法测量获取数据的比对，探讨三维激光扫描仪在立式圆筒形钢制焊接油罐计量方面的可行性。
图1、山东东营11#浮顶罐
二、验证方案
根据情况应按照管道储运公司企业标准Q/SHGD0047-2000中要求，本文重点分析罐圈板椭圆度检测、量油管导向管垂直度检测。
1）罐圈板椭圆度检测
根据管道储运公司企业标准Q/SHGD0047-2000中要求，我们同样适用三维激光扫描仪代替全站仪设立在浮顶中央位置对油罐进行测量。
图2、扫描仪采集的油罐点云
步骤一、按照传统测试方法所标注的点位，提取距离罐顶13.6米处一圈96个点的坐标数据，在该方法中，通过扫描仪以及数据空间自主研发软件快速导出了从1号点位开始每隔3.7°提取一个半径值，并按照标准中直径计算公式计算得出的48个直径数据，如下表
距离罐顶高度（m）
圆弧编号
扫描仪提取点位半径
扫描仪获取直径（m）
传统方式获取直径（m）
13.6
1
30.026
59.97033293
59.981
13.6
2
30.0344
59.9861349
59.995
13.6
3
30.0377
60.01146453
60.014
13.6
4
30.0297
60.01767281
60.04
13.6
5
30.0395
60.03300834
59.998
13.6
6
30.0393
60.02689054
60.049
13.6
7
30.0385
60.03366712
60.042
13.6
……
……
……
……
13.6
43
29.9709
59.97000241
59.992
13.6
44
29.9529
59.96581857
59.982
13.6
45
29.9531
59.98059393
59.99
13.6
46
29.9465
59.98033661
59.998
13.6
47
29.945
59.97722264
59.995
13.6
48
29.9301
59.96194364
59.989
表1、距离罐顶13.6米处直径比对表
步骤二、对比表1中扫描仪获取直径（m）和传统方式获取直径（m），如下图：
步骤三、为了验证数据重复性，提取13米处数据，方法同步骤一、二，获得下图：
表3、13m处直径数据对比（蓝色为扫描仪、红色为传统方式）
从以上两个对比表，可以看出，三维激光扫描仪在罐圈板椭圆度的测量中可以替代全站仪或经纬仪方式而且数据重复性较好。
三维激光扫描作为一种新的测量方式，拥有更高的油罐检测效率。
在东营11#罐的测量过程中。
扫描仪只用了半天时间就完成了测量工作，而传统全站仪经纬仪方式则需要数日之久。
2）导向管量油管垂直度检测
通过三维激光扫描仪获取的油罐数据，可以快速提取量油管和导向管的点云数据，通过对点云数据的拟合，可以得到量油管和导向管的数字模型，通过计算机自动计算出模型的方向以及与水平方向的偏差。
图3、导向管和量油管点云
图4、导向管和量油管水平方向偏差
图4表明导向管基本垂直于水平面，量油管倾斜角很小，arctan（0.00357）≈0.204°。
3）量油管导向管断面检测
可以通过扫描仪每隔一定距离截取量油管和导向管的断面并测量其圆心距离来判断变形情况。
图5、截取导向管量油管断面
如下表：
导向管距罐顶13.6米向上每隔0.5米中心点坐标
量油管距离罐顶13.6米向上每隔0.5米中心点坐标
点序号
x
y
z
点序号
x
y
z
Pt1
-15.586112
-1.692047
-0.352
Pt21
15.61614
-50.2042
-0.352
Pt2
-15.585973
-1.695168
0.148
Pt22
15.61903
-50.2059
0.148
Pt3
-15.588325
-1.68981
0.648
Pt23
15.61848
-50.2042
0.648
……
……
……
……
……
……
……
Pt17
-15.590402
-1.693681
7.648
Pt37
15.60688
-50.2067
7.648
Pt18
-15.590616
-1.694222
8.148
Pt38
15.61436
-50.1996
8.148
Pt19
-15.587776
-1.69189
8.648
Pt39
15.61552
-50.1996
8.648
Pt20
-15.587051
-1.686933
9.148
Pt40
15.60705
-50.2041
9.148
表4、导向管、量油管断面中心点坐标
导向管到量油管对应中心点距离
点序号
距离
平均距离
与平均值偏差
Pt1
57.6802376
57.6834263
-0.0032
Pt2
57.68051389
57.6834263
-0.0029
Pt3
57.68459082
57.6834263
0.0012
……
……
……
……
Pt19
57.67705976
57.6834263
-0.0064
Pt20
57.68001477
57.6834263
-0.0034
表6、导向管到量油管距离与均值的差
由以上分析可知，导向管与量油管在距离罐顶6米左右的位置中心点距离变化比较大，这有可能是影像浮顶无法上升的原因之一。
由此就为问题排查提供了重要的科学依据。
4）罐体与标准罐对比检测
三维激光扫描仪还可以生成罐体与拟合标准罐的表面对比分析数据，如下图：
图6、罐体与标准罐表面对比
图7、明显的不吻合缝隙示意图
由图6、可以非常直观的看出罐体相对于设计标准罐/拟合标准罐的表面偏差，红色代表突出部分，蓝色代表凹陷部分，可以看出东营11#罐是分为6个部分凹凸交替的罐，图7中有明显的不吻合缝隙。
这有可能是影像浮顶无法上升的原因之一。
由此就为问题排查提供了重要的科学依据。
5）浮顶上升模拟
通过计算机模拟技术，还可以模拟浮顶的上升过程，获得干扰检查模拟，直观的看出浮顶在上升过程中那些位置发生了碰撞。
图中红色区域为浮顶上升过程可能碰撞到的部分
图8、浮顶上升模拟图
三、结论
通过三维激光扫描仪代替全站仪或经纬仪在罐圈板椭圆度、量油管导向管垂直度的测量及一系列分析，可看出扫描仪与传统测量方法相比，在精度上不相上下；在效率上，大大提高了油罐检测施工效率；在实用上，三维激光扫描仪分析方式更灵活，更多样，能胜任油罐的各种检测。
希望今后能更多地进行扫描仪油罐计量，丰富扫描仪在油罐方面的案例经验，使扫描仪这一武器能够更加切实有效地发挥在计量领域的威力。
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