三维激光扫描技术在立式储罐罐壁变形检测的应用

章珉辉，郑会勇，刘文才，金禹成

（1.中国石油安全环保技术研究院有限公司，北京 102206；2.中国石油渤海装备辽河钻采装备分公司，辽宁盘锦 124010；3.北京化工大学，北京 102200）

0 引言

立式储罐由罐顶、罐壁、罐底、罐体附件四部分组成，以往大家检测关注的重点部位都是罐顶和罐底的变形，罐壁变形检测相对较少，但罐壁变形同样存在泄漏的风险，引发安全事故。现实中对罐壁检测方法比较简单，检测效率低，精度不高，多采用目视、钢板尺、卷尺、全站型电子测距仪等。引用三维激光扫描技术检测罐壁变形，提高了工作效率和检测精度，为油库安全运行提供有力保障。

1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描仪主要由两部分组成，一部分是激光测距仪，它具有较高的测量精度；另一部分是反射棱镜，它具有均匀的扫描角速度，还可以引导激光。激光测距仪通过发射的激光和反射回来的信号计算距离，从而达到测距的目的，通过测量可以得到测站与不同扫描点之间的斜距。除此之外，扫描仪还需要测量出扫描的水平方向角、垂直方向角，最后将两者结合在一起以获得测站和扫描点的相对空间坐标（图1）。在已知测站空间坐标的情况下，可以通过数学计算得到不同扫描点的空间坐标。

图1 三维激光扫描系统

激光测距仪不断发射激光并接收测量对象反射信号来测量目标与激光测距仪的距离。反射棱镜通常由一组水平反镜和一组垂直反射镜组成，用来引导激光并使激光测距仪在水平和垂直方向等角速度旋转。这样在测得每一个扫描点斜距S 的同时，可以得到水平和垂直测量角α 和θ（图2）。

图2 三维激光扫描技术原理

由式（1）可计算得该点的三维坐标。

2 三维激光扫描技术在立式储罐罐壁检测的应用

采用三维激光扫描技术对某销售公司立式储罐罐壁变形情况进行了检测，储罐容积为30 000 m3。

2.1 布站和扫描

对立式储罐采用外部扫查的方法进行检测，根据罐体大小和周边障碍物多少，确定扫描站点布设，扫描站点位置如图3 所示。

图3 布站示意

2.2 对罐体扫查收集数完成后数据处理

（1）配准和降噪。通过配准实现各站的点云数据拼接整合到同一坐标系内。在原始点云数据中，人工删除不属于目标对象本身的点。

（2）建模和对比。根据储罐设计图纸，对比原始点云数据与模型，形成储罐变形云图，观察储罐整体变形情况以及壁板任意位置的变形情况（图4）。

图4 储罐变形云图

以扶梯底端为起点，对侧为基准零点，逆时针为负，顺时针为正，展开变形云图，结果如图5 所示，确定缺陷的具体位置。

图5 网格化展开图

（3）储罐几何评价。对点云进行切片处理，定义切片间隔为0.6 m，每层切片厚度为0.001 m，充分发挥三维激光扫描技术海量数据的优势。分层导出数据并保存为.asc 格式，采用最小二乘法拟合出各层数据的圆心坐标，计算出圆心半径，得出径向偏差及椭圆度（图6）。

图6 径向外凸、内凹偏差

结合API STD 653—2018《罐检查 维修 改造和重建》分析最大外凸偏差和最大内凹偏差是否超过规定的限差。

3 对检测结果进行评估

对储罐检测结果进行分析，储罐发生明显变形可能引发安全环保事故事件，同时造成计量误差。例如，罐体圆柱度改变较大，超出环向密封装置允许的伸缩量，可能导致浮顶卡阻或升降困难，引发罐内介质外泄；罐体受力复杂化，引发应力集中，严重时导致罐体破损、介质泄漏，诱发环境污染、火灾爆炸等事故事件；罐体变形（外凸或内凹）导致储罐体积发生变化，与储罐原设计容积不符，可能造成计量误差。

发生明显变形的储罐，建议半年进行一次复检，并比对两次检测结果，关注变形情况发展趋势，进一步明确引发储罐变形原因。

4 结束语

常规储罐检测手段存在局限性，不能满足精确的、大范围、快速的检测需要。本文叙述了三维激光扫描技术原理，三维激光扫描技术对立式储罐的检测方法及对储罐检测结果的评估。此技术对储罐检测的应用提高了工作速度和效率，对罐体进行全方位扫描，检测缺陷精度高。随着技术的不断进步和设备价格的降低，三维激光扫描技术将在石油储罐检测领域得到更广泛的应用，为储库建档、安全提升保驾护航。