CN106813587B - 一种外浮顶储罐变形监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外浮顶储罐变形监测系统，包括：数据处理装置、定位装置、设置在所述外浮顶储罐内罐壁顶部的控制点的全站仪，设置在所述外浮顶储罐的浮顶上部的至少一组扫描靶组以及设置在所述浮顶上部的至少一个测量点的三维激光扫描仪；所述定位装置用于测量所述基准点的大地坐标；所述三维激光扫描仪用于对所述扫描靶组以及所述外浮顶储罐的内壁进行扫描；所述数据处理装置获得所述定位装置、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所述外浮顶储罐的变形情况。本发明通过在远离外浮顶储罐的位置设置基准点，将三维激光扫描的立式储罐坐标转换到基准点坐标系下绝对坐标，从而实现对外浮顶储罐整体几何变形状况的精确监测。

Description

一种外浮顶储罐变形监测系统

技术领域

本发明涉及储罐安全管理及测量技术领域，尤其是一种大型外浮顶储罐变形监测系统。

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。

目前对大型立式储罐变形检定还处于离线状态，即需要将储罐清空，对罐内彻底清扫、防腐处理之后进行检定，对新建的大型立式储罐经过水试压沉降后，在空罐状态下检定。然而，在实际使用中，由于储罐使用频繁，需要连续生产作业、油品周转等客观因素，致使油库往往不能按期实施清罐检查，特别是原油储罐，清罐周期长达六、七年甚至十年以上。通常，对小容积金属储罐采用搭梯使用围尺法测量凹瘪等变形，但该方法无法准确测量出大变形的罐壁凹瘪容积。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。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种外浮顶储罐变形检测系统，通过在远离外浮顶储罐的位置设置基准点，将三维激光扫描的储罐坐标转换到基准点坐标系下绝对坐标，从而实现对外浮顶储罐整体几何变形状况的精确检测，并计算储罐关键几何变形指标，掌握外浮顶储罐几何变形安全状况。

为实现上述发明目的，本发明提供一种外浮顶储罐变形监测系统，其特征在于，所述系统包括：

数据处理装置、定位装置、设置在所述外浮顶储罐内罐壁顶部的控制点的全站仪，设置在所述外浮顶储罐的浮顶上部的至少一组扫描标靶组以及设置在所述浮顶上部的至少一个测量点的三维激光扫描仪；

其中，所述定位装置设置于所述外浮顶储罐外部的预设的基准点上，所述基准点设置在距离所述外浮顶储罐预设距离的地面上,所述定位装置用于测量所述基准点的大地坐标；

所述全站仪用于测量所述基准点与所述控制点之间的方位角以及边长数据以及所述控制点与所述测量点之间的方位角以及边长数据；

所述三维激光扫描仪用于对所述扫描标靶组以及所述外浮顶储罐的内壁进行扫描；

所述数据处理装置获得所述定位装置、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所述外浮顶储罐的变形情况。

其中，所述定位装置包括固定墩，强制归心装置和反射棱镜，所述固定墩设置在每个所述基准点上，所述强制归心装置固定在所述固定墩上，所述反射棱镜设置在所述强制归心装置上。

其中，所述定位装置还包括GPS测量仪，用于测量每个所述基准点位的大地坐标。

其中，所述扫描标靶组至少为一组，并且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。

其中，所述测量点包括第一测量点和第二测量点，所述第一测量点位于所述浮顶表面的正中心，所述第二测量点位于所述浮顶的表面，并且距所述第一测量点预设距离，所述扫描靶组设置在所述第一测量点和第二测量点之间的区域。

其中，所述基准点与所述外浮顶储罐的罐壁之间的水平距离等于所述外浮顶储罐的直径的一半。

其中，所述数据处理装置包括数据存储单元、坐标解算单元、去噪拼接单元、坐标转换单元、三维建模单元和计算分析单元；

其中，所述数据存储单元用于存储所述定位装置、全站仪和三维激光扫描仪的测量数据以及数据处理后得到的数据；

所述坐标解算单元用于根据所述全站仪测量的所述基准点与所述控制点位的方位角和边长数据，利用后方交会法解算控制点的大地坐标；

所述去噪拼接单元用于去除所述三维激光扫描仪测量的所述储罐点云数据中的噪声点；

所述坐标转换单元用于根据所述基准点坐标、控制点坐标和三维激光扫描仪坐标和点云数据文件进行坐标转换，得到大地坐标系下的点云数据。

所述三维建模单元用于根据所述大地坐标系下的点云数据建立三维模型；

所述计算分析单元根据所述三维模型，计算所述储罐的几何变形指标数据。

本发明的外浮顶储罐变形监测系统，可在大型外浮顶储罐工作状态下实施，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。

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外浮顶储罐变形监测系统的结构示意图。

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变形监测系统予以详细描述。

图1示出了本发明实施例的外浮顶储罐变形监测系统的结构示意图；

参照图1，本发明实施例提供的一种外浮顶储罐变形监测系统，包括：

数据处理装置12、定位装置10、设置在所述外浮顶储罐内罐壁顶部的控制点4的全站仪11，设置在所述外浮顶储罐的浮顶上部的至少一组扫描标靶组9以及设置在所述浮顶上部的至少一个测量点5的三维激光扫描仪7；

其中，所述定位装置10设置于所述外浮顶储罐外部的预设的基准点3上，所述基准点3设置在距离所述外浮顶储罐预设距离的地面上,所述定位装置10用于测量所述基准点的大地坐标并对所述基准点定位；

所述全站仪4用于测量所述基准点与所述控制点之间的方位角和边长数据以及所述控制点与所述测量点之间的方位角和边长数据；

所述三维激光扫描仪7用于对所述扫描标靶组9以及所述外浮顶储罐的内壁进行扫描；

所述数据处理装置获得所述定位装置、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所述外浮顶储罐的变形情况。

基准点沿着监测的外浮顶储罐的四周布设一圈，并且基准点距离储罐距离至少为0.5d，其中d为储罐直径，在每个基准点上安装定位装置10，定位装置10包括固定墩，强制归心装置和反射棱镜，所述固定墩设置在每个所述基准点上，所述强制归心装置固定在所述固定墩上，所述反射棱镜设置在所述强制归心装置上。

另外，在另一个实施例中，也可以使用在强制归心装置上设置球形标靶，并在球形标靶上黏贴反射片，从而代替反射棱镜。反射片或是反射棱镜是用于在全站仪在进行测量时，对基准点进行定位。

另外，定位装置还包括用于测量基准点的大地坐标的设备，如GPS测量仪。

进一步地，测量点至少包括位于所述浮顶上部正中心的第一测量点5，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。为了提高测量精度，在浮顶上方设置有多个测量点，如在第一测量点5的一侧设置的第二测量点6，并且相邻测量点之间设置有扫描标靶，所述扫描标靶组至少为一组，并且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。在优选的实施例中，所述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。标靶通过固定装置固定于待监测储罐外浮顶表面，从而保证在监测过程中位置严格固定。

一个实施例中，所述数据处理装置包括数据存储单元、坐标解算单元、去噪拼接单元、坐标转换单元、三维建模单元和计算分析单元；

所述数据存储单元用于存储所述定位装置、全站仪和三维激光扫描仪的测量数据以及数据处理后得到的数据；另外，数据存储单元还可以具有如下功能：数据导入更新、显示检索查询、历史数据模型回放、冗余数据剔除、数据信息管理、数据安全管理。

所述坐标解算单元用于根据所述全站仪测量的所述基准点与所述控制点位的方位角和边长数据，利用后方交会法解算控制点的坐标；

去噪拼接单元，用于去除三维激光扫描得到的储罐点云数据中的噪声点，根据标靶组中标靶点云数据对去除噪声点的储罐点云数据进行拼接，得到待测储罐整体的点云数据文件；具体用于对明显远离点云的、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；进一步地，所述去噪拼接子单元，具体用于根据不同扫描测量站点位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。

所述坐标转换单元用于根据所述基准点坐标、控制点坐标和三维激光扫描仪坐标和点云数据文件进行坐标转换，得到大地坐标下的点云数据。

所述三维建模单元用于根据所述大地坐标下的点云数据建立三维模型；

所述计算分析单元根据所述三维模型，计算所述储罐的几何变形指标数据。

进一步地，所述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。

在另一个实施例中，该监测系统还包括安全评估预警单元，其具体包括安全评估子单元，用于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。

安全预警子单元，用于判断所述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。

此外，在又一个实施例中，所述监测系统还包括监测设备管理单元、统计查询展示单元、系统日志单元，分别通过数据接口与数据存储子单元相连。其中，监测设备管理单元用于监测预警硬件的远程控制，具备不同工作单元测量参数设置、预警阈值设置、不同工作单元电池电量监测、系统故障诊断等功能；统计查询展示单元用于对不同期测量建立的储罐三维模型数据、储罐整体沉降量、倾斜量和倾斜角度、局部变形量和变形角度等数据记录数据时间、统计计算，并提供统计图、报表、图形化数据浏览查询以及三维可视化模型展示功能；系统日志单元用于提供通讯信息、操作日志等查询服务。

本发明的外浮顶储罐变形监测系统，可在大型外浮顶储罐工作状态下实施，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。

Claims (7)

1.一种外浮顶储罐变形监测系统，其特征在于，所述系统包括：

数据处理装置、定位装置、设置在所述外浮顶储罐内罐壁顶部的控制点的全站仪，设置在所述外浮顶储罐的浮顶上部的至少一组扫描标靶组以及设置在所述浮顶上部的至少一个测量点的三维激光扫描仪；

其中，所述定位装置设置于所述外浮顶储罐外部的预设的基准点上，所述基准点设置在距离所述外浮顶储罐预设距离的地面上 ,所述定位装置用于测量所述基准点的大地坐标并对所述基准点定位；所述基准点与所述外浮顶储罐的罐壁之间的水平距离等于所述外浮顶储罐的直径的一半；

所述全站仪用于测量所述基准点与所述控制点之间的方位角和边长数据以及所述控制点与所述测量点之间的方位角和边长数据；

所述三维激光扫描仪用于对所述扫描标靶组以及所述外浮顶储罐的内壁进行扫描；所述数据处理装置获得所述定位装置、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所述外浮顶储罐的变形情况；包括，以所述控制点和设于罐区外部稳定区的所述基准点为已知点，将所述基准点的绝对坐标系引入所述扫描仪的测量坐标系。

2.根据权利要求1所述的外浮顶储罐变形监测系统，其特征在于，所述定位装置包括固定墩，强制归心装置和反射棱镜，所述固定墩设置在每个所述基准点上，所述强制归心装置固定在所述固定墩上，所述反射棱镜设置在所述强制归心装置上。

3.根据权利要求1所述的外浮顶储罐变形监测系统，其特征在于，所述定位装置还包括GPS测量仪，用于测量每个所述基准点位的大地坐标。

4.根据权利要求1所述的外浮顶储罐变形监测系统，其特征在于，所述扫描标靶组至少为一组，并且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。

5.根据权利要求1所述的外浮顶储罐变形监测系统，其特征在于，所述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。

6.根据权利要求3所述的外浮顶储罐变形监测系统，其特征在于，所述测量点包括第一测量点和第二测量点，所述第一测量点位于所述浮顶表面的正中心，所述第二测量点位于所述浮顶的表面，并且距所述第一测量点预设距离，所述扫描靶组设置在所述第一测量点和第二测量点之间的区域。

7.根据权利要求1所述的外浮顶储罐变形监测系统，其特征在于，所述数据处理装置包括数据存储单元、坐标解算单元、去噪拼接单元、坐标转换单元、三维建模单元和计算分析单元；

其中，所述数据存储单元用于存储所述定位装置、全站仪和三维激光扫描仪的测量数据以及数据处理后得到的数据；

所述坐标解算单元用于根据所述全站仪测量的所述基准点与所述控制点位的方位角和边长数据，利用后方交会法解算控制点的大地坐标；

所述去噪拼接单元用于去除所述三维激光扫描仪测量的所述储罐点云数据中的噪声点；

所述坐标转换单元用于根据所述基准点坐标、控制点坐标和三维激光扫描仪坐标和点云数据文件进行坐标转换，得到大地坐标系下的点云数据；

所述三维建模单元用于根据所述大地坐标系下的点云数据建立三维模型；

所述计算分析单元根据所述三维模型，计算所述储罐的几何变形指标数据。