CN110553597B - 一种焦炭塔筒体变形的三维激光扫描检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焦炭塔筒体变形的三维激光扫描检测方法，包括以下步骤：(1)检测前准备；(2)扫描仪与切焦器喷嘴连接；(3)检测参数及远程控制设置；(4)进入焦炭塔扫描检测；(5)取出拆卸及结果确认；(6)生成变形焦炭塔筒体点云数据；(7)建立未变形焦炭塔点云数据或三维模型；(8)焦炭塔变形量及变形位置分析。

Description

一种焦炭塔筒体变形的三维激光扫描检测方法

技术领域

本发明涉及一种对石化领域延迟焦化装置焦炭塔设备筒体变形损伤的检测方法，更特别地说，是指一种基于三维激光扫描检测技术，对在役焦炭塔设备的筒体变形进行在线快速检测的方法。

背景技术

焦炭塔是炼油厂生产焦炭的关键设备，其生产工艺是延迟焦化过程，其作用是为原料提供热分解和综合的反应场所。焦炭塔操作条件苛刻，是承受热机械应力循环的压力容器。一般说来，焦炭塔的整个运行周期为24-48小时，焦炭塔的工艺流程包括蒸汽加热、充油、水冷和卸盖除焦四个阶段。每个生产周期，塔内温度从室温到490℃循环变化。频繁的加热和冷却使焦炭塔筒体以及筒体与裙座连接处产生很高循环热应力，因此焦炭塔极易因低周热机械疲劳损伤产生塔体变形及焊缝开裂。美国石油协会(API)曾对焦炭塔运行状况做过三次调查，结果发现在焦炭塔的破坏事例中，约61％的焦炭塔发生筒体鼓胀变形，约97％发生了筒体环向开裂。

筒体鼓胀变形是焦炭塔最普遍的缺陷之一。主要的变形包括：塔壁的局部凹凸变形，筒体的鼓胀变形。由于环焊缝具有较高的屈服强度且厚度比母材厚一些，因而显示出较少的鼓胀，最终导致整个焦炭塔产生糖葫芦状鼓胀。鼓胀变形测量数据的准确程度对于能否有效评估塔的安全性起到了关键作用。研究鼓胀变形的问题关键在确定鼓胀变形量临界值大小，实际的变形量是否超过临界值可作为失效标准之一。因此，如何更加准确的对焦炭塔的筒体变形损伤情况进行检测，对于预防焦炭塔开裂失效，保障焦炭塔的安全运行具有重要意义。

然而，国内目前对焦炭塔的检验大多采用传统停机检验方法，主要针对内表面的腐蚀、裂纹及材质劣化等缺陷进行检测，对筒体变形的尺寸测量相对较少，国内程茂等人(《大型焦炭塔鼓胀变形的分析和测量》)使用激光全站仪对焦炭塔变形进行了检测，但该方法需要停机进入焦炭塔内部进行检测，且效率较低，也无法精确得到整体变形情况。目前，国内尚无焦炭塔筒体变形的在线快速检测技术。

三维激光扫描技术又叫做“实景复制技术”，它是一项整合了光、机、电多项先进技术的测量手段，采用大地测量和摄影测量相结合的方法，可以进行无接触性地、快速的空间扫描，获得测量目标的空间坐标和色彩等信息等，其结果以点云数据的形式存在，通过计算机处理后可以清晰地反映物体的点、线、面的数据。目前，国外一些研究已经开始使用三维激光扫描技术检测焦炭塔变形，但其检测的具体实施方法并没有详细阐述，是否能够在线快速检测并不清楚，而国内尚无该方法在焦炭塔筒体变形检测方面的应用。

针对以上问题，本发明开发了一种基于三维激光扫描检测技术，对在役焦炭塔设备的筒体变形进行在线快速检测的方法，从而用以更加准确、快速、高效的检测焦炭塔的损伤状态。

发明内容

为更加准确高效的检测焦炭塔的筒体形变损伤，本发明开发了一种基于三维激光扫描检测技术，对在役焦炭塔设备的筒体变形进行在线快速检测的方法。

一种焦炭塔筒体变形的三维激光扫描检测方法，包括以下步骤：(1)检测前准备；(2)扫描仪与切焦器喷嘴连接；(3)检测参数及远程控制设置；(4)进入焦炭塔扫描检测；(5)取出拆卸及结果确认；(6)生成变形焦炭塔筒体点云数据；(7)建立未变形焦炭塔点云数据或三维模型；(8)焦炭塔变形量及变形位置分析。

具体操作如下：

(1)检测前准备：在焦炭塔水冷清焦阶段结束后，通过压缩空气排净切焦器喷嘴内的剩余水，使焦炭塔内部温度降低至50℃以内。

(2)扫描仪与切焦器喷嘴连接：采用连接工装连接切焦器喷嘴与三维激光扫描仪，将扫描仪垂直放置，并位于钻焦口正中间位置，保证其上下移动期间无阻碍，不与钻焦口器壁碰撞。

(3)检测参数及远程控制设置：设置三维激光扫描仪检测参数；设置扫描仪远程连接控制；设置定位杆，用以确定检测方位。

(4)进入焦炭塔扫描检测：缓慢下降切焦器和扫描仪，避免扫描仪与钻焦口器壁接触或碰撞；扫描仪下降至上封头与筒体的连接焊缝时停止移动，并通过远程控制开始进行扫描检测。

(5)取出拆卸及结果确认：扫描检测完成后缓慢上升切焦器和扫描仪，上升至合适高度后拆卸工装及扫描仪。

(6)生成变形焦炭塔筒体点云数据：根据扫描检测数据结果，生成变形焦炭塔的筒体点云数据。

(7)建立未变形焦炭塔点云数据或三维模型：根据原始未变形焦炭塔的三维激光扫描检测结果生成未变形焦炭塔点云数据，或根据原始设计尺寸建立未变形焦炭塔三维模型。

(8)焦炭塔变形量及变形位置分析：将变形焦炭塔点云数据和未变形焦炭塔点云数据或未变形焦炭塔三维模型进行比对分析，得出变形焦炭塔的变形量云图及变形区域范围大小，并根据定位杆方位确定焦炭塔的变形位置。

本发明基于三维激光扫描检测技术的在役焦炭塔设备的筒体变形在线快速检测的方法优点在于：

(A)本发明采用三维激光扫描检测技术检测焦炭塔筒体变形，检测时间3-5分钟，检测精度1mm，检测范围覆盖整个筒体，可以快速准确的获得焦炭塔整个筒体的变形情况，是一种先进、快速、高效的检测方法。

(B)本发明利用焦炭塔水冷清焦阶段结束后的间隙时间进行在线检测，不需要装置停车，不影响焦炭塔正常运行，检测计划可灵活安排，节省了停工检测成本，保障了装置连续运行。

(C)本发明检测过程采用远程控制，自动化程度高，不需要人员进入焦炭塔内部，不需要搭架子拆保温等其他配合工作，大大降低了检测成本，保障了检测人员安全。

(D)本发明所使用的三维激光扫描检测及分析技术均有成熟的商用设备及软件支持，便于现场操作和快速分析，无技术门槛或条件限制。

(E)使用本发明可以对在役焦炭塔鼓胀量及筒体变形进行检测，根据检测结果输出的点云数据和三维模型可视化程度高，便于掌握焦炭塔整体变形情况。检测结果可用于指导重点位置的停车检测，还可以直接导入ansys等专业有限元分析软件，用于后续应力应变计算及剩余寿命预测，对于提高焦炭塔管理水平，保障焦炭塔安全运行具有重要意义。

附图说明

图1：焦炭塔变形量云图

具体实施方式

下面结合说明书和具体实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但并非限制本发明，本发明也并非仅局限于下属实施例的内容，下述所使用的试验方法若无特殊说明，均为本技术领域现有的常规方法。

本发明具体检测方法如下：

步骤1检测前准备

在焦炭塔水冷清焦阶段结束后，通过压缩空气排净切焦器喷嘴内的剩余水，焦炭塔内部温度应降低到50℃以内。

步骤2扫描仪与切焦器喷嘴连接

采用连接工装连接切焦器喷嘴与三维激光扫描仪，使扫描仪垂直放置，并位于钻焦口正中间位置，保证其上下移动期间无阻碍，不会与钻焦口器壁碰撞。

步骤3检测参数及远程控制设置

设置三维激光扫描仪检测参数，包括扫描距离、扫描分辨率、扫描质量等参数。

设置扫描仪WLAN远程连接控制，使其可以通过手机或电脑等设备进行无线远程控制；

设置定位杆，使其能够被扫描到但不影响焦炭塔整体扫描结果，用以确定检测方位。

步骤4进入焦炭塔扫描检测

以最慢速度下降钻杆及切焦器，下降过程避免扫描仪与钻焦口器壁接触或碰撞。扫描仪下降到约上封头与筒体连接焊缝时停止移动，并通过远程控制开始进行扫描检测。

步骤5取出拆卸及结果确认

扫描检测完成后以最慢速度上升钻杆及切焦器，当扫描仪出钻焦口后拆卸工装及扫描仪。检查扫描检测结果，如有问题重复上述操作。

步骤6生成变形焦炭塔筒体点云数据

根据扫描检测结果，采用专业分析软件进行降噪拼接等处理，如FARO SCENE，生成变形焦炭塔筒体点云数据。

步骤7建立未变形焦炭塔原始三维模型

根据原始未变形焦炭塔的三维激光扫描检测结果生成未变形焦炭塔点云数据；或根据原始设计尺寸，采用AUTOCAD、SOLIDWORKS等专业建模软件建立未变形焦炭塔三维模型。

步骤8焦炭塔变形量及变形位置分析

采用专业分析软件，如Geomagic Studio，将变形焦炭塔筒体点云数据和未变形焦炭塔的点云数据或三维模型进行对比分析，得出变形焦炭塔的变形量云图及变形区域范围大小，并根据定位杆方位确定焦炭塔的变形位置。

实施例1

所检测焦炭塔的基本信息及检测设备信息如表1所示，该焦炭塔2016年内部检验，采用物理测量法实测内径最大值为6300mm，设计内径为6100mm，内径增大量约为200mm。但该检测方法得到的变形量和位置均较为粗略。

表1 焦炭塔检测基本参数

由于无焦炭塔原始尺寸的实际测量数据，因此参考设计结构尺寸建立未变形焦炭塔的三维模型。

采用本方法对该焦炭塔进行检测，根据实际测量结果得到的变形焦炭塔筒体点云数据，并与未变形焦炭塔三维模型进行比对分析。结果如图1所示。由图1可见，该焦炭塔下部出现典型糖葫芦状变形，最大鼓胀量221mm：第一个鼓凸，高度位置距下封头与筒体焊缝1650mm，鼓凸高度162mm；第二个鼓凸，高度位置下封头与筒体焊缝3790mm，鼓凸高度221mm；第三个鼓凸，高度位置下封头与筒体焊缝5550mm，鼓凸高度155mm；第四个鼓凸，高度位置下封头与筒体焊缝6550mm，鼓凸高度158mm；第五个鼓凸，高度位置下封头与筒体焊缝7550mm，鼓凸高度114mm。

根据以上检测结果，找到焦炭塔鼓凸最严重位置(第二个鼓凸)，拆除保温后进行现场宏观检测，确实存在鼓凸变形情况，验证了本方法的准确性。

Claims (4)

1.一种焦炭塔筒体变形的三维激光扫描检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)检测前准备；(2)扫描仪与切焦器喷嘴连接；(3)检测参数及远程控制设置；(4)进入焦炭塔扫描检测；(5)取出拆卸及结果确认；(6)生成变形焦炭塔筒体点云数据；(7)建立未变形焦炭塔点云数据或三维模型；(8)焦炭塔变形量及变形位置分析；

所述步骤(1)为在焦炭塔水冷清焦阶段结束后，通过压缩空气排净切焦器喷嘴内的剩余水，使焦炭塔内部温度降低至50℃以内；

所述步骤(2)为采用连接工装连接切焦器喷嘴与三维激光扫描仪，将扫描仪垂直放置，并位于钻焦口正中间位置，保证其上下移动期间无阻碍，不与钻焦口器壁碰撞；

所述步骤(4)为缓慢下降切焦器和扫描仪，避免扫描仪与钻焦口器壁接触或碰撞；扫描仪下降至上封头与筒体的连接焊缝时停止移动，并通过远程控制开始进行扫描检测；

所述步骤(7)为根据原始未变形焦炭塔的三维激光扫描检测结果生成未变形焦炭塔点云数据，或根据原始设计尺寸建立未变形焦炭塔三维模型；

所述步骤(8)为将变形焦炭塔点云数据和未变形焦炭塔点云数据或未变形焦炭塔三维模型进行比对分析，得出变形焦炭塔的变形量云图及变形区域范围大小，并根据定位杆方位确定焦炭塔的变形位置。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(3)为设置三维激光扫描仪检测参数；设置扫描仪远程连接控制；设置定位杆，用以确定检测方位。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(5)为扫描检测完成后缓慢上升切焦器和扫描仪，上升至合适高度后拆卸工装及扫描仪。

4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(6)为根据扫描检测数据结果，生成变形焦炭塔的筒体点云数据。

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