賈勇帥,獨(dú)知行,郭巍,陳哲(山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266590)

大型儲(chǔ)油罐變形數(shù)據(jù)處理與分析

賈勇帥?,獨(dú)知行,郭巍,陳哲
(山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266590)

摘 要:通過(guò)對(duì)某油庫(kù)大型儲(chǔ)油罐的觀測(cè)實(shí)例,介紹了TM30在油罐測(cè)量的原理,并分析了確定圓心坐標(biāo)的方法的精度,選取MATLAB進(jìn)行程序設(shè)計(jì)對(duì)油罐的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理,得出一系列幾何參數(shù),該方法明顯提高了工作效率。通過(guò)這些幾何參數(shù)來(lái)分析該儲(chǔ)油罐幾何形體的形變情況,為人員生命安全和安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞:油罐;TM30;程序設(shè)計(jì);數(shù)據(jù)處理與分析

1 引 言

當(dāng)今世界大多數(shù)國(guó)家都采用鋼制儲(chǔ)油罐儲(chǔ)存石油,其中在我國(guó)應(yīng)用最廣泛的是立式鋼制浮頂油罐。隨著科技水平的不斷發(fā)展,儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)的規(guī)模一直在向著大型甚至是超大型的方向發(fā)展。儲(chǔ)油罐的大型化不僅使我國(guó)的戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備邁向了一個(gè)新的臺(tái)階,也給石油石化行業(yè)的原油的存儲(chǔ)、輸送帶來(lái)了極大的便利,但與此同時(shí),儲(chǔ)油罐的大型化對(duì)儲(chǔ)油罐的安全性能也提出了更高的要求,這些更高的要求其中之一就體現(xiàn)在儲(chǔ)油罐的幾何形體變形檢測(cè)上[1]。

本文選取的目標(biāo)儲(chǔ)油罐隸屬于某石油化工集團(tuán)管道儲(chǔ)運(yùn)公司,位于我國(guó)東部沿海某大型商業(yè)儲(chǔ)備油庫(kù)中。該油罐于2002年建造完成并投產(chǎn)使用,公稱半徑30 000 mm,屬于典型的雙盤型浮頂油罐。該罐建造年代較早,服役時(shí)間較長(zhǎng),受罐內(nèi)液位的反復(fù)升降、地面沉降、沿海風(fēng)力較大以及日照較強(qiáng)等因素的影響,該儲(chǔ)罐的形體可能已發(fā)生垂直傾斜和水平偏移等形體上的變化[2],因此,需對(duì)儲(chǔ)罐的幾何形體變形情況重新進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估。

2 測(cè)量原理與儀器操作

測(cè)量選用的儀器是徠卡公司生產(chǎn)的TM30型電子全站儀,TM30是最新的能替代人力進(jìn)行自動(dòng)搜索、跟蹤并能精確照準(zhǔn)目標(biāo)同時(shí)獲取所需要的距離、三維坐標(biāo)以及其他有用信息的電子全站儀,通常稱作”測(cè)量機(jī)器人”[3]。

根據(jù)不同的測(cè)量環(huán)境和條件,我們將檢測(cè)儲(chǔ)油罐形體變形的方法分為了罐內(nèi)測(cè)量和罐外測(cè)量。本文所進(jìn)行討論的是以罐內(nèi)測(cè)量為基礎(chǔ),罐內(nèi)測(cè)量的工作原理是利用測(cè)量機(jī)器人(以徠卡TM30為例)根據(jù)儀器自帶的罐內(nèi)測(cè)量程序自動(dòng)進(jìn)行全角度的掃描測(cè)點(diǎn)并記錄數(shù)據(jù)而進(jìn)行的。

圖1　罐內(nèi)測(cè)量原理示意圖

如圖1所示,測(cè)量時(shí)只需將測(cè)量機(jī)器人架設(shè)于浮頂中心位置,打開儀器中的罐內(nèi)測(cè)量程序,并測(cè)定或設(shè)置以下幾個(gè)參數(shù)即可開始測(cè)量:

(1)壁板的圈數(shù)以及各圈板的高度;

(2)基準(zhǔn)點(diǎn)和起始點(diǎn)位置及高程;

(3)進(jìn)行偏心改正的隨機(jī)選取的罐壁三點(diǎn)坐標(biāo);

(4)鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)的角度步進(jìn)值(一般為7．5°);

參數(shù)設(shè)置完畢后,儀器將進(jìn)行自檢,之后開始數(shù)據(jù)采集。我們將得到各圈壁板1/4和3/4處的均勻分布的所需測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z),這也就意味著每一圈鋼板的形體參數(shù)我們將用這圈鋼板的1/4和3/4處來(lái)共同描述,這樣做可以有效地減少偶然誤差。

3 程序設(shè)計(jì)

3．1確定圓心坐標(biāo)方法的精度分析

儲(chǔ)罐形體偏差計(jì)算首先需要設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,通常情況下我們都是以起始圈板為基準(zhǔn)圈板。從儀器中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)是各圈板1/4和3/4處一系列離散的點(diǎn)的坐標(biāo)。我們將首先利用起始圈所測(cè)得的離散點(diǎn),這些點(diǎn)在理論上可以擬合成一個(gè)基準(zhǔn)圓。從起始圈各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)開始,擬合成基準(zhǔn)圓并求出該基準(zhǔn)圓圓心坐標(biāo),然后根據(jù)擬合圓心坐標(biāo)擬合出空間直線進(jìn)行傾斜度的計(jì)算。

利用已知點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)擬合圓的方法非常多,可以直接分別計(jì)算48個(gè)離散點(diǎn)x,y坐標(biāo)平均值進(jìn)行簡(jiǎn)單的圓心估算。

以及通過(guò)最小二乘擬合求圓心的坐標(biāo),圓的基礎(chǔ)方程為:

經(jīng)過(guò)變換可得:r

根據(jù)最小二乘準(zhǔn)則:

達(dá)到最小就能構(gòu)造出一個(gè)圓,為了方便計(jì)算,特將公式改寫為:

通過(guò)表1比較可知采取最小二乘擬合圓求得相應(yīng)的擬合圓心精度較高[4],因此選取最小二乘擬合法確定圓心坐標(biāo)。

圓心坐標(biāo)精度對(duì)比結(jié)果 表1

3．2幾何參數(shù)數(shù)學(xué)模型

徑向偏差反映了儲(chǔ)油罐在水平方向上偏轉(zhuǎn)變形程度,若某個(gè)方向上的徑向偏差超過(guò)一定的限差,則該油罐存在安全隱患。各離散點(diǎn)到擬合圓心的半徑與標(biāo)準(zhǔn)半徑的差即徑向偏差。

圈板橢圓度的計(jì)算是以徑向偏差為基礎(chǔ)的,兩個(gè)對(duì)徑點(diǎn)到擬合圓心距離之和可以構(gòu)成這圈壁板擬合圓的一條直徑。圈板橢圓度實(shí)際上是徑向偏差的進(jìn)一步推算,規(guī)定中并沒(méi)有單獨(dú)列出橢圓度的限差值,只需作為徑向偏差的一個(gè)參考項(xiàng)即可。

3．3MATLAB數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

TM30采集得到的各離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)量為48?n個(gè)(n為掃描罐體的圈數(shù)),通過(guò)Excel也能進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理得到需要的幾何參數(shù),但是由于數(shù)據(jù)量過(guò)大,需要進(jìn)行反復(fù)的人工計(jì)算,在計(jì)算的過(guò)程中容易由于人為的原因產(chǎn)生錯(cuò)誤,耗時(shí)耗力。本文通過(guò)MATLAB[7,8]進(jìn)行程序設(shè)計(jì)預(yù)期達(dá)到的功能如圖2所示:

在理想狀態(tài)下,儲(chǔ)油罐是完全垂直于地面的。當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生傾斜時(shí),其各圈板的擬合圓心也會(huì)發(fā)生改變,圓心之間的連線也就不再垂直于地面。若將各圈圈板所構(gòu)成的擬合圓的圓心擬合成一條空間直線[5,6],求出直線與平面的夾角就是傾斜度。

zi-zo

圖2　程序設(shè)計(jì)流程圖

由于主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,所以可視化界面選取的控件為兩個(gè)Push Button分別為“數(shù)據(jù)處理”、“數(shù)據(jù)檢測(cè)”和兩個(gè)Edit Text控件分別用來(lái)“輸入n”和“顯示空間直線方程”。

[filename,pathname] = uigetfile('?．xlsx','選擇數(shù)據(jù)');%檢測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)是否有遺漏或者重復(fù)。

fid=[pathname,filename]

n=get(handles．edit8,'string');n=str2num(n) for i=48:48:48?n

C=['c',num2str(i),':','c',num2str(i)] str1=xlsread(fid,C);str1=num2str(str1) a=strcmp(str1,'48') if a= =0

msgbox(strcat('第',num2str(i-48),'到',num2str (i),'行出錯(cuò)了'))

end end n=get(handles．edit1,'string');%然后輸入n來(lái)確定掃描的圈數(shù)

n=str2num(n)

[filename,pathname] =uigetfile('?．xlsx','選擇數(shù)據(jù)')

fid=[pathname,filename]

K=1

for i=1:48:48?(n-1)+1; % TM30采集的點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)是48?n個(gè)(n為對(duì)油罐進(jìn)行了掃描圈數(shù)的次數(shù)),所以需要反復(fù)進(jìn)行n次數(shù)據(jù)的讀取。

x=['d',num2str(i),':','d',num2str(i+47)] x=xlsread(fid,x);x=[x]'

y=['e',num2str(i),':','e',num2str(i+47)] y=xlsread(fid,y);y=[y]'

h=['f',num2str(i),':','f',num2str(i+47)]

z=xlsread(fid,h);z=[z]'

z=mean(z) [x0,y0] =circ(x,y);yx=[x0,y0] for j=1:24%計(jì)算所需幾何參數(shù)

r(j)= sqrt((x(j)-A)^2+(y(j)-B)^2)

r(j+24)= sqrt((x(j+24)-A)^2+(y(j+24)-B)^2) d(j)= r(j)+r(j+24) end

cha=max(d)-min(d);du=cha/ mean(d) k=k+1

F=['f',num2str(k)]

j=['a',num2str(i),':','b',num2str(i)]

[data,str] =xlsread(fid,j);data=num2str(data) bt=str{2};bt=strcat({data},{bt}) ma=max(r)-30;mi=min(r)-30; if abs(ma)＞abs(mi)%判斷并找出半徑的最大測(cè)量誤差。

xlswrite('C:UsersAdministratorDesktop1．xlsx',1000?ma,'sheet1',F); else

xlswrite('C:UsersAdministratorDesktop1．xlsx',1000?mi,'sheet1',F);

end end

4 實(shí)例數(shù)據(jù)分析

由國(guó)家能源局發(fā)布的SY/ T5921-2011《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》中第5．9．2．3條規(guī)定了大型立式常壓儲(chǔ)罐底圈板和其余圈板內(nèi)表面上任意點(diǎn)半徑的允許偏差(徑向偏差),其中底圈板以上各圈板的半徑允許偏差為底圈板半徑允許偏差的3倍。其中45 m

徑向偏差誤差對(duì)比結(jié)果 表2

在表2上可以明顯看出罐體半徑的最大測(cè)量偏差在誤差允許范圍內(nèi),但是隨著高度增加罐體的最大測(cè)量偏差從外傾向內(nèi)傾變化。在圖3上可以明顯看出紅色標(biāo)記的直徑中上部罐體存在較大的變形,所以有可能是因?yàn)閮?chǔ)罐在長(zhǎng)期高罐位貯油的情況下,油壓力對(duì)中部圈板的壓迫導(dǎo)致了中上部圈板的輕微變形。

為了對(duì)油罐的形體變形情況進(jìn)行全面的了解,還需要對(duì)油罐的傾斜度進(jìn)行分析,利用圈板擬合圓心數(shù)據(jù)進(jìn)行空間直線的擬合,進(jìn)一步得到傾斜度。

從表3上我們可以看出,x有增大的趨勢(shì),y有增大的趨勢(shì),若將基準(zhǔn)圓圓心作為參考,其他各圈板1/4處和3/4處的圓心都位于基準(zhǔn)圓心的東北面,說(shuō)明該罐有向東北方向傾斜的趨勢(shì),我們可以更直觀的在圖4上看出。

圖3　罐體俯視圖

圈板擬合圓心數(shù)據(jù) 表3

圖4　擬合圓心空間圖

根據(jù)MATLAB擬合得到空間直線方程,主要代碼如下:

隨機(jī)選取兩點(diǎn)坐標(biāo)( -0．0096, 0．0058,0),( -0．0089,0．0065, 1 ),利用式( 9 )可得傾斜度為0．056 7°,遠(yuǎn)低于JJG168-2005《立式金屬罐容量檢定規(guī)程》第5．3條規(guī)定:“罐體傾斜度不得超過(guò)1°”。

T=[z;ones(1,length(z))]; %擬合空間直線方程

N=T?A';O=T?B';M=T?T';a=(MN)';b=(MO)' a=['x=',num2str(a(1)),'?z+',num2str(a(2))]

b=['y=',num2str(b(1)),'?z+',num2str(b(2))] set(handles．edit2,'string',{a,b})

最后得到擬合圓心在空間的直線方程:

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)MATLAB進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理,相比Excel處理數(shù)據(jù),通過(guò)本程序不但工作效率有了明顯提升,而且通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析可以看出罐體存在微小的幾何形體變形,徑向偏差較小,符合規(guī)定,有較輕微的傾斜趨勢(shì),傾斜方向?yàn)闁|偏北,傾斜度為0．056 7°,也在誤差允許范圍內(nèi),證明此罐的狀況良好。

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Processing and Analysis of Deformation Data of Large Oil Storage Tank

Jia Yongshuai,Du Zhixing,Guo Wei,Chen Zhe
(Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

Abstract:the principle of TM30 in the oil tank measurement is introduced through a observational instances of large storage tanks in this paper, analyze the Precision of the Method which determines the center of the circle and a series of geometric parameters are obtained by using the program design of MATLAB．The method has obviously improved the working efficiency．In order to ensure the life safety and safety in production the deformation of the geometrical shape of the oil tank is analyzed．

Key words:oil tank; TM30; program design; data processing and analysis

文章編號(hào):1672-8262(2015)06-117-04中圖分類號(hào):P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

收稿日期:?2015—09—25

作者簡(jiǎn)介:賈勇帥(1991—),男,碩士研究生,研究方向變形監(jiān)測(cè)。