贾勇帅,独知行,郭巍,陈哲(山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛 266590)

大型储油罐变形数据处理与分析

贾勇帅∗,独知行,郭巍,陈哲
(山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛 266590)

摘 要:通过对某油库大型储油罐的观测实例,介绍了TM30在油罐测量的原理,并分析了确定圆心坐标的方法的精度,选取MATLAB进行程序设计对油罐的变形数据进行自动化处理,得出一系列几何参数,该方法明显提高了工作效率。通过这些几何参数来分析该储油罐几何形体的形变情况,为人员生命安全和安全生产提供了依据。

关键词:油罐;TM30;程序设计;数据处理与分析

1 引 言

当今世界大多数国家都采用钢制储油罐储存石油,其中在我国应用最广泛的是立式钢制浮顶油罐。随着科技水平的不断发展,储油罐结构的规模一直在向着大型甚至是超大型的方向发展。储油罐的大型化不仅使我国的战略石油储备迈向了一个新的台阶,也给石油石化行业的原油的存储、输送带来了极大的便利,但与此同时,储油罐的大型化对储油罐的安全性能也提出了更高的要求,这些更高的要求其中之一就体现在储油罐的几何形体变形检测上[1]。

本文选取的目标储油罐隶属于某石油化工集团管道储运公司,位于我国东部沿海某大型商业储备油库中。该油罐于2002年建造完成并投产使用,公称半径30 000 mm,属于典型的双盘型浮顶油罐。该罐建造年代较早,服役时间较长,受罐内液位的反复升降、地面沉降、沿海风力较大以及日照较强等因素的影响,该储罐的形体可能已发生垂直倾斜和水平偏移等形体上的变化[2],因此,需对储罐的几何形体变形情况重新进行检测、评估。

2 测量原理与仪器操作

测量选用的仪器是徕卡公司生产的TM30型电子全站仪,TM30是最新的能替代人力进行自动搜索、跟踪并能精确照准目标同时获取所需要的距离、三维坐标以及其他有用信息的电子全站仪,通常称作”测量机器人”[3]。

根据不同的测量环境和条件,我们将检测储油罐形体变形的方法分为了罐内测量和罐外测量。本文所进行讨论的是以罐内测量为基础,罐内测量的工作原理是利用测量机器人(以徕卡TM30为例)根据仪器自带的罐内测量程序自动进行全角度的扫描测点并记录数据而进行的。

图1　罐内测量原理示意图

如图1所示,测量时只需将测量机器人架设于浮顶中心位置,打开仪器中的罐内测量程序,并测定或设置以下几个参数即可开始测量:

(1)壁板的圈数以及各圈板的高度;

(2)基准点和起始点位置及高程;

(3)进行偏心改正的随机选取的罐壁三点坐标;

(4)镜头转动的角度步进值(一般为7．5°);

参数设置完毕后,仪器将进行自检,之后开始数据采集。我们将得到各圈壁板1/4和3/4处的均匀分布的所需测点坐标(x,y,z),这也就意味着每一圈钢板的形体参数我们将用这圈钢板的1/4和3/4处来共同描述,这样做可以有效地减少偶然误差。

3 程序设计

3．1确定圆心坐标方法的精度分析

储罐形体偏差计算首先需要设定一个基准进行对比,通常情况下我们都是以起始圈板为基准圈板。从仪器中导出的数据是各圈板1/4和3/4处一系列离散的点的坐标。我们将首先利用起始圈所测得的离散点,这些点在理论上可以拟合成一个基准圆。从起始圈各测点坐标开始,拟合成基准圆并求出该基准圆圆心坐标,然后根据拟合圆心坐标拟合出空间直线进行倾斜度的计算。

利用已知点的坐标来拟合圆的方法非常多,可以直接分别计算48个离散点x,y坐标平均值进行简单的圆心估算。

以及通过最小二乘拟合求圆心的坐标,圆的基础方程为:

经过变换可得:r

根据最小二乘准则:

达到最小就能构造出一个圆,为了方便计算,特将公式改写为:

通过表1比较可知采取最小二乘拟合圆求得相应的拟合圆心精度较高[4],因此选取最小二乘拟合法确定圆心坐标。

圆心坐标精度对比结果 表1

3．2几何参数数学模型

径向偏差反映了储油罐在水平方向上偏转变形程度,若某个方向上的径向偏差超过一定的限差,则该油罐存在安全隐患。各离散点到拟合圆心的半径与标准半径的差即径向偏差。

圈板椭圆度的计算是以径向偏差为基础的,两个对径点到拟合圆心距离之和可以构成这圈壁板拟合圆的一条直径。圈板椭圆度实际上是径向偏差的进一步推算,规定中并没有单独列出椭圆度的限差值,只需作为径向偏差的一个参考项即可。

3．3MATLAB数据处理程序设计

TM30采集得到的各离散点坐标数量为48∗n个(n为扫描罐体的圈数),通过Excel也能进行数据的处理得到需要的几何参数,但是由于数据量过大,需要进行反复的人工计算,在计算的过程中容易由于人为的原因产生错误,耗时耗力。本文通过MATLAB[7,8]进行程序设计预期达到的功能如图2所示:

在理想状态下,储油罐是完全垂直于地面的。当储罐发生倾斜时,其各圈板的拟合圆心也会发生改变,圆心之间的连线也就不再垂直于地面。若将各圈圈板所构成的拟合圆的圆心拟合成一条空间直线[5,6],求出直线与平面的夹角就是倾斜度。

zi-zo

图2　程序设计流程图

由于主要是对数据进行处理,所以可视化界面选取的控件为两个Push Button分别为“数据处理”、“数据检测”和两个Edit Text控件分别用来“输入n”和“显示空间直线方程”。

[filename,pathname] = uigetfile('∗．xlsx','选择数据');%检测测量数据是否有遗漏或者重复。

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),'行出错了'))

end end n=get(handles．edit1,'string');%然后输入n来确定扫描的圈数

n=str2num(n)

[filename,pathname] =uigetfile('∗．xlsx','选择数据')

fid=[pathname,filename]

K=1

for i=1:48:48∗(n-1)+1; % TM30采集的点的坐标数据是48∗n个(n为对油罐进行了扫描圈数的次数),所以需要反复进行n次数据的读取。

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%计算所需几何参数

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)%判断并找出半径的最大测量误差。

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

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

end end

4 实例数据分析

由国家能源局发布的SY/ T5921-2011《立式圆筒形钢制焊接油罐操作维护修理规程》中第5．9．2．3条规定了大型立式常压储罐底圈板和其余圈板内表面上任意点半径的允许偏差(径向偏差),其中底圈板以上各圈板的半径允许偏差为底圈板半径允许偏差的3倍。其中45 m

径向偏差误差对比结果 表2

在表2上可以明显看出罐体半径的最大测量偏差在误差允许范围内,但是随着高度增加罐体的最大测量偏差从外倾向内倾变化。在图3上可以明显看出红色标记的直径中上部罐体存在较大的变形,所以有可能是因为储罐在长期高罐位贮油的情况下,油压力对中部圈板的压迫导致了中上部圈板的轻微变形。

为了对油罐的形体变形情况进行全面的了解,还需要对油罐的倾斜度进行分析,利用圈板拟合圆心数据进行空间直线的拟合,进一步得到倾斜度。

从表3上我们可以看出,x有增大的趋势,y有增大的趋势,若将基准圆圆心作为参考,其他各圈板1/4处和3/4处的圆心都位于基准圆心的东北面,说明该罐有向东北方向倾斜的趋势,我们可以更直观的在图4上看出。

图3　罐体俯视图

圈板拟合圆心数据 表3

图4　拟合圆心空间图

根据MATLAB拟合得到空间直线方程,主要代码如下:

随机选取两点坐标( -0．0096, 0．0058,0),( -0．0089,0．0065, 1 ),利用式( 9 )可得倾斜度为0．056 7°,远低于JJG168-2005《立式金属罐容量检定规程》第5．3条规定:“罐体倾斜度不得超过1°”。

T=[z;ones(1,length(z))]; %拟合空间直线方程

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})

最后得到拟合圆心在空间的直线方程:

5 结 语

本文通过MATLAB进行了数据处理,相比Excel处理数据,通过本程序不但工作效率有了明显提升,而且通过对数据分析可以看出罐体存在微小的几何形体变形,径向偏差较小,符合规定,有较轻微的倾斜趋势,倾斜方向为东偏北,倾斜度为0．056 7°,也在误差允许范围内,证明此罐的状况良好。

参考文献

[1] 武铜柱．大型立式油罐发展综述[J]．石油化工设备技术,2004(3):56～59．

[2] 张玉平,陶彬,郎需庆等．大型储罐变形评估技术研究及应用[J]．安全、健康和环境,2014(5):43～47,53．

[3] 刘朋姣,侯东亚．徕卡TM30在罐体扫描检测中的开发及应用[J]．测绘通报,2010(10):73～74．

[4] 张应芳,张爱国,苏积聪等．观测圆上多个任意点及其圆心坐标拟合[J]．黑龙江工程学院学报,2014(2):27～31．

[5] 袭杨．空间直线拟合的一种方法[J]．齐齐哈尔大学学报,2009(2):64-68．

[6] 姚宜斌,黄书华,孔建等．空间直线拟合的整体最小二乘算法[J]．武汉大学学报·信息科学版,2014(5):571～574．

[7] 罗华飞．MATLAB GUI设计学习手记(第二版)[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2011．

[8] 阮沈勇,王永利,桑群芳．MATLAB程序设计[M]．北京:电子工业出版社,2003．

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

文章编号:1672-8262(2015)06-117-04中图分类号:P258

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—09—25

作者简介:贾勇帅(1991—),男,硕士研究生,研究方向变形监测。