賴少川1 張平2 王俊強(qiáng)2

1.中國石化銷售有限公司華南分公司； 2.中國特種設(shè)備檢測研究院

摘 要： 管道變形是管道運(yùn)行過程中常見的缺陷，其相對變形深度和橢圓變形率直接影響管理者的維搶修決策，因此檢測精度至關(guān)重要。三維激光掃描技術(shù)具有高精度、適用性強(qiáng)、抗外界干擾、操作方便等特點(diǎn)，可以應(yīng)用到變形管道檢測領(lǐng)域。介紹了三維激光掃描技術(shù)在變形管道檢測中的具體方法，并通過實(shí)際工程與傳統(tǒng)工具檢測、內(nèi)變形器檢測對比驗(yàn)證，結(jié)果表明：該方法明顯提高了相對變形深度和橢圓變形率的檢測精度。

關(guān)鍵詞： 變形管道；三維形貌；激光掃描；相對變形深度；橢圓變形率

石油天然氣管道在建設(shè)和運(yùn)行過程中由于開挖機(jī)械碰撞、強(qiáng)行焊接組對、石頭擠壓、地質(zhì)災(zāi)害等原因，會導(dǎo)致凹陷、褶皺、彎曲等管道變形缺陷 [1]。這些缺陷一旦超過限度，在變形位置處的應(yīng)力集中和管道內(nèi)部介質(zhì)壓力的作用下，則極可能發(fā)生管道破裂、泄漏[2]，后果極其嚴(yán)重。同時(shí)變形程度過大，還會引起內(nèi)檢測器的卡堵，導(dǎo)致檢測事故。為避免發(fā)生上述情況，在變形管道檢測時(shí)需要精確測量并計(jì)算其變形量，然后按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)進(jìn)行管道修補(bǔ)和更換。

1 變形管道檢測方法

目前，變形管道變形量主要包括相對變形深度檢測和橢圓變形率檢測兩個(gè)方面。常見的檢測方法有兩種：一是傳統(tǒng)工具檢測。即使用直尺、深度尺、游標(biāo)卡尺等直接測量數(shù)據(jù)，然后計(jì)算相對變形深度和橢圓變形率，這種方法穩(wěn)定性差、精度低，受人為因素和環(huán)境條件影響較大。二是內(nèi)變形器檢測。在管道內(nèi)部通入帶傳感器的變形檢測器，通過角度等計(jì)算檢測管道的變形量[3]，這種方法不僅成本高，而且由于機(jī)械動態(tài)性能較差、量化誤差大，導(dǎo)致精度較低，不能滿足實(shí)際檢測要求。近年有一些新型檢測方法，但并不多見，如徐琛等學(xué)者研究了一種利用低頻渦流技術(shù)進(jìn)行變形管道檢測的方法[4]；許孟君闡述了激光影像技術(shù)在管道幾何變形檢測中的應(yīng)用方法[5]。本文詳細(xì)介紹了新型三維激光掃描技術(shù)在檢測管道相對變形深度和橢圓變形率方面的應(yīng)用，以降低誤差，提高精度，為管道正常運(yùn)行提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支持。

2 檢測原理

2.1 三維形貌激光掃描原理

三維激光掃描技術(shù)原理為：利用激光測距，記錄被測物體表面大量密集點(diǎn)的信息，包括三維坐標(biāo)、紋理、反射率等，然后快速地復(fù)建出被測物體的三維模型以及線、面、體等各種圖件云數(shù)據(jù) [6]。由于三維激光掃描系統(tǒng)能夠密集地、大量地捕捉目標(biāo)對象表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此和傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量相比，三維激光掃描技術(shù)被視為單點(diǎn)測量到面測量進(jìn)化革命的技術(shù)性突破[7]。

變形管道的三維掃描通常用手持式三維激光掃描系統(tǒng)，如圖 1所示。世界最先進(jìn)的手持三維激光掃描系統(tǒng)的精度可達(dá)0.02 mm，通過特有的自定位技術(shù)，能夠在任何場地快速實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)信息的采集。手持三維激光掃描系統(tǒng)是激光技術(shù)與影像技術(shù)相結(jié)合的掃描儀，基本構(gòu)成為一個(gè)激光發(fā)生器和兩個(gè)工業(yè)CCD（電荷藕合器件圖像傳感器）。掃描時(shí)三束激光線交叉打到被測物體表面，兩個(gè)工業(yè)CCD鏡頭捕捉激光線在物體表面發(fā)生的形變量并通過軟件計(jì)算得到物體表面的實(shí)時(shí)三維形貌[8]，同時(shí)CCD完成目標(biāo)點(diǎn)的定位和數(shù)據(jù)的拼接以獲取完成的曲面數(shù)據(jù)，生成最終的三維模型。

圖 1  變形管道三維激光掃描示意圖

2.2 圖像處理與數(shù)據(jù)計(jì)算

變形管道三維激光掃描生成的點(diǎn)云模型，可以采用數(shù)據(jù)處理功能較強(qiáng)的Geomagic數(shù)據(jù)分析軟件，將所生成的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic軟件中，對變形管道云圖的橫截面進(jìn)行切片處理，并層層篩選出變形最大的橫截面，測量出此橫截面的最小外徑和最大外徑；最后依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算變形管道的相對變形深度和橢圓變形率。

根據(jù)GB/T 30582―2014《基于風(fēng)險(xiǎn)的埋地鋼質(zhì)管道外損傷檢驗(yàn)與評價(jià)》，按照深度準(zhǔn)則，變形管道的相對變形深度不超管道外徑的6%，其計(jì)算公式如下：

變形管道的橢圓變形率一般要求不能大于0.03，若變形大但未發(fā)生截面破壞則可以不超過0.06，其計(jì)算公式如下：

3 工程驗(yàn)證

某段成品油長輸管道規(guī)格為Φ 323.9 mm×6.4 mm，由于石頭頂壓在6點(diǎn)鐘方向發(fā)現(xiàn)三處凹陷變形（分別記為凹陷1、凹陷2和凹陷3），變形較為嚴(yán)重。圖 2為凹陷1現(xiàn)場實(shí)際形貌圖。

圖 2  凹陷1現(xiàn)場實(shí)際形貌圖

對三處凹陷變形管段的表面進(jìn)行清潔處理，利用掃描精度為0.02 mm的手持三維激光掃描儀分別對三處凹陷管段進(jìn)行表面形貌掃描，保存相關(guān)點(diǎn)、線、面、體等模型數(shù)據(jù)信息，生成各自的三維模型。圖 3為凹陷1三維激光掃描形貌圖。

圖3 凹陷1三維激光掃描形貌圖

將生成的三維形貌模型依次導(dǎo)入Geomagic分析軟件中，對其進(jìn)行橫截面切片處理，篩選出

最大變形的橫截面，使用軟件內(nèi)置的測量工具分別測量最大變形橫截面的最大外徑和最小外徑。

其中凹陷1的最大管道外徑為336.550mm，如圖4所示；最小管道外徑為282.524 mm，如圖5所示。

圖 4  凹陷1最大管道外徑

圖 5  凹陷1最小管道外徑

為了對比研究，同時(shí)采用傳統(tǒng)工具和內(nèi)變形器對三處凹陷變形管段進(jìn)行檢測。采集三種檢測方法的檢測數(shù)據(jù)，并分別計(jì)算每處凹陷在不同檢測方法下的相對變形深度和橢圓變形率，如表 1所示。

將分別采用傳統(tǒng)工具、內(nèi)變形器和三維激光掃描三種檢測方法得到的三處凹陷相對變形深度進(jìn)行對比，如圖 6所示。可以看到三維激光掃描得到的每處凹陷相對變形深度最大，傳統(tǒng)工具檢測的次之，內(nèi)變形器檢測的最小。

圖 6  相對變形深度對比圖

同樣，將三處凹陷分別采用傳統(tǒng)工具、內(nèi)變形器和三維激光掃描三種檢測方法得到的橢圓變形率進(jìn)行對比，如圖 7所示�？梢钥吹饺�維激光掃描得到的每處凹陷橢圓變形率也是最大，傳統(tǒng)工具次之，內(nèi)變形器最小。

圖 7  橢圓變形率對比圖

分析以上對比結(jié)果，三維激光掃描技術(shù)檢測的凹陷相對變形深度和橢圓變形率數(shù)值都比較大，是因?yàn)槿�維激光掃描得到的凹陷三維模型是高精度還原現(xiàn)場實(shí)際形貌，計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；而傳統(tǒng)工具由于人為因素的影響，檢測數(shù)據(jù)存在一定誤差無法避免，內(nèi)變變形器由于機(jī)械振動和其它技術(shù)問題等，所得檢測數(shù)據(jù)誤差相對較大。所以，三維激光掃描技術(shù)在三種變形管道檢測方法中精度最高。

4 結(jié)論

通過三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際成品油管道凹陷變形檢測方面的應(yīng)用，以及與傳統(tǒng)工具和內(nèi)變形器檢測結(jié)果的對比分析，得到以下結(jié)論。

第一，三維激光掃描技術(shù)檢測所得的變形管段的相對變形深度和橢圓變形率數(shù)值較大，對管道管理者的維搶修決策影響最為保守。

第二，目前三維激光掃描技術(shù)在變形管道檢測方面精度最高，傳統(tǒng)工具次之，內(nèi)檢測器相對較低。

除此之外，變形管道檢測僅僅是三維激光掃描技術(shù)在壓力管道應(yīng)用的一個(gè)方面，場站、閥室、工廠管道裝置的三維建模、模型分析、場景模擬等也是三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，有助于推動油氣管道的智能化管理，保障管道運(yùn)行安全。

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作者：賴少川，男， 1968年生，高級工程師，現(xiàn)任中國石化銷售有限公司華南分公司副總經(jīng)理，主要從事管道管理、完整性管理等工作。

（本篇論文獲第六屆中國管道完整性管理技術(shù)交流大會二等獎(jiǎng)， 經(jīng)作者同意，本刊轉(zhuǎn)載時(shí)有刪改。）