王志方 徐海峰

西氣東輸南京應急搶修中心

 

 

摘要：利用三維激光掃描技術進行數據采集，設計開發了計算軟件對數據進行分析、篩選、計算和結果展示，解決了人工測量計算精度差、效率低的問題，為焊口組對提供了更多的信息，實現了管道換管維搶修作業測量計算自動化、數字化。

關鍵詞：管道；維搶修；三維激光掃描；測量；精度

 

 

長輸油氣管道換管維搶修作業主要工序包括舊管段切割吊離、測量計算、下料組對、焊接、檢測等[1-2]。準確測量計算是搶修作業順利完成的基礎[3]，對大口徑、高鋼級管道換管作業影響尤為明顯。傳統人工測量方式精度低、速度慢，且對操作人員技能要求較高。利用三維激光掃描儀進行點云數據采集，設計開發了“激光點云掃描管道換管參數計算軟件”（以下簡稱計算軟件）進行處理，以期實現測量計算自動化、數字化，提高維搶修作業質量和效率。

1 三維激光掃描測量

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，即通過對物體空間外形和輪廓進行激光掃描，快速、大范圍采集得到物體表面的點云數據（即空間三維坐標數據），并利用相關軟件建立物體的實景三維模型[4]。采用激光測量，以主動非接觸方式快速獲取目標表面的三維空間坐標數據，反映目標實時現狀；數據量大，點位精度高[5]。用FARO高速三維激光掃描儀掃描換管作業兩端管口，基于相位偏移技術，掃描儀持續向外投射不同波長的紅外光，接觸到對象后反射回到掃描儀，通過測量紅外線光波的相位偏移，即可準確判斷掃描儀到對象的距離。使用角度編碼器測量FARO激光掃描儀的鏡像旋轉和水平旋轉，計算各點的X、 Y、 Z坐標。用掃描儀SCENE軟件過濾處理兩端管口的三維空間數據模型見圖 1。

2 下料作業

計算軟件自動提取分析三維激光掃描數據，并計算得出最終的下料尺寸及相關數據，管工據此精確完成下料作業。

2.1 計算流程

計算流程見圖 2，計算步驟包括：①現場激光掃描管道，獲取管道及管口點云數據；②利用SCENE 軟件對點云數據進行預處理，包括濾波、剪裁；③計算軟件對預處理后的點云數據進行處理分析，特征識別，優化擬合；④獲取管道及管口下料參數數據。

2.2 計算軟件

大口徑管道直管段更換作業計算過程示意見圖 3，定義兩個端面分別為上游端面（U）和下游端面（D），從端面的最高點起，按順時針方向將圓周等分為12份，對應的點位分別為U1、 U2、 U3…U12和D1、 D2、 D3…D12。 軟件自動計算各位置的距離和偏移量，以表1形式展示。三維坐標軸上的各個偏移分量計算結果如表 2示例。

計算結果主要包括四個方面。

（1）“三維模擬圖展示區”直觀展示了上游端面、下游端面、預置新管段以及新管段上下游端面錯位等。

（2）“數據展示區”分別詳細列出了新管預置需要的各組數據，包括新管預制下料尺寸，在線管道上下游端面各點的直線距離，分別按照最長基礎長度和最短基礎長度計算的預置管上游端面△量和下游端面△量，在線管上下游端面各點在各坐標方位的偏移量，作業管工根據這些數據可以直接在新管段上完成切割線標記。

（3）“端面橢圓參數”展示在線管道上下游端面長軸、短軸以及差值和各自方位，以及上下游端面在各12點方位的直徑，作業管工可利用這些信息完成管口矯正，提高焊口組對效率。

（4）“端面平面度及傾斜”提供了在線管道上下游端面各自的最高點和最低點值、其方位以及平均值，還提供了平面的Y軸、 Z軸傾斜角度和平面的斜口角度。這些參數可以為管工判斷是否需要再次修正在線管道端面提供依據，也可以為判斷下管組對的方位提供依據。

3 案例驗證

3.1 模擬換管作業

模擬換管作業管道規格：管徑1 016 mm、壁厚18 mm、材質X70鋼；管道端面情況：一端為標準的30°坡口端面、鈍邊1～2 mm，另一端為無坡口的平直面；管道兩端面間距約2 m。

3.2 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀自帶坐標系且只需一次掃描，現場無需找水平、找垂直，三角支架固定，安裝快速簡便，小巧輕便（4.2 kg），單人即可完成操作；配置了觸控面板，快速完成掃描參數設置，按下開始按鈕啟動掃描，旋轉一圈即完成掃描，采集的所有數據經處理后儲存到存儲卡中；無需借助環境照明，對夜間維搶修施工作業尤其重要。

3.3 測試現場應用

現場掃描耗時2分30秒，掃描完成后， SCENE軟件對數據預處理，用時6分30秒。計算軟件讀取掃描數據后，一鍵完成分析、提取、計算、建模和展示，自動采點測量建模和數據處理用時2分鐘，計算結果見圖 4。完成以上各步驟總時長為14分鐘，相比人工測量計算縮短了大量時間。

隨后組織 經 驗 豐 富 的 管 工 、 焊 工 和 技 術 員 人工實測，測量結果對比見表 3。可以看 出 ， 三 維激 光 掃 描 自 動 采 集 測 量 計 算 與 人 工 測 量 差值為﹢0.0 022 m～﹣0.0 005 m，最大差值為0.0 027 m，數據吻合度較高。

4 結論

（1）利用三維激光掃描技術，設計開發了計算軟件，實現了換管維搶修作業測量計算自動化、數字化，提高了效率和精度。

（2）三維激光掃描儀測量精度±1 mm以內，與人工測量差值為﹢0.0 022 m～﹣0.0 005 m，最大差值為0.0 027 m，滿足現場作業測量計算要求，可替代人工測量，避免計算誤差以及對人員技能的依賴。

（3）計算軟件目前只開放了直管段建模，需開發大口徑管道更換彎管、站內復雜管網的更換模型，以適應更復雜的管道維搶修作業工況。

 

參考文獻：

[1] 譚笑，徐蔥蔥，馬江濤，等.中俄東線國內外維搶修技術與標準對比分析[J]，石油工業技術監督，2018， 34(10)： 25-28.

[2] 王潤思.石油天然氣管道泄漏搶修技術研究[J]，中國石油和化工標準與質量， 2017， 37(24)： 12-17.

[3] 陳安琦，馬衛鋒，任俊杰，等.高鋼級管道環焊縫缺陷修復問題初探 [J]，天然氣與石油， 2017，35(5)： 12-17.

[4] 周永波，李秀海.三維激光掃描技術在廠區密集架空管線數字化中的應用[J]，測繪工程， 2020，29(1)： 51-55.

[5] 田文波，鞏衛華，高學明，等.三維激光掃描儀在管道修復中的應用[J]，北京測繪， 2016(1)： 109-112.

 

作者簡介：王志方， 1980年生，博士，高級工程師，中國石油西氣東輸管道公司南京應急搶修中心副主任，主要從事天然氣儲運相關研究工作。聯系方式： 15821665595，wangzhifang@petrochina.com.cn。