王志方 徐海峰

西氣東輸南京應(yīng)急搶修中心

摘要：利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)開發(fā)了計(jì)算軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、篩選、計(jì)算和結(jié)果展示，解決了人工測(cè)量計(jì)算精度差、效率低的問題，為焊口組對(duì)提供了更多的信息，實(shí)現(xiàn)了管道換管維搶修作業(yè)測(cè)量計(jì)算自動(dòng)化、數(shù)字化。

關(guān)鍵詞：管道；維搶修；三維激光掃描；測(cè)量；精度

長(zhǎng)輸油氣管道換管維搶修作業(yè)主要工序包括舊管段切割吊離、測(cè)量計(jì)算、下料組對(duì)、焊接、檢測(cè)等[1-2]。準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算是搶修作業(yè)順利完成的基礎(chǔ)[3]，對(duì)大口徑、高鋼級(jí)管道換管作業(yè)影響尤為明顯。傳統(tǒng)人工測(cè)量方式精度低、速度慢，且對(duì)操作人員技能要求較高。利用三維激光掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)開發(fā)了“激光點(diǎn)云掃描管道換管參數(shù)計(jì)算軟件”（以下簡(jiǎn)稱計(jì)算軟件）進(jìn)行處理，以期實(shí)現(xiàn)測(cè)量計(jì)算自動(dòng)化、數(shù)字化，提高維搶修作業(yè)質(zhì)量和效率。

1 三維激光掃描測(cè)量

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，即通過對(duì)物體空間外形和輪廓進(jìn)行激光掃描，快速、大范圍采集得到物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（即空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)），并利用相關(guān)軟件建立物體的實(shí)景三維模型[4]。采用激光測(cè)量，以主動(dòng)非接觸方式快速獲取目標(biāo)表面的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，反映目標(biāo)實(shí)時(shí)現(xiàn)狀；數(shù)據(jù)量大，點(diǎn)位精度高[5]。用FARO高速三維激光掃描儀掃描換管作業(yè)兩端管口，基于相位偏移技術(shù)，掃描儀持續(xù)向外投射不同波長(zhǎng)的紅外光，接觸到對(duì)象后反射回到掃描儀，通過測(cè)量紅外線光波的相位偏移，即可準(zhǔn)確判斷掃描儀到對(duì)象的距離。使用角度編碼器測(cè)量FARO激光掃描儀的鏡像旋轉(zhuǎn)和水平旋轉(zhuǎn)，計(jì)算各點(diǎn)的X、 Y、 Z坐標(biāo)。用掃描儀SCENE軟件過濾處理兩端管口的三維空間數(shù)據(jù)模型見圖 1。

2 下料作業(yè)

計(jì)算軟件自動(dòng)提取分析三維激光掃描數(shù)據(jù)，并計(jì)算得出最終的下料尺寸及相關(guān)數(shù)據(jù)，管工據(jù)此精確完成下料作業(yè)。

2.1 計(jì)算流程

計(jì)算流程見圖 2，計(jì)算步驟包括：①現(xiàn)場(chǎng)激光掃描管道，獲取管道及管口點(diǎn)云數(shù)據(jù)；②利用SCENE 軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括濾波、剪裁；③計(jì)算軟件對(duì)預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，特征識(shí)別，優(yōu)化擬合；④獲取管道及管口下料參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.2 計(jì)算軟件

大口徑管道直管段更換作業(yè)計(jì)算過程示意見圖 3，定義兩個(gè)端面分別為上游端面（U）和下游端面（D），從端面的最高點(diǎn)起，按順時(shí)針方向?qū)�圓周等分為12份，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位分別為U1、 U2、 U3…U12和D1、 D2、 D3…D12。 軟件自動(dòng)計(jì)算各位置的距離和偏移量，以表1形式展示。三維坐標(biāo)軸上的各個(gè)偏移分量計(jì)算結(jié)果如表 2示例。

計(jì)算結(jié)果主要包括四個(gè)方面。

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

（2）“數(shù)據(jù)展示區(qū)”分別詳細(xì)列出了新管預(yù)置需要的各組數(shù)據(jù)，包括新管預(yù)制下料尺寸，在線管道上下游端面各點(diǎn)的直線距離，分別按照最長(zhǎng)基礎(chǔ)長(zhǎng)度和最短基礎(chǔ)長(zhǎng)度計(jì)算的預(yù)置管上游端面△量和下游端面△量，在線管上下游端面各點(diǎn)在各坐標(biāo)方位的偏移量，作業(yè)管工根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以直接在新管段上完成切割線標(biāo)記。

（3）“端面橢圓參數(shù)”展示在線管道上下游端面長(zhǎng)軸、短軸以及差值和各自方位，以及上下游端面在各12點(diǎn)方位的直徑，作業(yè)管工可利用這些信息完成管口矯正，提高焊口組對(duì)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(diǎn)和最低點(diǎn)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(shù)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(jù)，也可以為判斷下管組對(duì)的方位提供依據(jù)。

3 案例驗(yàn)證

3.1 模擬換管作業(yè)

模擬換管作業(yè)管道規(guī)格：管徑1 016 mm、壁厚18 mm、材質(zhì)X70鋼；管道端面情況：一端為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)系且只需一次掃描，現(xiàn)場(chǎng)無需找水平、找垂直，三角支架固定，安裝快速簡(jiǎn)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(shù)設(shè)置，按下開始按鈕啟動(dòng)掃描，旋轉(zhuǎn)一圈即完成掃描，采集的所有數(shù)據(jù)經(jīng)處理后儲(chǔ)存到存儲(chǔ)卡中；無需借助環(huán)境照明，對(duì)夜間維搶修施工作業(yè)尤其重要。

3.3 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)掃描耗時(shí)2分30秒，掃描完成后， SCENE軟件對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理，用時(shí)6分30秒。計(jì)算軟件讀取掃描數(shù)據(jù)后，一鍵完成分析、提取、計(jì)算、建模和展示，自動(dòng)采點(diǎn)測(cè)量建模和數(shù)據(jù)處理用時(shí)2分鐘，計(jì)算結(jié)果見圖 4。完成以上各步驟總時(shí)長(zhǎng)為14分鐘，相比人工測(cè)量計(jì)算縮短了大量時(shí)間。

隨后組織 經(jīng) 驗(yàn) 豐 富 的 管 工 、 焊 工 和 技 術(shù) 員 人工實(shí)測(cè)，測(cè)量結(jié)果對(duì)比見表 3。可以看 出 ， 三 維激 光 掃 描 自 動(dòng) 采 集 測(cè) 量 計(jì) 算 與 人 工 測(cè) 量 差值為﹢0.0 022 m～﹣0.0 005 m，最大差值為0.0 027 m，數(shù)據(jù)吻合度較高。

4 結(jié)論

（1）利用三維激光掃描技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了換管維搶修作業(yè)測(cè)量計(jì)算自動(dòng)化、數(shù)字化，提高了效率和精度。

（2）三維激光掃描儀測(cè)量精度±1 mm以內(nèi)，與人工測(cè)量差值為﹢0.0 022 m～﹣0.0 005 m，最大差值為0.0 027 m，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)測(cè)量計(jì)算要求，可替代人工測(cè)量，避免計(jì)算誤差以及對(duì)人員技能的依賴。

（3）計(jì)算軟件目前只開放了直管段建模，需開發(fā)大口徑管道更換彎管、站內(nèi)復(fù)雜管網(wǎng)的更換模型，以適應(yīng)更復(fù)雜的管道維搶修作業(yè)工況。

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚笑，徐蔥蔥，馬江濤，等.中俄東線國(guó)內(nèi)外維搶修技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析[J]，石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2018， 34(10)： 25-28.

[2] 王潤(rùn)思.石油天然氣管道泄漏搶修技術(shù)研究[J]，中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2017， 37(24)： 12-17.

[3] 陳安琦，馬衛(wèi)鋒，任俊杰，等.高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫缺陷修復(fù)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(shù)在廠區(qū)密集架空管線數(shù)字化中的應(yīng)用[J]，測(cè)繪工程， 2020，29(1)： 51-55.

[5] 田文波，鞏衛(wèi)華，高學(xué)明，等.三維激光掃描儀在管道修復(fù)中的應(yīng)用[J]，北京測(cè)繪， 2016(1)： 109-112.

作者簡(jiǎn)介：王志方， 1980年生，博士，高級(jí)工程師，中國(guó)石油西氣東輸管道公司南京應(yīng)急搶修中心副主任，主要從事天然氣儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)研究工作。聯(lián)系方式： 15821665595，wangzhifang@petrochina.com.cn。