王志方 徐海峰

西气东输南京应急抢修中心

 

 

摘要：利用三维激光扫描技术进行数据采集，设计开发了计算软件对数据进行分析、筛选、计算和结果展示，解决了人工测量计算精度差、效率低的问题，为焊口组对提供了更多的信息，实现了管道换管维抢修作业测量计算自动化、数字化。

关键词：管道；维抢修；三维激光扫描；测量；精度

 

 

长输油气管道换管维抢修作业主要工序包括旧管段切割吊离、测量计算、下料组对、焊接、检测等[1-2]。准确测量计算是抢修作业顺利完成的基础[3]，对大口径、高钢级管道换管作业影响尤为明显。传统人工测量方式精度低、速度慢，且对操作人员技能要求较高。利用三维激光扫描仪进行点云数据采集，设计开发了“激光点云扫描管道换管参数计算软件”（以下简称计算软件）进行处理，以期实现测量计算自动化、数字化，提高维抢修作业质量和效率。

1 三维激光扫描测量

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，即通过对物体空间外形和轮廓进行激光扫描，快速、大范围采集得到物体表面的点云数据（即空间三维坐标数据），并利用相关软件建立物体的实景三维模型[4]。采用激光测量，以主动非接触方式快速获取目标表面的三维空间坐标数据，反映目标实时现状；数据量大，点位精度高[5]。用FARO高速三维激光扫描仪扫描换管作业两端管口，基于相位偏移技术，扫描仪持续向外投射不同波长的红外光，接触到对象后反射回到扫描仪，通过测量红外线光波的相位偏移，即可准确判断扫描仪到对象的距离。使用角度编码器测量FARO激光扫描仪的镜像旋转和水平旋转，计算各点的X、 Y、 Z坐标。用扫描仪SCENE软件过滤处理两端管口的三维空间数据模型见图 1。

2 下料作业

计算软件自动提取分析三维激光扫描数据，并计算得出最终的下料尺寸及相关数据，管工据此精确完成下料作业。

2.1 计算流程

计算流程见图 2，计算步骤包括：①现场激光扫描管道，获取管道及管口点云数据；②利用SCENE 软件对点云数据进行预处理，包括滤波、剪裁；③计算软件对预处理后的点云数据进行处理分析，特征识别，优化拟合；④获取管道及管口下料参数数据。

2.2 计算软件

大口径管道直管段更换作业计算过程示意见图 3，定义两个端面分别为上游端面（U）和下游端面（D），从端面的最高点起，按顺时针方向将圆周等分为12份，对应的点位分别为U1、 U2、 U3…U12和D1、 D2、 D3…D12。 软件自动计算各位置的距离和偏移量，以表1形式展示。三维坐标轴上的各个偏移分量计算结果如表 2示例。

计算结果主要包括四个方面。

（1）“三维模拟图展示区”直观展示了上游端面、下游端面、预置新管段以及新管段上下游端面错位等。

（2）“数据展示区”分别详细列出了新管预置需要的各组数据，包括新管预制下料尺寸，在线管道上下游端面各点的直线距离，分别按照最长基础长度和最短基础长度计算的预置管上游端面△量和下游端面△量，在线管上下游端面各点在各坐标方位的偏移量，作业管工根据这些数据可以直接在新管段上完成切割线标记。

（3）“端面椭圆参数”展示在线管道上下游端面长轴、短轴以及差值和各自方位，以及上下游端面在各12点方位的直径，作业管工可利用这些信息完成管口矫正，提高焊口组对效率。

（4）“端面平面度及倾斜”提供了在线管道上下游端面各自的最高点和最低点值、其方位以及平均值，还提供了平面的Y轴、 Z轴倾斜角度和平面的斜口角度。这些参数可以为管工判断是否需要再次修正在线管道端面提供依据，也可以为判断下管组对的方位提供依据。

3 案例验证

3.1 模拟换管作业

模拟换管作业管道规格：管径1 016 mm、壁厚18 mm、材质X70钢；管道端面情况：一端为标准的30°坡口端面、钝边1～2 mm，另一端为无坡口的平直面；管道两端面间距约2 m。

3.2 三维激光扫描仪

三维激光扫描仪自带坐标系且只需一次扫描，现场无需找水平、找垂直，三角支架固定，安装快速简便，小巧轻便（4.2 kg），单人即可完成操作；配置了触控面板，快速完成扫描参数设置，按下开始按钮启动扫描，旋转一圈即完成扫描，采集的所有数据经处理后储存到存储卡中；无需借助环境照明，对夜间维抢修施工作业尤其重要。

3.3 测试现场应用

现场扫描耗时2分30秒，扫描完成后， SCENE软件对数据预处理，用时6分30秒。计算软件读取扫描数据后，一键完成分析、提取、计算、建模和展示，自动采点测量建模和数据处理用时2分钟，计算结果见图 4。完成以上各步骤总时长为14分钟，相比人工测量计算缩短了大量时间。

随后组织 经 验 丰 富 的 管 工 、 焊 工 和 技 术 员 人工实测，测量结果对比见表 3。可以看 出 ， 三 维激 光 扫 描 自 动 采 集 测 量 计 算 与 人 工 测 量 差值为﹢0.0 022 m～﹣0.0 005 m，最大差值为0.0 027 m，数据吻合度较高。

4 结论

（1）利用三维激光扫描技术，设计开发了计算软件，实现了换管维抢修作业测量计算自动化、数字化，提高了效率和精度。

（2）三维激光扫描仪测量精度±1 mm以内，与人工测量差值为﹢0.0 022 m～﹣0.0 005 m，最大差值为0.0 027 m，满足现场作业测量计算要求，可替代人工测量，避免计算误差以及对人员技能的依赖。

（3）计算软件目前只开放了直管段建模，需开发大口径管道更换弯管、站内复杂管网的更换模型，以适应更复杂的管道维抢修作业工况。

 

参考文献：

[1] 谭笑，徐葱葱，马江涛，等.中俄东线国内外维抢修技术与标准对比分析[J]，石油工业技术监督，2018， 34(10)： 25-28.

[2] 王润思.石油天然气管道泄漏抢修技术研究[J]，中国石油和化工标准与质量， 2017， 37(24)： 12-17.

[3] 陈安琦，马卫锋，任俊杰，等.高钢级管道环焊缝缺陷修复问题初探 [J]，天然气与石油， 2017，35(5)： 12-17.

[4] 周永波，李秀海.三维激光扫描技术在厂区密集架空管线数字化中的应用[J]，测绘工程， 2020，29(1)： 51-55.

[5] 田文波，巩卫华，高学明，等.三维激光扫描仪在管道修复中的应用[J]，北京测绘， 2016(1)： 109-112.

 

作者简介：王志方， 1980年生，博士，高级工程师，中国石油西气东输管道公司南京应急抢修中心副主任，主要从事天然气储运相关研究工作。联系方式： 15821665595，wangzhifang@petrochina.com.cn。