三維激光掃描在自升式鉆井平臺樁腿變形測量中的應用

羅 建，孫德鴻，蔣 濤

(1.中海油能源發展股份有限公司，北京100129;2.北京龍睿鑫云科技發展有限公司，北京102107)

一、引 言

近年來，隨著我國一批海上石油鉆井平臺逐漸步入高齡服役期，平臺樁腿在結構上較易發生變形，因此需要采用準確高效的測量手段來為變形狀態提供監測數據，從而為工程改造提供測量依據，為石油作業的安全運行提供保障。本文以實際測量作業為基礎，通過研究與總結，形成了一套有效的大型石油裝備結構變形測量方法。

以往對于樁腿變形通常采用全站儀進行測量，由于樁腿表面沒有標出參考線以用做全站儀測量參考點，因此通常以人工方式在樁腿表面由上而下地繪制一條與樁腿中心線平行的線條作為被測線(點)使用。由于人工繪制的線條具有一定的寬度且繪制粗略，同時無法選擇垂直于樁腿中心軸線的圓切面圓周線進行測量，從而導致全站儀測量數據的準確性受到影響。

相對于傳統工程測繪技術手段，三維激光掃描技術可以有效地解決上述難題，利用激光測距原理(瞬時測得空間點的三維坐標值)，通過不斷重復的測距采集和數據處理過程，獲取大量被測物體表面空間點的三維坐標值，形成三維激光掃描點云數據集。點云能夠實現在三維空間內精確描述設施對象的位置、形態與尺寸數據信息，可快速建立結構復雜、不規則的場景。同時，三維激光掃描測量具有非接觸性、速度快、無需設計圖紙、準確判定中心軸線、大場景掃描、后期建模、數據便捷提取等優點，可以有效地解決平臺樁腿因體量巨大、作業環境危險、中心軸線隱藏所帶來的測量難點。其為海洋石油大型裝備進行改造提供了準確可靠的依據，同時形成了一套新型的測量手段。

本文主要研究采用三維激光點云建模獲得“渤海自立號”(如圖1所示)樁腿形變測量數據的方法，以提升測量數據的準確性。

圖1 渤海自立號

二、項目測量需求和技術方法

1.項目需求

“渤海自立號”自升式平臺樁腿長度為52.73 m，直徑為1.829 m，造型從上至下通體為圓柱形構造，隨著平臺作業時間的延長，樁腿出現受力彎曲變形。出于作業的安全考慮，需要定期對樁腿形變進行測量，以作為評估改造的依據(如圖2所示)。

業主方需對自立號4條樁腿進行變形檢測，以獲得樁腿各變形塊長度、各變形塊與底部沉箱的最小傾角角度、傾角方向、樁腿變形走向等測量數據。

2.樁腿變形測量技術方法

本次測量使用徠卡C10掃描儀，并參考海洋石油三維激光掃描作業標準完成作業，以三維激光掃描點云數據為基礎，利用點云建立模型，使用Cyclone模型的角度、距離計算功能獲得測量數據，其步驟包括：

圖2 渤海自立號掃描點云集

1)利用折線段表現曲線的原理，以“樁腿中心軸偏離在5 mm范圍內視為一個直段單元”為建模依據(如圖3～圖4所示)，進行分段建模。

圖3 折線表現曲線

圖4 中心軸偏移在5 mm以內視為直段單元

以1號樁腿(49.38m)為例，將樁腿由上至下以2 m為1個單元格等距離切分成25個點云段(如圖5所示)，或者以1 m為1個單元格被切分成50個點云段，單元間隔可以根據精度要求自行定義，然后對各點云段進行圓柱建模。

圖5 點云被平均切分25段

2)建立直段模型塊。根據步驟1)，1號樁腿被分解成25個圓柱直段模型單元，將第1段圓柱模型單元(稱為1號模型)的底面向下延伸至X段圓柱模型單元(稱為X號模型)的頂面，直至1號模型中心軸的底點與X號模型中心軸的頂點的垂直距離為5 mm或接近5 mm，由此確定1號模型的長度;然后在保持1號模型中心軸頂點位置鎖定的情況下，將1號模型中心軸的底點移動重合到X號模型中心軸的頂點位置，最終確定1號模型的長度及位置。依次推導出其他各直段模型塊(如圖6所示)。

圖6 滿足中心軸偏移在5 mm這一標準，經過延伸操作1號樁腿被劃分為11個不同長度的直段模型單元

3)獲得樁腿中心軸線。連接各個直段模型單元塊標出的中心頂點、底點，繪制中心線，獲得樁腿中心軸線;使用反向Z軸視圖功能，繪制一號樁腿中心軸線走向，測量各直段模型塊節點與樁腿原點的垂直距離。

4)建立坐標系。以自立號沉淀箱頂面作為水平面(即XY軸面)，確定Z軸方向，以沉淀箱長邊外圍側面為基準，確定X軸方向，建立模型三維坐標方向，以沉淀箱頂面重心點為坐標原點。

5)進行距離、角度測量。利用Cyclone軟件內的距離、角度測量工具，測算出各直段模型單元的長度及與樁腿中心軸原點的偏移距離，測算出各直段模型與XY軸面的最小垂直角度及與XZ軸面或YZ軸面的角度。

三、“渤海自立號”測量結果節選

1)“渤海自立號”各個樁腿位置關系及坐標位置如圖7所示。

圖7 自立號4條樁腿與底部沉箱位置關系及坐標

2)1號樁腿各直段模型單元長度測量結果，以及與XY面最小傾斜角度測量結果見表1，成果如圖8、圖9所示。

圖8 測量樁腿各直段模型單元的長度及與XY面的最小傾斜角度

3)1號樁腿各直段模型單元與樁腿中心軸線偏移距離測量結果見表1，將1號樁腿各直段模型單元的頂點、底點連接形成1號樁腿的中心軸線，標示出樁腿變形走向、偏移距離、偏移走向，成果如圖9所示。

圖9

四、結束語

本文通過對“渤海自立號”自升式鉆井平臺基于三維激光點云建模的測量實踐，證明了利用三維激光掃描技術開展的形變測量方法能夠有效地解決大型石油裝備的測量難點。相對于人工測量和全站儀測量，三維激光掃描點云建模開展的形變測量方法在提升測量數據的準確性、提取參數的便捷性、判定樁腿的中心軸線、記錄不規則變形等方面具有明顯的優勢，為大型石油裝備變形檢測探索出一種新型的有效的測量手段，具有廣闊的應用推廣價值。

表1 4條樁腿各直管段模型單元測量數據

［1］Q/HS5039—2011石油化工生產設施逆向工程三維激光掃描作業標準規范［S］.北京：石油工業出版社，2011.