三維激光掃描技術在管道維搶修作業(yè)中的應用

王志方 徐海峰 孫寶龍 王繼坤

（中國石油西氣東輸管道公司南京應急搶修中心，江蘇 南京 210046）

0 引言

長輸油氣管道換管維搶修作業(yè)主要工序包括舊管段的切割吊離、測量計算、下料組對、焊接、檢測等[1-2]，其中準確的測量計算是搶修作業(yè)順利完成的基礎[3]，特別是大口徑、高鋼級管道的換管搶修作業(yè)直接影響到整個搶修作業(yè)的進程。目前國內在管道換管作業(yè)中測量下料還在使用盒尺、角尺等測量工具進行人工測量和計算，這種傳統(tǒng)的方式測量精度低、速度慢，且對操作人員的技能要求較高，特別是大口徑、高鋼級、厚壁管及彎管的更換，人工測量易產生誤差，尤其是長距離、來回彎的測量。利用三維激光掃描儀進行點云數(shù)據(jù)采集，掃描測量需要對接的2 個管口，通過計算軟件進行處理，獲得管口對接參數(shù)，為管道換管搶修提供準確的測量計算解決方案，該技術精度高、速度快、工作強度小。利用三維激光掃描技術實現(xiàn)了換管作業(yè)中測量計算作業(yè)的自動化、數(shù)字化，提高了作業(yè)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”，它是通過對物體空間外形和輪廓進行激光掃描，快速、大范圍地采集物體表面的點云數(shù)據(jù)（即空間三維坐標數(shù)據(jù)），并利用相關軟件建立物體的實景三維模型的技術方法和手段[4]。它改變了傳統(tǒng)的測量方式，主動非接觸式的快速獲取目標表面的三維空間坐標數(shù)據(jù)，能夠快速地反映目標的實時狀態(tài)。數(shù)據(jù)量大、點位精度高，可以非常精確地采集目標表面的數(shù)據(jù)信息。采用主動方式進行激光測量[5]。由于三維激光掃描技術的獨特優(yōu)勢，其在各專業(yè)技術領域的應用也日漸廣泛，其中在事故處理、變形檢測、土方精確測量、數(shù)字化建模、工業(yè)設計、數(shù)字化工廠等方面得到了廣泛應用[6]。

基于三維激光掃描技術的特點和優(yōu)勢，利用FARO 高速三維激光掃描儀對管道進行掃描[7]。FARO 三維激光掃描儀在測量距離時，采用相位偏移技術，從掃描儀持續(xù)向外投射不同波長的紅外光，當接觸到對象后，會反射回掃描儀，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。通過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。利用掃描儀SCENE 軟件進行過濾處理，管道的三維空間數(shù)據(jù)模型如圖1所示。

圖1 管道三維空間數(shù)據(jù)模型圖

2 下料計算

根據(jù)管道換管搶修作業(yè)測量、計算和下料的方法和技術，結合三維掃描數(shù)據(jù)的特點，挖掘出真實需要的關鍵技術參數(shù)指標，編制了“激光點云掃描管道換管參數(shù)計算軟件”，對三維激光掃描的數(shù)據(jù)進行自動提取分析，并計算和給出最終的下料尺寸數(shù)據(jù)，換管作業(yè)過程中的管工可以直接利用這些信息就能夠精確地完成下料作業(yè)。

2.1 計算流程

計算流程如圖2 所示，具體計算步驟包括以下4 個部分。1）現(xiàn)場激光三維管道掃描，獲取管道及管口的點云數(shù)據(jù)。2）利用SCENE 軟件對點云數(shù)據(jù)進行預處理，包括濾波、剪裁。3）利用“激光點云掃描管道換管參數(shù)計算軟件”對預處理后的點云數(shù)據(jù)進行處理分析，特征識別，優(yōu)化擬合。4）獲取管道及管口的下料參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖2 計算流程圖

2.2 激光點云掃描管道換管參數(shù)計算軟件

計算軟件針對大口徑管道更換直管段作業(yè)，依據(jù)實際作業(yè)計算過程，定義2 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，按順時鐘方向將圓周等分為12份，對應的點位分別為U1、U2、U3…U12 和D1、D2、D3…D12。軟件將自動計算各位置的距離和偏移量，見表1。

表1 垂直面偏移計算列表

計算結果除了上下游端面點位對應的垂直面偏移距離，還有三維坐標軸上的各個偏移分量，計算結果見表2。

表2 三維偏移分量計算結果表

激光點云掃描管道換管參數(shù)計算軟件主界面如圖3 所示。“三維模擬圖展示區(qū)”對上游端面、下游端面、預置新管段以及新管段上下游端面錯位進行了三維模擬和展示。“數(shù)據(jù)展示區(qū)”分別詳細列出了新管預置需要的各組數(shù)據(jù)，包括新管預制下料尺寸、展示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2 種方式，計算預置管上游端面的Δ 量和下游端面的Δ 量，線管上下游端面各點在各坐標方位的偏移量，維搶修作業(yè)的管工利用這些數(shù)據(jù)就可以直接在新管段上完成切割線的標記。“端面橢圓參數(shù)”展示在線管道上下游端面各自的長軸、短軸以及差值和各自方位，還給出了上下游端面在各12 點方位的直徑，維搶修作業(yè)的管工可利用橢圓參數(shù)提供的信息，完成管口矯正等作業(yè)，提高焊口組對的效率。“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(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的方位提供依據(jù)。

3 應用案例

搭建換管作業(yè)應用測試平臺如圖4 所示，管道規(guī)格：管徑1 016 mm、壁厚18 mm、材質X70 鋼。2 個管道端面間距約2 m，即該次應用是為1 016 mm 管道更換2 m 短節(jié)的換管作業(yè)，圖4 中顯示已將2 m 舊管段切割吊離，應用三維激光掃描儀進行管道測量，利用激光點云掃描管道換管參數(shù)，計算軟件處理掃描儀點云數(shù)據(jù)得到兩管端間需要下料新管段的參數(shù)。

圖3 計算軟件主界面

3.1 掃描儀安裝掃描

因為掃描儀自帶坐標系且只需一次掃描，所以不用在現(xiàn)場找水平、找垂直。三角支架可以快速固定在條件惡劣的現(xiàn)場，甚至是水里面。掃描儀小巧輕便（4.2 kg），單人即可完成操作。這樣極大地提高了掃描儀現(xiàn)場的安裝速度，簡化了安裝要求，適合油氣管道維搶修現(xiàn)場使用。掃描儀配置了觸控面板，可以快速完成掃描參數(shù)的設置，按下開始按鈕后掃描儀立即開始掃描。掃描期間，掃描儀和管口之間不允許有物體遮擋，掃描儀旋轉一圈完成掃描并給出結束提示。掃描儀旋轉一圈，采集管口端面的所有數(shù)據(jù)信息并經過處理后儲存到存儲卡中，以備后期進行數(shù)據(jù)分析和應用。激光掃描儀可在白天或者黑夜對管口進行掃描，無需借助環(huán)境照明，對于夜間施工的管道維搶現(xiàn)場來說尤其重要。現(xiàn)場掃描的時間為2.5 min。

3.2 掃描數(shù)據(jù)處理

掃描儀掃描完成后，使用SCENE 軟件對數(shù)據(jù)進行預處理，裁剪不需要的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)預處理的時間為6.5 min。利用激光點云掃描管道換管參數(shù)，計算軟件讀取三維掃描數(shù)據(jù)后，一鍵完成分析、提取、計算、建模和展示，計算結果如圖5 所示。三維激光掃描自動采點測量建模和數(shù)據(jù)處理時間為2 min。以上各步驟操作總時間為14 min，相比人工測量計算縮短了大量時間。

3.3 與人工測量的對比分析

在完成三維激光掃描自動采點測量后，組織經驗豐富的管工、焊工和技術員一起對測試平臺管道兩端各點的距離進行實測，并記錄了測量結果，測量結果對比見表3。從測試結果可看出，三維激光掃描自動采集測量計算與人工測量差值范圍為+0.0022 m ～-0.0005 m，最大差值為0.0027 m，數(shù)據(jù)吻合度較高，并省略人工測量誤差。

表3 測試結果對比表

4 結論

該文在對大口徑、長輸管道換管維搶修作業(yè)深入分析的基礎上，引入利用三維激光掃描技術，并設計開發(fā)了實用性強、計算快、精度高的測算軟件。實現(xiàn)了換管維搶修作業(yè)測量計算自動化、數(shù)字化，代替了傳統(tǒng)人工盒尺測量，提高了效率和精度。三維激光掃描儀測量精度在±1 mm 以內，并通過了1 016 mm 管道測試平臺的驗證，其與人工測量的差值

范圍為+0.0022 m ～-0.0005 m，最大差值為0.0027 m，證明該套方案在測量精度和效率上均滿足現(xiàn)場作業(yè)測量計算的需求，并提高了作業(yè)的精度和效率。此外，利用軟件和儀器替代人工，避免了人工測量、計算的誤差以及對人員技能的依賴。激光點云掃描管道換管參數(shù)計算軟件目前只開放了直管段的建模，未來將根據(jù)現(xiàn)場的應用開發(fā)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(yè)工況。

圖4 測試平臺

圖5 計算結果