全站儀在立式油罐容積表編制中的應用

張 恒

〔軍需能源質量監督總站濟南質量監督站〕

立式油罐是大型油庫最為常見的一種儲油容器。立式油罐容積表準確與否對于油庫日常管理至關重要。隨著新建或大修油罐的逐年增多，編制立式油罐容積表任務越來越重。傳統編制油罐容積表方法多采用圍尺法或注水法，費時費力，特別是對于10 000 m3以上儲油罐，傳統方法已不能滿足需要。近年來，全站儀內測法測量立式油罐容積正逐步推廣應用。與傳統方法相比，工作效率和準確性明顯提高。

1 全站儀測量立式油罐容積的原理及方法

1.1 全站儀

全站儀是一種集光、機、電為一體的高技術測量儀器，具有角度測量、距離(斜距、平距、高差)測量、三維坐標測量、導線測量、交會定點測量和放樣測量等多種用途，已廣泛應用于工程施工測量中。在立式油罐測量時，可以通過激光反射原理測量立式油罐各圈板的半徑和徑向偏差以及底板各點的標高。

1.2 建立幾何模型

利用全站儀測定油罐容積表，一般采用幾何測量法，分為底量和圓柱體量兩部分，分別建立不同的數學模型，再將兩者之和相加。

1.2.1 底量的數學模型

底量即罐底最高點水平面以下的容量。由于油罐底部凸凹不平，建立數學模型時，采用微積分的原理，將油罐底部劃分為若干個同心圓臺(如圖1)，每一個圓臺可認為是規則的圓柱體。測量時，在罐底上確定等面積同心圓和半徑交點的位置，交點的數目由底部測量所需精度和它的凹凸不平的程度確定，從罐底中心到同心圓周的距離根據所分圓環面積相等的條件決定，確定測量點后用全站儀分別測出各點的標高。

圖1 底量的幾何模型

1.2.2 圓柱體的數學模型

油罐底量以上部分可認為是規則的圓柱體，每一圈板圓柱體的直徑相同，越往上圈板直徑越小，測量出圈板直徑和圈板高(如圖2)，即可計算出圓柱體容量。

圖2 油罐圓柱體的數學模型

1.3 全站儀編制容積表方法

1.3.1 全站儀的架設

檢定人員攜帶全站儀進入油罐后，首先需要確定全站儀架設位置，一般可以將全站儀架設到油罐中心位置，用全站儀測量垂直4個方向的水平距離，進行位置微調，將全站儀移到中心。使用全站儀自帶水平泡，將全站儀調節水平，如果油罐底板凸凹度及彈性較大，可以用重物壓在全站儀附近，以保持測量過程中全站儀水平。

1.3.2 下計量基準點確定

通過上計量基準點的自由下垂線與計量板表面的相交點叫做下計量基準點，一般在下基準的油罐底板上焊接直徑30 cm鋼板作為計量板，下基準點在計量板上。檢定時，一名檢定人員到油罐頂部，從油罐計量檢尺口放下量油尺，另一名檢定人員用記號筆在油罐底板上記錄下計量基準點位置，同時兩人配合測量油罐參照高度。

1.3.3 油罐底量的測量

全站儀架設油罐底部圓心后，應根據油罐的大小確定測量點數。以2 000 m3油罐為例，應選擇8個方向，每個方向間隔45°，打開全站儀激光瞄準功能，在第一圈板的下焊縫，用記號筆記錄8個方向；再根據檢定規程規定的半徑計算式，在每條方向上確定8個點，共確定64個點，將地板分成8個同心圓臺，并利用全站儀測距功能，測量這64個點的標高，利用微積分原理和處理軟件計算出油罐底量。

1.3.4 圈板高度的測量

將全站儀調節水平，用激光點分別瞄準第一塊圈板的下焊縫和上焊縫測距，兩次測距的高程差即為該圈板的高度。依次類推，從下至上，儀器自動記錄每塊圈板的高度。

1.3.5 圈板直徑測量

根據檢定規程，第一圈板需測量圈板3/4處直徑，其他圈板需測量圈板1/4和3/4處直徑。進入全站儀測量系統后，標定全站儀標高，設置測量每圈測量角度，儀器自動計算測量點數，可以自動測量每個圓周的n個半徑值。

1.3.6 油罐壁厚測量

由于油罐壁厚對油罐的靜壓力修正值有影響，所以也需要對壁厚進行測量。測量時，在油罐外壁圈板高1/4和3/4處，分別涂上耦合劑，再用超聲波測厚儀測量，取兩數平均值作為該圈板壁厚，依此類推，對每層圈板進行測量。

1.3.7 數據處理

罐內測量結束后，可將全站儀內數據導出，錄入到計算機軟件中，輸入罐內溫度、底量標高、基準點標高等數據，可以導出該油罐容積表，包括大數表、小數表和靜壓力修正表。

2 全站儀內測法與傳統方法的比較

2.1 全站儀法省時省力，自動化程度高

圍尺法：需要在選定的圍尺位置，用磁性表座將鋼卷尺緊貼于罐壁，再用夾尺器夾住尺帶，用拉力計給尺帶施加與尺帶檢定狀態下相同的拉力，取兩次測量的平均值作為該位置的周長，整個過程最少需要4個人在1.5 h內完成，如果兩次測量結果超過規定允差，需繼續測量一直到連續兩次測量結果均符合規定的允差。

注水法：需要通過流量計向油罐注水，再用量油尺測量油罐內水高，通過水高和流量計示數換算為容積表，較為費時費力、準確度不高。

全站儀內測法：只需一個人進入油罐將全站儀穩定地安裝在接近圓心的位置，調整水平后，設置儀器參數，手動測量各圈板焊縫標高，然后啟動自動測量，即可由儀器自動生成各圈板的半徑，可以大幅度節省人力，而且自動化程度高。例如測量2 000 m3的油罐，測量一圈半徑30條，時間不超過20 min。并且，在數據處理上，全站儀有一套完整的數據處理軟件，只需將儀器測量的數據導入軟件，即可得出檢定規程要求的各項指標，與手工計算相比，更加快捷、可靠、準確。

2.2 全站儀法準確度較高，重復性誤差小

自動化儀器與手工測量相比明顯的優勢就是減少了人為因素帶來的誤差。立式油罐是由鋼板焊接而成，表面通常凹凸不平，特別是罐底更是呈不規則幾何形狀。在手工測量底量時，由于人手較多和人員的走動，對罐底的形狀有很大的影響，導致測量結果誤差不確定。而使用全站儀法，只需將全站儀架設到罐底的幾何中心，然后進行激光取點即可，經多次試驗表明，重復性誤差很小。

2.3 全站儀法成本較低，經濟效益較好

一方面，傳統手工測量一座2 000 m3油罐需多人耗時約一周，而全站儀法僅需一天，節省了人工費用。另一方面，全站儀法效率高，容積表編制完后，即可驗收封罐進油，間接提高了庫存實力，較好地利用了油罐的儲存能力，具有很好的經濟效率。

3 測量注意事項

3.1 做好測量前的安全措施

進入油罐前，應關閉手機，穿著防靜電服和膠鞋，戴上口罩，用油氣濃度測試儀在人孔口測量油氣濃度，最好用兩臺以上儀器同時進行檢測，以防因儀器失靈判定錯誤，確認油氣濃度不超過爆炸極限方可進入。作業期間應有消防人員值班，負責消防檢查和監護工作，并配備適量的消防器材。

3.2 確保儀器的穩定性

全站儀測量油罐內各點的標高均是相對高度，作為基準的儀器若不穩定，會導致各點標高的測量不準確，儀器不穩的原因通常是由于人員在罐底的走動和罐底的拱起引起，所以應在調平儀器后，禁止人員在罐內走動，必要時可在儀器周邊用壓載物固定。

3.3 選定合理的架設位置

全站儀的架設應盡量接近立式金屬罐的圓心位置，這樣全站儀測量每個圈板的半徑大體相同，而且可以減少全站儀激光點定位時調整的距離，節省測量時間，提高測量準確性。

3.4 測量點數的選取

使用全站儀進行立式金屬罐進行測量時，每個水平圓周上測量點的選取與規程中光學垂準線法水平測站的選取原則相同，即總點數為偶數。圓周長小于或等于100 m時，相鄰點間的弧長間距不大于3 m，最小測量點數不小于12個；周長大于100 m時，相鄰點間的弧長間距不大于4 m，最小測量點數不小于36個，也可以換算為角度步進，測量點數最好可以被360°整除。

3.5 異常值的剔除

立式金屬罐內通常會安裝有輔助設施(如人孔、檢尺管、進出油管等)。在使用全站儀進行自動化水平四周掃描測量時，可能會測量到這些非罐壁目標的障礙物。這樣的障礙物目標點坐標參與立式金屬罐圓周的半徑計算時，計算出的半徑就會比實際的小。因此，在全站儀自動測量完畢后，應對異常半徑予以剔除。最方便的檢查辦法就是當測量點的觀測值殘差大于3倍的標準偏差時，即可剔除。

3.6 減少參考點變化引入的誤差

全站儀法編制容積表時，將底量和油罐上部圓柱體的體積分別計算，再進行相加，所以上部圓柱體和底部要選取同一個參考點進行對接。上部的測量以第一塊圈板的下焊縫為參考點，底量也需以該點為參考點。操作人員在兩次用激光點對準下焊縫時，應保持高度一致，盡量減小誤差。

4 結束語

全站儀編制油罐容積表具有自動化程度高、測量誤差相對較小的優點。與傳統的手工方法相比，可節省大量人力物力，大大提高了檢定效率。隨著技術的發展，全站儀檢定油罐容積表必將替代傳統手工方法，但還需在檢定過程中不斷摸索減小誤差的方法，使得編制的油罐容積表更加準確可靠。