Применение геодезических приборов и программного обеспечения при составлении градуировочной таблицы днища резервуара и построении

его рельефа

Показаны преимущества использования|употребления| геодезических приборов и программного обеспечения при определении объема неровностей днищ вертикальных цилиндрических резервуаров при их поверке. Доказана возможность повышения производительности труда при выполнении измерений и вычислений, а также возможность составления градуировочной таблицы днища произвольной формы

Существенное влияние на точность определения вместимости вертикальных резервуаров оказывает точность определения объема неровностей днища резервуара. На наш взгляд, до настоящего времени, уделялось недостаточное внимание совершенствованию геометрического метода измерений и обработки их результатов при определении объема неровностей днища резервуара при их поверке.

Современные геодезические приборы позволяют существенно повысить производительность труда при выполнении измерений, а программное обеспечение, применяемое в геодезии, после соответствующей доработки, позволяет повысить точность вычислений за счет более полного учета неровностей днища произвольной формы. Применение новых геодезических приборов и программ позволяет по другому сформулировать задачу. Вместо определения объема неровностей днища, перейти к составлению градуировочной таблицы днища или нижней его части резервуара.

Согласно современным требованиям изложенным в ГОСТ 8.570-2000 [1], технология|соответственно| выполнения измерений при определении объема неровностей днища резервуара следующая|соответственно| (рис. 1):

1. 
   Рулеткой размечают|размечивают| по днищу резервуара| пересечения восьми концентрических|концентричных| окружностей|окружности| с двадцатью четырьмя радиусами и точку касания днища грузом рулетки.
   
2. 
   Устанавливают нивелир и снимают отсчеты поочередно в размеченных точках и в точке касания днища грузом рулетки.
   

Согласно [1]: “Положение 24 радиусов находят делением внутреннего периметра резервуара по первому поясу на уровне днища на 24 равных части, начиная с плоскости, проходящей через центр резервуара и точку касания днища грузом рулетки, а положение восьми концентрических окружностей определяют делением внутреннего радиуса первого пояса R на 8 частей путем откладывания от центра днища радиусов, равных соответственно 0,35R; 0,5R; 0,61R; 0,71R; 0,79R; 0,86R; 0,93R; R;”

Рис. 1. Разбивка 8 концентрических окружностей и 24 радиусов по днищу резервуара

VIII

1

24

5

4

3

2

23

I

II

III

s

Объем неровностей днища резервуара в этом случае определяют по следующей формуле из [1]:

“, (1)

где - расстояния по вертикали между концентрическими окружностями неровностей днища, вычисляемые по формуле:

, (2)

– отсчет по рейке, установленной по периметру -й концентрической окружности;

– отсчет по рейке, установленной по периметру -й вышележащей концентрической окружности;

– степень наклона резервуара.”

Недостатком этих формул есть то, что они хорошо работают для частного случая, когда форма днища близка к конической. Для большинства днищ, сильно наклоненных и или со сложным рельефом, эти формулы дают большие искажения.

Рассмотрим детальнее технологию разбивки точек для измерения неровностей днища резервуара. Для определения положения 24 радиусов необходимо выполнить следующие работы:

- измерить внешнюю длину окружности первого пояса резервуара ;

- измерить в четырех местах толщину стенки первого пояса резервуара ;

- определить внутренний радиус первого пояса резервуара|:

, (3)

где – средняя толщина стенки первого пояса резервуара,

; (4)

• 
  определить длину хорды внутренней окружности первого пояса резервуара между соседними радиусами:
  

, (5)

где - угол между соседними радиусами, при количестве радиусов , ;

• 
  разметить радиусы отложением хорды по стенке резервуара;
  
• 
  растянуть рулетку в направлении от центральной точки днища резервуара к точкам пересечений размеченных радиусов и стенки первого пояса, отметить по рулетке точки пересечения 24 радиусов с 8 концентрическими окружностями (точки нивелирования);
  
• 
  взять отсчеты по рейке в точках пересечения радиусов и окружностей, а также в точке касания днища резервуара грузом рулетки.
  

На наш взгляд, описанная методика измерений имеет ряд недостатков:

1. 
   колебания высоты «линии горизонта» и наклона оси вращения нивелира из-за неустойчивости днища резервуара;
   
2. 
   необходимость подсвечивания сетки нитей нивелира и шкалы рейки;
   
3. 
   потеря 0,5 – 1,5 часа на выполнение разбивки точек пересечения 24 радиусов с 8 концентрическими окружностями;
   
4. 
   недостаточно полный учет неровностей (рельефа) днища резервуара при вычислении его объема.
   

Остановимся на пункте 3 подробнее. Рассмотрим модель неровностей днища резервуара (рис. 2).

Рис. 2. Модель неровностей днища резервуара

а

б

в

г

На рис. 2 показаны фрагмент днища резервуара и разбитые на по нему радиусы. На расстоянии 0,35R, 0,5R, 0,61R, 0,71R, 0,79R, 0,86R, 0,93R и R размечены точки съемки. Как видно из рисунка точки съемки могут не совпадать с характерными точками днища резервуара, что ведет к возникновению дополнительной погрешности в определении объема неровностей днища.

Применение современных геодезических приборов и программных продуктов позволяет увеличить производительность труда при измерении рельефа днища резервуара при одновременном сохранении или увеличении точности определения объема неровностей днища.

ДП “Укрметртестстандарт” предлагает два варианта проведения измерений с использованием современных геодезических приборов:

- лазерных ротационных нивелиров;

- электронных тахеометров или сканеров.

Горизонт

інструмента

Точка касания днища грузом рулетки


Рис. 3. Измерения при определении объема неровностей днища с помощью лазерного ротационного нивелира, установленного непосредственно на днище

Использование лазерных ротационных нивелиров позволяет ускорить процесс нивелирования днища. При включении прибор “строит” горизонтальную видимую плоскость, которая отображается на линейке и стенах резервуара. Случайное изменение наклона оси вращения в пределах ± 5°, вызывающее наклон горизонтальной плоскости, устраняется самим прибором в автоматическом режиме. Измерения можно проводить как классическим способом, устанавливая нивелир на штатив и снимая отчеты по рейке, так и устанавливая нивелир непосредственно на днище резервуара (рис. 3). Отсчеты, в таком случае, можно снимать по металлической линейке. Бесспорным преимуществом данной методики есть тот факт, что измерения может проводить один человек. Другим преимуществом данной методики есть возможность одновременного сканирования стенок резервуара тахеометром и выполнения нивелирования днища лазерным нивелиром.

Использование электронных тахеометров позволяет оптимизировать не только процесс нивелирования днища резервуара, но и процесс разбивки точек пересечения радиусов с концентрическими окружностями. При этом разбивка точек пересечения радиусов и окружностей и нивелирование может выполняться одновременно. Наибольшее повышение производительности труда и точности может принести нивелирование в характерных точках рельефа днища. При этом, одни и те же данные могут использоваться для целей определения объема неровностей днища и для составления плана дефектов днища.

Измерения при нивелировании днища резервуара могут выполняться как в режиме измерений “без отражателя” (рис. 4), так и на вешку с отражателем (рис. 5), что особенно эффективно при работе с роботизированными тахеометрами, или тахеометрами с режимом “Autolook”.

Рис. 4. Измерения при определении объема неровностей днища в режиме измерений «без отражателя»
Точка касания днища грузом рулетки



Тахеометр

При наличии центральной трубы в резервуаре, измерения рекомендуется проводить с двух точек. В этом случае на стенках резервуара, равномерно по окружности, необходимо наклеить 3-4 марки для выполнения привязки тахеометра в плане и по высоте (рис. 4).

Рис. 5. Измерения при определении объема неровностей днища резервуара с двух точек стояния в режиме «на отражатель»
Точка касания днища грузом рулетки



Тахеометр

Тахеометр

Вешка с отражателем

Задача построения рельефа местности давно и успешно решена в геодезии. Рассмотрим технологию выполнения измерений при построении рельефа днища резервуара с использованием электронных тахеометров (геодезическая съемка рельефа):

- установить тахеометр в центре резервуара или в любой произвольной точке;

- определить горизонтальные координаты X, Y и абсолютную высоту H (далее координаты) точки касания днища грузом рулетки;

- определить координаты центра резервуара, если тахеометр не стоит в центре;

- определить координаты X, Y, H 24 точек днища резервуара у его стенки равномерно расположенных по окружности;

- определить координаты X, Y, H характерных точек днища резервуара.

Под характерными точками в геодезии понимают те точки местности, которые определяют ее рельеф (верх холма, низ впадины и т. д).

Использование электронных тахеометров при построении рельефа днища резервуара имеет ряд преимуществ:

1. 
   запись измеренных данных в память тахеометра, с последующим сбросом в компьютер и автоматической их обработкой. Данные могут быть записаны в тот же проект, что и измерения на стенки резервуара. Отсутствует необходимость введения бумажного протокола измерений;
   
2. 
   экономия времени на разбивке радиусов и концентрических окружностей;
   
3. 
   более точное определение вместимости резервуара в нижней его части за счет более полного учета объема неровностей днища при вычислениях.
   

Как отмечалось выше, расположение характерных точек рельефа резервуара может быть произвольным, так как определяются их пространственные координаты. Это позволяет достигать заметно большей точности определения объема неровностей днища при сохранении нормированного по ГОСТ 8.570-2000 [1] количества точек.

Для обработки измерений при определении неровностей днища резервуара ДП “Укрметртестстандарт” предлагает использовать профессиональное геодезическое программное обеспечение, например, программу АРМИГ (Автоматизированное рабочее место инженера-геодезиста) [3].

На рис. 6 изображено диалоговое окно загрузки данных в программу АРМИГ.


Рис. 6. Загрузка данных геодезической съемки днища резервуара в АРМИГ

Как видно, пользователь имеет возможность выбирать такие параметры визуализации как сечение горизонталей, уровень сглаживания, количество утолщенных горизонталей. Все эти параметры непосредственно влияют на восприятие визуального оформления результатов построения рельефа днища резервуара.

Современные геодезические программные продукты по координатам характерных точек местности строят так называемую TIN модель, которая позволяет точно и быстро построить рельеф максимально подобный реальному рельефу.

В каждом треугольнике|трехугольнике| TIN модели складываются|состоят| уравнения и определяются места пересечения граней треугольника|трехугольника| горизонталями (линиями одной высоты) поверхности.

После выбора параметров визуализации строится TIN модель (рис. 7) и рельеф (рис. 8).

Рис. 7. Сеть треугольников, созданная АРМИГ для построения TIN модели

Рис. 8. Рельеф днища резервуара отображенный горизонталями

Результатом вычислений программы АРМИГ есть градуировочная таблица нижней части резервуара в виде текстового файла, в котором в двух столбцах, через 1 мм, показаны высота налива жидкости (начиная минимальной высотой и кончая максимальной) и соответствующий ей вместимость резервуара в этой его части. Вместимость резервуара вычисляется по формуле:

, (6)

где - площадь ограниченная стенкой резервуара и соответствующей горизонталью с номером , который равен абсолютной высоте горизонтали выраженной в миллиметрах;

- абсолютная высота горизонтальной плоскости, относительно точки с минимальной высотой.

По результатам вычислений АРМИГ готовит соответствующий текстовый файл, который затем читается соответствующей программой из пакета прикладных компьютерных программ «VGS» (ППП «VGS») [4] и используется для построения градуировочной таблицы резервуара в нижней его части.

ППП «VGS», при отсутствии АРМИГ, решает задачу составления градуировочной таблицы для нижней части резервуара, но это решение можно считать промежуточным по полноте охвата ситуаций между решением, описанным в [1] и решением, описанным выше с применением АРМИГ. ППП «VGS» надежно охватывает градуировку выпуклых вверх, вниз или плоских, в том числе наклоненных, днищ нивелированным в соответствии с [1] с плавным изменением рельефа.

Совместное использование ППП «VGS» и АРМИГ дает дополнительную возможность, которую можно использовать для целей дефектоскопии. ППП «VGS» имеет возможность выводить в текстовый файл развертку на плоскость стенки вертикального резервуара, где радиальные отклонения поверхности стенки от аппроксимирующего цилиндра представлены в виде высотной координаты. АРМИГ позволяет визуализировать рельеф стенки резервуара, представив его в виде горизонталей – линий равных отклонений реальной поверхности от цилиндра. В виде горизонталей изображаются и локальные деформации стенки и днища. Условными знаками на план стенки или днища могут быть нанесены проблемные места, например, места с интенсивной коррозией.

Выводы

1. Применение современных геодезических приборов позволяет повысить производительность труда при нивелировании днищ вертикальных цилиндрических резервуаров.

2. Применение геодезического программного обеспечения позволяет:

- повысить производительность труда за счет автоматизированного введения файла координат в компьютер при обработке результатов измерений;

- перейти от задачи определения объема неровностей днища к задаче составления градуировочной таблицы днища или резервуара в нижней его части;

- составлять градуировочную таблицу нижней части резервуара для днищ любой сложной геометрической формы.

Список использованных источников

1. ГОСТ 8.570-2000 ГСИ Резервуары вертикальные цилиндрические стальные. Методика поверки.

2. МПУ 296/01-2009. Резервуары стационарные измерительные вертикальные. Методика поверки (калибрования) геометрическим методом с применением геодезических приборов.

3. Беляев В. А. Автоматизированное рабочее место инженера-геодезиста. Руководство по эксплуатации. www.armig.org.

4. Самойленко А. Н., Заец В. В. Пакет прикладных компьютерных программ «Vessel Graduation Systems» (ППП «VGS»). www.vgs.kiev.ua.