Состояние и развитие нормативно-методической базы поверки резервуаров геометрическим методом

Проанализированы отличия в подходах к разработке нормативно-методических документов (стандартов) в области поверки резервуаров геометрическим методом тремя авторитетными организациями ВНИИР, ISO и ГП «Укрметртестстандарт». Показаны преимущества применения при поверке резервуаров новых средства измерений и вычислительных средств, а также новых средств информационных технологий, которые позволяют достичь максимальной точности определения геометрических параметров резервуара и его вместимости при максимальной производительности труда.

Оценим состояние и развитие нормативно-методической базы поверки резервуаров геометрическим методом на документах разработанных или разрабатываемых тремя крупными организациями, такими как:

Государственный научный метрологический центр – Всероссийский научно-исследовательский институт расходометрии (ВНИИР);

International Organization for Standardization (ISO) – Международная организация по стандартизации;

Государственное предприятие Всеукраинский государственный научно-производственный центр стандартизации, метрологии, сертификации и защиты прав потребителей (ГП «Укрметртестстандарт»).

Перечень организаций, занимающихся разработкой нормативно-методических документов на поверку резервуаров, можно было бы продолжить, но эти три показательны с точки зрения, как охвата различных типов резервуаров, так и методов измерений при поверке.

Для проведения сравнительного анализа перечислим основные стандарты или их проекты на поверку (калибрование) резервуаров разработанные или разрабатываемые названными выше организациями.

ВНИИР разработал или разрабатывает следующие нормативно-методические документы:

1. ГОСТ 8.346-2000 Резервуары стальные горизонтальные цилиндрические. Методика поверки (в Украине ДСТУ 4218-2003);

2. ГОСТ 8.570-2000 Резервуары стальные вертикальные цилиндрические. Методика поверки (в Украине ДСТУ 4147-2003);

3. РМГ…. ГСИ. Резервуары железобетонные цилиндрические со сборной стенкой вместимостью до 30000 м³. Методика поверки геометрическим методом (проект на базе МИ-2778);

4. ГОСТ…. ГСИ. Резервуары стальные вертикальные цилиндрические теплоизолированные. Методика поверки геометрическим методом (проект на базе МИ-2724);

5. МИ 3042-2007. ГСИ. Резервуары стальные горизонтальные цилиндрические с эллиптическими и сферическими днищами для сжиженных углеводородов вместимостью 600 м³.

Международные стандарты, разрабатываемые Международной организацией по стандартизации (ISO):

1. International standard ISO 7507. Petroleum and liquid petroleum products - Calibration of vertical cylindrical tanks:

ISO 7507-1:2003 Part 1: Strapping method;

ISO 7507-2:2005 Part 2: Optical-reference-line method;

ISO 7507-3:2006 Part 3: Optical-triangulation method;

ISO 7507-4:1995 Part 4: Internal electro-optical distance-ranging method;

ISO 7507-5:2000 Part 5: External electro-optical distance-ranging method;

ISO 7507-6:1997 Part 6: Recommendations for monitoring, checking and verification of tank calibration and capacity table.

2. International standard ISO 12917. Petroleum and liquid petroleum products - Calibration of horizontal cylindrical tanks:

ISO 12917-1:2002 Part 1: Manual method;

ISO 12917-2:2002 Part 2: Internal electro-optical distance-ranging method.

3. International standard ISO 9091. Refrigerated light hydrocarbon fluids - Calibration of spherical tanks in ships:

ISO 9091-1:1991 Part 1: Stereo-photogrammetry;

ISO 9091-2:1992 Part 2: Triangulation measurement;

Или в переводе на русский язык.

1. Международный стандарт ISO 7507. Нефть и жидкие нефтепродукты – Калибровка вертикальных цилиндрических резервуаров:

ISO 7507-1:2003 Part 1: Метод опоясывания;

ISO 7507-2:2005 Part 2: Метод референсной оптической линии;

ISO 7507-3:2006 Part 3: Оптический триангуляционный метод;

ISO 7507-4:1995 Part 4: Внутренний оптико-электронный дальнометрический метод;

ISO 7507-5:2000 Part 5: Вешний оптико-электронный дальнометрический метод;

ISO 7507-6:1997 Part 6: Рекомендации по мониторингу, проверке и поверке калиброванных резервуаров и таблиц вместимости.

2. Международный стандарт ISO 12917. Нефть и жидкие нефтепродукты – Калибровка горизонтальных цилиндрических резервуаров:

ISO 7507-1:2003 Part 1: Ручной метод;

ISO 7507-2:2005 Part 2: Внутренний оптико-электронный дальнометрический метод.

3. Международный стандарт ISO 9091. Углеводородные сжиженные газы – Калибровка сферических резервуаров на суднах:

ISO 9091-1:1991 Part 1: Стереофотограмметрический метод;

ISO 9091-2:1992 Part 2: Метод триангуляционных измерений.

ГП «Укрметртестстандарт» разработал проекты пяти национальных стандартов, первые три из которых внесены в план межгосударственной стандартизации и в перспективе будут приняты на территории стран СНГ:

1. Резервуары стационарные измерительные вертикальные. Методика поверки (калибрования) геометрическим методом с применением геодезических приборов;

2. Резервуары для сжиженного газа стальные цилиндрические горизонтальные. Методика поверки (калибрования) геометрическим методом;

3. Резервуары для сжиженного газа стальные сферические. Методика поверки (калибрования) геометрическим методом с применением геодезических приборов;

4. Резервуары стальные цилиндрические горизонтальные. Методика поверки (калибрования) геометрическим методом с применением геодезических приборов;

5. Резервуары стальные вертикальные цилиндрические с эллиптическими днищами. Методика поверки (калибрования) геометрическим методом с применением геодезических приборов.

До выхода этих стандартов в свет на территории Украины действуют методики поверки, разработанные и зарегистрированные ГП «Укрметртестстандарт». Методики также направлены для регистрации во ВНИИМС и в Белорусский государственный институт метрологии. Методика поверки вертикальных резервуаров, вместе с соответствующим программным обеспечением, аттестована и зарегистрирована Госстандартом Туркменистана и успешно применяется в этой республике.

Кроме того, некоторые организации регистрируют свои разработки во ВНИИМС. Например, ЗАО «Центр МО» зарегистрировал МИ 3141-2008. «ГСИ. Резервуары стальные вертикальные цилиндрические. Методика калибровки геометрическим методом с применением лазерных сканирующих координатно-измерительных систем».

ООО «Сочи-Стандарт» зарегистрировал МИ 3144-2008 «ГСИ. Резервуары стальные вертикальные цилиндрические. Методика поверки электронно-оптическим методом».

В настоящее время новые средства измерений и вычислительные средства, а также средства информационных технологий, которые возможно применять при поверке (калибровании) резервуаров значительно ушли вперед по сравнению с нормативной базой регламентирующей средства и методы поверки. Поэтому, сокращение разрыва между ними является актуальной задачей, решением которой занимается ГП «Укрметртестстандарт». Под новыми средствами измерений понимаются электронные тахеометры, имеющие безотражательный режим измерений и 3D-сканеры, а также лазерные нивелиры.

Цель применения новых геодезических приборов и новых методов вычислений – достижение максимальной точности определения геометрических параметров резервуара и его вместимости при максимальной производительности труда.

Эти приборы позволяют измерять горизонтальный, вертикальный угол и расстояние до любой точки резервуара. Средняя квадратическая погрешность угловых измерений электронными тахеометрами составляет 1…6″, сканерами – 10…20″, расстояний электронными тахеометрами – 1…3 мм, 3D-сканерами – 1,5…5 мм. Причем расстояния измеряются в безотражательном (бесконтактном) режиме, т. е. измерения расстояния проводятся от тахеометра или сканера до любой недоступной точки поверхности стенки резервуара, внутри или снаружи него, без установки на эти точки специальных отражающих устройств.

В зависимости от типа прибора измерения могут выполняться как в автоматическом режиме, когда оператор задает только область сканирования автоматизированным электронным тахеометром или сканером или в ручном режиме, когда наведение тахеометра на точку, на которую выполняются измерения, осуществляет оператор. Результаты измерений записываются в память тахеометра или сканера и из памяти могут быть записаны в память компьютера в виде текстового файла, что исключает ошибки при записи в протокол и ручном введении данных в компьютер, а также существенно повышает производительность труда. На определение координат одной точки при помощи электронного тахеометра в ручном режиме оператор затрачивает порядка 3 - 4 секунд, а в целом поверка резервуара одним оператором длиться 3 – 5 часов в зависимости от типа и номинальной вместимости резервуара. В автоматическом режиме на определение координат одной точки роботизированным электронным тахеометром затрачивается от 0,05 до 3 секунд в зависимости от типа тахеометра и отражающих свойств поверхности стенки или днища резервуара. На поверку одного резервуара может быть затрачено 2 – 4 часа. Сканеры позволяют определить координаты от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч точек в секунду. То есть, на проведение всех измерений (без подготовительных и ликвидационных работ) затрачивается несколько минут, но в целом на проведение поверки резервуара может уйти 1,5 – 3 часа.

Не следует забывать, что каждый геодезический прибор имеет свои ограничения. Их дальномеры работают в диффузном отражении света от поверхности, поэтому могут возникнуть проблемы при измерении на зеркальную или абсолютно черную, особенно мокрую, поверхность. Сканеры имеют очень большую стоимость, размеры и вес, не имеют взрывозащиты и «не любят» измерений под острым углом к поверхности.

Для нивелирования днища вертикального резервуара или образующей горизонтального эффективно применять современные лазерные проекционные нивелиры (крослайнеры) или ротационные нивелиры.

По результатам геодезических измерений, выполненных тахеометром или сканером в полярной системе координат, вычисляются горизонтальные координаты и абсолютные высоты точек на поверхности стенки резервуара в прямоугольной пространственной системе координат. Горизонтальная координатная плоскость совмещается с точкой касания днища грузом рулетки или нулем уровнемера. По перпендикуляру к ней, по результатам прямых или косвенных измерений, вычисляются расстояния от всех точек резервуара до этой плоскости. Названные расстояния это абсолютная высота поясов и точек на стенках, абсолютная высота точек днища резервуара, абсолютная высота низа приемо-раздаточного патрубка, абсолютная высота низа и верха деталей внутри резервуара.

Под новыми вычислительными средствами понимается возможность, по координатам точек на поверхности стенки резервуара, выполнить аппроксимацию реальной поверхности соответствующей геометрической поверхностью (цилиндром, сферой или эллипсоидом). Аппроксимация есть математическая процедура оценивания геометрических параметров резервуара по методу наименьших квадратов (МНК).

Основными геометрическими параметрами любого резервуара (горизонтального или вертикального цилиндрического или сферического) есть его средний радиус и радиальные отклонения реальной поверхности от аппроксимирующего цилиндра или сферы. Эллиптические днища могут аппроксимироваться эллипсоидом вращения, тогда их геометрическими параметрами могут быть малая полуось и радиальные отклонения от аппроксимирующего эллипсоида. Кроме того, для вертикальных резервуаров это степень и направление наклона оси аппроксимирующего цилиндра, а для горизонтальных – степень наклона его оси. Решение задачи возможно только в случае, если совместно с назваными геометрическими параметрами будут определяться пространственные координаты центра резервуара или точки на его оси.

Метод наименьших квадратов дает возможность строго, с математической точки зрения, оценить точность (неопределенность) геометрических параметров резервуара. Результаты оценки точности геометрических параметров используются для оценки точности (неопределенности) вместимости резервуара.

В стандартах разработанных ВНИИР применение новых геодезических приборов не предусмотрено, хотя предусмотрено применение геодезических приборов - теодолитов, а в стандартах серии ISO 7507 предусмотрено в 4 и 5 частях. Однако, методика выполнения измерений в этих частях стандарта описана довольно обще, а методика обработки их результатов очень упрощена и разбросана по всем частям стандарта. Оценка неопределенности вместимости опирается только на априорные данные, а реальная геометрия стенки резервуара при оценке точности не учитывается. Приведенные выше методики, разработанные ЗАО «Центр МО» и ООО «Сочи-Стандарт», предусматривают применение современных геодезических приборов, но предусматривают применение для вычисления вместимости неспециализированного геодезического программного обеспечения, что не очень удобно и занимает определенное дополнительное время из-за необходимости импорта данных из одной программы в другую. Вопрос математически корректной оценки неопределенности геометрических параметров и вместимости в этих методиках не решен.

Все проекты стандартов, разработанные ГП «Укрмертестстандарт», предусматривают применение современных геодезических приборов и вычислительных средств и предусматривают тот или иной путь решения обозначенных выше проблем.

В таблице 1, на примере вертикальных резервуаров, приведен сравнительный анализ, дающий общее приближенное представление о том, какие дополнительные возможности и преимущества дает применение геометрического метода с применением современных геодезических приборов – электронных тахеометров и сканеров, а также новые вычислительные средства и современные средства информационных технологий реализованные в ППП «VGS» [1].

Таблица 1

Название возможностей		Организация разработчик стандарта
		ВНИИР		ISO	Укрмертест стандарт
Одна методика измерений почти для всех типов и частных случаев конструкции резервуаров	Нет		Нет (Ч. 1, 2, 3) Да (Ч. 4, 5)	Да
Ручные вычисления геометрических параметров и градуировочных таблиц	Да		Да	Нет
Использование безбумажных технологий записи, хранения, передачи и использования результатов измерений	Нет		Нет (Ч. 1, 2, 3) Да (Ч. 4, 5)	Да
Использование системы абсолютных высот	Нет		Нет	Да
Использование прямоугольной пространственной системы координат	Нет		Нет (Ч. 1, 2) Да (Ч. 3, 4, 5)	Да
Преобразование результатов измерений с учетом степени наклона резервуара	Да		Нет	Нет
Раздельное оценивание геометрических параметров резервуара	Да		Да (Ч. 1, 2)	Нет
Совместное оценивание геометрических параметров резервуара по МНК - координат центра и радиуса резервуара	Нет		Да (Ч. 3, 4, 5)	Нет
Совместное оценивание геометрических параметров резервуара по МНК - координат центра, радиуса, степени и направления наклона, радиальных отклонений	Нет		Нет	Да
Оценивание точности геометрических параметров по МНК	Нет		Нет	Да
Оценивание точности вместимости на основе оценки точности геометрических параметров по МНК	Нет		Нет	Да
Вычисление поправок во вместимость пояса	Да		Да	Нет
При составлении градуировочной таблицы вычисление всех поправок во вместимости на каждый миллиметр высоты налива	Нет		Нет	Да

Есть еще ряд преимуществ, которые дает использование новых информационных технологий – создание базы данных организаций владельцев резервуаров, исполнителей работ, объектов работ, резервуаров различных типов и их эскизов, комплектов применяющихся приборов, протоколов поверки. Кроме того, к преимуществам следует отнести формирование электронной градуировочной таблицы для ее непосредственного введения в память уровнемера, а также визуальное представление рельефа днища и стенки резервуара так, как изображается рельеф земли на картах. Одинаковый алгоритм и формулы вычислений геометрических параметров и вместимости для всех частных случаев конструкции резервуаров создают дополнительные удобства.

Новые вычислительные возможности позволяют, при составлении градуировочной таблицы, вычислять и вводить все поправки во вместимости для всех резервуаров при изменении высоты налива на 1 мм или 1 см, а не во вместимость всего пояса как в стандартах ВНИИР и ISO. Сначала поправка за деформацию стенки вертикального резервуара под весом жидкости, находящейся в нем во время поверки, вводится в радиальное отклонение каждой точки. Далее, используя единую систему абсолютных высот, при вычислении вместимости цилиндрической части, вводятся поправки за рельеф и температуру стенок резервуара, их деформации под весом налитой жидкости, а также за наличие внутренних деталей и деформаций стенок и днищ строго в пределах низа и верха абсолютной высоты элемента.

Особое внимание было уделено универсализации обработки результатов нивелировки днищ вертикальных резервуаров, чего нет в стандартах ВНИИР и ISO. То есть, в соответствии с методикой разработанной ГП «Укометртестстандарт» можно составить градуировочную таблицу вместимости днища любой формы (выпуклого вверх или вниз, плоского) с шагом 1 мм и присоединить ее к градуировочной таблице цилиндрической части. Кроме того, используя профессиональное геодезическое программное обеспечение, удалось решить задачу составления градуировочной таблицы днища со сложным рельефом, нивелированным в произвольных точках.

Выводы

1. Применение новых геодезических приборов и новых методов вычислений, а также новых средств информационных технологий позволяет достичь максимальной точности определения геометрических параметров резервуара и его вместимости при максимальной производительности труда.

2. В проектах стандартов ГП «Укрметртестстандарт» предусмотрено применение практически всех актуальных, на данный момент, средств измерений, вычислительных средств, а также средств информационных технологий.

3. Назрела необходимость согласования стратегии разработки нормативно-методической базы поверки резервуаров различными организациями, а также терминологии, применяемой при разработке нормативно-методических документов на поверку резервуаров, что требует обсуждения и решения этих вопросов на уровне уполномоченного межгосударственного технического комитета стандартизации.