Application of 3D Laser Method for Corrosion Assessment

on a Spherical Pressure Vessel

作者:加拿大Creaform公司Pierre-Hugues Allard和Jean-Simon Fraser

翻译:王向农

(本文译自2015年第10届PTC国际管道技术会议报告)

   摘 要   发电厂和炼油厂必须定期检查油气承压设备,确保安全生产。按照API 579技术标准,必须定期进行腐蚀评价,因为腐蚀是材料退化变质最重要的问题之一,也是设备频繁发生事故的原因之一。人们已经采用各种各样的无损检测方法检测设备的腐蚀状况。但是,因为设备外表面已经退化变质,所以接触式检测结果总是不太精准。扫描过程的编码也是一项挑战,机械式扫描仪必须与设备的特定几何形状相匹配,以此作为表面缺陷部位的参照基准。三维激光扫描技术的出现,将有望成为一项高效的检测方法,因为它能够精确检测表面的退化变质状况,并且,同一个检测系统能够适应各种形状的检测需求。分析是用后处理软件完成的,产生的全部测量数据能够满足腐蚀评价的要求。本文叙述了如何用三维激光扫描仪网格文件测量出的金属损失与基准参照表面进行比较。文章还讨论了应用三维激光扫描仪对发生腐蚀的球形压力容器进行检测和腐蚀评价的事例。

 关键词压力容器    腐蚀评价   三维激光扫描   效果分析

 

1  用于表面检测的三维激光扫描仪系统

加拿大Creaform公司制造的EXAscan是一台便携式三维激光扫描仪,如图1与图2所示,它能够精确地绘制出任意物体的表面形状。当激光“十字”形光束投射在物体表面上时,两台相机读出激光截面,并且实时建立一个三维扫描文件(网格),通过对任意定位的反射目标进行三角测量,扫描仪能够自行定位。采用这种非接触式检测技术,就不必用机械手段将扫描仪固定在需要扫描的部件上面进行编码。

 

   图1 现场用EXAscan三维扫描仪检测       图2 EXAscan三维激光扫描仪

并用无线平板电脑实时观察数据

必须澄清扫描仪的精度和分辨率的概念。该系统总的精度等于每米扫描的体积精度与守时精度之和。所谓三维激光扫描仪的精度,其定义是围绕实点值的球面半径的最大偏差。体积精度是每米线性扫描的叠加误差,这是该定位系统或者某一距离范围内测量值的最大累积误差造成的。术语“精度”是扫描仪设计中固有的技术参数,与三维扫描仪的扫描分辨率无关。网格文件中数据点连在一起,由许多相同大小的三角形构成有序图形。每个顶点有规定的精度。分辨率是由检测人员按照规定输入的参数,用于确定建立三维网格文件所用的三角形的大小。图3所示是个用于腐蚀评价所扫描的典型网格。

 
图3 标准模板库STL格式的三维网格文件

 

三维激光扫描仪有望取代传统的腐蚀坑深度测量仪和超声波探针技术,主要因为其采集数据的速度非常快,对检测人员的操作技能没有特别要求,并且,它对腐蚀区域实现100%的覆盖替代了网格图形的单点测量。

 

2  三维网格文件的分析

激光扫描能够以三维方式全面覆盖受损部位,从而允许从外表面进行任何一项测量。原始数据是个网格文件,以STL标准模板库文件格式保存在VxElements数据采集软件中,并且,将来随时可以调用进行评价和审验。

为了依据网格测量出腐蚀深度,必须建立基准表面,用于再造一个没有腐蚀的局部标称表面。有三种方法可以生成标称基准表面。第一种是将扫描结果与原来的CAD计算机辅助设计模型进行比较。但是,维修中的部件一般很少有CAD模型,与实际几何形状就会出现偏差。第二种方法是在处理后软件中创建一个理论几何形状,其近似于该物体初始几何形状。第三种方法是最精确的,即在与实际部件几何形状最佳拟合的自由形态模型基础上,重建一个表面。

用一种技术能够用于各种结构的几何形状,诸如圆柱形、倒锥形或者球形压力容器、管道和表面平整的横梁。应当用Pipecheck软件提高管道检测的效率。

 

3  球形压力容器外腐蚀评价

3.1  引言

对承压部件进行适用性评价时,应当依据一系列深度测量结果,按照API 579标准,进行局部腐蚀的2级评价。用三维激光扫描仪测量尽可能多的数据点,如果能够对采集的数据进行恰当的分析,就可以对实际部件状况进行最好的评估。

本文的事例是对一台直径12.4 m的球形压力容器进行的外腐蚀评价。文章叙述了数据分析中需要考虑的方方面面。

 

 

图4  球形压力容器

 

3.2  扫描步骤

腐蚀区域必须清理干净才能获得最佳检测结果,因为扫描仪工作时,不管是什么材料,仪器会扫描它所“见”到的一切。然后,围绕腐蚀形态任意安排目标定位,从而允许扫描仪进行三维编码。一般两个目标之间的间距大约为10 cm。以1 mm的分辨率,用Handyscan3D手持三维扫描仪对感兴趣的区域进行扫描,采集该区域100%的数据。在VxElements软件中会创建一个网格文件,并以STL标准模板库文件格式存档。再将这个文件输入Polyworks后处理软件,创建基准表面,进行测量,形成一份报告。

 

 

图5  压力容器底部的腐蚀

 

3.3  用完美的几何特征创建基准表面

用局部扫描部位拟合完美的球体几何特征,以此作为基准表面。我们需要选择最佳几何体来代表被检测的物体。图6所示是用灰色表示拟合后的球体。

 

图6  球面拟合基准

 

图7是一张彩色图,显示出该容器底部曲率的变化。红色和橙色表示偏离完美球体的部分,绿色表示良好拟合部分。这说明对大多数容器而言,用一个完美球体是个很好的解决方案,但是某些部位仍然需要单独进行分析,才能获得最佳检测结果。

 
图7  三维扫描结果与球面拟合基准的比较

 

3.4  完美几何特征的局部拟合

将一个球形物体与围绕腐蚀区域手工选择的非常小的面积进行拟合,我们就能够改进局部拟合,获得更加精准的结果。采用这种方法,如图8和图9所示,我们需要排除所选择部位以外的所有表面。这是个极端情况,在这个非常小的面积内,球面少于该容器的大部分部位。因此,有可能用完美局部球体,迅速分析腐蚀,即使整个实际形状稍稍发生了机械变形。

 

图8  局部球面拟合                 图9  用局部拟合方法分析腐蚀

3.5  依据扫描获得的几何图形创建自由形态模型

用NURBS曲线曲面的非均匀有理B样条,修补该表面,就能够依据扫描获得的表面几何图形,创建一个模型。图10所示模型变成一个逼真的CAD模型,其采用IGES起始图形交换规格文件格式来展现,其能够与用于深度测量的初始STL标准模板库进行比较。

 

 

图10  依据小范围选择的球面拟合

 

一个自由形态模型将弥补几何图形的偏差,如不圆度、平整度、弯曲或者任何偏离理论几何图形的情况。由于与各种表面偏差情况进行了比较,所以,一个拟合更好的模型,意味着更精确的检测结果。图11中用绿色表示良好的拟合。那些暖色标记代表腐蚀,按照特定的阈值或者关键因素建立的彩色温标,作为这些暖色标记的基础。冷色标记有助于辨别该表面上真实的材料偏差,如油漆气泡和涂料剥落。进行检测前,应当清除干净这些部位的油漆涂料,这样才能获得更准确的检测结果。

 

 

图11  用自由形态模型建立的基准表面

 

4   测量数据的比较

4.1  三维彩色图最大深度测量值与腐蚀坑深度测量仪的比较

用真实的机械式腐蚀坑深度测量仪检测一个弯曲表面时,其测出的深度值小于三维彩色图与球面基准进行比较所产生的结果。腐蚀坑深度测量仪从该腐蚀部位的两侧创建一条直边。因此,当腐蚀坑深度测量仪安置在没有腐蚀的表面上进行测量时,腐蚀坑越大,测出的深度值将是最小的。

 

 

图12  用球面拟合获得的最大深度测量值

 

每种腐蚀特征的最大深度是自动找到的。在此事例中,图12与图13所示用球面拟合基准测量出的最大深度是3.920 mm。在同一点,用直边腐蚀坑深度测量仪测量出的深度为3.721 mm,说明比球面拟合结果小0.2 mm(5%)。所以,球面拟合测量比腐蚀坑深度测量仪得出更加可靠的数据。腐蚀坑深度测量仪的偏移值是无法预见的,因为它取决于受损面积的大小和接触点的位置。倘若没有发生任何金属损失,那么根据实际形状进行外推,拟合的基准表面将产生始终如一的检测结果。

 

 

图13  用腐蚀坑深度测量仪获得的最大深度测量值

 

4.2  深度网格测量

检测人员确定的某一尺寸的网格图形能够叠加三维扫描。在此事例中,用10 mm ×10 mm网格进行分析。

 

 

图14  网格板

 

每个方形网格的最深点是自动找到的,并且能够以Excel表格形式输出。根据这个深度测量值数据表,能够计算出估计的爆破压力。一个方形网格里包含一定数量的数据点,这些数据点是以图15所示扫描选择的分辨率为基础的。这个软件将计算出该方形网格边界范围内的每个点的深度,并且找到最大值。

 
图15  方形网格数据点

 

5  结论

在承压设备进行外部腐蚀评价时,结合应用一个基准表面与三维扫描文件进行比较,业已证明三维扫描仪技术是非常有效的方法。

根据要求达到的精度水准,有三种方法可以用来创建基准表面:与一个CAD文件进行比较,或者与一个理论几何特征进行比较,或者创建一个自由形态最佳拟合的模型。以自由形态最佳拟合模型为基础的基准表面,获得的精度水准是比较高的,因为它弥补了与理想几何图形的表面偏差。

遵照API 579标准局部腐蚀的2级评价程序,用这种三维激光技术检测了球形压力容器的腐蚀状况。用腐蚀坑深度测量仪检测的结果不如三维激光扫描仪那样可靠,在这个特定事例中,弯曲表面的检测结果相差5%。而且,用三维激光扫描仪能够自动创建深度网格,并用Excel格式输出,便于估算爆破压力。

在一个需要遵照API 579标准局部腐蚀3级评价的事例中,同样能够输出STL标准模板库文件三维激光扫描结果,用于进行有限元分析。STL标准模板库文件与大多数FEA有限元软件兼容。假如需要的话,STL标准模板库文件也能够转换成参数化文件,如IGES起始图形交换规格文件或者SAT三维模型文件。

许多石油天然气设备有各种各样的几何形状,如压力容器和管道,都能用同一台三维激光扫描仪检测,进行腐蚀评价,因为这种扫描仪采用非接触式设计,并且分析软件用途广泛。