全站仪在立式油罐容积表编制中的应用

张 恒

〔军需能源质量监督总站济南质量监督站〕

立式油罐是大型油库最为常见的一种储油容器。立式油罐容积表准确与否对于油库日常管理至关重要。随着新建或大修油罐的逐年增多，编制立式油罐容积表任务越来越重。传统编制油罐容积表方法多采用围尺法或注水法，费时费力，特别是对于10 000 m3以上储油罐，传统方法已不能满足需要。近年来，全站仪内测法测量立式油罐容积正逐步推广应用。与传统方法相比，工作效率和准确性明显提高。

1 全站仪测量立式油罐容积的原理及方法

1.1 全站仪

全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，具有角度测量、距离(斜距、平距、高差)测量、三维坐标测量、导线测量、交会定点测量和放样测量等多种用途，已广泛应用于工程施工测量中。在立式油罐测量时，可以通过激光反射原理测量立式油罐各圈板的半径和径向偏差以及底板各点的标高。

1.2 建立几何模型

利用全站仪测定油罐容积表，一般采用几何测量法，分为底量和圆柱体量两部分，分别建立不同的数学模型，再将两者之和相加。

1.2.1 底量的数学模型

底量即罐底最高点水平面以下的容量。由于油罐底部凸凹不平，建立数学模型时，采用微积分的原理，将油罐底部划分为若干个同心圆台(如图1)，每一个圆台可认为是规则的圆柱体。测量时，在罐底上确定等面积同心圆和半径交点的位置，交点的数目由底部测量所需精度和它的凹凸不平的程度确定，从罐底中心到同心圆周的距离根据所分圆环面积相等的条件决定，确定测量点后用全站仪分别测出各点的标高。

图1 底量的几何模型

1.2.2 圆柱体的数学模型

油罐底量以上部分可认为是规则的圆柱体，每一圈板圆柱体的直径相同，越往上圈板直径越小，测量出圈板直径和圈板高(如图2)，即可计算出圆柱体容量。

图2 油罐圆柱体的数学模型

1.3 全站仪编制容积表方法

1.3.1 全站仪的架设

检定人员携带全站仪进入油罐后，首先需要确定全站仪架设位置，一般可以将全站仪架设到油罐中心位置，用全站仪测量垂直4个方向的水平距离，进行位置微调，将全站仪移到中心。使用全站仪自带水平泡，将全站仪调节水平，如果油罐底板凸凹度及弹性较大，可以用重物压在全站仪附近，以保持测量过程中全站仪水平。

1.3.2 下计量基准点确定

通过上计量基准点的自由下垂线与计量板表面的相交点叫做下计量基准点，一般在下基准的油罐底板上焊接直径30 cm钢板作为计量板，下基准点在计量板上。检定时，一名检定人员到油罐顶部，从油罐计量检尺口放下量油尺，另一名检定人员用记号笔在油罐底板上记录下计量基准点位置，同时两人配合测量油罐参照高度。

1.3.3 油罐底量的测量

全站仪架设油罐底部圆心后，应根据油罐的大小确定测量点数。以2 000 m3油罐为例，应选择8个方向，每个方向间隔45°，打开全站仪激光瞄准功能，在第一圈板的下焊缝，用记号笔记录8个方向；再根据检定规程规定的半径计算式，在每条方向上确定8个点，共确定64个点，将地板分成8个同心圆台，并利用全站仪测距功能，测量这64个点的标高，利用微积分原理和处理软件计算出油罐底量。

1.3.4 圈板高度的测量

将全站仪调节水平，用激光点分别瞄准第一块圈板的下焊缝和上焊缝测距，两次测距的高程差即为该圈板的高度。依次类推，从下至上，仪器自动记录每块圈板的高度。

1.3.5 圈板直径测量

根据检定规程，第一圈板需测量圈板3/4处直径，其他圈板需测量圈板1/4和3/4处直径。进入全站仪测量系统后，标定全站仪标高，设置测量每圈测量角度，仪器自动计算测量点数，可以自动测量每个圆周的n个半径值。

1.3.6 油罐壁厚测量

由于油罐壁厚对油罐的静压力修正值有影响，所以也需要对壁厚进行测量。测量时，在油罐外壁圈板高1/4和3/4处，分别涂上耦合剂，再用超声波测厚仪测量，取两数平均值作为该圈板壁厚，依此类推，对每层圈板进行测量。

1.3.7 数据处理

罐内测量结束后，可将全站仪内数据导出，录入到计算机软件中，输入罐内温度、底量标高、基准点标高等数据，可以导出该油罐容积表，包括大数表、小数表和静压力修正表。

2 全站仪内测法与传统方法的比较

2.1 全站仪法省时省力，自动化程度高

围尺法：需要在选定的围尺位置，用磁性表座将钢卷尺紧贴于罐壁，再用夹尺器夹住尺带，用拉力计给尺带施加与尺带检定状态下相同的拉力，取两次测量的平均值作为该位置的周长，整个过程最少需要4个人在1.5 h内完成，如果两次测量结果超过规定允差，需继续测量一直到连续两次测量结果均符合规定的允差。

注水法：需要通过流量计向油罐注水，再用量油尺测量油罐内水高，通过水高和流量计示数换算为容积表，较为费时费力、准确度不高。

全站仪内测法：只需一个人进入油罐将全站仪稳定地安装在接近圆心的位置，调整水平后，设置仪器参数，手动测量各圈板焊缝标高，然后启动自动测量，即可由仪器自动生成各圈板的半径，可以大幅度节省人力，而且自动化程度高。例如测量2 000 m3的油罐，测量一圈半径30条，时间不超过20 min。并且，在数据处理上，全站仪有一套完整的数据处理软件，只需将仪器测量的数据导入软件，即可得出检定规程要求的各项指标，与手工计算相比，更加快捷、可靠、准确。

2.2 全站仪法准确度较高，重复性误差小

自动化仪器与手工测量相比明显的优势就是减少了人为因素带来的误差。立式油罐是由钢板焊接而成，表面通常凹凸不平，特别是罐底更是呈不规则几何形状。在手工测量底量时，由于人手较多和人员的走动，对罐底的形状有很大的影响，导致测量结果误差不确定。而使用全站仪法，只需将全站仪架设到罐底的几何中心，然后进行激光取点即可，经多次试验表明，重复性误差很小。

2.3 全站仪法成本较低，经济效益较好

一方面，传统手工测量一座2 000 m3油罐需多人耗时约一周，而全站仪法仅需一天，节省了人工费用。另一方面，全站仪法效率高，容积表编制完后，即可验收封罐进油，间接提高了库存实力，较好地利用了油罐的储存能力，具有很好的经济效率。

3 测量注意事项

3.1 做好测量前的安全措施

进入油罐前，应关闭手机，穿着防静电服和胶鞋，戴上口罩，用油气浓度测试仪在人孔口测量油气浓度，最好用两台以上仪器同时进行检测，以防因仪器失灵判定错误，确认油气浓度不超过爆炸极限方可进入。作业期间应有消防人员值班，负责消防检查和监护工作，并配备适量的消防器材。

3.2 确保仪器的稳定性

全站仪测量油罐内各点的标高均是相对高度，作为基准的仪器若不稳定，会导致各点标高的测量不准确，仪器不稳的原因通常是由于人员在罐底的走动和罐底的拱起引起，所以应在调平仪器后，禁止人员在罐内走动，必要时可在仪器周边用压载物固定。

3.3 选定合理的架设位置

全站仪的架设应尽量接近立式金属罐的圆心位置，这样全站仪测量每个圈板的半径大体相同，而且可以减少全站仪激光点定位时调整的距离，节省测量时间，提高测量准确性。

3.4 测量点数的选取

使用全站仪进行立式金属罐进行测量时，每个水平圆周上测量点的选取与规程中光学垂准线法水平测站的选取原则相同，即总点数为偶数。圆周长小于或等于100 m时，相邻点间的弧长间距不大于3 m，最小测量点数不小于12个；周长大于100 m时，相邻点间的弧长间距不大于4 m，最小测量点数不小于36个，也可以换算为角度步进，测量点数最好可以被360°整除。

3.5 异常值的剔除

立式金属罐内通常会安装有辅助设施(如人孔、检尺管、进出油管等)。在使用全站仪进行自动化水平四周扫描测量时，可能会测量到这些非罐壁目标的障碍物。这样的障碍物目标点坐标参与立式金属罐圆周的半径计算时，计算出的半径就会比实际的小。因此，在全站仪自动测量完毕后，应对异常半径予以剔除。最方便的检查办法就是当测量点的观测值残差大于3倍的标准偏差时，即可剔除。

3.6 减少参考点变化引入的误差

全站仪法编制容积表时，将底量和油罐上部圆柱体的体积分别计算，再进行相加，所以上部圆柱体和底部要选取同一个参考点进行对接。上部的测量以第一块圈板的下焊缝为参考点，底量也需以该点为参考点。操作人员在两次用激光点对准下焊缝时，应保持高度一致，尽量减小误差。

4 结束语

全站仪编制油罐容积表具有自动化程度高、测量误差相对较小的优点。与传统的手工方法相比，可节省大量人力物力，大大提高了检定效率。随着技术的发展，全站仪检定油罐容积表必将替代传统手工方法，但还需在检定过程中不断摸索减小误差的方法，使得编制的油罐容积表更加准确可靠。