三维激光扫描仪在自升式钻井平台桁架式桩腿维修中的应用

王 磊，佟玉鹏，吕英超，孔繁星

中国石油集团海洋工程（青岛）有限公司，山东青岛 266555

DSJ300-L1自升式钻井平台在青岛码头发生了滑桩事故，该事故对平台左舷桩腿主弦管及支撑管造成了不可逆的塑性变形。为消除左舷桩腿的塑性变形，经分析最终确定采用对损坏段桩腿进行切除而后局部更换的方式进行维修，因而如何采用测量的方式确定损坏段桩腿的上下变形点则成为项目实施的关键技术难题。

1 测量仪器选用

经粗测，此次事故造成损坏桩腿的变形方向及趋势无规则，且无法通过人工的方式在被测物上取点，为满足取点精度要求，测量工作选择采用三维激光扫描仪，其优势在于能够通过扫描给出的点云数据建立可视化三维模型[1-2]，再将扫描模型与桩腿原设计模型进行比对，由计算机计算得出超出设计允许偏差的最上点和最下点。该测量方法简便快捷，且可最大化地减少人工干预带来的测量误差。

2 数据采集

扫描过程应选择在晴天可见度高、无风或微风环境下进行，且扫描时间应选择在平潮期或停潮期，测量设备的布置点应预先通过实地勘测选定，在准备工作充足后按布置点顺序依次对左舷桩腿进行扫描。在扫描时，需按照左舷桩腿P、N、M三根主弦管对应的P-N、N-M和M-P三个面的分区分别进行扫描，再利用公共标靶拼接各布站点云，并闭合到扫描图根控制点上，最终完成整体点云的拼接。由于平台上其他各类结构物的遮挡及测量角度等原因，为保证桩腿扫描数据的完整性，此次扫描工作选取扫描站点25个，即DBZ033～DBZ057，见图1。

图1 扫描仪器布置点示意

3 数据处理

完成外业损坏桩腿扫描工作后，将所有数据导入计算机，通过计算机点云扫描处理软件FARO Scene实现数据处理。

（1）点云数据优化。即运用处理软件内置过滤器等功能主动去除深色点、离群点、边缘伪像点等杂点及远距离点，减少明显非桩腿数据对整体数据带来的精度偏差[3]。

（2）点云数据分块及拼接。即按照预先划定的分区将扫描数据在软件中分别予以体现，再将不同分区的模型进行拼接，形成被扫描桩腿的初版模型。

（3）导入数据筛选。因扫描站点较多，远距离站点的测量数据会在精度上对整体模型的建立有所影响，经综合分析后在确保建模数据充分的前提下，剔除了扫描站点距离被测桩腿超过25 m的16个扫描站点数据，保留BDZ033～BDZ036及BDZ039～BDZ043等9个扫描站点数据。

（4）拼合3D模型。使用筛选后的9个扫描站点数据拼合形成最终3D模型，并截取左舷桩腿部分的模型作为研究对象，见图2。

图2 左舷桩腿扫描3D模型

4 模型对比

桩腿扫描模型建立完成后，再将扫描模型和桩腿原设计模型一并导入Geomagic Control软件中，通过人工的方式选取两个模型中的同一基准点进行预对齐，再通过软件的自动匹配功能使两个模型完成自动匹配，实现两个模型的最优化拟合[4]。为便于观测，可在软件中进行超差值预设，使超出预设值的部位突出显示红色，见图3。

图3 模型拟合效果展示

5 数据分析

从图3中拟合模型的局部放大图可直观看出两个模型比较后的超差位置，但凸显部位是随着预设值的变化而变化的，不是真实超差部位的体现。为了对实际桩腿变形量进行分析，则需将桩腿各类数据与原设计允许偏差值进行对比[5]。经结合标准规范中对桁架式桩腿的设计原则及船级社相关规范中对桩腿尺寸的要求，认为桩腿众多数据中主弦管直线度和支撑管的位置偏差是确定桩腿变形起止点的关键因素[5]。按照DSJ300-L1平台桩腿变形数据对主弦管及支撑管变形情况进行举例分析。

5.1 主弦管数据分析

考虑到主弦管变形量及变形方向的不规则性，为保证数据分析的充分性，在对单根主弦管数据进行分析时，采用①、②、③三个不同角度的数据进行分析，见图4。

图4 桩腿主弦管纵剖面

单根桩腿分有P、N、M三根主弦管，每根主弦管分有①、②、③3个剖面，单根桩腿的完整分析需进行9次，因数据量较大，在此以M主弦管的①号剖面数据为例进行分析：通过对拟合模型中M主弦管①号剖面的数据导出，可在Excel表格中制作出M主弦管垂直方向倾斜量，具体数据如图5所示。

图5 M主弦管①号剖面数据展示

按照原设计图纸，主弦管垂直度设计允许偏差为7 mm/14 000 mm，从图5表中数据可知：标高21.6～29.2 m段主弦管垂直度为45.5 mm/7 600 mm=83.8 mm/14 000 mm＞7 mm/14 000 mm，则可判定此部分主弦管弯曲变形超出允许范围；标高29.2～59.1 m段主弦管垂直度为4.3 mm/29 900 mm=2.01 mm/14 000 mm＜7 mm/140 00 mm，则可判定此部分主弦管弯曲变形未超出允许范围。

由以上数据可推出M主弦管①号剖面最高弯曲点高度M1=29.2 m，使用相同方法可得出M2、M3、N1、N2、N3、P1、P2、P3 共 9 个数据，在此9个数据中取最大值高度，即为主弦管变形点的最高位置。使用相同原理可得出左舷桩腿三根主弦管的9个最低弯曲点数据，在此9个数据中取最小值高度，即为主弦管变形点的最低位置。

5.2 支撑管数据分析

如上文所述，确定桩腿变形的最高点和最低点除对主弦管直线度进行分析外，还应对支撑管的位置偏差进行分析。DSJ300-L1平台单根桩腿按跨分为33个支撑管截面，因数据量较大，在此以左舷桩腿25.1 m处的横剖截面数据进行举例分析。通过导出拟合模型中左弦桩腿25.1 m处横剖截面数据，可得出如图6所示的模型及数据。

图6 25.1 m横剖模型展示

按照原设计图纸，支撑管位置线设计允许偏差为±2 mm，则极限允许偏差为4 mm，从图6中表数据可知 25.1m位置的“B-B D22”“B-B D24”“B-B D26”“B-B D28”“B-B D30”号支撑管数据出现了超极限值的情况，则可判断左舷桩腿25.1 m位置变形超出设计允许偏差。按此方式分别依次对25.1 m位置以上及以下的横剖面进行分析，直至分别出现第一个全部数据均符合设计要求的横剖面节点，则此两个节点位置即为支撑管变形的最高和最低位置。

5.3 变形点确认

同理，通过对平台左舷桩腿的三根主弦管及不同截面的支撑管进行变形分析，可分别得出主弦管的最高、最低变形点和支撑管的最高、最低变形点，在两个最高变形点数值中取大值，在两个最低变形点中取小值，则为平台左舷桩腿的最高变形点和最低变形点。

6 结束语

在以往海洋工程项目中，变形测量大多使用如经纬仪、钢丝线、水平仪及全站仪等通用仪器，此项目由于被测物的特殊性，在变形测量过程中使用到了三维扫描仪。因采用对损坏段桩腿进行切除后局部更换的维修方式在国内属于首例，使用三维扫描仪进行变形测量在类似项目中也属于首次，因此在测量过程中通过不断摸索和改进，最终通过实践证明此方法可行，为桩腿的维修工作提供了极大的方便，也可为三维激光扫描仪在其他自升式钻井平台桁架式桩腿变形测量中应用提供借鉴。