立体金属罐容量计量方法研究

李永平

摘要：立体金属油罐作为我国能源交易中的一项重要检测项目，其油罐容积的测量准确度将关系到国际间的经济利益和国际信誉。近年来，随着国际间贸易往来的增多，以及立体油库的规模化建设，对油库容积的测量精度要求越来越高。但在实际应用中，由于温度、椭圆度、倾斜度、底部变形等因素的存在，会对大容量立体油罐底部变形的检测造成一定的影响。

关键词：立体金属罐；容量计量；试验分析；

1.立体金属罐的基本结构

在世界石油价格不断攀升，能源危机日益严重的情况下，世界上许多国家都把石油列为优先发展的战略资源，储油罐的建造也开始走向大规模。中国第一期石油储备库（2006）建成，单箱最大储存量为150，000m3，要对其进行精确的测量，就必须对其结构有一定的认识，

包括浮顶在内的立体金属油罐是指由多个圆盘组成的、由上千个圆盘组成的金属油罐，包括罐底板、罐壁、罐顶或浮顶（板）、进出口管线等，并设有计量口、人孔（进水孔）、清洗孔等。

(1)计量口：在罐顶设置取样、标尺和温度计量孔（罐顶设置多个计量孔，选择日照量最小的作为主计量孔）。

(2)计量板：在计量口的正下方，检尺时用来支撑油尺锤的水平金属板，是下计量基准点的定位板。

(3)上计量基准点:主计量口中下尺槽的垂线与上边沿的交点称为上计量基准点，也称为检尺点。

(4)下计量基准点:通过上计量基准点的自由下垂线与计量板表面的相交点，若无计量板则是与罐底表面的相交点，也称为零点。

(5)底量：罐最高点水平面之下的容量。

(6)浮顶（盘）：一种悬浮于液体表面上的用金属（主要为铝）或其它材料制造的封闭罩（密封罩），浮顶（盘）可随液体水位升高而漂浮，并在液体水位降至某一高度后，由支柱支撑。

(7)油罐基础：是油罐体本身和所储存油品重量的直接支撑物，并把负荷转移到地下土壤中，油罐装油后，会引起地基沉降，沉降的大小会因土层间的间隙而有所差异，严重时，沉陷可达数十厘米或更深，为此，在设计油罐基础时，必须依据实测资料，对地基沉降进行计算，同时要保证油罐与管线的弹性联接，以免油罐沉陷时扯断管线。

（8）油罐底板：虽然在液压和基础的共同支承下，三维金属储罐底部的受力为零，因此，在这方面，底板仅仅起到了密封、连接的作用，所以可以做得很薄，但是，底板的外表面与基础相接触，受到了严重的土的冲刷，再加上润滑油中的水和其他杂质，造成了底板内壁的严重腐蚀；另外，由于底板很难进行检测和维护，所以要有充分的耐蚀余量，通常使用4-6毫米的钢板，5000m3以上的油罐使用8毫米的钢板，由于罐底周边与罐壁结合部位的受力情况较为复杂，所以底板的边框采用了厚度较大的钢板，对于容积不超过3000m3的油罐，边缘板的厚度为4-6mm，对于容积为5000-5000m'的油罐，边板的厚度是8-12mm。

（9）罐壁：是油罐的主要受力构件，在液体压力作用下承受环向拉应力，液面压力随液面高度增大而增大，罐壁下部的环向拉应力大于上部，所以，根据等应力原则，计算出的油罐的壁厚是上小下大的，罐壁纵向焊缝通常为对焊，环形焊缝可按实际应用需要重叠或对焊，环形面板的上、下两个部分的排列方式有互动式、套筒式、对接式、混合式等。

2.立体金属罐容积计量研究与应用现状

当前，金属立体罐的体积测量方法有几何测量、金属立体罐底部测量、浮顶质量测量和液面测量。

2.1罐体几何量测量研究及应用现状

采用几何尺寸法对油罐容积进行检测是当前常用的一种方法。目前，国内外对油罐的几何尺寸测量，主要是针对公称容积在50立方米以上，几何形状规则，无变形的油罐。目前，有如下几种主要的几何测量方法：

（1）围尺法，它是利用钢带尺贴紧被测油罐内不同部位的圈板，并通过测量圈板的周长，得到圆盘的内径，此法是一种常规的检测方法，但只要标尺的精度达到一定的标准，检测方法选择得当，即可得到满意的检测效果，但因必须借助脚手架进行测量，不仅费时、费力、费钱，且属高空作业，故因其自身的危险性，一般不采用此方法。

（2）机械径向偏差轮法，通过观测罐体被测母线上连接机械偏移轮的立体线沿水槽直径的相对位置的改变，获得罐的径向偏移量，从而获得罐体内圈板的内径，但是，它的测试结果很容易受到风力的影响，而且在高空工作时有一定的安全风险。经分析与大量实际应用证明，该方法的准确度得不到保证，已不能满足现代油罐检测的准确度需要，这种方法已经陈旧，不推荐国际标准和推荐，所以，不应该采用这样的测量方式。

（3）光学三角测量法。利用经纬仪光路在油罐切向上对测点进行定位，并同步测得油罐圈板的角度与长度，从而求出油罐圈板半径。它不需要进行高空作业，但需要有较高的测量仪精度。

（4）光学立体线（面）法（使用引导光学测量仪器法和立体仪器法）它是利用光学仪器构建立体射线，并以此射线为参考，测量油罐内各个环板测点相对于油罐基圆的半径差（即径向偏差），并基于基圆的直径与径向偏差，计算出油罐内环板的直径。现在家庭中采用的是这个方法。

该方法存在着两方面的不足：1）劳动强度大、作业危险性大、作业效率低；2)立体金属罐的高度、圆盘直径、盘高、盘厚、内径等误差不能人工测量，造成缺少测量项而造成测量误差。

（5）光电测量法，它是一种利用光电传感器进行测量的全站仪测量方法，该方法利用测量仪器上的光电传感器，通过测量光线的角度和强度来确定待测点的坐标，它具有快速、高精度和适应性强等特点，但对测量环境的光照条件要求较高。

（6）水平(竖直)测量模式，将全站扫描装置架设于垂直槽槽中央，以水平度盘零向为X轴穿过仪器中心的铅垂线为Z轴，构建左手测量坐标系统0-XYZ，在此坐标系统中，装置对水平截面的Z坐标进行锁定，按照设置的水平步长或步长，实现对各个环板横截面的自动检测，并将各个截面的立体坐标输出到存储卡中，在完成一次横向截面的测量后，基于实测的环板高度，进行分段的Z坐标的拟合和叠加，得出各分段的半径，最后通过数据处理软件对油箱体积进行进一步的运算，最终获得油罐体积。垂直测量和水平测量是相似的。

主要包括3个方面:

1)断面参数配置:主要用于测量储罐的基准面，入口或观察盘的高度；对测量的各种参数进行设定：测量范围，测量方式，步进方式等，测量模式可以是“垂直测量”，也可以是“垂直测量”，也可以是“步长”或者是“观测点数”。

2)横截面扫描测量按照结构，首先扫3/4，或者1/4,3/4；从第二圈起，将每一圈中的1/4与3/4段扫过。

3)数据导出导出的文件包括坐标文件(加扩展名*XYZ)，各观测断面半径(加扩展名.*.R)，板高文件(加扩展名.*.SH)，径向偏差文件(加打展名*.0ST)等。

（7）竖直扫描模式，使用全站扫描设备的扫描模式扫描立式储罐提高了储罐测量效率，并方便输出点云以提供后处理程序运算分析，如计算储罐体积等。主要实现4个功能:

1)对油罐进行5个临界点（罐顶点、罐底点1、罐壁点2、基点）的测定，可自动求出油罐的半径、高度；提出了罐底点、任何罐壁点1、任何罐壁点2都应在相同的高程上均匀地分布，罐底点与罐顶位于同一垂线上。

2)规定了扫描设定箱号，将纵向步长（以厘米计）和横向根数（纵向向上的扫描行数）设定为纵向步长（以5厘米为单位），横向步长为120条；然后进行模板高度的设定，测量和记录模板高度；

3)在对油罐进行扫描之前，该系统会按照预先定义的方式，自动地生成多个子扫描，在扫描结束之后，会自动地将其储存起来。

4)数据输出以PTS或XYZ两种方式，将点云数据以PTS或XYZ形式输出；

3.立体罐罐底容量

立体罐底变形的原因比较复杂，涉及地质、结构、力学、热力学、材料科学等学科，主要分为以下两类：

1）水压试验后的立体罐的规则与以前相同，水箱底部有一定的锥度，表面凹凸不规则；

2）加注油，罐底基础的连续变化导致罐底基础的不均匀沉降和罐底变形，从而导致罐底的不规则变化。

当前，在底量增量测量方法的条件下，对4种液体存储提出了：几何法、倒罐、双位法、液位计等，但是，这些方法都无法从根本上减小或消除由于罐底变形而引起的容积误差，为提高计量精度，确保计量转换的可靠性，对立体罐底变形计量进行了研究。

罐的容量计算，近似于以罐底为底的圆柱的体积计算，因为罐底的真实形状与理想的圆平面有很大的不同，所以必须进行罐底测量及计算，才能在打印容量表时，准确地输入“罐表起点高度”及“起点高度对应容积”等数据，得到符合精度要求的立体金属罐容量表，所以，按要求测量出罐底数据之后，如何利用这些数据，对罐底进行正确的修正，是给出精确的罐底容积表的基础。

4.立体金属罐有限元建模及分析

通过对立体罐底变形的有限元分析，建立了5000m3立体罐底的有限元模型，并对其进行了仿真与实验研究，本文对立体油罐底部的变形情况进行了分析与归纳。

4.1参数设置

在GB50341-2003《钢制焊接油罐设计规范》中，建立了立体油罐的模型，并在模型中使用了targe170靶板模型，由于三维建模单元较大，为方便数据处理，在实际应用过程中，本文采用了半立式罐，即实体建模的10度模型。

4.2建模的沉降分析

在每立方米2米的高度上，采用5000m3模拟罐底沉降模型实验，获得了不同水位时罐底最大沉降量曲线，根据实验结果可知，随着液面高度的增加，油罐底所受的静压也随之增加，按照一定的规律及压力的变化，其沉降量主要有以下几种：罐底沉降量最大，在4~8米之间，每间隔2m的高度约2mm；8~16m范围内其变化量趋于稳定，每2m的高度是0.8mm；在16-20m之间，每2m的高度是0.6mm，可以得出如下的结论：

1)当水平H（0，H1）罐底沉降不发生改变，而在H1数值接近罐底，急剧的沉降形变，产生的底部增量；

2)当水平H在（H1，H2）的范围内，罐底产生均匀的线变形；

3)当水平H（H2、H3）在罐底沉降的范围变化不大，稳定状态。

4.3试验方法

在测量中应优先采用容量比较法，在容量比较法条件不具备的情况下，采用几何测量法。在此基础上，计量工作者相继提出了人工检尺法、倒液法。

(1)容量比较法

水或液态原油由标准的金属计量装置或流量计向被检测罐注射，同时用量油尺测得从罐底注入的液面，直到液体分别浸入到下计量参考点和罐底最高隆起处，即可测定注入的液体的温度，并加以修正，在检测槽中，用标准的金属计量器具或流量计，把被检测槽中的液面作为静态和下限计量参考点。

(2)几何测量法

根据圆环的等面积m，将罐底上的各测点一分为二，与半径（0-1，0-2...0-n）相交的位置，绘制标志，测量标高，然后用公式求出结果。

(3)人工检尺法

采用浸没式刻度钢皮尺进行液面测定，采样测定油的温度、密度，并经计算得出储油的容积及质量，这是在世界范围内仍然广泛应用的油罐计量方式，可作为其他油罐计量方式的一种参照，人工检尺法的准确性通常被认为是所用刻度钢尺的准确性，但需要外加人为2毫米的错误。

(4)倒液法

倒液法使用两根管，一根是待测管，一根是标准管，倒液法是把标准罐的一部分液体倒入待测罐中，再对标准罐（按照标准罐罐容表）的输出量和被测容器（按照被测容器体积表）的输入量之间的差来算出，此差值即为被测容器底部变形对容器体积的修正。

结束语

因各立体金属罐的填充物、底料、地基及使用状况的不同，其沉降量及罐容积的变化也各不相同，基于此，还需开展深入研究，对各种类型、材质的立体罐进行试验，获取更为详尽的试验数据，寻找更为精确、可靠的修正方法，从而进一步提升容量计量与贸易交接的精确度，从而保障油罐的正常、安全运行。

参考文献

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