Способ градуировки резервуара для определения вместимости, соответствующей высоте его наполнения

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения вместимости и градуировки вертикальных цилиндрических резервуаров. Способ включает определение площадей горизонтальных сечений поясов резервуара и посредством расчетных методов определение его вместимости. Для этого предварительно осуществляют горизонтальную разбивку исходного сечения резервуара путем измерения длины периметра первого пояса резервуара с последующим делением периметра на отрезки. Выполняют вертикальную разбивку исходного сечения резервуара методом технического нивелирования. Вертикальной проекцией точек предварительной горизонтальной разбивки на уровень вертикальной разбивки определяют опорные точки исходного горизонтального сечения резервуара. Электронным тахеометром с функцией измерения расстояний в безотражательном режиме и электронной регистрацией данных осуществляют измерение высот поясов резервуара, наклонных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов при координировании точек. С учетом полученных данных определяют пространственные координаты опорных точек на периметрах горизонтальных сечений резервуара. Строят трехмерную математическую модель резервуара. На основе построенной модели с использованием математических методов интерполяции определяют площади горизонтальных сечений проверяемого резервуара, по которым рассчитывают вместимость резервуара. Технический результат: повышение точности градуировки, расширение функциональных возможностей. 5 з.п. ф-лы.

 

Область техники

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения вместимости и градуировки вертикальных цилиндрических резервуаров, особенно при поверке стальных и железобетонных вертикальных цилиндрических резервуаров номинальной вместимостью 100-100000 м³, предназначенных для хранения и проведения торговых операций с нефтью, нефтепродуктами и прочими жидкостями.

Уровень техники

Резкое повышение цен на энергоносители и ограниченность их ресурсов, современные высокие требования к точности измерений и достоверности их результатов, появление на рынке уникальных технологий и средств измерений диктуют необходимость поиска и применения новых подходов и методов для решения традиционных задач метрологии в области поверки средств измерений.

Многолетняя практика работ проведения измерений с последующей обработкой их результатов, связанных с поверкой резервуаров стальных вертикальных цилиндрических номинальной вместимостью 100-50000 м³, используемых для хранения нефти и нефтепродуктов (далее - резервуар), позволяет сделать вывод о существенных недостатках применяемых в настоящее время методик проверки геометрическим методом, ГОСТ 8.570-2000 «Резервуары стальные вертикальные цилиндрические. Методика поверки» и группы стандартов ISO 7507, в части используемых основных и вспомогательных средств измерений, методов выполнения измерений, а также в части ведения протоколов, обработки результатов измерений, методики расчета градуировочных таблиц.

К основным недостаткам ГОСТ 8.570-2000, действующего на территории стран СНГ, следует отнести следующие положения:

- использование в качестве вспомогательного средства измерений при определении радиальных отклонений образующих стенки резервуара от вертикали (далее - радиальные отклонения) каретки измерительной. Прописанная в ГОСТ 8.570-2000 погрешность измерения расстояния от стенки резервуара до нити отвеса ±1 мм не может являться погрешностью измерения радиальных отклонений, т.к. задающая константу нити отвеса измерительная каретка не является средством измерений. Осевые втулки колес и блока отвеса имеют люфт, эллипсность и деформации колес поверке не подлежат, вертикальное движение каретки можно обеспечить только на идеальной поверхности цилиндра вертикально стоящего резервуара.

Известен способ определения вместимости цилиндрических резервуаров, в котором в центре резервуара устанавливают лазерный теодолит и на базовом расстоянии от него второй теодолит, формируют на внутренней стенке резервуара световую марку от лазерного теодолита, наводят на нее оптическую ось зрительной трубы второго теодолита, последовательно перемещают световую марку вдоль образующей резервуара, определяют для каждого положения световой марки радиус резервуара и оценивают его вместимость (авторское свидетельство SU 1415059, G 01 В 11/00, 07.08.1988).

Недостатком данного способа является то, что необходимо освобождать резервуар от имеющейся в нем жидкости для установления теодолита в его центре, а также большая погрешность в определении вместимости резервуара.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ определения вместимости больших резервуаров, согласно которому внутри резервуара устанавливаются лазерные теодолиты, с помощью которых определяют координаты вершин построенного в сечении резервуара треугольника, с последующим расчетом площади сечения описанной вокруг треугольника окружности по методу наименьших квадратов и интерполяции последней с искомой величиной - вместимостью (патент JP 58-061412, G 01 В 11/00, 12.04.1983).

Однако данный способ также предполагает предварительное освобождение резервуара от находящегося в нем нефтепродукта, зачистку резервуара, что неизбежно приводит к простою резервуара и потере коммерческой прибыли. К тому же, погрешность определения вместимости резервуара велика за счет того, что используются приближенные вычисления и не учитываются глобальные (эллипсность, бочкообразность и пр.) и локальные (выпучины, вмятины и др.) деформации резервуара.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа градуировки резервуара для определения его вместимости, в котором бы были учтены указанные выше недостатки аналогов, а именно: не требовалось бы предварительное освобождение резервуара от нефтепродуктов, повышалась точность за счет использования принципиально иных математических методов расчета, которые учитывали бы влияние на вместимость резервуара глобальных и локальных деформаций его стенки.

Технический результат, на реализацию которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении точности градуировки резервуара для определения его вместимости, а также исключение влияния на достоверность результатов измерений внешних конструктивных особенностей резервуара и погодных условий, не позволяющих использовать каретку измерительную, возможность градуировки резервуаров подземных, частично заглубленных, теплоизолированных и прочих.

Данный результат достигается тем, что способ градуировки резервуара для определения вместимости соответствующей высоте его наполнения, включающий определение площадей горизонтальных сечений поясов резервуара и посредством расчетных методов определение вместимости резервуара, включает следующие этапы:

- предварительно осуществляют горизонтальную разбивку исходного горизонтального сечения резервуара (далее - сечение) путем измерения длины периметра первого пояса резервуара с последующим делением периметра на отрезки,

- выполняют вертикальную разбивку исходного сечения резервуара методом технического нивелирования, вертикальной проекцией точек предварительной горизонтальной разбивки на уровень вертикальной разбивки определяют опорные точки исходного горизонтального сечения резервуара,

- с использованием электронного тахеометра, имеющего функцию измерения расстояний в безотражательном режиме и функцию электронной регистрации данных, осуществляют построение замкнутого полигона вокруг резервуара при измерениях снаружи или базовой линии при измерениях изнутри, с последующим измерением со станций полигона наклонных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов на точки координирования, лежащие на периметрах исходного и вышележащих сечений, а также выполняют измерение высот поясов резервуара,

- с учетом полученных данных определяют пространственные координаты опорных точек на периметрах горизонтальных сечений резервуара и высоты поясов,

- по полученным данным строят трехмерную математическую модель резервуара,

- на основе построенной модели с использованием математических методов интерполяции определяют площади горизонтальных сечений поверяемого резервуара, по которым рассчитывают вместимость резервуара, составляют градуировочные таблицы и формируют результаты поверки.

Предпочтительно и целесообразно проводить измерения следующим образом:

- измерение длины периметра первого пояса резервуара для предварительной разбивки опорных точек исходного сечения проводят рулеткой,

- измерение расстояний, горизонтальных и вертикальных углов на опорные точки сечений электронным тахеометром осуществляют снаружи или изнутри резервуара в безотражательном режиме,

- определяют площади горизонтальных сечений поверяемого резервуара с учетом толщины стенки резервуара (при измерениях изнутри толщина стенки не учитывается), схемы сборки швов, поправок на объем внутренних деталей, плавающее покрытие и гидростатическое давление жидкости,

- определение толщины стенки резервуара, объема внутренних деталей, размеров и массы плавающего покрытия и плотности хранимого продукта для определения поправки на гидростатическое давление жидкости осуществляют предварительно известными инструментальными методами.

Осуществление изобретения

Инструментальная основа способа по настоящему изобретению заключается в том, что используется электронный тахеометр NET 1200 (изготовитель - Sokkia, Япония) или его аналог по точности измерений и функциональным возможностям, позволяющий измерять горизонтальные, вертикальные углы с точностью ±1 угловая секунда и наклонные расстояния в безотражательном режиме с точностью ±1 миллиметр при координировании точек.

Тахеометр предоставляет возможность оперативного выбора одного из трех основных режимов измерения расстояний (безотражательный, по призме и по отражающим пленкам), что повышает удобство работы оператора и обеспечивает гибкий подход при решении сложных, нестандартных задач.

Для обеспечения высокой точности измерений при построении геодезической подосновы (полигона) используются специальные отражатели RT 50 в сочетании с призменными адаптерами стандарта WILD. Их назначением является точное позиционирование на определяемых станциях полигона, а основным преимуществом - ничтожно малое искажение отраженного лазерного луча, независимо от угла падения до 60°, что обеспечивает точность измерения расстояний в полигоне ±0,6 мм.

Для построения геодезических сетей используется пять штативов с трегерами стандарта WILD (при измерениях изнутри резервуара - два штатива), что позволяет проводить измерения без закрепления опорных точек на местности и исключает ошибки позиционирования при перестановках тахеометра и наблюдаемых отражателей.

Измерение толщины стенки, базовой высоты резервуара, объема внутренних деталей, размеров и массы плавающего покрытия, а также плотности хранимого продукта проводят по ГОСТ 8.570-2000 известными инструментальными методами.

Методика предполагает, что геодезические измерения проводят электронным тахеометром снаружи или изнутри резервуара. Перед началом измерений необходимо провести поверку и юстировки тахеометра, предусмотренные изготовителем, выполняют программу определения коллимационной поправки, а значения коллимационной поправки вносят в память прибора. Поворотные отражатели тщательно ориентируют по линии визирования.

Число станций полигона определяется длиной периметра и высотой резервуара. При проведении измерений изнутри резервуара базовая линия строится с расчетом возможности наблюдения всех координируемых точек. Номера станций соответствуют номерам точек разбивки по нормали и отражаются двухзначным числом. Положение станций выбирают исходя из реальных условий площадки, окружающей резервуар, - наличие обвалований, бетонных ограждений, технологических трубопроводов и пр., с учетом создания симметричной фигуры хода с расстоянием от станции полигона до точек координирования близким или большим высоты резервуара.

За исходный пункт с условными координатами Х=0.000, Y=0.000 принимают одну из геодезических станций полигона. Все станции привязываются по высоте к точкам разбивки исходного сечения обратной засечкой, где высота сечения Н_сеч=0.000.

Измерения наклонных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов в полигоне и координирование опорных точек на периметрах сечений выполняют электронным тахеометром одновременно, против часовой стрелки с использованием пяти штативов (при измерениях изнутри резервуара - двух). Штативы с трегерами устанавливают на первых пяти станциях полигона. Трегеры приводят к горизонту с использованием круглого уровня. Адаптеры с отражателями и тахеометр приводят к горизонту с использованием цилиндрических уровней. Поворотные отражатели тщательно ориентируют по линии визирования.

За исходное «нулевое» сечение принимается горизонтальная плоскость, ограниченная стенкой резервуара, по высоте соответствующая нижней внутренней образующей приемо-раздаточного патрубка.

Предварительно горизонтальную разбивку исходного сечения выполняют путем измерения рулеткой длины периметра первого пояса резервуара в удобном по высоте месте, с последующим делением периметра на отрезки числом, кратным двенадцати, с количеством точек разбивки: 24, 36, 48 (в зависимости от длины периметра резервуара).

Вертикальную разбивку исходного сечения выполняют методом технического нивелирования. За исходную точку вертикальной разбивки принимают уровень, вычисленный как разность высоты верха и наружного диаметра трубы приемо-раздаточного патрубка. Высоту уровня для разбивки исходного h_сеч0 определяют по формуле:

h_сеч0=b_п-d_нп+∂_п,

где

b_п - отсчет по рейке верха трубы приемо-раздаточного патрубка, мм;

d_нп - наружный диаметр трубы приемо-раздаточного патрубка, мм;

∂_п - толщина стенки трубы приемо-раздаточного патрубка, мм.

Точки разбивки исходного сечения определяют вертикальной проекцией точек предварительной горизонтальной разбивки на уровень вертикальной разбивки.

Точки маркируют взаимно перпендикулярными штрихами и нумеруют против часовой стрелки последовательно. Номера точек разбивки являются номерами образующих цилиндрической части резервуара.

Для определения высот сечений и координат опорных точек проводят предварительные определения высот поясов резервуара. Тахеометр устанавливают по нормали к образующей, на расстоянии от стенки, большем высоты резервуара, и привязывают по высоте к точке разбивки исходного сечения обратной засечкой с Н_сеч=0.000. Измерения проводят при зафиксированном горизонтальном круге тахеометра в режиме отображения превышений. Измерения высоты поясов на конкретной образующей начинают с точки примыкания стенки к днищу резервуара и завершают точкой примыкания стенки к кровле резервуара. Точки для измерения превышений швов поясов, относительно исходного сечения, определяют пересечением вертикальной визирной плоскости тахеометра и середины сварного шва пояса резервуара. Данные измеренных превышений заносят в протокол. Превышения, измеренные на диаметрально противоположных точках одного и того же шва пояса резервуара, усредняют. На верхнем шве первого пояса резервуара находят диаметрально противоположные точки с наибольшим и наименьшим превышением, относительно точек разбивки исходного сечения, и определяют разность этих превышений. На каждом поясе резервуара определяют три сечения - нижнее, среднее, верхнее, превышения которых, относительно исходного сечения, рассчитывают по формуле:

для нижнего сечения Н_{n Сеч. H}=h_cp.(n-1) + h_накл+100;

для среднего сечения

для верхнего сечения Н_{n Сеч.В}=h_cp.n-h_накл-100,

где - h_cp.n - среднее значение измеренного превышения шва n-го пояса;

h_накл - значение превышения, обусловленного наклоном резервуара.

Измерение горизонтальных углов в полигоне выполняют одним полным приемом с обязательным изменением положения вертикального круга между полуприемами. Одновременно с измерением углов проводят измерения расстояний между станциями. Координирование точек исходного и вышележащих горизонтальных сечений выполняют в безотражательном режиме и в режиме отображения превышений с определением высоты сечения методом слежения. На каждом отдельном поясе резервуара координируют точки трех сечений. На первом поясе, с учетом большого количества конструкций, координируют точки исходного и верхнего сечений. Точки координирования сечений нумеруют четырехзначным числом, где первые два знака соответствуют номеру образующей резервуара, а последующие - номеру сечения.

По завершению координирования опорных точек сечений резервуара на станции выполняют контрольное наблюдение на станцию ориентирования в полигоне.

Данные всех измерений заносят в файл внутренней памяти тахеометра в режиме записи.

Обработку результатов измерений осуществляют следующим образом. Импорт файла работ из внутренней памяти тахеометра выполняется программой MAPSUITE+, поставляемой производителем тахеометра.

Уравнивание геодезических построений выполняется по методу наименьших квадратов в системе CREDO_DAT 3.0, по результатам уравнивания предоставляются ведомости:

- оценки точности планового обоснования;

- ведомость теодолитных ходов;

- схема обоснования и координирования.

Значения измеренных высот поясов резервуара, наклонных расстояний, вертикальных и горизонтальных углов, полученные при координировании точек, используются для определения пространственных координат опорных точек на периметрах горизонтальных сечений резервуара.

По полученным данным строят трехмерную математическую модель резервуара. Построение указанной модели осуществляется посредством любого известного программного обеспечения или с использованием программы TANKAGE 1.0, разработанной автором настоящего изобретения.

На основе построенной модели определяют площади горизонтальных сечений поверяемого резервуара. При определении площадей сечений посредством программного продукта TANKAGE 1.0 используются методы интерполяции дугами окружностей (ИДО) или обобщенной параболической интерполяции (ОПИ).

Параболическая интерполяция, разработанная Оверхаузером, используется для решения многих прикладных задач, причем не требует больших расчетов. Параболическая интерполяция состоит в линейной интерполяции пересекающихся частей двух парабол. Параболы заданы четырьмя последовательными точками: первая - тремя первыми точками, вторая - тремя последними. Пересечение лежит между второй и третьей точками.

Метод интерполяции дугами окружности разработан автором данного изобретения. Принцип интерполяции следующий:

- находятся координаты центра окружности, проходящей через 3 соседние опорные точки сечения 1-2-3;

- с заданным шагом интерполяции рассчитываются координаты интерполируемых точек на участке 2-3;

- находятся координаты центра окружности через 3 следующие соседние точки 2-3-4;

- с тем же шагом интерполяции рассчитываются вторые координаты интерполируемых точек на участке 2-3;

- из двух определений находятся средние координаты, используемые затем для расчета площади сечения.

Оба указанных интерполяционных метода существенно выигрывают перед существующими на настоящий момент методами расчета градуировочной таблицы. Это происходит по двум причинам. Во-первых, в обработке интерполяционными методами используются непосредственно определенные с высокой точностью координаты опорных точек сечений резервуара в отличие от более низкой точности измерения длины окружности (а фактически длины периметра неправильной фигуры). Во-вторых, в интерполяционных методах учитываются все отклонения периметра сечений от правильной окружности.

Расчет вместимости резервуара осуществляется по полученным данным площадей горизонтальных сечений поверяемого резервуара с учетом толщины стенки резервуара, схемы сборки швов, поправок на объем внутренних деталей, плавающее покрытие и гидростатическое давление жидкости. Указанный расчет также осуществляется посредством программного продукта TANKAGE 1.0.

По вычисленным значениям вместимости резервуара составляют градуировочные таблицы и формируют результаты поверки в соответствии с методикой, описанной в ГОСТ 8.570-2000.

Существенное преимущество методики по настоящему изобретению заключается в построении жесткой трехмерной модели резервуара, что позволяет исключить влияние на достоверность градуировочной характеристики приближенных вычислений, связанных с привидением фигуры резервуара к правильной и введением достаточно спорной поправки на наклон резервуара.

Все существующие на сегодняшний день способы измерений и обработки данных для градуировки резервуаров, в том числе и наиболее близкий аналог (прототип), построены на принципе определения объема правильной фигуры - цилиндра, исходя из приведения периметров либо площади сечений к правильной окружности, что, как указывалось выше, позволяет исключить способ по настоящему изобретению.

1. Способ градуировки резервуара для определения вместимости, соответствующей высоте его наполнения, включающий определение площадей горизонтальных сечений поясов резервуара и посредством расчетных методов определение вместимости резервуара, отличающийся тем, что предварительно осуществляют горизонтальную разбивку исходного сечения резервуара путем измерения длины периметра первого пояса резервуара с последующим делением периметра на отрезки, выполняют вертикальную разбивку исходного сечения резервуара методом технического нивелирования, вертикальной проекцией точек предварительной горизонтальной разбивки на уровень вертикальной разбивки определяют опорные точки исходного горизонтального сечения резервуара, электронным тахеометром с функцией измерения расстояний в безотражательном режиме и электронной регистрацией данных осуществляют измерение высот поясов резервуара, наклонных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов при координировании точек, с учетом полученных данных определяют пространственные координаты опорных точек на периметрах горизонтальных сечений резервуара, по полученным данным строят трехмерную математическую модель резервуара, на основе построенной модели с использованием математических методов интерполяции определяют площади горизонтальных сечений поверяемого резервуара, по которым рассчитывают вместимость резервуара, составляют градуировочные таблицы и формируют результаты поверки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят горизонтальную и вертикальную разбивку опорных точек исходного горизонтального сечения резервуара с использованием рулетки и метода технического нивелирования.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение наклонных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов электронным тахометром осуществляют в безотражательном режиме снаружи или изнутри резервуара.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что высоты опорных точек на периметрах горизонтальных сечений резервуара, относительно исходного, определяют электронным тахеометром в режиме слежения, без предварительной разбивки.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что по результатам измерений определяют площади горизонтальных сечений поверяемого резервуара с учетом толщины стенки резервуара, схемы сборки швов, поправок на объем внутренних деталей, плавающее покрытие и гидростатическое давление жидкости, без приведения фигуры сечения к правильной.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что определение толщины стенки резервуара, объема внутренних деталей, размеров и массы плавающего покрытия и гидростатического давления жидкости осуществляют предварительно известными инструментальными методами.