劉 彬，李學(xué)成，曾 晉，莫子翠，張 杰

(1.中海輝固地學(xué)服務(wù)(深圳)有限公司，廣東深圳 518000；2.廣東省海上油氣設(shè)施檢測工程技術(shù)研究中心，廣東深圳 518000；3.中國科學(xué)院海洋研究所，山東青島 266071)

0 引言

在海洋石油開發(fā)過程中，鋼質(zhì)導(dǎo)管架固定式平臺是應(yīng)用最廣泛的一種形式。部分導(dǎo)管架在安裝或者服役過程中，由于受到外力、腐蝕等影響，會出現(xiàn)諸多損傷的問題，對整個導(dǎo)管架平臺的服役造成了安全隱患，嚴(yán)重時會導(dǎo)致巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，還會對環(huán)境造成污染。因此，需要對導(dǎo)管架的受損部位進行檢測及損傷評估，為后續(xù)的應(yīng)對策略提供客觀依據(jù)。目前導(dǎo)管架損傷點的檢測主要是潛水員使用標(biāo)尺進行損傷點范圍、凹陷深度等數(shù)據(jù)的測量[1，2]。潛水員作業(yè)成本高、風(fēng)險高，標(biāo)尺只能通過網(wǎng)格化的選點測量來模擬損傷點，難以實現(xiàn)損傷點的測量全覆蓋，測量結(jié)果存在人為因素影響大的弊端，因而是一種粗略式的測量，難以為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析提供精確的損傷模型。三維激光掃描作為一種精細(xì)化的測量手段，在水下應(yīng)用方面已得到了廣泛的研究[3-8]，如水下目標(biāo)物探測、地表地形信息采集、水下結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)測量等，并取得了許多突破性的成果。目前國內(nèi)對水下三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用還處于起步階段，還未有使用三維激光掃描設(shè)備水下進行導(dǎo)管架損傷點測量的先例。為推進該技術(shù)在國內(nèi)海上油氣田檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，本研究團隊對水下機器人(ROV)搭載三維激光掃描設(shè)備的導(dǎo)管架損傷測量技術(shù)進行研究，通過激光掃描成像，采集導(dǎo)管架損傷位置的激光點云三維數(shù)據(jù)，后期數(shù)據(jù)處理可以生成損傷區(qū)域的三維模型并測量得到損傷區(qū)域尺寸數(shù)據(jù)，為導(dǎo)管架的安全評估和損傷修復(fù)提供客觀依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

設(shè)備選用加拿大2G Robotics公司的ULS-200中距離(0.36—2.50 m)激光掃描測量系統(tǒng)，如圖1所示。該設(shè)備可以實時生成3D模型和可視化結(jié)果，采集高密度點云數(shù)據(jù)，生成真實比例的亞毫米級(由于水下環(huán)境影響，實際應(yīng)用中只能達(dá)到毫米級)分辨率3D模型，便于識別微小特征和缺陷。

圖1 ULS-200激光掃描儀系統(tǒng)組成

ROV使用中海輝固公司的125匹CFUV1000系列ROV系統(tǒng)，如圖2所示。配備8個液壓推進器、Schilling Titian 4 七功能智能機械手和 Schilling Rigmaster五功能重型機械手，數(shù)據(jù)通過光纖通道進行傳輸。

圖2 中海輝固CFUV1000系列ROV系統(tǒng)

1.2 方法

1.2.1 設(shè)備的連接

三維激光掃描儀固定在ROV機械手上，確保掃描儀和機械手的相對穩(wěn)定性，如圖3所示。ROV系統(tǒng)為激光掃描儀提供電力以及信號傳輸?shù)耐ǖ?。激光掃描儀采集激光點云數(shù)據(jù)后，通過ROV臍帶纜內(nèi)的光纖通道將RS485數(shù)據(jù)傳輸至水面功能盒，功能盒將RS485信號轉(zhuǎn)換為USB信號后，數(shù)據(jù)處理電腦對數(shù)據(jù)信號進行呈現(xiàn)和處理，數(shù)據(jù)傳輸過程如圖4所示。

圖3 ROV搭載三維激光掃描儀

圖4 設(shè)備連接線路示意圖

1.2.2 測量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)驗證

為了驗證水下三維激光掃描測量的準(zhǔn)確性，制作一個專用結(jié)構(gòu)用于校準(zhǔn)，如下圖5所示。分別使用游標(biāo)卡尺、甲板激光掃描、水下激光掃描三種方式，對專用結(jié)構(gòu)的卸扣咬合點、板塊的長邊和短邊進行測量，通過數(shù)據(jù)的對比，得到水下三維激光掃描的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

圖5 校準(zhǔn)專用結(jié)構(gòu)

1.2.3 陽極尺寸測量

選取導(dǎo)管架底部外圍的犧牲陽極作為測量目標(biāo)，ROV機械手搭載三維激光掃描儀到達(dá)指定位置，并穩(wěn)定于海床上，調(diào)整三維激光掃描儀與待測陽極的距離為1 m左右，如圖6a所示。保持ROV系統(tǒng)穩(wěn)定并關(guān)閉ROV自身的光源，啟動三維激光掃描儀，對待測陽極進行激光掃描，采集激光點云數(shù)據(jù)，如圖6b所示。

圖6 ROV搭載激光掃描儀進行陽極掃描

1.2.4 凹陷點尺寸測量

南海某導(dǎo)管架在安裝過程中受到撞擊，導(dǎo)致某一管狀構(gòu)件上產(chǎn)生長度約1.7 m的凹陷區(qū)域，以此為研究對象，開展三維激光掃描對損傷點尺寸的測量研究。由于損傷面積較大，一次掃描無法獲取所有損傷區(qū)域的激光點云數(shù)據(jù)。首先對損傷區(qū)域進行掃描設(shè)計，使用方形磁鐵對損傷區(qū)域進行分割，如圖7所示，平均分配成長度0.8 m左右的3個區(qū)域，磁鐵作為分割標(biāo)示，也是后續(xù)拼接的公共參考點。ROV首先清除導(dǎo)管架損傷桿件上的附著鈣質(zhì)層和海洋生物，隨后ROV放置磁鐵于損傷點的指定位置，如圖8a所示。ROV機械手搭載水下三維激光掃描儀下水，坐靠在導(dǎo)管架上保持穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)整三維激光掃描儀位置，分別對3個區(qū)域多角度進行掃描，中間區(qū)域的掃描需要覆蓋兩組磁鐵，兩側(cè)區(qū)域的掃描需要覆蓋損傷點邊緣和一組磁鐵，完成凹陷位置的掃描采集，如圖8b所示。

圖7 損傷區(qū)域掃描設(shè)計示意圖

圖8 ROV進行導(dǎo)管架水下作業(yè)

2 結(jié)果與分析

2.1 校準(zhǔn)驗證結(jié)果

在甲板和水下完成對校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)采集激光點云數(shù)據(jù)后，通過Cloud Compare 軟件對獲取的數(shù)據(jù)進行拼接組合，得到三維建模后的校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖9a為甲板掃描成像，圖9b為水下掃描成像。在本次測試時將測試模塊的3個測量點作為標(biāo)定，進行對比。相關(guān)數(shù)據(jù)如下表1所示。

圖9 校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)激光掃描拼接圖

表1 校準(zhǔn)測量結(jié)果

通過分析鐵板短邊和長邊測得的數(shù)據(jù)，三維激光的掃描測量結(jié)果與卡尺的測量誤差在0.1 mm左右；三維激光在甲板與水下的測量結(jié)果誤差也在0.1 mm左右。對于卸扣咬合處的測量，由于水下掃描姿態(tài)的問題，未能完整掃測到咬合處兩側(cè)的部位，導(dǎo)致測量誤差在1 mm左右。綜上，三維激光掃描測量技術(shù)可以實現(xiàn)水下毫米級的測量。

2.2 陽極測量結(jié)果

陽極的水下照片如圖10a所示，完成采集激光點云數(shù)據(jù)后，通過Cloud Compare 軟件對獲取的數(shù)據(jù)進行拼接組合，得到三維建模后的陽極外觀如圖10b所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，激光點云拼接的陽極與ROV高清攝像頭拍照的陽極外觀形狀基本一致。通過將陽極表面積分解成若干個不規(guī)則三角形，通過相加法可以得到陽極外圍的表面積。

圖10 導(dǎo)管架陽極照片和拼接圖

2.3 損傷點測量結(jié)果

三維激光掃描可以實時生成3D模型的可視化結(jié)果，ROV從不同角度對損傷點進行掃描的激光點云圖像如圖11所示。圖11a和圖11b為三維激光掃描儀在損傷區(qū)域正上方進行掃描的數(shù)據(jù)模型；圖11c和圖11d為三維激光掃描儀在損傷區(qū)域側(cè)上方進行掃描的數(shù)據(jù)模型；激光點云的分布可以定性判斷損傷的區(qū)域；顏色越深(紅色)表明此區(qū)域內(nèi)的激光點云分布越密集。

圖11 激光掃描實時數(shù)據(jù)模型

獲得不同角度和不同位置的激光點云數(shù)據(jù)之后，依照數(shù)據(jù)公共點較多且分散、盡可能覆蓋更多不同的區(qū)域、點云數(shù)據(jù)光滑穩(wěn)定的原則，選擇數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)，使用Cloud Compare軟件并利用不同掃描數(shù)據(jù)的公共點對水下三維激光掃描結(jié)果進行拼接，保證拼接成的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示更大有效數(shù)據(jù)面積。損傷點的拼接三維圖像如圖12所示。

圖12 導(dǎo)管架損傷點拼接后效果圖

軟件測量工具可以實現(xiàn)對拼接后圖像的尺寸測量，如圖13所示。測量基于三維模型，可以對損傷點的長度、寬度、深度等數(shù)據(jù)進行直接測量，獲得損傷點的表征數(shù)據(jù)(表2)；同時可以將三維模型導(dǎo)入相關(guān)的受力分析軟件，評估損傷點對導(dǎo)管架整體性能的影響，為進行后續(xù)的決策提供客觀依據(jù)。

圖13 導(dǎo)管架損傷點尺寸測量

表2 導(dǎo)管架損傷測量結(jié)果

3 討論

水下三維激光掃描技術(shù)可以應(yīng)用于導(dǎo)管架損傷區(qū)域的尺寸測量。通過激光點云數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的拼接和處理，建立損傷點的三維模型，從而獲取損傷區(qū)域相關(guān)的尺寸表征數(shù)據(jù)，測量精度可達(dá)毫米級。但由于激光掃描的數(shù)據(jù)受到水體透明度、環(huán)境光線、被測物表面材料、設(shè)備穩(wěn)定性以及掃描儀到目標(biāo)的距離等因素影響，實際作業(yè)中，需對影響數(shù)據(jù)采集的各種因素進行分析，盡可能減少外部環(huán)境對激光掃描作業(yè)的影響，獲取高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)，為后續(xù)建模和測量提供更精確的數(shù)據(jù)。ROV作為一種安全、經(jīng)濟的檢測載體，可以搭載水下三維激光掃描儀實現(xiàn)導(dǎo)管架損傷區(qū)域的測量作業(yè)，為深水結(jié)構(gòu)物的尺寸測量提供了一種高精度的可行性方案。