張慶營，劉磊，吳航

（海洋石油工程（青島）有限公司， 山東 青島 266520）

隨著我國海洋石油開發(fā)的快速發(fā)展，對油氣開發(fā)關鍵裝備的需求不斷增加。目前，在我國海上油氣開發(fā)中普遍使用FPSO單點系泊系統(tǒng)，而單點系泊系統(tǒng)中與主軸承連接的大直徑部件是FPSO單點系泊結構的基礎與核心構件。提升單點系泊系統(tǒng)大直徑部件的制造精度、效率和可靠性等能力，是海上油氣裝備制造行業(yè)不懈追求的目標。

本文對軸承支撐錨鏈盤側現場機加工后的測量需求，從被加工件需測量部位分析、測量設備選型、關鍵測量節(jié)點控制、測量環(huán)境要求以及測量方法等內容進行詳細闡述。

1 軸承支撐錨鏈盤側分析

1.1 總體結構情況

軸承支撐錨鏈盤側總體結構情況的分析與說明，具體如下：

總體結構：是由鋼板、鋼管和鑄造件焊接在一起的結構件；結構總體重量：約406t；最大輪廓尺寸：約Φ15465（D）×11410（H）mm；加工部位：如圖1所示，藍色部位為加工部位，材質為鑄鋼件。

圖1 機加工位置錨鏈盤側三維圖

1.2 加工內容及加工精度要求

軸承支撐側的具體加工內容與精度如圖2所示，具體如下：

Φ7160mm外圓柱面（基準B）：公差要求：0/-2mm；加工深度：115mm；加工余量：5mm；粗糙度要求：Ra6.3μm。

Φ6710mm軸承支撐面：直徑公差要求：±2mm；平面度要求：0.4/180°；垂直度要求：0.5mm（對基準B）；加工余量：5mm；粗糙度要求：Ra3.2μm。

M80×4軸承螺栓孔：加工深度：120mm；位置度要求：Φ0.7mm（對基準C、B）。

圖2 軸承支撐（錨鏈盤側）加工部位剖面圖

2 平面度測量

軸承支撐（錨鏈盤側）作為單點重要的構件之一，用于單點主軸承的支撐，其軸承支撐面的精度是否達到設計要求，對軸承和單點的運行至關重要。軸承支撐面因直徑達7160mm，直徑較大，一般的檢測設備，例如平尺很難測量，且測量精度和測量效率都相對較低。故需要采用精度較高的測量設備進行測量。本測量方案提出采用激光幾何測量系統(tǒng)對軸承支撐面平面度進行測量。

2.1激光幾何測量系統(tǒng)介紹

主要系統(tǒng)配置包括以下部件，如圖3所示：

1臺D279測量顯示器；1個D22旋轉激光發(fā)射器；1個D5探測器；1個帶旋轉頭的磁座；2m和5m帶插拔接口的電纜各1根；2套固定桿。

圖3 EASY-LASER D600激光幾何測量系統(tǒng)

2.1.1 激光原理

激光發(fā)射器采用半導體He-Ne激光器，激光波長為635-670nm，處于可見光的邊緣，顏色為紅色，具體光波位置見圖4所示：

圖4 激光波段

圖5為激光發(fā)射器示意圖。陰極管內充滿氦氣和氖氣，通過高電壓激發(fā)出相應波長的光波，通過兩端透鏡和反射鏡的反復作用，只有平行于中心線的光束被發(fā)射出去，形成激光。

圖5 激光發(fā)射器原理示意圖

激光接收器采用先進的PSD定位技術，PSD即Position Sensitive Device的縮寫。傳統(tǒng)的激光接收器是CCD技術，即將激光感應平面分為m×n個等份，接收到激光后計算出激光的位置。其分辨率由等分的密度來決定，因此有上限約束。而PSD技術是在感應面的兩端加適當電壓，激光打到感應面的不同位置則會在兩端產生不同的電流，其分析的是模擬量，理論上講模擬量的精度是無窮高因此大大提高了測量精度。儀器最終的精度不受感應面的限制，只決定于A/D轉換器的位數，如圖6所示。

圖6 激光探測器感應原理

激光束的中心位置的確定。激光束并不是絕對圓形的，激光的能量分布也不是均勻的。但是這一點并不影響最終的測量結果，因為探測器測量和讀取的是激光的能量中心。如果激光有部分照射到靶區(qū)之外，能量就會部分損失，因此在測量時必須保證激光束全部打在探測器內，如圖7所示。

圖7 激光束與探測器位置示意圖

熱量對激光測量是有影響的，這一點類似于夏天我們經?？吹桨赜婉R路上升起的熱浪而使遠處的物體發(fā)生變形的情形。當激光通過不同溫度的氣體時，其光束發(fā)生了折射，如圖8所示。因此在測量時應避免周圍有明顯的熱源或冷風。

圖8 激光束折射示意圖

2.2 測量方案

將目標的輸出參數與預期值的差值反饋至控制系統(tǒng)，有效消除或抑制內外界對輸出參數的干擾。控制過程為：當負載不變時，每條支路的輸入流量越接近，同步精度越高。當某支路的負載增大時，液壓缸輸出位移將減少，位移傳感器將位移差值反饋到控制器，控制器將改變液壓閥的開度，改變液壓缸的運動位移，保證液壓缸輸出位移恢復至設定值內。系統(tǒng)的物理模型如圖2。

2.2.1 測量前準備—激光線的調整

將D22激光發(fā)射器放置在軸承支撐面指定的0°象限位置處。采用easylaser系統(tǒng)進行幾何測量，如直線度，平面度測量都是基于同樣的測量原理，所有的測量值反映的是接收器相對與激光束的位置?？梢赃x擇絕對參考點或相對參考點重新計算測量結果，可以選擇水平面或被測目標上的測點作為參考點。

當以水平面做參考時，激光發(fā)射器要按照發(fā)射器上的水平儀調平（精度較低0.02mm/m，最高0.005mm/m）。

當以被測目標上的測點作為參考時，激光束要根據參考點的測量值調整，兩種操作的目的是一樣的，將激光束置0（精度較高，40m全長精度0.02mm，最高0.005mm）。

2.2.2 測量方案

(a)按圖9所示A、B、C位置焊接激光發(fā)射器支撐工裝。

(b)將激光發(fā)射器放置在圖10所示A點處，按圖示被加工面194°范圍內圓周均布設置11個測量點，按順時針方向依次編號；

圖9 激光發(fā)射器支撐工裝布置示意圖

圖10 A點測量區(qū)域激光發(fā)射器及測量點布置示意圖

(c)按圖11所示，打開程序進行法蘭平面度測量，并記錄數據。

圖11 測量程序示意圖

(d)將激光發(fā)射器放置在圖示B、C位置處，重復A位置的操作，并記錄數據。由于每次測量范圍均大于180°，三次不同位置的測量既有重復測量區(qū)域覆蓋，又可以累積覆蓋整個圓周加工面，可以全面反映整個加工面的平面度情況，如圖12所示。

圖12 A、B、C三點測量區(qū)域覆蓋示意圖

(e)將三次測量的平面度數據進行統(tǒng)計整理，對整個加工平面而言，實際上是建立了一個三維立體圖，如圖13所示，它反映出整個加工面的平面度情況。因設計要求加工后的平面度為180°內平面度不大于0.4mm，將實際的測量結果與設計要求進行對比，就能夠檢測到實際的加工結果是否滿足設計要求。

3 垂直度測量

圖13 測量結果三維立體示意圖

圖14所示直角尺，是檢驗和劃線工作中常用的量具，用于檢測工件的垂直度及工件相對位置的垂直度，是一種專業(yè)量具，適用于機床、機械設備及零部件的垂直度檢驗，在進行加工件安裝定位、劃線等工作時，也經常使用。

Φ6710軸承螺支撐面對Φ7160外徑面（基準B）的垂直度要求為0.5mm，此垂直度精度可采用通過計量檢驗合格的直角尺貼合在測量平面與外圓柱表面上，然后通過塞尺測量其垂直度。

圖14 直角尺

4 大直徑尺寸測量

(a)先用一塊磁鐵將π尺的付尺端吸固在工件的表面上，然后將π尺拉緊繞在工件上，每隔一定的距離吸固一塊磁鐵。走到一圈以后，將π尺的末端吸固在工件表面上。這時，兩手可以松開π尺。如圖15所示。

圖15 π尺使用示意圖

(b)首、末端的兩塊磁鐵不動，將其余吸在π尺表面上的磁鐵，放到尺的下方，直接吸固在工件表面上，用以支撐π尺，防止由于尺身自重而下垂。這時用目測使π尺繞在同一高度上，然后將首、末端的兩塊磁鐵分別移到離首、末端稍遠的尺面下方，兩手拉住π尺.來回蹭幾下，施加20牛頓左右的拉力，便可以讀數。

(c)測量完后，仍將磁鐵吸固在π尺表面上，然后拉起尺的一端。邊推磁鐵邊卷，直至卷完，收起磁鐵。這樣可以防止尺身落地，避免尺身受意外損傷.并保持尺面清潔。

5 粗糙度測量

各加工部位要求測量的表面粗糙度的部位，可選取多點，采用便攜式粗糙度測試儀（如圖16所示）進行測量。

(a)要求每段測量長度不小于5mm。

(b)測頭運行方向要求與加工刀具運行軌跡垂直。

圖16 粗糙度測試儀示意圖

6 螺紋孔精度測量

螺紋孔精度測量采用螺紋規(guī)進行測量，螺紋規(guī)包括通規(guī)和止規(guī)。

(a)通規(guī)

使用前：應經相關檢驗計量機構檢驗計量合格后，方可投入生產現場使用。

使用時：應注意被測螺紋公差等級及偏差代號與環(huán)規(guī)標識的公差等級、偏差代號相同（如M24×1.5-6h與M24×1.5-5g兩種環(huán)規(guī)外形相同，其螺紋公差帶不相同，錯用后將產生批量不合格品）。

(b)止規(guī)

使用時：應注意被測螺紋公差等級及偏差代號與環(huán)規(guī)標識公差等級、偏差代號相同。

檢驗測量過程：首先要清理干凈被測螺紋油污及雜質，然后在止規(guī)與被測螺紋對正后，用大拇指與食指轉動止規(guī)，旋入螺紋長度在2個螺距之內為合格，否則判為不合格品。

圖17 螺紋規(guī)示意圖

7 結論

本文對內轉塔單點制造中大直徑部件的現場機加工測量方法進行了探討，提出了一套可靠的測量方案，具有一定的實用推廣價值。通過此項工作的研究，為海上油氣單點系泊系統(tǒng)的自主建造積累了經驗，進行了有益的探索和嘗試，對海洋油氣裝備發(fā)展具有重要工程意義。

◆參考文獻

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