梅云飛,范俊福,肖 生

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司,四川 自貢 643001)

超長(zhǎng)大型容器往往有垂直關(guān)系檢測(cè)技術(shù)要求,一般是設(shè)備軸線與某個(gè)平面垂直。由于設(shè)備軸線是一條虛擬線,工程上通常需要借助經(jīng)緯儀、全站儀乃至三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等高級(jí)檢測(cè)設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量,亦或是利用同軸關(guān)系、直線度檢測(cè)結(jié)果等來(lái)間接反映垂直關(guān)系的偏差(該方法常常不被認(rèn)可)。

采用高級(jí)檢測(cè)設(shè)備實(shí)施測(cè)量時(shí),設(shè)備的架設(shè)、找正、調(diào)試通常耗時(shí)很長(zhǎng),且使用限制較多,同時(shí)為保障檢測(cè)精度,測(cè)量實(shí)施時(shí)被測(cè)物體常常不允許移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng),如果此時(shí)被測(cè)物還處于制造狀態(tài),其他作業(yè)項(xiàng)難以同時(shí)開展,對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度很不利。

介紹一種超長(zhǎng)大型容器垂直關(guān)系簡(jiǎn)易測(cè)量方法,本方法整個(gè)檢測(cè)工作都在容器內(nèi)部開展,測(cè)量基準(zhǔn)和檢測(cè)點(diǎn)也都在容器內(nèi)部,容器的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)均不影響本方法測(cè)量的準(zhǔn)確性。同時(shí),因?yàn)榭梢约磿r(shí)提供檢測(cè)數(shù)據(jù),采用本方法不僅可以在筒節(jié)裝配后實(shí)施測(cè)量,也可以在筒節(jié)裝配過(guò)程中提供實(shí)時(shí)作業(yè)指導(dǎo)。

1 檢測(cè)方法簡(jiǎn)述

以某氨合成塔外殼的檢測(cè)為例,氨合成塔外殼檢測(cè)示意見圖1。

圖1 氨合成塔外殼檢測(cè)示意

步驟1:選取底部?jī)?nèi)件托盤為基準(zhǔn)平面;步驟2:在基準(zhǔn)平面上選取兩組共4個(gè)測(cè)量點(diǎn),其中測(cè)量點(diǎn)1、2為一組,測(cè)量點(diǎn)3、4為一組,每組兩個(gè)點(diǎn)分別對(duì)設(shè)備軸線對(duì)稱,且每組兩個(gè)點(diǎn)的連線互相垂直(采用測(cè)量相鄰兩點(diǎn)間距方法驗(yàn)證);步驟3:選擇超差風(fēng)險(xiǎn)截面(一般是筒節(jié)、封頭、變徑段的端面),在風(fēng)險(xiǎn)截面上找中心,并通過(guò)定位工裝將激光測(cè)距儀安裝在該中心位置;步驟4:使用激光測(cè)距儀測(cè)量截面中心至各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的距離;步驟5:計(jì)算得出截面中心對(duì)設(shè)備軸線的偏離值,即該點(diǎn)的垂直關(guān)系偏差值;步驟6:對(duì)多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)截面進(jìn)行測(cè)量后,即可得出容器整體垂直關(guān)系偏差情況。

2 方法的論證

本文所介紹的方法遵循與擬合要素比較原則,首先確定了一條“標(biāo)準(zhǔn)軸線”(即通過(guò)上述4個(gè)測(cè)量點(diǎn)連線中心的基準(zhǔn)平面的法線),然后測(cè)量其他截面中心與該“標(biāo)準(zhǔn)軸線”的偏移量。建立的簡(jiǎn)化平面幾何模型見圖2。

圖2 簡(jiǎn)化平面幾何模型示意

在該模型中,點(diǎn)A、點(diǎn)B即為標(biāo)準(zhǔn)平面上的一對(duì)測(cè)量點(diǎn),其連線的中點(diǎn)為點(diǎn)O,過(guò)點(diǎn)O作直線AB的垂線,則該垂線即為設(shè)備的“標(biāo)準(zhǔn)軸線”。

在進(jìn)行垂直關(guān)系檢測(cè)時(shí),首先找出風(fēng)險(xiǎn)截面的中點(diǎn),即為模型中的點(diǎn)C,則點(diǎn)C到AB垂線的距離或直線OC與垂線的夾角α即為點(diǎn)C所在截面處垂直關(guān)系的距離偏差或角度偏差。幾何模型求解示意見圖3。

圖3 幾何模型求解示意

對(duì)偏差值求解:測(cè)量點(diǎn)C到點(diǎn)A的距離為a;測(cè)量點(diǎn)C到點(diǎn)B的距離為b;測(cè)量線段AB的長(zhǎng)度為c。

作點(diǎn)C到標(biāo)準(zhǔn)軸線和直線AB的垂線,垂足分別為點(diǎn)M、N,定義線段CM、CN長(zhǎng)度分別為m、n,其中n可直接測(cè)量。

建立等式:

易得:

轉(zhuǎn)化成角度偏差:

該平面幾何模型的空間修正示意見圖4。

圖4 平面幾何模型的空間修正示意

現(xiàn)實(shí)中C點(diǎn)是一個(gè)空間點(diǎn),以本方法對(duì)其中一組測(cè)量點(diǎn)A1、B1進(jìn)行測(cè)量時(shí),得到的偏差值實(shí)為點(diǎn)C到直線A1B1中垂面的投影距離m1;同理,以本方法對(duì)另一組測(cè)量點(diǎn)A2、B2進(jìn)行測(cè)量時(shí),得到的偏差值實(shí)為點(diǎn)C到直線A2B2中垂面的投影距離m2。

當(dāng)直線A1B1與直線A2B2相互垂直時(shí),存在幾何關(guān)系:

結(jié)合本文所述檢測(cè)方法和簡(jiǎn)化幾何模型的解,可以得到超長(zhǎng)、大型容器任意截面中心對(duì)設(shè)備軸線的垂直關(guān)系距離偏差值:

其中:a1、b1分別為截面中心到基準(zhǔn)平面上第一組兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離;c1為第一組兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間的距離;a2、b2分別為截面中心到基準(zhǔn)平面上第二組兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離;c2為第二組兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間的距離。

轉(zhuǎn)化成角度偏差:

其中,n為截面中心到基準(zhǔn)平面的距離。

3 不確定度論證

關(guān)于測(cè)量的不確定度,可以按簡(jiǎn)化的平面幾何模型距離偏差值的解來(lái)進(jìn)行分析考量:

首先可以明確的是:①a、b數(shù)值接近,測(cè)量方法相同;②c的測(cè)量方法可能與a、b不同;③m應(yīng)為一個(gè)較小值。

進(jìn)一步進(jìn)行分析,假設(shè)c得到了準(zhǔn)確測(cè)量,分析a、b測(cè)量誤差對(duì)結(jié)果的影響。當(dāng)a的測(cè)量值為正偏差、b的測(cè)量值為負(fù)偏差時(shí),m值的偏差最大。假設(shè)a、b值的測(cè)量精度為±j,此時(shí):

假定a=b=10 000 mm、c=1 000 mm、j=2 mm,代入a=b=10 000 mm、c=1 000 mm、j=2 mm進(jìn)行模擬計(jì)算:

另外,假設(shè)a2-b2已經(jīng)得到準(zhǔn)確測(cè)量,分析c測(cè)量誤差對(duì)結(jié)果的影響。當(dāng)c為負(fù)偏差時(shí),得到的m值最大,當(dāng)c為正偏差時(shí),m的值最小,假設(shè)c值的檢測(cè)精度為±k,則:

假定a=b=10 000 mm、c=1 000 mm、j=2 mm,代入a2-b2=1 000 mm、c=1 000 mm、k=10 mm進(jìn)行模擬計(jì)算:

通過(guò)以上論證基本可以得出結(jié)論:①c數(shù)值的測(cè)量精度對(duì)采用本方法計(jì)算垂直關(guān)系偏差的精度影響較小;②a、b數(shù)值的檢測(cè)精度對(duì)采用本方法計(jì)算垂直關(guān)系偏差的精度影響很大;③m值的不確定度基于a、b值的測(cè)量精度,并隨著(a+b)/c數(shù)值的增大也在等比例放大。

4 本方法的適用性論證

根據(jù)上述論述,可以得到如下信息:①本方法需要明確一個(gè)可靠的基準(zhǔn)平面;②本方法需要定位兩組共4個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)需滿足:每組兩個(gè)點(diǎn)分別對(duì)設(shè)備軸線對(duì)稱,且每組兩個(gè)點(diǎn)的連線互相垂直;③兩組測(cè)點(diǎn)的間距可以不相同;④被考察的截面能夠準(zhǔn)確定位截面中心,并能夠?qū)⒓す鉁y(cè)距儀架設(shè)在該位置;⑤測(cè)點(diǎn)處應(yīng)有實(shí)體或靶標(biāo),能夠反射激光束;⑥容器內(nèi)部應(yīng)無(wú)阻攔激光束的障礙。

以上是能否按本方法實(shí)施測(cè)量的基礎(chǔ)條件,關(guān)于本方法的適用性論述,關(guān)鍵在于測(cè)量的不確定度能否滿足檢測(cè)要求。

通過(guò)咨詢國(guó)際、國(guó)內(nèi)一線激光測(cè)距設(shè)備制造廠家,了解到當(dāng)前的成熟商品公開的性能參數(shù)能夠達(dá)到100 m內(nèi)測(cè)量精度為±1.5 mm,重復(fù)精度為±0.5 mm。當(dāng)采用此款產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量時(shí),由于j的定義是a、b值的“測(cè)量”偏差,其值應(yīng)取其重復(fù)測(cè)量精度,即式中j=0.5 mm;將m偏差的估算結(jié)果按圖3中的n/c值為1…2…3…進(jìn)行對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)(n/c的物理意義類似于容器的長(zhǎng)徑比概念),其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 n/c值與m偏差值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)計(jì)量1/3原則,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓整,得到本方法適用的n/c值與m允差值對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 n/c值與m允差值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

當(dāng)超長(zhǎng)大型容器任意截面中心對(duì)設(shè)備軸線的垂直關(guān)系距離偏差值大于表2中的m允差值或通過(guò)角度允差折算的偏差值大于表2中的m允差值時(shí),采用本方法進(jìn)行測(cè)量是適用的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種超長(zhǎng)大型容器垂直關(guān)系檢驗(yàn)方法,此種方法略為粗放,但是具備良好的操作便利性和廣泛的適應(yīng)性,同時(shí)仍然具備一定的檢測(cè)精度,能夠?yàn)閺V大同行業(yè)讀者開展檢測(cè)活動(dòng)提供有意義的借鑒;尤其是采用此方法還可以在容器產(chǎn)品筒節(jié)裝配過(guò)程中提供一種簡(jiǎn)便可靠的工作指引,無(wú)疑是具備工程應(yīng)用價(jià)值的。