摘 要：本文主要針對管道直管段連頭下料的問題進(jìn)行研究，通過激光掃描技術(shù)和空間模型技術(shù)，采用計算機(jī)離散計算和校核的方式替代傳統(tǒng)的三維空間公式運算，可避免固定管中線測量誤差和校準(zhǔn)誤差，并取得了技術(shù)突破，可以實現(xiàn)一刀成型，具有速度快和精度高的特點，并徹底解決管道連頭口和碰死口組對重復(fù)下料和失敗下料的問題。在大慶、大連和秦皇島等地，進(jìn)行十多次管道換管作業(yè)實戰(zhàn)應(yīng)用，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：連頭；下料計算；直管段

中圖分類號：TE 97" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 管道直管段連頭技術(shù)現(xiàn)狀

管道直管段連頭下料的方法有很多種，例如人工下料方法或電腦輔助下料方法，這些方法都沒有解決管道精確快速組對的問題，因此在實際作業(yè)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)應(yīng)力組對、野蠻施工和下料失敗情況。

人工測量及施工的方法難以保證精度，很容易使管工下料不準(zhǔn)確，造成施工周期長、環(huán)焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力集中顯著等后果[1]。李玉坤等[2]通過測量待接管道管口截面空間相對位置，建立了空間方程確定中間的管道尺寸，由于需要測量管道中心線、管口中心點及角度參數(shù)，因此可能產(chǎn)生較大誤差。王志方等[3]利用三維激光掃描儀對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過計算軟件獲得管口對接參數(shù)。由于管口漫反射條件不佳，因此三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)可能形成了一系列的漂移點。反向下料法因無法釋放管道內(nèi)部應(yīng)力，所以沒有排除應(yīng)力集中造成的運營風(fēng)險。反向下料如圖1所示。

型材靠尺法可以應(yīng)用在中小型口徑管道，當(dāng)中間管段達(dá)到一定長度的時，難以保證型材的平直度和靠尺的90°，從而產(chǎn)生誤差，其下料原理如圖2所示。

綜上所述，管道直管段連頭下料計算需要建立一個準(zhǔn)確可靠的計算模型，具有便于測量、實點測量、空間運算、可模擬計算和結(jié)果多類化等功能。

2 管道直管段連頭下料技術(shù)

2.1 固定管測量

測量采用激光掃描，應(yīng)用設(shè)備為FARO三維激光掃描儀，該設(shè)備的SCENE軟件可對場景進(jìn)行初步過濾處理。當(dāng)測量距離時，采用相位偏移技術(shù)，從掃描儀持續(xù)向外投射不同波長的紅外光，在接觸到對象后，會反射回掃描儀，通過測量紅外線光波的相位偏移，即可準(zhǔn)確判斷掃描儀到對象的距離[3]。通過SCENE軟件可以得到設(shè)備可視范圍內(nèi)所有點的X、Y、Z坐標(biāo)，這些點形成一個三維可視的場景，再利用SCENE軟件可以對場景內(nèi)的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行剪裁，從而得到初步的設(shè)備可視范圍內(nèi)管壁點云數(shù)據(jù)。利用三維激光掃描儀對管道進(jìn)行掃描，經(jīng)過點云數(shù)據(jù)分析后，由空間坐標(biāo)值和RGB顏色組成這些點，經(jīng)過軟件渲染后，點云的場景渲染效果如圖3所示。

2.2 測量數(shù)據(jù)再次處理

通過三維激光掃描技術(shù)，可以得到相對準(zhǔn)確的部分固定管管壁及管口點云數(shù)據(jù)，還有因打磨后管壁漫反射條件不好形成的離散點坐標(biāo)數(shù)據(jù)。數(shù)以百萬的點云數(shù)據(jù)沒有形成一定的規(guī)則，不能直接用于模型計算，且由于存在離散點，因此這些誤差較大的點如果沒有經(jīng)過再次處理，就會嚴(yán)重影響管道的下料結(jié)果，影響下料精度。在掃描的過程中，如果掃描質(zhì)量設(shè)置較低，就會嚴(yán)重影響管道數(shù)據(jù)分析和抓取的精度。在三維掃描儀低質(zhì)量設(shè)置下，在管道管口前方進(jìn)行掃描，處理后得到的低質(zhì)量掃描點的三維渲染如圖4所示。從圖中可以看到，管壁呈現(xiàn)紋理狀，間隔部分大量管壁數(shù)據(jù)未被獲取。

在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，由于管口是精細(xì)打磨，因此形成鏡面效果。激光設(shè)備作業(yè)會受到被掃描物體表面鏡面效果的影響，在管口邊緣產(chǎn)生大量的噪點。如果對坡口處鏡面條件較好的管道進(jìn)行掃描，就可以得到三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)渲染圖，在真實的管體表面會產(chǎn)生大量的噪點。對噪點嚴(yán)重的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，并將其局部放大，得到的渲染圖如圖5所示。經(jīng)過多次現(xiàn)場掃描測試，鏡面效果較好的管道，可能會產(chǎn)生5～8mm的誤差。因此，為了得到精確的數(shù)據(jù)，應(yīng)該在使用數(shù)據(jù)進(jìn)行計算前，對噪點進(jìn)行排異和處理。

由于管道存在一定的厚度，因此在可視范圍內(nèi)，測量得到的管壁包括管道內(nèi)壁、管道外壁和坡口上的點。通過三維旋轉(zhuǎn)矩陣擬合判斷、逐漸依靠的方式，可以在2min～3min獲取百萬級點云數(shù)據(jù)固定管走向。在找到管道方向后，結(jié)合管道走向和坡口點云截面情況，對截面幾何進(jìn)行分析和判斷，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行再次過濾，可使管口坐標(biāo)抓取誤差小于2mm。管道走向和管口數(shù)據(jù)抓取如圖6所示，圖6左側(cè)為掃描得到的管道點云數(shù)據(jù)三維渲染原始圖，右側(cè)是經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析后，得到的管道點云數(shù)據(jù)三維渲染原始圖及抓取的管口走向和管道端點坐標(biāo)圖。從圖中可以看出，抓取的數(shù)據(jù)與掃描得到的數(shù)據(jù)高度吻合。

2.3 建立計算模型

三維計算模型的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲取和描述兩端固定管道的空間方程組，該方程應(yīng)該包括固定管的空間向量以及管口曲線。通過建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，在方向及管口上對下料工況進(jìn)行確定，才能真實計算中間管形狀以及對兩固定管與中間管的關(guān)系，并對其進(jìn)行判斷，確定是否符合焊接工藝評定規(guī)程的要求。固定管的空間方程組如公式（1）所示。

以上4個方程組成的方程組無法獨立應(yīng)用或求解，需要結(jié)合一系列點云坐標(biāo)（Pd0，Pd1，Pd2，...）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和抓取，才能用來計算中間管的下料。

2.4 計算模型軟件化

在管道下料計算模型軟件化開發(fā)的過程中，需要注意以下幾個問題。點云數(shù)據(jù)龐大、非連續(xù)，由一系列離散的點組成，參與計算的管道是由這些點通過逆向工程得到的具體空間三維形狀，具備明確的線和面屬性，因此在點云數(shù)據(jù)解析和逆向特征數(shù)據(jù)抓取過程中，需要大量計算。如果采用反復(fù)遍歷的方式，那么計算量可以達(dá)到千萬次甚至上億次，因此需要采用先進(jìn)的過濾邏輯和手段，對管口離散點進(jìn)行分析、判斷和抓取。在數(shù)據(jù)抓取過程中，可能會排除準(zhǔn)確的點，也可能該處的點云數(shù)據(jù)確實會導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤抓取。由于管道對口間隙要求很高，因此在測量和計算過程中，幾乎無法接受大于2mm的誤差。

由于參與傳輸和計算的數(shù)據(jù)太多，在內(nèi)存和現(xiàn)存中有大量的數(shù)據(jù)，因此需要考慮計算機(jī)的承載能力，避免卡頓甚至閃退。在模型計算中可能出現(xiàn)大量浮點類型中間數(shù)據(jù)，這些中間數(shù)據(jù)不會被展示出來，但它們的精度對結(jié)果的影響至關(guān)重要。

三維激光掃描設(shè)備采用隨機(jī)大地坐標(biāo)進(jìn)行掃描，而人工下料數(shù)據(jù)和自動下料數(shù)據(jù)，采用中間管、固定管特定坐標(biāo)系進(jìn)行下料。因此將點云數(shù)據(jù)上的特征與結(jié)果數(shù)據(jù)中的特征點對應(yīng)，并且坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計算不影響軟件的流暢性是軟件計算需要解決的關(guān)鍵問題。

三維計算模型的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲取和描述兩端固定管道的空間方程組，這個方程應(yīng)該包括固定管的空間向量以及管口曲線。通過建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，在方向及管口上確定下料工況，才能真實計算中間管形狀以及判斷兩固定管與中間管的關(guān)系，以此確定是否符合焊接工藝評定規(guī)程的要求。為了解決大量的空間計算問題，要保證代碼高效利用，在及時釋放內(nèi)存和顯存的情況下，保證軟件穩(wěn)定運行。

2.4.1 軟件架構(gòu)

管道下料軟件架構(gòu)層次分明，建議至少設(shè)置點云數(shù)據(jù)存儲和讀取、點云數(shù)據(jù)管道模型化分析、下料參數(shù)設(shè)置、三維演示、數(shù)據(jù)結(jié)果輸出幾個模塊。

在軟件開發(fā)過程中，即便軟件運行穩(wěn)定，也可能無法確定符合管道下料要求的數(shù)據(jù)，因此可能需要大量的調(diào)試工作。為了保證程序調(diào)試順利進(jìn)行，在軟件功能類開發(fā)的過程中，建議對軟件代碼進(jìn)行功能分類，例如向量計算類、通用工具類、點云分析和抓取類、模型及計算類、數(shù)據(jù)處理類、三維演示功能類和結(jié)果類等。

2.4.2 軟件界面

管道下料軟件主要面向管焊操作人員使用，在軟件界面的設(shè)計過程中，需要盡量避免復(fù)雜的界面和操作。建議采用流式界面進(jìn)行操作，根據(jù)數(shù)據(jù)錄入和設(shè)置需要，一步一步進(jìn)行引導(dǎo)，操作人員可以輕松完成測量、錄入、設(shè)置和輸出的操作。在得到計算結(jié)果后，通過三維演示，直觀告知操作者切割和安裝后的情況，引導(dǎo)現(xiàn)場管道的切割和安裝工作。

2.5 連接管段的切割

2.5.1 人工方法

人工下料方法的作業(yè)流程一般是先在需要切割的管道上進(jìn)行劃線，再采用手動或半自動的方式沿著所繪制的切割線進(jìn)行切割。這種方法操作簡單，所需要的工具或設(shè)備不復(fù)雜，缺點是切割精度依賴操作人員的技能水平和作業(yè)經(jīng)驗，在短時間內(nèi)難以形成技術(shù)復(fù)制。

人工下料方法作業(yè)精度受切割線繪制過程影響會產(chǎn)生誤差。目前，施工作業(yè)現(xiàn)場普遍采用半自動切割的方式進(jìn)行管道切割作業(yè)，所產(chǎn)生的誤差為導(dǎo)軌安裝誤差、切割設(shè)備行進(jìn)過程中切割槍與管道角度發(fā)生變化引起的誤差、切割設(shè)備手動調(diào)整產(chǎn)生的誤差和視線產(chǎn)生的誤差。

提高軌道安裝精度可以提升切割精度。軌道安裝簡單方便，但導(dǎo)軌與管道正口圓的偏差，會在很大程度上影響管道的切割效果。假設(shè)半自動切割設(shè)備軌道為管道正口圓，切割設(shè)備在軌道上行進(jìn)過程中，切割槍與管道形成的夾角不改變。但在實際過程中，由于軌道安裝誤差大，導(dǎo)致切割槍與管道位置發(fā)生改變，從而影響切割精度。

提高切割線繪制的精度：在下料劃線過程中，操作人員往往先繪制一個基準(zhǔn)圓，該基準(zhǔn)圓默認(rèn)為管道正口圓。該正口圓的準(zhǔn)確性直接決定了切割線繪制的精度，因此要提高切割線繪制精度，無論是利用套圈劃線還是靠板劃線，都需要依賴操作人員個人技能和經(jīng)驗。

保證良好的切割鋒線：在管道下料過程中，中間管預(yù)制一般采用氧氣乙炔切割的方式，切割鋒線穩(wěn)定，坡口坡面成型良好，對提高切割精度很有幫助。

2.5.2 自動切割方法

自動下料切割方法無須在要切割的管道上進(jìn)行劃線，只需要安裝切割設(shè)備的導(dǎo)軌，在安裝切割設(shè)備并定位后，設(shè)備會自行沿導(dǎo)軌行走并自動調(diào)整切割槍位置，切割需要的中間管段形狀。現(xiàn)場應(yīng)用該方式時，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌安裝是決定切割精度的關(guān)鍵。

由于自動下料切割設(shè)備默認(rèn)導(dǎo)軌為管道正口圓，因此在行進(jìn)過程中，設(shè)備自動調(diào)節(jié)導(dǎo)致的誤差較小，可忽略不計。在兩側(cè)分別進(jìn)行軌道安裝，誤差可能形成疊加，僅安裝一次導(dǎo)軌，在同一個導(dǎo)軌上切割兩端，誤差不會疊加，但不能消除導(dǎo)軌誤差帶來的影響。

3 模型測試、試驗和現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 模型測試

在完成管道直管段連頭下料技術(shù)模型開發(fā)后，整個下料過程涉及激光點云掃描、數(shù)據(jù)分析、結(jié)構(gòu)計算、結(jié)果輸出、管道切割和裝配等多個環(huán)節(jié)，模型可靠性和準(zhǔn)確性的測試是一個系統(tǒng)工程。在管道直管段連頭下料技術(shù)研發(fā)中，將模型測試分為測量可靠性測試、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計算精確性測試、試驗驗證和現(xiàn)場驗證4個環(huán)節(jié)。

3.2 測量可靠性測試

通過研究搭建不同的下料場景，包括不同的管徑、不同空間位置關(guān)系、不同的管口形狀、不同的固定管坡口鏡面程度等。主要采用現(xiàn)場特征點復(fù)核的方式進(jìn)行測試，即通過激光掃描得到場景數(shù)據(jù)，利用建立的數(shù)據(jù)分析和抓取模型，得到特征點之間的長度，再利用其他測量方式進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核，對比兩種方式得到的數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計算精確性測試

主要根據(jù)純數(shù)據(jù)理論測試數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計算精確性，通過在三維空間中定義不同的管道結(jié)構(gòu)，根據(jù)兩固定管理論數(shù)據(jù)反向推算測量數(shù)據(jù)。利用特征點長度計算、中間管管道管體特征符合程度、三維渲染等方式，對模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計算精確性進(jìn)行測試。

3.4 試驗驗證

對現(xiàn)場管道直管段下料試驗進(jìn)行驗證，需要對不同的管徑、不同空間位置關(guān)系、不同的管口形狀、不同的固定管坡口鏡面程度等工況進(jìn)行測試，在得到一個比較可靠的結(jié)果后，再進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用測試。在管道直管段下料技術(shù)研發(fā)的4年中，對DN319、DN508、DN711、DN1016和DN1422等不同管徑以及管道最大夾角（1°～4°）進(jìn)行200多次測試，其中，從掃描到安裝全流程測試達(dá)到100次以上。以下是其中一個試驗驗證案例。

試驗工況：管材DN508，壁厚7mm，現(xiàn)場情況如圖7所示。

點云數(shù)據(jù)：經(jīng)過試驗現(xiàn)場掃描及數(shù)據(jù)解析、分析，試驗工況固定管情況如下。

此次試驗的目的是驗證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此在嚴(yán)重超規(guī)范錯位和夾角的情況下，對特征點長度進(jìn)行計算和測量對比。

下料計算：在不考慮焊接工藝評定規(guī)程要求的情況下，直接對中間管進(jìn)行計算，為了便于數(shù)據(jù)對比，將每側(cè)的預(yù)留焊接縫隙設(shè)置為5mm。圖8為利用管道直管段連頭下料技術(shù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，通過計算原始數(shù)據(jù)和計算結(jié)果渲染，得到三維空間內(nèi)模擬的組對情況。

下料結(jié)果對比：在打磨光滑后，管道坡口存在大量5～7mm的離散漂移點。這些漂移點經(jīng)過軟件中的噪點過濾后，已經(jīng)得到了相對準(zhǔn)確的管口點云數(shù)據(jù)。對過濾后的點云數(shù)據(jù)中間管下料進(jìn)行計算，將得到的結(jié)果跟實際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，就可以知道激光掃描測量的誤差情況。三維掃描計算下料結(jié)果與實測數(shù)據(jù)見表1。

從表1可以看出，由于采用噪點過濾，因此三維掃描得到的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件模型過濾后的長度比實測要大，最大值為2.25mm?，F(xiàn)場中間管下料時，管道偏長還能打磨，管道偏短則為下料失敗，因此這樣設(shè)置符合作業(yè)需求。

在真實下料過程中，根據(jù)下料數(shù)據(jù)進(jìn)行下料，與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后，稍作調(diào)整，可以減少0.5～1mm的坡口打磨量。

3.5 現(xiàn)場應(yīng)用

某天然氣管道需要進(jìn)行換管作業(yè)，該管道在山坡上，管材為711mm×12.5mm，由于應(yīng)力釋放，切割1.6m直管段回彈130mm，因此現(xiàn)場目測管道上下左右均存在明顯錯位。經(jīng)過初步測量，兩個管道夾角分別大于4°和6°，并且兩固定管均不在水平面上，呈空間異面狀態(tài)。管材711mm×12.5mm的直管段管口偏離最大值為37mm，此時夾角角度對應(yīng)為3°，直接下料得到的數(shù)據(jù)見表2。

對斷開后的管道進(jìn)行掃描，分別提供兩端管道的修口曲線，主要的調(diào)整措施為下游管道再切割約1002mm。完成修口后，再次掃描計算，得到準(zhǔn)確的中間管下料數(shù)據(jù)。下料得到的數(shù)據(jù)見表3。

這次作業(yè)采用人工劃線和半自動切割作業(yè)的方式對中間管下料進(jìn)行切割。在中間管切割完成后，經(jīng)過組對安裝和監(jiān)理確認(rèn)，將兩個管道夾角均調(diào)整到3°以內(nèi)，預(yù)留焊縫間隙符合焊接工藝規(guī)程要求，錯口量為0mm。最終施工結(jié)果現(xiàn)場圖如圖9所示。

4 結(jié)論

對簡單的下料工況來說，兩端固定管不存在錯位嚴(yán)重或夾角過大的情況，傳統(tǒng)人工下料和基于簡易計算模型的激光掃描下料都可以完成，只是對操作人員經(jīng)驗和技能的依賴程度不同。對復(fù)雜的工況來說，在修整固定管的情況下，無法直接進(jìn)行下料，傳統(tǒng)人工下料和基于簡易計算模型的激光掃描下料，不能快速準(zhǔn)確完成下料測量和計算。

如果不能有效釋放管道應(yīng)力，那么不建議在長輸管道使用反向下料計算。當(dāng)管道存在嚴(yán)重錯位或夾角過大時，建議采用對固定管進(jìn)行切割的方式縮小對口組對角度，并避免利用挖掘機(jī)、千斤頂?shù)壤Ч潭ü苷{(diào)整，給管道增加額外的應(yīng)力。

通過研究管道直管段下料連頭主要技術(shù)，建立完整空間三維計算模型，利用三維激光掃描設(shè)備對固定管空間位置進(jìn)行測量，利用計算模型進(jìn)行中間管計算，對任何難度的工況都可以保證很好的可靠性。可以將完整的空間三維計算模型配合激光掃描測量作為解決管道直管段連頭下料的一個有效思路和方法，該方法具備快速、準(zhǔn)確、易掌握的特點，在短時間內(nèi)可以完成操作人員的培訓(xùn)工作。

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