激光跟蹤儀在同心度與同軸度檢測(cè)中的應(yīng)用

張露凝 樊博 李建利 馮濤 王建慧 劉衛(wèi)東

摘? ?要： 同心度與同軸度是大型輸水管道設(shè)備的重要性能指標(biāo)，其偏移量過大會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生非正常變形，影響管道運(yùn)行可靠性、安全性。采用適用于大尺徑管道設(shè)備的激光跟蹤儀，對(duì)某輸水工程中19處大型輸水管道設(shè)備進(jìn)行同心度、同軸度檢測(cè);為某一典型管道設(shè)備檢測(cè)結(jié)果構(gòu)建擬合模型，研究發(fā)現(xiàn)：1）根據(jù)同心度分析，5處管口中心偏差值超過GB 50766-2012標(biāo)準(zhǔn)中管口中心允許偏差值;2）根據(jù)同軸度分析，9處呈上拱形態(tài)勢(shì)，3處呈下拱形態(tài)勢(shì)，4處呈連續(xù)起伏態(tài)勢(shì)。激光跟蹤儀檢測(cè)結(jié)果與人工檢測(cè)結(jié)果擁有一致性。分析得知偏移量過大可能由區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，管道及檢修井易發(fā)生不均勻沉降所致。建議后續(xù)對(duì)儀器進(jìn)行補(bǔ)償分析實(shí)驗(yàn)，消弭結(jié)構(gòu)遮擋、檢測(cè)距離過大帶來的誤差，為大型管道的安全運(yùn)行與維護(hù)提供更加強(qiáng)有力的檢測(cè)技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞： 大型輸水管道設(shè)備;激光跟蹤儀;同心度;同軸度;擬合模型

引言

大型輸水管道設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形，主要包括正常變形與非正常變形兩類。其中非正常變形由管道設(shè)備上部建筑物狀況或地質(zhì)狀況等引發(fā)，使地面產(chǎn)生不均勻沉降，造成管道設(shè)備之間出現(xiàn)一定程度的偏移而形成變形，嚴(yán)重的變形會(huì)導(dǎo)致管道設(shè)備斷裂，對(duì)管道可靠、安全運(yùn)行影響甚大，可能造成經(jīng)濟(jì)和生命損失。

為此，需要對(duì)管道的同心度、同軸度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，分析管段之間是否存在異常偏移，判斷偏移程度，以此評(píng)價(jià)管道變形程度及類型。游標(biāo)卡尺、圓度測(cè)量?jī)x、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等儀器是對(duì)同心度、同軸度進(jìn)行檢測(cè)的常規(guī)儀器。近年來，測(cè)高儀法[1]、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)[2]等檢測(cè)方法與技術(shù)逐漸得到廣泛應(yīng)用，但它們多用于中小型管道設(shè)備，難以在大尺徑管道設(shè)備中應(yīng)用。

本文首先簡(jiǎn)述同心度與同軸度檢測(cè)的應(yīng)用現(xiàn)狀;其次采用激光跟蹤儀對(duì)某輸水工程中19套大型輸水管道設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)與分析;最后對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為大型管道設(shè)備的運(yùn)行檢測(cè)與管理維護(hù)積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1? 同心度與同軸度檢測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀

同心度是一個(gè)二維概念，表征截面圓心的偏移程度;同軸度是一個(gè)三維概念，指被測(cè)管道軸線與水平軸線位置相對(duì)比的變化量。近些年，我國對(duì)管道同心度、同軸度的檢測(cè)研究與應(yīng)用越來越多。胡建英等[1]采用測(cè)高儀對(duì)淺圓槽工件的同心度進(jìn)行了檢測(cè)，表明該儀器測(cè)量精度較高。何廣添[3]對(duì)常用的同軸度檢測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié)，綜合論述了三坐標(biāo)測(cè)量法在同心度與同軸度檢測(cè)中的應(yīng)用。孫慧潔[4]采用誤差分離方法，對(duì)多級(jí)低壓渦輪轉(zhuǎn)子的不同心度進(jìn)行了檢測(cè)與應(yīng)用分析。刑道坤[5]將折點(diǎn)坐標(biāo)算法應(yīng)用于同心度與同軸度檢測(cè)中，將測(cè)算精度控制在5 mm以內(nèi)，滿足了相關(guān)項(xiàng)目要求。朱革等[6]利用基于機(jī)器視覺理論的擬合方法，對(duì)精密零件進(jìn)行了同心度檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明檢測(cè)精度能夠達(dá)到10 μm。由此可見，在同心度、同軸度檢測(cè)方面，理論與應(yīng)用研究已經(jīng)較多，但正如引言所述，針對(duì)大型管道的同心度、同軸度檢測(cè)的成熟方法還較罕見。激光跟蹤儀是一種高精度測(cè)量設(shè)備，能夠更好地應(yīng)用于大型管道設(shè)備的檢測(cè)，因此，下文嘗試采用激光跟蹤儀對(duì)大型輸水管道設(shè)備進(jìn)行同心度與同軸度的檢測(cè)。

2? 檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1? 檢測(cè)設(shè)備

采用激光跟蹤儀作為檢測(cè)設(shè)備。激光跟蹤儀由跟蹤控制系統(tǒng)、角度測(cè)量系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)及支撐部件等部分組成，是工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域中一種高精度的檢測(cè)設(shè)備，如圖1所示。激光跟蹤儀具有檢測(cè)精度高、效率高等特點(diǎn)，可同時(shí)集合激光干涉測(cè)距、光電探測(cè)及計(jì)算控制等多種技術(shù)，對(duì)在空間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、檢測(cè)，同時(shí)形成實(shí)時(shí)檢測(cè)的空間三維坐標(biāo)。本次檢測(cè)精度設(shè)置為：空間精度±15 μm+0.5 μm/m，角度精度3.5 μm/m，適用于對(duì)大型管道、結(jié)構(gòu)物的詳查。

2.2? 檢測(cè)原理及站點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2.2.1? 檢測(cè)原理

激光跟蹤儀的檢測(cè)原理是在被測(cè)目標(biāo)上安裝反射器，激光在跟蹤頭與反射器間來回傳遞，實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)的檢測(cè)[7]。當(dāng)被測(cè)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，跟蹤頭也會(huì)調(diào)整方向，瞄準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)。另外，從反射器返回到跟蹤頭的激光又被檢測(cè)系統(tǒng)接收，以對(duì)被測(cè)目標(biāo)的空間位置進(jìn)行測(cè)算。檢測(cè)原理示意圖如圖2所示。

2.2.2? 站點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)測(cè)量環(huán)境及管道曲面形狀特點(diǎn)，每個(gè)管道按軸向方向分別布設(shè)4條測(cè)線，測(cè)線基本平均布設(shè)在管道4個(gè)方位，并沿同一測(cè)線方向上的每個(gè)設(shè)備或管道上設(shè)置至少2個(gè)測(cè)點(diǎn)。以此在管道兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)站點(diǎn)（當(dāng)遇到構(gòu)筑物遮擋等問題，則增設(shè)一個(gè)站點(diǎn)）。以假定坐標(biāo)系作為測(cè)繪基準(zhǔn)，每個(gè)站點(diǎn)相對(duì)管道測(cè)量2條測(cè)線。兩側(cè)坐標(biāo)系通過轉(zhuǎn)站基點(diǎn)進(jìn)行校核，轉(zhuǎn)站基點(diǎn)布設(shè)位置以與測(cè)站點(diǎn)通視為準(zhǔn)，如圖3所示。

利用激光跟蹤儀測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過4條測(cè)線綜合分析各管段的線性方向和同向性，以探究管道設(shè)備同心度、同軸度。

2.3? 同心度與同軸度分析

（1）管道設(shè)備同心度分析。參照GB 50766-2012標(biāo)準(zhǔn)《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》[9]中的允許偏差，如表1所示。

根據(jù)工程管道設(shè)備的直徑，分別選取與伸縮節(jié)、蝶閥等連接的管節(jié)的管口中心允許偏差為±6 mm、±10 mm，其他部位管節(jié)的管口中心允許偏差為±15 mm、±20 mm，作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。將激光跟蹤儀檢測(cè)及計(jì)算所得的管道設(shè)備軸線端點(diǎn)圓心坐標(biāo)在垂直方向、水平方向偏差值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)管道不同方向的偏差程度是否滿足要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）管道設(shè)備同軸度分析。設(shè)定最右側(cè)管段為起始端，偏角向上傾斜為“+”、向下傾斜為“-”。根據(jù)激光跟蹤儀測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算得出管道設(shè)備之間軸線與基準(zhǔn)軸線偏角值，分析二者的變化量，結(jié)合偏移角的偏移方向、偏移程度，判斷整體管道的變化趨勢(shì)，分析管道設(shè)備同軸程度，以此判斷管道的變形趨勢(shì)。根據(jù)趨勢(shì)，初步設(shè)定上拱形、下拱形及連續(xù)起伏三種變形趨勢(shì)。

3? 檢測(cè)結(jié)果分析與應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1? 檢測(cè)結(jié)果分析

采用激光跟蹤儀對(duì)某輸水工程中共計(jì)19套管道設(shè)備中的管道、蝶閥、流量計(jì)等開展同心度、同軸度檢測(cè)。圖4為管道設(shè)備擬合模型結(jié)構(gòu)圖，表2為某一典型管道設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行擬合分析可得：

（1）根據(jù)所得的軸線端點(diǎn)圓心坐標(biāo)偏移程度，能夠分析管道設(shè)備同心度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。通過將端點(diǎn)圓心坐標(biāo)垂直方向、水平方向偏差值與評(píng)價(jià)允許值相對(duì)比，得出5處管口中心偏差值超過規(guī)范中管口中心允許偏差值。

（2）根據(jù)偏角值，能夠分析出管段軸線相較于基準(zhǔn)軸線的變化量。根據(jù)偏角值，并結(jié)合偏角方向與數(shù)值變化，可以得出呈上拱形態(tài)勢(shì)有9處，呈下拱形態(tài)勢(shì)有3處，呈連續(xù)起伏態(tài)勢(shì)有4處。

（3）結(jié)合工程所在區(qū)域的沉降觀測(cè)等相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，工程處于重點(diǎn)地面沉降區(qū)，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，管道及檢修井易發(fā)生不均勻沉降，管道的偏移有可能是由地面不均勻沉降所造成的。

3.2? 對(duì)比分析

對(duì)管道設(shè)備法蘭連接部分平行情況、伸縮節(jié)的伸縮量、法蘭連接孔是否錯(cuò)位等進(jìn)行人工檢測(cè)，以判斷管道的偏移情況。通過人工現(xiàn)場(chǎng)檢查，以及對(duì)管道法蘭垂直外表面、伸縮節(jié)兩側(cè)法蘭外表面等處在十二點(diǎn)鐘、五點(diǎn)鐘、七點(diǎn)鐘的位置進(jìn)行的檢測(cè)，得出法蘭（每對(duì)）外口厚度、伸縮節(jié)的伸縮量偏差值等，判斷各管段的變形情況。將人工檢測(cè)結(jié)果與激光跟蹤儀檢測(cè)結(jié)果在19套管道設(shè)備上進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩種方法檢測(cè)結(jié)果一致性較好，表明激光跟蹤儀檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性高、可靠性強(qiáng)。

3.3? 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

通過以上對(duì)某大型輸水管道設(shè)備進(jìn)行的同心度、同軸度檢測(cè)，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)如下：

（1）激光跟蹤儀檢測(cè)精度分別為：±15 μm +0.5 μm/m（空間精度）、3.5 μm/m（角度精度），其檢測(cè)精度較高。在19套管道設(shè)備上將激光跟蹤儀檢測(cè)結(jié)果與人工檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，一致性較好，準(zhǔn)確性較高。

（2）管道設(shè)備擬合模型能夠直觀地反映出管道設(shè)備的變形情況，為管道變形規(guī)律與機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ)。

（3）檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)激光跟蹤儀檢測(cè)系統(tǒng)仍存在一些不足。一是由于檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜，結(jié)構(gòu)遮擋等因素會(huì)造成站點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)布置困難;二是隨著檢測(cè)距離的增大，儀器中角度編碼器位置誤差隨之增大，易產(chǎn)生角度誤差等。

4? 結(jié)論與建議

本文利用激光跟蹤儀對(duì)某工程19套管道設(shè)備進(jìn)行了同心度、同軸度檢測(cè)，結(jié)合管道設(shè)備擬合模型，計(jì)算了軸線相較于基準(zhǔn)線位置偏角值、管道端點(diǎn)圓心坐標(biāo)偏移程度，得到以下結(jié)論與建議：

（1）激光跟蹤儀檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度高，能夠直觀、清晰地反映出管道設(shè)備的現(xiàn)狀，能夠應(yīng)用于大型管道的同心度、同軸度檢測(cè)中。

（2）針對(duì)激光跟蹤儀仍可能存在的誤差，建議后續(xù)進(jìn)行補(bǔ)償分析實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步儀器檢測(cè)能力，為大型輸水管道安全運(yùn)行與維護(hù)提供更完善的檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)。

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