壓力容器內徑激光測量儀研制與應用

韓利興李 靜張 志張慶祥李敬軍梁 燁

（1．邢臺市特種設備監督檢驗所 邢臺 054000）

（2．河北省鍋爐壓力容器監督檢驗院 石家莊 050061）

壓力容器內徑激光測量儀研制與應用

韓利興1李 靜1張 志1張慶祥1李敬軍1梁 燁2

（1．邢臺市特種設備監督檢驗所 邢臺 054000）

（2．河北省鍋爐壓力容器監督檢驗院 石家莊 050061）

本文介紹了采用非接觸解碼激光測距技術和激光指向圓心快速調校技術，根據測弓高法原理，研制壓力容器內徑激光測量儀，實現壓力容器內徑測量。該壓力容器內徑激光測量儀將測量主機與無線測控聯動技術相結合，解決了內徑測量與圖像數據信號實時捕捉的同步性，可實現內徑截面360°數據采集與圖形化顯示，直觀觀察測點數據偏差。經過技術論證和用戶現場檢驗，并將檢測結果與鋼卷尺、內徑測量桿測量的結果進行比對，證明了該技術的領先性和實用性。

壓力容器內徑 激光測量儀 激光指向圓心調校

壓力容器內徑是壓力容器制造和定期檢驗中測量的一個重要參數，內徑偏差對壓力容器產品質量和安全性能有重要的影響。在GB 150．4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》和TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》等壓力容器制造、安裝和檢測標準規范中提出了壓力容器內徑偏差指標的具體要求[1，2]。目前國內壓力容器制造安裝單位及特檢院所一般采用傳統的鋼卷尺和內徑測量桿完成壓力容器內徑測量工作，球罐、危化品儲罐等大型容器通常在罐內搭設腳手架，采用測量尺輔以人工找準內徑方向的測量方法，由于傳統方法存在測量過程繁瑣、測量設備沉重、精度低等諸多缺陷，導致內徑指標測量難以落實到日常的生產、安裝及質量檢測工作中，也直接影響了企業生產效率和產品安全性能質量。有關文獻介紹了激光測距儀的直接測量方法[3]和游標卡尺的間接測量方法——弦長弓高法[4]，由于其測量誤差的絕對值較大，無法滿足當前壓力容器內徑測量的精度要求。

為解決球罐、大型臥式容器和常壓儲罐等大型設備內徑測量問題，筆者與有關科研單位聯合研制開發了壓力容器內徑激光測量系統，該系統采用基于直接測弓高法的非接觸解碼激光測距技術和激光指向圓心快速調校技術，對容器內徑截面360°數據采集，軟件系統實現結構圖形化顯示，可實時觀察截面內徑測量每個測點的數據偏差。

1 測量原理

壓力容器內徑激光測量系統采用目前國際上最前沿且已經成熟的激光測距技術，由于激光具有直線度好、測距精度高且范圍大、非接觸等諸多優勢，目前在許多長度測量領域都有廣泛的應用。該儀器關鍵在于如何保證激光測量線在每次測量時都能精確通過被測筒體（或球體）的中心（或球心）。垂直圓的任一弦的中心所作的直線一定通過圓心；同樣，垂直球的任一截面的中心所作的直線一定通過球心；通過測量弦的上下弓高的方法計算出直徑，即測弓高法。測弓高法的基本原理為，設圓（或球體）的內直徑為Di，弦的上弓高為b1，下弓高為b2，則Di=b1+b2。

圖1 壓力容器內徑測量原理示意圖

根據以上原理，筆者設計出了壓力容器內徑激光測量儀，使其發出的激光通過筒體（或球體）的中心（或球心）。如圖1所示。弧面基準點為經過高精度機械加工保證的基準平面，該基準平面與被測弧面緊密接觸后即可替代弧面作為測量面，通過測量主機內部的激光指向調整裝置將激光準確調校后通過被測弧面中心，然后就可以通過測量主機內部的激光測距模塊實時測量內徑。測量主機內部的傾角傳感器可以反映出主機在整個測量圓周內的不同位置數據，與該位置處測量得到的內徑值相對應，通過計算機軟件可以繪制出整個圓周的內徑偏差分布圖，測量結果形象直觀。

2 內徑激光測量儀的硬件設計

該壓力容器內徑激光測量儀主要由測量主機和計算機處理系統兩部分組成。其結構框圖如圖2所示。

圖2 內徑激光測量儀的硬件結構框圖

測量主機主要由其內部的數據采集模塊、激光測距模塊、激光指向調整裝置、測量基準裝置、傾角傳感器模塊、電池和無線通訊模塊（無線信號接受器）組成。測量主機的機械結構圖如圖3所示。

圖3 測量主機的機械結構圖

計算機處理系統由數據處理系統和無線通訊模塊（無線信號發射器）組成。系統無線通訊模塊均采用USB插口，用于測量主機和計算機處理系統之間控制指令以及數據的發送和接受。系統主要技術指標見表1。

表1 壓力容器內徑激光測量儀主要技術指標

3 內徑激光測量儀的軟件設計

數據處理系統軟件設計的結構框圖如圖4所示。該系統主要包括信息及設置、測量分析、報告編輯三個功能模塊，三個功能模塊通過ADO數據對象與內徑測量數據庫連接。數據處理系統軟件操作界面如圖5所示。

信息及設置模塊主要是輸入檢測單位和被檢設備基本信息，設置內徑名義基準、允許誤差、弦高修正值和測量次數等參數，保存在測量數據庫中，對反復使用的信息自動載入和修改，提高使用效率。

測量分析模塊的功能主要是與測量主機聯機操作，通過激光束的指示找出內徑測量始終點，防止激光光束被腳手架等障礙物阻擋，然后進行內徑激光測距，計算出測量數據、偏差值，繪出誤差分布圖。

報告編輯模塊主要包括讀取基本信息和測量分析數據，生成內徑檢測報告等功能。

測量主機在進行數據傳送過程中，計算機軟件系統會顯示數據接收狀態，數據完整接收后軟件會自動計算出內徑差值并顯示出測量誤差曲線和與待測壓力容器對應測點的分布圖。

圖4 數據處理系統軟件結構框圖

圖5 數據處理系統軟件主界面和自動生成的測量報告

4 實際測量應用

為比較壓力容器內徑激光測量儀和常規測量方法的優劣，筆者在某建材公司一臺φ2000mm蒸壓釜上，采用壓力容器內徑激光測量儀、內徑千分尺、鋼卷尺三種測量方法，對同一斷面的內直徑進行了測量，生成檢測報告，并將壓力容器內徑激光測量儀的測量結果與內徑千分尺、鋼卷尺測量結果進行比對。測量數據分析結果見表2，測量數據比對結果見圖6。

表2 φ2000×16mm蒸壓釜一斷面的內徑測量結果分析

（續表）

圖6 φ2000mm蒸壓釜同一斷面的內徑測量數據比對

為了比較測量的效率，筆者對該蒸壓釜同一斷面采用三種測量方法分別連續測量10個直徑值并記錄測量的總時間，計算測量時間均值比較見圖7。

圖7 蒸壓釜一斷面的內徑測量時間比較

以上測試分析結果表明，壓力容器內徑激光測量儀測試數據穩定，測量速度較快，數據處理便捷，測量誤差較小，精度能夠滿足內徑測量要求。

5 結論

壓力容器內徑激光測量儀采用了萊卡激光測距儀解碼技術、激光指向圓心快速調校及穩固技術和無線抗干擾數據傳輸技術等關鍵技術，其技術特點可歸結為：

1） 攜帶方便，測試數據穩定，精度較高，測量速度較快，測量專用軟件操作簡便、高效，能夠滿足大直徑壓力容器現場測量的要求；

2） 可實現內徑截面內360°采集與圖形化顯示，直觀觀察各測點的數據偏差；

3） 智能化數據采集：可最大程度上解決測量準確性，數據記錄可追溯，便于測量分析及報告編輯；

4） 適用范圍拓展性：可用于各種鍋爐、壓力容器內徑的檢測；

5） 從使用情況來看，儀器還有需要進一步改進的地方，如在球形容器內進行測量時，存在弦高修正值誤差和信號干擾的問題，這些是今后優化和研究的重點。

[1] GB 150.4—2011 壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收[S].

[2] TSG 21—2016 固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

[3] 王勇智，等.淺談壓力容器中殼體圓度檢測方法[J].特種設備安全技術，2011，(2)：10-11.

[4] 湯勝常．弦長弓高法在大直徑測量上的應用[J]．華東化工學院學報，1991，17(04)：239-244.

Development and Application of Laser Measurement Instrument for Pressure Vessel Inner Diameter

Han Lixing1Li Jing1Zhang Zhi1Zhang Qingxiang1Li Jingjun1Liang Ye2
(1. Xingtai Special Equipment Supervision and Inspection Institute Xingtai 054000)
(2. Hebei Supervision and Inspection Institute of Boiler and Pressure Vessel Shijiazhuang 050061)

This paper describes non-contact decoding laser ranging techniques and laser pointing to the center of the circle fast adjustment techniques. Based on the principle of bowing the court measuring, laser measurement instrument for pressure vessel inner diameter is developed. In this way, it is achieved to measure pressure vessel inner diameter with laser. Laser measurement instrument for pressure vessel inner diameter combines the measurement of the host with the wireless measurement and control linkage technology. The synchronization of the real-time capture for the image data signals and diameter measurement can be built. Furthermore, inner diameter section 360°data collection and graphical display is realized, with measuring point data deviation being observed directly. Comparing with the testing result of the steel tap and inner diameter measuring rod, this technology is proved to be practical with its superiority by the technical demonstration and the user on-site inspection.

Pressure vessel laser Laser measurement instrument Laser adjustment pointing to the circle center

X924．2

B

1673-257X（2017）03-0028-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．03．005

韓利興(1966～)，男，本科，主任，高級工程師，從事承壓類特種設備檢驗檢測和質量管理工作。

2016-12-05）