激光跟蹤儀在同心度與同軸度檢測中的應(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)，其偏移量過大會導(dǎo)致管道發(fā)生非正常變形，影響管道運行可靠性、安全性。采用適用于大尺徑管道設(shè)備的激光跟蹤儀，對某輸水工程中19處大型輸水管道設(shè)備進行同心度、同軸度檢測;為某一典型管道設(shè)備檢測結(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，3處呈下拱形態(tài)勢，4處呈連續(xù)起伏態(tài)勢。激光跟蹤儀檢測結(jié)果與人工檢測結(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)對儀器進行補償分析實驗，消弭結(jié)構(gòu)遮擋、檢測距離過大帶來的誤差，為大型管道的安全運行與維護提供更加強有力的檢測技術(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)備在運行過程中會產(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)重的變形會導(dǎo)致管道設(shè)備斷裂，對管道可靠、安全運行影響甚大，可能造成經(jīng)濟和生命損失。

為此，需要對管道的同心度、同軸度等關(guān)鍵指標(biāo)進行檢測，分析管段之間是否存在異常偏移，判斷偏移程度，以此評價管道變形程度及類型。游標(biāo)卡尺、圓度測量儀、三坐標(biāo)測量儀等儀器是對同心度、同軸度進行檢測的常規(guī)儀器。近年來，測高儀法[1]、自動測量技術(shù)[2]等檢測方法與技術(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。

本文首先簡述同心度與同軸度檢測的應(yīng)用現(xiàn)狀;其次采用激光跟蹤儀對某輸水工程中19套大型輸水管道設(shè)備進行檢測與分析;最后對應(yīng)用效果進行評價，為大型管道設(shè)備的運行檢測與管理維護積累了實踐經(jīng)驗。

1? 同心度與同軸度檢測應(yīng)用現(xiàn)狀

同心度是一個二維概念，表征截面圓心的偏移程度;同軸度是一個三維概念，指被測管道軸線與水平軸線位置相對比的變化量。近些年，我國對管道同心度、同軸度的檢測研究與應(yīng)用越來越多。胡建英等[1]采用測高儀對淺圓槽工件的同心度進行了檢測，表明該儀器測量精度較高。何廣添[3]對常用的同軸度檢測方法進行了總結(jié)，綜合論述了三坐標(biāo)測量法在同心度與同軸度檢測中的應(yīng)用。孫慧潔[4]采用誤差分離方法，對多級低壓渦輪轉(zhuǎn)子的不同心度進行了檢測與應(yīng)用分析。刑道坤[5]將折點坐標(biāo)算法應(yīng)用于同心度與同軸度檢測中，將測算精度控制在5 mm以內(nèi)，滿足了相關(guān)項目要求。朱革等[6]利用基于機器視覺理論的擬合方法，對精密零件進行了同心度檢測，實驗結(jié)果表明檢測精度能夠達到10 μm。由此可見，在同心度、同軸度檢測方面，理論與應(yīng)用研究已經(jīng)較多，但正如引言所述，針對大型管道的同心度、同軸度檢測的成熟方法還較罕見。激光跟蹤儀是一種高精度測量設(shè)備，能夠更好地應(yīng)用于大型管道設(shè)備的檢測，因此，下文嘗試采用激光跟蹤儀對大型輸水管道設(shè)備進行同心度與同軸度的檢測。

2? 檢測方案設(shè)計

2.1? 檢測設(shè)備

采用激光跟蹤儀作為檢測設(shè)備。激光跟蹤儀由跟蹤控制系統(tǒng)、角度測量系統(tǒng)、激光測距系統(tǒng)及支撐部件等部分組成，是工業(yè)測量領(lǐng)域中一種高精度的檢測設(shè)備，如圖1所示。激光跟蹤儀具有檢測精度高、效率高等特點，可同時集合激光干涉測距、光電探測及計算控制等多種技術(shù)，對在空間進行運動的目標(biāo)進行實時跟蹤、檢測，同時形成實時檢測的空間三維坐標(biāo)。本次檢測精度設(shè)置為：空間精度±15 μm+0.5 μm/m，角度精度3.5 μm/m，適用于對大型管道、結(jié)構(gòu)物的詳查。

2.2? 檢測原理及站點、測點布設(shè)

2.2.1? 檢測原理

激光跟蹤儀的檢測原理是在被測目標(biāo)上安裝反射器，激光在跟蹤頭與反射器間來回傳遞，實現(xiàn)被測目標(biāo)的檢測[7]。當(dāng)被測目標(biāo)移動時，跟蹤頭也會調(diào)整方向，瞄準(zhǔn)被測目標(biāo)。另外，從反射器返回到跟蹤頭的激光又被檢測系統(tǒng)接收，以對被測目標(biāo)的空間位置進行測算。檢測原理示意圖如圖2所示。

2.2.2? 站點、測點布設(shè)

根據(jù)測量環(huán)境及管道曲面形狀特點，每個管道按軸向方向分別布設(shè)4條測線，測線基本平均布設(shè)在管道4個方位，并沿同一測線方向上的每個設(shè)備或管道上設(shè)置至少2個測點。以此在管道兩側(cè)各設(shè)置一個站點（當(dāng)遇到構(gòu)筑物遮擋等問題，則增設(shè)一個站點）。以假定坐標(biāo)系作為測繪基準(zhǔn)，每個站點相對管道測量2條測線。兩側(cè)坐標(biāo)系通過轉(zhuǎn)站基點進行校核，轉(zhuǎn)站基點布設(shè)位置以與測站點通視為準(zhǔn)，如圖3所示。

利用激光跟蹤儀測量每個測點的三維坐標(biāo)，通過4條測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，作為評價標(biāo)準(zhǔn)。將激光跟蹤儀檢測及計算所得的管道設(shè)備軸線端點圓心坐標(biāo)在垂直方向、水平方向偏差值與評價標(biāo)準(zhǔn)進行對比分析，對管道不同方向的偏差程度是否滿足要求進行評價。

（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)激光跟蹤儀測量數(shù)據(jù)，計算得出管道設(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，分析管道設(shè)備同軸程度，以此判斷管道的變形趨勢。根據(jù)趨勢，初步設(shè)定上拱形、下拱形及連續(xù)起伏三種變形趨勢。

3? 檢測結(jié)果分析與應(yīng)用效果評價

3.1? 檢測結(jié)果分析

采用激光跟蹤儀對某輸水工程中共計19套管道設(shè)備中的管道、蝶閥、流量計等開展同心度、同軸度檢測。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)備的檢測結(jié)果。

根據(jù)檢測結(jié)果進行擬合分析可得：

（1）根據(jù)所得的軸線端點圓心坐標(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)。通過將端點圓心坐標(biāo)垂直方向、水平方向偏差值與評價允許值相對比，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)勢有9處，呈下拱形態(tài)勢有3處，呈連續(xù)起伏態(tài)勢有4處。

（3）結(jié)合工程所在區(qū)域的沉降觀測等相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，工程處于重點地面沉降區(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? 對比分析

對管道設(shè)備法蘭連接部分平行情況、伸縮節(jié)的伸縮量、法蘭連接孔是否錯位等進行人工檢測，以判斷管道的偏移情況。通過人工現(xiàn)場檢查，以及對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鐘、五點鐘、七點鐘的位置進行的檢測，得出法蘭（每對）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。將人工檢測結(jié)果與激光跟蹤儀檢測結(jié)果在19套管道設(shè)備上進行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩種方法檢測結(jié)果一致性較好，表明激光跟蹤儀檢測結(jié)果準(zhǔn)確性高、可靠性強。

3.3? 應(yīng)用效果評價

通過以上對某大型輸水管道設(shè)備進行的同心度、同軸度檢測，結(jié)合檢測結(jié)果，進行綜合評價如下：

（1）激光跟蹤儀檢測精度分別為：±15 μm +0.5 μm/m（空間精度）、3.5 μm/m（角度精度），其檢測精度較高。在19套管道設(shè)備上將激光跟蹤儀檢測結(jié)果與人工檢測方法進行對比，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)律與機理研究奠定了基礎(chǔ)。

（3）檢測過程中發(fā)現(xiàn)激光跟蹤儀檢測系統(tǒng)仍存在一些不足。一是由于檢測環(huán)境復(fù)雜，結(jié)構(gòu)遮擋等因素會造成站點、測點布置困難;二是隨著檢測距離的增大，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某工程19套管道設(shè)備進行了同心度、同軸度檢測，結(jié)合管道設(shè)備擬合模型，計算了軸線相較于基準(zhǔn)線位置偏角值、管道端點圓心坐標(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、同軸度檢測中。

（2）針對激光跟蹤儀仍可能存在的誤差，建議后續(xù)進行補償分析實驗，進一步儀器檢測能力，為大型輸水管道安全運行與維護提供更完善的檢測技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)。

參考文獻

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