面向現(xiàn)場檢驗的壓力管道軸測圖測繪儀研發(fā)及檢驗系統(tǒng)應(yīng)用

陳建勛 龐慕妮 楊新健 楊寧祥 戚政武

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院珠海檢測院 珠海 519002）

(2.珠海市安粵科技有限公司 珠海 519000)

壓力管道被稱為工業(yè)生產(chǎn)的輸血管，是國家能源重要基礎(chǔ)設(shè)施及居民生活的生命線。截至2022 年底，我國壓力管道總長度達(dá)到85.9 萬km（在冊）[1]，壓力管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系生產(chǎn)安全、環(huán)境安全和國家能源安全，也關(guān)系人民群眾生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定發(fā)展大局，責(zé)任重大。根據(jù)《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》，壓力管道采用定期檢驗和監(jiān)督檢驗制度。

管道軸測圖（亦稱管道單線圖）是壓力管道檢驗過程中的重要輔助文件，軸測圖通過線框符號和文字對壓力管道三維空間走向、管道元件、管道屬性等信息進(jìn)行直觀展示[2]。現(xiàn)場檢驗時檢驗人員需要在軸測圖上標(biāo)注出被檢管件的編號、壁厚等檢驗信息，作為檢驗原始記錄的一部分。與管道設(shè)計和施工過程中所用的軸測圖[3]相比，面向現(xiàn)場檢驗的軸測圖應(yīng)更為簡化，應(yīng)重點(diǎn)展示管道走向、管件類型、所檢焊縫位置，而較少涉及材料明細(xì)表、管道長度等信息，以滿足現(xiàn)場快速檢驗要求。若軸測圖文件缺失或軸測圖與實際管道不符時，則需進(jìn)行現(xiàn)場重新測繪，通常由檢驗人員拿草稿紙現(xiàn)場手繪，再回辦公室用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件進(jìn)行二次繪圖，最后將軸測圖圖片和檢驗數(shù)據(jù)整理成電子檢驗記錄。上述檢驗?zāi)Ｊ酱嬖谛实拖隆?shù)據(jù)整理過程煩瑣、軸測圖和檢驗數(shù)據(jù)記錄易出錯等問題。

近年來隨著數(shù)字化、智能化技術(shù)在特種設(shè)備檢驗領(lǐng)域的快速發(fā)展，電梯、起重機(jī)械由于結(jié)構(gòu)相對固定，“無紙化檢驗”系統(tǒng)已經(jīng)得到大范圍應(yīng)用。壓力管道由于結(jié)構(gòu)形式多樣，導(dǎo)致檢驗現(xiàn)場較難快速、便捷地測繪出電子軸測圖，也較難交互式錄入檢驗數(shù)據(jù)，這是限制該類設(shè)備“檢驗過程數(shù)字化”發(fā)展的重要瓶頸。從便于檢驗的角度來看，已有的“檢驗過程數(shù)字化”技術(shù)成果主要存在兩方面不足：1）部分軸測圖專用測繪儀器或軟件可實現(xiàn)軸測圖準(zhǔn)確測繪，但無法在現(xiàn)場將所繪管件圖形元素與無損檢測、宏觀檢查等檢驗數(shù)據(jù)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，即僅能繪圖而較難錄入數(shù)據(jù)[4-5]；2）部分檢驗機(jī)構(gòu)或企業(yè)開發(fā)的管道檢驗數(shù)字化系統(tǒng)[6-8]可通過平板電腦等方式現(xiàn)場記錄檢驗數(shù)據(jù)，并生成電子記錄或報告，但不具備檢驗用軸測圖現(xiàn)場測繪功能，無法實現(xiàn)“邊測繪邊檢驗”，檢驗過程系統(tǒng)操作的人機(jī)交互性能也不友好。為實現(xiàn)壓力管道高效率、數(shù)字化、智能化檢驗，有必要研究檢驗用管道軸測圖的編制方法和現(xiàn)場快速測繪方法，并開發(fā)可交互式完成軸測圖測繪與檢驗數(shù)據(jù)錄入功能的管道檢驗信息系統(tǒng)。

1 檢驗用軸測圖內(nèi)容

1.1 元素線框符號

為滿足壓力管道現(xiàn)場快速檢驗需求，并盡量減少軸測圖測繪時檢驗人員的思考時間，參考管道設(shè)計、制造過程中常用軸測圖表示方法及壓力管道軸測圖相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9-11]，對軸測圖中元素表達(dá)方式進(jìn)行必要的簡化，得到10 類管道軸測圖元素符號，見表1。簡化處理的主要方式為：1）將不同轉(zhuǎn)彎角度的彎頭（例如45°彎頭、90°彎頭）統(tǒng)一用90°彎頭符號表示，180°轉(zhuǎn)彎的U 型彎頭用2 個90°彎頭連接表示；2）將不同類型的三通（例如斜三通、垂直“T”形三通）統(tǒng)一用垂直“T”形三通符號表示；3）將不同類型的異徑管（例如同心異徑管、底平偏心異徑管、頂平偏心異徑管等）統(tǒng)一用“大轉(zhuǎn)小”同心異徑管符號表示；4）將不同類型的閥門（例如截止閥、球閥、閘閥、旋塞閥、止回閥等）統(tǒng)一用對三角閥門符號表示；5）不改變管道流向的其他不常用管道元件（例如補(bǔ)償器、過濾器、阻火器、盲板、流量計、混合器等）統(tǒng)一用矩形框和矩形框內(nèi)的文字表示，文字為管道元件名稱。為輔助軸測圖測繪儀開發(fā)，將上述約定的軸測圖元素表示方法編制企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/ZHJCY 17—2023《工業(yè)管道檢驗用軸測圖編制規(guī)范》[12]。

表1 壓力管道軸測圖中元素線框符號

1.2 文本信息

軸測圖中的文字信息主要包括實施檢驗的管道元件編號、備注信息、管線編號。管道元件編號通過字母和數(shù)字組合的方式編排，用于區(qū)分不同的管道檢驗部位。例如，字母W、Z、S、Y、F、P 分別表示所標(biāo)識的元素類型為彎頭、直管、三通、異徑管、閥和壓力表。用數(shù)字表示管道元件的編排序號，例如“W2”表示被檢驗的2#彎頭，“Y3”表示被檢驗的3#異徑管。通過管道元件編號的方式實現(xiàn)檢驗記錄中檢驗數(shù)據(jù)在軸測圖中進(jìn)行關(guān)聯(lián)檢索。備注信息主要包括管道起點(diǎn)和終點(diǎn)部位、管道直徑、介質(zhì)或者檢驗人員認(rèn)為應(yīng)該在軸測圖中進(jìn)行文字標(biāo)記的其他內(nèi)容。管線編號一般為管道所在企業(yè)編制的設(shè)備管理編號，作為被檢管道的唯一標(biāo)識。

1.3 其他符號

管道軸測圖中焊縫、介質(zhì)流向、交叉管道打斷、長度標(biāo)注、北向方位等圖形元素的表示符號見表2，用實心圓點(diǎn)表示焊縫，用線上箭頭表示介質(zhì)流向，用虛線表示空間交叉管道打斷效果，用帶雙箭頭直線、尺寸接線和數(shù)字進(jìn)行管道長度和標(biāo)高的標(biāo)注，用箭頭和“東”“南”“西”“北”文字表示管道走向的方位信息。

表2 管道軸測圖其他符號的表示方法

2 軸測圖測繪原理

2.1 測量管道走向數(shù)據(jù)

自動繪制管道軸測圖的前提是需要獲得管道元件類型和走向數(shù)據(jù)。通過操作測繪儀上代表不同管道元件類型的按鍵可快速獲取管道元件類型數(shù)據(jù)。通過手持便攜式測繪儀空中模擬管道實際走向的方法可快速獲取管道走向數(shù)據(jù)。管道走向數(shù)據(jù)通過姿態(tài)角表示，包括水平方位角和俯仰角[13]。圖1 為通過測繪儀進(jìn)行管道走向數(shù)據(jù)測量的實例，通過測繪儀的姿態(tài)指示出待測繪管道的走向。以繪制上行直管為例，見圖1（a），手持測繪儀指向管道上行方向，此時俯仰角近似90°，表示管道向上走；以繪制轉(zhuǎn)向水平方向的彎頭為例，見圖1（b），手持測繪儀指向彎頭轉(zhuǎn)向后的方向，此時俯仰角近似0°，表示管道轉(zhuǎn)彎至水平面，再通過水平方位角數(shù)據(jù)確定具體水平指向；以繪制三通為例，由于彎頭有分支，必然存在轉(zhuǎn)向，見圖1（c），采用與測繪彎頭類似的方法，手持測繪儀指向三通向下轉(zhuǎn)向后的方向（俯仰角約為-90°）可獲取三通走向數(shù)據(jù)。

圖1 手持式測繪模塊進(jìn)行管道走向數(shù)據(jù)測量的實例

2.2 測量管道長度

利用激光三角形對邊測距原理[14-15]可對管道上兩點(diǎn)之間距離進(jìn)行非接觸測量，也可快速得到空間兩點(diǎn)之間的水平距離和垂直距離。管道長度測量過程見圖2，待測數(shù)據(jù)為A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的直線距離，操作者手持帶激光測距功能的測繪儀，激光光點(diǎn)指向測量起點(diǎn)A點(diǎn)，獲取測繪儀與A點(diǎn)的距離、測繪儀指向A點(diǎn)方向的俯仰角和水平方位角數(shù)據(jù)，隨后保持測繪模塊位置不變，轉(zhuǎn)動模塊使激光光點(diǎn)指向測量終點(diǎn)B點(diǎn)，獲取測繪儀與B點(diǎn)的距離、測繪儀指向B點(diǎn)方向的俯仰角和水平方位角數(shù)據(jù)。最后，利用上述得到的多個距離和角度數(shù)據(jù)，根據(jù)立體幾何原理可計算出待測距離。

圖2 管道長度測量過程

2.3 生成軸測圖

建立結(jié)構(gòu)體數(shù)組，用于存儲管道元件類型和管道元件空間三維坐標(biāo)，管道元件類型包括表1 中各種元素，三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)根據(jù)各個管道元素連接關(guān)系和方位角數(shù)據(jù)生成。在確定元素連接節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)表1 中元素表示方法求解出元素線框模型中各個內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的三維繪圖坐標(biāo)。采用三維造型技術(shù)對管道三維線框模塊進(jìn)行展示。在三維模型基礎(chǔ)上通過降維計算得到二維軸測模型。

空間三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為正等軸測圖二維坐標(biāo)的坐標(biāo)變換類型為平行投影變換，且投影面與三個坐標(biāo)軸的夾角均相等，需進(jìn)行兩次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和一次投影變換。在XYZ三軸坐標(biāo)系中，以XOZ面作為軸測投影面為例，坐標(biāo)變換矩陣計算方法見式（1）。

式中：

T——三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)二維坐標(biāo)生成軸測圖時的坐標(biāo)變換矩陣；

TZ——繞Z軸旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換矩陣；

TX——繞X軸旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換矩陣；

TV——投影變換的坐標(biāo)變換矩陣。

TZ可表示為：

式中：

γ——繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度，rad。

TX可表示為：

式中：

α——繞X軸旋轉(zhuǎn)的角度，rad。

TV可表示為：

正等軸測投影時γ取值0.785 rad，α取值0.615 rad。

對三維空間管道線框模型選擇不同的軸測圖投影面和觀測視角，可得到8 種不同的管道軸測圖效果，圖3 為某管道在兩個不同軸測投影視角下的軸測圖。現(xiàn)場檢驗時應(yīng)選擇合理觀測視角下的軸測圖，盡量避免線條交叉和重疊，以清晰展示管道空間走向和管道元件組成。

圖3 某管道在兩個不同軸測投影視角下的軸測圖

3 檢驗系統(tǒng)開發(fā)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

壓力管道檢驗信息系統(tǒng)由智能平板電腦、軸測圖測繪儀、超聲波測厚儀、其他具備無線數(shù)據(jù)傳輸功能的檢測模塊組成，壓力管道檢驗信息系統(tǒng)硬件架構(gòu)見圖4。智能平板電腦為控制主機(jī)，與其他功能模塊通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用SPP（Serial Port Profile，串口協(xié)議）通訊模式。測繪儀用于向智能平板電腦發(fā)送待測管道元件的類型、姿態(tài)角，從而控制檢驗系統(tǒng)App 進(jìn)行軸測圖自動測繪。測繪儀同時具備測量管道長度、撤回繪圖命令等功能。超聲波測厚儀用于測量管件、焊縫的壁厚，并將壁厚數(shù)據(jù)發(fā)送到檢驗系統(tǒng)App，實現(xiàn)壁厚數(shù)據(jù)自動錄入。根據(jù)檢驗需要，其他可擴(kuò)展的儀器包括里氏硬度計、電磁超聲測厚儀等。

圖4 壓力管道檢驗信息系統(tǒng)硬件架構(gòu)

3.2 手持式測繪儀開發(fā)

手持式軸測圖測繪儀如圖5 所示，頂部設(shè)置激光測距組件，模塊外觀尺寸為140 mm×55 mm×35 mm，便于單手握持實現(xiàn)指向型操作。顯示屏動態(tài)顯示模塊藍(lán)牙組網(wǎng)狀態(tài)、儀器當(dāng)前所指水平方位角和俯仰角、最近一次測繪的管道元素類型，以及工作狀態(tài)提示文字。按鍵組由繪圖按鍵和輔助按鍵構(gòu)成。繪圖按鍵上印制有常用管道元素線框符號，用于操作者直觀快速地選擇管道元件類型。輔助按鍵可實現(xiàn)模塊開關(guān)機(jī)、激光測距、儀器校準(zhǔn)等功能。測繪儀采用嵌入式開發(fā)，處理器為STM32F103 系列高性能單片機(jī)，用于獲取姿態(tài)角的慣性傳感器為高精度MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)）三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、三軸磁阻傳感器，采用內(nèi)置DC 3.7 V 可充電聚合物鋰離子電池為儀器供電。

圖5 手持式軸測圖測繪儀外觀

3.3 檢驗系統(tǒng)App 開發(fā)

壓力管道檢驗時儀器硬件模塊通過與運(yùn)行于智能平板電腦的“壓力管道檢驗系統(tǒng)”App進(jìn)行交互式操作，以完成軸測圖測繪、檢驗數(shù)據(jù)錄入等過程。檢驗系統(tǒng)App 功能架構(gòu)如圖6 所示，包括項目管理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、軸測圖測繪模塊、檢驗數(shù)據(jù)記錄模塊和結(jié)果導(dǎo)出模塊。

圖6 檢驗系統(tǒng)App 功能架構(gòu)

項目管理模塊可進(jìn)行檢驗項目和項目內(nèi)管線信息的數(shù)據(jù)管理，可通過手動錄入或自動導(dǎo)入管道特性表文件的方式生成新的管線信息記錄。數(shù)據(jù)通信模塊用于獲取硬件模塊數(shù)據(jù)或?qū)τ布M(jìn)行控制。軸測圖繪制模塊可實現(xiàn)自動和手動兩種可自由切換的軸測圖測繪模式，并可操作觸摸屏實現(xiàn)軸測圖刪減、查詢、添加標(biāo)注、添加符號等編輯功能。自動測繪模式可通過手持式軸測圖測繪模塊控制檢驗系統(tǒng)App 自動繪圖，手動測繪模式下可直接操作檢驗系統(tǒng)App 界面繪制軸測圖，外部圖紙導(dǎo)入模式可直接加載已有的軸測圖電子文件。檢驗數(shù)據(jù)記錄模塊用于存儲管道屬性（壓力、溫度、介質(zhì)、公稱直徑、名義壁厚等）、無損檢測數(shù)據(jù)（測厚、磁粉、射線、滲透、超聲、硬度等）、宏觀檢驗數(shù)據(jù)（管道結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、外觀等）、安全附件與儀表（安全閥、爆破片、緊急切斷閥、壓力表）檢查數(shù)據(jù)等。結(jié)果導(dǎo)出模塊可對軸測圖和檢驗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并可快速預(yù)覽、導(dǎo)出或?qū)ν夥窒磔S測圖圖片文件、壓力管道檢驗記錄文件和檢驗工程文件。

4 檢驗現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 新建檢驗項目

實施現(xiàn)場檢驗前，在檢驗系統(tǒng)App 的項目管理界面中新建檢驗項目，見圖7。新建檢驗項目時需錄入裝置名稱、管道名稱、使用單位名稱、檢驗類別、檢驗日期等信息。在已建立的檢驗項目下新建待檢的管道，可通過批量導(dǎo)入xlsx 格式的管道特性表文件或輸入文本的方式配置管線信息，主要包括管道編號、起點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)、介質(zhì)、設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、操作溫度、操作壓力、管道材質(zhì)、外徑、壁厚、防腐/保溫材料、管道長度、管道類別等信息。

圖7 檢驗項目管理界面

4.2 繪制或?qū)胼S測圖

利用壓力管道檢驗信息系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場檢驗，同步進(jìn)行電子軸測圖生成和檢驗數(shù)據(jù)錄入。若有可用于檢驗的現(xiàn)成軸測圖，可對已有軸測圖進(jìn)行拍照導(dǎo)入或通過文件選擇方式將平板電腦中已存儲的電子軸測圖文件導(dǎo)入檢驗系統(tǒng)App。以某石化儲運(yùn)企業(yè)一條GC2 級燃料油管道首次定期檢驗為例，該管道結(jié)構(gòu)見圖8，編號為“XH”，檢驗起點(diǎn)為泵，終點(diǎn)延伸至其他石化庫區(qū)，管道走向如圖中帶箭頭虛線所示，包含閥門、三通、異徑管等常見管道元件。

圖8 需檢驗的目標(biāo)管道

由于該管道原始設(shè)計資料丟失，檢驗前企業(yè)委托某石化設(shè)備設(shè)計單位對管道軸測圖進(jìn)行了資料補(bǔ)充，但后補(bǔ)的軸測圖與現(xiàn)場實際管道走向不一致，仍然無法直接用于檢驗，檢驗人員根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用軸測圖測繪儀對該管道進(jìn)行了重新測繪，結(jié)果見圖9，所繪軸測圖對管道元件和空間走向進(jìn)行了很好的電子化還原。

圖9 現(xiàn)場繪制的管道軸測圖實例

4.3 錄入無損檢測數(shù)據(jù)

在繪制的軸測圖中點(diǎn)選需進(jìn)行無損檢測的管件，檢驗系統(tǒng)App 將自動彈出無損檢測數(shù)據(jù)錄入彈窗。以該管道中編號為“S1”的三通壁厚檢測為例，測厚數(shù)據(jù)交互式錄入界面見圖10。當(dāng)前被檢的三通在軸測圖中標(biāo)紅顯示，彈窗中展示該管件壁厚檢測位置和測點(diǎn)數(shù)量要求，該要求與檢驗機(jī)構(gòu)的壓力管道檢驗質(zhì)量管理體系要求一致。錄入壁厚數(shù)據(jù)后將自動在軸測圖中所檢三通附近生成“S1”文字標(biāo)識。數(shù)據(jù)錄入過程中，檢驗系統(tǒng)App 自動識別壁厚減薄量超過名義厚度20%的測厚點(diǎn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)文本標(biāo)紅，以提醒檢驗人員被檢管件可能存在管壁減薄異常。所有錄入檢驗數(shù)據(jù)的無損檢測項目都將按本文1.2 節(jié)所述編號規(guī)則自動在軸測圖中對應(yīng)管件或焊縫附近生成元件編號，實現(xiàn)“圖數(shù)關(guān)聯(lián)”。

圖10 測厚數(shù)據(jù)交互式錄入界面

4.4 錄入外觀檢查數(shù)據(jù)

外觀檢查包括宏觀檢驗、安全附件與儀表檢查兩部分，數(shù)據(jù)錄入界面分別見圖11（a）和圖11（b）。對于宏觀檢驗中的結(jié)構(gòu)檢驗和外觀檢驗項目，檢驗人員根據(jù)管道實際情況對檢驗結(jié)果進(jìn)行勾選，以管道布置的項為例，可選擇的檢驗結(jié)果包括“符合要求”“碰撞”“摩擦”“變形”“無此項”共5 類。對于幾何尺寸檢驗項目，見圖11（a），在軸測圖中選擇目標(biāo)焊縫后輸入存在異常的錯邊量、咬邊、焊縫余高尺寸。檢驗系統(tǒng)App 將針對異常檢驗項自動生成問題描述語句，例如圖11（a）中的“第H77節(jié)點(diǎn)存在4 mm錯邊量”、圖11（b）中的“壓力表超期”，用于導(dǎo)出檢驗記錄時作為“問題及其處理”的一部分。宏觀檢驗時可對重要檢驗部位進(jìn)行拍照存檔，照片作為電子檢驗數(shù)據(jù)的一部分。

圖11 錄入外觀檢查數(shù)據(jù)界面

4.5 生成檢驗記錄或報告

檢驗系統(tǒng)App 中可預(yù)設(shè)或定制符合檢驗機(jī)構(gòu)質(zhì)量管理體系要求的工業(yè)管道檢驗記錄文檔模板，現(xiàn)場檢驗結(jié)束后可在檢驗項目管理界面中預(yù)覽包含軸測圖和檢驗數(shù)據(jù)的管道檢驗記錄，并自動生成doc 格式的檢驗記錄電子文檔，可通過平板電腦上的通訊應(yīng)用程序?qū)ν夥窒頇z驗記錄。檢驗系統(tǒng)App 可導(dǎo)出包含軸測圖和檢驗數(shù)據(jù)等全部檢驗內(nèi)容的管道檢驗工程文件，可用于與特種設(shè)備檢驗機(jī)構(gòu)的電子報告系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對接，避免檢驗人員生成檢驗報告時重復(fù)手動錄入數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)整理效率。

5 結(jié)論

為適應(yīng)高效、準(zhǔn)確的管道現(xiàn)場檢驗需求，有必要編制簡潔、實用的壓力管道軸測圖測繪方案。通過慣性導(dǎo)航技術(shù)可快速獲取管道走向數(shù)據(jù)，通過激光三角形對邊測距可測量管道長度，據(jù)此可設(shè)計出便攜式軸測圖測繪儀，可通過無線通信方式控制平板電腦端檢驗系統(tǒng)App 自動測繪管道軸測圖。使用開發(fā)的管道檢驗信息智能系統(tǒng)可在管道檢驗現(xiàn)場通過“圖-數(shù)交互式”操作的方式快速完成軸測圖測繪與檢驗數(shù)據(jù)錄入工作，并自動生成管道檢驗記錄電子文檔，該系統(tǒng)尤其能滿足軸測圖缺失或軸測圖與現(xiàn)場不符時的檢驗需求。利用該系統(tǒng)實現(xiàn)的壓力管道全新檢驗?zāi)Ｊ娇杀苊猬F(xiàn)場檢驗、數(shù)據(jù)整理、報告生成各過程中軸測圖和檢驗數(shù)據(jù)重復(fù)整理工作，極大地提高了壓力管道檢驗效率和檢驗過程中的數(shù)字化、智能化水平，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會效益和生態(tài)環(huán)境效益。