管道直管段連頭下料技術

摘 要：本文主要針對管道直管段連頭下料的問題進行研究，通過激光掃描技術和空間模型技術，采用計算機離散計算和校核的方式替代傳統的三維空間公式運算，可避免固定管中線測量誤差和校準誤差，并取得了技術突破，可以實現一刀成型，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下料和失敗下料的問題。在大慶、大連和秦皇島等地，進行十多次管道換管作業實戰應用，取得了很好的效果。

關鍵詞：連頭；下料計算；直管段

中圖分類號：TE 97" 文獻標志碼：A

1 管道直管段連頭技術現狀

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，因此在實際作業過程中，經常出現強應力組對、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確，造成施工周期長、環焊縫區域殘余應力集中顯著等后果[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，因此可能產生較大誤差。王志方等[3]利用三維激光掃描儀對點云數據進行采集，通過計算軟件獲得管口對接參數。由于管口漫反射條件不佳，因此三維激光掃描儀采集的數據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部應力，所以沒有排除應力集中造成的運營風險。反向下料如圖1所示。

型材靠尺法可以應用在中小型口徑管道，當中間管段達到一定長度的時，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、可模擬計算和結果多類化等功能。

2 管道直管段連頭下料技術

2.1 固定管測量

測量采用激光掃描，應用設備為FARO三維激光掃描儀，該設備的SCENE軟件可對場景進行初步過濾處理。當測量距離時，采用相位偏移技術，從掃描儀持續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，即可準確判斷掃描儀到對象的距離[3]。通過SCENE軟件可以得到設備可視范圍內所有點的X、Y、Z坐標，這些點形成一個三維可視的場景，再利用SCENE軟件可以對場景內的點云數據進行剪裁，從而得到初步的設備可視范圍內管壁點云數據。利用三維激光掃描儀對管道進行掃描，經過點云數據分析后，由空間坐標值和RGB顏色組成這些點，經過軟件渲染后，點云的場景渲染效果如圖3所示。

2.2 測量數據再次處理

通過三維激光掃描技術，可以得到相對準確的部分固定管管壁及管口點云數據，還有因打磨后管壁漫反射條件不好形成的離散點坐標數據。數以百萬的點云數據沒有形成一定的規則，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過再次處理，就會嚴重影響管道的下料結果，影響下料精度。在掃描的過程中，如果掃描質量設置較低，就會嚴重影響管道數據分析和抓取的精度。在三維掃描儀低質量設置下，在管道管口前方進行掃描，處理后得到的低質量掃描點的三維渲染如圖4所示。從圖中可以看到，管壁呈現紋理狀，間隔部分大量管壁數據未被獲取。

在現場應用過程中，由于管口是精細打磨，因此形成鏡面效果。激光設備作業會受到被掃描物體表面鏡面效果的影響，在管口邊緣產生大量的噪點。如果對坡口處鏡面條件較好的管道進行掃描，就可以得到三維坐標數據渲染圖，在真實的管體表面會產生大量的噪點。對噪點嚴重的掃描數據進行渲染，并將其局部放大，得到的渲染圖如圖5所示。經過多次現場掃描測試，鏡面效果較好的管道，可能會產生5～8mm的誤差。因此，為了得到精確的數據，應該在使用數據進行計算前，對噪點進行排異和處理。

由于管道存在一定的厚度，因此在可視范圍內，測量得到的管壁包括管道內壁、管道外壁和坡口上的點。通過三維旋轉矩陣擬合判斷、逐漸依靠的方式，可以在2min～3min獲取百萬級點云數據固定管走向。在找到管道方向后，結合管道走向和坡口點云截面情況，對截面幾何進行分析和判斷，然后對數據進行再次過濾，可使管口坐標抓取誤差小于2mm。管道走向和管口數據抓取如圖6所示，圖6左側為掃描得到的管道點云數據三維渲染原始圖，右側是經過數據處理和分析后，得到的管道點云數據三維渲染原始圖及抓取的管口走向和管道端點坐標圖。從圖中可以看出，抓取的數據與掃描得到的數據高度吻合。

2.3 建立計算模型

三維計算模型的關鍵是準確獲取和描述兩端固定管道的空間方程組，該方程應該包括固定管的空間向量以及管口曲線。通過建立適當的坐標系，在方向及管口上對下料工況進行確定，才能真實計算中間管形狀以及對兩固定管與中間管的關系，并對其進行判斷，確定是否符合焊接工藝評定規程的要求。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用或求解，需要結合一系列點云坐標（Pd0，Pd1，Pd2，...）進行數據分析和抓取，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的過程中，需要注意以下幾個問題。點云數據龐大、非連續，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，因此在點云數據解析和逆向特征數據抓取過程中，需要大量計算。如果采用反復遍歷的方式，那么計算量可以達到千萬次甚至上億次，因此需要采用先進的過濾邏輯和手段，對管口離散點進行分析、判斷和抓取。在數據抓取過程中，可能會排除準確的點，也可能該處的點云數據確實會導致數據誤抓取。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據太多，在內存和現存中有大量的數據，因此需要考慮計算機的承載能力，避免卡頓甚至閃退。在模型計算中可能出現大量浮點類型中間數據，這些中間數據不會被展示出來，但它們的精度對結果的影響至關重要。

三維激光掃描設備采用隨機大地坐標進行掃描，而人工下料數據和自動下料數據，采用中間管、固定管特定坐標系進行下料。因此將點云數據上的特征與結果數據中的特征點對應，并且坐標系轉換計算不影響軟件的流暢性是軟件計算需要解決的關鍵問題。

三維計算模型的關鍵是準確獲取和描述兩端固定管道的空間方程組，這個方程應該包括固定管的空間向量以及管口曲線。通過建立適當的坐標系，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系，以此確定是否符合焊接工藝評定規程的要求。為了解決大量的空間計算問題，要保證代碼高效利用，在及時釋放內存和顯存的情況下，保證軟件穩定運行。

2.4.1 軟件架構

管道下料軟件架構層次分明，建議至少設置點云數據存儲和讀取、點云數據管道模型化分析、下料參數設置、三維演示、數據結果輸出幾個模塊。

在軟件開發過程中，即便軟件運行穩定，也可能無法確定符合管道下料要求的數據，因此可能需要大量的調試工作。為了保證程序調試順利進行，在軟件功能類開發的過程中，建議對軟件代碼進行功能分類，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、數據處理類、三維演示功能類和結果類等。

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，在軟件界面的設計過程中，需要盡量避免復雜的界面和操作。建議采用流式界面進行操作，根據數據錄入和設置需要，一步一步進行引導，操作人員可以輕松完成測量、錄入、設置和輸出的操作。在得到計算結果后，通過三維演示，直觀告知操作者切割和安裝后的情況，引導現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流程一般是先在需要切割的管道上進行劃線，再采用手動或半自動的方式沿著所繪制的切割線進行切割。這種方法操作簡單，所需要的工具或設備不復雜，缺點是切割精度依賴操作人員的技能水平和作業經驗，在短時間內難以形成技術復制。

人工下料方法作業精度受切割線繪制過程影響會產生誤差。目前，施工作業現場普遍采用半自動切割的方式進行管道切割作業，所產生的誤差為導軌安裝誤差、切割設備行進過程中切割槍與管道角度發生變化引起的誤差、切割設備手動調整產生的誤差和視線產生的誤差。

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。假設半自動切割設備軌道為管道正口圓，切割設備在軌道上行進過程中，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，導致切割槍與管道位置發生改變，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圓，該基準圓默認為管道正口圓。該正口圓的準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驗。

保證良好的切割鋒線：在管道下料過程中，中間管預制一般采用氧氣乙炔切割的方式，切割鋒線穩定，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行劃線，只需要安裝切割設備的導軌，在安裝切割設備并定位后，設備會自行沿導軌行走并自動調整切割槍位置，切割需要的中間管段形狀。現場應用該方式時，發現導軌安裝是決定切割精度的關鍵。

由于自動下料切割設備默認導軌為管道正口圓，因此在行進過程中，設備自動調節導致的誤差較小，可忽略不計。在兩側分別進行軌道安裝，誤差可能形成疊加，僅安裝一次導軌，在同一個導軌上切割兩端，誤差不會疊加，但不能消除導軌誤差帶來的影響。

3 模型測試、試驗和現場應用

3.1 模型測試

在完成管道直管段連頭下料技術模型開發后，整個下料過程涉及激光點云掃描、數據分析、結構計算、結果輸出、管道切割和裝配等多個環節，模型可靠性和準確性的測試是一個系統工程。在管道直管段連頭下料技術研發中，將模型測試分為測量可靠性測試、數據結構計算精確性測試、試驗驗證和現場驗證4個環節。

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。主要采用現場特征點復核的方式進行測試，即通過激光掃描得到場景數據，利用建立的數據分析和抓取模型，得到特征點之間的長度，再利用其他測量方式進行現場復核，對比兩種方式得到的數據。

3.3 數據結構計算精確性測試

主要根據純數據理論測試數據結構計算精確性，通過在三維空間中定義不同的管道結構，根據兩固定管理論數據反向推算測量數據。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，對模型數據結構計算精確性進行測試。

3.4 試驗驗證

對現場管道直管段下料試驗進行驗證，需要對不同的管徑、不同空間位置關系、不同的管口形狀、不同的固定管坡口鏡面程度等工況進行測試，在得到一個比較可靠的結果后，再進行現場應用測試。在管道直管段下料技術研發的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°）進行200多次測試，其中，從掃描到安裝全流程測試達到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，現場情況如圖7所示。

點云數據：經過試驗現場掃描及數據解析、分析，試驗工況固定管情況如下。

此次試驗的目的是驗證數據的準確性，因此在嚴重超規范錯位和夾角的情況下，對特征點長度進行計算和測量對比。

下料計算：在不考慮焊接工藝評定規程要求的情況下，直接對中間管進行計算，為了便于數據對比，將每側的預留焊接縫隙設置為5mm。圖8為利用管道直管段連頭下料技術模型進行數據計算，通過計算原始數據和計算結果渲染，得到三維空間內模擬的組對情況。

下料結果對比：在打磨光滑后，管道坡口存在大量5～7mm的離散漂移點。這些漂移點經過軟件中的噪點過濾后，已經得到了相對準確的管口點云數據。對過濾后的點云數據中間管下料進行計算，將得到的結果跟實際測量數據進行對比，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果與實測數據見表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據經過軟件模型過濾后的長度比實測要大，最大值為2.25mm。現場中間管下料時，管道偏長還能打磨，管道偏短則為下料失敗，因此這樣設置符合作業需求。

在真實下料過程中，根據下料數據進行下料，與實測數據進行對比后，稍作調整，可以減少0.5～1mm的坡口打磨量。

3.5 現場應用

某天然氣管道需要進行換管作業，該管道在山坡上，管材為711mm×12.5mm，由于應力釋放，切割1.6m直管段回彈130mm，因此現場目測管道上下左右均存在明顯錯位。經過初步測量，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。管材711mm×12.5mm的直管段管口偏離最大值為37mm，此時夾角角度對應為3°，直接下料得到的數據見表2。

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

這次作業采用人工劃線和半自動切割作業的方式對中間管下料進行切割。在中間管切割完成后，經過組對安裝和監理確認，將兩個管道夾角均調整到3°以內，預留焊縫間隙符合焊接工藝規程要求，錯口量為0mm。最終施工結果現場圖如圖9所示。

4 結論

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

如果不能有效釋放管道應力，那么不建議在長輸管道使用反向下料計算。當管道存在嚴重錯位或夾角過大時，建議采用對固定管進行切割的方式縮小對口組對角度，并避免利用挖掘機、千斤頂等拉拽固定管調整，給管道增加額外的應力。

通過研究管道直管段下料連頭主要技術，建立完整空間三維計算模型，利用三維激光掃描設備對固定管空間位置進行測量，利用計算模型進行中間管計算，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、準確、易掌握的特點，在短時間內可以完成操作人員的培訓工作。

參考文獻

[1]張永紅.大管徑埋地管道溝下連頭施工技巧[J].石油化工建設， 2005，27（3）：51-52.

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[3]王志方，徐海峰，孫寶龍，等.三維激光掃描技術在管道維搶修作業中的應用[J].中國新技術新產品， 2020（7）：24-27.