一種超長大型容器垂直關系簡易檢測方法

梅云飛,范俊福,肖 生

(東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司,四川 自貢 643001)

超長大型容器往往有垂直關系檢測技術要求,一般是設備軸線與某個平面垂直。由于設備軸線是一條虛擬線,工程上通常需要借助經緯儀、全站儀乃至三坐標測量儀等高級檢測設備才能實現直接測量,亦或是利用同軸關系、直線度檢測結果等來間接反映垂直關系的偏差(該方法常常不被認可)。

采用高級檢測設備實施測量時,設備的架設、找正、調試通常耗時很長,且使用限制較多,同時為保障檢測精度,測量實施時被測物體常常不允許移動或轉動,如果此時被測物還處于制造狀態,其他作業項難以同時開展,對項目進度很不利。

介紹一種超長大型容器垂直關系簡易測量方法,本方法整個檢測工作都在容器內部開展,測量基準和檢測點也都在容器內部,容器的移動和轉動均不影響本方法測量的準確性。同時,因為可以即時提供檢測數據,采用本方法不僅可以在筒節裝配后實施測量,也可以在筒節裝配過程中提供實時作業指導。

1 檢測方法簡述

以某氨合成塔外殼的檢測為例,氨合成塔外殼檢測示意見圖1。

圖1 氨合成塔外殼檢測示意

步驟1:選取底部內件托盤為基準平面;步驟2:在基準平面上選取兩組共4個測量點,其中測量點1、2為一組,測量點3、4為一組,每組兩個點分別對設備軸線對稱,且每組兩個點的連線互相垂直(采用測量相鄰兩點間距方法驗證);步驟3:選擇超差風險截面(一般是筒節、封頭、變徑段的端面),在風險截面上找中心,并通過定位工裝將激光測距儀安裝在該中心位置;步驟4:使用激光測距儀測量截面中心至各個測量點的距離;步驟5:計算得出截面中心對設備軸線的偏離值,即該點的垂直關系偏差值;步驟6:對多個風險截面進行測量后,即可得出容器整體垂直關系偏差情況。

2 方法的論證

本文所介紹的方法遵循與擬合要素比較原則,首先確定了一條“標準軸線”(即通過上述4個測量點連線中心的基準平面的法線),然后測量其他截面中心與該“標準軸線”的偏移量。建立的簡化平面幾何模型見圖2。

圖2 簡化平面幾何模型示意

在該模型中,點A、點B即為標準平面上的一對測量點,其連線的中點為點O,過點O作直線AB的垂線,則該垂線即為設備的“標準軸線”。

在進行垂直關系檢測時,首先找出風險截面的中點,即為模型中的點C,則點C到AB垂線的距離或直線OC與垂線的夾角α即為點C所在截面處垂直關系的距離偏差或角度偏差。幾何模型求解示意見圖3。

圖3 幾何模型求解示意

對偏差值求解:測量點C到點A的距離為a;測量點C到點B的距離為b;測量線段AB的長度為c。

作點C到標準軸線和直線AB的垂線,垂足分別為點M、N,定義線段CM、CN長度分別為m、n,其中n可直接測量。

建立等式:

易得:

轉化成角度偏差:

該平面幾何模型的空間修正示意見圖4。

圖4 平面幾何模型的空間修正示意

現實中C點是一個空間點,以本方法對其中一組測量點A1、B1進行測量時,得到的偏差值實為點C到直線A1B1中垂面的投影距離m1;同理,以本方法對另一組測量點A2、B2進行測量時,得到的偏差值實為點C到直線A2B2中垂面的投影距離m2。

當直線A1B1與直線A2B2相互垂直時,存在幾何關系:

結合本文所述檢測方法和簡化幾何模型的解,可以得到超長、大型容器任意截面中心對設備軸線的垂直關系距離偏差值:

其中:a1、b1分別為截面中心到基準平面上第一組兩個測點的距離;c1為第一組兩個測點間的距離;a2、b2分別為截面中心到基準平面上第二組兩個測點的距離;c2為第二組兩個測點間的距離。

轉化成角度偏差:

其中,n為截面中心到基準平面的距離。

3 不確定度論證

關于測量的不確定度,可以按簡化的平面幾何模型距離偏差值的解來進行分析考量:

首先可以明確的是:①a、b數值接近,測量方法相同;②c的測量方法可能與a、b不同;③m應為一個較小值。

進一步進行分析,假設c得到了準確測量,分析a、b測量誤差對結果的影響。當a的測量值為正偏差、b的測量值為負偏差時,m值的偏差最大。假設a、b值的測量精度為±j,此時:

假定a=b=10 000 mm、c=1 000 mm、j=2 mm,代入a=b=10 000 mm、c=1 000 mm、j=2 mm進行模擬計算:

另外,假設a2-b2已經得到準確測量,分析c測量誤差對結果的影響。當c為負偏差時,得到的m值最大,當c為正偏差時,m的值最小,假設c值的檢測精度為±k,則:

假定a=b=10 000 mm、c=1 000 mm、j=2 mm,代入a2-b2=1 000 mm、c=1 000 mm、k=10 mm進行模擬計算:

通過以上論證基本可以得出結論:①c數值的測量精度對采用本方法計算垂直關系偏差的精度影響較小;②a、b數值的檢測精度對采用本方法計算垂直關系偏差的精度影響很大;③m值的不確定度基于a、b值的測量精度,并隨著(a+b)/c數值的增大也在等比例放大。

4 本方法的適用性論證

根據上述論述,可以得到如下信息:①本方法需要明確一個可靠的基準平面;②本方法需要定位兩組共4個測點,測點需滿足:每組兩個點分別對設備軸線對稱,且每組兩個點的連線互相垂直;③兩組測點的間距可以不相同;④被考察的截面能夠準確定位截面中心,并能夠將激光測距儀架設在該位置;⑤測點處應有實體或靶標,能夠反射激光束;⑥容器內部應無阻攔激光束的障礙。

以上是能否按本方法實施測量的基礎條件,關于本方法的適用性論述,關鍵在于測量的不確定度能否滿足檢測要求。

通過咨詢國際、國內一線激光測距設備制造廠家,了解到當前的成熟商品公開的性能參數能夠達到100 m內測量精度為±1.5 mm,重復精度為±0.5 mm。當采用此款產品進行測量時,由于j的定義是a、b值的“測量”偏差,其值應取其重復測量精度,即式中j=0.5 mm;將m偏差的估算結果按圖3中的n/c值為1…2…3…進行對應呈現(n/c的物理意義類似于容器的長徑比概念),其對應關系見表1。

表1 n/c值與m偏差值的對應關系

根據計量1/3原則,并對數據進行圓整,得到本方法適用的n/c值與m允差值對應關系見表2。

表2 n/c值與m允差值的對應關系

當超長大型容器任意截面中心對設備軸線的垂直關系距離偏差值大于表2中的m允差值或通過角度允差折算的偏差值大于表2中的m允差值時,采用本方法進行測量是適用的。

5 結語

本文介紹了一種超長大型容器垂直關系檢驗方法,此種方法略為粗放,但是具備良好的操作便利性和廣泛的適應性,同時仍然具備一定的檢測精度,能夠為廣大同行業讀者開展檢測活動提供有意義的借鑒;尤其是采用此方法還可以在容器產品筒節裝配過程中提供一種簡便可靠的工作指引,無疑是具備工程應用價值的。