一种超长大型容器垂直关系简易检测方法

梅云飞,范俊福,肖 生

(东方电气集团东方锅炉股份有限公司,四川 自贡 643001)

超长大型容器往往有垂直关系检测技术要求,一般是设备轴线与某个平面垂直。由于设备轴线是一条虚拟线,工程上通常需要借助经纬仪、全站仪乃至三坐标测量仪等高级检测设备才能实现直接测量,亦或是利用同轴关系、直线度检测结果等来间接反映垂直关系的偏差(该方法常常不被认可)。

采用高级检测设备实施测量时,设备的架设、找正、调试通常耗时很长,且使用限制较多,同时为保障检测精度,测量实施时被测物体常常不允许移动或转动,如果此时被测物还处于制造状态,其他作业项难以同时开展,对项目进度很不利。

介绍一种超长大型容器垂直关系简易测量方法,本方法整个检测工作都在容器内部开展,测量基准和检测点也都在容器内部,容器的移动和转动均不影响本方法测量的准确性。同时,因为可以即时提供检测数据,采用本方法不仅可以在筒节装配后实施测量,也可以在筒节装配过程中提供实时作业指导。

1 检测方法简述

以某氨合成塔外壳的检测为例,氨合成塔外壳检测示意见图1。

图1 氨合成塔外壳检测示意

步骤1:选取底部内件托盘为基准平面;步骤2:在基准平面上选取两组共4个测量点,其中测量点1、2为一组,测量点3、4为一组,每组两个点分别对设备轴线对称,且每组两个点的连线互相垂直(采用测量相邻两点间距方法验证);步骤3:选择超差风险截面(一般是筒节、封头、变径段的端面),在风险截面上找中心,并通过定位工装将激光测距仪安装在该中心位置;步骤4:使用激光测距仪测量截面中心至各个测量点的距离;步骤5:计算得出截面中心对设备轴线的偏离值,即该点的垂直关系偏差值;步骤6:对多个风险截面进行测量后,即可得出容器整体垂直关系偏差情况。

2 方法的论证

本文所介绍的方法遵循与拟合要素比较原则,首先确定了一条“标准轴线”(即通过上述4个测量点连线中心的基准平面的法线),然后测量其他截面中心与该“标准轴线”的偏移量。建立的简化平面几何模型见图2。

图2 简化平面几何模型示意

在该模型中,点A、点B即为标准平面上的一对测量点,其连线的中点为点O,过点O作直线AB的垂线,则该垂线即为设备的“标准轴线”。

在进行垂直关系检测时,首先找出风险截面的中点,即为模型中的点C,则点C到AB垂线的距离或直线OC与垂线的夹角α即为点C所在截面处垂直关系的距离偏差或角度偏差。几何模型求解示意见图3。

图3 几何模型求解示意

对偏差值求解:测量点C到点A的距离为a;测量点C到点B的距离为b;测量线段AB的长度为c。

作点C到标准轴线和直线AB的垂线,垂足分别为点M、N,定义线段CM、CN长度分别为m、n,其中n可直接测量。

建立等式:

易得:

转化成角度偏差:

该平面几何模型的空间修正示意见图4。

图4 平面几何模型的空间修正示意

现实中C点是一个空间点,以本方法对其中一组测量点A1、B1进行测量时,得到的偏差值实为点C到直线A1B1中垂面的投影距离m1;同理,以本方法对另一组测量点A2、B2进行测量时,得到的偏差值实为点C到直线A2B2中垂面的投影距离m2。

当直线A1B1与直线A2B2相互垂直时,存在几何关系:

结合本文所述检测方法和简化几何模型的解,可以得到超长、大型容器任意截面中心对设备轴线的垂直关系距离偏差值:

其中:a1、b1分别为截面中心到基准平面上第一组两个测点的距离;c1为第一组两个测点间的距离;a2、b2分别为截面中心到基准平面上第二组两个测点的距离;c2为第二组两个测点间的距离。

转化成角度偏差:

其中,n为截面中心到基准平面的距离。

3 不确定度论证

关于测量的不确定度,可以按简化的平面几何模型距离偏差值的解来进行分析考量:

首先可以明确的是:①a、b数值接近,测量方法相同;②c的测量方法可能与a、b不同;③m应为一个较小值。

进一步进行分析,假设c得到了准确测量,分析a、b测量误差对结果的影响。当a的测量值为正偏差、b的测量值为负偏差时,m值的偏差最大。假设a、b值的测量精度为±j,此时:

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进行模拟计算:

另外,假设a2-b2已经得到准确测量,分析c测量误差对结果的影响。当c为负偏差时,得到的m值最大,当c为正偏差时,m的值最小,假设c值的检测精度为±k,则:

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进行模拟计算:

通过以上论证基本可以得出结论:①c数值的测量精度对采用本方法计算垂直关系偏差的精度影响较小;②a、b数值的检测精度对采用本方法计算垂直关系偏差的精度影响很大;③m值的不确定度基于a、b值的测量精度,并随着(a+b)/c数值的增大也在等比例放大。

4 本方法的适用性论证

根据上述论述,可以得到如下信息:①本方法需要明确一个可靠的基准平面;②本方法需要定位两组共4个测点,测点需满足:每组两个点分别对设备轴线对称,且每组两个点的连线互相垂直;③两组测点的间距可以不相同;④被考察的截面能够准确定位截面中心,并能够将激光测距仪架设在该位置;⑤测点处应有实体或靶标,能够反射激光束;⑥容器内部应无阻拦激光束的障碍。

以上是能否按本方法实施测量的基础条件,关于本方法的适用性论述,关键在于测量的不确定度能否满足检测要求。

通过咨询国际、国内一线激光测距设备制造厂家,了解到当前的成熟商品公开的性能参数能够达到100 m内测量精度为±1.5 mm,重复精度为±0.5 mm。当采用此款产品进行测量时,由于j的定义是a、b值的“测量”偏差,其值应取其重复测量精度,即式中j=0.5 mm;将m偏差的估算结果按图3中的n/c值为1…2…3…进行对应呈现(n/c的物理意义类似于容器的长径比概念),其对应关系见表1。

表1 n/c值与m偏差值的对应关系

根据计量1/3原则,并对数据进行圆整,得到本方法适用的n/c值与m允差值对应关系见表2。

表2 n/c值与m允差值的对应关系

当超长大型容器任意截面中心对设备轴线的垂直关系距离偏差值大于表2中的m允差值或通过角度允差折算的偏差值大于表2中的m允差值时,采用本方法进行测量是适用的。

5 结语

本文介绍了一种超长大型容器垂直关系检验方法,此种方法略为粗放,但是具备良好的操作便利性和广泛的适应性,同时仍然具备一定的检测精度,能够为广大同行业读者开展检测活动提供有意义的借鉴;尤其是采用此方法还可以在容器产品筒节装配过程中提供一种简便可靠的工作指引,无疑是具备工程应用价值的。