全站仪在水煤浆气化炉同轴度测量方面的应用_张志敏.pdf

问题与对策-12-中国化工装备全站仪在水煤浆气化炉同轴度测量方面的应用张志敏 忽俊成 齐澍文 冯尔珺 王志刚 胡萍(兰州兰石重型装备股份有限公司，兰州 730314)摘 要：本文提出了一种使用全站仪测量水煤浆气化炉同轴度的方法，可对设备全长范围任意内径截面进行数据采集，借助三维建模软件直接测量得到偏差结果，相较常规检测极大的提高了检测效率及检测精度。关键词：气化炉 同轴度 测量 全站仪 拟合圆心 三维建模0 引言全站型电子速测仪简称全站仪，是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，该仪器在一个测站点能快速精确的进行多处三维坐标测量、数据采集、处理和存储等工作，广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域5。压力容器设备因非标元件多、元件多采用非机加工成型制造，设备制造时通常采用常规检测方法即可满足要求。随着近年来精细化工产业的发展，压力容器设备要求的检测精度愈发严苛，以水煤浆气化炉为例，该设备是煤气化装置的核心设备，炉体同轴度要求严苛，常规检测已无法满足设备制造检测需求。目前各压力容器制造厂普遍使用测微准直望远镜进行同轴度的测量，但是因板卷筒体椭圆度的存在，同一截面处直径大小不一，圆心很难定位，多数情况下只能以加工件截面圆心为测量点，导致测量结果不全面。本文提出一种使用全站仪测量水煤浆气化炉同轴度的方法，通过对设备全长范围任意内径截面进行数据采集，每个截面得到一组（x，y，z）空间坐标点，借助空间圆心拟合软件及三维建模软件，将所测得的截面圆心点直观的绘制在三维空间中，直接测量获得设备同轴度偏差，使测量更加简单迅捷、结果更加全面可靠。本文将从测量方法、数据处理及偏差调整等方面进行阐述。1 测量应用1.1 测量应用设备及技术参数测量应用设备选择气化炉上部气化室壳体，即炉体，设备规格及外形见表1、图1。气化炉安表 1 设备参数设备名称设计压力设计温度主体材料设备规格气化炉5.15MPa425SA387 Gr11 CL23880mm25米图 1 设备简图问题与对策-13-中国化工装备装就位后，炉体内部需砌筑耐火砖，因此，设备同轴度的形位偏差直接影响砌筑工作及设备运行质量。设备炉体同轴度要求如下：1）顶部法兰中心线与壳体中心线偏差不大于3mm；2）气化室壳体中心线偏差6mm。1.2 测量仪器及参数测量仪器选择莱卡TZ05全站仪，如图2，仪器测量参数如表2。表 2 全站仪测量参数角度测量精度2无棱镜距离测量精度2mm+2ppm望远镜调焦范围1.55m至无穷远图 2 TZ05全站仪1.3 测量方法及步骤1.3.1 数据采集全站仪测量的每个坐标数据为一个（x，y，z）的空间点坐标，在气化室壳体内部选取5个圆形截面，分别用A、B、C、D、E表示，A、B两个截面位于整体机加工的部件上；C和D截面选取在筒体等分线处，将筒体三等分；E截面位于顶法兰底部，如图3。每个截面沿圆周测量24个空间点坐标，分别用A1-A24、B1-B24、C1-C24、D1-D24、E1-E24表示，如表3（以B截面为例），使用全站仪一次将5个截面各24点数据采集完毕，测量时如果因结构限制需要移动全站仪，可使用全站仪“换站”功能，确保测量无盲区，如图4、图5。图 3 A、B、C、D、E五个截面测量部位示意图表 3 B1-B24测量数据(数据单位：米)点号X轴y轴z轴点号x轴y轴z轴1800.8147943.1424999.63313801.0297942.90061003.48352800.4186943.5136999.809414801.4855942.51731003.39083800.1138943.74631000.059915801.8418942.28571003.19784799.8936943.94281000.369216802.1813941.9381002.77545799.6796944.11321000.861917802.3961941.77641002.34656799.6136944.20191001.293618802.4866941.67691001.94087799.6197944.22671001.670119802.5076941.64271001.44778799.6646944.1811002.053420802.4442941.71071000.94489799.7745944.081002.435821802.2837941.86131000.485410799.9848943.82271002.891522802.0483942.0651000.118111800.3083943.6291003.191223801.6442942.3828999.778512800.7876943.16731003.449624801.3322942.6923999.6397问题与对策-14-中国化工装备图 4 截面4（D1-D24）测量图 5 截面5（E1-E24）测量1.3.2 标定测量方向壳体内径数据采集完毕后，再采集设备0、90、180、270四个方位的空间点坐标，以便于后期偏心方向的确定。1.3.3 数据处理1.3.3.1 修改原始数据文件格式全站仪测量数据文件格式为.TXT，需将后缀更改为.CSV格式，使用EXCEL表格打开。1.3.3.2 计算拟合圆心及半径由文献2中拟合圆心公式可计算得出截面测量点A1-A24、B1-B24、C1-C24、D1-D24、E1-E24的圆心空间坐标（x0，y0，z0）及拟合半径R，分别为(A0，RA)、(B0，RB)、（C0，RC）、（D0，RD）、（E0，RE），以表3 数据为例，得到圆心坐标为（801.0578，942.9295，1001.5445）（单位：米），拟合半径为1.9400（单位：米），即此截面拟合圆直径为3880mm，与测量模型理论直径3880mm吻合。1.3.4三维建模及偏心尺寸确定将所测得的截面圆心空间坐标点A0、B0、C0、D0、E0绘制在三维建模软件中，如图6，其中A、B内径截面为机加工标准圆，将A0、B0进行连线，作为假定基准轴线，分别测量C0、D0、E0圆心坐标点与假定基准轴线的距离，其中“垂直距离”即为同轴度偏差（全站仪测量数据单位为米，以下图像数据如需转换为毫米需1000），如图7，图8，图9所示。图 6 SolidWorks中A0、B0、C0、D0、E0分布图图 7 C0与基准轴线垂直距离为7.5mm图 8 D0与基准轴线垂直距离为7.4mm问题与对策-15-中国化工装备图 9 E0与基准轴线垂直距离为8.8mm1.3.5 偏心方向确定在三维建模软件中建立垂直于A0、B0连线的基准面并正视，此时A0、B0两点重合，将0、90、180、270方位空间点坐标绘制在以上草图中，此时C0、D0、E0相对A0、B0两重合点的方向即为偏心方向，如图10、图11所示。图 10 C0、D0、E0相对A0、B0偏移方向图 11 偏移方向局部放大图1.3.6 偏心调整根据图10、图11所示，C0、D0、E0圆心与A0、B0重合点水平夹角约32，需将C0、D0、E0所属零部件向靠近A0、B0重合点调整，或将A0、B0所属零部件向靠近C0、D0、E0调整。1.3.7 测量点空间体现将每组测量点数据A1-24、B1-24、C1-24、D1-24、E1-24导入三维软件中，得到全站仪测量点形成的曲线，如图12、图13，通过图像可以直观的显示测量曲线的形态。图 12 截面测量点曲线侧视图图 13 截面测量点曲线正视图2 结果分析2.1 根据图7、图8、图9测量结果显示，圆心C0相对假定基准轴线偏心为7.5mm，圆心D0相对假定基准轴线偏心为7.4mm，圆心E0相对假定基准轴线偏心8.8mm。2.2 根据图10、图11显示，C0、D0、E0相对A0、B0重合点向90180偏移，根据图11中C0与A0、B0重合点两者间夹角，确定C0向148方位偏移。2.3 将A0B0所在部件向设备148方位调整6mm后再次按上述步骤测量，结果显示圆心C0、D0、E0相对A0B0假定基准轴线垂直距离均在3mm以内。问题与对策-16-中国化工装备2.4 所述的方法经初步测量得到偏心数值，通过对偏心数值及偏心方向进行分析，二次调整部件装配位置后，理论调整值及调整方向与实际相符合，且满足技术文件“顶部法兰中心线与壳体中心线偏差不大于3mm；气化室壳体中心线偏差6mm”的要求。3 结语3.1 本文阐述了使用全站仪测量水煤浆气化炉同轴度的方法，解决了使用常规测量或测微准直望远镜测量时截面圆心定位困难、定位存在误差、测量不全面、测量时间长的问题，相较常规测量所用的拉钢丝方法2-3天的检测时间，本文所述的测量方法仅需1小时就可测量完成；3.2 常规测量或测微准直望远镜测量时需使用钢丝或定心装置等辅助工装，增加了附加测量误差约1mm3mm；本文所使用的莱卡TZ05全站仪，测量数据可精确至0.1mm，且测量全过程无需任何辅助测量工装，使测量结果更加精确。3.3 使用三维建模进行原始数据处理，准确有效的对偏移距离和偏移方向进行分析确定，极大的提高了测量精确度及测量效率，为同类设备同轴度的检测提供了经验。参考文献1 潘国荣,陈晓龙.空间圆形物体数据拟合新方法J.大地测量与地球动力学,2008(02):92-94.2 邹进贵,陈健.基于空间向量的空间圆拟合算法研究及其应用J.测绘地理信息,2012,37(06):3-5.3 高俊强,陶建岳.利用免棱镜全站仪进行地铁隧道断面测量与计算J.测绘通报,2005(10):41-43.4 范百兴,夏治国.全站仪无棱镜测距及精度分析J.北京测绘,2004(01):28-31.5 孙占群,丛玉梅,宋丙剑.全站仪特点及其在矿山测量中的应用J.中国西部科技,2009,8(26):14-16.6 赵鹏飞.一种基于向量的空间圆检测方法J.大地测量与地球动力学,2014,34(03):72-74+80.7 张应芳,张爱国,苏积聪,黄海明,韦霄.观测圆上多个任意点及其圆心坐标拟合J.黑龙江工程学院学报,2014,28(02):27-31.8 赵广滨.转炉托圈耳轴同轴度的测量J.中国重型装备,2015(01):51-52.9 陈梦,张涛,李晋东.利用Leica TM30的储油罐变形监测技术研究J.测绘地理信息,2021,46(06):104-107.10 张斌.最小二乘法在空间圆度检测中的应用J.山西建筑,2013,39(10):150-151.11 张应芳,张爱国,苏积聪,黄海明,韦霄.观测圆上多个任意点及其圆心坐标拟合J.黑龙江工程学院学报,2014,28(02):27-31.Application of Total Station in Coaxiality Measurement of Coal Water Slurry GasifierZhang Zhimin,Hu Juncheng,Qi Shuwen,Feng Erjun,Wang Zhigang,Hu Ping(Lanzhou LS Heavy Equipment Co.,Ltd.,Lanzhou 730314)Abstract:In this paper,a method of measuring coaxiality of coal-water slurry gasifier with total station is proposed,which can collect data of any inner diameter section in the whole length range of the equipment,and directly measure the deviation results with the help of 3D modeling software,which greatly improves the detection efficiency