北京南水北调东干渠管道设备同心度检测评价

北京南水北调东干渠管道设备同心度检测评价

徐徐 1 罗强 1 李博展 1 刘卫东 2 聂满超 1 刘国涛 1 王建慧 2 陈新 2

1 北京市南水北调东干渠管理处 北京 100176； 2 北京市水科学技术研究院 北京 100048

摘要：北京南水北调东干渠工程属于大型输水隧洞工程，分水口处采用钢制管道并设蝶阀、伸缩节等设备，为避免异常变形导致管道设备破坏，对5处典型管道设备进行同心度、同轴度检测评价、应力释放前后对比分析。采用激光跟踪仪采样管道设备外表面坐标数据，通过专用软件拟合三维图形、计算各管节拟合轴线偏角、偏差数据，并参照相关规范进行同心度、同轴度评价。检测结果表明，该检测评价方法具有可行性，5处管道设备同心度在应力释放后得到改善，有必要定期开展管道应力释放和同心度检测评价。

关键词：大型管道；激光跟踪仪；同心度；同轴度；检测

Detection and evaluation of concentricity of pipeline equipment in Dong Ganqu of Beijing south to North Water persion Project

XU Xu¹,LUO Qiang¹,LI Bozhan¹,LIU Weidong², NIE Manchao¹,LIU Guotao¹, WANG Jianhui², CHEN Xin²

(1. Dong Ganqu Management Department of Beijing South-to-North Water persion, Beijing 100176, China;2. Beijing Water Science and Technology Institute, Beijing 100048, China)

Abstract: The Dong Ganqu Project of Beijing south to North Water persion Project is a large-scale water conveyance tunnel project. Steel pipes, butterfly valves, expansion joints and other equipment are used at the water persion outlet. In order to avoid the damage of pipeline equipment caused by abnormal deformation, the concentricity and coaxiality of five typical pipeline equipment are tested and evaluated, and the stress release is compared before and after. Laser tracker is used to sample the coordinate data of the outer surface of pipeline equipment. The special software is used to fit the three-dimensional graphics, calculate the fitting axis deviation angle and deviation data of each pipe section, and evaluate the concentricity and coaxiality according to the relevant specifications. The test results show that the test evaluation method is feasible, and the concentricity of five pipeline equipment is improved after stress release, so it is necessary to carry out the test and evaluation of pipeline stress release and concentricity regularly.

Key words: Large Pipeline ; Laser Tracker; Concentricity; Coaxiality; Detection

背景

北京市平原区存在局部较严重地面沉降，易造成次生灾害。北京市南水北调东干渠工程位于平原区东部沉降区边缘，易受地面沉降影响导致次生破坏。为保障工程运行安全，北京市南水北调东干渠管理处选择5处代表性分水口管道设备，委托北京市水科学技术研究院开展了同心度、同轴度检测评价、伸缩节应力释放前后对比分析。

同心度、同轴度指标是评价相邻管道、设备是否存在偏移的指标，可间接评估管道设备的变形程度。经纬仪、水准仪等仪器是检测管道同心度、同轴度的常规仪器^[1]，多用于施工期测量，近年同轴度三坐标法^[2]、测微准直望远镜^[3]等检测方法逐渐得到广泛应用，多用于机械加工、中小型设备测量。通过调研，本次选用激光跟踪仪检测技术开展大口径管道设备同心度检测，并参照相关标准规范进行评价。

2019年11月首先选择19处检修井中的管道、蝶阀、伸缩节等进行了第一次同心度检测评价，其中5处存在较明显变形。因此，2020年10月对以上5处的伸缩节进行了应力释放，随后于11月进行了第二次同心度检测评价，并与2019年检测结果进行了对比分析。

1 检测技术现状

同心度评价圆柱相邻截面圆心的偏移程度；同轴度评价圆柱轴线与相邻圆柱轴线的偏差程度。吉勇等^[4]采用倒垂线法对超高大直径竖井井管钢衬同轴度进行了测量，顺利完成了竖井钢衬的安装。陈生建^[5]介绍了三坐标测量同轴度的方法。刘红、张云江等^[6]对常用的基准法、公共轴线法、直线度等方法的同轴度检测结果进行了对比分析，得出三坐标法测量准确性高、效率高、具有很好的适用性的结论。邹秀阳等^[7]提出一种基于图像处理结果的同轴度测量方法。万稳^[8]对大尺度激光跟踪测量关键技术进行了研究。目前，激光跟踪仪作为一种高精度测量设备已开始应用于大型设备、设施的检测，但鲜见在同心度、同轴度检测方面的实际应用，同时也缺少对运行中的大型管道的同心度、同轴度检测评价方法。本文尝试采用激光跟踪仪对大型输水管道设备进行同心度与同轴度检测、评价和对比分析。

2 检测方案

2.1 测量设备

激光跟踪仪测量系统是一种高精度的大尺寸测量仪器，由激光跟踪头、控制器、计算软件、反射器及测量附件等组成，采用了激光干涉测距、光电探测、精密机械控制、现代数值计算等各种先进技术。通过建立空间坐标系，并对空间目标进行实时跟踪、测量，由专业配套软件发出测量指令和接收测量数据，经处理形成检测对象的空间三维数据。激光跟踪仪具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件测量。

本次测量采用API omnitrac2激光跟踪仪，如图1所示。空间检测精度为±15 μm+0.5 μm/m，角度精度为3.5 μm/m。

图1 API omnitrac2激光跟踪仪

2.2 坐标测量原理

激光跟踪仪配有绕两个轴转动的测角机构，形成一个完整球坐标测量系统，跟踪头发射激光束，在被测目标上安装反射器，激光在跟踪头与反射器间来回传递，测量距离并记录测量角度，通过计算获得被测目标三维坐标^[7]，如图2所示。反射器随被测目标移动，跟踪头自动调整方向，瞄准被测目标。

图2 激光跟踪仪测量原理示意图

被测目标P点的坐标为：

₍₁₎

_其中：

_{α—跟踪头水平码盘所得角度值；}

_{β—跟踪头垂直码盘所得角度值；}

_{d—跟踪头与被测目标之间的距离。}

2.3 站点、测点布设

根据东干渠工程检修井测量通视条件，在管道同侧设置2个测量站点，分别位于井底地面和高于管道的楼梯上，通过转站基点（不少于4个）建立共同坐标系，转站基点固定布设于两侧墙面且与站点通视。每个管道按轴向方向布设3条测带，测带布设在反射器人工可放置的管道顶部、底部和下侧部位，每个测带宽度不小于1m。每节管道、设备沿测带设置2-3个测区，均匀分布于设备或管道的两端及中间部位。测点在每个测区内随机设置，并保证有足够的数量和覆盖度。站点、测点布设如图3所示。

图3 站点、测点布设示意图

2.4 测量数据处理

完成测点三维数据采集后，采用专用分析软件处理测量数据，绘制各个管道、设备三维拟合模型，计算各管道、设备测值偏差、轴线角度、相邻投影断面拟合圆心坐标及偏差等。

2.5 评价标准及方法

参照《水电水利工程压力钢管制作安装及验收规范》^[1]，将钢管安装中心允许偏差（见表1）指标，作为管道设备相邻投影断面拟合圆心偏差的评价标准。

表1 钢管安装中心的允许偏差

本次检测的管道设备管径分别为DN2000、DN4200，因此选取“与伸缩节、蝶阀连接的管节”管口中心允许偏差分别为±6 mm、±10 mm，“其他部位管节”的管口中心允许偏差为±15 mm、±20 mm，作为本次评价的标准。

评价方法:1）同心度评价，将管道、设备相邻投影断面拟合圆心坐标在垂直、水平方向的偏差与以上对应的评价标准进行比较，并对超标准数量进行评估。2）同轴度评价，设定管道上游侧为起始端，管道、设备拟合轴线角度向上偏移为“+”、向下偏移为“-”，顺序连接所有拟合轴线，判断轴线差异及变化趋势，变化趋势分为上拱形、下拱形及连续起伏三类。3）通过对比两个年度同期获得的检测结果，评估2020年伸缩节应力释放效果。

3 结果分析与评价

3.1 检测评价

（1）检测结果

采用激光跟踪仪进行测量后，通过专用软件拟合管道设备的三维模型，某处管道设备2020年检测拟合三维模型见图4，该管道北侧即上游侧为起始端，管道直径为DN4200，其2019年、2020年检测计算结果见表2。

北

蝶阀

4701.7mm

法兰2

法兰6

法兰8

伸缩节

4699.1mm

钢管2

4285.6mm

钢管1

4310.6mm

钢管3

4288.3mm

图4 典型管道、设备拟合三维模型正视图

表2 典型管道、设备检测结果

（2）同心度评价

根据拟合所得的相邻断面圆心坐标偏移程度，分析管道设备同心度是否满足评价标准。2020年检测结果表明，5处管道设备中共有6个相邻断面管口中心偏差值超过评价标准允许值。

（3）同轴度评价

根据测量拟合轴线偏角，绘制管道设备拟合轴线趋势示意图（见图5），判断管道、设备轴线方向的一致性和变化趋势。2020年检测结果表明，5处管道设备中1处呈下拱形态势、4处均呈上拱形态势。

图5 典型管道设备拟合轴线趋势示意图

3.2 与2019年检测结果对比

通过将5处管道设备2020年（应力释放后）和2019年（应力释放前）的检测结果进行对比，结果表明：1）同心度评价超过评价标准的断面数量由2019年的12个减少到2020年的6个；2）管道设备轴线态势基本一致，局部管道同轴度状态有所改善。

4 结论与建议

本次采用激光跟踪仪对东干渠工程大型管道设备进行三维测量，开展同心度、同轴度评价，评价结果能够直观、量化的反映管道变形状态，具有较好的实用价值；通过应力释放前后两个年度同期检测数据对比，初步判断管道变形有所改善，通过调整伸缩节进行定期应力释放有利于改善管道应力状态。

但是限于检测次数有限，检测结果并不能反映季节性温度和年际因素影响程度，也不能反映管道设备内部应力情况，因此，为确保工程运行安全，建议：

（1）周期性开展重点管道设备同心度检测。地面沉降可能是造成东干渠工程部分管道设备非正常变形的原因，应建立地面沉降、管道设备变形共同检测体系，深入分析变形规律、趋势及影响因素。

（2）加强对重点管道设备变形的监控，加装应力应变在线监测系统，采用有限元方法构建预警指标，定期进行应力释放，变形严重时应进行维修改造。

参考文献

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