摘要：采用工业三坐标测量系统，在压力钢管合拢缝焊接过程中首次对座环变位进行实时监测。本文着重介绍对监测过程的实现及数据分析处理过程。
关键词：三峡工程 合拢焊缝 工业三坐标测量系统 监测
1. 概述
三峡工程4#机压力钢管在设计形式上取消了伸缩节，其下平段凑合节与下游钢管之间的最后一道环缝即合拢焊缝是在强约束条件下施焊，高强度大厚板压力钢管在强约束条件下施焊，会产生很大的焊接应力和变形。为了保证机组安装质量，三峡总公司厂坝（综）[2001]第109号文要求：在合拢缝施焊过程中，座环变位不应超出±1.0mm的允许范围。为了考察环缝焊接收缩时，是否会因焊接应力的影响，对座环产生较大的拉动作用，使座环变位，造成机组中心出现较大的偏差。受业主委托，组成检测组，对4#机压力钢管下平段合拢缝焊接全过程中对座环进行实时监测。
监测采用工业三坐标测量系统TCA2003（瑞士Leica），测量系统由主机、便携电脑、测量目标（反射片或棱镜）、数据线等四部分构成。测量精度：测角0.5″；测距近距离（100m内）优于0.5mm。
测量系统主机通过对测量目标的测量得到测量目标所在点的三维坐标（即测量数据），电脑通过采集测量数据，进行坐标系的生成与转换，最后通过分析计算得到所需的测量结果。
工业三坐标测量系统是通过建立几何模型将检测项目转化成空间点、线、面的相互关系，确定测量点的数量及其布置位置，进而根据采集的数据按照已建立的几何模型进行分析计算，得到测量结果。
2. 监测过程
2.1 坐标系：
以机组轴线为坐标系的X轴且正方向指向左岸，以上下游方向为Y轴且正方向指向上游，Z轴为铅垂方向且正方向向上，坐标原点位于厂房4#机上游墙面消防栓部位。
2.2 监测点：
在座环上环面布置四个监测点P1、P2、P3、P4，并将其固定，监测点位置及点号如图1所示。
图1 监测点布置示意图
2.3 监测时间：
2001年11月17日（合拢缝焊接前）对4#机座环上环板的圆度进行了检测。
2001年11月22日21:00至12月2日15:00，即开始焊接前进行的第一次测量（座环变位监测的初始值）至焊接完毕(焊缝温度冷却至环境温度)后进行的最后一次测量。
2001年11月22日23:00起，每间隔4小时测量一次。
2001年12月2日下午（合拢缝冷至环境温度）对4#机座环上环板的圆度进行了检测。
2.4 测量结果准确性的保证措施：
（1）将测量主机固定在特制的并与基础焊牢的金属支架上（取代原木支架），以保证在整个监测过程中所有监测数据在同一测站内；在厂房的上下游墙壁上布置5个公共测点，每次对监测点P1、P2、P3、P4进行测量时，同时对5个公共测点也进行测量，通过比较5个公共测点相对于其原始值变化情况以核查全站仪的测站是否发生变化。
（2）测量时根据白天、夜晚温度变化的实际情况来调整仪器的温度修正值以减小温度对测量系统产生的误差。
（3）对监测点及公共测点进行双面测量以减小系统的轴系误差，对每个监测点还进行3次循环测量取其平均值以减小视觉偶然误差。
2.5 监测数据的记录与保存：
（1）对所有监测点采用统一的数据记录格式，在便携式电脑中对原始测量数据备份保存。
（2）每次测量完毕，及时将测量数据手工输入《压力钢管下平段合拢缝焊接过程中座环变位监测记录表》。
3. 几何模型及数据处理
3.1 座环圆度：
在座环上环板的端面上均匀布置了16个测量点，11月17日（合拢缝焊接前）、2001年12月2日下午（合拢缝冷至环境温度）分别对这16个测点进行了测量，对测得的两组数据分别进行圆拟合，计算出合拢缝焊接前、后座环的圆度。
3.2 座环变位：
座环上各点的三维坐标值在合拢缝焊接过程中（包括焊后焊缝温度冷却至环境温度）相对于合拢缝焊接前的变化即为座环的变位。监测过程中以座环上四个监测点的三维坐标值的变化情况，以及座环圆度在合拢缝焊接前、后的变化情况来反映座环的变位情况。四测点坐标变化量为各次测量的平均值与初始值的差值。
4. 监测结果
对4#机压力钢管下平段合拢缝焊接过程中座环变位的监测共进行了705次测量，对公共测点进行了 244次测量。
4.1 各监测点坐标初始值
表1 各监测点坐标初始值 单位：mm
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点号 |
监测点坐标初始值 |
环境温度 |
备注 | ||
|
|
Xi |
Yi |
Zi |
|
|
|
P1 |
-7479.1 |
-9112.1 |
-18211.0 |
16.5℃ |
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P2 |
-2262.4 |
-12219.2 |
-18220.1 |
|
|
|
P3 |
-1224.8 |
-18530.5 |
-18215.9 |
|
|
|
P4 |
-8282.3 |
-22615.0 |
-18217.7 |
|
|
4.2 各监测点监测结果的综合情况
表2 各监测点三维坐标变化情况 单位：mm
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点号 |
坐标轴 |
坐标变化量 |
环境温度 |
备注 | ||
|
|
|
最大值 |
最小值 |
变化范围 |
|
|
|
P1 |
X Y Z |
0.6 |
-0.4 |
-0.4～0.6 |
9.1℃～19℃ |
坐标变化量为各次测量的平均值与初始值的差值。 |
|
|
|
0.6 |
-0.5 |
-0.5～0.6 |
|
|
|
|
|
0.6 |
-0.3 |
-0.3～0.6 |
|
|
|
P2 |
X Y Z |
0.2 |
-0.4 |
-0.4～0.2 |
|
|
|
|
|
0.4 |
-0.5 |
-0.5～0.4 |
|
|
|
|
|
0.7 |
-0.3 |
-0.3～0.7 |
|
|
|
P3 |
X Y Z |
0.2 |
-0.6 |
-0.6～0.2 |
|
|
|
|
|
0.7 |
-0.5 |
-0.5～0.7 |
|
|
|
|
|
0.8 |
-0.2 |
-0.2～0.8 |
|
|
|
P4 |
X Y Z |
0.5 |
-0.3 |
-0.3～0.5 |
|
|
|
|
|
0.6 |
-0.5 |
-0.5～0.5 |
|
|
|
|
|
0.8 |
-0.3 |
-0.3～0.8 |
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4.3 4#机座环上环板的圆度测量结果
表3 4#机座环上环板的圆度测量数据表 单位：mm
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检测项目 |
实测结果 |
备注 | |
|
4#机座环上环板的圆度 |
合拢缝焊前 |
2.3 |
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|
合拢缝焊后 |
2.5 |
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5. 监测结论
（1）公共测点的测量数据显示，在监测全过程中公共测点的三维坐标值的变化量均在测量系统的系统误差范围之内，可以认为在监测全过程中测站的位置没有发生变化，且测量系统状态正常。
（2）通过对监测点测量数据的统计分析，可以认为：四个监测点的三维坐标值的变化量均未超出“厂坝（综）[2001]第109号文”所要求的±1.0mm的允许范围。
（3）4#机座环上环板的圆度在合拢缝焊接前、后无明显变化。
主要参考资料
[1] 实时经纬仪工业测量系统 于来法 出版社【1996年】
[2] 工业测量系统 李广云 解放军出版社 【1996年】
How to supervise the stay-ring’s displacement while penstock’s last annual interface welding
Abstract：It’s the first time that the stay-ring’s displacement is supervised in the domestic hydroelectric engineering while penstock’s last annual interface welding by industrial measurement system .the article emphasizes on how to supervise and analyze the data.
Key words：three gorges; penstock’s last annual interface weld; industrial measurement system; supervise.