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1、1三峡工程 4机压力钢管下平段拢缝焊接过程中座环变位监测摘要：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
2、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施工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） ，电脑通过软件采集测量数据，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
3、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
4、12 月 2 日 15:00，即开始焊接前进行的第一次2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、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
6、（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。
7、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点号监测点坐标初始值3环境温度备注XiYiZiP1-7479.1-9112.1-18211.016.5P2-2262.4-12219.2-18220.14P3-1224.8-18530.5-18215.9P4-8282.3-22615.0-18217.74.2 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点号坐标轴坐标变化量环境温度备注5最大值最小值变化范围P1X Y Z0.6-0.4-0.40.69.119坐标变化量为各次测量的平均值与初始值的差值。0.6-0.5-0.50.660.6-0.3-0.3
8、0.6P2X Y Z0.2-0.4-0.40.20.4-0.5-0.50.470.7-0.3-0.30.7P3X Y Z0.2-0.6-0.60.20.7-0.5-0.50.780.8-0.2-0.20.8P4X Y Z0.5-0.3-0.30.50.6-0.5-0.50.590.8-0.3-0.30.84.3 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 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合拢缝焊后2.5105. 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
9、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 测绘出版社【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-rings displacement while penstocks last annual interface weldingAbstrac
10、t：Its the first time that the stay-rings displacement is supervised in the domestic hydroelectric engineering while penstocks last annual interface welding by industrial measurement system .the article emphasizes on how to supervise and analyze the data.Key words： three gorges; penstocks last annual interface weld; industrial measurement system; supervise.
