3D激光測量技術(shù)在AP1000核電主泵安裝中的應(yīng)用

江禮昌

摘 要

激光跟蹤測量系統(tǒng)是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。本文首先講解了激光跟蹤測量的原理及AP1000主泵基本情況，并通過激光跟蹤儀的3D激光測量技術(shù)，提高了主泵安裝的對接精度。

【關(guān)鍵詞】激光跟蹤儀 3D激光測量 AP1000核電主泵

1 激光跟蹤儀簡介

激光跟蹤測量系統(tǒng)它集合了激光干涉測距技術(shù)、光電探測技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計算理論等各種先進(jìn)技術(shù)、對空間運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實時測量目標(biāo)空間三維坐標(biāo)。它具有高精度、高效率、實時跟蹤測量、安裝快捷、操作簡單等特點，適合大尺寸工件配裝測量。激光跟蹤測量系統(tǒng)由激光跟蹤頭（跟蹤儀）、控制器、用戶計算機(jī)、反射器（靶球）及測量附件等組成。工作基本原理是在目標(biāo)點上安置靶球，跟蹤頭發(fā)出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)移動時，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對準(zhǔn)目標(biāo)，同時返回光束為監(jiān)測系統(tǒng)所接收，用來測算目標(biāo)的空間位置。簡單的說，激光跟蹤測量系統(tǒng)所要解決的問題是靜態(tài)或動態(tài)跟蹤一個在空間中運(yùn)動的點，同時確定目標(biāo)點的空間坐標(biāo)。如圖1所示。

2 AP1000核電主泵概況

AP1000核電是西屋公司開發(fā)的一種雙環(huán)路1000MW的壓水堆核電機(jī)組，其主要特點是采用非能動的安全系統(tǒng)，安全相關(guān)系統(tǒng)和部件大幅減少，反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)為二環(huán)路設(shè)計，每個環(huán)路通過冷卻劑管道聯(lián)接有一臺大容量蒸汽發(fā)生器和兩臺密封式的冷卻劑泵。

AP1000主泵本體是連接蒸汽發(fā)生器和主管道冷段的重要設(shè)備，用于驅(qū)動帶有放射性的高溫高壓冷卻劑，使其以大的流量形成強(qiáng)迫循環(huán)。冷卻劑流經(jīng)堆芯把核燃料裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳送至蒸汽發(fā)生器。需要3D激光測量進(jìn)行控制主泵的安裝，其中主泵與吸入適配器的安裝對接間隙小，難度較大。

3 測量儀器及環(huán)境要求

現(xiàn)場采用的是API激光跟蹤儀，T3-40型號，絕對測距精度：15? m（10米之內(nèi)），1.5 ppm （10米之外）。激光跟蹤儀在現(xiàn)場進(jìn)行所有必要的連接，包括控制器及網(wǎng)絡(luò)電纜、環(huán)境傳感器、電源電纜等，啟動儀器進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)，預(yù)熱完成后，按照系統(tǒng)手冊進(jìn)行啟動檢查，具備測量條件后進(jìn)行角度/精度確認(rèn)，確認(rèn)結(jié)果通過，則允許開始測量工作，如果不通過，需要進(jìn)行一次自我補(bǔ)償，補(bǔ)償完成且角度/精度確認(rèn)結(jié)果通過后方可開始測量工作。

4 主泵安裝3D激光測量

4.1 蒸發(fā)器泵殼及吸入適配器3D激光建模測量

主泵主要是與蒸發(fā)器泵殼內(nèi)吸入適配器進(jìn)行對接安裝，因此在主泵安裝前應(yīng)先期完成吸入適配器的安裝測量：

4.1.1 吸入適配器本體測量建模

激光跟蹤儀完成自檢并測量控制點進(jìn)行定位后對適配器本體進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集。使用帶銷靶座的靶球測量頂部法蘭端面圓點擬合圓心、底面外圓點擬合圓心及底部平面，設(shè)立X、Y、Z適配器坐標(biāo)系。

4.1.2 蒸發(fā)器泵殼測量

在蒸發(fā)器房間內(nèi)布置測量儀器平臺及測量控制點，在合理位置架設(shè)激光跟蹤儀并對泵殼進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測量泵殼底部螺栓孔，每個螺栓孔測量5個點擬合螺栓孔中心，以螺栓孔中心擬合泵殼圓周中心，并以螺栓孔中心點擬合泵殼底部平面，設(shè)立當(dāng)前泵殼X、Y、Z坐標(biāo)系。

4.1.3 吸入適配器安裝測量

將泵殼底部圓創(chuàng)建的坐標(biāo)系設(shè)為當(dāng)前坐標(biāo)系，在適配器安裝過程中采集適配器頂部法蘭圓點，將擬合的中心點與泵殼底部圓周中心點進(jìn)行同軸度比較，將適配器同軸度控制在1mm以內(nèi)，不平行度控制在1.5mm以內(nèi)，完成適配器的安裝。

4.1.4 適配器安裝后復(fù)測

吸入適配器安裝完成后，使用激光跟蹤儀測量適配器底部圓周點擬合底部圓中心；使用靶球測量泵殼內(nèi)圓柱3個點環(huán)，擬合泵殼內(nèi)圓柱體；測量泵殼螺栓孔，每個螺栓孔測量5個點擬合螺栓孔中心，用螺栓孔中心擬合泵殼法蘭面中心及法蘭平面，以擬合的泵殼圓柱底部外圓圓心為原點，創(chuàng)建坐標(biāo)系，得出吸入適配器安裝后的實際空間模型，為主泵的安裝提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4.2 主泵本體3D激光建模測量

（1）主泵運(yùn)至安裝現(xiàn)場后，吊入蒸汽發(fā)生器房間，并垂直放置于主泵小車上，在主泵周圍墻體上焊接2～3個測量平臺，平臺保證能測量到需要測量到的大部位位置。在主泵實際安裝過程中面向測量平臺的一面上布設(shè)8～10個控制點，進(jìn)行編號并測量。

（2）主泵葉輪圓周、擴(kuò)散器圓周、主泵本體上的控制點、主泵法蘭面與泵殼接觸面、主泵法蘭面圓周，熱屏面圓柱體3個點環(huán)，采集數(shù)據(jù)點。

（3）測量葉輪圓周、擴(kuò)散器圓周、主泵法蘭面與泵殼接觸面、主泵法蘭面圓周、熱屏面圓柱體，在本站無法測量剩余位置時，將激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站。

（4）在測量主泵本體上預(yù)計可在實際安裝中面向激光跟蹤儀的方向布設(shè)控制點并測量。測量檢查點，保存數(shù)據(jù)。

4.3 主泵頂升安裝過程中監(jiān)測

（1）主泵安裝蒸發(fā)器泵殼的對接精度設(shè)計要求為：主泵就位間隙誤差控制在約0.6mm內(nèi)，主泵平行度控制在約1.5mm內(nèi)。

（2）通過測量主泵上的控制點將主泵模型定位到泵殼所在的模型中（即現(xiàn)場實際位置），以計算泵殼法蘭與主泵法蘭的平行度、熱屏面的間隙及旋轉(zhuǎn)角度；如果不合格，通過調(diào)整小車，使主泵熱屏間隙及主泵法蘭與泵殼法蘭水平度控制在要求限差內(nèi)。

（3）主泵頂升至主泵法蘭面與泵殼法蘭面固定距離后，分別測量主泵上控制點，插入主泵模型，進(jìn)行第2步檢驗至合格位置，主泵頂升到最終位置后，測量主泵上的控制點，插入主泵模型，檢查主泵最終安裝位置。

5 結(jié)語

通過3D激光測量技術(shù)，極大地提高了主泵在頂升安裝過程中的對接精度，只要前期準(zhǔn)備充分、過程中遵守測量程序能有效地將主泵安裝對接的精度控制在0.1mm級精度范圍內(nèi)。隨著測量儀器設(shè)備及技術(shù)的發(fā)展，3D激光測量技術(shù)也將在核電設(shè)備安裝及其他高精度設(shè)備安裝中有著更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]張博，彭軍.激光跟蹤測量系統(tǒng)[J].計測技術(shù)，2006（04）：5-6+41.

[2]于成浩，柯明，趙振唐.提高激光跟蹤儀測量精度的措施[J].測繪科學(xué)，2007（02）：54-56+178.

作者單位

國核工程有限公司 上海市 200233endprint