大型構件外圓直徑測量裝置設計

賓俞華 廖金貴 李孔文 黃智剛 韋明小 陳玉梅

（1.十一冶建設集團有限責任公司，柳州 545006；2.柳州歐維姆工程有限公司，柳州 545006）

在制作高爐爐殼和大直徑管道時，上、下兩節(jié)段筒體對接前需要驗收對口尺寸。但是，由于構件的外圓直徑較大，若采用常規(guī)工具測量，如皮尺、圓弧樣板等，因精度不足，易造成質(zhì)量問題。拉皮尺測量的方法操作簡單且攜帶方便，但是由于存在高空作業(yè)，作業(yè)環(huán)境惡劣，測量難度大。而且拉皮尺測直徑的誤差大，精度低，需分段測量求和后計算直徑，現(xiàn)場操作不便。圓弧樣板測量可直接比對外圓直徑的尺寸，但是不易攜帶和操作，測量精度有限。爐殼在制作時有大量的組對焊接，工作繁雜，驗收困難。如果沒有合適的測量裝置，易造成大量返工，影響施工進度。因此，開發(fā)一套針對大型構件外圓直徑測量的裝置（以下簡稱測量裝置）以解決這些問題很有必要。

1 工程概況

廣西梧州市某鋼鐵有限公司3×2 060 m3高爐工程3#高爐制安工程，共有高爐1 座、熱風爐3 座、重力除塵器1 座。其中，高爐爐殼最大直徑為16.772 m，單座主體質(zhì)量約700 t，爐殼最大直徑為12.380 m，每座熱風爐爐殼質(zhì)量約483.82 t。該工程的制鋼及安裝工程量共計約7 000 t，合同總額約5 000 萬元，于2022 年6 月開工，2023 年1 月完工，絕對工期為7 個月。

爐殼按照制作、組裝、安裝的流程分3 個區(qū)域完成。爐殼在分片制作滾圓時要測量外圓直徑，在組裝前要驗收對口尺寸，組裝后要復驗，然后轉運到安裝現(xiàn)場，也要在吊裝前驗收上下接口的尺寸。外殼鋼板圈中心在預裝平臺上檢查[1]。外圓對口尺寸驗收工序多，測量工作煩瑣，各工作要求配合緊密，以保證工期?；诖耍毙栝_發(fā)一套大型構件外圓直徑測量的裝置，在各工序的上下口對接、單節(jié)段組拼和制圓中輔助制作，減少工作量。

2 高爐爐殼的制作、組裝與改制

2.1 高爐爐殼的下料制圓

采用尺寸較大、較厚的板料制圓時，操作工人通過滾床將平板料經(jīng)多次反復卷制逐漸滾曲成型。一般用弦長不小于1 500 mm 的弧形樣板檢查弧線卡樣，檢測爐殼上下口，保障爐殼卷制質(zhì)量。在滾圓過程中，可改用大型構件外圓直徑測量的裝置代替弧形樣板[2]，不斷復測滾制的尺寸。通過尺寸復測的結果調(diào)整滾床的參數(shù)，制圓后再用該裝置復核成品尺寸。

下料制圓前，材料進場要進行驗收，其型號、規(guī)格、質(zhì)量、數(shù)量等應符合設計文件和國家現(xiàn)行產(chǎn)品標準要求[3]。殼體號料與開孔采用數(shù)控切割，號料時需考慮收縮余量、切割損耗等因素。焊縫坡口割制后要用樣板檢查坡口，尺寸應符合要求。

2.2 高爐爐殼的組裝

爐殼單筒節(jié)經(jīng)分片制圓，上下接口的水平度和標高應符合設計要求，并在預拼裝胎具上預拼。控制立焊縫對口錯邊量，預拼裝時先用測量裝置測量，若立縫兩側圓弧段的尺寸相差較大，需采取校正措施。若錯邊量符合要求，再用測量裝置復核對口尺寸的圓弧段，確保上下節(jié)段在T 形縫連接處對接良好。預拼成單節(jié)段筒體后，多帶預拼裝檢測前再次復核上下各節(jié)筒體的上下口尺寸。上下節(jié)段在組對時，立焊縫應錯開。確認各帶爐殼圓度、高度等項合格后，解體運往安裝現(xiàn)場。

爐帶及拼裝構件需在安裝現(xiàn)場布設爐殼及其他構件預裝胎具。爐殼運至安裝現(xiàn)場，在預裝平臺上先組裝成帶，再整帶吊裝就位。預裝后要進行驗收，運輸過程做好固定。爐殼運至現(xiàn)場，現(xiàn)場施工人員再次驗收爐殼。根據(jù)履帶吊的吊載能力將多帶爐殼進行預裝組合焊接，多帶組合焊接后驗收尺寸，做好記錄，整體吊裝就位。

2.3 爐殼非圓柱段組對改制

爐殼整體結構存在錐形變節(jié)段，如爐殼的第6 帶與第7 帶。若爐殼的上下帶之間對口的尺寸相差較大造成返工，必要時需切除對口中某一錐體節(jié)段的前端部分。改制的切除位置需準確，否則易造成節(jié)段無法使用，造成嚴重的經(jīng)濟損失。此時可用測量裝置準確測量定位切除位置，具體如圖1 所示。

3 大型構件外圓直徑測量裝置的設計原理

大型構件外圓直徑測量裝置是根據(jù)弓形幾何尺寸關系公式設計出來的，公式原理圖如圖2 所示，其中r為半徑，c為弦長，L為弧長，α為圓弧角。該原理基于同等弦長的不同直徑圓存在唯一弧長與之對應。在測量不同直徑圓時，彈簧復位式位移傳感器有唯一對應的位移值，測量數(shù)據(jù)通過中央處理器（Central Processing Unit，CPU）處理后自動推算求得弧長和直徑。

圖2 公式原理圖

大型構件外圓直徑測量裝置包括彈簧復位式位移傳感器、角支架、CPU+顯示屏和測量線等，如圖3 所示。測量裝置在設計時已提前確定角支架中兩個支腿的角度ɑ、支腿之間的測量線長度L1（也稱初弦長）。測量時，因測量線貼合外圓構件，實際操作時支腿之間的弦長L1變?yōu)長2（也稱實測弦長），此時彈簧復位式位移傳感器會被拉長并測得一個位移值S，則實際弦長L2=L1+S?；贚2、ɑ、r之間的原理關系，通過CPU 計算得出外圓構件的半徑r。測量過程只需1 次即可得出r值，同一圓弧測量多段，由該裝置匯總數(shù)據(jù)自動得到該外圓的橢圓度，進而匯總資料得出驗收結論。

圖3 大型構件外圓直徑測量裝置

4 大型構件外圓直徑測量裝置的測量過程及步驟

4.1 測量過程

測量一個大型構件的外圓直徑時，首先將該裝置放置在構件外表面上，用手按住角支架并下壓，使支腿兩端的滾輪貼緊構件外表面。需注意，支腿兩處的滑輪應盡量在同一水平面，以減少測量誤差[4]。在角支架下壓過程中，測量線貼緊被測構件的外圓面而被拉伸。由于測量線一端固定在角支架上，一端與彈簧復位式位移傳感器連接，彈簧復位式位移傳感器會被拉長而產(chǎn)生相應的位移信號，并將該位移信號傳送到CPU。CPU 根據(jù)預先設定的關系式，計算出對應的直徑值，并將結果顯示在顯示屏上。CPU 可設定多組測量數(shù)組保存的功能，而且可累計分析計算構件外圓的橢圓度并顯示出來，便于檢測人員直觀判斷被測構件的對接尺寸是否符合規(guī)范和設計要求。該測量裝置能夠準確測量大型構件的外圓直徑，并實現(xiàn)高精度的測量，具有一定的實用性和可靠性[5]。

4.2 測量步驟

（1）將弓形幾何的計算公式組轉化為編碼寫入CPU，用信號線將彈簧復位式位移傳感器與CPU+顯示屏連接。（2）從線輪中拉出測量線，經(jīng)壓緊輪、偏心輪、轉向輪、導向輪后與彈簧復位式位移傳感器一端連接固定。（3）逆向旋轉線輪，稍微收緊測量線，調(diào)整偏心輪位置緊繃測量線。（4）用多組標準構件標定該裝置，驗證裝置的測量精度，簡稱標定。（5）標定完成后，測量時壓緊輪貼緊構件外圓，測量線貼緊外圓并拉伸，彈簧復位式位移傳感器得到一個位移值S，將S值反饋到CPU，即可求出r值并顯示在顯示屏上。（6）重復步驟（5），測量多組圓直徑值，由CPU 匯總分析得出對口橢圓度數(shù)值，以判斷橢圓度是否符合施工要求。（7）對口尺寸復核完成后，根據(jù)圖紙要求的間隙在對口處添加墊片，按技術要求焊接焊縫，必要時進行探傷。

5 結語

案例工程施工難度大、工期緊、質(zhì)量要求高。為節(jié)省成本并保證工期，殼體制作、組裝、吊裝等各工序都需要緊密配合，形成流水線作業(yè)，各工序的零件尺寸檢驗要快速且準確，減少返工、返修等不必要工序，同時要避免工件的堆積影響施工場地的布置。在實際施工時，采用文章介紹的測量裝置，能夠提高效率，減少返工，簡化施工步驟，規(guī)范施工過程，為項目的施工管理提供便利。