3D激光测量技术在AP1000核电主泵安装中的应用

江礼昌

摘 要

激光跟踪测量系统是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。本文首先讲解了激光跟踪测量的原理及AP1000主泵基本情况，并通过激光跟踪仪的3D激光测量技术，提高了主泵安装的对接精度。

【关键词】激光跟踪仪 3D激光测量 AP1000核电主泵

1 激光跟踪仪简介

激光跟踪测量系统它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术、对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简单等特点，适合大尺寸工件配装测量。激光跟踪测量系统由激光跟踪头（跟踪仪）、控制器、用户计算机、反射器（靶球）及测量附件等组成。工作基本原理是在目标点上安置靶球，跟踪头发出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标，同时返回光束为监测系统所接收，用来测算目标的空间位置。简单的说，激光跟踪测量系统所要解决的问题是静态或动态跟踪一个在空间中运动的点，同时确定目标点的空间坐标。如图1所示。

2 AP1000核电主泵概况

AP1000核电是西屋公司开发的一种双环路1000MW的压水堆核电机组，其主要特点是采用非能动的安全系统，安全相关系统和部件大幅减少，反应堆冷却系统为二环路设计，每个环路通过冷却剂管道联接有一台大容量蒸汽发生器和两台密封式的冷却剂泵。

AP1000主泵本体是连接蒸汽发生器和主管道冷段的重要设备，用于驱动带有放射性的高温高压冷却剂，使其以大的流量形成强迫循环。冷却剂流经堆芯把核燃料裂变反应产生的热量传送至蒸汽发生器。需要3D激光测量进行控制主泵的安装，其中主泵与吸入适配器的安装对接间隙小，难度较大。

3 测量仪器及环境要求

现场采用的是API激光跟踪仪，T3-40型号，绝对测距精度：15? m（10米之内），1.5 ppm （10米之外）。激光跟踪仪在现场进行所有必要的连接，包括控制器及网络电缆、环境传感器、电源电缆等，启动仪器进入预热状态，预热完成后，按照系统手册进行启动检查，具备测量条件后进行角度/精度确认，确认结果通过，则允许开始测量工作，如果不通过，需要进行一次自我补偿，补偿完成且角度/精度确认结果通过后方可开始测量工作。

4 主泵安装3D激光测量

4.1 蒸发器泵壳及吸入适配器3D激光建模测量

主泵主要是与蒸发器泵壳内吸入适配器进行对接安装，因此在主泵安装前应先期完成吸入适配器的安装测量：

4.1.1 吸入适配器本体测量建模

激光跟踪仪完成自检并测量控制点进行定位后对适配器本体进行相关数据采集。使用带销靶座的靶球测量顶部法兰端面圆点拟合圆心、底面外圆点拟合圆心及底部平面，设立X、Y、Z适配器坐标系。

4.1.2 蒸发器泵壳测量

在蒸发器房间内布置测量仪器平台及测量控制点，在合理位置架设激光跟踪仪并对泵壳进行数据采集，测量泵壳底部螺栓孔，每個螺栓孔测量5个点拟合螺栓孔中心，以螺栓孔中心拟合泵壳圆周中心，并以螺栓孔中心点拟合泵壳底部平面，设立当前泵壳X、Y、Z坐标系。

4.1.3 吸入适配器安装测量

将泵壳底部圆创建的坐标系设为当前坐标系，在适配器安装过程中采集适配器顶部法兰圆点，将拟合的中心点与泵壳底部圆周中心点进行同轴度比较，将适配器同轴度控制在1mm以内，不平行度控制在1.5mm以内，完成适配器的安装。

4.1.4 适配器安装后复测

吸入适配器安装完成后，使用激光跟踪仪测量适配器底部圆周点拟合底部圆中心；使用靶球测量泵壳内圆柱3个点环，拟合泵壳内圆柱体；测量泵壳螺栓孔，每个螺栓孔测量5个点拟合螺栓孔中心，用螺栓孔中心拟合泵壳法兰面中心及法兰平面，以拟合的泵壳圆柱底部外圆圆心为原点，创建坐标系，得出吸入适配器安装后的实际空间模型，为主泵的安装提供数据依据。

4.2 主泵本体3D激光建模测量

（1）主泵运至安装现场后，吊入蒸汽发生器房间，并垂直放置于主泵小车上，在主泵周围墙体上焊接2～3个测量平台，平台保证能测量到需要测量到的大部位位置。在主泵实际安装过程中面向测量平台的一面上布设8～10个控制点，进行编号并测量。

（2）主泵叶轮圆周、扩散器圆周、主泵本体上的控制点、主泵法兰面与泵壳接触面、主泵法兰面圆周，热屏面圆柱体3个点环，采集数据点。

（3）测量叶轮圆周、扩散器圆周、主泵法兰面与泵壳接触面、主泵法兰面圆周、热屏面圆柱体，在本站无法测量剩余位置时，将激光跟踪仪转站。

（4）在测量主泵本体上预计可在实际安装中面向激光跟踪仪的方向布设控制点并测量。测量检查点，保存数据。

4.3 主泵顶升安装过程中监测

（1）主泵安装蒸发器泵壳的对接精度设计要求为：主泵就位间隙误差控制在约0.6mm内，主泵平行度控制在约1.5mm内。

（2）通过测量主泵上的控制点将主泵模型定位到泵壳所在的模型中（即现场实际位置），以计算泵壳法兰与主泵法兰的平行度、热屏面的间隙及旋转角度；如果不合格，通过调整小车，使主泵热屏间隙及主泵法兰与泵壳法兰水平度控制在要求限差内。

（3）主泵顶升至主泵法兰面与泵壳法兰面固定距离后，分别测量主泵上控制点，插入主泵模型，进行第2步检验至合格位置，主泵顶升到最终位置后，测量主泵上的控制点，插入主泵模型，检查主泵最终安装位置。

5 结语

通过3D激光测量技术，极大地提高了主泵在顶升安装过程中的对接精度，只要前期准备充分、过程中遵守测量程序能有效地将主泵安装对接的精度控制在0.1mm级精度范围内。随着测量仪器设备及技术的发展，3D激光测量技术也将在核电设备安装及其他高精度设备安装中有着更广泛的应用。

参考文献

[1]张博，彭军.激光跟踪测量系统[J].计测技术，2006（04）：5-6+41.

[2]于成浩，柯明，赵振唐.提高激光跟踪仪测量精度的措施[J].测绘科学，2007（02）：54-56+178.

作者单位

国核工程有限公司 上海市 200233endprint