悬挂钢尺法精密测量在水电机组设备检修中的应用

饶志欢

（大唐石泉水力发电厂，陕西 安康 725200）

在水电机组等级检修过程中，常需要对转子、定子等大尺寸的设备、设施进行精密测量，如标准A 级检修项目中的定子圆度、中心、水平和高程测量、调整，质量标准中要求定子的测量精度要求允许在0.05mm 以上，石泉水力发电厂定子铁芯外径8250mm，转子外径7691mm，常规的卡尺量程不足，铁板尺、卷尺无法满足毫米级精度要求，水准观测需要配合水准测点，且水准尺长度多在3m 左右，特殊定制的非标尺可短至1m，但显然定、转子上没有现成的水准测点，检修现场大部分区域低窄或设备带电等，无法竖立水准尺，需要一种新的、便捷的方式满足机组检修过程中的测量需求。

这里采用悬挂钢尺（以下简称悬尺测量）的方式，进行联系测量和高差计算，通过用吸铁石或其他方法固定和悬挂检定过的钢尺来替代普通水准尺，配合高精度的水准仪，不破坏设备、设施，完成了快速、准确、环境受限的测量任务，并在企业机组A 级检修，定子、转子中心线及相对高差的测量中得到了很好的应用，取得了不错的效果，也可推广用于其他类似检修项目中去。

1 悬挂钢尺法原理与应用方式

悬挂钢尺法作为一种经典的高程传递方法，已在地下室、地铁、桥梁、矿山等工程领域有了较为广泛的应用，基本能满足受限条件下精密测量的要求。其主要方法是在不利于安放常规水准尺的区域，通过悬挂钢卷尺、或钢丝绳系钢板尺等方式替代水准尺，配合水准仪读取刻度值，从而实现悬挂点与测量点高程传递和高差计算。

结合机组检修现场的情况，对于悬挂钢尺法主要有水准尺与悬尺结合，以及双悬尺的两种应用方式。

对于作为后视的已知点位于稳固且视线通透的地面上时，如水平吊放的转子，可在后视基点a 上采用常规水准尺，待测的转子中心线b 上采用悬尺的方法进行测量，其示意图如图1。

图1 水准尺与悬尺结合测量的方法

经过调平、对焦，用水准仪十字丝观测钢尺垂直、稳定不动后，分别对前视、后视进行观测，即可得到两点测值Ha、Hb，即可算出此时待测点B 点与基点A 点的高差为HB=Hb+Ha。

对于不便在基准点上布设常规水准尺，或者需要测量设备底部高差时，如在测量转子中心线与转子基座高差的测量任务中，也可采用双悬尺配合测量的方式，其原理如图2。

图2 双悬尺测量的方法

同样使用水准仪同时测量已知点Ha、待测点Hb，即可算出此时待测点b 点与基点a 点的高差为HB=Hb-Ha。

2 误差分析与处理

在机组检修实际测量和阅读文献资料可知，悬尺测量的误差主要来源于：不同测段间和基点转换的计算误差；悬挂点误动或悬尺倾斜的误差；悬尺张力及温度改正的误差等。

2.1 不同测段间和基点转换的计算误差

观测时，一般不应变换基点，宜一次观测所有待测点，但在检修现场实际观测时发现，如转子支座的导致部分测点的视线遮挡，定子内水准仪在测量其左侧、右侧和后侧的悬尺时，会因为视距太小导致无法对焦的问题等问题，也会造成误差偏大。此时，可选择对测量区域进行分段观测来减小误差，确保观测工作顺利开展。如将定子根据其铁芯的方位进行编号，将16 个测点分成4 个测段，如图3 所示。

图3 定子测点编号

在测量时，让相邻测段的观测范围有一定重合区间，可作为各测段校验和对比分析，以此消除基点不同可能导致的计算误差，如图4 所示。

图4 定子分段观测示意图

通过上述分段和校测方式，即可在一定程度上消除检修现场因各种因素导致的视距不对等、遮挡等造成的测量误差。

2.2 悬挂点误动或悬尺倾斜的影响

在观测过程中，也会遇到因悬挂点松动、悬尺倾斜造成的观测误差。应在每次观测前，检查悬挂点位置是否准确，通过水准仪十字丝观察悬尺是否稳固、垂直，或适当加大悬尺底部重物质量帮助悬尺稳定，对于精度要求高的地方，可进行2 个及以上测回，若误差超限立即重测，来减少观测误差。

2.3 悬尺拉力及温度的影响

由于悬尺、挂绳或者钢卷尺受到其本身重力、拉力及温度影响，可能存在一定程度的变形，因此需要对悬尺的拉力及温度进行计算，来判断其对观测的影响。

悬尺的其温度改正数计算公式为：温度改正数=实际测定值×悬尺及钢丝绳线膨胀系数×温度变化值。钢丝绳及钢尺的膨胀系数约为1.2×10-5m/℃，检修现场的悬尺测量多在室内开展，测量时间较短，一个测段内的温度变化不大于5℃，且钢丝绳与钢尺总长度大多不超过2m。由此可见，其最大改正数仅为0.12mm 左右，且实际测量时温度变化远低于此，故一般机组检修的悬尺测量中，可忽略不计悬尺的温度改正，但也应采取加快观测速度、避开高温/低温设备设施、适当缩短悬尺长度等方式尽量减少温度误差，但对于机组基坑及尾水管这种悬尺较长、现场温度变化大的情况时，仍应进行悬尺的温度改正。

同理，查阅文献[4][7]可知，在温度恒定的前提下，随着悬尺与下方系挂重量的增加，也会造成悬尺及挂绳产生少量形变，可通过更换钢丝绳等不易变形的系绳、减少系绳长度、尽量使用钢板尺而不是卷尺、所有测点使用同一悬尺和重物来减小和消除拉力造成的形变影响。

3 在机组检修中的实际应用

石泉水电厂4 号水轮发电机是半伞型结构，发电机只有上导轴承，推力轴承为弹性支柱式，安装在下机架上，定子机座由钢板焊接而成，为运输方便分成四瓣，采用大小瓣结构，在工地组成整圆。定子机座外径9350mm，高2380mm。

在2022 年年底的4 号机组A 级检修过程中，需要对定子、转子的中心线进行测量，若安装精度不够、磁力线有轴向分量，在没有其他限制条件的情况下，此时，转子振动会加大，可能对设备造成损害。

本次采用蔡司NI007 高精度水准仪，和钢板尺1m、0.5m 各一把，分别在定子中心线与机架上设置悬尺，采用双悬尺法对其进行测量，其结果如表1。

表1 石泉双悬尺法测量定子中心线量记录

由以上测量数据复核情况来看，最大测量误差在0.35mm，其余点误差基本在0.15mm 以内，满足本次测量任务精度的要求。

4 结语

总体而言，利用水准仪和悬挂钢尺进行高程传递和高差测量在机组检修中应用取得了较好的效果，具有精度高、受检修现场影响小的优点。但需要注意的是：悬挂钢尺的绳应该为细钢丝绳等不易变形的软绳，或直接固定钢板尺也可，否则，容易造成较大误差；若悬挂绳较长、采用钢卷尺或皮卷尺替代钢板尺、或观测温度变化大的时候，应进行温度误差补偿和张力误差补偿；此外，悬尺的刻度多为倒置的，要注意方向性，确保读数正确，计算无误。同时，为了尽可能地降低仪器观测误差，还应注意以下3 点：（1）选用经过校验的光学水准仪，最好配备光学测微尺，可有效提高观测精度，易于读数；（2）观测前检查钢尺无弯曲、油污、锈蚀，最好选用刻度达到0.5mm、厚度在1mm 以上的钢板尺，长度根据测点量程选定，检查悬挂点无滑动，可考虑在悬尺下方悬挂一定质量的重物，帮助悬尺保持垂直、静止后观测；（3）尽可能保证前后尺视距一致或相近，最好能一次性观测所有测点，如必须分段观测时，应在相邻测段间设置重叠测量区域，做好高差的比较和传递。