测量反应堆中两个水平管口中心间的水平间距的方法

摘要

本发明涉及核电站的建造领域。为提高测量精度，降低测量成本，本发明提出一种测量反应堆中两个水平管口中心间的水平间距的方法，确定全站仪的初始架设点、后视点及全站仪能够直接对水平管口的外缘进行测量的安置站点，在水平面内建立平面直角坐标系，确定测量基准边；对后视点上的棱镜进行测量，记录测量结果；瞄准第一水平管口的外缘，测出其两个经过安置站点的外缘切线与基准边之间的水平夹角，计算出第一水平管口中心的坐标；同理，测量并计算出第二水平管口中心的坐标；检验全站仪的位置在测量过程中是否发生变动，变动则需重新测量；未变动则计算出两个水平管口中心间的水平间距。该方法附加设备投入少，工作量小，成本低，精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及核电站的建造领域，尤其涉及对核电站反应堆中两个水平管口 的中心之间的水平间距进行测量的方法。

背景技术

如图1所示，核电站反应堆中的冷却剂系统包括热段管道1、蒸汽发生器2、 40°弯头管3，过渡管道4、主冷却剂泵5和冷段管道（图中未示出）。其中，过 渡管道4包括调节段41和固定段42。热段管道1与蒸汽发生器2的入口焊接连 接，蒸汽发生器2的出口通过40°弯头管3与过渡管道4中的固定段42焊接连 接，过渡管道4中的调节段41与主冷却剂泵5的入水口51通过焊接连接，冷 段管道与主冷却剂泵5的出水口52通过焊接连接，形成冷却剂系统的一个回路。

由于过渡管道4中的调节段41在制造时留有多余切除量，故实际安装过程 中在将蒸汽发生器2和主冷却剂泵5安装定位后，先切除调节段41上的多余部 分，再进行安装并焊接连接。具体操作如下，先测量出40°弯头管3下端的水平 管口的中心与主冷却剂泵5入水口51下端的水平管口的中心之间的水平间距A， 并根据固定段42的两端管口之间的水平间距G，确定调节段41上的切除量使 切割后的调节段41的两端管口的中心之间的水平间距F=A-G。另外，在切割时 应在调节段41上保留有一个焊口焊接收缩量，以避免实际焊接完成后，过渡管 道两端管口的中心之间的水平间距小于40°弯头管下端的水平管口的中心与主 冷剂机泵入水口下端的水平管口的中心之间的间距。

目前，常采用如图2所示的测量方法测量40°弯头管3下端的水平管口的中 心与主冷却剂泵5的入水口51下端的水平管口的中心之间的水平间距A。具体 步骤如下：

第一步，根据工程设计中给出主设备安装测量用控制网布置图在安装主设 备的一、二环路房间中测设该控制网中的基准点，并在测设的基准点上设置标 志。这里的主设备指的是反应堆压力容器、蒸汽发生器和主冷却剂泵三大设备。

第二步，找出40°弯头管3下端的水平管口的中心和主冷却剂泵5的入水口 51下端水平管口的中心在地面上的投影点Z₁和Z₂：

由于40°弯头管3下端的水平管口和主冷却剂泵5的入水口51均悬空在距 离地面3-4m处，无法直接对二者的中心进行测量，故先分别在40°弯头管3下 端的水平管口和主冷却剂泵5的入水口51下端的水平管口处安装定心器，并利 用悬挂在该定心器上的垂球得出40°弯头管3下端的水平管口的中心O在地面上 的投影点Z₁和主冷却剂泵5的入水口51下端的水平管口的中心O′在地面上的 投影点Z₂。

第三步，确定测量用全站仪的安置站点：

在控制网中位于主冷却剂泵5的泵壳中心线上的基准点S₂上安置全站仪， 使全站仪的中心与该基准点S₂的中心位于同一条竖直线上。由于位于基准点S₂上的全站仪无法直接对Z₁和Z₂两点进行测量（不通视），故利用位于基准点S₂上的全站仪测量出一个站点N作为全站仪的安置站点，且位于安置站点N上的 全站仪Q能够直接对Z₁和Z₂两点进行测量。

第四步，在安置站点N上安置全站仪Q，并分别在位于蒸汽发生器2壳体 中心线上的基准点S₁、投影点Z₁和Z₂上安置棱镜L₁、L₂、L₃，以基准点S₁作 为全站仪的后视点，并在水平面内建立以安置站点N为原点，以正北方向为纵 轴X轴的正方向的平面直角坐标系。该平面直角坐标系为测量坐标系，以南北 方向的纵轴为X轴，自原点向北为正，向南为负，以东西方向的横轴为Y轴， 自原点向东为正，向西为负；以北东为第一象限，且四个象限按顺时针方向编 号。

第五步，测量并计算出40°弯头管3下端水平管口的中心O与主冷却剂泵5 的入水口51下端的水平管口的中心O′之间的水平间距A：

通过位于安置站点N上的全站仪Q对投影点Z₁和Z₂进行测量，得出投影 点Z₁和Z₂的在步骤四中建立的平面直角坐标系中的实际坐标Z₁（X₁，Y₁）和 Z₂（X₂，Y₂）。利用公式计算出40°弯头管3下端的水平管 口的中心O与主冷却剂泵5的入水口51下端的水平管口的中心O′之间的水平间 距A。

这种测量方法存在如下问题：

1、在确定40°弯头管3下端的水平管口的中心和主冷却剂泵5的入水口51 下端的水平管口的中心在地面上的投影点的位置时，由于40°弯头管3下端的水 平管口的中心O和主冷却剂泵5的入水口51下端的水平管口的中心O′的位置是 未知的，需使用定心器配合垂球才能得到二者在地面上的投影点。这样，在进 行测量时，需先安装加工制作或者购买得到定心器，增加了测量工作量，且加 工制作或购买定心器均导致测量成本增加；使用垂球确定40°弯头管3下端的水 平管口的中心点和主冷却剂泵5的入水口51下端的水平管口的中心点在地面上 的投影点时，投点不稳定，且精度差。

2、在对投影点Z₁和Z₂进行测量时，需在该两点上安装棱镜，也增加了工 作量、人员和附加设备的投入，还增加了测量误差来源，降低了测量精度。

综上可见，采用现有技术测量反应堆中的两个水平管口的中心之间的水平 间距时，使用的附加设备多，工作量大，测量成本高且测量精度差。

发明内容

为提高测量精度，降低测量成本，本发明提出一种测量反应堆中两个水平 管口中心间的水平间距的方法，该方法包括如下步骤：

第一步、根据工程设计中给出的安装测量用控制网布置图在所述反应堆中 测设所述控制网中的基准点，任选两个所述基准点作为全站仪的初始架设点和 测量用的全站仪的后视点，并在所述后视点上安装棱镜；

第二步、在所述初始架设点上架设全站仪，

当所述全站仪能够直接对所述两个水平管口的外缘进行观测时，所述初始 架设点即为所述全站仪的安置站点；

当所述全站仪不能够直接对所述两个水平管口的外缘进行观测时，测设所 述控制网中的一个基准点或加密基准点为所述全站仪的安置站点，并将所述全 站仪移至所述安置站点上，使该全站仪能够直接对所述两个水平管口的外缘进 行观测；

在水平面内建立平面直角坐标系，并根据所述安置站点所在的位置得出该 安置站点在所述平面坐标系中的坐标（X_N，Y_N）;在所述平面直角坐标系内设定 测量用基准边，该基准边为所述控制网中任意两个基准点之间的连线或者为所 述平面直角坐标系的纵轴、横轴；

第三步、先用所述全站仪对位于所述后视点上的棱镜进行测量，并记录该 棱镜与所述全站仪之间的水平间距以及该棱镜与所述基准边之间的水平角，得 出所述后视点在所述平面直角坐标系中的初始坐标；然后转动所述全站仪，使 该全站仪瞄准所述两个水平管口中的第一水平管口的外缘，并分别测出经过所 述安置站点并与该第一水平管口的外缘相切的两条外缘切线和所述基准边之间 的水平角，以计算得出所述两条外缘切线之间的水平夹角，并配合该第一水平 管口的外缘半径及所述基准边的坐标方位角计算出该第一水平管口的中心在所 述平面直角坐标系中的坐标；

同理，测量并计算出所述两个水平管口中的第二水平管口的中心在所述平 面直角坐标系中的坐标；

继续转动所述全站仪，再次对位于所述后视点上的棱镜进行测量，并记录 该棱镜与所述全站仪之间的水平间距以及该棱镜与所述基准边之间的水平角， 得出所述后视点在所述平面直角坐标系中的验证坐标；当所述验证坐标与所述 初始坐标之间的误差大于1mm时，视所述全站仪的位置在测量过程中发生变动， 测量结果不可靠，需重新测量；当所述验证坐标与所述初始坐标之间的误差小 于或等于1mm时，视所述全站仪的位置在测量过程中未发生变动，测量结果可 靠，计算出所述第一水平管口的中心与所述第二水平管口的中心之间的水平间 距。

采用该测量方法对反应堆中的两个水平管口的中心间的水平间距进行测量 时，不需使用定心器找出该两个水平管口的中心，减少了附加设备的投入，进 而减少了测量工作人员的工作量，减少测量耗时，降低了测量成本，并减少了 测量误差来源，提高了测量精度。另外，该测量方法还不需找出该两个水平管 口的中心在地面上的投影点，更不需在投影点上架设棱镜，进一步减少附件设 备的投入，减少测量工作量，降低测量难度，减少测量误差来源，提高测量精 度。

优选地，在建立平面直角坐标系时，以所述安置站点为原点，并以正北方 向为该平面直角坐标系的纵轴X轴的正方向。这样，可减少计算量，缩短测量 时间，进而降低测量成本。

优选地，所述初始架设点为位于与所述第二水平管口连接的主设备的壳体 中心线上的基准点，所述后视点为位于与所述第一水平管口连接的主设备的中 心线上的基准点。

优选地，所述基准边为所述安置站点和所述初始架设点之间的连线。

优选地，在架设所述全站仪或安装所述棱镜时，先架设天底仪，并对该天 底仪的基座进行调平，当该天底仪的望远镜上的十字丝与该天底仪所在的基准 点的中心重合时，从基座上取下所述天底仪的照准部并基座上换成所述全站仪 或所述棱镜。这样架设全站仪或安装棱镜，可提高全站仪、棱镜的对准精度， 进而提高测量精度。

采用本发明提出的测量反应堆中两个水平管口中心间的水平间距的方法对 核电站反应堆中的两个水平管口的中心之间的水平间距进行测量时，相对于现 有技术中的测量方法，不需使用定心器，仅需使用一套棱镜，既减少了附加设 备的投入，降低了测量成本，又减少了测量人员的操作步骤，进而减少测量误 差的来源，提高了测量精度。在建立平面直角坐标系时，以全站仪的安置站点 为原点，以正北方向为该平面直角坐标系的纵轴Y轴的正方向，既方便建立该 平面直角坐标系，又方便测量人员计算出对两个水平管口的中心在该平面直角 坐标系中的坐标。

附图说明

图1为核电站反应堆冷却剂系统中的一个回路的安装示意图；

图2为采用现有技术测量图1所示的位于蒸汽发生器出口处的弯头管下端的水 平管口的中心与主冷却剂泵入水口下端的水平管口的中心之间的水平间距的示 意图；

图3为本发明测量图1中位于蒸汽发生器出口处的弯头管下端的水平管口的中 心与主冷却剂泵入水口下端的水平管口的中心之间的水平间距的示意图；

图4为本发明中计算被测量水平管口的中心在平面直角坐标系中的坐标的原理 图，图中的水平管口为图3中弯头管下端的水平管口。

具体实施方式

下面以测量核电站反应堆冷却剂系统中的一个回路中位于蒸汽发生器出口 处的弯头管下端的水平管口的中心与主冷却剂泵入水口下端的水平管口的中心 之间的水平间距为例，结合附图3和4对本发明测量反应堆中两个水平管口的 中心之间的水平间距的方法进行详细说明。

在进行测量前，先分别对测量工具进行校准。

根据工程设计中给出的反应堆压力容器、蒸汽发生器和主冷却剂泵三大设 备的安装测量用控制网布置图在反应堆中安装有该三大设备的一、二环路房间 中测设控制网中的基准点，并在测设的基准点上设置基准标志，且该基准标志 的中心对应其所在的基准点的中心。

在控制网中的基准点中任意选出两个基准点作为全站仪的初始架设点和后 视点，并在该初始架设点上架设全站仪。优选用两个便于观测的基准点作为初 始架设点和后视点。当位于初始架设点的全站仪能够直接对反应堆中的待测量 的两个水平管口的外缘进行观测时，则该初始架设点即为全站仪的安置站点。 当位于初始架设点上的全站仪不能够直接对反应堆中待测量的两个水平管口的 外缘进行观测时，测设出控制网中的一个基准点作为全站仪的安置站点，且全 站仪位于该安置站点上时能够直接对待测量的两个水平管口的外缘进行观测。 当然，也可以以初始架设点位测站点，利用位于后视点上的棱镜配合位于初始 架设点上的全站仪对控制网中的基准点加密，测设出该控制网中的一个加密基 准点，并将该加密基准点作为全站仪的安置站点。在水平面内建立平面直角坐 标系，得出安置站点在该平面直角坐标系中的坐标（X_N，Y_N），并在该平面直角 坐标系中设定对待测量的两个水平管口的外缘进行测量时用的基准边。这样， 在使用位于安置站点上的全站仪对待测量的两个水平管口中的每一个水平管口 进行测量时，可以分别测量出经过安置站点（即位于该水平管口的外部的一点） 并与该水平管口的外缘相切的两条外缘切线与基准边之间的水平角，进而计算 出这两条外缘切线之间的水平夹角。由于圆上经过切线切点的半径与经过该切 线垂直，故可以根据直角三角形中的边角关系得出该水平管口的中心在该平面 直角坐标系中的坐标。

如图3和4所示，设定40°弯头管3下端的水平管口为第一水平管口，主 冷却剂泵5的入水口51下端的水平管口为第二水平管口。优选用位于主冷却剂 泵5的泵壳中心线上的基准点S₂作为初始架设点。由于全站仪位于该基准点S₂上时位于第二水平管口的正下方，无法直接对第二水平管口的外缘进行观测， 故利用位于基准点S₂上的全站仪测设测量用全站仪的安置站点N，并在安置站 点N上安置全站仪Q，且该全站仪Q能够直接对第一水平管口和第二水平管口 的外缘进行观测。在初始架设点或安置站点上架设全站仪时，先在初始架点或 安置站点上架设天底仪，并对该天底仪的基座进行调平，使其望远镜上的十字 丝与初始架设点或安置站点的中心重合，然后从基座上取下天底仪的照准部并 在基座上换上全站仪。优选用位于蒸汽发生器2中心线上的基准点S₁作为全站 仪的后视点，并在基准点S₁上安装棱镜L₁，用于验证全站仪Q的位置在测量过 程中是否发生变动。在将棱镜L₁安装在基准点S₁上时，先在该基准点S₁上架 设天底仪，并对该天底仪基座进行调平，使其望远镜上的十字丝与基准点S₁的 中心重合，然后从基座上取下天底仪的照准部并在基座上换上棱镜L₁。优选地， 在建立平面直角坐标系时，以安置站点N为原点，并以正北方向为该平面直角 坐标系的纵轴X轴的正方向。优选地，初始架设点即基准点S₂与安置站点N之 间的连线l_S2N作为测量用的基准边，且该基准边l_S2N的坐标方位角为β_S2。此处的 坐标方位角指的是从平面坐标系的纵轴X轴的正方向与基准边l_S2N沿顺时针方向 的夹角。当然，也可以以平面直角坐标系的纵轴或横轴作为测量用基准边。

如图3和4所示，转动位于安置站点N上的全站仪Q，使该全站仪Q瞄准 位于后视点即基准点S₁上的棱镜L₁，测量出该棱镜L₁与全站仪Q之间的水平 间距即后视点S₁与安置站点N之间的水平间距L_S1N、该棱镜L₁和全站仪Q之 间的连线即后视点S₁和安置站点N之间的连线l_S1N与基准边l_S2N之间的水平角θ， 并记录测量结果。根据基准边l_S2N的坐标方位角β_S2、连线l_S1N与基准边l_S2N之间的 水平角θ，可以计算得出后视点S₁与安置站点N之间的连线的坐标方位角β_S1， 进而计算得出后视点S1在该平面直角坐标系中的初始坐标（X_S1，Y_S1）：

β_S1=β_S2+θ；

X_S1=X_N+L_S1N×cosβ_S1；

Y_S1=Y_N+L_S1N×sinβ_S1。

继续转动全站仪Q，使该全站仪Q瞄准第一水平管口的外缘，并分别测量 出安置站点N与第一水平管口外缘上的外切点T₁、T₂之间的连线与基准边l_S2N之 间的水平角，即第一水平管口的两个经过安置站点N的外缘切线l_T1N、l_T2N与基准 边l_S2N之间的水平角α₁和α₂，并计算出外缘切线l_T1N的坐标方位角β_T1和外缘切线 l_T2N的坐标方位角β_T2，其中：

β_T1=β_S2+α₁；

β_T2=β_S2+α₂。

根据外缘切线l_T1N和l_T2N的坐标方位角β_T1和β_T2计算出第一水平管口的中心O 与安置站点N之间的连线的坐标方位角β_O，

βo=（β_T1+β_T2）/2=β_S2+（α₁+α₂）/2。

在直角三角形OT₁N和OT₂N中，边ON与边T₁N之间的夹角λ和边ON与 边T₂N之间的夹角γ相等，即γ=λ=（α₂-α₁）/2，并计算出边ON的长度为L，

L=R/sinγ；

其中，R为第一水平管口的外缘半径。

进而计算出第一水平管口的中心O在该平面直角坐标系中的坐标（Xo，Yo）， 其中：

Xo=X_N+L×cosβo；

Yo=Y_N+L×sinβo。

同理，得出第二水平管口的中心点O′的坐标（X_o′，Y_o′）。

继续转动全站仪Q，再次对位于后视点S₁上的棱镜进行测量，测量出该棱 镜L₁与全站仪Q之间的水平间距L′_S1N，该棱镜L₁和全站仪之间的连线与基准 边l_S2N之间的水平角θ′，并记录测量结果，以计算得出后视点S₁在平面直角坐标 系中的验证坐标（X′_S1，Y′_S1）。计算后视点S1的验证坐标（X′_S1，Y′_S1）与初始 坐标（X_S1，Y_S1）之间的误差ΔS₁，并判断该全站仪 的位置在测量过程中是否发生变动。当ΔS₁>1mm时，视该全站仪的位置在测量 过程中发生变动，测量结果不可靠，需重新进行测量；当ΔS₁≤1mm时，视该全 站仪的位置在测量过程中未发生变动，测量结果可靠，测量完成，并计算出第 一水平管口的中心O与第二水平管口的中心O′之间的水平间距A， $A=\sqrt{{(\mathrm{Xo}-{\mathrm{Xo}}^{\prime })}^2+{(\mathrm{Yo}-{\mathrm{Yo}}^{\prime })}^2}.$

最后，对本发明测量反应堆中两个水平管口中心之间的水平间距的方法的 测量精度进行验证。

当选用测角精度为0.5″、测距精度为1+1ppm（百万分之一，即每公里有1 毫米的误差）的TCA2003全站仪，对点误差为1/200000的徕卡NL天底仪实施 上述测量方法时，综合最大误差来源为：

a、TC2003全站仪一测回的最大测角中误差ma，其中m为该 全站仪的测回中误差，且m=0.5″；

b、TC2003全站仪自身的固定误差τ：为仪器送检时的标定误差，且 τ=0.4mm；

c、仪器对中误差me，按莱卡NL天底仪的标称精度1/200000，当全站仪对 中高度为1.5m时，则全站仪利用天底仪来进行仪器对中的对中中误差 me≤±0.1mm；

由于上述误差彼此独立、不具有相关性，故由测量误差理论公式可计算出点 位中误差Mp：

$\mathrm{Mp}=\sqrt{{\mathrm{me}}^2+{[(\mathrm{ma}\times l)/\rho ]}^2+{\tau }^2}$

式中：

l为全站仪与距离该全站仪最远的被测水平管口的中心之间的间距；

ρ为弧度制中的1弧度，等于206265秒；

计算可得：Mp＝±0.41mm。

根据《工程测量规范GB50026-2007》可知，测量中通常取2倍点位中误差 作为误差的极限，也就是测量中规定的允许误差或称限差Δ_容，

Δ_容=2M_P

即Δ_容=2×0.41mm=0.82mm＜±1mm。

由上述精度分析可知，采用徕卡NL天底仪配合TC2003全站仪实施上述测 量方法能够满足核电站反应堆中冷却剂系统回路中40°弯头管下端的水平管口 与过渡管道及主冷却剂泵入水口下端的水平管口与过渡管道之间的焊口组对间 隙小于3mm的设计要求，故本发明适用于对核电站反应堆中两个水平管口的中 心之间的水平间距的测量。