基于TRIZ 的在役管道腐蝕檢測裝置創(chuàng)新設(shè)計?

尚 萬，趙 武，曾 杰，李小龍

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

在役油氣輸送管道受蝕后管壁易產(chǎn)生裂縫，造成泄漏，一旦發(fā)生泄漏事故，將會造成極大的資源損失和環(huán)境污染，嚴(yán)重威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。我國鋪設(shè)的在役石油天然氣輸送管道總長度已達(dá)9.3萬公里，管道服役時間長、老化現(xiàn)象凸顯，為了保障管道的安全運行，延長其使用壽命，應(yīng)定期對其進(jìn)行檢測［1］。

在役管道腐蝕檢測多采用無損檢測技術(shù)，目前國外研發(fā)管道腐蝕檢測系統(tǒng)的國家主要有日本、美國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家，他們已研制出成熟的管內(nèi)智能漏磁通檢測爬行機(jī)和管內(nèi)射線檢測系統(tǒng)［2］，其主要特點是在管道內(nèi)進(jìn)行檢測，檢測準(zhǔn)確、應(yīng)用廣泛，同時該裝置復(fù)雜，不適用于在役管道外腐蝕的檢測。相比而言，國內(nèi)的研發(fā)起步晚，尚處于探索階段。文獻(xiàn)［3］提出一種管道焊縫射線全位置檢測裝置，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可實現(xiàn)管道360°全位置檢測，但該裝置不能實現(xiàn)沿著管道軸向移動的檢測功能，檢測效率較低。文獻(xiàn)［4］提出一種能實現(xiàn)管道軸向檢測的管道腐蝕檢測裝置，但人工干預(yù)程度大，只能針對某一種管徑的管道進(jìn)行檢測，適應(yīng)性較差。

針對現(xiàn)有檢測裝置的不足，以提高在役管道腐蝕檢測裝置的檢測效率、可靠性以及適應(yīng)性為創(chuàng)新目的，用TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）來引導(dǎo)設(shè)計，我們設(shè)計了一種新型有效的在役管道腐蝕射線檢測裝置。

1 發(fā)明問題解決理論（TRIZ）

在設(shè)計中應(yīng)用創(chuàng)新方法將有助于設(shè)計者高效、創(chuàng)新地解決問題。課題組提出一種創(chuàng)新策略［5］，將創(chuàng)新設(shè)計分成面向問題、面向目的、面向產(chǎn)品和面向載體4類，并根據(jù)不同的類型，采用不同的創(chuàng)新策略實現(xiàn)創(chuàng)新。這些創(chuàng)新類型中面向問題的創(chuàng)新是最常見的，其策略是解決最小化問題，解決系統(tǒng)中的沖突，對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。由于發(fā)明問題解決理論TRIZ是以已有系統(tǒng)為主要研究對象，比較適合這類型的創(chuàng)新設(shè)計。

TRIZ最初由G.S.Altshuller于1956年提出［6］，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)形成完整的發(fā)明問題解決理論體系，其問題分析及解決體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。TRIZ體系包含分析問題及解決問題兩部分，針對不同的問題采用相應(yīng)的工具來分析解決。

圖1 TRIZ問題分析及解決體系

2 管道腐蝕檢測裝置創(chuàng)新設(shè)計

2.1 在役管道腐蝕檢測原理

我國在役管道大都鋪設(shè)在野外且都埋在地下，其底部最容易發(fā)生腐蝕，對于在役運輸管道發(fā)生的腐蝕采用射線檢測技術(shù)，其檢測原理如圖2所示。

射線機(jī)發(fā)射檢測光線，穿透管道待檢測部分，然后被探測平板接收，通過對接收射線的情況進(jìn)行分析處理，便可以判斷管道是否存在腐蝕以及腐蝕的位置、程度。

2.2 檢測裝置問題分析

由于在役管道所處的環(huán)境比較復(fù)雜，對檢測裝置提出了非?？量痰囊螅翰灰嗽诠艿纼?nèi)進(jìn)行檢測，也不允許檢測裝置從管道兩端套進(jìn)，只能從中間夾緊管道。當(dāng)前的管道腐蝕檢測裝置主要存在的問題為：①結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝夾不便；②人工干預(yù)程度大，自動化程度低，檢測效率低；③只能檢測某一管徑管道，適應(yīng)性差。

圖2 在役管道腐蝕射線檢測原理圖

檢測裝置的創(chuàng)新設(shè)計必須解決上述問題，對于上述問題我們分析歸納為以下兩個問題：

Q1：提高檢測效率，要求檢測裝置能沿著管道軸向進(jìn)行移動檢測，并對管道進(jìn)行可靠地夾持。

Q2：檢測裝置能實現(xiàn)系列管道（Φ159mm～Φ500 mm）的檢測，并保證檢測裝置不復(fù)雜、結(jié)構(gòu)緊湊。

對于Q1，要求檢測裝置沿著管道軸向移動檢測以提高檢測效率，但另一方面會導(dǎo)致夾持裝置的夾緊力不夠、可靠性降低，這就形成一對技術(shù)沖突。對應(yīng)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，這對沖突中的改善參數(shù)為時間損失，惡化參數(shù)為可靠性。

對于Q2，要求檢測裝置實現(xiàn)不同管徑的管道檢測，但同時會增加裝置的復(fù)雜性，這也形成一對技術(shù)沖突。對應(yīng)TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，這對沖突中的改善參數(shù)為適應(yīng)性及多用性，惡化參數(shù)為復(fù)雜性。

2.3 檢測裝置問題解決

（1）針對Q1，查詢TRIZ沖突矩陣得到發(fā)明原理10，30和4［7］，經(jīng)分析這3個原理無法解決該問題。我們采用物質(zhì)—場模型來分析此問題，兩種物質(zhì)分別為S1（管道）和S2（檢測裝置），場為機(jī)械場，檢測裝置及場提供的功能是不完整的，其物質(zhì)—場模型描述如圖3所示。

圖3 管道與檢測裝置物－場模型

檢測裝置要求對管道有足夠的夾持力，實現(xiàn)管道的可靠夾持，但檢測裝置與管道很難發(fā)生相對運動，實現(xiàn)管道軸向移動檢測。由此可見，檢測裝置提供的場是一個可控性較差的場。查詢標(biāo)準(zhǔn)解，得到第二類標(biāo)準(zhǔn)解No.16，即增加一個易控制的場，因此在檢測裝置和管道之間增加一個可控的外力，即在檢測裝置前后分別采用4個滾輪實現(xiàn)管道的夾持，在前后輪之間的管道上增加一個可控的驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如圖4所示），在夾緊定位的同時提供外力以促使檢測裝置與管道之間發(fā)生相對運動。

當(dāng)管道檢測裝置實施檢測時，不與管道發(fā)生相對運動，對管道進(jìn)行定位夾緊；當(dāng)檢測完一個位置時，驅(qū)動機(jī)構(gòu)提供外力促使檢測裝置與管道之間發(fā)生相對運動，檢測裝置運動到管道的下一個檢測位置。

圖4 驅(qū)動機(jī)構(gòu)

（2）針對Q2，查詢TRIZ沖突矩陣得到4個發(fā)明原理15，29，37和28。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)明原理15（動態(tài)化）有助于該沖突的解決。

應(yīng)用發(fā)明原理15，將滾輪與檢測裝置的聯(lián)接部分改為可調(diào)機(jī)構(gòu)，采用如圖5所示的可調(diào)滑塊機(jī)構(gòu)，滑塊沿著圓弧板徑向安裝，均勻并且對稱安裝在上、下圓弧板端面，通過調(diào)節(jié)滑塊實現(xiàn)所要求的系列管道檢測。

圖5 管徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2.4 在役管道腐蝕檢測裝置創(chuàng)新方案

綜合上述2個問題的解決方法，得到如圖6所示的在役管道腐蝕射線檢測裝置創(chuàng)新方案。

檢測裝置采用兩段半圓弧鉸接而成的剖分式結(jié)構(gòu)和螺旋夾緊機(jī)構(gòu)實現(xiàn)快速夾緊和拆卸；采用8輪夾持機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)檢測裝置對管道的定位夾持，并能沿著管道軸向移動，實現(xiàn)自動檢測；調(diào)節(jié)與輪子聯(lián)接的滑塊機(jī)構(gòu)以實現(xiàn)不同管徑的夾持檢測。

圖6 在役管道腐蝕射線檢測裝置創(chuàng)新方案

3 結(jié)論

運用TRIZ方法對在役管道腐蝕射線檢測裝置存在的問題進(jìn)行了分析，設(shè)計了一種新型的在役管道腐蝕射線檢測裝置，采用可調(diào)滑塊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不同管徑的夾持檢測，適應(yīng)性良好；檢測裝置沿著管道移動并自動控制檢測，提高了檢測質(zhì)量和檢測效率。該檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，能較好地滿足管道腐蝕檢測的要求。

［1］羅剛.我國油氣管道總長度已達(dá)9.3萬千米［J］.焊管，2012，35（7）：8.

［2］Safizadeh M S，Azizzadeh T.Corrosion detection of internal pipeline using NDT optical inspection system［J］.NDT ＆ E International，2012，52：144－148.

［3］孫忠誠，崔建民.一種管道焊縫射線全位置檢測裝置：中國，CN201583510U［P］.2010－09－15.

［4］牛振宇，趙武，張永備.管道腐蝕檢測裝置的創(chuàng)新設(shè)計［J］.機(jī)械制造，2013，51（4）：64－66.

［5］李彥，李文強(qiáng).創(chuàng)新設(shè)計方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.

［6］Altshuller G S.Algorithm of invention［M］.Moscow：Moscowskiy Rabochy，1973.

［7］檀潤華.TRIZ及應(yīng)用：技術(shù)創(chuàng)新過程與方法［M］.北京：高等教育出版社，2010.