基于TRIZ 的在役管道腐蚀检测装置创新设计❋

2015-12-31李小龙

机械工程与自动化 2015年1期

尚万，赵武，曾杰，李小龙

（四川大学制造科学与工程学院，四川成都 610065）

0 引言

在役油气输送管道受蚀后管壁易产生裂缝，造成泄漏，一旦发生泄漏事故，将会造成极大的资源损失和环境污染，严重威胁着人民的生命财产安全。我国铺设的在役石油天然气输送管道总长度已达9.3万公里，管道服役时间长、老化现象凸显，为了保障管道的安全运行，延长其使用寿命，应定期对其进行检测［1］。

在役管道腐蚀检测多采用无损检测技术，目前国外研发管道腐蚀检测系统的国家主要有日本、美国等少数发达国家，他们已研制出成熟的管内智能漏磁通检测爬行机和管内射线检测系统［2］，其主要特点是在管道内进行检测，检测准确、应用广泛，同时该装置复杂，不适用于在役管道外腐蚀的检测。相比而言，国内的研发起步晚，尚处于探索阶段。文献［3］提出一种管道焊缝射线全位置检测装置，其结构简单紧凑，可实现管道360°全位置检测，但该装置不能实现沿着管道轴向移动的检测功能，检测效率较低。文献［4］提出一种能实现管道轴向检测的管道腐蚀检测装置，但人工干预程度大，只能针对某一种管径的管道进行检测，适应性较差。

针对现有检测装置的不足，以提高在役管道腐蚀检测装置的检测效率、可靠性以及适应性为创新目的，用TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）来引导设计，我们设计了一种新型有效的在役管道腐蚀射线检测装置。

1 发明问题解决理论（TRIZ）

在设计中应用创新方法将有助于设计者高效、创新地解决问题。课题组提出一种创新策略［5］，将创新设计分成面向问题、面向目的、面向产品和面向载体4类，并根据不同的类型，采用不同的创新策略实现创新。这些创新类型中面向问题的创新是最常见的，其策略是解决最小化问题，解决系统中的冲突，对系统进行改进创新。由于发明问题解决理论TRIZ是以已有系统为主要研究对象，比较适合这类型的创新设计。

TRIZ最初由G.S.Altshuller于1956年提出［6］，经过几十年的发展已经形成完整的发明问题解决理论体系，其问题分析及解决体系结构如图1所示。TRIZ体系包含分析问题及解决问题两部分，针对不同的问题采用相应的工具来分析解决。

图1 TRIZ问题分析及解决体系

2 管道腐蚀检测装置创新设计

2.1 在役管道腐蚀检测原理

我国在役管道大都铺设在野外且都埋在地下，其底部最容易发生腐蚀，对于在役运输管道发生的腐蚀采用射线检测技术，其检测原理如图2所示。

射线机发射检测光线，穿透管道待检测部分，然后被探测平板接收，通过对接收射线的情况进行分析处理，便可以判断管道是否存在腐蚀以及腐蚀的位置、程度。

2.2 检测装置问题分析

由于在役管道所处的环境比较复杂，对检测装置提出了非常苛刻的要求：不宜在管道内进行检测，也不允许检测装置从管道两端套进，只能从中间夹紧管道。当前的管道腐蚀检测装置主要存在的问题为：①结构复杂，装夹不便；②人工干预程度大，自动化程度低，检测效率低；③只能检测某一管径管道，适应性差。

图2 在役管道腐蚀射线检测原理图

检测装置的创新设计必须解决上述问题，对于上述问题我们分析归纳为以下两个问题：

Q1：提高检测效率，要求检测装置能沿着管道轴向进行移动检测，并对管道进行可靠地夹持。

Q2：检测装置能实现系列管道（Φ159mm～Φ500 mm）的检测，并保证检测装置不复杂、结构紧凑。

对于Q1，要求检测装置沿着管道轴向移动检测以提高检测效率，但另一方面会导致夹持装置的夹紧力不够、可靠性降低，这就形成一对技术冲突。对应TRIZ标准工程参数，这对冲突中的改善参数为时间损失，恶化参数为可靠性。

对于Q2，要求检测装置实现不同管径的管道检测，但同时会增加装置的复杂性，这也形成一对技术冲突。对应TRIZ标准工程参数，这对冲突中的改善参数为适应性及多用性，恶化参数为复杂性。

2.3 检测装置问题解决

（1）针对Q1，查询TRIZ冲突矩阵得到发明原理10，30和4［7］，经分析这3个原理无法解决该问题。我们采用物质—场模型来分析此问题，两种物质分别为S1（管道）和S2（检测装置），场为机械场，检测装置及场提供的功能是不完整的，其物质—场模型描述如图3所示。

图3 管道与检测装置物－场模型

检测装置要求对管道有足够的夹持力，实现管道的可靠夹持，但检测装置与管道很难发生相对运动，实现管道轴向移动检测。由此可见，检测装置提供的场是一个可控性较差的场。查询标准解，得到第二类标准解No.16，即增加一个易控制的场，因此在检测装置和管道之间增加一个可控的外力，即在检测装置前后分别采用4个滚轮实现管道的夹持，在前后轮之间的管道上增加一个可控的驱动机构（如图4所示），在夹紧定位的同时提供外力以促使检测装置与管道之间发生相对运动。

当管道检测装置实施检测时，不与管道发生相对运动，对管道进行定位夹紧；当检测完一个位置时，驱动机构提供外力促使检测装置与管道之间发生相对运动，检测装置运动到管道的下一个检测位置。