基于TRIZ 的在役管道腐蝕檢測裝置創新設計?

尚 萬，趙 武，曾 杰，李小龍

（四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

0 引言

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

在役管道腐蝕檢測多采用無損檢測技術，目前國外研發管道腐蝕檢測系統的國家主要有日本、美國等少數發達國家，他們已研制出成熟的管內智能漏磁通檢測爬行機和管內射線檢測系統［2］，其主要特點是在管道內進行檢測，檢測準確、應用廣泛，同時該裝置復雜，不適用于在役管道外腐蝕的檢測。相比而言，國內的研發起步晚，尚處于探索階段。文獻［3］提出一種管道焊縫射線全位置檢測裝置，其結構簡單緊湊，可實現管道360°全位置檢測，但該裝置不能實現沿著管道軸向移動的檢測功能，檢測效率較低。文獻［4］提出一種能實現管道軸向檢測的管道腐蝕檢測裝置，但人工干預程度大，只能針對某一種管徑的管道進行檢測，適應性較差。

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

1 發明問題解決理論（TRIZ）

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

TRIZ最初由G.S.Altshuller于1956年提出［6］，經過幾十年的發展已經形成完整的發明問題解決理論體系，其問題分析及解決體系結構如圖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新設計

2.1 在役管道腐蝕檢測原理

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

射線機發射檢測光線，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境比較復雜，對檢測裝置提出了非?？量痰囊螅翰灰嗽诠艿纼冗M行檢測，也不允許檢測裝置從管道兩端套進，只能從中間夾緊管道。當前的管道腐蝕檢測裝置主要存在的問題為：①結構復雜，裝夾不便；②人工干預程度大，自動化程度低，檢測效率低；③只能檢測某一管徑管道，適應性差。

圖2 在役管道腐蝕射線檢測原理圖

檢測裝置的創新設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行移動檢測，并對管道進行可靠地夾持。

Q2：檢測裝置能實現系列管道（Φ159mm～Φ500 mm）的檢測，并保證檢測裝置不復雜、結構緊湊。

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，但另一方面會導致夾持裝置的夾緊力不夠、可靠性降低，這就形成一對技術沖突。對應TRIZ標準工程參數，這對沖突中的改善參數為時間損失，惡化參數為可靠性。

對于Q2，要求檢測裝置實現不同管徑的管道檢測，但同時會增加裝置的復雜性，這也形成一對技術沖突。對應TRIZ標準工程參數，這對沖突中的改善參數為適應性及多用性，惡化參數為復雜性。

2.3 檢測裝置問題解決

（1）針對Q1，查詢TRIZ沖突矩陣得到發明原理10，30和4［7］，經分析這3個原理無法解決該問題。我們采用物質—場模型來分析此問題，兩種物質分別為S1（管道）和S2（檢測裝置），場為機械場，檢測裝置及場提供的功能是不完整的，其物質—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，實現管道的可靠夾持，但檢測裝置與管道很難發生相對運動，實現管道軸向移動檢測。由此可見，檢測裝置提供的場是一個可控性較差的場。查詢標準解，得到第二類標準解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個滾輪實現管道的夾持，在前后輪之間的管道上增加一個可控的驅動機構（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生相對運動。

當管道檢測裝置實施檢測時，不與管道發生相對運動，對管道進行定位夾緊；當檢測完一個位置時，驅動機構提供外力促使檢測裝置與管道之間發生相對運動，檢測裝置運動到管道的下一個檢測位置。

圖4 驅動機構

（2）針對Q2，查詢TRIZ沖突矩陣得到4個發明原理15，29，37和28。經過分析，發現發明原理15（動態化）有助于該沖突的解決。

應用發明原理15，將滾輪與檢測裝置的聯接部分改為可調機構，采用如圖5所示的可調滑塊機構，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，通過調節滑塊實現所要求的系列管道檢測。

圖5 管徑調節機構

2.4 在役管道腐蝕檢測裝置創新方案

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新方案。

檢測裝置采用兩段半圓弧鉸接而成的剖分式結構和螺旋夾緊機構實現快速夾緊和拆卸；采用8輪夾持機構以及驅動機構實現檢測裝置對管道的定位夾持，并能沿著管道軸向移動，實現自動檢測；調節與輪子聯接的滑塊機構以實現不同管徑的夾持檢測。

圖6 在役管道腐蝕射線檢測裝置創新方案

3 結論

運用TRIZ方法對在役管道腐蝕射線檢測裝置存在的問題進行了分析，設計了一種新型的在役管道腐蝕射線檢測裝置，采用可調滑塊結構實現不同管徑的夾持檢測，適應性良好；檢測裝置沿著管道移動并自動控制檢測，提高了檢測質量和檢測效率。該檢測裝置結構簡單緊湊，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新設計［J］.機械制造，2013，51（4）：64－66.

［5］李彥，李文強.創新設計方法［M］.北京：科學出版社，2013.

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

［7］檀潤華.TRIZ及應用：技術創新過程與方法［M］.北京：高等教育出版社，2010.