基于TRIZ理論的帶壓開孔裝置加長桿設計

崔嘉 李昆 周健 王健 王帥 母明

【摘要】帶壓開孔設備加長桿裝置是應用在地下鋼質管道開孔時，在進刀行程量不能滿足閥門結構尺寸需求時的一種輔助工具。該裝置在實現與帶壓開孔設備緊密結合的同時，滿足了目前市場上所有成型球閥的結構尺寸要求。

【關鍵詞】 鋼質管道 ? 帶壓開孔 ? 結構尺寸 ? 加長桿

0 引言

當前，國家“一帶一路”的戰略開發，天然氣、原油和自來水等能源在國民經濟中的比重越來越高，管道、場站建設逐步形成縱、橫、環、網的格局，城市民用、工業用燃氣、水管網日趨完善，隨著能源勘探、開發的不斷深入，天然氣長輸管道及站場的大量投運[1]。為滿足市場供應需求，目前，在管道和容器的運營管理過程中，大量采用放空能源的方式實現管道和容器的建設、維修和開發。自上世紀八十年代從美國引進的帶壓開孔技術受國內閥門（球閥和閘閥）結構尺寸制約，僅僅在部分天然氣和原油的單一“生命線”上得以運用，設備使用效率低。因此，采用更為先進的帶壓開孔技術實現管網開發和改造尤為重要。解決帶壓開孔作業過程中的技術關鍵點，使其適應更為廣泛的市場使用空間。本文以TDW T101B型帶壓開孔機為例展開闡述。

1 TDW T101B型帶壓開孔機的基本工作原理

TDW T101B型帶壓開孔機屬氣驅、手動一體的鋼質管道帶壓開孔設備[2]。由于管內介質存在壓力，整個開孔作業過程需要制造成密閉受壓空間，使用惰性氣體按照管內運行壓力填充該密閉空間，造成管內外無壓差，使得開孔刀具能實現順利進刀。

2 ?TDW T101B型帶壓開孔機受閥門結構尺寸制約的原因分析

TDW T101B型帶壓開孔機的設計進刀量程為500mm，而埋地球閥成品件因有平衡、放空等連接附件，其結構尺寸達到800mm，即便不考慮管道本身圓周弧度和開孔機中心鉆與刀具尺寸差等，也不能滿足對進刀量程的需求;而采用結構尺寸較短的閘閥，因在管道母材與閥門之間需要建立壓力密封倉，中間加裝的管道、法蘭與閥門本體尺寸和管道本身圓周弧度和開孔機中心鉆與刀具尺寸差之和往往也大于500mm。

3 TRIZ理論IFR方法推導

帶壓開孔系統由管道、閥門及帶壓開孔設備組成，系統的功能是建立氣體流動分支通道。存在的問題是刀具無法在管道上進行開孔作業和卡刀后無法實現自由退刀，限制條件為：帶壓開孔設備自身進刀桿行程不能滿足閥門結構尺寸要求。帶壓開孔裝置設計的最終目標是無需進行帶壓開孔作業，最終理想解是帶壓開孔設備自己完成帶壓開孔作業。達到理想解的障礙是帶壓開孔設備自身下刀行程不足。出現問題的原因在于埋地焊接式球閥等閥門前后端自帶袖管，且袖管上有平衡氣孔，其結構長度尺寸大于500mm。消除不利因素方法可以從兩個方向入手：一是縮短閥門結構尺寸;二是增加帶壓開孔設備下刀行程。由于閥門屬標準件，不能任意更改其結構和尺寸，因此，選擇從增加下刀行程入手。

4 TRIZ理論九屏圖分析

根據TRIZ理論九屏圖分析，未來系統中，解決實現最終理想解的方案可采用能量式帶壓開孔機替代機械式帶壓開孔機，即用光、壓力等無結構尺寸的能量源代替有限尺寸的機械裝置。但是，使用其他能量源實現帶壓開孔的過程中，能量源延伸的長度必須嚴格控制在一定范圍內（在能滿足切割管壁的同時不得對開孔范圍以外的管壁造成損傷），開孔后孔板提取要依靠壓力或磁力。因此，一方面是需對能量源發射長度進行控制，另一方面，又要保證提取孔板的吸附力不受環境影響。在這個過程中，勢必增加系統的復雜程度。對現在系統的子系統組件進行分析，鉆桿長度不能自由調節是阻礙實現最終理想解的主要障礙。

5 帶壓開孔設備裝置加長桿的設計思路

針對鋼質管道帶壓開孔作業，鉆桿加長桿為了滿足不同結構尺寸閥門（球閥、閘閥）對帶壓開孔設備進刀量程需求的增長裝置，同時，采用外螺紋連接并增加了定位銷孔洞，使其能滿足與帶壓開孔設備的自由、緊密結合;加長桿長度尺寸可參照各類球閥、閘閥的結構尺寸自行做出相應變化后制作。采用內螺紋正絲扣連接開孔刀，當出現卡鉆、卡刀故障時，可實現自由拆卸，以達到刀具與開孔機的自由分離目的（圖2）。目前，帶壓開孔設備加長桿裝置已獲得國家實用新型專利[3]。

6 小結

1、帶壓開孔設備運用到管道運輸工業體系中，對助推降低能源損耗有顯著效果。

2、針對開孔設備的進刀行程不足，運用TRIZ理論IFR及九屏圖工具，以問題導向為切入點，分析出最簡單可行的以增長進刀行程長度解決原有矛盾的方法。

3、經現場驗證，方案可行。同時，隨著科技發展、高新技術的日趨完善，能量式帶壓開孔裝置必將得以實現和大量投入實際應用。。

參考文獻：

[1]施佳敏."一帶一路"戰略下跨國石油天然氣合作問題及對策研究[J].中國經貿，2015， 000（017）：34-35.

[2]李樹強，劉大奎，杜力榮，等.T101B手動開孔機液壓動力系統的研制和應用[J].當代化工研究， 2019， 000（005）：P.193-194.

[3]崔嘉，王帥，肖農等.一種帶壓開孔機的鉆具組合：中國，ZL201721280493.4[P].2018-06-01