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        基于TRIZ 的在役管道腐蝕檢測裝置創(chuàng)新設(shè)計?

        2015-12-31 11:07:22李小龍
        機(jī)械工程與自動化 2015年1期
        關(guān)鍵詞:管徑滑塊射線

        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(yùn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)管道360°全位置檢測,但該裝置不能實(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)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常苛刻的要求:不宜在管道內(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(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)動,實(shí)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(shí)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(yùn)動。

        當(dāng)管道檢測裝置實(shí)施檢測時,不與管道發(fā)生相對運(yùn)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(yùn)動,檢測裝置運(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)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(shí)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.

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