管道腐蝕檢測(cè)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

□ 牛振宇 □ 趙 武 □ 張永備

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

我國(guó)油氣管道總長(zhǎng)已超30萬(wàn)km，且仍處于高速增長(zhǎng)中。然而由于建成投入使用年限長(zhǎng)（大部分管道已達(dá)20年），管道腐蝕情況嚴(yán)重，又缺乏正常的檢測(cè)維修，已進(jìn)入事故多發(fā)期。一旦發(fā)生泄漏事故，會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。因此管道的腐蝕檢測(cè)對(duì)于評(píng)估管道剩余壽命，抑制管道泄漏，保證管道正常運(yùn)行具有重要意義。目前廣泛采用先進(jìn)的X射線數(shù)字化實(shí)時(shí)成像技術(shù)進(jìn)行管道的腐蝕檢測(cè)，其中檢測(cè)工裝是整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制單元，但現(xiàn)有檢測(cè)工裝［1-3］往往存在著裝夾不便、輔助時(shí)間長(zhǎng)和環(huán)境適應(yīng)性差等問(wèn)題。

本文以提高管道射線檢測(cè)系統(tǒng)的適應(yīng)性和檢測(cè)效率為目的，以策略化的創(chuàng)新方法為設(shè)計(jì)手段，提出了一種檢測(cè)工裝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

檢測(cè)工裝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)屬于工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)的范疇，工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)就是設(shè)定一個(gè)特定的目標(biāo)，然后找到達(dá)到目標(biāo)的合適路徑。設(shè)計(jì)問(wèn)題多種多樣，創(chuàng)新方法同樣如此，這就需要針對(duì)問(wèn)題類(lèi)型采用不同的創(chuàng)新策略。課題組在對(duì)工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)分類(lèi)研究的基礎(chǔ)上，提出將工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題分為改進(jìn)式、優(yōu)化式和全新式3類(lèi)，并針對(duì)不同類(lèi)型提出了不同的創(chuàng)新求解策略［4］，如圖1所示。

運(yùn)用工藝創(chuàng)新策略方法解決設(shè)計(jì)問(wèn)題，當(dāng)目標(biāo)是提高現(xiàn)有系統(tǒng)的性能、解決明確問(wèn)題時(shí)，采用改進(jìn)式創(chuàng)新方法如TRIZ；當(dāng)目標(biāo)不明確，需要對(duì)系統(tǒng)的整體或部分進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，可運(yùn)用創(chuàng)造性模板法；若是進(jìn)行全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要運(yùn)用非邏輯思維法。整個(gè)策略應(yīng)用可借助科學(xué)效應(yīng)庫(kù)、多層次網(wǎng)絡(luò)信息搜索和非邏輯思維來(lái)實(shí)現(xiàn)。

▲圖1 基于分類(lèi)的工藝創(chuàng)新策略

TRIZ是由俄文“發(fā)明問(wèn)題解決理論”的首寫(xiě)字母組成，是專(zhuān)門(mén)研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理論。其核心是技術(shù)進(jìn)化原理，并建立了一系列普適性工具幫助設(shè)計(jì)者盡快獲得滿意的領(lǐng)域解，其中包括技術(shù)進(jìn)化原理、最終理想解、40個(gè)發(fā)明原理、矛盾矩陣、分離原理、物-場(chǎng)模型、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)算法和科學(xué)效應(yīng)庫(kù)等。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 問(wèn)題描述

管道射線檢測(cè)系統(tǒng)按照射線源相對(duì)管道的位置不同分為源在內(nèi)和源在外2種類(lèi)型，由于設(shè)計(jì)目標(biāo)是針對(duì)在役不停輸管道進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)，故采用源在外的方式。首先需要明確檢測(cè)工裝在檢測(cè)系統(tǒng)中的功能，X射線數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)共由4部分組成：X射線發(fā)生裝置（俗稱(chēng)光機(jī)）；非晶硅平板探測(cè)器（俗稱(chēng)探測(cè)器）；檢測(cè)工裝部分以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其中工裝部分是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制單元，連接著光機(jī)、探測(cè)器和管道，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的周向、軸向運(yùn)動(dòng)及定位夾緊等，并要保證射線穿過(guò)管道圓心，投影在探測(cè)器上成像。

設(shè)計(jì)的檢測(cè)工裝由于工程所需必須具備如下條件：（1）由于是針對(duì)野外在役管道，只能采取剖分形式從中間夾緊管道；（2）系統(tǒng)工作時(shí)，必須保證處于穩(wěn)定的自鎖狀態(tài)；（3）光機(jī)重量約為35 kg，工裝自重不超過(guò)20 kg；（4）射線源焦距（射線源到探測(cè)器的距離）至少為600 mm。

現(xiàn)有源在外射線檢測(cè)裝置按工裝的形狀可分為半包圍和全包圍2種。半包圍檢測(cè)裝置采用開(kāi)合式鉸接機(jī)構(gòu)，它將兩段支架連接起來(lái)形成超過(guò)180°的圓弧環(huán)繞管道，并采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)膠輪在管道上周向滾動(dòng)，以帶動(dòng)整個(gè)支架在管道上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。全包圍檢測(cè)裝置則是采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪與固定在管道上的大齒輪嚙合傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)管道的任意位置檢測(cè)，如圖3所示。此外，文獻(xiàn)［5］提出了一種用于管道檢測(cè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)夾具設(shè)計(jì)方案，利用互齒的“V”型槽滑塊自動(dòng)定心原理，通過(guò)螺母絲杠驅(qū)動(dòng)滑塊以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的變徑剖分式夾緊。

上述設(shè)計(jì)方案均能實(shí)現(xiàn)管道的任意位置檢測(cè)，但用于檢測(cè)長(zhǎng)輸管道時(shí)存在很多問(wèn)題。首先，由于整套裝置的質(zhì)量比較大，需要工裝提供足夠大的夾緊力以固定整套系統(tǒng)，而半包圍裝置在檢測(cè)時(shí)容易發(fā)生打滑現(xiàn)象。其次，為提高檢測(cè)效率，應(yīng)保證輔助時(shí)間盡可能減少，這就要求檢測(cè)工裝拆裝方便，且具有良好的越障和軸向移動(dòng)性能，這一點(diǎn)上述3種設(shè)計(jì)均不能做到。

▲圖2 半包圍檢測(cè)裝置

▲圖3 全包圍檢測(cè)裝置

▲圖4 TRIZ解決創(chuàng)新問(wèn)題流程

2.2 分析問(wèn)題

運(yùn)用圖1所示的分類(lèi)創(chuàng)新策略分析本設(shè)計(jì)問(wèn)題，由于設(shè)計(jì)目標(biāo)是解決明確的問(wèn)題，提高現(xiàn)有裝置的性能，故采用改進(jìn)式創(chuàng)新方法TRIZ解決問(wèn)題。

TRIZ解決創(chuàng)新性問(wèn)題的一般流程，如圖4［6］所示。首先對(duì)給定問(wèn)題進(jìn)行分析。如果發(fā)現(xiàn)存在沖突，則應(yīng)用發(fā)明原理去解決；如果問(wèn)題明確，但不知道如何解決，則查找科學(xué)效應(yīng)庫(kù)；否則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)化預(yù)測(cè)。然后對(duì)所得解進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后將之具體實(shí)施。

應(yīng)用TRIZ解決檢測(cè)工裝的設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題分析可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)存在沖突，故可用發(fā)明原理解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析，可以得到如下的一些技術(shù)沖突。

（1）裝置要方便拆裝以減少輔助時(shí)間，提高效率，但可能會(huì)導(dǎo)致可靠性降低。

（2）裝置要方便沿管道軸向移動(dòng)，但這樣會(huì)導(dǎo)致夾緊力不夠。

上述沖突均屬于技術(shù)沖突，TRIZ解決技術(shù)沖突的方法是：先用39個(gè)工程參數(shù)來(lái)表達(dá)技術(shù)沖突，然后查閱阿奇舒勒矛盾矩陣，找到推薦的發(fā)明原理，經(jīng)過(guò)篩選，最后運(yùn)用適用的發(fā)明原理解決實(shí)際問(wèn)題［7］。其中第一組技術(shù)沖突可以這樣表達(dá)：改善參數(shù)25：時(shí)間損失；惡化參數(shù)27：可靠性。第二組：改善參數(shù)33：可操作性；惡化參數(shù)11：應(yīng)力或壓力。查閱矛盾矩陣，可以得出推薦的發(fā)明原理，見(jiàn)表1。

表1 矛盾矩陣表

在以上6個(gè)發(fā)明原理中，發(fā)明原理2（抽?。?、4（非對(duì)稱(chēng)）和10（預(yù)先作用）對(duì)解決問(wèn)題幫助很大，原理12（等勢(shì)原則）、30（柔性外殼和薄膜）、32（改變顏色）則基本沒(méi)有幫助。原理2、4、10的具體內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 發(fā)明原理解釋

2.3 解決方案

上述篩選的發(fā)明原理可以幫助我們解決設(shè)計(jì)問(wèn)題：

（1）發(fā)明原理2：抽取。運(yùn)用抽取原理將現(xiàn)有射線檢測(cè)裝置中的必要部分或特性抽取出來(lái)。半包圍檢測(cè)裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪的方式在管道上實(shí)現(xiàn)周向運(yùn)動(dòng)，可考慮將輪子這一有益部分抽取出來(lái)，運(yùn)用在檢測(cè)工裝上以實(shí)現(xiàn)方便快捷地沿管道軸向移動(dòng)。同理，全包圍檢測(cè)裝置能提供較大的夾緊力，故可將全包圍這種形式抽取出來(lái)。

（2）發(fā)明原理4：非對(duì)稱(chēng)?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)基本采用對(duì)稱(chēng)形式的部件組裝成夾緊工裝，這樣往往存在夾緊力小的問(wèn)題。由于是進(jìn)行在役管道的腐蝕檢測(cè)，所以檢測(cè)裝置必須做成剖分式的，因此可以考慮將兩個(gè)半圓支架鉸接起來(lái)構(gòu)成夾持裝置。對(duì)稱(chēng)半圓支架鉸接所提供的夾緊力較小，故考慮采用非對(duì)稱(chēng)形式的半圓支架。

（3）發(fā)明原理10：預(yù)先作用。事先完成部分或全部的動(dòng)作或功能可以縮短輔助時(shí)間，提高效率。因此可考慮用螺紋夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行預(yù)夾緊，為此，可預(yù)先在工裝上固定好螺栓。檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，擰緊螺栓實(shí)現(xiàn)裝置的固定；需要拆卸時(shí)，直接擰開(kāi)螺栓即可。

▲圖5 在役管道射線檢測(cè)裝置

通過(guò)上述發(fā)明原理的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)在役管道的射線檢測(cè)裝置，如圖5所示。

該設(shè)計(jì)方案中，檢測(cè)工裝主要由支架、滾輪、支座和螺紋夾緊機(jī)構(gòu)等部件組成。支架采用兩段圓弧鉸接而成，并用螺紋夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾緊和拆卸，滾輪可以實(shí)現(xiàn)裝置的軸向移動(dòng)以及周向任意位置的固定，支座的作用是支撐光機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

為設(shè)計(jì)針對(duì)在役管道腐蝕的射線檢測(cè)裝置，在分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用策略化創(chuàng)新方法和TRIZ解決創(chuàng)新問(wèn)題流程，得出系統(tǒng)的技術(shù)沖突，通過(guò)構(gòu)造工程參數(shù)并建立矛盾矩陣，得到適用的發(fā)明原理，最終應(yīng)用發(fā)明原理解決了實(shí)際的設(shè)計(jì)問(wèn)題，設(shè)計(jì)的檢測(cè)工裝具有裝夾方便快捷、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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