管道腐蝕檢測裝置的創新設計*

□ 牛振宇 □ 趙 武 □ 張永備

四川大學 制造科學與工程學院 成都 610065

我國油氣管道總長已超30萬km，且仍處于高速增長中。然而由于建成投入使用年限長（大部分管道已達20年），管道腐蝕情況嚴重，又缺乏正常的檢測維修，已進入事故多發期。一旦發生泄漏事故，會產生巨大的經濟損失和環境污染。因此管道的腐蝕檢測對于評估管道剩余壽命，抑制管道泄漏，保證管道正常運行具有重要意義。目前廣泛采用先進的X射線數字化實時成像技術進行管道的腐蝕檢測，其中檢測工裝是整個系統的機械運動控制單元，但現有檢測工裝［1-3］往往存在著裝夾不便、輔助時間長和環境適應性差等問題。

本文以提高管道射線檢測系統的適應性和檢測效率為目的，以策略化的創新方法為設計手段，提出了一種檢測工裝的創新設計方案。

1 創新設計方法

檢測工裝的創新設計屬于工藝創新設計的范疇，工藝創新設計就是設定一個特定的目標，然后找到達到目標的合適路徑。設計問題多種多樣，創新方法同樣如此，這就需要針對問題類型采用不同的創新策略。課題組在對工藝創新設計分類研究的基礎上，提出將工藝創新設計問題分為改進式、優化式和全新式3類，并針對不同類型提出了不同的創新求解策略［4］，如圖1所示。

運用工藝創新策略方法解決設計問題，當目標是提高現有系統的性能、解決明確問題時，采用改進式創新方法如TRIZ；當目標不明確，需要對系統的整體或部分進行優化改進時，可運用創造性模板法；若是進行全新的系統設計，需要運用非邏輯思維法。整個策略應用可借助科學效應庫、多層次網絡信息搜索和非邏輯思維來實現。

▲圖1 基于分類的工藝創新策略

TRIZ是由俄文“發明問題解決理論”的首寫字母組成，是專門研究創新設計的理論。其核心是技術進化原理，并建立了一系列普適性工具幫助設計者盡快獲得滿意的領域解，其中包括技術進化原理、最終理想解、40個發明原理、矛盾矩陣、分離原理、物-場模型、76個標準解、發明問題標準算法和科學效應庫等。

2 設計過程

2.1 問題描述

管道射線檢測系統按照射線源相對管道的位置不同分為源在內和源在外2種類型，由于設計目標是針對在役不停輸管道進行工裝設計，故采用源在外的方式。首先需要明確檢測工裝在檢測系統中的功能，X射線數字化檢測系統共由4部分組成：X射線發生裝置（俗稱光機）；非晶硅平板探測器（俗稱探測器）；檢測工裝部分以及計算機系統。其中工裝部分是整個系統的運動控制單元，連接著光機、探測器和管道，負責系統的周向、軸向運動及定位夾緊等，并要保證射線穿過管道圓心，投影在探測器上成像。

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

現有源在外射線檢測裝置按工裝的形狀可分為半包圍和全包圍2種。半包圍檢測裝置采用開合式鉸接機構，它將兩段支架連接起來形成超過180°的圓弧環繞管道，并采用步進電機驅動膠輪在管道上周向滾動，以帶動整個支架在管道上做旋轉運動，如圖2所示。全包圍檢測裝置則是采用步進電機驅動小齒輪與固定在管道上的大齒輪嚙合傳動，從而實現環管道的任意位置檢測，如圖3所示。此外，文獻［5］提出了一種用于管道檢測機器人的旋轉夾具設計方案，利用互齒的“V”型槽滑塊自動定心原理，通過螺母絲杠驅動滑塊以實現對管道的變徑剖分式夾緊。

上述設計方案均能實現管道的任意位置檢測，但用于檢測長輸管道時存在很多問題。首先，由于整套裝置的質量比較大，需要工裝提供足夠大的夾緊力以固定整套系統，而半包圍裝置在檢測時容易發生打滑現象。其次，為提高檢測效率，應保證輔助時間盡可能減少，這就要求檢測工裝拆裝方便，且具有良好的越障和軸向移動性能，這一點上述3種設計均不能做到。

▲圖2 半包圍檢測裝置

▲圖3 全包圍檢測裝置

▲圖4 TRIZ解決創新問題流程

2.2 分析問題

運用圖1所示的分類創新策略分析本設計問題，由于設計目標是解決明確的問題，提高現有裝置的性能，故采用改進式創新方法TRIZ解決問題。

TRIZ解決創新性問題的一般流程，如圖4［6］所示。首先對給定問題進行分析。如果發現存在沖突，則應用發明原理去解決；如果問題明確，但不知道如何解決，則查找科學效應庫；否則對系統進行進化預測。然后對所得解進行評價，最后將之具體實施。

應用TRIZ解決檢測工裝的設計問題，對現有系統進行問題分析可以發現，系統存在沖突，故可用發明原理解決設計問題。經過分析，可以得到如下的一些技術沖突。

（1）裝置要方便拆裝以減少輔助時間，提高效率，但可能會導致可靠性降低。

（2）裝置要方便沿管道軸向移動，但這樣會導致夾緊力不夠。

上述沖突均屬于技術沖突，TRIZ解決技術沖突的方法是：先用39個工程參數來表達技術沖突，然后查閱阿奇舒勒矛盾矩陣，找到推薦的發明原理，經過篩選，最后運用適用的發明原理解決實際問題［7］。其中第一組技術沖突可以這樣表達：改善參數25：時間損失；惡化參數27：可靠性。第二組：改善參數33：可操作性；惡化參數11：應力或壓力。查閱矛盾矩陣，可以得出推薦的發明原理，見表1。

表1 矛盾矩陣表

在以上6個發明原理中，發明原理2（抽取）、4（非對稱）和10（預先作用）對解決問題幫助很大，原理12（等勢原則）、30（柔性外殼和薄膜）、32（改變顏色）則基本沒有幫助。原理2、4、10的具體內容見表2。

表2 發明原理解釋

2.3 解決方案

上述篩選的發明原理可以幫助我們解決設計問題：

（1）發明原理2：抽取。運用抽取原理將現有射線檢測裝置中的必要部分或特性抽取出來。半包圍檢測裝置采用電機驅動行走輪的方式在管道上實現周向運動，可考慮將輪子這一有益部分抽取出來，運用在檢測工裝上以實現方便快捷地沿管道軸向移動。同理，全包圍檢測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。

（2）發明原理4：非對稱。現有設計基本采用對稱形式的部件組裝成夾緊工裝，這樣往往存在夾緊力小的問題。由于是進行在役管道的腐蝕檢測，所以檢測裝置必須做成剖分式的，因此可以考慮將兩個半圓支架鉸接起來構成夾持裝置。對稱半圓支架鉸接所提供的夾緊力較小，故考慮采用非對稱形式的半圓支架。

（3）發明原理10：預先作用。事先完成部分或全部的動作或功能可以縮短輔助時間，提高效率。因此可考慮用螺紋夾緊機構進行預夾緊，為此，可預先在工裝上固定好螺栓。檢測系統工作時，擰緊螺栓實現裝置的固定；需要拆卸時，直接擰開螺栓即可。

▲圖5 在役管道射線檢測裝置

通過上述發明原理的應用，設計了一套針對在役管道的射線檢測裝置，如圖5所示。

該設計方案中，檢測工裝主要由支架、滾輪、支座和螺紋夾緊機構等部件組成。支架采用兩段圓弧鉸接而成，并用螺紋夾緊機構進行夾緊和拆卸，滾輪可以實現裝置的軸向移動以及周向任意位置的固定，支座的作用是支撐光機。

3 結束語

為設計針對在役管道腐蝕的射線檢測裝置，在分析現有設計的基礎上，運用策略化創新方法和TRIZ解決創新問題流程，得出系統的技術沖突，通過構造工程參數并建立矛盾矩陣，得到適用的發明原理，最終應用發明原理解決了實際的設計問題，設計的檢測工裝具有裝夾方便快捷、效率高、適應性強等優點。

［1］ 曾澄光，劉業偉.管道多功能射線探傷架 ［J］.無損檢測，2004（1）:46-53.

［2］ 房吉國.雙壁單影透射法及輔助工裝在管道探傷中的應用［J］.山東電力高等專科學校學報，2005，8（4）：29-31.

［3］ 程志鈞.管道焊縫射線探傷的專用工夾具 ［J］.無損檢測，1999（9）：424-425.

［4］ 向愿.工藝創新設計初步研究［D］.成都：四川大學，2009.

［5］ 鄢波，顏國正，劉華.基于有限元方法的管道檢測機器人夾具的設計［J］.機械科學與技術，2003，22（11）：31-33.

［6］ 向愿，趙武，張旭領.基于TRIZ的雙溝道砂輪修整裝置的創新設計［J］.機械設計，2009，26（9）：58-61.

［7］ 付力，王彪，李建，等.TRIZ理論在深孔加工裝置創新設計中的應用［J］.煤礦機械，2012，33（5）：121-123.