基于TRIZ理論的高壓鋼管壁厚控制方法設計研究*

裴小兵 宋麗姣 許慶濤 趙 衡

(天津理工大學管理學院，天津300384)

創新方法是創新效率的決定性因素。傳統創新方法效率低下，主要表現為“少慢差費”。在創新過程中經常會遇到棘手的問題，難以提出有效解決思路，而TRIZ理論使創新走出盲目的、高成本的試錯，極大地加快了創新和創造歷程。隨著TRIZ理論的發展，TRIZ理論可為創新過程中遇到的特定問題給予指導性解決方向[1]。

1 TRIZ理論與應用概述

國外學者對TRIZ理論的創新應用進行了充分的研究。Petkovic[2]等采取TRIZ理論解決了機器人關節處設計過程中的矛盾，使得關節處的彈簧與空氣調節器可具有良好的兼容性，確保機器人可準確定位并與外界環境進行正常接觸。Berdonosov等[3]在開發CASE檢查系統的過程中，利用TRIZ作為基本工具，通過提出多種方案并對其進行優劣分析，解決了系統開發所需的投資與實用性之間的矛盾。Fu-Kwun Wang等[4]將TRIZ理論與六西格瑪集成用于新產品開發；國內學者鄭稱德在詳細介紹TRIZ相關理論的基礎上分析了TRIZ的設計模型[5]；張東生等論述了TRIZ應用企業管理創新的可能性，并提出了相關管理創新方法研究的基本思路[6]；部分學者基于TRIZ理論創新設計了具體模型，包括飛機結構設計、可重構夾具設計、便攜式耳機設計等[7-9]。

綜上所述，TRIZ創新理論在經過幾十年的發展后，目前正逐漸滲透到工程技術領域中，越來越被更多地應用到技術科學、企業創新戰略、管理以及醫藥化學等領域。但目前TRIZ理論的研究仍主要集中在產品研發設計等宏觀層面上，較少涉及具體的技術方法或發明實現，應用方式相對單一[12]。隨著科技的高速發展以及不同科學領域的相互滲透，TRIZ理論應更廣泛且具體的用來對問題進行分析并解決，根據實際問題的特點，分層次的、定性分析與定量評價相結合，對問題進行分析并對方案進行選擇從而解決問題。本文以厚壁高壓管壁厚控制問題為分析和解決對象，結合IE相關知識與TRIZ理論聯合解決問題，結合因果分析法、矛盾沖突矩陣分析和解決過程中的矛盾，最后采用TOPSIS法對方案進行選擇。

2 TRIZ理論概述與模型構建

TRIZ理論即發明問題解決理論，其主要包括沖突解決理論、物-場分析理論及ARIZ算法等內容。作為一種系統性的理論和方法，TRIZ為人們創造性地發現問題和解決問題提供了有力工具。其中,TRIZ沖突解決理論包括了技術沖突解決原理和物理沖突解決原理，而在技術沖突解決原理中,TRIZ提出了描述技術沖突的39個通用工程參數和解決技術沖突的40項發明原理，然后構建了一個39×39的矛盾矩陣表,矩陣中的第一行為需要改進的工程參數,第一列為引起惡化的工程參數，行列交叉處構成技術矛盾，交叉處列出了解決技術矛盾所推的40條發明原理的序號，利用矛盾分析矩陣能夠有效解決發明設計過程中原理選擇的難題[1]。

圖1描述了TRIZ理論解決問題的全過程：(1)將要解決的問題明確界定；(2)用專業技術領域的術語描述該沖突，并轉化為一般性標準問題；(3)結合TRIZ相關理論，得出解決該一般性問題的通解；(4)依據通解尋求特解。

3 TRIZ理論的應用實踐

3.1 問題描述

M公司是國內一家以生產鋼管為主的大型制造型企業。在實際生產實踐中，鋼管不同部分之間的管體壁厚經常存在差異，經統計得出壁厚曲線如圖2所示。由于管材橫截面存在壁厚分布不均勻的現象，當管體厚度中值偏高時，因不均度與中值疊加將致使管體出現過厚現象，如圖2中A點所示；而當管體厚度中值偏低時，則由于不均度與中值疊加致使管體出現過薄，如圖中D點所示。鋼管壁厚的波動現象導致不合格率增加，同時也導致過多的不必要加工等浪費。

為防止管體壁厚波動導致不合格等浪費，本文基于傳統控制方法的基礎知識，結合TRIZ理論提出壁厚控制的計算預測模型的新思路，利用計算模型預測管體壁厚中值。傳統工藝獲取管體壁厚信息影響了生產節奏，降低了產品成材率。因此，采用TRIZ理論尋找最佳解決辦法，對斜軋工藝生產的管體壁厚進行預測，達到速度快，計算精確的技術特點與優勢。

3.2 影響因素分析

實際測量管壁厚度的過程中，很多因素導致測量精度不高。下面用因果分析來確定導致測量精度不夠、數據不完整的主要因素。魚骨圖(石川圖)見圖3。

3.3 沖突區域確定

由于鋼管管體橫截面壁厚存在壁厚不均性，為了控制成品壁厚減小壁厚波動，采用8通道γ-射線進行壁厚測量，因為其位置相對固定，所以其不可以進行橫截面的全截面厚度數據測量，因此就導致測量壁厚出現上下極值等問題。管壁厚度測量極值分布如圖4所示。

3.4 改善歷程

由于測量用到γ-射線，而γ-射線對人體的傷害極強，因此，安全性屬于問題解決的第一考慮要素。若要得到理想解，就需要利用γ-射線進行全截面連續在線測量，從而就不可避免地要求管材與γ-射線產生圓周方向的旋轉，因此，產生如下沖突的問題：數據采集的準確性，要求測量通道相對旋轉；數據采集的安全性，要求測量通道不旋轉。下面運用TRIZ理論分析工具尋求可實施方案。

(1)應用沖突解決理論。要求測量通道既要旋轉又要不旋轉，這就構成了一對物理矛盾。依據NO.2分離和NO.7套裝原理，將γ-射線測量通道固定裝置分離出來，將該測量通道安裝于環形可旋轉裝置上。又考慮到通道需要轉動，依據NO.15動態化原理，使測量通道安裝裝置可相對于外層固定裝置進行環向旋轉。基于沖突解決理論，可得到方案一：將8通道γ-射線測量裝置重新安裝在可旋轉的環形構件上，而后將該構件安裝在固定裝置上，同時，要保證環形構件可相對于固定裝置進行旋轉，例如在其中間位置安裝軸承。

(2)應用物場分析及76個標準解。首先，利用裁剪原理將γ-射線測厚裝置裁剪掉。其次，利用76個標準解NO.45：用兩個檢測動作代替一個連續測量動作。

方案二：利用臺鋸將熱態的成品管管頭鋸切至水槽中進行快速冷卻，待冷卻至100 ℃以下，利用超聲波測厚儀測量其橫截面的全截面壁厚參數，然后利用管頭與管體壁厚分布關系分析管體壁厚的最大最小值分布情況。

方案三：將管體成品冷卻至室溫進行通體壁厚測量。三種方案比較如表1所示。

表1 3種可行方案的比較

序號方案創新原理1將γ-射線測量裝置安裝在可旋轉環形構件上。沖突解決理論2將熱態管頭鋸切至水槽中進行快速冷卻,利用超聲波測厚儀測量壁厚分布。物場分析76個標準解3將管體成品冷卻至室溫進行通體壁厚測量。物質-場分析及76個標準解

3.5 TOPSIS法選擇方案與評價

根據系統性、可比性的原則構建指標評價體系，經過各項數據的統計分析，得到3種方案的指標數據[11]，如表2所示。

表2 方案指標數據統計表

方案時間/s成本/元便捷性準確性穩定性1241 2003962463 000938335900668

(2)將上述規范化決策矩陣進行加權w=(0.150.30.10.250.2)T，得到加權規范矩陣X={xij}；xij=wj*zij；i=1,2,…，m；j=1,2,…，n。

表3 計算效果分析

方案d?d0c?i10.264 30.064 30.383 320.303 70.194 70.390 730.131 90.137 80.511 1

根據計算結果，將方案由大到小排序：方案3>方案2>方案1，因此選擇方案3最優，最終方案選擇3方案：將管體成品冷卻至室溫進行通體壁厚測量。其特點和優勢如下：快速性，臺鋸鋸切可快速獲得樣本壁厚數據，快速性較強。準確性，采用千分尺檢測采樣壁厚數據，可滿足精度要求。造價成本低廉，可滿足現場機動靈活應用的要求。

4 結語

本文以高壓鋼管壁厚控制問題為研究對象，通過結合工業工程因果分析法以及其他改善方法分析導致管道壁厚不均的主要因素：測量通道位置固定以及管頭溫度高。為解決上述問題，應用石川圖結合TRIZ矛盾解決理論提出改善方案，運用TOPSIS方法對提出的三種解決方案全面分析后進行優劣排序，找出快速、準確、靈動、低成本的最優方案。將該創新方法應用于生產實踐，結果表明，通過測量管端壁厚分布情況，且根據管端與管體壁厚關系，推算管體壁厚分布情況可準確掌握管體壁厚分布情況，實現斜軋工藝生產管體壁厚的高精度控制，產品壁厚控制可實現接近100%合格的目標。綜上分析，針對不同特點的問題及矛盾，TRIZ理論結合IE相關分析和改善思想能夠很好地發現問題的切入點，尋求問題的解決思路，提高問題解決效率和質量。

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