管道腐蚀检测装置的创新设计*

□ 牛振宇 □ 赵 武 □ 张永备

四川大学 制造科学与工程学院 成都 610065

我国油气管道总长已超30万km，且仍处于高速增长中。然而由于建成投入使用年限长（大部分管道已达20年），管道腐蚀情况严重，又缺乏正常的检测维修，已进入事故多发期。一旦发生泄漏事故，会产生巨大的经济损失和环境污染。因此管道的腐蚀检测对于评估管道剩余寿命，抑制管道泄漏，保证管道正常运行具有重要意义。目前广泛采用先进的X射线数字化实时成像技术进行管道的腐蚀检测，其中检测工装是整个系统的机械运动控制单元，但现有检测工装［1-3］往往存在着装夹不便、辅助时间长和环境适应性差等问题。

本文以提高管道射线检测系统的适应性和检测效率为目的，以策略化的创新方法为设计手段，提出了一种检测工装的创新设计方案。

1 创新设计方法

检测工装的创新设计属于工艺创新设计的范畴，工艺创新设计就是设定一个特定的目标，然后找到达到目标的合适路径。设计问题多种多样，创新方法同样如此，这就需要针对问题类型采用不同的创新策略。课题组在对工艺创新设计分类研究的基础上，提出将工艺创新设计问题分为改进式、优化式和全新式3类，并针对不同类型提出了不同的创新求解策略［4］，如图1所示。

运用工艺创新策略方法解决设计问题，当目标是提高现有系统的性能、解决明确问题时，采用改进式创新方法如TRIZ；当目标不明确，需要对系统的整体或部分进行优化改进时，可运用创造性模板法；若是进行全新的系统设计，需要运用非逻辑思维法。整个策略应用可借助科学效应库、多层次网络信息搜索和非逻辑思维来实现。

▲图1 基于分类的工艺创新策略

TRIZ是由俄文“发明问题解决理论”的首写字母组成，是专门研究创新设计的理论。其核心是技术进化原理，并建立了一系列普适性工具帮助设计者尽快获得满意的领域解，其中包括技术进化原理、最终理想解、40个发明原理、矛盾矩阵、分离原理、物-场模型、76个标准解、发明问题标准算法和科学效应库等。

2 设计过程

2.1 问题描述

管道射线检测系统按照射线源相对管道的位置不同分为源在内和源在外2种类型，由于设计目标是针对在役不停输管道进行工装设计，故采用源在外的方式。首先需要明确检测工装在检测系统中的功能，X射线数字化检测系统共由4部分组成：X射线发生装置（俗称光机）；非晶硅平板探测器（俗称探测器）；检测工装部分以及计算机系统。其中工装部分是整个系统的运动控制单元，连接着光机、探测器和管道，负责系统的周向、轴向运动及定位夹紧等，并要保证射线穿过管道圆心，投影在探测器上成像。

设计的检测工装由于工程所需必须具备如下条件：（1）由于是针对野外在役管道，只能采取剖分形式从中间夹紧管道；（2）系统工作时，必须保证处于稳定的自锁状态；（3）光机重量约为35 kg，工装自重不超过20 kg；（4）射线源焦距（射线源到探测器的距离）至少为600 mm。

现有源在外射线检测装置按工装的形状可分为半包围和全包围2种。半包围检测装置采用开合式铰接机构，它将两段支架连接起来形成超过180°的圆弧环绕管道，并采用步进电机驱动胶轮在管道上周向滚动，以带动整个支架在管道上做旋转运动，如图2所示。全包围检测装置则是采用步进电机驱动小齿轮与固定在管道上的大齿轮啮合传动，从而实现环管道的任意位置检测，如图3所示。此外，文献［5］提出了一种用于管道检测机器人的旋转夹具设计方案，利用互齿的“V”型槽滑块自动定心原理，通过螺母丝杠驱动滑块以实现对管道的变径剖分式夹紧。

上述设计方案均能实现管道的任意位置检测，但用于检测长输管道时存在很多问题。首先，由于整套装置的质量比较大，需要工装提供足够大的夹紧力以固定整套系统，而半包围装置在检测时容易发生打滑现象。其次，为提高检测效率，应保证辅助时间尽可能减少，这就要求检测工装拆装方便，且具有良好的越障和轴向移动性能，这一点上述3种设计均不能做到。

▲图2 半包围检测装置

▲图3 全包围检测装置

▲图4 TRIZ解决创新问题流程

2.2 分析问题

运用图1所示的分类创新策略分析本设计问题，由于设计目标是解决明确的问题，提高现有装置的性能，故采用改进式创新方法TRIZ解决问题。

TRIZ解决创新性问题的一般流程，如图4［6］所示。首先对给定问题进行分析。如果发现存在冲突，则应用发明原理去解决；如果问题明确，但不知道如何解决，则查找科学效应库；否则对系统进行进化预测。然后对所得解进行评价，最后将之具体实施。

应用TRIZ解决检测工装的设计问题，对现有系统进行问题分析可以发现，系统存在冲突，故可用发明原理解决设计问题。经过分析，可以得到如下的一些技术冲突。

（1）装置要方便拆装以减少辅助时间，提高效率，但可能会导致可靠性降低。

（2）装置要方便沿管道轴向移动，但这样会导致夹紧力不够。

上述冲突均属于技术冲突，TRIZ解决技术冲突的方法是：先用39个工程参数来表达技术冲突，然后查阅阿奇舒勒矛盾矩阵，找到推荐的发明原理，经过筛选，最后运用适用的发明原理解决实际问题［7］。其中第一组技术冲突可以这样表达：改善参数25：时间损失；恶化参数27：可靠性。第二组：改善参数33：可操作性；恶化参数11：应力或压力。查阅矛盾矩阵，可以得出推荐的发明原理，见表1。

表1 矛盾矩阵表

在以上6个发明原理中，发明原理2（抽取）、4（非对称）和10（预先作用）对解决问题帮助很大，原理12（等势原则）、30（柔性外壳和薄膜）、32（改变颜色）则基本没有帮助。原理2、4、10的具体内容见表2。

表2 发明原理解释

2.3 解决方案

上述筛选的发明原理可以帮助我们解决设计问题：

（1）发明原理2：抽取。运用抽取原理将现有射线检测装置中的必要部分或特性抽取出来。半包围检测装置采用电机驱动行走轮的方式在管道上实现周向运动，可考虑将轮子这一有益部分抽取出来，运用在检测工装上以实现方便快捷地沿管道轴向移动。同理，全包围检测装置能提供较大的夹紧力，故可将全包围这种形式抽取出来。

（2）发明原理4：非对称。现有设计基本采用对称形式的部件组装成夹紧工装，这样往往存在夹紧力小的问题。由于是进行在役管道的腐蚀检测，所以检测装置必须做成剖分式的，因此可以考虑将两个半圆支架铰接起来构成夹持装置。对称半圆支架铰接所提供的夹紧力较小，故考虑采用非对称形式的半圆支架。

（3）发明原理10：预先作用。事先完成部分或全部的动作或功能可以缩短辅助时间，提高效率。因此可考虑用螺纹夹紧机构进行预夹紧，为此，可预先在工装上固定好螺栓。检测系统工作时，拧紧螺栓实现装置的固定；需要拆卸时，直接拧开螺栓即可。

▲图5 在役管道射线检测装置

通过上述发明原理的应用，设计了一套针对在役管道的射线检测装置，如图5所示。

该设计方案中，检测工装主要由支架、滚轮、支座和螺纹夹紧机构等部件组成。支架采用两段圆弧铰接而成，并用螺纹夹紧机构进行夹紧和拆卸，滚轮可以实现装置的轴向移动以及周向任意位置的固定，支座的作用是支撑光机。

3 结束语

为设计针对在役管道腐蚀的射线检测装置，在分析现有设计的基础上，运用策略化创新方法和TRIZ解决创新问题流程，得出系统的技术冲突，通过构造工程参数并建立矛盾矩阵，得到适用的发明原理，最终应用发明原理解决了实际的设计问题，设计的检测工装具有装夹方便快捷、效率高、适应性强等优点。

［1］ 曾澄光，刘业伟.管道多功能射线探伤架 ［J］.无损检测，2004（1）:46-53.

［2］ 房吉国.双壁单影透射法及辅助工装在管道探伤中的应用［J］.山东电力高等专科学校学报，2005，8（4）：29-31.

［3］ 程志钧.管道焊缝射线探伤的专用工夹具 ［J］.无损检测，1999（9）：424-425.

［4］ 向愿.工艺创新设计初步研究［D］.成都：四川大学，2009.

［5］ 鄢波，颜国正，刘华.基于有限元方法的管道检测机器人夹具的设计［J］.机械科学与技术，2003，22（11）：31-33.

［6］ 向愿，赵武，张旭领.基于TRIZ的双沟道砂轮修整装置的创新设计［J］.机械设计，2009，26（9）：58-61.

［7］ 付力，王彪，李建，等.TRIZ理论在深孔加工装置创新设计中的应用［J］.煤矿机械，2012，33（5）：121-123.