王劍 董小龍 裴歡 沈煜博 艾敏飛
國家管網(wǎng)集團西氣東輸武漢輸氣分公司 

 

摘要：針對高壓輸電線(xiàn)路與管道交叉處受電磁場(chǎng)干擾導致管道位置和埋深測量不準等問(wèn)題，運用TRIZ理論以干擾電磁場(chǎng)為研究對象，采取技術(shù)系統的功能分析、因果分析、問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)確定、理想解分析、可用資源分析、九屏圖等方法，探索需解決的問(wèn)題和產(chǎn)生原因。運用沖突解決理論、物質(zhì)-場(chǎng)分析及76個(gè)標準解和裁剪等工具，獲得技術(shù)系統的最終理想解。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；高壓輸電線(xiàn)路；最終理想解；管道埋深；測量設備

 

高壓輸電線(xiàn)路正常運行和發(fā)生故障時(shí)，會(huì )在臨近的空氣和土壤中產(chǎn)生感應交流電磁場(chǎng)，從而在管道上產(chǎn)生交流干擾電流和電壓，導致雷迪RD8200系列等檢測設備無(wú)法準確測量管道位置和埋深。通過(guò)運用TRIZ理論分析問(wèn)題產(chǎn)生原因并提出最終理想解，為受干擾區域檢測技術(shù)方法的改進(jìn)提供了新思路。

1  基于TRIZ理論分析問(wèn)題

TRIZ是原俄文轉換成拉丁文的首字母縮寫(xiě)，英文全稱(chēng)是Theory of the Solution of Inventive Problems，譯成中文為“發(fā)明問(wèn)題解決理論”。該理論是由阿奇舒勒為首的專(zhuān)家通過(guò)專(zhuān)利和案例總結出來(lái)的解決創(chuàng )造發(fā)明問(wèn)題的理論體系。

1.1  技術(shù)系統分析

（1）定義技術(shù)系統實(shí)現的功能。問(wèn)題所在的技術(shù)系統為電磁感應系統，該技術(shù)系統的功能是測量管道位置和埋深，實(shí)現該功能的約束為強電磁干擾。

（2）現有技術(shù)系統的工作原理。該系統由發(fā)射機、接收機、紅黑直連線(xiàn)、接地棒、管道和大地組成。發(fā)射機的紅色線(xiàn)與管道線(xiàn)連接，黑色線(xiàn)與接地釬連接。電流從發(fā)射機通過(guò)管道到大地再到接地棒然后回到發(fā)射機形成一個(gè)回路。通過(guò)發(fā)射機對金屬管線(xiàn)施加信號，在金屬管線(xiàn)中產(chǎn)生電流并在管線(xiàn)周?chē)�產(chǎn)生二級磁場(chǎng)；通過(guò)接收機在地面上測定管線(xiàn)的二次磁場(chǎng)，從而準確確定管線(xiàn)的位置和埋深。

（3）當前技術(shù)系統存在的問(wèn)題。當管道處于強電磁干擾的環(huán)境中時(shí)，導致系統無(wú)法正常工作，具體表現為當管道與高壓輸電線(xiàn)路交叉時(shí)，管道位置和埋深測量不準確或者測量不出來(lái)。

（4）問(wèn)題出現的條件和時(shí)間。電磁感應系統存在管道位置和埋深測量不準確或者測量不出來(lái)的問(wèn)題，只在管道處于強電磁干擾或者管道中存在較大交流電干擾的特殊條件下才發(fā)生。

（5）現有解決方案及其缺點(diǎn)。降低給定信號頻率，提高雷迪系統自身的抗干擾能力，缺點(diǎn)是測量準確性下降，在強電磁干擾環(huán)境中無(wú)法滿(mǎn)足測量要求。降低回路電阻以增加輸出電流，提高抗干擾能力，缺點(diǎn)是輸出電流的增加量有限，不能有效對抗強電磁干擾環(huán)境。使用PCM發(fā)射機與雷迪接收機組合，增大輸出功率達到原來(lái)的15倍，缺點(diǎn)是只有640HZ一個(gè)頻率可以使用，缺少數據比對驗證；70%測量法在磁場(chǎng)變形嚴重、旁側管線(xiàn)影響比較大時(shí)使用，缺點(diǎn)是不能準確確定管道位置，測量步驟較繁瑣。采取固態(tài)去耦合器加鋅帶排流，能有效降低管道上交流干擾，缺點(diǎn)是成本比較高。

（6）新系統的要求。使用現有檢測設備在管道與高壓輸電線(xiàn)路交叉等特殊條件下，能夠準確測量管道位置及埋深。

1.2  問(wèn)題分析過(guò)程

（1）功能分析。結合系統分析的內容（表 1），建立已有系統功能模型（圖 1）并進(jìn)行分析，明確了系統元件及其之間的相互關(guān)系，并得出導致管道位置和埋深測量不準確或者測不出來(lái)等問(wèn)題的功能因素。其中，干擾電磁場(chǎng)會(huì )影響二級磁場(chǎng)，導致接收機無(wú)法得到準確的管道位置及埋深。

表 1 系統分析內容

圖 1 系統功能模型

（2）因果分析。應用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問(wèn)題的原因，得到因果分析圖（圖 2）。

圖 2 因果分析圖

（3）問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)確定。包括其他電磁場(chǎng)干擾，設備功率不夠、接地回路電阻過(guò)大，測量人員方法使用不當。

（4）理想解分析。設計的最終目的是準確測量高壓線(xiàn)下管道位置及埋深。理想解是不進(jìn)行檢測設備系統改造就能滿(mǎn)足測量要求。達到理想解的障礙是強電磁干擾以及交流雜散電流干擾。出現這種障礙的結果是高壓線(xiàn)的固有電磁場(chǎng)特性。不出現這種障礙的條件是消除電磁場(chǎng)干擾，增強設備抗干擾能力。創(chuàng )造這些條件存在的可用資源是排流裝置、大功率設備、優(yōu)化接地等。

（5）系統內部可用資源分析（表 2），經(jīng)過(guò)分析并應用TRIZ理論中的九屏幕法對超系統、當前系統和子系統進(jìn)行分析，并繪制了九屏圖（圖 3）。

表 2 系統內部資源

圖 3 九屏圖

1.3  問(wèn)題求解過(guò)程

1.3.1  沖突解決理論

（1）沖突描述。為了提高系統的測量精度和可靠性，需要增加排流裝置、提高設備可靠性、增大設備輸出功率、降低回路電阻值，以消除或抵抗雜散電流產(chǎn)生的干擾電磁場(chǎng)。然而，這樣做會(huì )導致系統的材料損失和能量損失。

（2）轉換成TRIZ標準沖突。改善的參數包括測量精度和可靠性，惡化的參數包括材料損失和能量損失。

（3）根據沖突矩陣推薦的解決技術(shù)矛盾的發(fā)明原理，結合專(zhuān)業(yè)知識優(yōu)選出以下發(fā)明原理來(lái)提高測量精度和可靠性。包括1號（分離法）、3號（局部質(zhì)量改善法）、5號（組合法）、10號（預先作用法）、25號（自服務(wù)法）。為查找沖突矩陣，得到發(fā)明原理如表 3所示。

表 3 發(fā)明原理

1.3.2  物質(zhì)-場(chǎng)分析及76個(gè)標準解

（1）所謂物質(zhì)-場(chǎng)分析法，是指從物質(zhì)和場(chǎng)的角度來(lái)分析和構造最小技術(shù)系統的理論和方法。根據現場(chǎng)情況建立問(wèn)題的物質(zhì)-場(chǎng)模型，即：

（2）76個(gè)標準解分為5級，每一級下又分為若干個(gè)子級，共計18個(gè)子級，76個(gè)標準解就分布在這18個(gè)子級中。根據所建問(wèn)題的物質(zhì)-場(chǎng)模型，應用76個(gè)標準解解決流程，得到標準解為排除有害作用。如果由某個(gè)場(chǎng)對某物質(zhì)產(chǎn)生了有害作用，可以引入另一物質(zhì)來(lái)吸收有害作用。

（3）依據選定的標準解，得到問(wèn)題的解決方案。標準解為通過(guò)消除干擾電磁場(chǎng)的有害作用排除有害作用。

1.3.3  裁剪

針對功能模型中的有害作用、不足作用及過(guò)剩作用等小問(wèn)題，應用4條裁剪規則直接裁剪。高壓線(xiàn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對管道測量結果有害，對接收機接收測量信號產(chǎn)生不足作用。應用裁剪規則B即如果有用功能的對象自己可以執行這個(gè)有用的功能，那么原來(lái)實(shí)施這個(gè)功能的載體可以被裁剪掉，因此裁剪掉高壓線(xiàn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。通過(guò)裁剪前后功能模型進(jìn)行比對，如圖 4所示。

（a）裁剪前功能模型

（b）裁剪后功能模型

圖 4 裁剪功能模型

2  問(wèn)題的解和現場(chǎng)驗證

2.1  確定最終解

將上述分析得到的方案進(jìn)行匯總，方案匯總如表 4所示。

表 4 方案匯總

依據上面得到的七種創(chuàng )新解，通過(guò)評價(jià)，確定最終解。最終解為使用前對設備進(jìn)行校驗，對測量人員進(jìn)行專(zhuān)業(yè)培訓，在高壓線(xiàn)與管道交叉處增加排流裝置，使用PCM與雷迪接收機相結合的方式，增加輸出功率，增大輸出電流，采取幾根接地釬串聯(lián)方式，使用延長(cháng)線(xiàn)增加接地釬與管道的垂直距離，對接地釬進(jìn)行澆水，降低回路接地電阻，達到最終準確測量管道位置和埋深的目的。

2.2  現場(chǎng)驗證

（1）忠武線(xiàn)潛湘支線(xiàn)潛江段總長(cháng)26公里，附近高壓輸電線(xiàn)路較多，存在較大交流干擾的高壓線(xiàn)點(diǎn)位，該段投用了13套固態(tài)去耦合器加鋅帶排流裝置。

（2）選取110 kV、220 kV兩種類(lèi)型高壓線(xiàn)與管道交叉點(diǎn)位進(jìn)行試驗，交叉角度接近90°。采用雷迪RD8100、PCMX以及PCMX加雷迪組合的方式進(jìn)行測量，測量數據后用70%法進(jìn)行驗證。

（3）測量管道位置及埋深前，對高壓輸電線(xiàn)路與管道交叉處的測試樁、固態(tài)去耦合器進(jìn)行了相關(guān)數據測試。由于該段管道投用了13套排流裝置，故測試點(diǎn)處接地體斷開(kāi)前后管道的交流電壓數值變化相差不大，具體測試數據如表5所示。

表 5 測試樁、固態(tài)去耦合器數據表

對兩處高壓線(xiàn)與管道交叉點(diǎn)位的管道位置及埋深進(jìn)行多種方式測量，得到測量數據如表6所示。

表 6 管道測量數據表

3  結語(yǔ)

對110 kV、220 kV兩種類(lèi)型高壓線(xiàn)進(jìn)行試驗，接收機接收信號比較強，感應電流比較大，數據顯示穩定。PCMX加雷迪組合方式測量管道埋深與70%法驗證的埋深數據基本一致。證明通過(guò)最終解可以準確完成高壓輸電線(xiàn)路與管道交叉處數據測量工作。該最終解可用于高壓輸電線(xiàn)路與管道交叉、管道存在較大交流干擾等異常管段，能有效提高管道測量精度、降低管道位置和埋深不清引起的第三方損壞風(fēng)險。同時(shí)能節省人工開(kāi)挖驗證所需的人力物力財力、降低人工開(kāi)挖過(guò)程中光纜損傷風(fēng)險。

作者簡(jiǎn)介：王劍，1985年生，本科，助理工程師，油氣管道保護工高級技師，長(cháng)期從事油氣管道保護線(xiàn)路管理相關(guān)工作。聯(lián)系方式：19972812780，342429338@qq.com。