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

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；高壓輸電線路；最終理想解；管道埋深；測量設(shè)備

 

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

1  基于TRIZ理論分析問題

TRIZ是原俄文轉(zhuǎn)換成拉丁文的首字母縮寫，英文全稱是Theory of the Solution of Inventive Problems，譯成中文為“發(fā)明問題解決理論”。該理論是由阿奇舒勒為首的專家通過專利和案例總結(jié)出來的解決創(chuàng)造發(fā)明問題的理論體系。

1.1  技術(shù)系統(tǒng)分析

（1）定義技術(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能。問題所在的技術(shù)系統(tǒng)為電磁感應(yīng)系統(tǒng)，該技術(shù)系統(tǒng)的功能是測量管道位置和埋深，實現(xiàn)該功能的約束為強電磁干擾。

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

（3）當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問題。當(dāng)管道處于強電磁干擾的環(huán)境中時，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，具體表現(xiàn)為當(dāng)管道與高壓輸電線路交叉時，管道位置和埋深測量不準確或者測量不出來。

（4）問題出現(xiàn)的條件和時間。電磁感應(yīng)系統(tǒng)存在管道位置和埋深測量不準確或者測量不出來的問題，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(xiàn)有解決方案及其缺點。降低給定信號頻率，提高雷迪系統(tǒng)自身的抗干擾能力，缺點是測量準確性下降，在強電磁干擾環(huán)境中無法滿足測量要求。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的15倍，缺點是只有640HZ一個頻率可以使用，缺少數(shù)據(jù)比對驗證；70%測量法在磁場變形嚴重、旁側(cè)管線影響比較大時使用，缺點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，缺點是成本比較高。

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

1.2  問題分析過程

（1）功能分析。結(jié)合系統(tǒng)分析的內(nèi)容（表 1），建立已有系統(tǒng)功能模型（圖 1）并進行分析，明確了系統(tǒng)元件及其之間的相互關(guān)系，并得出導(dǎo)致管道位置和埋深測量不準確或者測不出來等問題的功能因素。其中，干擾電磁場會影響二級磁場，導(dǎo)致接收機無法得到準確的管道位置及埋深。

表 1 系統(tǒng)分析內(nèi)容

圖 1 系統(tǒng)功能模型

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

圖 2 因果分析圖

（3）問題關(guān)鍵點確定。包括其他電磁場干擾，設(shè)備功率不夠、接地回路電阻過大，測量人員方法使用不當(dāng)。

（4）理想解分析。設(shè)計的最終目的是準確測量高壓線下管道位置及埋深。理想解是不進行檢測設(shè)備系統(tǒng)改造就能滿足測量要求。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(xiàn)這種障礙的結(jié)果是高壓線的固有電磁場特性。不出現(xiàn)這種障礙的條件是消除電磁場干擾，增強設(shè)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(shè)備、優(yōu)化接地等。

（5）系統(tǒng)內(nèi)部可用資源分析（表 2），經(jīng)過分析并應(yīng)用TRIZ理論中的九屏幕法對超系統(tǒng)、當(dāng)前系統(tǒng)和子系統(tǒng)進行分析，并繪制了九屏圖（圖 3）。

表 2 系統(tǒng)內(nèi)部資源

圖 3 九屏圖

1.3  問題求解過程

1.3.1  沖突解決理論

（1）沖突描述。為了提高系統(tǒng)的測量精度和可靠性，需要增加排流裝置、提高設(shè)備可靠性、增大設(shè)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。然而，這樣做會導(dǎo)致系統(tǒng)的材料損失和能量損失。

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

（3）根據(jù)沖突矩陣推薦的解決技術(shù)矛盾的發(fā)明原理，結(jié)合專業(yè)知識優(yōu)選出以下發(fā)明原理來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(yù)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)-場分析及76個標準解

（1）所謂物質(zhì)-場分析法，是指從物質(zhì)和場的角度來分析和構(gòu)造最小技術(shù)系統(tǒng)的理論和方法。根據(jù)現(xiàn)場情況建立問題的物質(zhì)-場模型，即：

（2）76個標準解分為5級，每一級下又分為若干個子級，共計18個子級，76個標準解就分布在這18個子級中。根據(jù)所建問題的物質(zhì)-場模型，應(yīng)用76個標準解解決流程，得到標準解為排除有害作用。如果由某個場對某物質(zhì)產(chǎn)生了有害作用，可以引入另一物質(zhì)來吸收有害作用。

（3）依據(jù)選定的標準解，得到問題的解決方案。標準解為通過消除干擾電磁場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、不足作用及過剩作用等小問題，應(yīng)用4條裁剪規(guī)則直接裁剪。高壓線產(chǎn)生的電磁場對管道測量結(jié)果有害，對接收機接收測量信號產(chǎn)生不足作用。應(yīng)用裁剪規(guī)則B即如果有用功能的對象自己可以執(zhí)行這個有用的功能，那么原來實施這個功能的載體可以被裁剪掉，因此裁剪掉高壓線產(chǎn)生的電磁場。通過裁剪前后功能模型進行比對，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  問題的解和現(xiàn)場驗證

2.1  確定最終解

將上述分析得到的方案進行匯總，方案匯總?cè)绫?#8197;4所示。

表 4 方案匯總

依據(jù)上面得到的七種創(chuàng)新解，通過評價，確定最終解。最終解為使用前對設(shè)備進行校驗，對測量人員進行專業(yè)培訓(xùn)，在高壓線與管道交叉處增加排流裝置，使用PCM與雷迪接收機相結(jié)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，使用延長線增加接地釬與管道的垂直距離，對接地釬進行澆水，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(xiàn)場驗證

（1）忠武線潛湘支線潛江段總長26公里，附近高壓輸電線路較多，存在較大交流干擾的高壓線點位，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兩種類型高壓線與管道交叉點位進行試驗，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行測量，測量數(shù)據(jù)后用70%法進行驗證。

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

表 5 測試樁、固態(tài)去耦合器數(shù)據(jù)表

對兩處高壓線與管道交叉點位的管道位置及埋深進行多種方式測量，得到測量數(shù)據(jù)如表6所示。

表 6 管道測量數(shù)據(jù)表

3  結(jié)語

對110 kV、220 kV兩種類型高壓線進行試驗，接收機接收信號比較強，感應(yīng)電流比較大，數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定。PCMX加雷迪組合方式測量管道埋深與70%法驗證的埋深數(shù)據(jù)基本一致。證明通過最終解可以準確完成高壓輸電線路與管道交叉處數(shù)據(jù)測量工作。該最終解可用于高壓輸電線路與管道交叉、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。同時能節(jié)省人工開挖驗證所需的人力物力財力、降低人工開挖過程中光纜損傷風(fēng)險。

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