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基于TRIZ理论的带压开孔装置加长杆设计

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【摘要】带压开孔设备加长杆装置是应用在地下钢质管道开孔时,在进刀行程量不能满足阀门结构尺寸需求时的一种辅助工具。该装置在实现与带压开孔设备紧密结合的同时,满足了目前市场上所有成型球阀的结构尺寸要求。

【关键词】钢质管道?带压开孔?结构尺寸?加长杆

0引言

当前,国家“一带一路”的战略开发,天然气、原油和自来水等能源在国民经济中的比重越来越高,管道、场站建设逐步形成纵、横、环、网的格局,城市民用、工业用燃气、水管网日趋完善,随着能源勘探、开发的不断深入,天然气长输管道及站场的大量投运[1]。为满足市场供应需求,目前,在管道和容器的运营管理过程中,大量采用放空能源的方式實现管道和容器的建设、维修和开发。自上世纪八十年代从美国引进的带压开孔技术受国内阀门(球阀和闸阀)结构尺寸制约,仅仅在部分天然气和原油的单一“生命线”上得以运用,设备使用效率低。因此,采用更为先进的带压开孔技术实现管网开发和改造尤为重要。解决带压开孔作业过程中的技术关键点,使其适应更为广泛的市场使用空间。本文以TDWT101B型带压开孔机为例展开阐述。

1TDWT101B型带压开孔机的基本工作原理

TDWT101B型带压开孔机属气驱、手动一体的钢质管道带压开孔设备[2]。由于管内介质存在压力,整个开孔作业过程需要制造成密闭受压空间,使用惰性气体按照管内运行压力填充该密闭空间,造成管内外无压差,使得开孔刀具能实现顺利进刀。

2?TDWT101B型带压开孔机受阀门结构尺寸制约的原因分析

TDWT101B型带压开孔机的设计进刀量程为500mm,而埋地球阀成品件因有平衡、放空等连接附件,其结构尺寸达到800mm,即便不考虑管道本身圆周弧度和开孔机中心钻与刀具尺寸差等,也不能满足对进刀量程的需求;而采用结构尺寸较短的闸阀,因在管道母材与阀门之间需要建立压力密封仓,中间加装的管道、法兰与阀门本体尺寸和管道本身圆周弧度和开孔机中心钻与刀具尺寸差之和往往也大于500mm。

3TRIZ理论IFR方法推导

带压开孔系统由管道、阀门及带压开孔设备组成,系统的功能是建立气体流动分支通道。存在的问题是刀具无法在管道上进行开孔作业和卡刀后无法实现自由退刀,限制条件为:带压开孔设备自身进刀杆行程不能满足阀门结构尺寸要求。带压开孔装置设计的最终目标是无需进行带压开孔作业,最终理想解是带压开孔设备自己完成带压开孔作业。达到理想解的障碍是带压开孔设备自身下刀行程不足。出现问题的原因在于埋地焊接式球阀等阀门前后端自带袖管,且袖管上有平衡气孔,其结构长度尺寸大于500mm。消除不利因素方法可以从两个方向入手:一是缩短阀门结构尺寸;二是增加带压开孔设备下刀行程。由于阀门属标准件,不能任意更改其结构和尺寸,因此,选择从增加下刀行程入手。

4TRIZ理论九屏图分析

根据TRIZ理论九屏图分析,未来系统中,解决实现最终理想解的方案可采用能量式带压开孔机替代机械式带压开孔机,即用光、压力等无结构尺寸的能量源代替有限尺寸的机械装置。但是,使用其他能量源实现带压开孔的过程中,能量源延伸的长度必须严格控制在一定范围内(在能满足切割管壁的同时不得对开孔范围以外的管壁造成损伤),开孔后孔板提取要依靠压力或磁力。因此,一方面是需对能量源发射长度进行控制,另一方面,又要保证提取孔板的吸附力不受环境影响。在这个过程中,势必增加系统的复杂程度。对现在系统的子系统组件进行分析,钻杆长度不能自由调节是阻碍实现最终理想解的主要障碍。

5带压开孔设备装置加长杆的设计思路

针对钢质管道带压开孔作业,钻杆加长杆为了满足不同结构尺寸阀门(球阀、闸阀)对带压开孔设备进刀量程需求的增长装置,同时,采用外螺纹连接并增加了定位销孔洞,使其能满足与带压开孔设备的自由、紧密结合;加长杆长度尺寸可参照各类球阀、闸阀的结构尺寸自行做出相应变化后制作。采用内螺纹正丝扣连接开孔刀,当出现卡钻、卡刀故障时,可实现自由拆卸,以达到刀具与开孔机的自由分离目的(图2)。目前,带压开孔设备加长杆装置已获得国家实用新型专利[3]。

6小结

1、带压开孔设备运用到管道运输工业体系中,对助推降低能源损耗有显著效果。

2、针对开孔设备的进刀行程不足,运用TRIZ理论IFR及九屏图工具,以问题导向为切入点,分析出最简单可行的以增长进刀行程长度解决原有矛盾的方法。

3、经现场验证,方案可行。同时,随着科技发展、高新技术的日趋完善,能量式带压开孔装置必将得以实现和大量投入实际应用。。

参考文献:

[1]施佳敏.一带一路战略下跨国石油天然气合作问题及对策研究[J].中国经贸,2015,000(017):34-35.

[2]李树强,刘大奎,杜力荣,等.T

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