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

摘要：針對(duì)高壓輸電線路與管道交叉處受電磁場(chǎng)干擾導(dǎo)致管道位置和埋深測(cè)量不準(zhǔn)等問(wèn)題，運(yùn)用TRIZ理論以干擾電磁場(chǎng)為研究對(duì)象，采取技術(shù)系統(tǒng)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(yùn)用沖突解決理論、物質(zhì)-場(chǎng)分析及76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量設(shè)備

高壓輸電線路正常運(yùn)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(yīng)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(dǎo)致雷迪RD8200系列等檢測(cè)設(shè)備無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量管道位置和埋深。通過(guò)運(yùn)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(qū)域檢測(cè)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(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(wèn)題解決理論”。該理論是由阿奇舒勒為首的專家通過(guò)專利和案例總結(jié)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(tǒng)分析

（1）定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。問(wèn)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(cè)量管道位置和埋深，實(shí)現(xiàn)該功能的約束為強(qiáng)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(jī)、接收機(jī)、紅黑直連線、接地棒、管道和大地組成。發(fā)射機(jī)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(jī)通過(guò)管道到大地再到接地棒然后回到發(fā)射機(jī)形成一個(gè)回路。通過(guò)發(fā)射機(jī)對(duì)金屬管線施加信號(hào)，在金屬管線中產(chǎn)生電流并在管線周圍產(chǎn)生二級(jí)磁場(chǎng)；通過(guò)接收機(jī)在地面上測(cè)定管線的二次磁場(chǎng)，從而準(zhǔn)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(wèn)題。當(dāng)管道處于強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)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(shí)，管道位置和埋深測(cè)量不準(zhǔn)確或者測(cè)量不出來(lái)。

（4）問(wèn)題出現(xiàn)的條件和時(shí)間。電磁感應(yīng)系統(tǒng)存在管道位置和埋深測(cè)量不準(zhǔn)確或者測(cè)量不出來(lái)的問(wèn)題，只在管道處于強(qiáng)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(diǎn)。降低給定信號(hào)頻率，提高雷迪系統(tǒng)自身的抗干擾能力，缺點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確性下降，在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中無(wú)法滿足測(cè)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(duì)抗強(qiáng)電磁干擾環(huán)境。使用PCM發(fā)射機(jī)與雷迪接收機(jī)組合，增大輸出功率達(dá)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(shù)據(jù)比對(duì)驗(yàn)證；70%測(cè)量法在磁場(chǎng)變形嚴(yán)重、旁側(cè)管線影響比較大時(shí)使用，缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確確定管道位置，測(cè)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(tǒng)的要求。使用現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備在管道與高壓輸電線路交叉等特殊條件下，能夠準(zhǔn)確測(cè)量管道位置及埋深。

1.2  問(wèn)題分析過(guò)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(jìn)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(cè)量不準(zhǔn)確或者測(cè)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(jí)磁場(chǎng)，導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法得到準(zhǔn)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(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(shè)備功率不夠、接地回路電阻過(guò)大，測(cè)量人員方法使用不當(dāng)。

（4）理想解分析。設(shè)計(jì)的最終目的是準(zhǔn)確測(cè)量高壓線下管道位置及埋深。理想解是不進(jìn)行檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)改造就能滿足測(cè)量要求。達(dá)到理想解的障礙是強(qiáng)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(chǎng)特性。不出現(xiàn)這種障礙的條件是消除電磁場(chǎng)干擾，增強(qiáng)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(guò)分析并應(yīng)用TRIZ理論中的九屏幕法對(duì)超系統(tǒng)、當(dāng)前系統(tǒng)和子系統(tǒng)進(jìn)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(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(tǒng)的測(cè)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(chǎng)。然而，這樣做會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的材料損失和能量損失。

（2）轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突。改善的參數(shù)包括測(cè)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(shí)優(yōu)選出以下發(fā)明原理來(lái)提高測(cè)量精度和可靠性。包括1號(hào)（分離法）、3號(hào)（局部質(zhì)量改善法）、5號(hào)（組合法）、10號(hào)（預(yù)先作用法）、25號(hào)（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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)造最小技術(shù)系統(tǒng)的理論和方法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況建立問(wèn)題的物質(zhì)-場(chǎng)模型，即：

（2）76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解分為5級(jí)，每一級(jí)下又分為若干個(gè)子級(jí)，共計(jì)18個(gè)子級(jí)，76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解就分布在這18個(gè)子級(jí)中。根據(jù)所建問(wèn)題的物質(zhì)-場(chǎng)模型，應(yīng)用76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到標(biāo)準(zhǔn)解為排除有害作用。如果由某個(gè)場(chǎng)對(duì)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(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解，得到問(wèn)題的解決方案。標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(yīng)用4條裁剪規(guī)則直接裁剪。高壓線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)管道測(cè)量結(jié)果有害，對(duì)接收機(jī)接收測(cè)量信號(hào)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(duì)象自己可以執(zhí)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，因此裁剪掉高壓線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。通過(guò)裁剪前后功能模型進(jìn)行比對(duì)，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(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)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?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(guò)評(píng)價(jià)，確定最終解。最終解為使用前對(duì)設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)測(cè)量人員進(jìn)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(jī)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(zhǎng)線增加接地釬與管道的垂直距離，對(duì)接地釬進(jìn)行澆水，降低回路接地電阻，達(dá)到最終準(zhǔn)確測(cè)量管道位置和埋深的目的。

2.2  現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

（1）忠武線潛湘支線潛江段總長(zhǎng)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(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兩種類型高壓線與管道交叉點(diǎn)位進(jìn)行試驗(yàn)，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(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)后用70%法進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）測(cè)量管道位置及埋深前，對(duì)高壓輸電線路與管道交叉處的測(cè)試樁、固態(tài)去耦合器進(jìn)行了相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)試。由于該段管道投用了13套排流裝置，故測(cè)試點(diǎn)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(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

表 5 測(cè)試樁、固態(tài)去耦合器數(shù)據(jù)表

對(duì)兩處高壓線與管道交叉點(diǎn)位的管道位置及埋深進(jìn)行多種方式測(cè)量，得到測(cè)量數(shù)據(jù)如表6所示。

表 6 管道測(cè)量數(shù)據(jù)表

3  結(jié)語(yǔ)

對(duì)110 kV、220 kV兩種類型高壓線進(jìn)行試驗(yàn)，接收機(jī)接收信號(hào)比較強(qiáng)，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(cè)量管道埋深與70%法驗(yàn)證的埋深數(shù)據(jù)基本一致。證明通過(guò)最終解可以準(zhǔn)確完成高壓輸電線路與管道交叉處數(shù)據(jù)測(cè)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(cè)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(xiǎn)。同時(shí)能節(jié)省人工開挖驗(yàn)證所需的人力物力財(cái)力、降低人工開挖過(guò)程中光纜損傷風(fēng)險(xiǎn)。

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