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螺旋波紋管要掌握的正確的學(xué)習(xí)方法
摘 要：螺旋波紋鋼管的管與管之間連接一般多采用環(huán)狀波紋抱箍連接管件，但這種連接方法需要將管端頭的螺旋波紋改軋成環(huán)狀波紋，增加改形工序雖然滿足了與壓有環(huán)狀波紋抱箍連接管件相匹配的要求，但是改形工序需要先平復(fù)螺旋波紋再壓制環(huán)狀波紋，螺旋波紋鋼管端頭管壁重復(fù)壓制的結(jié)果，破壞了管壁材料熱鍍鋅鋼帶的防腐層，致使螺旋波紋鋼管耐腐蝕性能降低；本文借助TRIZ理論中的ARIZ算法，闡述了擴(kuò)展螺旋波紋鋼管連接方法的途徑。
關(guān)鍵詞：環(huán)狀波紋抱箍；ARIZ；擴(kuò)展；螺旋波紋鋼管；連接方法；途徑
1 引言
TRIZ解決問(wèn)題一個(gè)重要的步驟就是將領(lǐng)域問(wèn)題轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)領(lǐng)域問(wèn)題解決的困難程度取決于對(duì)該問(wèn)題描述的標(biāo)準(zhǔn)化程度，描述得越清楚，問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)化程度越高，問(wèn)題就越容易解決，創(chuàng)新問(wèn)題的求解過(guò)程就是對(duì)問(wèn)題的不斷描述和不斷向標(biāo)準(zhǔn)化靠近的進(jìn)程。
ARIZ的基本思路是解決發(fā)明問(wèn)題的完整算法，以一套連續(xù)過(guò)程的程序，針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題采用步步緊逼的方法，巧妙地將一個(gè)狀況模糊的原始發(fā)明問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題模型，并構(gòu)想其理想解。其目的是在TRIZ現(xiàn)有工具基礎(chǔ)上組成系統(tǒng)的問(wèn)題解決流程，包括問(wèn)題分析、矛盾確定、方案解評(píng)價(jià)、解決方法改進(jìn)等幾大部分，涵蓋了問(wèn)題解決的全過(guò)程，是TRIZ中最強(qiáng)有力的工具。
2 初步分析算法
ARIZ采用一套邏輯過(guò)程逐步將初始問(wèn)題程式化，將一個(gè)狀況模糊的原始發(fā)明問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，特別強(qiáng)調(diào)矛盾與理想解和程式化，一方面技術(shù)系統(tǒng)向著理想解的方向進(jìn)化，另一方面如果一個(gè)技術(shù)問(wèn)題存在矛盾需要克服，該問(wèn)題就變成了一個(gè)發(fā)明問(wèn)題。應(yīng)用ARIZ取得成功的關(guān)鍵在于沒(méi)有理解問(wèn)題的本質(zhì)前，要不斷地對(duì)問(wèn)題進(jìn)行細(xì)化，一直到確定了物理矛盾。依據(jù)這種結(jié)構(gòu)和規(guī)則形成具有一系列步驟的程序。
1）不使用專業(yè)術(shù)語(yǔ)的條件下，描述當(dāng)前系統(tǒng)的組成。
2）找到問(wèn)題“什么是所提出問(wèn)題的最終目標(biāo)？”的準(zhǔn)確答案。
3）確定在哪一系統(tǒng)解決問(wèn)題，是初始系統(tǒng)還是“變化”系統(tǒng)，建議從問(wèn)題最小化開始解決。
4）最理想情況下想要獲得什么？在這一步驟中需表述出解決方案的最終理想解，最終理想解在于系統(tǒng)自身或其部分保證實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，回答這個(gè)問(wèn)題時(shí)一定要強(qiáng)調(diào)“自身”。
5）在初步分析的這一步驟中應(yīng)確定：障礙是什么？沖突的實(shí)質(zhì)是什么？什么妨礙獲取最終理想解？
6）需要確定：科學(xué)或技術(shù)上論據(jù)充分的具體原因是什么？系統(tǒng)或其他組成部分的什么性能妨礙實(shí)現(xiàn)最終理想解？
7）確定在何種條件下障礙會(huì)消失。
8）如果未能成功地找到問(wèn)題的解決方案，那么，首先建議再次檢查算法步驟的表述，從第二步驟開始，在必要時(shí)重新制定所提出問(wèn)題要實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)，甚至對(duì)系統(tǒng)的其它元件提出最終理想解。如果還是沒(méi)有找到解決方案，那么轉(zhuǎn)到下一步。
3 問(wèn)題描述
以熱鍍鋅鋼帶制做的排水用螺旋波紋鋼管具有耐腐蝕、環(huán)剛度高、成本低、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，但由于管壁呈螺旋波紋結(jié)構(gòu)，管端口處形成非等圓的閉合曲線狀，該怎樣密封與固定？如圖1所示。
目前，螺旋波紋鋼管的管和管之間連接大多采用環(huán)狀波紋抱箍連接管件，這種環(huán)狀波紋抱箍連接管件由帶有鎖緊件的環(huán)狀波紋抱箍套和密封墊板（聚乙烯發(fā)泡板）組成，如圖3所示。使用時(shí)，先在螺旋波紋鋼管接口處包覆聚乙烯發(fā)泡板，再用軋有環(huán)狀波紋的抱箍鎖緊。這種連接方式需先將螺旋波紋鋼管的端頭由螺旋狀波紋改軋成環(huán)狀波紋，如圖2所示。管端頭二次輥壓改形其不足是，增加改形工序需要增添螺旋波紋鋼管端頭改形機(jī)，致使管加工設(shè)備復(fù)雜化；增加改形工序引起耗電上升，致使管制做成本提高；增加改形工序雖然滿足了與軋有環(huán)狀波紋抱箍連接管件相匹配的要求，但是改形工序需要先平復(fù)螺旋波紋再軋制環(huán)狀波紋，螺旋波紋鋼管端頭管壁重復(fù)軋制的結(jié)果，破壞了管壁材料熱鍍鋅鋼帶的防腐層，致使螺旋波紋鋼管耐腐蝕性能降低。
4 解決方案簡(jiǎn)述
1）系統(tǒng)組成：兩根以上待連接的管、連接組件、鋪設(shè)環(huán)境。
2）提出問(wèn)題的最終目的：將單根的管連接成管道。
3）在給定的系統(tǒng)內(nèi)解決問(wèn)題。
4）最終理想解：系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)管材連接。
5）障礙是什么？沖突的實(shí)質(zhì)是什么？什么妨礙獲取最終理想解？障礙原因是兩管端頭對(duì)口處形成非等圓的閉合曲線狀，難以實(shí)現(xiàn)密封連接。
6）阻礙應(yīng)用科學(xué)或技術(shù)的具體原因是什么？（為什么阻礙）管壁呈螺旋波紋結(jié)構(gòu)。
7）在任何條件下障礙消失？可以看出，如果引入X物資，那么障礙就能消失。產(chǎn)生需要引入X物資的新問(wèn)題，但怎么實(shí)現(xiàn)呢？
5 借助ARIZ擴(kuò)展螺旋波紋鋼管連接方法的途徑
5.1問(wèn)題分析
螺旋波紋鋼管在管溝中鋪設(shè)時(shí)，兩管端頭對(duì)口處形成非等圓的閉合曲線，連接時(shí)難以密封管內(nèi)的污水形成滲漏；通常的做法是將管端頭螺旋狀波紋在專門的設(shè)備上二次輥軋為環(huán)狀波紋，使兩管端頭對(duì)口處形成等圓的閉合曲線，容易密封管內(nèi)的污水杜絕滲漏，但管端頭二次輥軋傷害了鍍鋅層，致使管的耐腐蝕性能降低，影響使用壽命。
5.2尋找發(fā)明算法的解決方法
借助ARIZ擴(kuò)展問(wèn)題解決方案的尋找，初步分析問(wèn)題表明，由于管的螺旋波紋結(jié)構(gòu)，難于密封；尋找在不改變管端頭螺旋波紋結(jié)構(gòu)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)管的密封連接途徑。
5.2.1分析問(wèn)題
1）記錄問(wèn)題最小化條件和技術(shù)矛盾
管材連接的技術(shù)系統(tǒng)包括待連接的兩根管、用于連接的組件。技術(shù)系統(tǒng)初步分析表明，管材用于連接的部分是管端頭，管端頭波紋形狀的存在影響連接功能的完成，所以管端頭波紋形狀也是技術(shù)系統(tǒng)的組成部分。技術(shù)系統(tǒng)準(zhǔn)確組成部分應(yīng)該是管、管端頭波紋形狀和連接組件。
根據(jù)系統(tǒng)完備性法則分析系統(tǒng)元件，矛盾通常發(fā)生在工具元件對(duì)產(chǎn)品元件的作用過(guò)程中，需要重點(diǎn)分析工具元件的有用和有害作用。
表述制品與工具的沖突。產(chǎn)品：污水；工具：連接組件。
技術(shù)矛盾1：如果為環(huán)狀波紋的連接組件，那么組件連接不漏污水，但管端頭二次輥壓會(huì)破壞防腐層。
技術(shù)矛盾2：如果為螺旋狀波紋的連接組件，那么組件連接會(huì)滲漏污水，但管端頭不增加二次輥壓不會(huì)破壞防腐層。
2）組建沖突流程圖
沖突流程圖的典型方案：如圖4所示。
3）通過(guò)指出元件極限狀態(tài)來(lái)強(qiáng)化沖突
我們考慮在技術(shù)矛盾2中，用“無(wú)波紋”代替“螺旋波紋”。
強(qiáng)化沖突示意圖，如圖5所示。
4）記錄帶有強(qiáng)化沖突、指出沖突并引入X元素的問(wèn)題模型
給定無(wú)波紋的連接組件、管道中的污水。
帶有無(wú)波紋的連接組件對(duì)管端頭無(wú)破壞性，但連接時(shí)不保護(hù)污水密封性能差。必須找到對(duì)管端頭無(wú)破壞性的同時(shí)消除密封性能差的可能性的X－元素。
5.2.2分析問(wèn)題模型
1）確定操作區(qū)間
操作區(qū)間是問(wèn)題模型中所表述沖突的產(chǎn)生區(qū)域。因此，我們可以通過(guò)改變系統(tǒng)的物理－化學(xué)參數(shù)來(lái)應(yīng)用滿足矛盾要求的方法。
典型方案：我們分析其中一個(gè)方法（36.相變法）
“相變法”運(yùn)用物態(tài)轉(zhuǎn)換（如改變體積、釋放或吸收熱量等）。
這種方法使我們產(chǎn)生思路：連接組件的阻水防滲漏性能應(yīng)該是具有相變的X－元素。
解決方案：具有帶X－元素的連接組件，X－元素是發(fā)泡混凝土，將發(fā)泡混凝土注入由鋼帶護(hù)罩和管外壁形成的環(huán)狀封閉腔室內(nèi)，發(fā)泡混凝土填滿管端頭的螺旋波紋空間，隨時(shí)間和溫度變化逐漸轉(zhuǎn)為固體狀態(tài)，達(dá)到阻水防滲漏功能，實(shí)現(xiàn)管的密封連接。如圖6所示。
解決方案沒(méi)有完全解決所提出的問(wèn)題，密封性能得到解決，但連接的牢固性稍差，況且連接工序復(fù)雜。我們繼續(xù)尋找解決的方案。
2）確定操作時(shí)間
操作時(shí)間是對(duì)操作區(qū)間問(wèn)題模型所表述矛盾要求的時(shí)間間隔。因而我們可以依靠向超系統(tǒng)或子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變來(lái)應(yīng)用消除矛盾法。假設(shè)這一步驟沒(méi)有找到解決方案。
3）確定物－場(chǎng)資源
（1）連接工具的物－場(chǎng)資源：
◆ 管箍套材料；
◆ 形狀；
◆ 聚乙烯發(fā)泡板。
（2）制品的物－場(chǎng)資源：
◆污水；
◆污水的壓力；
◆污水的化學(xué)性質(zhì)。
（3）連接系統(tǒng)的物－場(chǎng)資源：
◆ 待連接的管；
◆ 連接組件。
（4）連接系統(tǒng)外的物－場(chǎng)資源：
◆ 鋼材
◆ 管溝環(huán)境
5.2.3確定最終理想解和物理矛盾
1）最終理想解1
X－元素在不會(huì)引起有害現(xiàn)象（操作區(qū)間及操作時(shí)間內(nèi)密封的同時(shí)不允許破壞防腐層）的同時(shí)，絕對(duì)不能使系統(tǒng)復(fù)雜化。
2）利用物－場(chǎng)資源來(lái)強(qiáng)化表述最終理想解1
應(yīng)用ARIZ解決問(wèn)題時(shí)，應(yīng)表述并記錄最終理想解1的全部強(qiáng)化表述。指出一類資源即可記錄一種表述，所以表述的數(shù)量與所揭示的物－場(chǎng)資源數(shù)量相等。
（1）應(yīng)用系統(tǒng)的物－場(chǎng)資源
◆ 在操作時(shí)間和操作區(qū)間內(nèi)，用管自身做連接組件材料。
解決方案：螺旋波紋管箍。將同口徑的螺旋波紋鋼管截?cái)喑蛇B接長(zhǎng)度，延軸向分割成兩片或三片，焊接緊固件制做成螺旋狀波紋管箍，加密封墊板緊固后實(shí)現(xiàn)連接。如圖7所示。
（2）應(yīng)用連接工具的物－場(chǎng)資源
◆在操作區(qū)間操作時(shí)間內(nèi)，用聚乙烯發(fā)泡板實(shí)現(xiàn)連接和密封。
解決方案：聚乙烯熱收縮帶。將聚乙烯發(fā)泡板改為聚乙烯帶，密封同時(shí)增加了固定功能，實(shí)現(xiàn)管的連接。應(yīng)用技術(shù)為聚乙烯帶內(nèi)面涂膠使之與管熱熔粘合實(shí)現(xiàn)密封，在內(nèi)嵌入增強(qiáng)玻璃纖維長(zhǎng)絲和聚乙烯絲，輻射后制作成聚乙烯熱收縮帶，包覆加熱后，恢復(fù)原長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)抱緊和密封。如圖8所示。
◆在操作區(qū)間操作時(shí)間內(nèi)，用抱箍套自身連接并密封。
解決的方案：電熱熔套管。具有熱收縮功能的“抱箍套”——電熱熔套管。應(yīng)用技術(shù)為電熱熔套管內(nèi)嵌有加熱電阻絲和內(nèi)層熱熔膠，包覆緊固后通電加熱，冷卻后實(shí)現(xiàn)管的密封連接。如圖9所示。
管與連接組件較好地連接和密封，但是解決方案未完全解決所提出的問(wèn)題，我們繼續(xù)尋找解決方案。
5.2.3開發(fā)和應(yīng)用物－場(chǎng)資源
應(yīng)用資源物質(zhì)的混合物解決問(wèn)題的可能性，資源物質(zhì)的混合物：
◆ 鋼材
◆ 螺旋波紋鋼管
◆ 抱箍套
◆ 密封板
1）解決方案：法蘭連接。X－元素是資源物資的混合物不等邊角鋼，用不等邊角鋼制做法蘭替代抱箍套焊接在螺旋波紋鋼管端頭，連接時(shí)加聚乙烯發(fā)泡板用螺絲緊固，實(shí)現(xiàn)連接和密封。如圖10所示。
2）解決方案：對(duì)口壓封連接。X－元素是資源物質(zhì)的混合物抱箍環(huán)，將抱箍套分割為兩個(gè)抱箍環(huán)，連接時(shí)在管對(duì)口處加“工”字形膠圈后鎖緊拉桿螺栓，實(shí)現(xiàn)連接和密封。如圖11所示。
5.2.4 宏觀物理矛盾
最終理想解1是不應(yīng)該有抱箍套，要知道抱箍套是不能完成密封的；但又應(yīng)該有抱箍套，未完成自身功能，只是這個(gè)功能與“常規(guī)抱箍套”的功能相反。
5.2.5 微觀物理矛盾
為了密封管端頭結(jié)構(gòu)不應(yīng)該是螺旋波紋，為了實(shí)現(xiàn)自身連接管端頭結(jié)構(gòu)又應(yīng)該是螺旋波紋。
答案出現(xiàn)，應(yīng)該有這樣一種抱箍套，它應(yīng)該是利用管端頭的螺旋波紋結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)自身旋緊的螺紋抱箍套。
5.2.6最終理想解——管（螺旋波紋結(jié)構(gòu)）自身實(shí)現(xiàn)連接
最終理想解1，X－元素在不會(huì)引起有害現(xiàn)象（操作區(qū)間及操作時(shí)間內(nèi)密封的同時(shí)不允許破壞防腐層）的同時(shí)，絕對(duì)不能使系統(tǒng)復(fù)雜化。
管材在管溝中鋪設(shè)，在沒(méi)有連接時(shí)，系統(tǒng)組成只有待連接的管、周圍環(huán)境（管溝、土）。
解決方案：管端頭螺旋波紋自身旋緊連接。系統(tǒng)物資螺旋波紋鋼管，應(yīng)用技術(shù)為管的一端進(jìn)行擴(kuò)口作為螺母，管另一端作螺栓；也可以在管的一端預(yù)先焊接一截大徑管作為螺母，管另一端作螺栓；利用管自身的螺旋波紋，以螺紋方式旋入，旋緊后實(shí)現(xiàn)密封連接。X－元素為螺旋波紋間包覆的密封膜。如圖12所示。
6 結(jié)論
根據(jù)在螺旋波紋鋼管連接工作中所揭示的缺點(diǎn)，完善螺旋波紋鋼管連接的問(wèn)題表述為：由于管壁呈螺旋波紋結(jié)構(gòu)，管連接對(duì)口處形成非等圓閉合曲線狀，連接時(shí)阻水防滲漏性能差，該怎樣密封與連接？
借助ARIZ分析這個(gè)問(wèn)題后，給出了增加螺旋波紋鋼管連接方法的7個(gè)途徑，其中螺旋波紋管箍、熱收縮帶、電熱熔帶、法蘭4個(gè)作為實(shí)例給出，利用分離法--對(duì)口壓封連接、利用相變法—發(fā)泡混凝土連接（已獲得授權(quán)證書）的解決途徑達(dá)到了方案目標(biāo)，管端頭螺旋波紋自身旋緊連接方法的解決途徑已超出方案目標(biāo)的要求。