應(yīng)用TRIZ理論解決熱工試驗(yàn)技術(shù)問題的研究

趙二雷　熊萬玉

（中核集團(tuán)核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川　成都　610213）

應(yīng)用TRIZ理論解決熱工試驗(yàn)技術(shù)問題的研究

趙二雷熊萬玉

（中核集團(tuán)核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610213）

本研究基于高溫高壓試驗(yàn)回路絕緣與密封技術(shù)上的困難，期望利用TRIZ理論解決這一實(shí)際問題，本文介紹利用TRIZ理論解決高溫高壓絕緣密封問題的研究方案，并對(duì)解決高溫高壓絕緣密封問題的研究方案進(jìn)行了評(píng)估。

TRIZ理論；高溫高壓；絕緣密封

高溫高壓熱工水力試驗(yàn)絕緣與密封通常采用左圖所示的結(jié)構(gòu)。法蘭由絕緣螺栓連接，法蘭間設(shè)置絕緣密封墊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)絕緣帶電管道和密封流體的目的。密封墊采用特制石棉橡膠墊，其穩(wěn)定性和可加工性差，成品率低。隨著超臨界水介質(zhì)試驗(yàn)的需要，這種絕緣密封材料無法滿足試驗(yàn)要求［1］。為滿足熱工水力試驗(yàn)更高要求，需要設(shè)計(jì)能耐更高溫度和壓力的密封絕緣結(jié)構(gòu)。

TRIZ（發(fā)明問題解決理論）由前蘇聯(lián)發(fā)明家Altshuller先生在分析大量專利的基礎(chǔ)上提出，目前在許多發(fā)達(dá)國(guó)家都有應(yīng)用［2］。TRIZ認(rèn)為產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展總是遵循著一定的客觀規(guī)律，而且同一條規(guī)律往往在不同的產(chǎn)品或技術(shù)領(lǐng)域被反復(fù)應(yīng)用。即任何領(lǐng)域的產(chǎn)品改進(jìn)、技術(shù)的變革過程，都是有規(guī)律可循的［3］。因此，如果人們能夠掌握這些規(guī)律，就能能動(dòng)地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)并預(yù)測(cè)產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢(shì)。

2　技術(shù)方案

基于TRIZ 解決發(fā)明問題的核心思想（具體問題→TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題→ TRIZ 通用發(fā)明啟示→實(shí)際解決方案），應(yīng)用Pro/ Innovator新一代計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)。借助其強(qiáng)大的綜合分析工具和源于世界優(yōu)秀專利的創(chuàng)新方案庫，不同工程領(lǐng)域的技術(shù)人員在面臨每一技術(shù)難題時(shí)，可打破思維定勢(shì)、拓寬思路，以全新的視角和思路分析問題，快速得到可操作的高效解決方案。

2.1初始問題描述

該部分介紹如何將原始問題轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于TRIZ軟件能處理的初始問題。采用Pro/Innovator對(duì)我們目前高溫高壓絕緣密封方案建立模型見圖2。

圖2　初始方案示意圖

圖3　有具體條件參數(shù)的初始問題示意圖

高溫高壓絕緣與密封的問題是管內(nèi)部流體具有高壓和高溫，相關(guān)材料容易改性，絕緣性、密封性下降，從而出現(xiàn)滲漏和漏電現(xiàn)象。通過以上分析給出帶有具體條件參數(shù)的初始問題示意圖見圖3。

2.2問題分析與分解

根據(jù)Pro/Innovator創(chuàng)新分析，提出需解決的問題為：electric heating container sealing and insulating，根據(jù)問題建立系統(tǒng)組件模型。

通過對(duì)組件模型進(jìn)行組件價(jià)值分析，發(fā)現(xiàn)理想度指標(biāo)最低的組件是“加熱鋼管”和“電絕緣單元”。從而歸結(jié)出兩個(gè)主要的解題方向：加熱鋼管對(duì)環(huán)境的電流泄漏；電加熱容器密封絕緣存在的問題。

對(duì)問題加熱鋼管對(duì)環(huán)境的電流泄漏（creepage of environment）進(jìn)行分解找出根本子問題。它們分別是“加熱器自身帶電”問題和“高溫高壓條件下電絕緣材料失效”問題。

對(duì)問題高溫高壓密封絕緣電加熱容器（electric heating container sealing and insulating）進(jìn)行分解找出根本子問題。分為三類：電絕緣材料和電絕緣結(jié)構(gòu)引起的問題、密封材料和密封結(jié)構(gòu)引起的問題、以及實(shí)際工況中的設(shè)計(jì)需求引起的問題。

這樣就選定了最終的解題方向－從電絕緣材料、結(jié)構(gòu)以及密封材料和它的結(jié)構(gòu)入手。

2.3解決方案

針對(duì)分析出的解題方向在Pro/Innovator軟件中的解決方案庫和專利查詢模塊進(jìn)行相應(yīng)的檢索，獲得相關(guān)解決方案，結(jié)合實(shí)際問題提出具體解決方案。

2.3.1直流導(dǎo)通法

針對(duì)初始問題，結(jié)合軟件中39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)，通過解決物理矛盾專用的TRIZ解題工具－矛盾矩陣和分離原理的應(yīng)用，將密封問題和絕緣問題實(shí)現(xiàn)空間分離，對(duì)鋼管和外界進(jìn)行絕緣而對(duì)鋼管和加熱器進(jìn)行密封。由此生成全新方案：直流導(dǎo)通法。

直流導(dǎo)通法如圖4所示，中間部分的鋼管作為加熱器接通電源進(jìn)行電加熱。與兩端鋼管件通過密封材料來實(shí)現(xiàn)密封。通過導(dǎo)線和絕緣層來處理泄漏到兩端鋼管處的漏電。

2.3.2場(chǎng)加熱法

在“矛盾屬性空間分離原理”的提示下，提出了創(chuàng)新的解決思路——用場(chǎng)的形式來加熱水，形成解題思路：感應(yīng)電流加熱法。

圖4　直流導(dǎo)通法示意圖

圖5　感應(yīng)電流加熱法示意圖

在圖5中，陶瓷套子作為加強(qiáng)管道用，可以根據(jù)需要加熱管道的長(zhǎng)短，利用創(chuàng)新原理“分割原理”把多個(gè)感應(yīng)線圈串聯(lián)起來，從而滿足對(duì)長(zhǎng)管道的加熱。

2.4密封材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過軟件中矛盾矩陣的運(yùn)用，找到了常用于解決矛盾的4個(gè)創(chuàng)新原理。根據(jù)創(chuàng)新原理－分割原理，形成如6圖所示的解決方案：將密封材料制成的墊圈由扁平型改變成鋸齒型，從而改善了它的密封性能。

根據(jù)上面分析密封材料使用中常常出現(xiàn)的問題，我們將其定義為另一對(duì)通用技術(shù)參數(shù)形成的矛盾：力 -穩(wěn)定性。

通過矛盾矩陣的運(yùn)用，根據(jù)創(chuàng)新原理并依據(jù)局部質(zhì)量原理，如圖7所示的解決方案：采用鋼墊圈來密封，如圖所示，在密封墊圈的局部采用變形層以及不同的密封材料，從而提高密封的可靠性。

圖6　應(yīng)用分割原理制成的密封材料新結(jié)構(gòu)

圖7　應(yīng)用分割原理的鋼墊圈示意圖

3　技術(shù)方案評(píng)估

綜合基于Pro/Innovator的技術(shù)方案，主要是：將絕緣與密封從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分離，比如直流導(dǎo)通法；利用場(chǎng)加熱消除加熱管絕緣問題，例如感應(yīng)電流法和感應(yīng)磁場(chǎng)加熱法；對(duì)絕緣墊片進(jìn)行改進(jìn)，例如復(fù)合絕緣材料。

對(duì)于場(chǎng)加熱法，由于其針對(duì)的只是圓形管道，且其加熱功率的增加將帶來成本急劇增加甚至無法實(shí)現(xiàn)問題，因此認(rèn)為場(chǎng)加熱法對(duì)我們工作的實(shí)際借鑒意義不大。

直流導(dǎo)通法有借鑒意義，我們的試驗(yàn)回路除加熱段外部分管道也是可以帶電的，可以采用絕緣材料與環(huán)境隔離。試驗(yàn)回路帶電對(duì)儀器儀表測(cè)量的影響還需根據(jù)具體試驗(yàn)和回路情況進(jìn)行評(píng)估。

Pro/Innovator的解決方案有一定的借鑒意義，但所提供的解決方法并沒有超出我們以前所考慮的范圍，但我們認(rèn)為TRIZ理論確實(shí)能起到開拓思維，加速發(fā)明的作用。

4　結(jié)語

通過對(duì)Pro/Innovator，利用TRIZ理論對(duì)高溫高壓密封與絕緣問題的解決方案的評(píng)估，得出如下結(jié)論：

4.1針對(duì)直流導(dǎo)通的技術(shù)方案開展進(jìn)一步研究；

4.2TRIZ理論能起到開拓思維，加速發(fā)明的作用。

［1］熊挺，閆曉等.超臨界流動(dòng)不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的通道不對(duì)稱性研究［ J］，原子能科學(xué)技術(shù)，2013，47（11）：62-65.

［2］Altshuller.G..Creativity as an Exact Science，The Theory of the solution of Inventive Problems［m］.Gordon and Breach Science Publishers，New York，1988

［3］牛占文等.發(fā)明創(chuàng)造的科學(xué)方法論—T RIZ［ J］.中國(guó)機(jī)械工程，1999，10（1）：84-89.

本項(xiàng)目受中核集團(tuán)核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放運(yùn)行基金資助，編號(hào)ZSX-41

F272

文章編號(hào)：1003-5168（2015）-12-0128-2