應用TRIZ理論解決大型反應器管板焊接變形問題

單 丹*

（太重（天津）濱海重型機械有限公司）

0 引言

隨著技術快速發展，并綜合考慮經濟性，大型化的高參數化工容器不斷在化學、石油、化工等領域被設計開發，這也對該類壓力容器的制造提出了更高要求。過去受到機械設備加工能力和技術的限制，國內大型設備的生產比較困難，基本以進口為主。近年來，隨著我國裝備業制造水平不斷提高，大型設備國產化已成為必然趨勢。

TRIZ 是俄羅斯學者 Genrich S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）在海軍專利評審機構評審專利期間，研究了成千上萬項發明專利后提出的發明問題的解決理論，TRIZ 理論是一種創新方法。應用TRIZ 方法可以有效結合其他領域的科學知識，創新性地解決原領域技術難題。

某公司大型反應器在制造過程中，筒體與管板的組焊使管板密封面產生嚴重變形。利用TRIZ 理論對有效控制焊接變形問題進行分析和求解，并給出了該問題的解決方案。

1 問題描述

某項目大型反應器的結構為固定雙管板式換熱器，內部換熱管由隔板支撐。設備的外形尺寸為 6 200 mm，總長為14 300 mm。設備本體質量為420 300 kg，換熱管數量為16 055 根。設備主要分為五個部分：上下封頭組件，殼側筒體組件，上下管板，管束及管箱筒體組件，如圖1 所示。該設備管板為整體鍛件，并堆焊S31603。管板與管道采用強度焊和貼脹連接結構，管板與殼側筒體及管箱筒體的連接采用對接焊接結構。其中，當管板與筒體組焊時，管板面易出現較大的拱形或者波浪變形，同時，管孔產生變形和移位，無法順利穿孔，降低了結構承載能力，影響構件美觀和尺寸精度。故需控制管板變形量，要求管板內凹、外凸偏差小于2 mm。

2 問題分析

在設計科學的研究過程中，產品設計首先由工作原理確定，而構思工作原理的關鍵，是滿足產品的功能要求。功能的實現方式是不斷變化（進化）的。TRIZ 理論總結為：功能是產品存在的目的，所有的功能都可以分解為3 個基本元件，即元件、制品、超系統。對管板焊接變形問題進行功能分析，問題所在系統為管板與筒體的組焊。該系統的功能為控制管板變形量。該系統功能的3 個基本元件可見表1，并建立系統的功能模型，如圖2 所示。通過功能模型分析，描述了系統元件及其之間的相互關系，并得出管板變形問題的功能因素，如圖3 所示。通過功能分析，得出焊接線能量和熔敷金屬填充量起過度作用，輔助措施是不足作用，施焊順序和焊接方向是有害作用。

圖3 功能因素匯總

為了進一步了解問題的本質，找到問題的根本原因，采用因果鏈分析法，對問題進行因果分析，結果如圖4 所示。并將需進一步解決或消除的可控原因稱為關鍵原因。最終確定無輔助措施、焊接線能量大、熔敷金屬填充量多、拘束度不均衡是4 個問題關鍵點。

圖4 因果鏈分析

3 TRIZ工具選擇及問題求解

根據TRIZ 理論解決技術問題的一般流程，將一個問題的多個問題關鍵點從不同角度描述，利用沖突解決工具、標準解工具、系統進化法則等多種TRIZ工具求解，最終可以得到多個可行性方案。

3.1 技術沖突（問題關鍵點1）

以問題關鍵點1“無輔助措施”為入手點解決問題，該問題可用技術沖突來描述：為了增強管板的剛性，需要增加輔助工裝（常用筒體內焊接固定板），但這樣做會導致拆除打磨返修工作量大，耗時耗力，增加成本。將問題轉換成TRIZ 標準沖突，根據TRIZ理論39 個通用工程參數，改善的參數選取14 強度，惡化的參數選取36 系統的復雜性。查沖突矩陣表，得到發明原理：2 抽取原理、13 反向作用原理、25自服務原理、28 機械系統替代原理。根據查得的發明原理，經過專業知識的具體化，找到解決問題的可行性方案，詳見表2。

表2 可行性方案

3.2 物理沖突（問題關鍵點2）

以問題關鍵點2“焊接線能量大”為入手點解決問題，該問題可用物理沖突來描述：考慮到該參數“焊接線能量”在不同的“空間”（空間、時間段、不同條件、系統層次）具有不同的特性，因此該沖突可以從“空間”（空間、時間、條件、整體與部分）上進行分離。選用4 條分離原理（空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體與部分分離）當中的“空間分離”原理，得到可行性方案，詳見表3。

表3 可行性方案

3.3 技術沖突（問題關鍵點3）

以問題關鍵點3“熔敷金屬填充量多”為入手點解決問題，該問題可用技術沖突描述：為了增加焊接牢固性，需要較大的熔敷金屬填充量，但這樣做會導致焊接角變形大，不易控制。

將問題轉換成TRIZ 標準沖突，改善的參數選取13 穩定性，惡化的參數選取14 強度。查沖突矩陣表，得到發明原理：9 預先反作用原理、15 動態特性原理、17 空間維數變化原理。

根據查得的發明原理，經過專業知識的具體化，找到解決問題的可行性方案，詳見表4。

表4 可行性方案

3.4 物質-場分析（問題關鍵點4）

以問題關鍵點4“拘束度不均衡”為入手點解決問題。TRIZ 理論認為，所有的功能都可以分解為兩種物質和一種場，即一種功能由兩種物質及一種場的三個要素組成，分別是目標、工具及其相互作用（場）。通過建立物質-場模型，用標準解工具解決問題。筒體與管板施焊時，由于相關零件組裝順序、施焊順序、焊接方向的選擇不當，造成相關零件對管板產生壓應力，管板拘束度不均衡，造成管板變形。針對該問題建立物質-場模型，如圖5 所示。

圖5 物質-場模型

應用TRIZ 標準解解決流程，得到1.2.2（No.10）、1.2.3（No.11）、1.2.4（No.12）標準解。并依據選定的標準解，得到了問題的可行性方案及新物質-場模型，詳見表5。

表5 可行性方案及新物質-場模型

3.5 進化法則（問題關鍵點2）

以問題關鍵點2“焊接線能量大”為入手點解決問題。TRIZ 理論認為，技術系統的進化不是隨機的，而是遵循一定的客觀規律，即任何產品，其工藝或技術都在隨著時間由低級向著更高級的方向發展和進化，并總結為八大進化定律。

管板與筒體焊接采用埋弧焊。埋弧焊技術進化發展大致為：雙絲焊→三絲焊→多絲焊→帶極焊→金屬粉末埋弧焊→冷絲和熱絲填絲埋弧焊→窄間隙焊。對其進化過程進行分析，選擇技術進化法則“提高動態性定律”和技術進化路線：“路線4-2 增加系統狀態進化路線”。按照選定的技術進化路線，判斷現有技術系統在進化路線上的位置，進而確定潛力狀態，如圖6 所示，最終得到可行性方案十一為：針對厚板對接接頭，開發研究窄間隙焊接技術，采用小直徑焊絲、小電流，熱輸入量低。

圖6 系統進化路線

4 方案評估

基于TRIZ 理論，對管板焊接變形問題進行分析，利用TRIZ 解題工具得到了11 個可行性方案。對上述方案進行經濟性與性能評估,詳見表6。

表6 可行性方案評估

通過對上述方案進行評價，最終方案確定為：（1）施焊前預先加熱，這樣可降低焊接冷卻時在厚度方面的溫度差和應力差，同時安裝外置防焊接變形工裝，增加管板剛性。（2）施焊過程應嚴格按照工藝要求。在打底焊和前幾道次焊接時，采用SMAW 焊接方法，剩余焊縫采用SAW 填充蓋面焊。管板與殼側筒體、管箱筒體組裝后，同時對稱交替焊接。使得兩側環縫的焊接收縮應力相互平衡，進一步減小變形的產生。對于兩處環焊縫使用分段焊接的方法，對不同層次的焊縫進行處理。每個焊縫之間要相互分開，從兩端往中間使用交叉焊接的方法進行焊接。各個焊縫之間應互相錯開180 °。即兩端各焊一層，交替操作，直至焊完。（3）施焊后進爐熱處理，消除殘余熱應力，減小變形程度。該方案已應用于實際生產制造，可有效控制管板焊接變形問題，大大提高了生產效率，獲得了較好的經濟效益。

5 結論

運用TRIZ 理論，對大型反應器管板焊接變形問題進行分析求解，發現且存在著更多解決思路。以此為指導，創新性地提出一種解決方案，實踐證明該方案可行。TRIZ 使技術創新過程由以往憑借經驗和“頭腦風暴”，變成按照技術規律進行，極大幫助地設計人員拓寬思路，多角度思考，創新解決問題。TRIZ方法可為新產品、新技術的創新與應用提供科學的理論指導，可幫助企業解決實際生產問題。