基于TRIZ理論的參比電極密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

田 靜，李治民，陳曙彤，岳文博

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

TRIZ 是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)演變規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)，技術(shù)系統(tǒng)演變的8個(gè)模式、39個(gè)通用工程參數(shù)、40 條發(fā)明原理、39×39 沖突解決矩陣、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明問題解決算法以及工程知識(shí)效應(yīng)庫等一同構(gòu)成了TRIZ的理論與方法體系［1-2］。

TRIZ 理論中產(chǎn)品進(jìn)化過程就是不斷解決產(chǎn)品所存在沖突的過程，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中不斷地發(fā)現(xiàn)并解決沖突，TRIZ 是推動(dòng)其向理想化方向進(jìn)化的動(dòng)力。技術(shù)沖突是典型的工程妥協(xié)問題，即當(dāng)提高系統(tǒng)某一技術(shù)特性參數(shù)時(shí)，另一特性參數(shù)會(huì)惡化。TRIZ 創(chuàng)新原理的核心就是解決技術(shù)系統(tǒng)中存在的沖突，沖突解決矩陣是解決技術(shù)沖突的有效工具，由TRIZ 研究者通過專利分析確定的39 個(gè)通用工程參數(shù)和40 條發(fā)明原理及它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系組成，一旦技術(shù)問題抽象成技術(shù)沖突的形式，就要用該問題所處的技術(shù)領(lǐng)域中的特定術(shù)語描述這個(gè)沖突，然后將這個(gè)沖突轉(zhuǎn)換成TRIZ 的通用工程參數(shù)，最后由通用工程參數(shù)在技術(shù)沖突解決矩陣中選擇可用的發(fā)明原理。

1 陽極保護(hù)分布器現(xiàn)狀

陽極保護(hù)槽管式分布器是硫酸裝置干吸塔廣泛使用的高效分布器，其制作成本相對(duì)較低，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行安全可靠，主要由分酸主管、分酸支管、分酸槽、降液管組成，形成了兩極分酸系統(tǒng)。濃硫酸從塔外酸管道進(jìn)入干吸塔內(nèi)分酸主管，通過分酸主管分流到各分酸支管，經(jīng)節(jié)流孔板由T字形分酸支管引入分酸槽內(nèi)，完成一級(jí)分酸；硫酸通過重力緩緩流入分酸槽，槽內(nèi)液面緩慢地勻速上升，分酸槽之間用連通管連接，保證了液面的平穩(wěn)性和等高性，當(dāng)硫酸液面到達(dá)降液管溢流口范圍時(shí)，以溢流的形式連續(xù)、平緩地進(jìn)入降液管內(nèi)，均勻地噴灑在填料層中，完成二級(jí)分酸，其中分酸槽由酸槽和降液管組成，降液管與分酸槽之間采用先脹后焊的焊接方式，穿過槽底約200 mm直接埋進(jìn)填料層。

降液管是陽極保護(hù)濃硫酸分布器的關(guān)鍵部件之一，它的分布點(diǎn)密度、分布點(diǎn)幾何均勻性以及分布點(diǎn)間流量的均勻性對(duì)濃硫酸分布器的均勻性起著至關(guān)重要的作用，是完成第二級(jí)分酸的重要部件；同時(shí)降液管材料必須具有良好的機(jī)械加工性能，容易實(shí)施陽極保護(hù)，性價(jià)比優(yōu)越。因此，降液管在濃硫酸分布過程中的耐腐蝕性研究顯得十分必要。筆者運(yùn)用TRIZ 功能模型分析、TRIZ 沖突解決原理和發(fā)明原理，對(duì)濃硫酸分布器組成關(guān)系進(jìn)行了分析，確定出降液管電位超出保護(hù)范圍、參比電極的密封情況是造成降液管腐蝕的直接原因，并針對(duì)降液管在濃硫酸分布過程中出現(xiàn)的問題提出了解決方案，保證降液管在設(shè)備運(yùn)行過程中具有可靠性和安全性。

2 問題改進(jìn)

2.1 問題描述

陽極保護(hù)濃硫酸分布器是結(jié)合普通304L/316L不銹鋼在濃硫酸中實(shí)施陽極保護(hù)時(shí)所體現(xiàn)的優(yōu)良耐蝕性能開發(fā)出的一種濃硫酸分布裝置。316L在80 ℃、w（H2SO4）98%的濃硫酸溶液中的年腐蝕量為0.3～0.5 mm，施加陽極保護(hù)后，濃硫酸設(shè)備的使用溫度≤95 ℃，年腐蝕量降至0.03 mm，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要以此類技術(shù)為主。陽極保護(hù)濃硫酸分布器腐蝕與內(nèi)部件安裝、使用廠家的操作、硫酸的品質(zhì)、電位的控制等因素有極大關(guān)系，在多年的使用過程中發(fā)現(xiàn)，陽極保護(hù)濃硫酸分布器的腐蝕部件基本為降液管，而其他部件保護(hù)良好，使用年限較長(zhǎng)，這主要是由于：

（1）通過對(duì)降液管腐蝕原因分析發(fā)現(xiàn)，降液管采用316L 材質(zhì)，垂直分布在分酸槽中，直接受到濃硫酸的沖刷腐蝕，受到高溫SO3氣體及進(jìn)塔酸溫的雙重作用，降液管壁溫會(huì)高于進(jìn)塔酸溫，同時(shí)隨著溫度的提高，316L 不銹鋼在w（H2SO4）98%的濃硫酸溶液中的致鈍電流密度、維鈍電流密度均隨之增加，維鈍電位區(qū)間縮小，導(dǎo)致降液管遠(yuǎn)端部的電位不易控制在保護(hù)區(qū)內(nèi)，使腐蝕率呈幾何倍數(shù)增長(zhǎng)，腐蝕速率急劇上升。

（2）濃硫酸分布器主要位于干吸塔頂部，塔內(nèi)充滿酸霧，在長(zhǎng)期的腐蝕與沖刷下，很容易將螺栓表面的不銹鋼腐蝕產(chǎn)生孔隙，另外參比電極主要使用螺栓螺母聯(lián)接，在員工的安裝操作中耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，必須雙手將螺母擰緊，極易出現(xiàn)人為因素導(dǎo)致參比電極結(jié)構(gòu)密封不良，這些情況最終導(dǎo)致參比電極處發(fā)生泄漏腐蝕，使陽極保護(hù)電位信號(hào)處于失真狀態(tài)，進(jìn)而致使降液管不在陽極保護(hù)范圍內(nèi)造成嚴(yán)重腐蝕。除此以外，螺栓螺母在裝配線上極易丟失，影響安裝、維修進(jìn)度；企業(yè)產(chǎn)品的售后服務(wù)上也必須為分酸器檢修中參比電極的拆裝準(zhǔn)備螺栓螺母。

2.2 沖突分析問題一和具體方案實(shí)施

對(duì)問題一進(jìn)行沖突分析，將一般領(lǐng)域問題描述轉(zhuǎn)換成39 項(xiàng)工程參數(shù)中的2 項(xiàng)，即轉(zhuǎn)化為TRIZ 標(biāo)準(zhǔn)化問題，見圖1沖突分析。仔細(xì)研究此問題可以發(fā)現(xiàn)，首先需要改善的是維鈍電位的可靠性，所以選擇27 號(hào)工程參數(shù)可靠性為改善的參數(shù)。陽極保護(hù)分布器降液管腐蝕產(chǎn)生的因素主要是由于當(dāng)酸溫提高時(shí)316L 不銹鋼在濃硫酸中致鈍電流密度、維鈍電流密度均隨之增加，維鈍電位區(qū)間縮小，導(dǎo)致降液管遠(yuǎn)端部的電位不易控制在陽極保護(hù)范圍內(nèi)，導(dǎo)致腐蝕速率急劇上升，所以選擇36 號(hào)工程參數(shù)可靠性為惡化的參數(shù)。

圖1 沖突分析

根據(jù)得到的兩個(gè)工程參數(shù)，改善參數(shù)27 維鈍電位區(qū)間的可靠性，惡化參數(shù)36 系統(tǒng)的復(fù)雜性，查閱阿奇舒勒矩陣，得到相對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理信息。（1）發(fā)明原理1分割：①將一個(gè)對(duì)象分成多個(gè)相互獨(dú)立的部分；②將物體分成容易組裝（或組合）和拆卸的部分；③增加對(duì)象的分隔程度。（2）發(fā)明原理13 反向作用：①用與原來相反的作用實(shí)現(xiàn)相同的目的；②讓物體或環(huán)境中可動(dòng)的部分不動(dòng)，不動(dòng)部分可動(dòng)；③讓對(duì)象“顛倒”過來。（3）發(fā)明原理35 參數(shù)變化：①改變對(duì)象的物理聚集狀態(tài)；②改變對(duì)象的密度、黏度、濃度、柔性、溫度。綜合以上3條發(fā)明原理，其中1號(hào)、13號(hào)原理對(duì)該問題的徹底解決指導(dǎo)意義不大，而35號(hào)參數(shù)變化原理是解決該問題最有價(jià)值的發(fā)明原理，詳見表1矛盾矩陣。

表1 改善參數(shù)27與惡化參數(shù)36所得出的發(fā)明原理

通過沖突分析發(fā)現(xiàn)：降液管長(zhǎng)度約為700 mm，在400 mm 處按照一定角度彎曲，這種細(xì)長(zhǎng)彎曲結(jié)構(gòu)中陽極保護(hù)電位不易分布到遠(yuǎn)端部也就是彎曲處，使得降液管陽極保護(hù)電位遠(yuǎn)離槽電位，超出了陽極保護(hù)電位的有效范圍-100 ～600 mV；隨后在整個(gè)陽極保護(hù)實(shí)施過程中，將原電位設(shè)定值降低100 mV，放大電位的陽極保護(hù)范圍，保證降液管近端處、遠(yuǎn)端處電位均在有效保護(hù)區(qū)，該方法已進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

2.3 沖突分析問題二和具體方案實(shí)施

2.3.1 建立功能模型

對(duì)陽極保護(hù)分布器的整個(gè)流動(dòng)過程和陽極保護(hù)實(shí)施過程進(jìn)行功能模型分析，詳見圖2陽極保護(hù)分布器的功能模型。分析發(fā)現(xiàn)：參比電極的密封結(jié)構(gòu)、操作人員的安裝、電位的施加范圍均是造成降液管腐蝕的因素，而參比電極的密封結(jié)構(gòu)對(duì)降液管腐蝕的影響尤為顯著，存在較大的人為因素。因此該問題需要相對(duì)獨(dú)立的解決參比電極的密封問題，即可解決降液管的腐蝕。

圖2 陽極保護(hù)分布器的功能模型

2.3.2 沖突分析問題二和密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

變更前的參比電極安裝需要將參比電極基座、參比電極壓緊板、參比電極密封罩、密封墊片、基座法蘭逐級(jí)采用螺柱螺母連接，然后從密封罩頂部引出一根穿線鋼管穿入陽極保護(hù)線纜接線，并在塔外采用密封蓋螺栓進(jìn)行3次密封。整個(gè)過程至少需要進(jìn)行三級(jí)密封連接，第一級(jí)密封作用是壓緊參比電極，防止塔內(nèi)酸霧和煙氣進(jìn)入腐蝕參比電極接線處造成電位波動(dòng)；第二級(jí)密封作用是防止塔內(nèi)酸霧和煙氣泄漏腐蝕線纜表面；第三級(jí)密封作用是固定鋼管并引出四氟管線纜，防止塔內(nèi)煙氣和酸霧泄漏出塔，具體結(jié)構(gòu)詳見圖3。整個(gè)參比電極密封安裝過程需施工隊(duì)多個(gè)部門配合完成，這種方式會(huì)因人為安裝密封不嚴(yán)發(fā)生漏酸腐蝕，裝配過程煩瑣，消耗工時(shí)較長(zhǎng)，安裝過程中零件極易丟失。

圖3 原參比電極密封結(jié)構(gòu)

問題二需要改善的參數(shù)是生產(chǎn)效率，可以通過變更固定聯(lián)接方式以達(dá)到提高生產(chǎn)率的目的；螺栓螺母的聯(lián)接方式雖然比較煩瑣，但是由于有國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)件，全球基本都可以找到其相對(duì)應(yīng)的零配件，其可維修程度相對(duì)較高，因此如果更改則必將惡化其可維修性即34號(hào)惡化的參數(shù)。

根據(jù)得到的兩個(gè)工程參數(shù)，改善參數(shù)39 生產(chǎn)率，惡化參數(shù)34 可維修性，查閱阿奇舒勒矩陣可以得到以下發(fā)明原理信息。（1）發(fā)明原理1 分割：①將一個(gè)對(duì)象分成多個(gè)相互獨(dú)立的部分；②將物體分成容易組裝（或組合）和拆卸的部分；③增加對(duì)象的分隔程度。（2）發(fā)明原理32 顏色改變：①改變物體或其周圍環(huán)境的顏色；②改變難以觀察的物體或過程的透明度或可視性；③采用有顏色的添加劑，使不易觀察的物體或過程容易觀察到；④如果已經(jīng)加入了顏色添加劑，則借助發(fā)光跡線追蹤物質(zhì)。（3）發(fā)明原理10 預(yù)先作用：①事先完成部分或全部的動(dòng)作或功能；②在方便的位置預(yù)先安置物體，使其在第一時(shí)間發(fā)揮作用，避免時(shí)間的浪費(fèi)。（4）發(fā)明原理25 自服務(wù)：①使物體具有自補(bǔ)充和自恢復(fù)功能以完成自服務(wù)；②利用廢棄的資源、能量或物資，結(jié)果見表2 矛盾矩陣。綜合以上4 條發(fā)明原理，其中1號(hào)、32號(hào)、25號(hào)原理對(duì)解決該問題基本沒有幫助，而10 號(hào)預(yù)先作用原理是解決該問題最有價(jià)值的發(fā)明原理。

表2 改善參數(shù)39與惡化參數(shù)34所得出的發(fā)明原理

通過沖突分析發(fā)現(xiàn)：密封不良會(huì)造成參比電極發(fā)生泄漏腐蝕，主要是由于陽極保護(hù)電位信號(hào)處于失真狀態(tài)，導(dǎo)致降液管不在陽極保護(hù)范圍而在短時(shí)間內(nèi)加劇腐蝕。根據(jù)發(fā)明原理10 號(hào)預(yù)先作用得到啟發(fā)，在不改變現(xiàn)有密封、固定的特點(diǎn)下，改變連接處的接口方式，可以將參比電極設(shè)計(jì)為自身帶有螺栓的自鎖模式結(jié)構(gòu)形式，具體結(jié)構(gòu)詳見圖4。參比電極外四氟與四氟套管焊接，陽極保護(hù)線纜通過螺絲固定在參比電極上，其他部位均在出廠前通過螺栓形式制作為一體，連接處相應(yīng)設(shè)有螺紋，在現(xiàn)場(chǎng)只需將一體式參比電極從陰陽極接線管引出，塔外引出密封蓋壓緊，然后從密封蓋抽出陽極保護(hù)線纜進(jìn)行接線。這種結(jié)構(gòu)改變了原有的法蘭墊圈式密封，提前將參比電極、密封結(jié)構(gòu)及陽極保護(hù)接線在出廠時(shí)提前預(yù)備完畢，無須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行逐個(gè)零件的密封及接線，極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)效率。

圖4 新參比電極密封結(jié)構(gòu)

新結(jié)構(gòu)的參比電極完全符合實(shí)際生產(chǎn)的需要，其操作過程相對(duì)于原有固定螺栓安裝，大為簡(jiǎn)易，安裝時(shí)間僅為原先的15%左右；其密封固定效果完全優(yōu)于改進(jìn)前，符合實(shí)際需要，它的自鎖結(jié)構(gòu)密封嚴(yán)密，整體切合，強(qiáng)度高，聯(lián)接穩(wěn)定，使整個(gè)安裝符合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作任性化的設(shè)計(jì)要求；此外，參比電極的密封結(jié)構(gòu)由原來的零件式改造為一體式后，在運(yùn)輸、安裝操作過程中避免了零件缺失等問題。該結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，密封效果明顯，再未出現(xiàn)由于參比電極密封泄漏導(dǎo)致陽極保護(hù)信號(hào)失真而發(fā)生的降液管腐蝕情況。

3 結(jié)論

利用TRIZ 沖突解決原理，對(duì)濃硫酸分布過程中導(dǎo)致降液管發(fā)生腐蝕的因素進(jìn)行了細(xì)致的分析，將實(shí)際存在的問題矛盾TRIZ 化，構(gòu)造了通用工程參數(shù)，根據(jù)改善的參數(shù)和惡化的參數(shù)建立阿奇舒勒矛盾矩陣，根據(jù)阿奇舒勒矩陣得出發(fā)明原理，并篩選出對(duì)解決問題起到關(guān)鍵作用的發(fā)明原理，最終解決了引起降液管發(fā)生腐蝕的兩個(gè)問題，并且將優(yōu)化后的參比電極自鎖安裝模式成功地用于實(shí)際生產(chǎn)，取代了原有煩瑣的安裝方式，該安裝模式降液管電位的持續(xù)穩(wěn)定性以及生產(chǎn)過程的安全性具有更高的可操作性和更廣的適用性。