應(yīng)用TRIZ理論解決大型反應(yīng)器管板焊接變形問(wèn)題

單 丹*

（太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司）

0 引言

隨著技術(shù)快速發(fā)展，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，大型化的高參數(shù)化工容器不斷在化學(xué)、石油、化工等領(lǐng)域被設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，這也對(duì)該類壓力容器的制造提出了更高要求。過(guò)去受到機(jī)械設(shè)備加工能力和技術(shù)的限制，國(guó)內(nèi)大型設(shè)備的生產(chǎn)比較困難，基本以進(jìn)口為主。近年來(lái)，隨著我國(guó)裝備業(yè)制造水平不斷提高，大型設(shè)備國(guó)產(chǎn)化已成為必然趨勢(shì)。

TRIZ 是俄羅斯學(xué)者 Genrich S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）在海軍專利評(píng)審機(jī)構(gòu)評(píng)審專利期間，研究了成千上萬(wàn)項(xiàng)發(fā)明專利后提出的發(fā)明問(wèn)題的解決理論，TRIZ 理論是一種創(chuàng)新方法。應(yīng)用TRIZ 方法可以有效結(jié)合其他領(lǐng)域的科學(xué)知識(shí)，創(chuàng)新性地解決原領(lǐng)域技術(shù)難題。

某公司大型反應(yīng)器在制造過(guò)程中，筒體與管板的組焊使管板密封面產(chǎn)生嚴(yán)重變形。利用TRIZ 理論對(duì)有效控制焊接變形問(wèn)題進(jìn)行分析和求解，并給出了該問(wèn)題的解決方案。

1 問(wèn)題描述

某項(xiàng)目大型反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)為固定雙管板式換熱器，內(nèi)部換熱管由隔板支撐。設(shè)備的外形尺寸為 6 200 mm，總長(zhǎng)為14 300 mm。設(shè)備本體質(zhì)量為420 300 kg，換熱管數(shù)量為16 055 根。設(shè)備主要分為五個(gè)部分：上下封頭組件，殼側(cè)筒體組件，上下管板，管束及管箱筒體組件，如圖1 所示。該設(shè)備管板為整體鍛件，并堆焊S31603。管板與管道采用強(qiáng)度焊和貼脹連接結(jié)構(gòu)，管板與殼側(cè)筒體及管箱筒體的連接采用對(duì)接焊接結(jié)構(gòu)。其中，當(dāng)管板與筒體組焊時(shí)，管板面易出現(xiàn)較大的拱形或者波浪變形，同時(shí)，管孔產(chǎn)生變形和移位，無(wú)法順利穿孔，降低了結(jié)構(gòu)承載能力，影響構(gòu)件美觀和尺寸精度。故需控制管板變形量，要求管板內(nèi)凹、外凸偏差小于2 mm。

2 問(wèn)題分析

在設(shè)計(jì)科學(xué)的研究過(guò)程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)首先由工作原理確定，而構(gòu)思工作原理的關(guān)鍵，是滿足產(chǎn)品的功能要求。功能的實(shí)現(xiàn)方式是不斷變化（進(jìn)化）的。TRIZ 理論總結(jié)為：功能是產(chǎn)品存在的目的，所有的功能都可以分解為3 個(gè)基本元件，即元件、制品、超系統(tǒng)。對(duì)管板焊接變形問(wèn)題進(jìn)行功能分析，問(wèn)題所在系統(tǒng)為管板與筒體的組焊。該系統(tǒng)的功能為控制管板變形量。該系統(tǒng)功能的3 個(gè)基本元件可見(jiàn)表1，并建立系統(tǒng)的功能模型，如圖2 所示。通過(guò)功能模型分析，描述了系統(tǒng)元件及其之間的相互關(guān)系，并得出管板變形問(wèn)題的功能因素，如圖3 所示。通過(guò)功能分析，得出焊接線能量和熔敷金屬填充量起過(guò)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(jìn)一步了解問(wèn)題的本質(zhì)，找到問(wèn)題的根本原因，采用因果鏈分析法，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行因果分析，結(jié)果如圖4 所示。并將需進(jìn)一步解決或消除的可控原因稱為關(guān)鍵原因。最終確定無(wú)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(gè)問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)。

圖4 因果鏈分析

3 TRIZ工具選擇及問(wèn)題求解

根據(jù)TRIZ 理論解決技術(shù)問(wèn)題的一般流程，將一個(gè)問(wèn)題的多個(gè)問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)從不同角度描述，利用沖突解決工具、標(biāo)準(zhǔn)解工具、系統(tǒng)進(jìn)化法則等多種TRIZ工具求解，最終可以得到多個(gè)可行性方案。

3.1 技術(shù)沖突（問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)1）

以問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)1“無(wú)輔助措施”為入手點(diǎn)解決問(wèn)題，該問(wèn)題可用技術(shù)沖突來(lái)描述：為了增強(qiáng)管板的剛性，需要增加輔助工裝（常用筒體內(nèi)焊接固定板），但這樣做會(huì)導(dǎo)致拆除打磨返修工作量大，耗時(shí)耗力，增加成本。將問(wèn)題轉(zhuǎn)換成TRIZ 標(biāo)準(zhǔn)沖突，根據(jù)TRIZ理論39 個(gè)通用工程參數(shù)，改善的參數(shù)選取14 強(qiáng)度，惡化的參數(shù)選取36 系統(tǒng)的復(fù)雜性。查沖突矩陣表，得到發(fā)明原理：2 抽取原理、13 反向作用原理、25自服務(wù)原理、28 機(jī)械系統(tǒng)替代原理。根據(jù)查得的發(fā)明原理，經(jīng)過(guò)專業(yè)知識(shí)的具體化，找到解決問(wèn)題的可行性方案，詳見(jiàn)表2。

表2 可行性方案

3.2 物理沖突（問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)2）

以問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)2“焊接線能量大”為入手點(diǎn)解決問(wèn)題，該問(wèn)題可用物理沖突來(lái)描述：考慮到該參數(shù)“焊接線能量”在不同的“空間”（空間、時(shí)間段、不同條件、系統(tǒng)層次）具有不同的特性，因此該沖突可以從“空間”（空間、時(shí)間、條件、整體與部分）上進(jìn)行分離。選用4 條分離原理（空間分離、時(shí)間分離、基于條件的分離、整體與部分分離）當(dāng)中的“空間分離”原理，得到可行性方案，詳見(jiàn)表3。

表3 可行性方案

3.3 技術(shù)沖突（問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)3）

以問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)3“熔敷金屬填充量多”為入手點(diǎn)解決問(wèn)題，該問(wèn)題可用技術(shù)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(huì)導(dǎo)致焊接角變形大，不易控制。

將問(wèn)題轉(zhuǎn)換成TRIZ 標(biāo)準(zhǔn)沖突，改善的參數(shù)選取13 穩(wěn)定性，惡化的參數(shù)選取14 強(qiáng)度。查沖突矩陣表，得到發(fā)明原理：9 預(yù)先反作用原理、15 動(dòng)態(tài)特性原理、17 空間維數(shù)變化原理。

根據(jù)查得的發(fā)明原理，經(jīng)過(guò)專業(yè)知識(shí)的具體化，找到解決問(wèn)題的可行性方案，詳見(jiàn)表4。

表4 可行性方案

3.4 物質(zhì)-場(chǎng)分析（問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)4）

以問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)4“拘束度不均衡”為入手點(diǎn)解決問(wèn)題。TRIZ 理論認(rèn)為，所有的功能都可以分解為兩種物質(zhì)和一種場(chǎng)，即一種功能由兩種物質(zhì)及一種場(chǎng)的三個(gè)要素組成，分別是目標(biāo)、工具及其相互作用（場(chǎng)）。通過(guò)建立物質(zhì)-場(chǎng)模型，用標(biāo)準(zhǔn)解工具解決問(wèn)題。筒體與管板施焊時(shí)，由于相關(guān)零件組裝順序、施焊順序、焊接方向的選擇不當(dāng)，造成相關(guān)零件對(duì)管板產(chǎn)生壓應(yīng)力，管板拘束度不均衡，造成管板變形。針對(duì)該問(wèn)題建立物質(zhì)-場(chǎng)模型，如圖5 所示。

圖5 物質(zhì)-場(chǎng)模型

應(yīng)用TRIZ 標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到1.2.2（No.10）、1.2.3（No.11）、1.2.4（No.12）標(biāo)準(zhǔn)解。并依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解，得到了問(wèn)題的可行性方案及新物質(zhì)-場(chǎng)模型，詳見(jiàn)表5。

表5 可行性方案及新物質(zhì)-場(chǎng)模型

3.5 進(jìn)化法則（問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)2）

以問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)2“焊接線能量大”為入手點(diǎn)解決問(wèn)題。TRIZ 理論認(rèn)為，技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化不是隨機(jī)的，而是遵循一定的客觀規(guī)律，即任何產(chǎn)品，其工藝或技術(shù)都在隨著時(shí)間由低級(jí)向著更高級(jí)的方向發(fā)展和進(jìn)化，并總結(jié)為八大進(jìn)化定律。

管板與筒體焊接采用埋弧焊。埋弧焊技術(shù)進(jìn)化發(fā)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(duì)其進(jìn)化過(guò)程進(jìn)行分析，選擇技術(shù)進(jìn)化法則“提高動(dòng)態(tài)性定律”和技術(shù)進(jìn)化路線：“路線4-2 增加系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)化路線”。按照選定的技術(shù)進(jìn)化路線，判斷現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)在進(jìn)化路線上的位置，進(jìn)而確定潛力狀態(tài)，如圖6 所示，最終得到可行性方案十一為：針對(duì)厚板對(duì)接接頭，開(kāi)發(fā)研究窄間隙焊接技術(shù)，采用小直徑焊絲、小電流，熱輸入量低。

圖6 系統(tǒng)進(jìn)化路線

4 方案評(píng)估

基于TRIZ 理論，對(duì)管板焊接變形問(wèn)題進(jìn)行分析，利用TRIZ 解題工具得到了11 個(gè)可行性方案。對(duì)上述方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性與性能評(píng)估,詳見(jiàn)表6。

表6 可行性方案評(píng)估

通過(guò)對(duì)上述方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終方案確定為：（1）施焊前預(yù)先加熱，這樣可降低焊接冷卻時(shí)在厚度方面的溫度差和應(yīng)力差，同時(shí)安裝外置防焊接變形工裝，增加管板剛性。（2）施焊過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按照工藝要求。在打底焊和前幾道次焊接時(shí)，采用SMAW 焊接方法，剩余焊縫采用SAW 填充蓋面焊。管板與殼側(cè)筒體、管箱筒體組裝后，同時(shí)對(duì)稱交替焊接。使得兩側(cè)環(huán)縫的焊接收縮應(yīng)力相互平衡，進(jìn)一步減小變形的產(chǎn)生。對(duì)于兩處環(huán)焊縫使用分段焊接的方法，對(duì)不同層次的焊縫進(jìn)行處理。每個(gè)焊縫之間要相互分開(kāi)，從兩端往中間使用交叉焊接的方法進(jìn)行焊接。各個(gè)焊縫之間應(yīng)互相錯(cuò)開(kāi)180 °。即兩端各焊一層，交替操作，直至焊完。（3）施焊后進(jìn)爐熱處理，消除殘余熱應(yīng)力，減小變形程度。該方案已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)制造，可有效控制管板焊接變形問(wèn)題，大大提高了生產(chǎn)效率，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

運(yùn)用TRIZ 理論，對(duì)大型反應(yīng)器管板焊接變形問(wèn)題進(jìn)行分析求解，發(fā)現(xiàn)且存在著更多解決思路。以此為指導(dǎo)，創(chuàng)新性地提出一種解決方案，實(shí)踐證明該方案可行。TRIZ 使技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程由以往憑借經(jīng)驗(yàn)和“頭腦風(fēng)暴”，變成按照技術(shù)規(guī)律進(jìn)行，極大幫助地設(shè)計(jì)人員拓寬思路，多角度思考，創(chuàng)新解決問(wèn)題。TRIZ方法可為新產(chǎn)品、新技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用提供科學(xué)的理論指導(dǎo)，可幫助企業(yè)解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題。