用TRIZ解决水循环冷却系统管路爆裂

文/蒋学杰 戚新波

用TRIZ解决水循环冷却系统管路爆裂

文/蒋学杰 戚新波

工业生产过程中，由于工件热处理后，为改变其性能或提高效率，需要对热处理后的工件进行冷却。冷却方式常采用自然风冷、油浸冷却和水循环冷却。冷却系统在生产过程中，常因各车间液体循环系统压力不均衡，引起爆管现象，影响正常生产。本文以常用水循环冷却系统为例，分析了工业生产中水冷却循环系统管路爆管现象产生的原因，指出了现存系统中的缺点和不足，建立了基于TRIZ模型的系统分析，提出了合理有效的解决方案，对相关液体循环、气体传输系统安全有一定的推广作用。

问题描述与分析

循环水泵站给系统提供8Kg压力，当某车间工件冶炼完成需用水冷却时，打开阀门，循环水进入本车间子循环系统对工件进行冷却，当检测到工件温度降至400°C时，阀门关闭，从而触发机械阀关闭，阻断水流。阀门关闭瞬间，由于管道内流动的水不能立刻停止，管道内的压力瞬间上升，严重时会造成管路“爆裂”，其他车间水压瞬间减小，影响冷却效果，影响产品质量且会造成安全隐患。

现有解决方案是在循环水管道上加装压力传感器。在循环水出水口的机械阀门关闭时，管道内的水压升高，给主控电路提供信号，通过变频调速改变泵房水泵转速，从而降低循环水管道上压力，避免爆管。但由于阀门关闭瞬间，随压力的急剧增大、检测信号传递、直至主控电路收到信号、降低水泵转速、到该子系统压力减小，需要一定的时间，现有解决方案的缺点是设备的复杂程度增加，而且成本也大大提高。

图1 系统框图

图2 水泵工作点的确定

TRIZ模型建立与问题分析

问题提出：

在生产过程中，循环水系统经常由于各车间水压不均衡，引起爆管现象，影响正常生产。

现有解决方案：

在循环水管道上加装压力传感器。循环水出水口的机械阀门关闭时，管道内的水压升高，给主控电路提供信号，通过变频调速改变泵房水泵转速，从而降低循环水管道上压力，避免爆管。

现有解决方案的缺点：

设备系统的复杂程度增加。

定义技术冲突：

改善的参数：应力或压力。

恶化的参数：系统的复杂性。

技术冲突：应力或压力~系统的复杂性

发明问题确定：

改善的参数：应力或压力

恶化的参数：系统的复杂性

拟采取的TRIZ解决方案

拟采用的创新理论：

查找冲突矩阵，找出创新原理。

创新原理：

19、周期性动作原理

01、分割原理

15、动态特性原理

初步解决方案：

（1）方案1

利用周期性动作原理，将原来的一次性关闭机械阀门的动作改为多次操作来关闭，每次只关闭一点；这样就可以避免压力在瞬间达到一个很高的值，从而减少循环水对管道的压力在瞬间变得很大。

图4 柔性耐高压橡胶管结构

（2）方案2

利用分割原理，将子系统管道分为“两段”。主干管采用强度大的普通钢管，出水口阀门前4米左右采用柔性耐高压橡胶管（管内层和外层之间有多层帆布织成，或由钢丝网编织）。

当出水口阀门关闭，管道内部的压力瞬时升高的时候，压力传感器会给主控制器发出信号，以使水泵转速减慢管道内的水压迫内层管道与外层管道之间的可压缩物质，从而降低管道内部的压力。

（3）方案3

利用动态特性原理，将冷却系统主管道和子系统管道分级控制。

主泵房为主干管道提供8Kg压力，当工件冷却接近500°C时（最终为400°C），启动主泵调速系统，减小主泵转速，使压力降保持在5Kg；当工件冷却接近450°C时，启动子泵调速系统，减小子泵转速，使压力降至5.5Kg，当工件冷却接近420°C时，同时启动主泵、子泵调速系统，减小主泵转速，逐渐关闭子泵。

最终问题解决方案

采用的TRIZ创新理论：

01、分割原理

最终解决方案：

①主干管道和自感管道分级管理：将原来的一级变频调速改为主次分离的二次变频调速，保证主系统和子系统压力独立且均衡。

②在子管道出水口段改为耐高压橡胶管代替原来的钢管，利用橡胶管的弹性抵消阀门关闭瞬间管内压力突然增大引起的涨力，避免爆管现象。

本方案已经豫北某耐火材料有限公司使用，基本上解决了其水循环系统水管爆裂问题，效果良好。对相关液体循环、气体传输系统安全有一定的推广意义。

（作者单位：河南机电高等专科学校）

图3 水泵工作启闭方式选择

图5 水泵分级管理系统图