应用TRIZ理论解决大型反应器管板焊接变形问题

单 丹*

（太重（天津）滨海重型机械有限公司）

0 引言

随着技术快速发展，并综合考虑经济性，大型化的高参数化工容器不断在化学、石油、化工等领域被设计开发，这也对该类压力容器的制造提出了更高要求。过去受到机械设备加工能力和技术的限制，国内大型设备的生产比较困难，基本以进口为主。近年来，随着我国装备业制造水平不断提高，大型设备国产化已成为必然趋势。

TRIZ 是俄罗斯学者 Genrich S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）在海军专利评审机构评审专利期间，研究了成千上万项发明专利后提出的发明问题的解决理论，TRIZ 理论是一种创新方法。应用TRIZ 方法可以有效结合其他领域的科学知识，创新性地解决原领域技术难题。

某公司大型反应器在制造过程中，筒体与管板的组焊使管板密封面产生严重变形。利用TRIZ 理论对有效控制焊接变形问题进行分析和求解，并给出了该问题的解决方案。

1 问题描述

某项目大型反应器的结构为固定双管板式换热器，内部换热管由隔板支撑。设备的外形尺寸为 6 200 mm，总长为14 300 mm。设备本体质量为420 300 kg，换热管数量为16 055 根。设备主要分为五个部分：上下封头组件，壳侧筒体组件，上下管板，管束及管箱筒体组件，如图1 所示。该设备管板为整体锻件，并堆焊S31603。管板与管道采用强度焊和贴胀连接结构，管板与壳侧筒体及管箱筒体的连接采用对接焊接结构。其中，当管板与筒体组焊时，管板面易出现较大的拱形或者波浪变形，同时，管孔产生变形和移位，无法顺利穿孔，降低了结构承载能力，影响构件美观和尺寸精度。故需控制管板变形量，要求管板内凹、外凸偏差小于2 mm。

2 问题分析

在设计科学的研究过程中，产品设计首先由工作原理确定，而构思工作原理的关键，是满足产品的功能要求。功能的实现方式是不断变化（进化）的。TRIZ 理论总结为：功能是产品存在的目的，所有的功能都可以分解为3 个基本元件，即元件、制品、超系统。对管板焊接变形问题进行功能分析，问题所在系统为管板与筒体的组焊。该系统的功能为控制管板变形量。该系统功能的3 个基本元件可见表1，并建立系统的功能模型，如图2 所示。通过功能模型分析，描述了系统元件及其之间的相互关系，并得出管板变形问题的功能因素，如图3 所示。通过功能分析，得出焊接线能量和熔敷金属填充量起过度作用，辅助措施是不足作用，施焊顺序和焊接方向是有害作用。

图3 功能因素汇总

为了进一步了解问题的本质，找到问题的根本原因，采用因果链分析法，对问题进行因果分析，结果如图4 所示。并将需进一步解决或消除的可控原因称为关键原因。最终确定无辅助措施、焊接线能量大、熔敷金属填充量多、拘束度不均衡是4 个问题关键点。

图4 因果链分析

3 TRIZ工具选择及问题求解

根据TRIZ 理论解决技术问题的一般流程，将一个问题的多个问题关键点从不同角度描述，利用冲突解决工具、标准解工具、系统进化法则等多种TRIZ工具求解，最终可以得到多个可行性方案。

3.1 技术冲突（问题关键点1）

以问题关键点1“无辅助措施”为入手点解决问题，该问题可用技术冲突来描述：为了增强管板的刚性，需要增加辅助工装（常用筒体内焊接固定板），但这样做会导致拆除打磨返修工作量大，耗时耗力，增加成本。将问题转换成TRIZ 标准冲突，根据TRIZ理论39 个通用工程参数，改善的参数选取14 强度，恶化的参数选取36 系统的复杂性。查冲突矩阵表，得到发明原理：2 抽取原理、13 反向作用原理、25自服务原理、28 机械系统替代原理。根据查得的发明原理，经过专业知识的具体化，找到解决问题的可行性方案，详见表2。

表2 可行性方案

3.2 物理冲突（问题关键点2）

以问题关键点2“焊接线能量大”为入手点解决问题，该问题可用物理冲突来描述：考虑到该参数“焊接线能量”在不同的“空间”（空间、时间段、不同条件、系统层次）具有不同的特性，因此该冲突可以从“空间”（空间、时间、条件、整体与部分）上进行分离。选用4 条分离原理（空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分分离）当中的“空间分离”原理，得到可行性方案，详见表3。

表3 可行性方案

3.3 技术冲突（问题关键点3）

以问题关键点3“熔敷金属填充量多”为入手点解决问题，该问题可用技术冲突描述：为了增加焊接牢固性，需要较大的熔敷金属填充量，但这样做会导致焊接角变形大，不易控制。

将问题转换成TRIZ 标准冲突，改善的参数选取13 稳定性，恶化的参数选取14 强度。查冲突矩阵表，得到发明原理：9 预先反作用原理、15 动态特性原理、17 空间维数变化原理。

根据查得的发明原理，经过专业知识的具体化，找到解决问题的可行性方案，详见表4。

表4 可行性方案

3.4 物质-场分析（问题关键点4）

以问题关键点4“拘束度不均衡”为入手点解决问题。TRIZ 理论认为，所有的功能都可以分解为两种物质和一种场，即一种功能由两种物质及一种场的三个要素组成，分别是目标、工具及其相互作用（场）。通过建立物质-场模型，用标准解工具解决问题。筒体与管板施焊时，由于相关零件组装顺序、施焊顺序、焊接方向的选择不当，造成相关零件对管板产生压应力，管板拘束度不均衡，造成管板变形。针对该问题建立物质-场模型，如图5 所示。

图5 物质-场模型

应用TRIZ 标准解解决流程，得到1.2.2（No.10）、1.2.3（No.11）、1.2.4（No.12）标准解。并依据选定的标准解，得到了问题的可行性方案及新物质-场模型，详见表5。

表5 可行性方案及新物质-场模型

3.5 进化法则（问题关键点2）

以问题关键点2“焊接线能量大”为入手点解决问题。TRIZ 理论认为，技术系统的进化不是随机的，而是遵循一定的客观规律，即任何产品，其工艺或技术都在随着时间由低级向着更高级的方向发展和进化，并总结为八大进化定律。

管板与筒体焊接采用埋弧焊。埋弧焊技术进化发展大致为：双丝焊→三丝焊→多丝焊→带极焊→金属粉末埋弧焊→冷丝和热丝填丝埋弧焊→窄间隙焊。对其进化过程进行分析，选择技术进化法则“提高动态性定律”和技术进化路线：“路线4-2 增加系统状态进化路线”。按照选定的技术进化路线，判断现有技术系统在进化路线上的位置，进而确定潜力状态，如图6 所示，最终得到可行性方案十一为：针对厚板对接接头，开发研究窄间隙焊接技术，采用小直径焊丝、小电流，热输入量低。

图6 系统进化路线

4 方案评估

基于TRIZ 理论，对管板焊接变形问题进行分析，利用TRIZ 解题工具得到了11 个可行性方案。对上述方案进行经济性与性能评估,详见表6。

表6 可行性方案评估

通过对上述方案进行评价，最终方案确定为：（1）施焊前预先加热，这样可降低焊接冷却时在厚度方面的温度差和应力差，同时安装外置防焊接变形工装，增加管板刚性。（2）施焊过程应严格按照工艺要求。在打底焊和前几道次焊接时，采用SMAW 焊接方法，剩余焊缝采用SAW 填充盖面焊。管板与壳侧筒体、管箱筒体组装后，同时对称交替焊接。使得两侧环缝的焊接收缩应力相互平衡，进一步减小变形的产生。对于两处环焊缝使用分段焊接的方法，对不同层次的焊缝进行处理。每个焊缝之间要相互分开，从两端往中间使用交叉焊接的方法进行焊接。各个焊缝之间应互相错开180 °。即两端各焊一层，交替操作，直至焊完。（3）施焊后进炉热处理，消除残余热应力，减小变形程度。该方案已应用于实际生产制造，可有效控制管板焊接变形问题，大大提高了生产效率，获得了较好的经济效益。

5 结论

运用TRIZ 理论，对大型反应器管板焊接变形问题进行分析求解，发现且存在着更多解决思路。以此为指导，创新性地提出一种解决方案，实践证明该方案可行。TRIZ 使技术创新过程由以往凭借经验和“头脑风暴”，变成按照技术规律进行，极大帮助地设计人员拓宽思路，多角度思考，创新解决问题。TRIZ方法可为新产品、新技术的创新与应用提供科学的理论指导，可帮助企业解决实际生产问题。