單 丹*
(太重(天津)濱海重型機(jī)械有限公司)
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)開發(fā),這也對該類壓力容器的制造提出了更高要求。過去受到機(jī)械設(shè)備加工能力和技術(shù)的限制,國內(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,隨著我國裝備業(yè)制造水平不斷提高,大型設(shè)備國產(chǎn)化已成為必然趨勢。
TRIZ 是俄羅斯學(xué)者 Genrich S.Altshuller(根里奇·阿奇舒勒)在海軍專利評審機(jī)構(gòu)評審專利期間,研究了成千上萬項(xiàng)發(fā)明專利后提出的發(fā)明問題的解決理論,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,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 理論對有效控制焊接變形問題進(jìn)行分析和求解,并給出了該問題的解決方案。
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接焊接結(jié)構(gòu)。其中,當(dāng)管板與筒體組焊時,管板面易出現(xiàn)較大的拱形或者波浪變形,同時,管孔產(chǎn)生變形和移位,無法順利穿孔,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。
在設(shè)計(jì)科學(xué)的研究過程中,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 個基本元件,即元件、制品、超系統(tǒng)。對管板焊接變形問題進(jìn)行功能分析,問題所在系統(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 個基本元件可見表1,并建立系統(tǒng)的功能模型,如圖2 所示。通過功能模型分析,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(jìn)一步了解問題的本質(zhì),找到問題的根本原因,采用因果鏈分析法,對問題進(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(guān)鍵點(diǎn)。
圖4 因果鏈分析
根據(jù)TRIZ 理論解決技術(shù)問題的一般流程,將一個問題的多個問題關(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,最終可以得到多個可行性方案。
以問題關(guān)鍵點(diǎn)1“無輔助措施”為入手點(diǎn)解決問題,該問題可用技術(shù)沖突來描述: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),但這樣做會導(dǎo)致拆除打磨返修工作量大,耗時耗力,增加成本。將問題轉(zhuǎn)換成TRIZ 標(biāo)準(zhǔn)沖突,根據(jù)TRIZ理論39 個通用工程參數(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)過專業(yè)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
以問題關(guān)鍵點(diǎn)2“焊接線能量大”為入手點(diǎn)解決問題,該問題可用物理沖突來描述:考慮到該參數(shù)“焊接線能量”在不同的“空間”(空間、時間段、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,詳見表3。
表3 可行性方案
以問題關(guān)鍵點(diǎn)3“熔敷金屬填充量多”為入手點(diǎn)解決問題,該問題可用技術(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,但這樣做會導(dǎo)致焊接角變形大,不易控制。
將問題轉(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)過專業(yè)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
以問題關(guān)鍵點(diǎn)4“拘束度不均衡”為入手點(diǎn)解決問題。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,即一種功能由兩種物質(zhì)及一種場的三個要素組成,分別是目標(biāo)、工具及其相互作用(場)。通過建立物質(zhì)-場模型,用標(biāo)準(zhǔn)解工具解決問題。筒體與管板施焊時,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。針對該問題建立物質(zhì)-場模型,如圖5 所示。
圖5 物質(zhì)-場模型
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,得到了問題的可行性方案及新物質(zhì)-場模型,詳見表5。
表5 可行性方案及新物質(zhì)-場模型
以問題關(guān)鍵點(diǎn)2“焊接線能量大”為入手點(diǎn)解決問題。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)都在隨著時間由低級向著更高級的方向發(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。對其進(jìn)化過程進(jìn)行分析,選擇技術(shù)進(jìn)化法則“提高動態(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:針對厚板對接接頭,開發(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
基于TRIZ 理論,對管板焊接變形問題進(jìn)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)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(jìn)行評價,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在厚度方面的溫度差和應(yīng)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(yīng)嚴(yán)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(cè)筒體、管箱筒體組裝后,同時對稱交替焊接。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。對于兩處環(huán)焊縫使用分段焊接的方法,對不同層次的焊縫進(jìn)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(jìn)行焊接。各個焊縫之間應(yīng)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(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題,大大提高了生產(chǎn)效率,獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
運(yùn)用TRIZ 理論,對大型反應(yīng)器管板焊接變形問題進(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)問題。