基于TRIZ理論的參比電極密封結構的改進設計

田 靜，李治民，陳曙彤，岳文博

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

TRIZ 是一種建立在技術系統演變規律基礎上的問題解決系統，技術系統演變的8個模式、39個通用工程參數、40 條發明原理、39×39 沖突解決矩陣、76個標準解、發明問題解決算法以及工程知識效應庫等一同構成了TRIZ的理論與方法體系［1-2］。

TRIZ 理論中產品進化過程就是不斷解決產品所存在沖突的過程，設計人員在設計過程中不斷地發現并解決沖突，TRIZ 是推動其向理想化方向進化的動力。技術沖突是典型的工程妥協問題，即當提高系統某一技術特性參數時，另一特性參數會惡化。TRIZ 創新原理的核心就是解決技術系統中存在的沖突，沖突解決矩陣是解決技術沖突的有效工具，由TRIZ 研究者通過專利分析確定的39 個通用工程參數和40 條發明原理及它們之間的對應關系組成，一旦技術問題抽象成技術沖突的形式，就要用該問題所處的技術領域中的特定術語描述這個沖突，然后將這個沖突轉換成TRIZ 的通用工程參數，最后由通用工程參數在技術沖突解決矩陣中選擇可用的發明原理。

1 陽極保護分布器現狀

陽極保護槽管式分布器是硫酸裝置干吸塔廣泛使用的高效分布器，其制作成本相對較低，使用壽命長，運行安全可靠，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。濃硫酸從塔外酸管道進入干吸塔內分酸主管，通過分酸主管分流到各分酸支管，經節流孔板由T字形分酸支管引入分酸槽內，完成一級分酸；硫酸通過重力緩緩流入分酸槽，槽內液面緩慢地勻速上升，分酸槽之間用連通管連接，保證了液面的平穩性和等高性，當硫酸液面到達降液管溢流口范圍時，以溢流的形式連續、平緩地進入降液管內，均勻地噴灑在填料層中，完成二級分酸，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直接埋進填料層。

降液管是陽極保護濃硫酸分布器的關鍵部件之一，它的分布點密度、分布點幾何均勻性以及分布點間流量的均勻性對濃硫酸分布器的均勻性起著至關重要的作用，是完成第二級分酸的重要部件；同時降液管材料必須具有良好的機械加工性能，容易實施陽極保護，性價比優越。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。筆者運用TRIZ 功能模型分析、TRIZ 沖突解決原理和發明原理，對濃硫酸分布器組成關系進行了分析，確定出降液管電位超出保護范圍、參比電極的密封情況是造成降液管腐蝕的直接原因，并針對降液管在濃硫酸分布過程中出現的問題提出了解決方案，保證降液管在設備運行過程中具有可靠性和安全性。

2 問題改進

2.1 問題描述

陽極保護濃硫酸分布器是結合普通304L/316L不銹鋼在濃硫酸中實施陽極保護時所體現的優良耐蝕性能開發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，施加陽極保護后，濃硫酸設備的使用溫度≤95 ℃，年腐蝕量降至0.03 mm，國內市場主要以此類技術為主。陽極保護濃硫酸分布器腐蝕與內部件安裝、使用廠家的操作、硫酸的品質、電位的控制等因素有極大關系，在多年的使用過程中發現，陽極保護濃硫酸分布器的腐蝕部件基本為降液管，而其他部件保護良好，使用年限較長，這主要是由于：

（1）通過對降液管腐蝕原因分析發現，降液管采用316L 材質，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氣體及進塔酸溫的雙重作用，降液管壁溫會高于進塔酸溫，同時隨著溫度的提高，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，維鈍電位區間縮小，導致降液管遠端部的電位不易控制在保護區內，使腐蝕率呈幾何倍數增長，腐蝕速率急劇上升。

（2）濃硫酸分布器主要位于干吸塔頂部，塔內充滿酸霧，在長期的腐蝕與沖刷下，很容易將螺栓表面的不銹鋼腐蝕產生孔隙，另外參比電極主要使用螺栓螺母聯接，在員工的安裝操作中耗時相對較長，必須雙手將螺母擰緊，極易出現人為因素導致參比電極結構密封不良，這些情況最終導致參比電極處發生泄漏腐蝕，使陽極保護電位信號處于失真狀態，進而致使降液管不在陽極保護范圍內造成嚴重腐蝕。除此以外，螺栓螺母在裝配線上極易丟失，影響安裝、維修進度；企業產品的售后服務上也必須為分酸器檢修中參比電極的拆裝準備螺栓螺母。

2.2 沖突分析問題一和具體方案實施

對問題一進行沖突分析，將一般領域問題描述轉換成39 項工程參數中的2 項，即轉化為TRIZ 標準化問題，見圖1沖突分析。仔細研究此問題可以發現，首先需要改善的是維鈍電位的可靠性，所以選擇27 號工程參數可靠性為改善的參數。陽極保護分布器降液管腐蝕產生的因素主要是由于當酸溫提高時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，維鈍電位區間縮小，導致降液管遠端部的電位不易控制在陽極保護范圍內，導致腐蝕速率急劇上升，所以選擇36 號工程參數可靠性為惡化的參數。

圖1 沖突分析

根據得到的兩個工程參數，改善參數27 維鈍電位區間的可靠性，惡化參數36 系統的復雜性，查閱阿奇舒勒矩陣，得到相對應的發明原理信息。（1）發明原理1分割：①將一個對象分成多個相互獨立的部分；②將物體分成容易組裝（或組合）和拆卸的部分；③增加對象的分隔程度。（2）發明原理13 反向作用：①用與原來相反的作用實現相同的目的；②讓物體或環境中可動的部分不動，不動部分可動；③讓對象“顛倒”過來。（3）發明原理35 參數變化：①改變對象的物理聚集狀態；②改變對象的密度、黏度、濃度、柔性、溫度。綜合以上3條發明原理，其中1號、13號原理對該問題的徹底解決指導意義不大，而35號參數變化原理是解決該問題最有價值的發明原理，詳見表1矛盾矩陣。

表1 改善參數27與惡化參數36所得出的發明原理

通過沖突分析發現：降液管長度約為700 mm，在400 mm 處按照一定角度彎曲，這種細長彎曲結構中陽極保護電位不易分布到遠端部也就是彎曲處，使得降液管陽極保護電位遠離槽電位，超出了陽極保護電位的有效范圍-100 ～600 mV；隨后在整個陽極保護實施過程中，將原電位設定值降低100 mV，放大電位的陽極保護范圍，保證降液管近端處、遠端處電位均在有效保護區，該方法已進行了現場驗證。

2.3 沖突分析問題二和具體方案實施

2.3.1 建立功能模型

對陽極保護分布器的整個流動過程和陽極保護實施過程進行功能模型分析，詳見圖2陽極保護分布器的功能模型。分析發現：參比電極的密封結構、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構對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獨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 陽極保護分布器的功能模型

2.3.2 沖突分析問題二和密封結構優化

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線纜接線，并在塔外采用密封蓋螺栓進行3次密封。整個過程至少需要進行三級密封連接，第一級密封作用是壓緊參比電極，防止塔內酸霧和煙氣進入腐蝕參比電極接線處造成電位波動；第二級密封作用是防止塔內酸霧和煙氣泄漏腐蝕線纜表面；第三級密封作用是固定鋼管并引出四氟管線纜，防止塔內煙氣和酸霧泄漏出塔，具體結構詳見圖3。整個參比電極密封安裝過程需施工隊多個部門配合完成，這種方式會因人為安裝密封不嚴發生漏酸腐蝕，裝配過程煩瑣，消耗工時較長，安裝過程中零件極易丟失。

圖3 原參比電極密封結構

問題二需要改善的參數是生產效率，可以通過變更固定聯接方式以達到提高生產率的目的；螺栓螺母的聯接方式雖然比較煩瑣，但是由于有國際通用的標準件，全球基本都可以找到其相對應的零配件，其可維修程度相對較高，因此如果更改則必將惡化其可維修性即34號惡化的參數。

根據得到的兩個工程參數，改善參數39 生產率，惡化參數34 可維修性，查閱阿奇舒勒矩陣可以得到以下發明原理信息。（1）發明原理1 分割：①將一個對象分成多個相互獨立的部分；②將物體分成容易組裝（或組合）和拆卸的部分；③增加對象的分隔程度。（2）發明原理32 顏色改變：①改變物體或其周圍環境的顏色；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如果已經加入了顏色添加劑，則借助發光跡線追蹤物質。（3）發明原理10 預先作用：①事先完成部分或全部的動作或功能；②在方便的位置預先安置物體，使其在第一時間發揮作用，避免時間的浪費。（4）發明原理25 自服務：①使物體具有自補充和自恢復功能以完成自服務；②利用廢棄的資源、能量或物資，結果見表2 矛盾矩陣。綜合以上4 條發明原理，其中1號、32號、25號原理對解決該問題基本沒有幫助，而10 號預先作用原理是解決該問題最有價值的發明原理。

表2 改善參數39與惡化參數34所得出的發明原理

通過沖突分析發現：密封不良會造成參比電極發生泄漏腐蝕，主要是由于陽極保護電位信號處于失真狀態，導致降液管不在陽極保護范圍而在短時間內加劇腐蝕。根據發明原理10 號預先作用得到啟發，在不改變現有密封、固定的特點下，改變連接處的接口方式，可以將參比電極設計為自身帶有螺栓的自鎖模式結構形式，具體結構詳見圖4。參比電極外四氟與四氟套管焊接，陽極保護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，連接處相應設有螺紋，在現場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線纜進行接線。這種結構改變了原有的法蘭墊圈式密封，提前將參比電極、密封結構及陽極保護接線在出廠時提前預備完畢，無須在現場進行逐個零件的密封及接線，極大地提高了現場的生產效率。

圖4 新參比電極密封結構

新結構的參比電極完全符合實際生產的需要，其操作過程相對于原有固定螺栓安裝，大為簡易，安裝時間僅為原先的15%左右；其密封固定效果完全優于改進前，符合實際需要，它的自鎖結構密封嚴密，整體切合，強度高，聯接穩定，使整個安裝符合結構簡單、操作任性化的設計要求；此外，參比電極的密封結構由原來的零件式改造為一體式后，在運輸、安裝操作過程中避免了零件缺失等問題。該結構目前已經得到了廣泛應用，密封效果明顯，再未出現由于參比電極密封泄漏導致陽極保護信號失真而發生的降液管腐蝕情況。

3 結論

利用TRIZ 沖突解決原理，對濃硫酸分布過程中導致降液管發生腐蝕的因素進行了細致的分析，將實際存在的問題矛盾TRIZ 化，構造了通用工程參數，根據改善的參數和惡化的參數建立阿奇舒勒矛盾矩陣，根據阿奇舒勒矩陣得出發明原理，并篩選出對解決問題起到關鍵作用的發明原理，最終解決了引起降液管發生腐蝕的兩個問題，并且將優化后的參比電極自鎖安裝模式成功地用于實際生產，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穩定性以及生產過程的安全性具有更高的可操作性和更廣的適用性。