基于TRIZ理论的参比电极密封结构的改进设计

田 静，李治民，陈曙彤，岳文博

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060）

0 引言

TRIZ 是一种建立在技术系统演变规律基础上的问题解决系统，技术系统演变的8个模式、39个通用工程参数、40 条发明原理、39×39 冲突解决矩阵、76个标准解、发明问题解决算法以及工程知识效应库等一同构成了TRIZ的理论与方法体系［1-2］。

TRIZ 理论中产品进化过程就是不断解决产品所存在冲突的过程，设计人员在设计过程中不断地发现并解决冲突，TRIZ 是推动其向理想化方向进化的动力。技术冲突是典型的工程妥协问题，即当提高系统某一技术特性参数时，另一特性参数会恶化。TRIZ 创新原理的核心就是解决技术系统中存在的冲突，冲突解决矩阵是解决技术冲突的有效工具，由TRIZ 研究者通过专利分析确定的39 个通用工程参数和40 条发明原理及它们之间的对应关系组成，一旦技术问题抽象成技术冲突的形式，就要用该问题所处的技术领域中的特定术语描述这个冲突，然后将这个冲突转换成TRIZ 的通用工程参数，最后由通用工程参数在技术冲突解决矩阵中选择可用的发明原理。

1 阳极保护分布器现状

阳极保护槽管式分布器是硫酸装置干吸塔广泛使用的高效分布器，其制作成本相对较低，使用寿命长，运行安全可靠，主要由分酸主管、分酸支管、分酸槽、降液管组成，形成了两极分酸系统。浓硫酸从塔外酸管道进入干吸塔内分酸主管，通过分酸主管分流到各分酸支管，经节流孔板由T字形分酸支管引入分酸槽内，完成一级分酸；硫酸通过重力缓缓流入分酸槽，槽内液面缓慢地匀速上升，分酸槽之间用连通管连接，保证了液面的平稳性和等高性，当硫酸液面到达降液管溢流口范围时，以溢流的形式连续、平缓地进入降液管内，均匀地喷洒在填料层中，完成二级分酸，其中分酸槽由酸槽和降液管组成，降液管与分酸槽之间采用先胀后焊的焊接方式，穿过槽底约200 mm直接埋进填料层。

降液管是阳极保护浓硫酸分布器的关键部件之一，它的分布点密度、分布点几何均匀性以及分布点间流量的均匀性对浓硫酸分布器的均匀性起着至关重要的作用，是完成第二级分酸的重要部件；同时降液管材料必须具有良好的机械加工性能，容易实施阳极保护，性价比优越。因此，降液管在浓硫酸分布过程中的耐腐蚀性研究显得十分必要。笔者运用TRIZ 功能模型分析、TRIZ 冲突解决原理和发明原理，对浓硫酸分布器组成关系进行了分析，确定出降液管电位超出保护范围、参比电极的密封情况是造成降液管腐蚀的直接原因，并针对降液管在浓硫酸分布过程中出现的问题提出了解决方案，保证降液管在设备运行过程中具有可靠性和安全性。

2 问题改进

2.1 问题描述

阳极保护浓硫酸分布器是结合普通304L/316L不锈钢在浓硫酸中实施阳极保护时所体现的优良耐蚀性能开发出的一种浓硫酸分布装置。316L在80 ℃、w（H2SO4）98%的浓硫酸溶液中的年腐蚀量为0.3～0.5 mm，施加阳极保护后，浓硫酸设备的使用温度≤95 ℃，年腐蚀量降至0.03 mm，国内市场主要以此类技术为主。阳极保护浓硫酸分布器腐蚀与内部件安装、使用厂家的操作、硫酸的品质、电位的控制等因素有极大关系，在多年的使用过程中发现，阳极保护浓硫酸分布器的腐蚀部件基本为降液管，而其他部件保护良好，使用年限较长，这主要是由于：

（1）通过对降液管腐蚀原因分析发现，降液管采用316L 材质，垂直分布在分酸槽中，直接受到浓硫酸的冲刷腐蚀，受到高温SO3气体及进塔酸温的双重作用，降液管壁温会高于进塔酸温，同时随着温度的提高，316L 不锈钢在w（H2SO4）98%的浓硫酸溶液中的致钝电流密度、维钝电流密度均随之增加，维钝电位区间缩小，导致降液管远端部的电位不易控制在保护区内，使腐蚀率呈几何倍数增长，腐蚀速率急剧上升。

（2）浓硫酸分布器主要位于干吸塔顶部，塔内充满酸雾，在长期的腐蚀与冲刷下，很容易将螺栓表面的不锈钢腐蚀产生孔隙，另外参比电极主要使用螺栓螺母联接，在员工的安装操作中耗时相对较长，必须双手将螺母拧紧，极易出现人为因素导致参比电极结构密封不良，这些情况最终导致参比电极处发生泄漏腐蚀，使阳极保护电位信号处于失真状态，进而致使降液管不在阳极保护范围内造成严重腐蚀。除此以外，螺栓螺母在装配线上极易丢失，影响安装、维修进度；企业产品的售后服务上也必须为分酸器检修中参比电极的拆装准备螺栓螺母。

2.2 冲突分析问题一和具体方案实施

对问题一进行冲突分析，将一般领域问题描述转换成39 项工程参数中的2 项，即转化为TRIZ 标准化问题，见图1冲突分析。仔细研究此问题可以发现，首先需要改善的是维钝电位的可靠性，所以选择27 号工程参数可靠性为改善的参数。阳极保护分布器降液管腐蚀产生的因素主要是由于当酸温提高时316L 不锈钢在浓硫酸中致钝电流密度、维钝电流密度均随之增加，维钝电位区间缩小，导致降液管远端部的电位不易控制在阳极保护范围内，导致腐蚀速率急剧上升，所以选择36 号工程参数可靠性为恶化的参数。

图1 冲突分析

根据得到的两个工程参数，改善参数27 维钝电位区间的可靠性，恶化参数36 系统的复杂性，查阅阿奇舒勒矩阵，得到相对应的发明原理信息。（1）发明原理1分割：①将一个对象分成多个相互独立的部分；②将物体分成容易组装（或组合）和拆卸的部分；③增加对象的分隔程度。（2）发明原理13 反向作用：①用与原来相反的作用实现相同的目的；②让物体或环境中可动的部分不动，不动部分可动；③让对象“颠倒”过来。（3）发明原理35 参数变化：①改变对象的物理聚集状态；②改变对象的密度、黏度、浓度、柔性、温度。综合以上3条发明原理，其中1号、13号原理对该问题的彻底解决指导意义不大，而35号参数变化原理是解决该问题最有价值的发明原理，详见表1矛盾矩阵。

表1 改善参数27与恶化参数36所得出的发明原理

通过冲突分析发现：降液管长度约为700 mm，在400 mm 处按照一定角度弯曲，这种细长弯曲结构中阳极保护电位不易分布到远端部也就是弯曲处，使得降液管阳极保护电位远离槽电位，超出了阳极保护电位的有效范围-100 ～600 mV；随后在整个阳极保护实施过程中，将原电位设定值降低100 mV，放大电位的阳极保护范围，保证降液管近端处、远端处电位均在有效保护区，该方法已进行了现场验证。

2.3 冲突分析问题二和具体方案实施

2.3.1 建立功能模型

对阳极保护分布器的整个流动过程和阳极保护实施过程进行功能模型分析，详见图2阳极保护分布器的功能模型。分析发现：参比电极的密封结构、操作人员的安装、电位的施加范围均是造成降液管腐蚀的因素，而参比电极的密封结构对降液管腐蚀的影响尤为显著，存在较大的人为因素。因此该问题需要相对独立的解决参比电极的密封问题，即可解决降液管的腐蚀。

图2 阳极保护分布器的功能模型

2.3.2 冲突分析问题二和密封结构优化

变更前的参比电极安装需要将参比电极基座、参比电极压紧板、参比电极密封罩、密封垫片、基座法兰逐级采用螺柱螺母连接，然后从密封罩顶部引出一根穿线钢管穿入阳极保护线缆接线，并在塔外采用密封盖螺栓进行3次密封。整个过程至少需要进行三级密封连接，第一级密封作用是压紧参比电极，防止塔内酸雾和烟气进入腐蚀参比电极接线处造成电位波动；第二级密封作用是防止塔内酸雾和烟气泄漏腐蚀线缆表面；第三级密封作用是固定钢管并引出四氟管线缆，防止塔内烟气和酸雾泄漏出塔，具体结构详见图3。整个参比电极密封安装过程需施工队多个部门配合完成，这种方式会因人为安装密封不严发生漏酸腐蚀，装配过程烦琐，消耗工时较长，安装过程中零件极易丢失。

图3 原参比电极密封结构

问题二需要改善的参数是生产效率，可以通过变更固定联接方式以达到提高生产率的目的；螺栓螺母的联接方式虽然比较烦琐，但是由于有国际通用的标准件，全球基本都可以找到其相对应的零配件，其可维修程度相对较高，因此如果更改则必将恶化其可维修性即34号恶化的参数。

根据得到的两个工程参数，改善参数39 生产率，恶化参数34 可维修性，查阅阿奇舒勒矩阵可以得到以下发明原理信息。（1）发明原理1 分割：①将一个对象分成多个相互独立的部分；②将物体分成容易组装（或组合）和拆卸的部分；③增加对象的分隔程度。（2）发明原理32 颜色改变：①改变物体或其周围环境的颜色；②改变难以观察的物体或过程的透明度或可视性；③采用有颜色的添加剂，使不易观察的物体或过程容易观察到；④如果已经加入了颜色添加剂，则借助发光迹线追踪物质。（3）发明原理10 预先作用：①事先完成部分或全部的动作或功能；②在方便的位置预先安置物体，使其在第一时间发挥作用，避免时间的浪费。（4）发明原理25 自服务：①使物体具有自补充和自恢复功能以完成自服务；②利用废弃的资源、能量或物资，结果见表2 矛盾矩阵。综合以上4 条发明原理，其中1号、32号、25号原理对解决该问题基本没有帮助，而10 号预先作用原理是解决该问题最有价值的发明原理。

表2 改善参数39与恶化参数34所得出的发明原理

通过冲突分析发现：密封不良会造成参比电极发生泄漏腐蚀，主要是由于阳极保护电位信号处于失真状态，导致降液管不在阳极保护范围而在短时间内加剧腐蚀。根据发明原理10 号预先作用得到启发，在不改变现有密封、固定的特点下，改变连接处的接口方式，可以将参比电极设计为自身带有螺栓的自锁模式结构形式，具体结构详见图4。参比电极外四氟与四氟套管焊接，阳极保护线缆通过螺丝固定在参比电极上，其他部位均在出厂前通过螺栓形式制作为一体，连接处相应设有螺纹，在现场只需将一体式参比电极从阴阳极接线管引出，塔外引出密封盖压紧，然后从密封盖抽出阳极保护线缆进行接线。这种结构改变了原有的法兰垫圈式密封，提前将参比电极、密封结构及阳极保护接线在出厂时提前预备完毕，无须在现场进行逐个零件的密封及接线，极大地提高了现场的生产效率。

图4 新参比电极密封结构

新结构的参比电极完全符合实际生产的需要，其操作过程相对于原有固定螺栓安装，大为简易，安装时间仅为原先的15%左右；其密封固定效果完全优于改进前，符合实际需要，它的自锁结构密封严密，整体切合，强度高，联接稳定，使整个安装符合结构简单、操作任性化的设计要求；此外，参比电极的密封结构由原来的零件式改造为一体式后，在运输、安装操作过程中避免了零件缺失等问题。该结构目前已经得到了广泛应用，密封效果明显，再未出现由于参比电极密封泄漏导致阳极保护信号失真而发生的降液管腐蚀情况。

3 结论

利用TRIZ 冲突解决原理，对浓硫酸分布过程中导致降液管发生腐蚀的因素进行了细致的分析，将实际存在的问题矛盾TRIZ 化，构造了通用工程参数，根据改善的参数和恶化的参数建立阿奇舒勒矛盾矩阵，根据阿奇舒勒矩阵得出发明原理，并筛选出对解决问题起到关键作用的发明原理，最终解决了引起降液管发生腐蚀的两个问题，并且将优化后的参比电极自锁安装模式成功地用于实际生产，取代了原有烦琐的安装方式，该安装模式降液管电位的持续稳定性以及生产过程的安全性具有更高的可操作性和更广的适用性。