基于有限元方法的化工機械設備防腐優化設計

陳國斌

（廣東工業大學華立學院，廣東廣州 511325）

在化工行業的發展過程中，機械設備腐蝕作為一項難以解決的問題，阻礙了行業發展[1]。腐蝕問題的出現降低了企業的經濟收入，同時會造成生產過程出現安全威脅[2,3]。化工生產中由于材料的化學反應，機械設備與之接觸的部分受到腐蝕，使得設備壽命隨之減短。

由于人們對化工產品需求的增長，化工機械設備防腐優化工作重視程度逐漸上升。蔣曉瑞[4]提出為了提升化工設備抗腐蝕能力，在設備設計和制造的步驟中，選用耐腐蝕的材料，采用結構技術，優化設備設計工藝，在完成設備設計后，在實際應用的過程中，完善設備防腐管理措施，該方法腐蝕問題分析得不夠透徹，設備優化不夠細致。王磊等[5]提出分析化工設備的腐蝕原因，以此為基礎，通過隔離腐蝕介質，優化設備結構設計，完善設備加工工藝，達到設備防腐的目的，該方法在實際應用中，腐蝕速率降低程度較低。

本文從設備腐蝕原因以及防治措施兩方面分析，對化工機械設備防腐進行了深入優化設計。隨著人們對抗腐蝕問題的了解深入，使得化工設備防腐能力有所提升。這個過程中，有限元法作為一種高效計算方式應用其中。在有限元方法的作用下，將設備防腐結構中的未知場函數進行求解，通過最優模型的作用，促使機械設備抗腐蝕能力的有效提升。本文以化工企業實際生產情況為依據，制定相對應的設備防腐蝕策略，實現了最佳防腐效果。

1 化工機械設備防腐優化設計

1.1 分析化工機械設備防腐結構

化工機械設備的防腐能力提升，需要以工藝結構設計為基礎，通過機械結構的合理設計，提升化工機械設備的防腐性能[6]。這種防腐措施應用過程中，需要人們以機械細節內容為核心，完成設備的合理設計。通過細節重視程度的提升，降低因結構不合理造成的化工生產危險[7]。針對化工機械設備防腐結構設計，以避免縫隙出現作為設計目標，最大程度減少腐蝕性物質在設備上停留。此外，當設備結構整體性較高時，機械的防腐性能同樣會得到提升。具體的設計思路為：針對化工生產過程中設備的應用狀態，分析機械設備作業強度，由于化工產品與其他生產過程不同，生產設備無法進行頻繁維護，所以通過設備結構的設計，滿足化工生產需求后，完成防腐設計工作的融合[8]，思路圖如圖1 所示。

圖1 設計思路圖

在化工機械設備管理時，防腐工作的實現需要各種防腐措施的結合，來妥當處理各項設備的腐蝕問題，并且在這個過程中，還需要工作人員進行積極防治管理[9,10]。工作人員需要對機械設備的使用情況進行實時了解，明確當前設備腐蝕情況是否影響正常生產運轉。實際工作過程中，依靠設備定期檢測的方法，完成腐蝕問題的查詢。對于一些無法避免腐蝕的設備結構，如腐蝕現象呈現出嚴重情況，需要采取設備結構更換的方法，避免腐蝕問題惡化，從而引發嚴重事故。

1.2 設計有限元優化模型

由于機械設備的防腐結構設計，需要將零部件結構進行詳細分析來進行優化設計，可對于化工機械設備防腐性能產生直接影響。化工機械設備的零件結構設計不合理時，會使得設備某一零件表面的腐蝕加重。所以，當零件結構設計得到優化設計后，可以實現設備防腐性能的提升，從而增加材料的利用率。在零件設計優化時，需要進行設計變量的選擇。通常情況下，需要多個幾何參數，例如節點坐標、接觸面積等。在約束條件的作用下，完成設計優化變量的選取，通過最小化結構面積、腐蝕集中系數等，構成優化目標函數。以隱式函數關系為例，目標函數、性能約束條件都屬于變量，無法直接獲取靈敏度值。

有限元方法的應用，可以有效解決這一難題。通過有限元方法的計算優化，與傳統設計方法相結合后，使得化工機械設備零部件的防腐結構設計，滿足設備抗腐蝕性需求。除此之外，機械設備的優化設計，對零件的邊界形狀有所改變，造成單元形狀出現變化，嚴重的情況下，會產生網格扭曲，所以需要進行扭曲檢查，確保結構優化效果達到最佳。文中以化工機械設備中零件，在生產過程中與產品接觸面積為設計變量，F (t)表示進行約束優化后的目標函數，并將（m×1）的設計變量向量用t 來表示。用σ 來表示設計域，也就是t 的函數表達。當設計域的邊界用A（t）進行表示后，具體的優化設計模型如公式(1)所示：

上述公式（1）中，gi(t)是第i 個約束條件的表示，針對第j 個設計變量來說，其上下界分別用tL、tU進行表示。而R 則表示一個函數集，該集合可以滿足化工機械設備防腐蝕需求。基于有限元方法的結構設計流程，如圖2 所示。

圖2 基于有限元方法的結構設計流程

由于化工機械設備零件的優化難度較大，所以需要設計更加復雜的設計模型，基于有限元方法，通過多種類型單元對零件結構生產過程中腐蝕變化進行分析，并通過公式完成形狀靈敏度分析，最終通過優化模型完成設備結構的合理設計。

1.3 獲取設備防腐優化結果

與傳統優化模型相比較，基于有限元方法建立的優化設計模型將計算步驟進行簡化，將防腐結構設計周期大幅縮短，在減少計算的同時保證了設計精度符合生產需求。化工機械設備防腐優化過程中，所有環節都應該貫徹優化思想，利用Auto Form 軟件完成機械設備生產過程腐蝕模擬。完成工藝結構設計優化。在有限元方法的作用下，通過有助于結構優化的進程影響，對設備結構進行防腐優化設計。有限元增量法的求解，可以精確模擬腐蝕現象的出現，并在FLD 模擬結果圖顯示后，快速檢測到損壞部分采取補救方案。

在得到設備防腐優化結果后，以此為依據提出設備結構修改意見。通過反復修改與調整，從不同的方向進行設備最終優化，包括裝配約束和參數結構改變。其中，前者需要以約束關系為基礎，進行重新確定；后者利用運行結果重新建立零件有限元模型，開展設計修改工作，并通過進一步的分析，確定該設計是否符合防腐需要。通過有限元分析方法，保證了化工機械設備在生產過程中維持原有的生產性能，同時通過陰極保護提升設備防腐蝕效果。以當前化工企業實踐應用進行分析，機械設備在防腐優化設計的作用下，得到了顯著的抗腐蝕效果。

2 實驗

2.1 實驗準備

為了驗證文中設計的防腐優化方法是否具有良好的抗腐蝕能力，特進行測試。采用電化學測試技術，研究不同防腐優化方法應用后的設備自腐蝕電位變化狀態，明確設備抗腐蝕能力變化。實驗所需的電化學測試裝置如圖3 所示。

通過圖3 所示的裝置，對同一廠家生產的三種化工設備進行抗腐蝕性能測試。為了保證實驗結果的科學性，選擇兩種不同的設備防腐的優化方法，分別按照文獻[4]的防腐方法和文獻[5]的防腐方法，將其設置為對照組，統稱傳統方法1和傳統方法2，進行三種方法的對比測試。

圖3 電化學測試電解池裝置

2.2 實驗結果分析

通過電化學測試技術的應用，針對同一種化工設備進行三種防腐優化方法的測試，自腐蝕電位變化如表1 所示。

表1 三種方法自腐蝕電位變化

根據表1 中實驗數據繪制設備自腐蝕電位變化曲線圖（見圖4），在曲線圖上更加直觀的反映三種防腐優化方法的變化情況。

根據表1 和圖4 可知：文中設計方法應用后，設備平均自腐蝕電位為-746.3mv，其中自腐蝕電位最低值達到了-756.4mv，低于-750mv。而兩種傳統方法應用后，設備自腐蝕電位平均值達到了-724.2mv、-679.8mv，自腐蝕電位最低值分別達到-728.2mv 和-685.9mv，本文方法的自腐蝕電位平均值分別較傳統方法低-22.1mv 和-66.5mv，均低出-20mv 以上，其最低值也是低于傳統方法-28mv 以上，與傳統方法相比低出-70.5mv，同時在圖4 中可以明顯看出本文方法基本一直穩定在-760～740mv 之間，并且均低于傳統方法，因此，文中設計方法的電位更低，能起到更加良好的防腐蝕效果，有效提升了設備抗腐蝕性能。

圖4 自腐蝕電位變化曲線圖

在實際應用中，防腐方法會用在多個化工機械設備或者不同型號的化工機械設備上，因此本文針對不同型號的化工設備進行防腐測試，此次仍然在該廠家選取三種不同型號的化工設備，分別為設備1、設備2 以及設備3，同時使用本文方法進行自腐蝕電位變化實驗，測試結果如圖5 所示。

根據圖5 可知：本文方法在不同設備進行防腐實驗時，各型號的化工設備的自腐蝕電位變化波動不大，三種設備的自腐蝕電位值均在-760～-740mv 之間，自腐蝕電位值極低，提高了防腐效果。

圖5 不同化工機械設備的自腐蝕電位變化曲線圖

此外，通過實驗可知設備腐蝕速率，在相同環境下，腐蝕變化快慢直接反映出防腐方法的效果，在測試自腐蝕電位變化后，進行設備腐蝕速率變化的測試，如圖6 所示。

圖6 設備腐蝕速率變化對比圖

通過圖6 腐蝕速率變化圖可以發現：隨著時間的不斷增長，文中設計方法的腐蝕速率明顯低于兩種傳統方法。通過計算發現，文中設計方法可以發揮更好的抗腐蝕性能，相比兩種傳統方法，將腐蝕速率分別降低了36%、54%。

3 結束語

由于化工企業中腐蝕現象會造成嚴重負面影響。因此，本文研究的核心是化工機械設備的防腐優化，通過對防腐結構的深入分析，根據企業生產實際情況，明確了設備抵抗腐蝕現象的結構，并在有限元方法的作用下，優化結構參數，實現了機械設備的防腐優化設計，從根本上提升了設備抗腐蝕能力。文中設計方法達到了預期抗腐蝕效果，未來還會針對這一方面深入研究，以推動化工企業持續發展。