基于有限元方法的化工机械设备防腐优化设计

陈国斌

（广东工业大学华立学院，广东广州 511325）

在化工行业的发展过程中，机械设备腐蚀作为一项难以解决的问题，阻碍了行业发展[1]。腐蚀问题的出现降低了企业的经济收入，同时会造成生产过程出现安全威胁[2,3]。化工生产中由于材料的化学反应，机械设备与之接触的部分受到腐蚀，使得设备寿命随之减短。

由于人们对化工产品需求的增长，化工机械设备防腐优化工作重视程度逐渐上升。蒋晓瑞[4]提出为了提升化工设备抗腐蚀能力，在设备设计和制造的步骤中，选用耐腐蚀的材料，采用结构技术，优化设备设计工艺，在完成设备设计后，在实际应用的过程中，完善设备防腐管理措施，该方法腐蚀问题分析得不够透彻，设备优化不够细致。王磊等[5]提出分析化工设备的腐蚀原因，以此为基础，通过隔离腐蚀介质，优化设备结构设计，完善设备加工工艺，达到设备防腐的目的，该方法在实际应用中，腐蚀速率降低程度较低。

本文从设备腐蚀原因以及防治措施两方面分析，对化工机械设备防腐进行了深入优化设计。随着人们对抗腐蚀问题的了解深入，使得化工设备防腐能力有所提升。这个过程中，有限元法作为一种高效计算方式应用其中。在有限元方法的作用下，将设备防腐结构中的未知场函数进行求解，通过最优模型的作用，促使机械设备抗腐蚀能力的有效提升。本文以化工企业实际生产情况为依据，制定相对应的设备防腐蚀策略，实现了最佳防腐效果。

1 化工机械设备防腐优化设计

1.1 分析化工机械设备防腐结构

化工机械设备的防腐能力提升，需要以工艺结构设计为基础，通过机械结构的合理设计，提升化工机械设备的防腐性能[6]。这种防腐措施应用过程中，需要人们以机械细节内容为核心，完成设备的合理设计。通过细节重视程度的提升，降低因结构不合理造成的化工生产危险[7]。针对化工机械设备防腐结构设计，以避免缝隙出现作为设计目标，最大程度减少腐蚀性物质在设备上停留。此外，当设备结构整体性较高时，机械的防腐性能同样会得到提升。具体的设计思路为：针对化工生产过程中设备的应用状态，分析机械设备作业强度，由于化工产品与其他生产过程不同，生产设备无法进行频繁维护，所以通过设备结构的设计，满足化工生产需求后，完成防腐设计工作的融合[8]，思路图如图1 所示。

图1 设计思路图

在化工机械设备管理时，防腐工作的实现需要各种防腐措施的结合，来妥当处理各项设备的腐蚀问题，并且在这个过程中，还需要工作人员进行积极防治管理[9,10]。工作人员需要对机械设备的使用情况进行实时了解，明确当前设备腐蚀情况是否影响正常生产运转。实际工作过程中，依靠设备定期检测的方法，完成腐蚀问题的查询。对于一些无法避免腐蚀的设备结构，如腐蚀现象呈现出严重情况，需要采取设备结构更换的方法，避免腐蚀问题恶化，从而引发严重事故。

1.2 设计有限元优化模型

由于机械设备的防腐结构设计，需要将零部件结构进行详细分析来进行优化设计，可对于化工机械设备防腐性能产生直接影响。化工机械设备的零件结构设计不合理时，会使得设备某一零件表面的腐蚀加重。所以，当零件结构设计得到优化设计后，可以实现设备防腐性能的提升，从而增加材料的利用率。在零件设计优化时，需要进行设计变量的选择。通常情况下，需要多个几何参数，例如节点坐标、接触面积等。在约束条件的作用下，完成设计优化变量的选取，通过最小化结构面积、腐蚀集中系数等，构成优化目标函数。以隐式函数关系为例，目标函数、性能约束条件都属于变量，无法直接获取灵敏度值。

有限元方法的应用，可以有效解决这一难题。通过有限元方法的计算优化，与传统设计方法相结合后，使得化工机械设备零部件的防腐结构设计，满足设备抗腐蚀性需求。除此之外，机械设备的优化设计，对零件的边界形状有所改变，造成单元形状出现变化，严重的情况下，会产生网格扭曲，所以需要进行扭曲检查，确保结构优化效果达到最佳。文中以化工机械设备中零件，在生产过程中与产品接触面积为设计变量，F (t)表示进行约束优化后的目标函数，并将（m×1）的设计变量向量用t 来表示。用σ 来表示设计域，也就是t 的函数表达。当设计域的边界用A（t）进行表示后，具体的优化设计模型如公式(1)所示：

上述公式（1）中，gi(t)是第i 个约束条件的表示，针对第j 个设计变量来说，其上下界分别用tL、tU进行表示。而R 则表示一个函数集，该集合可以满足化工机械设备防腐蚀需求。基于有限元方法的结构设计流程，如图2 所示。

图2 基于有限元方法的结构设计流程

由于化工机械设备零件的优化难度较大，所以需要设计更加复杂的设计模型，基于有限元方法，通过多种类型单元对零件结构生产过程中腐蚀变化进行分析，并通过公式完成形状灵敏度分析，最终通过优化模型完成设备结构的合理设计。

1.3 获取设备防腐优化结果

与传统优化模型相比较，基于有限元方法建立的优化设计模型将计算步骤进行简化，将防腐结构设计周期大幅缩短，在减少计算的同时保证了设计精度符合生产需求。化工机械设备防腐优化过程中，所有环节都应该贯彻优化思想，利用Auto Form 软件完成机械设备生产过程腐蚀模拟。完成工艺结构设计优化。在有限元方法的作用下，通过有助于结构优化的进程影响，对设备结构进行防腐优化设计。有限元增量法的求解，可以精确模拟腐蚀现象的出现，并在FLD 模拟结果图显示后，快速检测到损坏部分采取补救方案。

在得到设备防腐优化结果后，以此为依据提出设备结构修改意见。通过反复修改与调整，从不同的方向进行设备最终优化，包括装配约束和参数结构改变。其中，前者需要以约束关系为基础，进行重新确定；后者利用运行结果重新建立零件有限元模型，开展设计修改工作，并通过进一步的分析，确定该设计是否符合防腐需要。通过有限元分析方法，保证了化工机械设备在生产过程中维持原有的生产性能，同时通过阴极保护提升设备防腐蚀效果。以当前化工企业实践应用进行分析，机械设备在防腐优化设计的作用下，得到了显著的抗腐蚀效果。

2 实验

2.1 实验准备

为了验证文中设计的防腐优化方法是否具有良好的抗腐蚀能力，特进行测试。采用电化学测试技术，研究不同防腐优化方法应用后的设备自腐蚀电位变化状态，明确设备抗腐蚀能力变化。实验所需的电化学测试装置如图3 所示。

通过图3 所示的装置，对同一厂家生产的三种化工设备进行抗腐蚀性能测试。为了保证实验结果的科学性，选择两种不同的设备防腐的优化方法，分别按照文献[4]的防腐方法和文献[5]的防腐方法，将其设置为对照组，统称传统方法1和传统方法2，进行三种方法的对比测试。

图3 电化学测试电解池装置

2.2 实验结果分析

通过电化学测试技术的应用，针对同一种化工设备进行三种防腐优化方法的测试，自腐蚀电位变化如表1 所示。

表1 三种方法自腐蚀电位变化

根据表1 中实验数据绘制设备自腐蚀电位变化曲线图（见图4），在曲线图上更加直观的反映三种防腐优化方法的变化情况。

根据表1 和图4 可知：文中设计方法应用后，设备平均自腐蚀电位为-746.3mv，其中自腐蚀电位最低值达到了-756.4mv，低于-750mv。而两种传统方法应用后，设备自腐蚀电位平均值达到了-724.2mv、-679.8mv，自腐蚀电位最低值分别达到-728.2mv 和-685.9mv，本文方法的自腐蚀电位平均值分别较传统方法低-22.1mv 和-66.5mv，均低出-20mv 以上，其最低值也是低于传统方法-28mv 以上，与传统方法相比低出-70.5mv，同时在图4 中可以明显看出本文方法基本一直稳定在-760～740mv 之间，并且均低于传统方法，因此，文中设计方法的电位更低，能起到更加良好的防腐蚀效果，有效提升了设备抗腐蚀性能。

图4 自腐蚀电位变化曲线图

在实际应用中，防腐方法会用在多个化工机械设备或者不同型号的化工机械设备上，因此本文针对不同型号的化工设备进行防腐测试，此次仍然在该厂家选取三种不同型号的化工设备，分别为设备1、设备2 以及设备3，同时使用本文方法进行自腐蚀电位变化实验，测试结果如图5 所示。

根据图5 可知：本文方法在不同设备进行防腐实验时，各型号的化工设备的自腐蚀电位变化波动不大，三种设备的自腐蚀电位值均在-760～-740mv 之间，自腐蚀电位值极低，提高了防腐效果。

图5 不同化工机械设备的自腐蚀电位变化曲线图

此外，通过实验可知设备腐蚀速率，在相同环境下，腐蚀变化快慢直接反映出防腐方法的效果，在测试自腐蚀电位变化后，进行设备腐蚀速率变化的测试，如图6 所示。

图6 设备腐蚀速率变化对比图

通过图6 腐蚀速率变化图可以发现：随着时间的不断增长，文中设计方法的腐蚀速率明显低于两种传统方法。通过计算发现，文中设计方法可以发挥更好的抗腐蚀性能，相比两种传统方法，将腐蚀速率分别降低了36%、54%。

3 结束语

由于化工企业中腐蚀现象会造成严重负面影响。因此，本文研究的核心是化工机械设备的防腐优化，通过对防腐结构的深入分析，根据企业生产实际情况，明确了设备抵抗腐蚀现象的结构，并在有限元方法的作用下，优化结构参数，实现了机械设备的防腐优化设计，从根本上提升了设备抗腐蚀能力。文中设计方法达到了预期抗腐蚀效果，未来还会针对这一方面深入研究，以推动化工企业持续发展。