基于有限元方法的化工機械設(shè)備防腐優(yōu)化設(shè)計

陳國斌

（廣東工業(yè)大學華立學院，廣東廣州 511325）

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

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

本文從設(shè)備腐蝕原因以及防治措施兩方面分析，對化工機械設(shè)備防腐進行了深入優(yōu)化設(shè)計。隨著人們對抗腐蝕問題的了解深入，使得化工設(shè)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(yīng)用其中。在有限元方法的作用下，將設(shè)備防腐結(jié)構(gòu)中的未知場函數(shù)進行求解，通過最優(yōu)模型的作用，促使機械設(shè)備抗腐蝕能力的有效提升。本文以化工企業(yè)實際生產(chǎn)情況為依據(jù)，制定相對應(yīng)的設(shè)備防腐蝕策略，實現(xiàn)了最佳防腐效果。

1 化工機械設(shè)備防腐優(yōu)化設(shè)計

1.1 分析化工機械設(shè)備防腐結(jié)構(gòu)

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

圖1 設(shè)計思路圖

在化工機械設(shè)備管理時，防腐工作的實現(xiàn)需要各種防腐措施的結(jié)合，來妥當處理各項設(shè)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(shè)備的使用情況進行實時了解，明確當前設(shè)備腐蝕情況是否影響正常生產(chǎn)運轉(zhuǎn)。實際工作過程中，依靠設(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)，如腐蝕現(xiàn)象呈現(xiàn)出嚴重情況，需要采取設(shè)備結(jié)構(gòu)更換的方法，避免腐蝕問題惡化，從而引發(fā)嚴重事故。

1.2 設(shè)計有限元優(yōu)化模型

由于機械設(shè)備的防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要將零部件結(jié)構(gòu)進行詳細分析來進行優(yōu)化設(shè)計，可對于化工機械設(shè)備防腐性能產(chǎn)生直接影響?；C械設(shè)備的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理時，會使得設(shè)備某一零件表面的腐蝕加重。所以，當零件結(jié)構(gòu)設(shè)計得到優(yōu)化設(shè)計后，可以實現(xiàn)設(shè)備防腐性能的提升，從而增加材料的利用率。在零件設(shè)計優(yōu)化時，需要進行設(shè)計變量的選擇。通常情況下，需要多個幾何參數(shù)，例如節(jié)點坐標、接觸面積等。在約束條件的作用下，完成設(shè)計優(yōu)化變量的選取，通過最小化結(jié)構(gòu)面積、腐蝕集中系數(shù)等，構(gòu)成優(yōu)化目標函數(shù)。以隱式函數(shù)關(guān)系為例，目標函數(shù)、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(yīng)用，可以有效解決這一難題。通過有限元方法的計算優(yōu)化，與傳統(tǒng)設(shè)計方法相結(jié)合后，使得化工機械設(shè)備零部件的防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足設(shè)備抗腐蝕性需求。除此之外，機械設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計，對零件的邊界形狀有所改變，造成單元形狀出現(xiàn)變化，嚴重的情況下，會產(chǎn)生網(wǎng)格扭曲，所以需要進行扭曲檢查，確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果達到最佳。文中以化工機械設(shè)備中零件，在生產(chǎn)過程中與產(chǎn)品接觸面積為設(shè)計變量，F(xiàn) (t)表示進行約束優(yōu)化后的目標函數(shù)，并將（m×1）的設(shè)計變量向量用t 來表示。用σ 來表示設(shè)計域，也就是t 的函數(shù)表達。當設(shè)計域的邊界用A（t）進行表示后，具體的優(yōu)化設(shè)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(shè)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(shù)集，該集合可以滿足化工機械設(shè)備防腐蝕需求?；谟邢拊椒ǖ慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計流程，如圖2 所示。

圖2 基于有限元方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

由于化工機械設(shè)備零件的優(yōu)化難度較大，所以需要設(shè)計更加復雜的設(shè)計模型，基于有限元方法，通過多種類型單元對零件結(jié)構(gòu)生產(chǎn)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(yōu)化模型完成設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。

1.3 獲取設(shè)備防腐優(yōu)化結(jié)果

與傳統(tǒng)優(yōu)化模型相比較，基于有限元方法建立的優(yōu)化設(shè)計模型將計算步驟進行簡化，將防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計周期大幅縮短，在減少計算的同時保證了設(shè)計精度符合生產(chǎn)需求?；C械設(shè)備防腐優(yōu)化過程中，所有環(huán)節(jié)都應(yīng)該貫徹優(yōu)化思想，利用Auto Form 軟件完成機械設(shè)備生產(chǎn)過程腐蝕模擬。完成工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。在有限元方法的作用下，通過有助于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的進程影響，對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行防腐優(yōu)化設(shè)計。有限元增量法的求解，可以精確模擬腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)，并在FLD 模擬結(jié)果圖顯示后，快速檢測到損壞部分采取補救方案。

在得到設(shè)備防腐優(yōu)化結(jié)果后，以此為依據(jù)提出設(shè)備結(jié)構(gòu)修改意見。通過反復修改與調(diào)整，從不同的方向進行設(shè)備最終優(yōu)化，包括裝配約束和參數(shù)結(jié)構(gòu)改變。其中，前者需要以約束關(guān)系為基礎(chǔ)，進行重新確定；后者利用運行結(jié)果重新建立零件有限元模型，開展設(shè)計修改工作，并通過進一步的分析，確定該設(shè)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(shè)備在生產(chǎn)過程中維持原有的生產(chǎn)性能，同時通過陰極保護提升設(shè)備防腐蝕效果。以當前化工企業(yè)實踐應(yīng)用進行分析，機械設(shè)備在防腐優(yōu)化設(shè)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(shè)計的防腐優(yōu)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(shù)，研究不同防腐優(yōu)化方法應(yīng)用后的設(shè)備自腐蝕電位變化狀態(tài)，明確設(shè)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(chǎn)的三種化工設(shè)備進行抗腐蝕性能測試。為了保證實驗結(jié)果的科學性，選擇兩種不同的設(shè)備防腐的優(yōu)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(shè)置為對照組，統(tǒng)稱傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)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(jié)果分析

通過電化學測試技術(shù)的應(yīng)用，針對同一種化工設(shè)備進行三種防腐優(yōu)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(jù)表1 中實驗數(shù)據(jù)繪制設(shè)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(yōu)化方法的變化情況。

根據(jù)表1 和圖4 可知：文中設(shè)計方法應(yīng)用后，設(shè)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(tǒng)方法應(yīng)用后，設(shè)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(tǒng)方法低-22.1mv 和-66.5mv，均低出-20mv 以上，其最低值也是低于傳統(tǒng)方法-28mv 以上，與傳統(tǒng)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(wěn)定在-760～740mv 之間，并且均低于傳統(tǒng)方法，因此，文中設(shè)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(shè)備抗腐蝕性能。

圖4 自腐蝕電位變化曲線圖

在實際應(yīng)用中，防腐方法會用在多個化工機械設(shè)備或者不同型號的化工機械設(shè)備上，因此本文針對不同型號的化工設(shè)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(shè)備，分別為設(shè)備1、設(shè)備2 以及設(shè)備3，同時使用本文方法進行自腐蝕電位變化實驗，測試結(jié)果如圖5 所示。

根據(jù)圖5 可知：本文方法在不同設(shè)備進行防腐實驗時，各型號的化工設(shè)備的自腐蝕電位變化波動不大，三種設(shè)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(shè)備的自腐蝕電位變化曲線圖

此外，通過實驗可知設(shè)備腐蝕速率，在相同環(huán)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(shè)備腐蝕速率變化的測試，如圖6 所示。

圖6 設(shè)備腐蝕速率變化對比圖

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

3 結(jié)束語

由于化工企業(yè)中腐蝕現(xiàn)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(shè)備的防腐優(yōu)化，通過對防腐結(jié)構(gòu)的深入分析，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實際情況，明確了設(shè)備抵抗腐蝕現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)，并在有限元方法的作用下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)了機械設(shè)備的防腐優(yōu)化設(shè)計，從根本上提升了設(shè)備抗腐蝕能力。文中設(shè)計方法達到了預(yù)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(yè)持續(xù)發(fā)展。