• Description

建模和模擬是理解腐蝕以及設計和優化腐蝕保護系統的強大工具。腐蝕模組 (Corrosion Module),作為 COMSOL Multiphysics® 的附加模組,使工程師和科學家能夠在直觀的用戶界面中有效地模擬腐蝕過程和保護系統。軟體對電解質中的傳輸過程(包括離子和中性物種的傳輸以及金屬結構中的電流平衡)的描述,簡化了建模過程。腐蝕模組還包括詳細描述電解質-金屬表面發生腐蝕的負責電荷轉移反應的功能。

 

該模組包含一個熱力學資料庫,其中包含電極電位和這些表面上最常見的氧化還原反應的一系列動力學表達式。使用有限元素方法 (FEM) 和邊界元素方法 (BEM),可以在一維 (1D)、二維 (2D) 和三維 (3D) 中模擬描述腐蝕和腐蝕保護系統的傳輸和反應過程。


腐蝕過程 (Corrosion Processes)

腐蝕模組可用於模擬各種腐蝕過程,如伽凡尼腐蝕(galvanic)、點蝕 (pitting)、縫隙腐蝕 (crevice)、大氣腐蝕 (atmospheric) 和一般腐蝕 (general corrosion)。它還可用於模擬石油和天然氣系統中的甜蝕 (sweet corrosion) 和酸蝕 (sour corrosion)、鋼筋混凝土中的腐蝕以及流浪電流引起的腐蝕。

 

這些腐蝕過程源於相似類型的電化學現象,必須考慮電荷和質量的傳輸和平衡。該模組便於定義相關的邊界條件、表面反應和體電解液條件。電解液可以描述為一層薄薄的水分、多孔材料或液態電解液。

 

憑藉 COMSOL Multiphysics® 平台的基礎功能,腐蝕模組可以與其他附加產品結合,以模擬耦合現象,如熱傳遞和結構力學。這種多物理場建模功能可用於涉及如應力腐蝕龜裂 (SCC) 和混凝土中的氧化擠壓 (oxide jacking) 等問題的現象。



腐蝕保護系統 (Corrosion Protection Systems)

有許多腐蝕防治方法可以用來幫助維持易受腐蝕的結構的結構完整性。這些方法包括犧牲陽極陰極保護 (SACP)、外加電流陰極保護 (ICCP)、塗層系統和陽極鈍化保護。

 

COMSOL Multiphysics® 和腐蝕模組可用於研究保護系統並優化其設計,以支援各式各樣不同結構,如離岸風力發電機、海底石油平台和陸上管道、工廠和儲罐。腐蝕模組還可用於模擬道路橋梁和建築基礎設施、水壩和水力發電設備以及船舶、潛艇和港口。它還可用於模擬汽車工業中的腐蝕過程。

 

腐蝕模組包括專門的功能,用於在微觀尺度和宏觀尺度上模擬腐蝕保護系統。這種專門的建模功能可用於調查管道如何可能干擾其他結構的保護系統,例如。它還可用於預測保護系統的使用壽命以及陽極消耗、雜訊電流、外加陰極電流和塗層退化的影響。



腐蝕模組中的功能和特性

腐蝕模組提供專門的工具,用於簡化各種腐蝕過程的建模

模擬伽凡尼腐蝕 (Modeling Galvanic Corrosion)

COMSOL Multiphysics® 和腐蝕模組提供了現成的、用戶友好的界面,用於模擬電化學和腐蝕。基本功能由一次、二次和三次電流分佈的用戶界面提供。這些界面使得可以模擬電流分佈、具有極化曲線的表面動力學,以及具有體積平衡反應的質量傳輸效應。

 

這些用戶界面中的每一個都提供了不同程度的保真度,允許用戶選擇所需的保真度以給出系統的足夠準確描述,無論它是否僅需要歐姆效應或是更複雜的模型,例如包括多個物種的質量傳輸和平衡反應的模型。COMSOL Multiphysics® 使您能夠無縫地添加所需的任意多個物種和反應,以適應給定的物理系統。

陰極保護 (Cathodic Protection)

腐蝕模組具有專門的界面,用於模擬陰極保護系統。用戶可以定義自己的表達式,或在預定義的邊界條件之間選擇,如 ButlerVolmer Tafel 方程,或代表表面動力學的實驗極化曲線。使用熟悉術語的定制功能使得模擬犧牲陽極和外加電流系統對於腐蝕和材料工程師來說效率高效。

 

通過描述陰極和陽極上溶解和沉積的物種,模型可以輕鬆地考慮鈣質沉積物以及這些沉積物如何隨時間改變極化。該模組還可以計算特定位置的腐蝕速率。這些信息可以與傳輸方程結合,以描述例如封閉腔體和多孔材料中的質量傳輸限制。

模擬大氣腐蝕 (Modeling Atmospheric Corrosion)

在模擬大氣腐蝕時,金屬表面上的電解液層通常與結構的大小相比非常薄。在這種情況下,假設薄電解液層上的電流密度是均勻的可能是高效的。在這個假設下,可以在不需要對極薄的電解液層進行體積網格劃分的情況下估計表面上的電流分佈。這個功能可以在電流分佈,殼層界面 (Current Distribution, Shell interface) 中找到,與完整的三維劃分相比,這顯著減少了計算工作量。

由於腐蝕和沉積而變形的幾何形狀 (Deforming Geometries Due to Corrosion and Deposition)

腐蝕模組包含預定義的多物理場界面,用於對電化學電池中由於沉積或溶解過程而發生的變形進行時間依賴的建模。這種類型的建模可以通過使用變形幾何來實現,其中邊界的速度由電化學反應給出。

 

此外,等位函數 (Level Set) 和相場 (Phase Field) 界面可用於模擬腐蝕,其中腐蝕電極表面的拓撲由於腐蝕過程而發生變化,如在犧牲陽極系統中。

模擬管道內部腐蝕保護 (Modeling Internal Corrosion Protection in Pipes)

由於管長和半徑之間的大長寬比,模擬管內的陰極保護可能具有挑戰性。一個簡單的解決方案是忽略徑向電位梯度,僅解決管道沿線的電位。這種解決方案將體問題減少為線問題,這意味著在不犧牲準確性的情況下,計算負擔顯著減少。

計算方法:FEM BEM

在實際的三維幾何上求解物理方程時,數值方法需要將模型幾何劃分為元素。除了 FEM,腐蝕模組還使用 BEM。例如,電流分佈,邊界元素界面 (Current Distribution, Boundary Elements interface) 中的專門樑元素可用於模擬細長結構中的腐蝕。腐蝕模組中的 BEM 建模為解決陰極保護問題提供了一個經過驗證的 FEM 替代方案。它還簡化了細長結構和非常大的電解質領域(例如,海洋)的建模過程。

材料庫 (Material Library)

腐蝕模組包含一個內置的材料庫,其中包含超過270個條目,包括不同電解液中多種金屬和合金的平衡電位和極化數據(局部電流密度與電極電位)。

模擬應用 (Simulation Applications)

應用構建器 (Application Builder) 可用於基於任何現有模型創建模擬應用。模擬工程師可以限制這些應用的可用輸入和輸出,提供一個定制的、直觀的用戶界面,可以與客戶和同事共享,用於許多不同的目的,包括:

 

  • 自動化困難和重複的任務
  • 創建和更新報告
  • 在用戶友好的界面中向終端用戶提供關鍵模型信息

通過關注重要的輸入參數和計算結果,模擬應用允許研發專家更有效地與項目利益相關者互動,幫助創造競爭優勢。

 

應用庫中包含的陰極保護設計師應用 (Cathodic Protection Designer app) 是一個例子,展示了模擬應用如何用於陰極保護設計。

擴展多物理場分析 (Extended Multiphysics Analyses)

COMSOL Multiphysics® 提供了在不同物理界面之間創建任意耦合的功能。例如,應力腐蝕開裂 (SCC) 可以通過將結構力學界面與腐蝕界面結合來模擬。熱傳遞效應也可以通過多物理場耦合納入高度溫度敏感的腐蝕和腐蝕保護過程的模型中。同樣,湍流和多相流可以與化學物種的傳輸和腐蝕保護結合進行模擬。


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