Коррозия

Моделирование гальванической коррозии

Платформа COMSOL Multiphysics^® и модуль «Коррозия» содержат встроенные удобные для использования интерфейсы, позволяющие моделировать электрохимические и коррозионные процессы. Универсальные функции обеспечиваются пользовательскими интерфейсами для расчёта распределения тока с учётом омических, активационных и диффузионных потерь. Эти интерфейсы позволяют найти распределение тока, определить скорость электродных реакций и поляризационные кривые, смоделировать процессы массопереноса в электролите с учётом объёмных равновесных реакций.

Каждый из этих пользовательских интерфейсов обеспечивает различный уровень детализации, позволяя пользователю выбрать необходимую степень точности описания исследуемой системы, например, с учётом только омических потерь, или включить в модель массоперенос и равновесные реакции для множества химических веществ. COMSOL Multiphysics^® позволяет добавить столько реагентов и реакций, сколько требуется для описанной анализируемой системы.

Моделирование атмосферной коррозии

При моделировании атмосферной коррозии, как правило, анализируется очень тонкий слой электролита на поверхности металла. В этом случае целесообразно допустить, что плотность тока распределена равномерно по толщине тонкого слоя электролита. Это допущение позволяет заменить объёмный домен поверхностью, что существенно упрощает генерацию расчётной сетки. Данный подход реализован в интерфейсе Current Distribution, Shell, использование которого значительно экономит вычислительные ресурсы.

Моделирование антикоррозионной защиты трубопроводных систем

Моделирование катодной защиты трубопровода связано с определёнными сложностями, которые возникают из-за высокого аспектного соотношения характерных длины и радиуса труб. Простым способом решения этой проблемы является пренебрежение радиальным градиентом потенциала и решение одномерных уравнений для электрического потенциала вдоль трубы. Таким образом, задачу можно свести к одномерной постановке, а значит заметно сократить требование к вычислительным ресурсам без существенной потери точности.

Библиотека свойств материалов

В состав модуля «Коррозия» включён справочник свойств материалов, содержащий данные о свойствах более 270 веществ, в том числе о равновесных потенциалах и поляризации (зависимость локальной плотности тока от потенциала электрода) для ряда металлов и сплавов в различных электролитах.

Продвинутый мультифизический анализ

COMSOL Multiphysics^® позволяет легко комбинировать различные физические интерфейсы. Например, для моделирования коррозионного растрескивания под напряжением можно объединить интерфейс механики твёрдого тела с интерфейсом коррозии. Также с помощью узлов мультифизической связи в модель можно добавить учёт тепловых эффектов, которые будут влиять на коррозионные процессы и работу системы антикоррозионной защиты. Аналогично, моделирование коррозии или антикоррозионной защиты можно комбинировать с расчётом турбулентных и многофазных течений.

Катодная защита

В состав модуля «Коррозия» включён специализированный интерфейс для моделирования систем катодной защиты. Для описания кинетики электродных реакций пользователи могут задать собственные выражения, использовать встроенные уравнения, например уравнения Батлера-Вольмера или Тафеля, или экспериментальные поляризационные кривые. Предварительно настроенные узлы позволяют эффективно моделировать протекторные (жертвенные) аноды и системы импульсного тока.

В расчётных моделях можно довольно легко учесть растворение и осаждение реагентов на поверхности электродов, а также связанное с этим эффектом изменение поляризации электродов. Помимо этого, инструменты модуля позволяют рассчитать локальную скорость коррозии в заданных областях. Комбинируя эти данные с уравнениями переноса, можно проанализировать ограничение интенсивности массопереноса, например, в закрытых полостях и пористых материалах.

Изменение геометрии вследствие коррозии и электроосаждения

В состав модуля «Коррозия» включены специальные мультифизические интерфейсы для моделирования нестационарных деформаций, возникающих в результате осаждения или растворения материала электродов в электрохимических ячейках. Подобные расчёты осуществляются с использованием алгоритмов изменения геометрии расчётной области, в рамках которых скорость перемещения границ области определяется интенсивностью электрохимических реакций.

Интерфейсы Level Set и Phase Field также могут использоваться даже тогда, когда в результате коррозионных процессов изменяется топология поверхности электрода, что характерно, например, для систем антикоррозионной защиты с жертвенным анодом.

Методы моделирования: МКЭ и МГЭ

При решении уравнений математического описания на полномасштабной трёхмерной геометрической модели численными методами необходимо выполнить пространственную дискретизацию. В модуле «Коррозия» метод конечных элементов дополнен методом граничных элементов. Например, для моделирования коррозии тонких объектов можно использовать специализированные балочные элементы, реализованные в интерфейсе Current Distribution, Boundary Elements. Моделирование методом граничных элементов с помощью инструментов модуля «Коррозия» является проверенной альтернативой методу конечных элементов при решении задач катодной защиты. Данный подход упрощает процесс построения расчётных моделей для тонких конструкций и больших объёмов электролита, например, когда электролитом является морская вода.

Приложения для моделирования

С помощью среды разработки приложений, входящей в состав COMSOL Multiphysics^®, можно разрабатывать пользовательские интерфейсы для любых расчётных моделей. Этот инструмент позволяет создавать специализированные приложения с возможностью контроля входных данных и результатов расчёта. Приложения можно использовать в самых разных целях:

• Для автоматизации сложных и повторяющихся действий
• Для создания и обновления отчетов
• Для создания удобных и информативных интерфейсов пользователей

Специализированные приложения дают возможность специалистам более эффективно взаимодействовать со всеми участниками проекта, а также позволяют сосредоточить основное внимание на входных данных и важных результатах моделирования.

В качестве примера, демонстрирующего использование приложений при проектировании систем катодной защиты, в состав модуля включено приложение Cathodic Protection Designer.