腐蝕仿真的案例
電偶腐蝕現(xiàn)象的仿真分析
在腐蝕分析中，我們經(jīng)常研究的腐蝕表面所具有的電氣連接可不像控制電流或電壓那么簡(jiǎn)單。相反，電極表面可能直接短路連接到另一個(gè)電極，例如單樁與過渡連接件之間的電氣連接。在本篇博客文章中，我們將討論如何在 COMSOL 軟件中使用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來描述這些電極和外部短路。
短路和電偶腐蝕仿真
在之前的博客文章中，我們討論了鋰離子電池短路的建模，我們當(dāng)時(shí)分析了一個(gè)被鋼針刺穿而產(chǎn)生短路的電池，并直接在幾何中繪制了穿過鋼針的電流路徑。
電偶腐蝕 是另一種系統(tǒng)，金屬表面之間的電氣連接起著非常重要的作用。在電偶腐蝕中，兩種具有不同電化學(xué)反應(yīng)活性的金屬處于電接觸狀態(tài)，從而提供一條電流路徑，使其中一種金屬腐蝕，而化學(xué)物質(zhì)（通常是溶于水的氧）在不活潑金屬端被還原。
舉例來說，為了模擬電偶腐蝕，我們可以選擇使用與低碳鋼連接的鎂合金。由于鎂具有負(fù)值較大的（氧化）腐蝕電位，因此它會(huì)優(yōu)先腐蝕。經(jīng)過一段時(shí)間后，鎂電極材料被腐蝕。
電解質(zhì)電位分布（彩色表面）和電流密度（箭頭）。電解質(zhì)電流從腐蝕的鎂合金（右）流向低碳鋼（左）。
與電解質(zhì)相比，金屬具有非常高的電導(dǎo)率，因此我們通常認(rèn)為金屬具有均勻電位。如果兩種金屬相互連接，則整個(gè)表面的電位是恒定的，這是電偶腐蝕的特征條件，即電極之間沒有外加電壓。相反，電化學(xué)電池由于兩種金屬不同的電化學(xué)環(huán)境和反應(yīng)活性而發(fā)生極化。這種反應(yīng)性差異產(chǎn)生了不同金屬上電位不同的雙電荷層。
為了方便起見，我們經(jīng)常使用該電位作為系統(tǒng)地，表示在電位 φs 下具有簡(jiǎn)單邊界條件的短路金屬。在電化學(xué)模型中，我們使用“電極表面”邊界條件在整個(gè)連接金屬表面設(shè)置 φs = 0。
從上圖可以明顯地看出，電解質(zhì)電位在整個(gè)表面上并不均勻，而是隨著“電極反應(yīng)”邊界條件中設(shè)置的局部腐蝕電位而變化，也可能取決于電極動(dòng)力學(xué)或質(zhì)量傳輸。
展開 【CAE案例】應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）的有限元仿真
圖2 晶體的有限元建模
應(yīng)力腐蝕有兩種不同的類型，一種是沿晶腐蝕，另外一種是穿晶腐蝕，穿晶腐蝕的機(jī)理更加復(fù)雜。目前有限元仿真可以對(duì)沿晶應(yīng)力腐蝕的過程做出仿真。首先需要確定所有晶粒之間的邊界，從而進(jìn)一步在仿真中得到發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的路徑。如下圖所示找出了所有的晶體邊界。
圖3 開裂路徑的設(shè)置
應(yīng)力腐蝕過程存在著三個(gè)階段：潛伏階段、裂紋萌生階段以及裂紋傳播階段。在潛伏階段中，晶體微結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力作用和晶間腐蝕作用的影響，但是并沒有裂紋生成。在裂紋萌生階段中，裂紋開始生成，但是裂紋穿透深度很小。之后裂紋逐漸擴(kuò)展，達(dá)到裂紋傳播階段，此時(shí)裂紋擴(kuò)大至可以穿過整個(gè)晶間區(qū)域。有限元仿真的一個(gè)難點(diǎn)在于準(zhǔn)確的判斷出不同的晶粒間所處的應(yīng)力腐蝕的階段，為此相關(guān)研究人員開發(fā)出了一套如下圖所示的具體仿真流程。
圖4 應(yīng)力腐蝕開裂仿真流程
仿真過程中可以通過不同晶粒之間的PH值判斷是否發(fā)生氧化?？紤]到本研究是基于有限元的斷裂力學(xué)仿真，并沒有引入多物理場(chǎng)。氧化一般會(huì)發(fā)生在金屬與水的交界面上，當(dāng)判斷晶粒間出現(xiàn)氧化后，會(huì)給晶粒間一個(gè)更小的臨界切應(yīng)力，使得裂紋萌生的過程更容易發(fā)生。
首先，需要計(jì)算裂紋出現(xiàn)前晶體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力結(jié)果，再根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，基于開裂準(zhǔn)則來判斷裂紋是否萌生。下圖中展示了（100）（111）（110）晶向交界處的平均等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。
圖5
晶體截面上平均等效應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果
再依據(jù)開裂準(zhǔn)則可以判斷出裂紋是否萌生和傳播擴(kuò)展，接下來就可以進(jìn)一步對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂處的上下邊界進(jìn)行平均等效應(yīng)力計(jì)算。下圖展示了發(fā)生應(yīng)力沿晶腐蝕后，每個(gè)高斯積分點(diǎn)上的等效應(yīng)力計(jì)算值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
展開 螺旋管的橢圓型缺陷應(yīng)力腐蝕仿真 ￥1000
應(yīng)力腐蝕是指在特定應(yīng)力條件下，金屬材料遭受腐蝕破壞的現(xiàn)象。它是由金屬表面與介質(zhì)接觸時(shí)的化學(xué)反應(yīng)和材料內(nèi)部的應(yīng)力相互作用導(dǎo)致的。應(yīng)力腐蝕通常發(fā)生在金屬材料表面受到應(yīng)力作用的情況下，同時(shí)接觸有特定的化學(xué)介質(zhì)。應(yīng)力可以來自外界應(yīng)力（如拉伸、彎曲、擠壓等），也可以是由材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力引起的?；瘜W(xué)介質(zhì)可以是溶液、氣體或其它特定的環(huán)境條件。應(yīng)力腐蝕的破壞是一種在金屬材料表面出現(xiàn)局部腐蝕和裂紋的形式。這種破壞往往比較隱蔽，因?yàn)樗ǔＯ拗圃趹?yīng)力集中的區(qū)域，如焊縫、金屬接頭或應(yīng)力集中點(diǎn)等。隨著時(shí)間的推移，這些裂紋可能會(huì)擴(kuò)展并最終導(dǎo)致材料的完全破壞。
本案例建立了一帶有橢圓形缺陷的螺旋管模型，如圖1所示，基于COMSOL軟件的固體力學(xué)模塊和二次電流分布模塊模擬仿真了螺旋管在10年腐蝕期間下的應(yīng)力分布和腐蝕厚度，仿真結(jié)果如圖2所示。
圖1 幾何模型
應(yīng)力分布
腐蝕厚度
圖2 仿真結(jié)果
感興趣的朋友，歡迎交流模型！
展開 基于COMSOL軟件仿真完整接頭電偶腐蝕 ￥800
<p>本案例基于COMSOL軟件的二次電流模塊和ALE技術(shù)模擬了焊接接頭的電偶腐蝕行為，仿真結(jié)果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202203/imgs/5502d2461f514dcb9af49827704ba61b.gif" alt="Untitled2.gif"></p><p>感興趣的朋友，可下載模型源文件，歡迎交流</p><p><br></p>
展開 
壓氣機(jī)導(dǎo)向器葉片的鹽霧腐蝕仿真 ￥500
基于COMSOL軟件的二次電流模塊仿真了壓氣機(jī)導(dǎo)向器葉片的電極電位，并基于電流分布?xì)んw接口求解薄電解質(zhì)域內(nèi)的電解質(zhì)電位。電解質(zhì)膜的厚度取決于鹽負(fù)荷密度和相對(duì)濕度。氧溶解度和電解質(zhì)電導(dǎo)率也取決于相對(duì)濕度。使用與大氣腐蝕模型相同的表達(dá)式來分析電解質(zhì)膜厚、氧溶解度和電解質(zhì)電導(dǎo)率與相對(duì)濕度的相關(guān)性。仿真結(jié)果如圖2所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/c238539d1c4448d385a40815ac069aa7.png" alt="Untitled11.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖1 幾何模型</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/7ac3e5fa234a4211bc4cdf934005e009.png" alt="Untitled12.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>腐蝕電流密度</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/10f4d4177d534c529e4f9a7bd34aadd1.png" alt="Untitled13.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>電極電流密度和電勢(shì)分布</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p><p><br></p><p><br></p>
展開 Moldex3D仿真分析之聚氨酯發(fā)泡產(chǎn)品的抵抗腐蝕性、隔熱和吸音效果
聚氨酯發(fā)泡產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是可以讓產(chǎn)品本身減輕重量，節(jié)省材料成本，并且增加使用舒適性，具有抵抗腐蝕性、隔熱和吸音的效果。
挑戰(zhàn)
? 成形條件難以掌控（熱力分析中的不穩(wěn)定狀態(tài)難以控制）
? 未知的發(fā)泡過程（對(duì)于溫度與壓力變化的不確定）
? 期望發(fā)展可靠的CAE技術(shù)
Moldex3D 解決方案
? 透過發(fā)泡動(dòng)力學(xué)分析不同產(chǎn)品所經(jīng)歷的化學(xué)發(fā)泡過程
? 支持發(fā)泡旋轉(zhuǎn)成型
? 模擬成型過程中的充填行為并預(yù)測(cè)最后的產(chǎn)品重量
? 估算氣泡大小、數(shù)目、密度分布等結(jié)果，評(píng)估產(chǎn)品減重比率
? 透過重力和逃氣位置分析可優(yōu)化澆口位置
? 可視化發(fā)泡動(dòng)力所影響的密度變化
? 可評(píng)估發(fā)泡轉(zhuǎn)化率與熔膠轉(zhuǎn)化率的影響
發(fā)泡轉(zhuǎn)化率 轉(zhuǎn)化率
應(yīng)用產(chǎn)業(yè)
? 汽車工業(yè)（儀表板，方向盤，座椅）
? 制冷工業(yè)（冰箱保溫層，保溫夾層）
? 制鞋工業(yè)（鞋底）
? 醫(yī)療工業(yè)
展開 鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用：仿真引領(lǐng)汽車設(shè)計(jì)
仿真 App 助力前沿設(shè)計(jì)
在創(chuàng)建數(shù)值模型后，Gallant 又使用 COMSOL Multiphysics 軟件中的“App 開發(fā)器”工具開發(fā)了一個(gè)可與同事們共享的仿真App。利用公司內(nèi)安裝的 COMSOL Server? 產(chǎn)品（圖 8），他可以通過網(wǎng)頁瀏覽器快速部署仿真 App、管理用戶、應(yīng)用定制品牌，并根據(jù)需要分享更新。同事和客戶可隨時(shí)隨地通過網(wǎng)頁瀏覽器登錄，訪問這些仿真 App。
圖 8. 通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問顯示 NRC 商標(biāo)的 COMSOL Server? 視圖。
圖 9 顯示了專門計(jì)算多材料復(fù)雜裝配的電偶腐蝕現(xiàn)象的仿真 App，使用者可以選擇裝配組件，并定義電解質(zhì)厚度、對(duì)流和溫度。在仿真 App 運(yùn)行期間，用戶可以生成電解質(zhì)電位、電流密度和電極厚度變化的可視化繪圖。利用由 NRC 編寫的 MATLAB? 或 RStudio? 腳本，用戶還可以導(dǎo)出定制的結(jié)果報(bào)告，以便進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，并按照客戶提出的規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。
圖 9. 用于分析復(fù)雜多材料裝配電偶腐蝕行為的仿真 App。上：整個(gè)裝配中的電解質(zhì)電位。下：整個(gè)裝配中的電流密度。
不僅如此，仿真 App 還加強(qiáng)了負(fù)責(zé)整車性能開發(fā)的工程師與腐蝕工程師之間的溝通協(xié)作。使用仿真 App 之前，如果改變幾何結(jié)構(gòu)或更換材料的做法不是常規(guī)操作，或者造價(jià)更高，開發(fā)整車性能的工程師往往會(huì)選擇避免這些改變，因?yàn)樗麄儫o法清晰預(yù)見這些變化帶來的好處。全面部署仿真 App 后，腐蝕工程師可以為設(shè)計(jì)人員提供更詳實(shí)的理論依據(jù)，并明確指出腐蝕產(chǎn)生的位置和原因。
“我們的下一階段目標(biāo)是讓 ALTec 成員能夠在仿真 App 中選擇汽車的裝配位置，這款專業(yè)的預(yù)測(cè)工具可以幫助他們更加準(zhǔn)確地表征模型中的電解質(zhì)。COMSOL Server 開啟了近乎無限的可能性，卓越的靈活性使其能夠輕松適應(yīng)客戶的具體需求?！?/span>
展開 基于COMSOL Multiphysics的管線用鋼在3.5%NaCI溶液中的腐蝕行為研究
為了深入了解管線鋼材在模擬海水介質(zhì)中的腐蝕行為，針對(duì)溫度變化及高Cl-的腐蝕環(huán)境，本文基于COMSOL Multiphysics仿真軟件對(duì)海上平臺(tái)管線常用鋼材Q235碳鋼、304L不銹鋼進(jìn)行腐蝕仿真模擬，并把溫度作為自變量，通過參數(shù)化掃描研究腐蝕行為，為今后海上油田管道防腐及復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用提供參考依據(jù)與理論支持。
1 腐蝕仿真模型的建立
1.1 材料與介質(zhì)
Q235碳鋼的化學(xué)成分為：C:0.20%,Si:0.30%,Mn:0.50%,S:0.045%,P:0.045%,Cr:0.30%,Ni:0.30%,Cu:0.30%，其余為Fe;304L不銹鋼的化學(xué)成分為：碳C:0.03%,Si:1.0%,Mn:2.0%,Cr:20.0%,Ni:12.0%,S:0.03%,P:0.045%；其余為Fe。腐蝕介質(zhì)為3.5%NaCl溶液，pH值為6.5～7.5。
1.2 創(chuàng)建幾何模型
圖1 三維模型示意圖
實(shí)驗(yàn)采用Q235碳鋼、304L不銹鋼模擬實(shí)驗(yàn)鋼材，鋼材的尺寸為30mm×20mm×3mm。三維模型的建模及網(wǎng)格劃分如圖1所示。對(duì)于電極表面電解質(zhì)區(qū)域，為了更加準(zhǔn)確地構(gòu)建出腐蝕形貌，模擬出腐蝕深度等，采用掃掠方式，將電解質(zhì)與電極反應(yīng)界面分開創(chuàng)建自由網(wǎng)格，并采用超細(xì)化處理方式來劃分材料網(wǎng)格大小。為了準(zhǔn)確構(gòu)建出腐蝕的形貌，模擬出腐蝕深度，在每個(gè)單元格內(nèi)，需要將模型劃分出細(xì)小的網(wǎng)格單元來進(jìn)行求解，網(wǎng)格劃分的疏密程度由網(wǎng)格階數(shù)決定。劃分網(wǎng)格的步驟：（1）根據(jù)模擬的需要，將電解質(zhì)與電極反應(yīng)界面分開創(chuàng)建自由網(wǎng)格，對(duì)溶液中的網(wǎng)格劃分采用自由劃分三角網(wǎng)格的方法；（2）由于結(jié)果精度會(huì)受到網(wǎng)格劃分疏密程度的影響，因此，在實(shí)際操作時(shí)，將對(duì)精度影響較小的溶液部分選擇網(wǎng)格粗化；（3）考慮到計(jì)算的時(shí)間與精度等問題，全局粗化可能會(huì)降低結(jié)果的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格劃分程度越密，精度越高。
展開 常頂揮發(fā)線的露點(diǎn)腐蝕與多相流模擬
前 言
與電化學(xué)腐蝕相比，流動(dòng)腐蝕由于“流動(dòng)”的過程，物理與電化學(xué)耦合作用，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的腐蝕問題。煉油廠加工原油時(shí)水分與其它腐蝕性氣體形成的強(qiáng)酸會(huì)嚴(yán)重腐蝕金屬表面。針對(duì)塔頂管線露點(diǎn)腐蝕問題，通過仿真軟件Fluent對(duì)某煉油廠塔頂系統(tǒng)注水后酸性腐蝕問題進(jìn)行研究，基于腐蝕動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行分析，采用API581中的腐蝕預(yù)測(cè)模型來預(yù)測(cè)低溫露點(diǎn)腐蝕的傾向。
1 常頂揮發(fā)線的露點(diǎn)腐蝕
原油進(jìn)入煉油廠后首先經(jīng)過常減壓蒸餾裝置，利用蒸餾原理，將原油中不同沸點(diǎn)的各組分分離成不同的石油餾分，再送往二次加工裝置進(jìn)行加工。近年來，隨著煉廠加工原油的高酸值和高含硫趨勢(shì)造成常壓塔系統(tǒng)的腐蝕問題越來越突出，嚴(yán)重威脅到煉油裝置的安全生產(chǎn)。
根據(jù)API 571-2011《煉油廠設(shè)備損傷機(jī)理》，煉油廠常減壓裝置涉及到的損傷類型一共有20種，在常壓塔塔頂系統(tǒng)中有8種，最常見的3種分別是氯化銨腐蝕、鹽酸腐蝕和沖刷腐蝕，如圖1所示。
圖1 常壓塔塔頂系統(tǒng)的主要損傷機(jī)理
目前國內(nèi)、外煉油廠針對(duì)塔頂系統(tǒng)的腐蝕所采取的防腐手段是以工藝防腐為主、選材為輔，最常用的工藝防腐為“一脫三注”，即電脫鹽、注水、注中和劑、注緩蝕劑。注劑的加入量一般根據(jù)塔頂流出總量或冷凝水中的pH值和鐵離子含量等指標(biāo)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，這在一定程度上沒有真實(shí)、直觀的反映出當(dāng)前的腐蝕情況，工藝防腐效果并不理想。
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